ГОРИЗОНТАЛЬНО-ТУРБИННЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР
HORIZONTAL TURBINE WIND-POWERED GENERATOR

Изобретение используется для выработки малых и средних производственно-бытовых мощностей электроэнергии из возобновляемого природного источника, а именно воздушных потоков, прежде всего в нестабильных и экстремальных аэродинамических условиях континентального и близкого к нему по сложным атмосферным особенностям климата.
Сущность технического решения состоит в том, что турбина ветроэнергетического устройства (ГТВ-генератора) представляет из себя горизонтальный диск, сверху и снизу данной несущей поверхности в по меньшей мере двух концентрических рядах с равным шагом установлены трехгранные пирамидно-парусные элементы, в основании которых вырезаны соответствующие сквозные отверстия. Одна из граней указанных парусных элементов является открытой, радиально направленной или коаксиальной радиусу турбины, образует с поверхностью диска прямой или тупой угол. Те же элементы разных рядов имеют относительное равноугловое смещение.
Изобретение относится в ветроэнергетическим генераторам с осью вращения ротора, не совпадающей с направлением ветра.
Из развития техники однако известно, что 91% используемой в практической энергетике ветростанций и энергомодулей относится к иному классу устройств, в которых ось вращения ротора совпадает с направлением ветра (установки HAWT с лопастными, преимущественно пропеллерными, турбинами). Столь односторонне деформированная ориентация на данный класс устройств привела к узко ограниченным областям их применения, а именно использованию в немногочисленных районах с благоприятными погодными условиями, в которых атмосферные ветры имеют достаточную скорость, устойчивую по величине и направлению. К этим территориям относятся прибрежные полосы и шельф на востоке США, Канады и Китая, в северо-западных странах Европы.
В остальных регионах мира, особенно континентальных, где преобладают среднескоростные ветры, чередующиеся с вихрями и шквальными порывами, часто меняющие свою величину и направление, переходящие в наклонно поднимающиеся или опускающиеся потоки на стыке атмосферных фронтов, установки HAWT применяются исключительно редко и перспектив развития не имеют. Непреодолимым недостатком пропеллерных ветрогенераторов является скачок их лобового сопротивления при переходе к работе в условиях сильных ветров, что снижает их эффективность на 25-30 и более процентов. В таких режимах эксплуатации, а также при наклонно поднимающихся или опускающихся воздушных потоках и вихрях данный класс устройств полностью растрачивает свои преимущества, а его органические недостатки усугубляются.
Установлено теоретически и экспериментально, что класс ВЭУ с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (установки VAWT или виндроторные турбины) более перспективны в смысле работоспособности в сложных атмосферных условиях, характерных для большинства территорий планеты и прежде всего регионов с континентальным климатом, имеют неисчерпанный на сегодня ресурс совершенствования аэродинамических качеств. Первый вывод следует из того, что установки VAWT, имея более низкий порог чувствительности, не требуют ориентации на ветер, что является решающим фактором в условиях нестабильных воздушных потоков, вихрей, пульсаций и флуктуации в атмосфере; второй вывод следует из принципа их действия, основанного на разнице аэродинамических свойств парусных элементов в диаметрально противоположных позициях относительно общей оси вращения. Обладая, кроме вертикального положения роторного вала, второй общей отличительной чертой, состоящей в том, что аэродинамические (парусные) элементы всех известных виндроторных турбин коаксиальны общей оси вращения, установки VAWT могут быть разделены на два типа.
К первому ортогональному типу установок VAWT принадлежат турбины, подобные ветроэлектростанции высокой мощности (патент RU №2331793), ветроротору с ковшовыми створчатыми лопастями (патент RU №2276283) и генератору (патент WO №2007/121904). Особенностью всех данных устройств является изменяющаяся парусность (обтекаемость) аэродинамических элементов под воздействием набегающего воздушного потока. Их стабильная работа возможна исключительно в идеальной среде, когда скорость ветра имеет оптимальное значение, постоянна по величине и направлению. Малейшее отклонение скорости ветра в ту или иную сторону вызывает несрабатывание или запаздывание работы механизмов и узлов сматывания парусов на барабаны, смыкание створчатых лопастей, изменение обтекаемости аэродинамических элементов. В реальной атмосфере с ее вихрями и турбулентностями возникают явления нарастающей вибрации и разрушающего резонанса. В указанных виндроторах турбины крепятся к роторным валам посредством рамочных конструкций, радиальных траверс или крестовин. Их недостаточная жесткость и прочность может привести при сильных, штормовых и ураганных ветрах к разрушению турбин, деформации роторов. Стоит только таким агрегатам остановиться на время штиля и слабоветрия, как его новый запуск становится невозможен без приложения сторонней силы. В противном случае турбины будут бесконечно совершать маятниковые колебания относительно вертикальной оси вращения.
Ко второму неортогональному типу следует отнести такие конструкции того же класса ВЭУ, как лопасти Савониуса (веб-сайт: www.enersis.ru, раздел «ВРТБ - ветровая роторная турбина Болотова»), роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), парусные элементы которых закреплены непосредственно на вертикальном роторном валу. Типичным представителем неортогональных виндроторов или одной из модификаций лопастей Савониуса является турбина с вертикально вытянутыми чашевидными парусными элементами (патент US №20090167028). Крепление ее чаш к роторному валу усилено присутствием горизонтального диска. При работе такой турбины отработанный воздух не имеет выхода из объема чаш и вытесняется оттуда набегающими потоками, вследствие чего энергия ветра затрачивается нерационально, наблюдаются хаотичные вихри и пульсации, флаттерный срыв воздушных струй с кромок парусных элементов. Конструкция подвергается сильным разрушающим колебаниям и знакопеременным нагрузкам. Наличие крепежного не перфорированного диска ухудшает аэродинамику турбины, что наряду с незначительностью ометаемой ею площади не позволяет развить мощность более 1-2 кВт.
В целях достижения имеющей практический интерес мощности неортогональные VAWT исполняются в виде башен, что позволяет получить развитую поверхность парусных элементов и большую площадь ометаемой турбиной поверхности. Однако в результате этого роторный вал получается длинномерным и работающим на скручивание, которое усугубляется разницей аэродинамических режимов по высоте: ламинарных у основания вала и возрастающе турбулентных ближе к его вершине. По причине высокого суммарного лобового сопротивления парусных элементов башенные ВЭУ склонны к опрокидыванию под напором ветра. Кроме того, ввиду большого числа ярусных или высоты монолитных парусных элементов, навешенных на вал, его вес становится столь значительным, что возникает потребность в приложении сторонней силы для преодоления инерции массивной турбинно-роторной конструкции и начала его заданного вращательного движения.
Во избежание биения генераторного вала обязательным технологическим требованием для всех ВЭУ является тонкая статическая и динамическая балансировка турбинно-роторного узла. Однако из-за конструктивных особенностей виндроторов (консольность парусных элементов на концах рам, траверс и крестовин ортогональных турбин, эффект колебаний натянутой струны, наблюдаемый при работе длинномерных валов башенных установок) условие это не возможно выполнить идеально. Биения механизмов VAWT не удается избежать. Амплитуда колебаний подвижных узлов ветроэнергостанций столь значительна, что их тряска легко наблюдается визуально.
Значения коэффициента использования энергии ветра для ортогональных и не ортогональных виндроторов колеблется в узких пределах 25-35%, что говорит о незначительной разнице в аэродинамических свойствах парусных элементов в их диаметрально противоположных позициях и низкой эффективности преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращающегося роторного вала. Признано, что до настоящего времени для конструкций системы VAWT не найдено достаточно простого и рационального решения.
Целью изобретения является обеспечение устойчивой работы ВЭУ в нестабильных и экстремальных атмосферных режимах без применения для запуска установки сторонней силы, повышение прочности и надежности ветрогенератора.
Поставленная задача для малых и средних бытовых или производственных потребителей (до 20 кВт) реализуется тем, что парусные элементы ГТВ-генератора радиально и концентрически выстроены в общей для них всех горизонтальной плоскости. Опорной конструкцией для них является не периферийные стороны турбинной рамки, траверсы или непосредственно длинномерный роторный вал, а горизонтальный диск, который является более жесткой и прочной конструкцией. При этом в диске имеются треугольные отверстия, выполненные с равномерным шагом по меньшей мере в два концентрических ряда. Одна из сторон упомянутых отверстий в обязательном порядке совпадает или параллельна радиусу жесткого диска, они же в разных концентрических рядах смещены на определенный равный угол относительно друг друга и оснащены парусными элементами. Последние из указанных компонентов конструкции горизонтальной турбины выполнены в виде трехгранных пирамид с открытым основанием, которое совпадает по форме и размерам с отверстиями в жестком диске и совмещены с ними. Также открытой является одна из сторон пирамидно-парусных элементов, которая под прямым или тупым углом расположена к поверхности опорного диска и совпадает с радиально направленной или коаксиальной радиусу диска кромкой сквозных отверстий в нем. В одном из концентрических рядов пирамидно-парусные элементы установлены сверху, а в другом ряду - снизу жесткого диска.
На фиг.1 показан общий вид дискового ГТВ-генератора, где поперечное сечение пирамидно-парусных элементов конструкции для наглядности показано в фронтальной плоскости; на фиг.2 и 3 - продольный разрез пирамидно-парусных элементов верхнего и нижнего концентрического ряда соответственно; на фиг.4 - вид сверху на горизонтально-дисковую турбину с действительной схемой размещения пирамидно-парусных элементов в концентрических рядах под оптимальным угловым смещением.
Устройство состоит из опорной мачты 1, на вершине которой имеется генератор 2. На вертикальном роторном валу 3 генератора закреплен в горизонтальной плоскости жесткий диск 4 с треугольными сквозными отверстиями 5, исполненными по меньшей мере в двух концентрических рядах с равномерным шагом. Над и под упомянутыми отверстиями в разных концентрических рядах установлены идентичные пирамидно-парусные элементы 6.
Под напором ветра и в результате разницы в аэродинамических показателях диаметрально расположенных парусных элементов 6 по фронту воздушного потока возникает результирующая движущая сила, создающая крутящий момент на вертикальном роторном валу 3 генератора 2. Ротор 3 приводится во вращение, генератор 2 начинает вырабатывать электрическую энергию.
Благодаря большему, чем у прототипов аэродинамическому отличию парусных элементов при их выбранной пирамидальной форме в положениях навстречу ветру открытой гранью и острым отклоненным от ветра ребром, действует большая результирующая сила, создающая больший крутящий момент на валу ротора и мощность генератора при той же энергетике воздушной среды. Этот же фактор наряду с меньшей массой и инерцией турбины, оптимальным порогом ее чувствительности позволяют запустить ВЭУ в работу без приложения сторонней силы.
Размещение пирамидно-парусных элементов на жестком диске обеспечивает большую прочность и надежность турбины ветрогенератора. Становится технически более реальным отбалансировать и тем самым резко уменьшить биение турбины. Горизонтальная, как в пропеллерных ветряках, консольность вращающегося вала и вертикальная консольность турбин, как в ортогональных виндроторах, устранены. Отсутствует значительный разнос подшипниковых опор ротора, свойственная башенному типу установок VAWT.
Горизонтальное положение дисковой турбины создает условие для работы пирамидно-парусных элементов в однородном по аэродинамическому режиму узком слое воздушного потока. Этому же, т.е. устойчивому характеру работы ГТВ-генератора, служит средний в ряду известных из развития технических средств ветроэнергетики порог чувствительности турбинно-роторного узла. Турбина предлагаемого устройства не реагирует на незначительные флуктуации и пульсации атмосферы, работает ровно и стабильно. В свою очередь положительно влияет на данный параметр турбины равномерный шаг размещения парусных элементов в концентрических рядах и их относительное равноугловое смещение, как показано на фиг.4.
При сверхнормативных по скорости ветра режимах работы ГТВ-генератора не происходит резкого скачка лобового сопротивления турбины, поскольку с трех своих сторон пирамидно-парусные элементы имеют обтекаемые формы, а с четвертой - предусмотрен плавный выход воздушного потока через сквозные отверстия в горизонтальном диске турбинного узла.
Возможности работы установки в наклонно восходящих и поднимающихся потоках воздуха способствует наклон ребра пирамидно-парусных элементов навстречу ветру. При этом если теплый атмосферный фронт поднимается, будут в основном задействованы элементы, размещенные на жестком диске турбины, а при холодном опускающимся фронте - снизу того же диска. Этим обстоятельством обусловлена необходимость по меньшей мере двух концентрических рядов упомянутых здесь элементов.
Кроме базового исполнения, которое подробно изложено выше, турбина ГТВ-генератора в зонах легких ветров (4-6 м/с) может быть исполнена в виде каркаса, обтянутого прочной тканью или пластиком. На территориях со шквалами и штормами опорная поверхность пирамидно-парусных элементов усиливается и, например, образуется из двух горизонтальных дисков, скрепленных между собой ребрами жесткости.