Адаптивная турбина
ADAPTIVE TURBINE

Заявленное изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к управлению и регулированию ветряных двигателей.
Из существующего уровня техники известен ветродвигатель, патент RU2066396 опубликован 10.09.1996 года. Турбина ветродвигателя указанного изобретения содержит ветроколесо с телескопическими лопастями, включающими основную и выдвижную лопасти, а также привод выдвижной лопасти. В зависимости от скорости ветра ветроколесо за счет подвижных частей лопастей меняет площадь ометания, уменьшая ее при увеличении скорости ветра выше номинальных значений.
Поскольку количество лопастей остается неизменным, быстроходность (отношение линейной скорости кончика лопасти к скорости ветра) турбины также остается постоянной величиной. Следовательно, при прочих равных условиях, при уменьшении радиуса ометаемой площади в два раза, частота вращения турбины увеличивается в два раза. В то же время мощность потока воздуха, проходящего через ометаемую площадь, уменьшится в четыре раза, поскольку прямо пропорциональна площади ометаемой лопастями турбины. В итоге крутящий момент на валу (прямо пропорциональный мощности и обратно пропорциональный частоте вращения), благодаря такому техническому решению, может быть уменьшен в восемь раз, что дает возможность увеличить верхнюю границу рабочего диапазона скорости ветра в два раза – корень кубический из восьми (мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра).
Основными недостатками данного решения являются:
- высокие требования по подгонке подвижных и неподвижных частей во избежание заклинивания при движении друг относительно друга, поскольку подвижные и неподвижные части должны иметь аэродинамический профиль и, согласно автору, различную крутку;
- высокие требования по балансировке ветроколеса на всех режимах работы, так как неравномерное втягивание подвижных частей на высоких оборотах приведет к разбалансировке турбины и опасным вибрациям на валу, которые могут привести выходу из строя ветроустановки;
- указанное техническое решение никак не влияет на уменьшения нижней границы рабочего диапазона скорости ветра, равно как и на снижение стартовой скорости ветроустановки, поскольку для увеличения момента на валу при низкой скорости ветра нужны дополнительные лопасти. А многолопастные системы, как известно, имеют КПД ниже трех- или двухлопастных (коэффициент использования энергии ветра не выше 38%) и быстроходность менее 3х. Это означает, что многолопастная установка малоэффективна при скорости ветра выше 10 м/с, так как воздушный поток с высокой скоростью воспринимает многолопастное ветроколесо как диск, и просто огибает его.
Другим техническим решением является ветроустановка, патент RU2078995 опубликован 10.05.1997 года. Ветроустановка содержит конфузорный концентратор потока на поворотном основании и турбину с «эллипсными турболопастями» и телескопическими выдвижными лопатками.
В отличие от предыдущего технического решения, данная ветроустановка содержит концентратор воздушного потока, что снижает стартовую скорость.
Основные недостатки, помимо тех, что указаны в предыдущем изобретении, это:
- необходимость ориентировать на ветер всю установку с концентратором, что требует дополнительной мощности;
- неэффективность при быстро меняющем направление ветре;
- в закрытых конфузорных концентраторах создается подпирающее давление из-за замедления воздушного потока после передачи энергии турбине, и набегающий поток начинает огибать установку, что, в свою очередь, приводит к потере мощности.
Еще одним техническим решением является вихревой концентратор воздушного потока, патент RU2655422C1 опубликован 28.05.2018 года. Вихревой концентратор состоит из ветронаправляющих элементов, у которых выходная кромка корневой части одного ветронаправляющего элемента обращена к входной кромке корневой части следующего ветронаправляющего элемента, образуя окруженную ветронаправляющими элементами рабочую зону, при этом закрутка ветронаправляющих элементов от корневых частей к концевым частям разворачивает выходные кромки и наклоняет ветронаправляющие элементы к указанной рабочей зоне вихревого концентратора.
Воздушные потоки, попадающие в указанный вихревой концентратор, движутся по спирали к рабочей зоне, где располагается турбина. При этом, поскольку потоки стремятся сохранить первоначальное направление движения, они движутся вплотную к внутренним поверхностям ветронаправляющих элементов. Ширина потоков составляет не более 25% от радиуса рабочей зоны. В остальной, центральной части рабочей зоны, радиус которой составляет, соответственно, не менее 75% радиуса всей рабочей зоны, движение воздушных потоков отсутствует. Это свойство характерно для всего класса подобных устройств, формирующих вихревые потоки воздуха.
Вихревой концентратор лишен недостатков предыдущего технического решения:
- не требует ориентации на ветер;
- эффективен даже при быстро меняющем направление ветре;
- благодаря отсутствию закрытых конфузоров или конфузорных каналов, не создается подпирающее давление после передачи части энергии воздушного потока турбине.
Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи расширения рабочего диапазона скорости ветра, повышение надежности ветроустановок с вихревым концентратором.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленная адаптивная турбина расположена в рабочей зоне вихревого концентратора и состоит из ступицы с радиально расходящимися из нее штоками с лопастями, каждый из которых имеет привод, отвечающий за перемещение штока из ступицы и обратно. Кроме того, приводы штоков могут быть связаны с системой автобалансировки турбины, штоки могут иметь дополнительный привод, отвечающий за поворот штока вокруг своей оси для изменения угла атаки лопасти, а ступица может быть снабжена обтекателем.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что, во-первых, лопасти адаптивной турбины можно выборочно частично выводить из воздушных потоков, сформированных ветронаправляющими элементами вихревого концентратора, и заводить обратно, меняя воздействие воздушных потоков на каждую лопасть в отдельности, во-вторых, полностью задвигая в ступицу штоки отдельных групп лопастей, можно менять конфигурацию турбины, постепенно преобразуя ее из многолопастной (с быстроходностью менее 3х и стартовой скоростью менее 1 м/с) в трех- и двухлопастную турбину и обратно, без резких и значительных отклонений крутящего момента на валу турбины от номинального значения, и, в-третьих, можно полностью вывести все лопасти из воздушных потоков. Это позволяет более эффективно использовать энергию ветра в широком диапазоне скоростей, а также обеспечивает плавность хода всех движущихся частей в цепочке передачи крутящего момента от турбины к генератору. При полностью втянутых в ступицу штоках воздействие воздушных потоков на лопасти турбины отсутствует, что предотвращает риск поломки лопастей при штормовом ветре. Все это повышает надежность данной турбины и ветроустановки в целом.
Изобретение поясняется рисунками, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
На рисунке Фиг.1 показан общий вид адаптивной турбины с двенадцатью штоками с лопастями и вихревого концентратора с шестью ветронаправляющими элементами. За формирование воздушных потоков в области, ометаемой адаптивной турбиной, отвечают ветронаправляющие элементы вихревого концентратора (1). Адаптивная турбина состоит из ступицы (2) с радиально расходящимися из нее штоками (3) с лопастями (4), каждый из которых имеет привод (5), отвечающий за перемещение штока (3) из ступицы (2) и обратно.
На рисунке Фиг.2 показана адаптивная турбина с конфигурацией лопастей (4) 6/6 – с шестью полностью выдвинутыми штоками (3) и с шестью штоками (3) полностью задвинутыми в ступицу (2).
Адаптивная турбина может быть изготовлена следующим образом.
Ступица (2) может быть изготовлена из металлоконструкций, обшитых полимерными или композитными материалами. Цилиндры штоков (3) могут быть изготовлены из нержавеющей стали, а сами штоки (3) могут быть изготовлены из труб, как из нержавеющей стали, так и из композитных материалов. Лопасти (4) могут быть изготовлены из композитных материалов. Приводы (5) штоков (3) могут быть как гидравлическими, так и электромеханическими.
В первом случае используется двухпоточная гидроразводка, управляемая при помощи золотников. Гидронасос может быть один или несколько, в зависимости от организации гидроразводки – с разбивкой цилиндров штоков на группы для распределения мощности, необходимой для управления адаптивной турбиной, или без разбивки.
Во втором случае приводы могут состоять из сервомоторов и червячных передач, где вдоль цилиндров штоков с двух противоположных боковых сторон (чтобы не было перекосов при перемещении) размещены зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят червяки, приводимые во вращение сервомоторами. Первый вариант более дешевый, а второй более точный в позиционировании штоков.
Адаптивная турбина работает следующим образом.
Захваченные воздушные потоки направляются ветронаправляющими элементами вихревого концентратора (1) таким образом, что максимальное воздействие на лопасти (4) адаптивной турбины воздушные потоки оказывают только при полностью выдвинутых штоках (3) из ступицы (2), так как линейная скорость воздушных потоков максимальна у внешнего края ометаемой адаптивной турбиной области и уменьшается до нуля при продвижении к центру указанной области. Это позволяет приводам (5) штоков (3) полностью или частично выводить лопасти (4) турбины из-под воздействия воздушных потоков, сохраняя крутящий момент на валу постоянным и равным номинальному значению как при слабом ветре, менее 7 м/с, так и при ветре выше 12 м/с. При этом каждое перемещение штоков (3) контролируется посредством обратной связи системой автобалансировки, что исключает разбалансировку турбины и снижает нагрузку на подшипники вала турбины, увеличивая их срок службы. Также, наличие системы автобалансировки снижает требования по качеству изготовления и калибровке каждой лопасти (4), что уменьшает стоимость адаптивной турбины при серийном производстве.