ТУРБИНА
TURBINE

Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к области использующих силу движения ветра или воды турбин, таких как ветротурбины или гидротурбины, в которых электрическую энергию вырабатывают за счет протекания воздуха или воды через лопасти ротора. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к таким турбинам, в которых лопасти идут от центральной вращающейся ступицы или вала к вращающемуся кольцу или ободу.
Ветротурбины, известные также как ветряки, ветровые или ветроэнергетические установки, представляют собой хорошо известные устройства для выработки энергии, а типично, электрической энергии, за счет использования энергии ветра. Ветротурбины, которые используют для выработки больших объемов энергии, представляют собой очень большие конструкции, имеющие высоту сотни футов и лопасти ротора длиной сотни футов, причем лопасти ротора смонтированы на центральной ступице или валу. Широкие удлиненные лопасти необходимы потому, что область развертки лопасти пропорциональна мощности, которая может быть выработана данной ветротурбиной. Этот размер создает проблему, так как каждая лопасть должна действовать как кронштейн, который может поддерживать удлиненную лопасть, причем лопасть должна постепенно становиться все более массивной в направлении центральной ступицы, чтобы исключить разрушение лопасти во время работы. Несмотря на использование композитов высокой технологии, углеродных волокон и т.п., уже достигнут практический предел размеров лопастей. Например, наиболее крупные ветротурбины имеют три лопасти, так как определили, что это является наиболее эффективной конструкцией. Желанию увеличить длину лопасти, чтобы захватывать больше ветра, противодействует сопроводительное снижение скорости вращения вала (об/мин).
Пониженная скорость вращения вала требует использования больших редукторов с большими коэффициентами редукции, что нежелательно. Уменьшение шага лопастей, чтобы повысить скорость вращения, снижает момент вращения, что тоже нежелательно. Таким образом, в известных конструкциях ветротурбин всегда приходится прибегать к компромиссам, чтобы сбалансировать указанные конкурирующие факторы.
Альтернативный тип ветротурбины содержит внешнее кольцо или обод, которые соединены с лопастями, так что концы лопастей больше не являются самоподдерживающимися (независимыми), и поэтому лопасти могут быть длиннее. Лопасти идут от центральной вращающейся ступицы или вала до кольцевого обода и, таким образом, поддерживаются на обоих концах. В этом варианте также известно использование энергии вращения скорее от вращающегося кольцевого обода, а не от центральной ступицы, так как кольцевой обод движется с намного большей скоростью. Ролики, колеса, зубчатые колеса, магниты и т.п., используют для передачи энергии вращения от обода на один или несколько генераторных механизмов и т.п. Примеры таких турбин описаны в патентах США №4319865, №4330714, №4350895, №4545729, №4729716 и №6664655. Такие ветротурбины часто имеют меньшие размеры и скорее используют паруса, а не лопасти, чтобы повысить число захватывающих ветер элементов, так как вес кольцевого обода создает конструктивные проблемы при проектировании.
Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективной ветротурбины или гидротурбины, которая позволяет максимально повысить желательные конструктивные характеристики, например позволяет увеличить длину лопасти, повысить число лопастей, уменьшить вес лопасти, понизить стоимость материалов, повысить скорость вращения (об/мин), повысить вращающий момент, снизить шум и обеспечить переменное управление шагом лопастей, среди прочего. Другой задачей настоящего изобретения является создание такой турбины, в которой вес лопастей уменьшен за счет конструирования каждой лопасти с использованием относительно легкой оболочки (или листового материала), которая расположена на множестве кабельных элементов, идущих от центральной вращающейся ступицы или вала к внешнему кольцевому ободу, причем кабельные элементы должны работать на поддержку оболочки лопасти и внешнего кольцевого обода. Задачей настоящего изобретения является также создание такой турбины, в которой при необходимости шаг лопастей может регулироваться в зависимости от параметров воздушного потока.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию использующей силу движения ветра или воды турбины, такой как ветротурбина или гидротурбина, в которой поток воздуха или поток воды вращает роторный элемент относительно центрального вала или ступицы, так что вырабатывается электрическая энергия за счет энергии вращения, и в которой роторный элемент содержит множество лопастей, идущих от вращающейся центральной ступицы до вращающегося кольцевого обода. Каждая из лопастей содержит множество кабельных или аналогичных расчалочных элементов, идущих от ступицы к ободу, и относительно легкий листовой элемент или элемент оболочки, расположенный на кабельных элементах, причем листовой элемент, поддерживаемый при помощи кабельных элементов, образует относительно широкую область отклоняющей поверхности, так что когда ветер или проточная вода сталкивается с листовыми элементами, тогда лопасти, обод и ступицы вращаются. Листовые элементы отклоняют поток, а кабельные элементы за счет натяжения поддерживают листовые элементы и обод.
Энергия вращения, созданная при помощи роторного элемента, может быть передана от центральной ступицы, однако ее преимущественно передают от кольцевого обода, так как обод вращается с более высокой скоростью, чем ступица. Передача энергии вращения от обода в электрический генератор может осуществляться различным известным образом, например, с использованием роликов, колес, зубчатых колес, магнитов и т.п.
Кабельные элементы могут быть установлены на ступице и ободе в различных конфигурациях и с разным числом, так что кабели могут быть прикреплены в линейной, изогнутой или пространственной схеме к ступице и к ободу, причем конфигурация поверхности и шаг лопастей могут быть выбраны так, чтобы максимально повысить эффективность (кпд). В соответствии с альтернативным вариантом, точки крепления кабельных элементов могут быть подвижными, так что могут быть выбраны альтернативные конфигурации и шаги, индивидуально или в совокупности, в ответ на изменение параметров ветра.
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию использующей силу движения ветра или воды турбины, такой как ветротурбина или гидротурбина, которая содержит роторный узел, содержащий вращающуюся центральную ступицу и вращающийся кольцевой обод, причем указанный обод соединен с указанной ступицей при помощи множества лопастей. Каждая из указанных лопастей содержит больше двух кабельных элементов и элемент оболочки, расположенный на них и образующий облицовку указанных кабельных элементов, причем указанные кабельные элементы прикреплены к указанному ободу и к указанной ступице, при этом указанный элемент оболочки и указанные кабельные элементы в сочетании образуют заданную, объемную, трехмерную конфигурацию указанной лопасти, так что сила движения воздуха или воды, отклоняющая указанный элемент оболочки, вызывает вращение указанного роторного узла.
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию использующей силу движения ветра или воды турбины, такой как ветротурбина или гидротурбина, которая предназначена для выработки электрической энергии и содержит роторный узел, установленный на мачте, причем указанный роторный узел содержит вращающуюся центральную ступицу и внешний обод, при этом указанный обод соединен с указанной ступицей при помощи множества натянутых кабельных элементов, причем указанные кабельные элементы объединены в группы для создания множества опорных узлов, при этом каждый опорный узел поддерживает элемент оболочки, расположенный на нем и образующий облицовку указанных кабельных элементов, чтобы получить индивидуальную лопасть, причем указанные лопасти вызывают вращение указанного роторного узла, чтобы создать энергию вращения в ответ на движение воздуха или воды относительно указанного элемента оболочки; и генератор, имеющий связь с указанным роторным узлом, так что вращение указанного роторного узла приводит к выработке электрической энергии при помощи указанного генератора.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид сбоку турбины в соответствии с настоящим изобретением, причем одна из лопастей показана частично открытой, чтобы показать кабельные элементы, идущие от ступицы к ободу.
На фиг.2 показан частично вид спереди ротора, где также одна из лопастей показана частично открытой.
На фиг.3 показаны кабельные элементы, прикрепленные к ступице в линейной конфигурации.
На фиг.4 показаны кабельные элементы, прикрепленные к ступице в изогнутой конфигурации.
На фиг.5 показаны кабельные элементы, прикрепленные к ступице в пространственной конфигурации.
На фиг.6 показаны кабельные элементы, прикрепленные к регулируемому средству установки кабелей, которое соединено со ступицей так, что позволяет изменять положение кабельных элементов, а следовательно и шаг лопастей, в зависимости от ветрового режима.
На фиг.7 показаны кабельные элементы, прикрепленные к регулируемому средству установки кабелей, которое соединено с кольцевым ободом так, что позволяет изменять положение кабельных элементов, а следовательно и шаг лопастей, в зависимости от ветрового режима.
На фиг.8 показано поперечное сечение лопасти постоянной конфигурации, показанной на фиг.3.
На фиг.9 показано поперечное сечение лопасти постоянной конфигурации, показанной на фиг.4.
На фиг.10 показано поперечное сечение лопасти постоянной конфигурации, показанной на фиг.5.
Подробное описание изобретения
В широком смысле, в соответствии с настоящим изобретением предлагается использующая силу движения ветра или воды турбина, такая как ветротурбина или гидротурбина, в которой поток воздуха или поток воды вращает роторный элемент относительно центрального вала или ступицы, так что вырабатывается электрическая энергия за счет энергии вращения, и в которой роторный элемент содержит множество лопастей, идущих от вращающейся центральной ступицы до вращающегося кольцевого обода. Для упрощения, изобретение будет описано далее со ссылкой на ветротурбину, однако следует иметь в виду, что изобретение может быть использовано и в случае гидротурбины.
Как это показано на фиг.1 и 2, турбина 10 в соответствии с настоящим изобретением содержит роторный узел 20, установленный на неподвижном опорном средстве, которое содержит опорный элемент 11 и мачту 12, причем роторный узел 20 расположен так, что имеет главным образом горизонтальную ось вращения, чтобы захватывать ветер, дующий у поверхности земли. Турбина 10 может иметь любой размер, причем описанная здесь конструкция подходит для проектирования очень больших турбин, у которых диаметр роторного узла 20 может составлять сотни футов.
Роторный узел 20 содержит центральную вращающуюся ступицу или вал 21, установленные на мачте 12, так что роторный узел 20 может вращаться относительно неподвижного опорного средства. Роторный узел 20 дополнительно содержит внешнее или периферийное кольцо или кольцевой обод 22, причем обод 22 соединен с центральной ступицей 21 при помощи множества лопастей 23, или, более конкретно, при помощи внутренних кабельных элементов 24, образующих лопасти 23, причем лопасти 23 представляют собой средство захвата энергии ветра и преобразования этой энергии в движение вращения.
Каждая из лопастей 23 содержит группы из больше чем двух натянутых кабелей или других аналогичных расчалочных элементов 24, идущих от ступицы 21 к ободу 22, и относительно легкий лист или листовой элемент 25 (элемент оболочки), расположенный на них и закрывающий кабельные элементы 24 или образующий их облицовку, так что листовой элемент 25, поддерживаемый при помощи кабельных элементов 24, образует заданную сложную кривую трехмерной лопасти 23, занимающей объем в пространстве и имеющей относительно большую область поверхности отклонения, так что когда ветер (или проточная вода) сталкиваются с элементами 25 оболочки, тогда лопасти 23, обод 22 и ступица 21 вращаются. Конфигурация лопастей 23 является фиксированной и контролируемой, и не может надуваться или ослабляться как парус. Кабельные элементы 23 могут быть изготовлены из различных материалов, имеющих необходимую прочность и не упругие свойства, таких как металл, синтетические материалы, кевлар и т.п. Элемент 25 оболочки может быть изготовлен из различных легких материалов, таких как, например, ткань, листы синтетических материалов, эпоксидные композиционные материалы и т.п., так как элемент 25 оболочки не должен обеспечивать никакую конструктивную поддержку роторного узла 20 и действует только как поверхность отклонения под действием ветра.
Кабельные элементы 24, которые идут от ступицы 21 к ободу 22, могут быть ориентированы в различных конфигурациях, причем вид крепления кабельных элементов 24 определяет общую форму лопастей 23. Кабельные элементы 24 могут быть размещены на ступице 21 в линейной конфигурации, как это показано на фиг.3 и 8, в изогнутой конфигурации, как это показано на фиг.4 и 9, или в пространственной конфигурации, как это показано на фиг.5 и 10. Аналогичным образом кабельные элементы 24 прикреплены внутри обода 22. Вид крепления кабельных элементов 24 к ступице 21 и ободу 22 может быть одинаковым или различным, в том, что касается шага, разделительного расстояния, конфигурации и т.п. За счет этого может быть получено бесконечное число конфигураций с сечением в виде сложных кривых для лопасти 23, если изменять конфигурацию крепления кабельных элементов 24, так что оптимальная форма имеющей высокий кпд лопасти 23 может быть получена в зависимости от размера роторного узла 20, ожидаемых ветровых режимов и т.п.
В соответствии с альтернативным вариантом, кабельные элементы 23 могут быть смонтированы на регулируемом средстве 26 установки кабелей, которое установлено подвижно на ступице 21, как это показано на фиг.6, и/или на ободе 22, как это показано на фиг.7. Регулируемое средство 26 установки кабелей может представлять собой относительно простой поворотный элемент, как это показано на чертежах, или может содержать более сложные механизмы для перемещения кабельных элементов 24, индивидуально или в совокупности. Путем использования регулируемого средства 26 установки кабелей можно регулировать шаг и форму лопастей 23, чтобы получить оптимальный кпд в зависимости от ветрового режима.
В соответствии с одним из вариантов, энергия вращения роторного узла 20 может быть передана на генератор 30 через вращающуюся центральную ступицу 21. Такие системы хорошо известны. Однако предпочтительным является передача энергии вращения роторного узла на генератор 30 через колеса (барабаны) 31, которые находятся в контакте с вращающимся кольцевым ободом 22, как это показано на фиг.1 и 2. Вместо колес могут быть использованы ролики, зубчатые колеса и т.п. В соответствии с альтернативным вариантом, энергию вращения роторного узла передают с использованием комбинации магнитов и катушек (обмоток). Предпочтительной является передача энергии с обода 22, так как ходовая скорость обода 22 намного выше ходовой скорости центральной ступицы 21, так как точка на ободе 22 проходит намного большее расстояние в течение одного оборота, чем точка на ступице 21. За счет уменьшения веса лопасти 23 можно использовать большее число лопастей 23, в результате чего увеличивается объем захваченного воздуха. Кроме того, шаг лопастей 23 может быть увеличен (сделан более крутым) или уменьшен (сделан более плоским), чтобы получить желательную скорость лопасти.
Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за рамки формулы изобретения.