ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА
WIND TURBINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к производству энергии с помощью ветра, более точно к конструкции для производства энергии с помощью ветра, которая имеет гондолу криволинейной формы и в которой для уменьшения образования концевых вихрей используются скосы потока вниз.
Описание уровня техники
В зависимости от направления, в котором поступает ветер в ветряную турбину, различают наветренные турбины и подветренные турбины. Большинство используемых в настоящее время ветряных турбин являются наветренными турбинами, принцип действия которых основан на том, чтобы создаваемые ветром воздушные потоки непосредственно ударялись о переднюю поверхность лопастного колеса и придавали ему вращение для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Чтобы обеспечить максимальную производительность лопастного колеса, его наветренная поверхность должна находиться на одной оси с направлением ветров. Таким образом, большинство ветряных турбин имеют устройство для слежения за направлением ветра, в котором для определения направления ветра используется анемометр и которое приводит в действие приводное устройство с целью перемещения лопастного колеса в соответствии с направлением ветра. Из-за этого ветряная турбина такого типа является очень дорогостоящей. Кроме того, у подветренной турбины лопастное колесо расположено позади гондолы, а гондола установлена на мачте несимметрично относительно центра.
Из-за того, что центр вращения и точка опоры не совпадают, когда лопастное колесо приводится в действие ветром, воздушные потоки могут автоматически попадать в гондолу через ее переднюю часть. За счет расстояния между лопастным колесом и точкой опоры гондолы обеспечивается плечо силы, которое создает крутящий момент для перемещения лопастного колеса таким образом, чтобы автоматически следовать за направлением ветра.
Как показано на фиг.1, в случае как наветренной, так и подветренной турбины, турбина 10 подвижно установлена на мачте 20. Ветряная турбина 10 имеет гондолу 11, динамо-машину 12 и лопастное колесо 13.
Гондола 11 имеет обтекаемую, пулевидную форму. Наружная поверхность гондолы 11 является криволинейной, при этом ее передний конец постепенно расширяется в направлении середины гондолы 11, а затем постепенно сужается. Воздушные потоки (обозначенные стрелками на чертежах) поступают с переднего конца гондолы 11 и расширяются наружу. Часть воздушных потоков проходит через средний участок гондолы 11 и сжимается внутрь. Как расширяющаяся наружу, так и сжимающаяся внутрь часть воздушных потоков ударяется о лопастное колесо 13 и вызывает завихрение. Кроме того, лопастное колесо 13 имеет множество лопастей на его наружной окружности, обеспечивающих движущую силу для придания вращения лопастному колесу 13 за счет воздействующего на него давления ветра, чтобы, тем самым, преобразовать энергию ветра в электрическую энергию. При прохождении воздушных потоков через концы лопастей 131 они могут индуцировать концевые вихри и создавать шум встречного потока воздуха, но концы лопастей 131 являются участками лопастного колеса 13, создающими наибольший крутящий момент при вращении лопастного колеса 13. Концевой вихрь может создавать силу в противоположном лопастному колесу 13 направлении, которая частично противодействуют движущей силе лопастного колеса 13. Таким образом, конструкция как гондолы, так и лопастей влияет на коэффициент использования энергии ветра и, следовательно, может влиять на эффективность производства энергии с помощью ветра.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создания конструкции гондолы ветряной турбины, в которой уменьшено лобовое сопротивление, создаваемое вихревыми потоками, и увеличено давление ветра с тем, чтобы повысить коэффициент использования энергии ветра.
Другой задачей настоящего изобретения является создание конструкции гондолы ветряной турбины с автоматическим слежением за направлением ветра.
Одной из дополнительных задач настоящего изобретения является создание ветряной турбины, в которой уменьшено образование концевых вихрей, ослаблен шум встречного потока воздуха, создаваемый вращением лопастного колеса, и, тем самым, повышен коэффициент использования энергии ветра.
Предложенная в настоящем изобретении ветряная турбина имеет гондолу, динамо-машину и лопастное колесо. Гондола имеет переднюю часть и корпус. Корпус гондолы имеет проходящую по окружности криволинейную щель, которая имеет переднюю сужающуюся часть и заднюю расширяющуюся часть, между которыми расположена впадина. В проходящей по окружности криволинейной щели установлена, по меньшей мере, одна пластина, которая преимущественно параллельна оси корпуса гондолы. По центру лопастного колеса расположена ступица, от которой в радиальном направлении отходит множество лопастей. Каждая лопасть имеет конец, образующий скос потока вниз, который наклонен в направлении, противоположном наветренной поверхности лопасти, и образует прилежащий угол с лопастью, преимущественно равный или превышающий 90 градусов.
Когда предложенную в настоящем изобретении турбину приводит в действие высокоскоростной воздушный поток, сужающаяся часть корпуса гондолы создает эффект вакуума, который втягивает воздушный поток, а расширяющаяся часть изменяет угол подъема воздушного потока, заставляя воздушный поток непосредственно ударяться о лопасти лопастного колеса с тем, что уменьшить завихрение и увеличить давление ветра и, тем самым, существенно повысить коэффициент использования энергии ветра. Пластина, установленная в проходящей по окружности криволинейной щели, обеспечивает угол отклонения относительно направления воздушного потока при изменении направления ветра с тем, чтобы создавать движущую силу для смещения корпуса гондолы и, тем самым, обеспечивать функцию автоматического слежения за направлением ветра. Кроме того, при вращении лопастного колеса скос потока вниз, выполненный на конце каждой лопасти, может подавлять образование концевых вихрей и ограничивать воздушный поток, направляя его назад, за счет чего существенно повышается коэффициент использования энергии ветра при производстве энергии с помощью ветра и ослабляется шум встречного потока воздуха.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема, иллюстрирующая действие обычной ветряной турбины,
на фиг.2 показано перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения,
на фиг.3 показано перспективное изображение предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения в собранном виде,
на фиг.4 показана схема, иллюстрирующая гондолу согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, в которую поступает воздействующий на нее ветер,
на фиг.5 показана схема, иллюстрирующая движение воздушного потока, когда на лопасть согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения попадает воздействующий на нее ветер,
на фиг.6 показана схема, иллюстрирующая автоматическое слежение за направлением ветра согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Как показано на фиг.2 и 3, ветряная турбина, сконструированная согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, имеет следующие элементы.
Гондола 30 состоит из передней части 31 и корпуса 32. Передняя часть 31 гондолы имеет заостренную коническую форму и фиксатор 311 на ее обратной стороне. Передняя часть 31 гондолы имеет периферийную поверхность с множеством прорезей 312, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одно соединительное отверстие 313. Корпус 32 гондолы имеет форму полого цилиндра, внутреннее пространство которого образует камеру 321, и торец, противолежащий передней части 31 гондолы и имеющий множество установочных отверстий 322. Соединительные отверстия 312 передней части 31 гондолы и установочные отверстия 322 корпуса 32 гондолы, соответственно, соединены друг с другом винтами и образуют единое устройство. Корпус 32 гондолы имеет наружную стенку, в которой расположена проходящая по окружности криволинейная щель 323. Криволинейная щель 323 имеет переднюю сужающуюся часть 3231, диаметр которой постепенно уменьшается, и заднюю расширяющуюся часть 3232, диаметр которой постепенно увеличивается. Место соединения сужающейся части 3231 и расширяющейся части 3232 образует впадину 3233. Следует отметить, что радиус кривизны сужающейся части 3231 меньше или преимущественно равен радиусу кривизны расширяющейся части 3232, а длина дуги сужающейся части 3231 меньше или преимущественно равна длине дуги расширяющейся части 3232. В проходящей по окружности криволинейной щели 323 установлена, по меньшей мере, одна пластина 324 таким образом, что пластина 324 преимущественно параллельна оси корпуса 32 гондолы и выступает за поверхность корпуса 32 гондолы.
В корпусе 32 гондолы помещается динамо-машина 40. Динамо-машина 40 имеет расположенный по центру вал 41, который выходит за пределы гондолы 30.
Лопастное колесо 50 имеет расположенную по центру ступицу 51. Ступица 51 имеет окружность, от которой в радиальном направлении отходит множество лопастей 52. Ступица 51 имеет расположенное по центру отверстие 511 для вала для совмещения и крепления конца вала 41 с целью обеспечения их приводного соединения. Каждая лопасть 51 имеет наветренную поверхность 521 и подветренную поверхность 522. На свободном конце каждой лопасти 52 выполнен скос 523 потока вниз. Скос 523 наклонен в направлении, противоположном наветренной поверхности 521 лопасти 52, и образует с наветренной поверхностью 521 лопасти 52 прилежащий угол, преимущественно равный или превышающий 90 градусов. Наветренная поверхность 521 лопасти 52 имеет множество углублений 53 или в качестве альтернативы как наветренная поверхность 521, так и подветренная поверхность 522 имеют множество углублений 53. Углубления 53 имеют форму полусфер и, следовательно, образуют поверхность, сходную с наружной поверхностью мяча для гольфа.
При сборке фиксатор 311 передней части 31 гондолы устанавливают на мачте 60 с возможностью вращения гондолы 30 на мачте 60, чтобы при воздействии ветра на лопастное колесо 50 динамо-машина 40 вырабатывала электрическую энергию.
Как показано на фиг.2 и 4, когда на предложенную в настоящем изобретении турбину воздействует высокоскоростной воздушный поток (стрелками на чертежах обозначено направление воздушного потока), воздушный поток поступает через переднюю часть 31 гондолы и увлекается за счет эффекта вакуума, создаваемого сужающейся частью 3231 корпуса 32 гондолы, в результате чего воздушный поток проходит через впадину 3233 криволинейной щели 323 и поступает в расширяющуюся часть 3232. Расширяющаяся часть 3232 увеличивает угол подъема воздушного потока при выходе воздушного потока. Следует отметить, что за счет выбора радиусов кривизны и длин дуги сужающейся части 3231 и расширяющейся части 3232 криволинейной щели 323 согласно настоящему изобретению меняется скорость и досягаемость воздушного потока и угол подъема выходящего воздушного потока, за счет чего воздушный поток непосредственно ударяется о лопастное колесо 50 в месте нахождения области наибольшего воздействия ветра или о наиболее удаленные от центра концы лопастей 52 и генерирует наибольший крутящий момент. Таким образом, предложенная в настоящем изобретении гондола способна уменьшать лобовое сопротивление, создаваемое завихрением, и обеспечивает схождение выходящего воздушного потока и его перемещение в направлении лопастного колеса, соответствующего области наибольшего воздействия ветра, с целью увеличения давления ветра и повышения коэффициента использования энергии ветра при производстве энергии с помощью ветра. Как показывают эксперименты, при одинаковой скорости ветра настоящее изобретение реально повышает коэффициент использования энергии ветра и обеспечивает важное техническое усовершенствование при производстве энергии с помощью ветра.
Как показано на фиг.2 и 5, когда на лопастное колесо 50 согласно настоящему изобретению попадает воздействующий на него ветер, в результате чего оно вращается, наветренная поверхность 521 лопасти 52 воспринимает воздушный поток, создаваемый ветром (стрелками на чертежах обозначено направление воздушного потока), в результате чего лопастное колесо 50 вращается и вырабатывает электрическую энергию. В настоящем изобретении используется скос 523 потока вниз на конце лопасти 52, чтобы блокировать воздушный поток, который проходит через лопасть 52 и, вероятно, образует концевые вихри, и направлять воздушный поток в обратную сторону на выход, за счет чего значительно уменьшается образование концевых вихрей. Как показывают эксперименты, ослабление концевых вихрей составляет, по меньшей мере, 1% КПД по выработке энергии. Таким образом, за счет скоса 523 потока вниз согласно настоящему изобретению можно восстановить часть КПД по выработке энергии, который ранее терялся из-за концевых вихрей. Иными словами, это является способом повышения эффективности производства энергии с помощью ветра. Кроме того, концевой вихрь на конце лопасти 52 является фактором возникновения шума встречного потока воздуха. Признак настоящего изобретения, который уменьшает образование концевых вихрей, также, несомненно, полезен для ослабления шума встречного потока воздуха. Помимо этого поверхность лопасти 52 имеет углубления 53, сходные с углублениями на поверхности мяча для гольфа и успешно ослабляющие лобовое сопротивление воздуха, в результате чего при работе лопастей 52 создается подъемная сила, увеличивающая скорость воздушного потока. Таким образом, в настоящем изобретении успешно ослабляются вихревые потоки и шум встречного потока воздуха, локализуется воздушный поток и его направление, уменьшается пылеобразование, увеличивается срок службы лопастного колеса 50 и обеспечивается устранение шума.
Кроме того, поскольку, как показано на фиг.2 и 6, пластина 324, установленная в криволинейной щели 323 гондолы 30, преимущественно параллельна направлению воздушного потока (стрелками на чертежах обозначено направление воздушного потока), она также способствует блокированию воздушного потока при его подъеме. Таким образом, расстановка из множества пластин 324 может обеспечивать эффект регулирования потока. Помимо этого при изменении направления воздушного потока пластина 324 обеспечивает угол отклонения от направления воздушного потока, в результате чего воздушный поток прикладывает к пластине 324 движущую силу для углового смещения гондолы 30 и, тем самым, поддержания ориентации лопастного колеса 50 в направлении ветра. Это является другим признаком настоящего изобретения.
Как описано выше и показано на фиг.2-6, при практическом осуществлении настоящего изобретения обеспечиваются следующие преимущества.
(1) В настоящем изобретении предложена гондола 30, которая имеет вогнутую криволинейную обтекаемую форму и которая при поступлении воздействующего на нее высокоскоростного воздушного потока обеспечивает функции регулирования воздушного потока, увеличения давления ветра и улучшения угла подъема выходящего воздушного потока, за счет чего значительно повышается коэффициент использования энергии ветра при производстве энергии с помощью ветра.
(2) В настоящем изобретении предложена лопасть 52, конец которой образует скос 523 потока вниз для предотвращения образования концевого вихря и, тем самым, значительного повышения эффективности производства энергии с помощью ветра.
(3) В настоящем изобретении предложена, по меньшей мере, одна пластина 324, установленная в криволинейной щели 323, для поддержания постоянной ориентации лопастного колеса 50 в направления ветра, чтобы, тем самым, обеспечить автоматическое слежение за направлением ветра.
(4) Кроме того, в настоящем изобретении предложена лопасть, на поверхности которой выполнено множество углублений 53 и которая напоминает поверхность мяча для гольфа, за счет чего ослабляется лобовое сопротивление воздуха, а также завихрение и шум встречного потока воздуха, локализуется скорость и направление воздушного потока, уменьшается пылеобразование, продлевается срок службы лопастного колеса 50 и обеспечивается устранение шума.