СПОСОБ, РАБОЧИЙ ЭЛЕМЕНТ И МУЛЬТИРОТОР ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕТРО-ГИДРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD, WORKING MEMBER AND MULTI-ROTOR FOR CONVERSION OF WIND-HYDROPOWER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к ветро-гидроэнергетике и направлена на повышение эффективности преобразования энергии потока в механическую работу, реализуемого в устройствах с ортогональной направлению потока осью вращения ротора.
Преобразование энергии потока при использовании роторов с ортогональной потоку осью вращения обеспечивает полную независимость их функционирования от направления потока, т.е. исключает необходимость в дорогостоящих и сложных системах отслеживания и позиционирования установки по направлению потока.
Однако при вращении ротора с перпендикулярной направлению потока осью, каждый воспринимающий поток рабочий элемент ротора подвергается полезному воздействию потока только в течение половины каждого оборота - это активная зона движения рабочего элемента, когда поток, воздействуя на рабочий элемент, вращает ротор, и энергия потока преобразуется в кинетическую энергию ротора. Вторая половина цикла - это контрактивная зона движения рабочего элемента против потока, то есть энергетически затратная, поскольку на преодоление встречного потока необходимы затраты энергии. Естественным разделом зон является плоскость, проходящая через осевую линию ротора и параллельная направлению набегающего потока.
Наличие активной и контрактивной зон, т.е. зон попутного и встречного потоку движения рабочего элемента ротора, резко уменьшает эффективность преобразования энергии набегающего потока с помощью устройств с перпендикулярной направлению потока осью вращения ротора и снижает потенциал использования устройств данного класса.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является более полное использование энергии потока, снижение прямых энергетических затрат на преодоление встречного потока и инверсия указанных энергетических затрат в полезную работу, повышение удельных полезных нагрузок на рабочие элементы и расширение диапазона используемых потоков, в первую очередь слабых и/или быстроменяющихся по направлению и силе потоков.
Технический результат достигается комплексом заявляемых технических органически связанных решений в части: а) способа, б) рабочего элемента, в) мультироторного устройства для использования энергии ветро-гидропотоков.
Известные решения, вне зависимости от сути конструкторских решений, используют по существу два способа повышения эффективности ортогональных роторов.
Первый способ заключается в уменьшении динамического сопротивления рабочих элементов ротора при движении в контрактивной зоне и осуществляется он, как правило, механическим путем - поворотами, подъемами и другими перемещениями рабочих элементов при переходе из активной зоны в контрактивную, и наоборот, на что всегда требуются затраты энергии, величина которой как правило не оценивается и не учитывается в энергобалансе. Этот способ использован в патентах US 6920450 В2, US 6682302 В2, US 6379115 B1, RU 2087743 C1, RU 2049265 C1. Так в патенте US 6379115 B1 предусматривается поворот лопастей ветродвигателя от перпендикулярного потоку положения при движении по потоку, т.е. в активной зоне, до параллельного потоку положения при движении лопасти против потока, т.е. в контрактивной зоне. Известно решение на основе складывающихся лопастей [патент US 6682302 В2], когда лопасти преодолевают встречный поток в сложенном виде с минимальным динамическим сопротивлением, а в попутном потоке, т.е. в активной зоне, движутся в раскрытом виде, с увеличенной площадью восприятия потока. Установка управляется сложной системой с силовыми приводами и является достаточно инерционной.
Недостатки этого способа очевидны:
- не используется энергия половины набегающего на ротор потока, т.е. доля потока, приходящаяся на контрактивную зону, расположенную по одну сторону оси вращения ротора;
- необходимость флюгерного устройства и систем или механизмов управления воспринимающими поток элементами;
- большой удельный вес затрачиваемой на это энергии и ежецикличные механические нагрузки со значительными ускорениями.
Второй способ преобразования энергии потока в механическую работу предусматривает более полное использование энергии потока и заключается в экранировании контрактивной зоны ротора от набегающего потока и перенаправлении этой части потока через плоскость раздела из контрактивной в активную зону ротора с помощью различных дополнительных экранирующих, отклоняющих и направляющих устройств и элементов.
Известно реализующее этот способ устройство, выбранное в качестве прототипа [патент US 6942454 В2]. В этом изобретении набегающий на контрактивные зоны рабочих элементов роторов поток разделяют и направляют в активные зоны с помощью вертикального клинообразного экрана, установленного на вращающейся платформе с флюгером, способной вращаться "по потоку". На указанной платформе за экраном установлены два ротора с параллельными осями, имеющие смежные контрактивные зоны, т.к. роторы вращаются в противоположных направлениях. За счет такого перенаправления потока уменьшаются потери в контрактивной зоне и увеличивается полезная нагрузка в активной зоне, т.е. повышается эффективность использования набегающего потока.
Однако применение способа в таком виде требует ориентирования всей установки по направлению набегающего потока.
Другой существенный недостаток указанного способа заключается в том, что переброс части набегающего потока осуществляют перпендикулярно осям вращения роторов на расстояние, сравнимое с диаметром ротора, а так как, чем больше плечо такого перемещения, тем больше потери и, соответственно, эффективность способа резко падает с увеличением радиуса и/или соотношения радиус/высота ротора, что делает неэффективным создание мощных установок на основе этого способа.
В заявляемом способе, как и в выбранном в качестве прототипа способе, реализованном в устройстве по патенту US 6942454 В2, набегающий на контрактивную зону поток разделяют и направляют в активную зону.
В способе преобразования ветро-гидроэнергии путем воздействия набегающего потока на размещенные поярусно рабочие элементы роторов с перпендикулярной направлению потока осью вращения заявленный технический результат достигается тем, что набегающий поток в зоне встречного движения каждого рабочего элемента разделяют по линии, перпендикулярной оси вращения, формируют локальные потоки, смещенные вдоль оси и параллельные плоскостям вращения рабочих элементов, и направляют эти потоки на движущиеся в попутном потоку направлении смежные рабочие элементы других роторов, причем разделение набегающего потока, формирование и направление локальных потоков осуществляют фронтальными клинообразными поверхностями рабочих элементов.
Отличия заявляемого способа от прототипа состоят в следующем:
- набегающий поток разделяют по линии, перпендикулярной осям вращения роторов, формируя тем самым горизонтальные потоки, в отличие от прототипа, где разделение осуществляется по параллельной осям линии;
- разделенные потоки направляют из контрактивных зон рабочих элементов одних роторов в активные зоны рабочих элементов других роторов и расположенных на смежных ярусах;
- разделение, отклонение и направление потоков осуществляют непосредственно рабочими элементами роторов, конкретно их фронтальными поверхностями, а не отдельным экраном с флюгером или другими специальными элементами.
В соответствии с этим рабочие элементы в заявляемом решении являются и воспринимающими и формирующими поток элементами (ВФЭ).
Из известных технических решений наиболее подходящим рабочим элементом для реализации заявляемого способа является лопасть ветродвигателя Ишмуратовых [патент RU 2281410 С1], по совокупности существенных признаков принятая за прототип.
Однако при движении против набегающего потока динамическое сопротивление лопасти в виде V-образного или округлого желоба жесткого профиля складывается из лобового сопротивления и сопротивления, обусловленного турбулентностью (разряжением) потока на тыльной стороне лопасти, при этом величина сопротивления резко возрастает с повышением скорости встречного потока относительно лопасти.
Задачей, в части рабочего элемента, является обеспечение более полного использования энергии потока, эффективное формирование и использование локальных внутрироторных потоков, увеличение разницы динамического сопротивления рабочего элемента при движении в активной и контрактивной зонах, расширение диапазона используемых потоков, в первую очередь слабых и/или быстроменяющихся по силе и направлению потоков.
Технический результат достигается тем, что в рабочем элементе ротора с перпендикулярной направлению потока осью вращения, выполненном в виде объемной конструкции с замкнутым профилем поперечного сечения, его фронтальная часть выполнена жесткой и клиновидной, образуемой жесткими плоскими или выпуклыми поверхностями с возможностью изменения угла между ними, а тыльная часть, соединяющая образующие фронтальную часть поверхности по длине рабочего элемента, выполнена гибкой с изменяемой кривизной, т.е. рабочий элемент в заявляемом решении, являющийся и воспринимающим и формирующим поток элементом (ВФЭ), выполнен объемным с возможностью изменения профиля поперечного сечения элемента, что обеспечивает возможность саморегулирования и оптимизации его аэродинамических свойств под воздействием набегающего потока:
- при движении против потока - уменьшение динамического сопротивления рабочего элемента за счет уменьшения угла клина между фронтальными поверхностями и улучшения обтекаемости за счет выпуклого профиля тыльной поверхности;
- при движении по потоку - увеличение динамического сопротивления рабочего элемента за счет увеличения угла клина между фронтальными поверхностями и вогнутого профиля тыльной поверхности рабочего элемента.
На Фиг.1 изображен профиль поперечного сечения заявляемого рабочего элемента:
а - профиль поперечного сечения при движении рабочего элемента против набегающего потока, т.е. в контрактивной зоне;
б - профиль поперечного сечения при попутном с набегающим потоком движении рабочего элемента, т.е. в активной зоне;
в - направление набегающего потока;
1 - тыльная поверхность;
2 - фронтальная поверхность.
Фронтальная поверхность 2 обеспечивает в контрактивной зоне разделение, смещение разделенных частей набегающего потока вдоль оси ротора, формирование локальных верхнего и нижнего потоков и направление их в активные зоны смежных роторов. Она выполнена клинообразной, образована жесткими плоскими или выпуклыми поверхностями с возможностью изменения угла между ними, что обеспечивает возможность уменьшения или увеличения динамического сопротивления рабочего элемента в зависимости от направления набегающего на него потока (попутного или встречного).
Тыльная поверхность 1 обеспечивает эффективный отбор энергии набегающего потока в активной зоне и снижение потерь энергии на преодоление встречного потока в контрактивной зоне. Тыльная поверхность соединяет края образующей клин поверхности по длине рабочего элемента и выполнена гибкой с возможностью изменения профиля от вогнутого в активной зоне, обеспечивающего максимальную эффективность "восприятия" потока, до продольно-вытянутого выпуклого профиля в контрактивной зоне, обеспечивающего снижение динамического сопротивления во встречном потоке за счет улучшения обтекаемости.
Заявляемые способ и рабочий элемент с наибольшей полнотой реализуется в многороторных установках с ярусным расположением рабочих элементов.
В одном из вариантов выполнения устройства для реализации способа, представляющего собой мультиротор и содержащего два и более параллельных роторов, каждый из которых содержит вертикальный вал и рабочие элементы, одинаково ориентированные и жестко закрепленные поярусно вдоль соответствующего вала, технический результат достигается тем, что рабочие элементы смежных ярусов расположены вдоль вала с промежутком больше высоты каждого яруса, причем ярусы рабочих элементов смежных роторов сдвинуты относительно друг друга вдоль оси на расстояние, равное величине промежутка, а валы смежных роторов расположены с возможностью максимального перекрытия площади набегающего потока между осями смежных роторов, чередующимися зонами попутного и встречного потоку движения рабочих элементов смежных роторов.
В другом варианте выполнения устройства для реализации способа, представляющем собой одноосный мультиротор и содержащем несущие верхнее и нижнее основания и продольные параллельные оси рабочие элементы, технический результат достигается тем, что устройство выполнено в виде совокупности коаксиально расположенных роторов, образованных продольными рабочими элементами, жестко соединенными своими концами с соответсвующими концентрическими траверсами, закрепленными на верхнем и нижнем основаниями с возможностью вращения, причем воспринимающие и формирующие потоки рабочие элементы смежных роторов установлены встречным порядком и вращаются под воздействием набегающего потока в противоположных направлениях.
В третьем варианте выполнения устройства для реализации способа, представляющем собой мультиротор и содержащем вал и размещенные ярусами вдоль вала рабочие элементы, технический результат достигается тем, что рабочие элементы смежных ярусов, расположенные встречным порядком, выполнены с возможностью вращения под воздействием набегающего потока вокруг общей оси в противоположных направлениях и соединены с валом чередующимся порядком, причем элементы одних (через один) ярусов жестко соединены с валом, образуя с валом единый ротор, а элементы других, смежных с ними ярусов, соединены с валом с возможностью свободного вращения, образуя совокупность отдельных роторов.
На Фиг.2, 3, 4 представлены три основных варианта исполнения заявляемого устройства.
Фиг.2. Установка с двумя и более параллельными роторами, вращающимися вокруг собственных осей в одном направлении, каждый из которых содержит вертикальный вал 3 и рабочие элементы 4, жестко закрепленные поярусно вдоль вала с промежутком между ярусами рабочих элементов, обеспечивающим свободное движение в нем рабочих элементов смежных роторов.
Рабочие элементы соседних роторов в общей смежной области движутся в противоположных направлениях и набегающий поток между осями смежных роторов практически перекрыт чередующимися по высоте активными и контрактивными зонами рабочих элементов этих роторов. При этом на рабочие элементы каждого ротора в активной зоне воздействует уже не только набегающий поток, но и смещенные сверху и снизу потоки из соседних контрактивных зон рабочих элементов соседнего ротора, что увеличивает удельную мощность воспринимаемого потока и частично инвертирует затраченную в контрактивных зонах энергию в полезную нагрузку, т.е. повышает эффективность использования энергии потока в целом. Полная независимость от направления набегающего потока позволяет выстраивать мультироторные комплексы любой конфигурации, например, с размещением роторов по окружности.
Фиг.3. Установка с роторами, вращающимися вокруг одной общей оси в противоположных направлениях типа мультиротор, выполнена в виде многороторной конструкции ярусного типа и содержит вращающийся в основании/основаниях вал 3 с поярусно размещенными на нем воспринимающими и формирующими поток элементами (ВФЭ) 4; причем ВФЭ одних ярусов, через один, соединены с валом жестко, образуя с ним единый многоярусный ротор, а ВФЭ смежных с ними ярусов соединены с валом через подшипниковые опоры и представляют собой вместе с подшипниковыми узлами и другими связующими элементами отдельные, свободно вращающиеся вокруг вала роторы.
Воспринимающие и формирующие поток элементы смежных ярусов расположены встречным порядком, т.е. обратно направлены относительно друг друга и вращаются под воздействием набегающего потока в противоположных направлениях вокруг общей оси.
Фронтальные передние поверхности ВФЭ 2 при движении навстречу потоку в своих контрактивных зонах разделяют, отклоняют и формируют дополнительные потоки на активные зоны ВФЭ смежных (нижнего и верхнего) ярусов, позволяя тем самым использовать энергию, затраченную на преодоление встречного потока в контрактивных зонах одних ВФЭ, как энергию, полезную для увеличения нагрузки в активных зонах других ВФЭ.
Организация взаимовстречного движения рабочих элементов с помощью мультироторного построения устройства и присущего этому порядку перемежающимися в проекции набегающего потока активных (по потоку) и контрактивных (против потока) зон движения рабочих элементов, а также использование способа в части разделения, формирования и использования локальных внутрироторных потоков самими рабочими элементами реализованы также в одноосном варианте мультироторе с продольным расположением рабочих элементов. Коаксиальное расположение роторов, вращающихся с разными угловыми скоростями, в данном варианте позволяет более полно использовать энергию набегающего потока.
Фиг.4. Мультиротор с коаксиально расположенными роторами, вращающимися вокруг одной общей оси, содержит верхнее и нижнее основания (не показаны) с концентрическими траверсами 5, выполненными с возможностью вращения в основаниях, а также жестко соединенные с траверсами и расположенные вдоль оси воспринимающие и формирующие поток рабочие элементы (ВФЭ) 4; причем ВФЭ на смежных траверсах расположены встречным порядком и представляют собой отдельные, оппозитно вращающиеся под воздействием набегающего потока роторы.
В простых конструкциях установок малой мощности (Фиг.3) воспринимающие и формирующие поток элементы свободно вращающихся на валу роторов выполняют только функцию подвижной системы, формирующей и усиливающей поток на активные зоны ВФЭ единого многоярусного ротора, при этом отбор полезной мощности осуществляется с вала.
В крупногабаритных вертикальных конструкциях одноосных турбин промышленного назначения для обеспечения необходимой жесткости и возможности полного отбора мощности внешние концы ВФЭ каждого яруса установки соединены между собой кольцевыми траверсами (на Фиг.3 не показаны), причем наружный диаметр траверс, несущих жестко связанные с валом ВФЭ единого многоярусного ротора, меньше наружного диаметра траверс несущих ВФЭ свободно вращающихся роторов, соединенных с валом через подшипник. Кольцевые траверсы отдельных свободно вращающихся роторов жестко соединены между собой параллельными оси стойками, размещенными по окружности, диаметр которой больше наружного диаметра окружности размещения траверс, несущих ВФЭ единого многоярусного ротора (с возможностью устройства на них направляющих для смежных колец-траверс), и образуют объединенный ротор, свободно вращающийся на валу. Между смежными кольцевыми траверсами при необходимости установлены промежуточные подшипниковые опоры вращения, жестко закрепленные на предпочтительно нижележащей траверсе и движущиеся по кольцевым направляющим на верхней траверсе. Крайняя нижняя траверса, имеющая на своей нижней поверхности направляющие, вращается на подшипниках, установленных на стационарных основаниях.
Устойчивость установки (при необходимости) обеспечивается стационарным каркасом, который содержит нижнее и верхнее основания для вращающегося вала, несущие вертикальные стойки, жестко соединяющие основания и имеющие консольные опоры-подшипники для кольцевых траверс большего диаметра, т.е. для траверс, несущих ВФЭ отдельных свободно вращающихся роторов. Указанные кольцевые траверсы с установленными на них подшипниковыми опорами качения, в свою очередь, служат несущими для траверс меньших диаметров с ВФЭ жестко соединенными с валом. Таким образом, вес всей установки распределяется на консольные опоры качения несущих стоек и вал.
Кинематическая связь между вращающимися в противоположных направлениях роторами (единым и объединенным) и отбор мощности осуществляется с помощью промежуточных валов, установленных на стационарном каркасе и находящихся в зацеплении с крайними (снизу и/или сверху) траверсами единого и объединенного ротора (т.е. совокупности соединенных стойками отдельных вращающихся на валу роторов).