УСТАНОВКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА СРЕДЫ
UNIT TO CONVERT MEDIUM FLOW POWER

Изобретение относится к области ветроэнергетики и гидроэнергетики, в частности к установкам преобразования энергии потока среды, которые предназначены для преобразования энергии потока среды в электрическую энергию. С использованием кольцевых (с внеосевой центровкой) роторов как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения роторов, в том числе в ветроэнергетических установках башенного типа.
Известна установка преобразования энергии потока среды, которая описана в патенте Украины №59090 А, опубл. 2003.08.15, МПК 7 F03D 1/02, содержащая первую турбину с первым электрогенератором и вторую турбину с вторым электрогенератором, первые средства центрирования первого ротора с зазором относительно первого статора в первом электрогенераторе, вторые средства центрирования второго ротора с зазором относительно второго статора во втором электрогенераторе, первый и второй электрогенераторы содержат средства передачи вырабатываемой ими электроэнергии. При этом первые и вторые средства центрирования первого и второго роторов выполнены в виде концентрически расположенных первого и второго валов. На этих валах расположены в одной плоскости соответственно первая и вторая турбины (одна турбина находится внутри другой).
Основным недостатком данной установки преобразования энергии потока среды является использование радиальных опор для закрепления лопаток первой (большего размера) турбины к первому валу, что снижает как скорость потока среды через лопатки второй турбины за счет повышения сопротивления потоку среды, так и снижает прочность крепления лопаток первой турбины.
Другим недостатком данной установки является недостаточная эффективность использования потока среды, который проходит вдоль оси вращения турбин, что обусловлено снижением момента вращения лопаток второй турбины в радиальном направлении к оси вращения турбин из-за использования осевого центрирования турбин в виде первого и второго валов и соответствующего осевого конусного обтекателя.
Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является установка преобразования энергии потока среды, которая описана в патенте Российской Федерации №2320889, опубл. 2008.03.27, МПК (2006) F03D 9/00, H02K 19/00, содержащая трубу с расположенными в ней первой турбиной с первым электрогенератором и второй турбиной со вторым электрогенератором, первые средства центрирования кольцевого первого ротора с зазором относительно первого статора в первом электрогенераторе, вторые средства центрирования кольцевого второго ротора с зазором относительно второго статора во втором электрогенераторе, при этом внешние части лопаток первой турбины закреплены в кольцевом первом роторе, а внешние части лопаток второй турбины закреплены на кольцевом втором роторе, первый и второй электрогенераторы содержат средства передачи вырабатываемой ими электроэнергии. При этом в установке используется внеосевое центрирование роторов электрогенераторов в виде элементов качения в зазоре между обращенными друг к другу поверхностями соответствующих ротора и статора.
Преимуществом прототипа по сравнению с аналогом является некоторое повышение эффективности использования ветрового потока за счет снижения сопротивления потоку среды для лопаток второй турбины. А также за счет большего использования потока среды вдоль оси вращения турбин. Это обусловлено внеосевым центрированием турбин с соответствующими роторами.
Вместе с тем основным недостатком данной установки преобразования энергии потока среды является недостаточная эффективность использования ветрового потока, который проходит вдоль оси вращения турбин, в частности, при малых скоростях этого потока. Это обусловлено снижением момента вращения, который действует на лопатки турбин, в радиальном направлении к оси их вращения. Кроме того, другим недостатком данной установки является использование в роторах системы возбуждения электрогенераторов постоянных магнитов большой массы. Также недостатком является расположение турбин электрогенераторов последовательно в направлении ветрового потока, что снижает эффективность работы последующих за первым электрогенераторов.
В основу изобретения положена задача создания эффективной установки преобразования энергии потока среды путем создания единого вращаемого блока из составляющих в виде первого и, по крайней мере, второго электрогенераторов с соответствующими лопатками турбин. Это позволит повысить эффективность использования потока среды вдоль оси вращения этого единого вращаемого блока, в частности, при малых скоростях потока среды через установку.
Поставленная задача решается тем, что установка преобразования энергии потока среды содержит трубу с расположенными в ней первой турбиной с первым электрогенератором и второй турбиной со вторым электрогенератором, первые средства центрирования кольцевого первого ротора с зазором относительно первого статора в первом электрогенераторе, вторые средства центрирования кольцевого второго ротора с зазором относительно второго статора во втором электрогенераторе, при этом внешние части лопаток первой турбины закреплены в кольцевом первом роторе, а внешние части лопаток второй турбины закреплены на кольцевом втором роторе, первый и второй электрогенераторы содержат средства передачи вырабатываемой ими электроэнергии. При этом кольцевой первый ротор с первой турбиной и второй электрогенератор со второй турбиной выполнены в виде единого вращаемого блока, в котором внутренние части лопаток первой турбины закреплены на втором статоре второго электрогенератора. Кроме того, посредством средств передачи электроэнергии, вырабатываемой вторым электрогенератором, обмотки второго статора соединены соответственно с обмотками кольцевого первого ротора через преобразователи переменного тока в постоянный. А средства передачи электроэнергии, вырабатываемой вторым электрогенератором, расположены внутри лопаток первой турбины. Лопатки первой и второй турбин выполнены для обеспечения их вращения в противоположных направлениях. Также лопатки первой и второй турбин могут быть выполнены для обеспечения их вращения в одном направлении. Кроме того, единый вращаемый блок кольцевого первого ротора с первой турбиной и второго электрогенератора со второй турбиной может также содержать, по крайней мере, третий электрогенератор с третьей турбиной, при этом внутренние части лопаток предыдущей турбины закреплены на статоре последующего электрогенератора. При этом посредством средств передачи электроэнергии, вырабатываемой последующим электрогенератором, обмотки последующего статора соединены соответственно с обмотками кольцевого предыдущего ротора через преобразователи переменного тока в постоянный. А лопатки соседних турбин выполнены для обеспечения их вращения в противоположных направлениях. Также в установке, начиная со второго электрогенератора, соответствующие статоры и роторы заключены в кольцевые в плане обтекатели, которые выполнены с кольцевым пазом для прохождения в нем соответствующего ротора. Кроме того, первый статор первого электрогенератора содержит основные обмотки и дополнительные обмотки, при этом основные обмотки подсоединены к средствам передачи электроэнергии, вырабатываемой первым электрогенератором, при скорости потока среды не выше номинальной, а дополнительные обмотки первого статора дополнительно подсоединены при скорости потока среды выше номинальной.
Выполнение кольцевого первого ротора с первой турбиной и второго электрогенератора со второй турбиной в виде единого вращаемого блока, в котором внутренние части лопаток первой турбины закреплены на втором статоре второго электрогенератора, позволяет повысить эффективность использования потока среды в направлении к оси вращения этого единого вращаемого блока. Это обусловлено тем, что использование потока среды в направлении к оси вращения первой турбины снижается из-за уменьшения радиуса вращения первой турбины, и большей ее вращаемой массой (массой лопаток первой турбины, ротора первого электрогенератора, статора второго электрогенератора). В то же время расположение второй (меньшего размера) турбины концентрически и внутри первой турбины повышает использование потока среды между статором второго электрогенератора и осью их вращения, в частности, за счет меньшей вращаемой массы второй турбины (массы лопаток второй турбины и массы ротора второго электрогенератора). А это обеспечивает увеличение скорости вращения первой и второй турбин даже при малых скоростях потока среды, в частности, обеспечивается достаточная скорость вращения при ветровом потоке менее чем 4 м/сек.
Соединение посредством средств передачи электроэнергии, вырабатываемой вторым электрогенератором, обмотки второго статора соответственно с обмотками кольцевого первого ротора через преобразователи переменного тока в постоянный, позволяет обеспечить эффективное возбуждение первого статора без использования массивных постоянных магнитов в первом роторе. При этом за счет особенностей выполнения указанного единого вращаемого блока обеспечивается повышение скорости вращения второй турбины со вторым ротором и соответствующее повышение отдаваемой постоянной мощности вторым электрогенератором в обмотки возбуждения первого ротора.
Расположение средств передачи электроэнергии, вырабатываемой вторым электрогенератором, внутри лопаток первой турбины позволяет обеспечить бесконтактную передачу вырабатываемой мощности вторым электрогенератором в обмотки возбуждения первого ротора без изменения аэродинамической формы лопаток первой турбины.
Вращение лопаток первой и второй турбин в противоположных направлениях значительно повышает вырабатываемую мощность вторым электрогенератором. Эта мощность или часть ее может использоваться как на питание обмотки возбуждения первого ротора, так и на вспомогательные нужды установки, в частности на противообледенительный нагрев лопаток первой турбины.
Вращение лопаток первой и второй турбин в одном направлении также обеспечивает работу установки за счет того, что скорость вращения второй турбины из-за меньшей ее массы будет всегда больше чем скорость вращения первой турбины. Кроме того, вращение в одном направлении первой и второй турбин обеспечивает более однородный ветровой поток после них.
Дополнение единого вращаемого блока с кольцевым первым ротором с первой турбиной и вторым электрогенератором со второй турбиной, по крайней мере, третьим электрогенератором с третьей турбиной, с закреплением внутренних частей лопаток предыдущей турбины на статоре последующего электрогенератора позволяет обеспечить выработку различных уровней мощности. Причем эти различные уровни мощности можно использовать как на вспомогательные нужды, так и для последовательного ступенчатого повышения мощности для питания обмоток возбуждения первого ротора.
Соединение посредством средств передачи электроэнергии, вырабатываемой последующим электрогенератором, обмоток последующего статора соответственно с обмотками кольцевого предыдущего ротора через преобразователи переменного тока в постоянный позволяет обеспечить последовательное ступенчатое повышение мощности для питания обмоток возбуждения первого ротора.
Вращение лопаток соседних турбин в противоположных направлениях значительно повышает вырабатываемую мощность последующими электрогенераторами.
Заключение, начиная со второго электрогенератора, соответствующих статора и ротора в кольцевые в плане обтекатели позволяет как снизить сопротивление потоку среды в местах расположения этих статоров и роторов, так и предохранить зазор между ними от попадания в него посторонних предметов.
Подсоединение основных обмоток первого статора к средствам передачи электроэнергии, вырабатываемой первым электрогенератором, при скорости потока среды не выше номинальной, а дополнительные обмотки первого статора дополнительно при скорости потока среды выше номинальной позволяет обеспечить активный режим повышения выходной мощности первого электрогенератора при росте скорости потока среды выше номинальной без пассивного снижения скорости его ротора.
Изложенное выше подтверждает наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом.
Данная совокупность существенных признаков по сравнению с прототипом установки преобразования энергии потока среды позволяет повысить эффективность использования потока среды вдоль оси вращения единого вращаемого блока в виде кольцевого первого ротора с первой турбиной и второго электрогенератора со второй турбиной, в частности, при малых скоростях потока среды через установку.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, на котором одинаковые элементы имеют одинаковые цифровые обозначения и где на:
Фиг.1 изображена схема установки преобразования энергии потока среды, продольный разрез;
Фиг.2 изображена схема установки преобразования энергии потока среды, поперечный разрез;
Фиг.3 - вид установки преобразования энергии потока среды в аксонометрии с вырезом одной четверти и расположением первого ротора в торцевом исполнении.
Предпочтительный вариант установки преобразования энергии потока среды выполнен в виде ветроэнергетической установки башенного типа.
В соответствии с Фиг.1-2 установка содержит трубу 1, внутри которой расположены первая турбина с первым электрогенератором и вторая турбина со вторым электрогенератором, первые средства центрирования кольцевого первого ротора 2 с зазором 3 относительно первого статора 4 в первом электрогенераторе, вторые средства центрирования кольцевого второго ротора 5 с зазором 6 относительно второго статора 7 во втором электрогенераторе. При этом кольцевой первый ротор 2 с первой турбиной и второй электрогенератор со второй турбиной выполнены в виде единого вращаемого блока, в котором внутренние части 8 лопаток 9.1-9.N первой турбины закреплены на втором статоре 7, с внешней его стороны, во втором электрогенераторе. Внешние части 10 лопаток 9.1-9.N первой турбины закреплены на кольцевом первом роторе 2, с внутренней его стороны, в первом электрогенераторе. Внешние части 11 лопаток 12.1-12.М второй турбины закреплены на внутренней стороне кольцевого второго ротора 5. Конструктивно вторая турбина со вторым электрогенератором расположена концентрически внутри первой турбины с первым электрогенератором с обеспечением независимого вращения их роторов с соответствующими турбинами. Статоры и роторы выполнены в виде соответственно первой и второй частей с промежутком между ними, конфигурация которого достаточна для выполнения в нем конусной поверхности для элементов качения
Средства центрирования кольцевого первого ротора 2 относительно первого статора 4 выполнены в виде элементов 13 качения, которые расположены в конусной части 14 зазоров между первым статором 4 и кольцевым первым ротором 2. Средства центрирования кольцевого второго ротора 5 относительно второго статора 7 выполнены в виде элементов 15 качения, которые расположены в конусной части 16 зазоров между вторым статором 7 и кольцевым вторым ротором 5. Также в качестве средств центрирования в установке могут быть использованы и другие известные технические решения, обеспечивающие центрирование кольцевого ротора относительно статора, в том числе и с различным расположением элементов качения. При этом взаимное расположение статоров и роторов с зазором друг относительно друга также может быть различным (например, как показано на Фиг.3, - торцевое расположение ротора 17 относительно статора 18).
Первый и второй электрогенераторы содержат средства передачи вырабатываемой ими электроэнергии. Посредством средств передачи второго электрогенератора обмотки второго статора 7 соединены соответственно с обмотками кольцевого первого ротора 2 через преобразователи (не показаны) переменного тока в постоянный, например, в виде полупроводниковых выпрямительных элементов. При этом средства передачи электроэнергии, вырабатываемой вторым электрогенератором, расположены внутри лопаток 9.1-9.N первой турбины.
В одном из вариантов выполнения установка содержит в едином вращаемом блоке с кольцевым первым ротором 2 с первой турбиной и вторым электрогенератором со второй турбиной, по крайней мере, третий электрогенератор с третьей турбиной (не показана). При этом внутренние части лопаток предыдущей турбины (начиная с лопаток первой турбины) закреплены на статоре последующего электрогенератора. Конструктивно каждая последующая (в сторону уменьшения их размеров) турбина с соответствующим электрогенератором расположена концентрически внутри предыдущей (большей по размеру) турбины с соответствующим электрогенератором с обеспечением независимого вращения их кольцевых роторов с соответствующими турбинами. При этом посредством средств передачи электроэнергии, вырабатываемой последующим электрогенератором, обмотки последующего статора соединены соответственно с обмотками кольцевого предыдущего ротора через преобразователи переменного тока в постоянный. Эти средства передачи или их элементы от статора последующего электрогенератора к кольцевому ротору предыдущего электрогенератора расположены в лопатках предыдущей турбины.
В последнем электрогенераторе, в самом меньшем по диаметру, его кольцевой ротор может содержать постоянные магниты для возбуждения тока в его статоре. В других вариантах могут быть использованы различные известные схемы возбуждения или самовозбуждения без использования постоянных магнитов, например, как это приведено в патенте Украины с №50195 А.
Начиная со второго электрогенератора, соответствующие статоры и кольцевые роторы заключены в кольцевые (в плане) обтекатели 19, которые выполнены с кольцевым пазом 20 для прохождения в нем соответствующего кольцевого ротора.
Лопатки соседних турбин расположены под углом атаки, который обеспечивает вращение соседних турбин или в противоположных направлениях или в одном направлении.
Средства центрирования роторов относительно соответствующих статоров конструктивно могут быть выполнены других типов, которые позволяют обеспечить центрирование кольцевых роторов.
Также электрогенераторы большей мощности и соответственно большего размера могут использоваться со ступенчатым питанием роторов предыдущих электрогенераторов от последующих с отдачей мощности потребителю, а электрогенераторы меньшей мощности и соответственно меньшего размера могут использоваться также со ступенчатым питанием роторов предыдущих электрогенераторов от последующих с отдачей мощности для независимого питания вспомогательных цепей установки. При этом в обоих случаях роторы последних электрогенераторов имеют постоянные магниты.
Также в одном из вариантов выполнения установка преобразования энергии потока среды может быть выполнена в виде гидротехнической установки (не показана), в которой поток жидкости через трубу приводит во вращение турбины электрогенераторов установки, обмотки роторов и статоров которой выполнены гидроизолированными.
В одном из вариантов выполнения установки первый статор первого электрогенератора содержит основные обмотки и дополнительные обмотки, при этом основные обмотки присоединены к средствам передачи электроэнергии, вырабатываемой первым электрогенератором, при скорости потока среды не выше номинальной, а дополнительные обмотки первого статора дополнительно присоединяют при скорости потока среды выше номинальной.
В случае независимой работы каждого электрогенератора ротор каждого из них может содержать постоянные магниты или могут быть использованы иные известные схемы возбуждения (самовозбуждения) без использования постоянных магнитов.
Части лопаток всех турбин могут быть закреплены на обечайках (не показаны) соответствующих роторов и статоров, с которыми также могут контактировать элементы центрирования в виде элементов качения.
Установка преобразования энергии потока среды, которая выполнена в виде ветроэнергетической установки башенного типа, работает следующим образом.
Поток среды в виде восходящего ветрового потока (на Фиг.1 и 3 показан стрелками) в башне вступает во взаимодействие с лопатками 9.1-9.N первой турбины и лопатками 12.1-12.М второй турбины. При этом в силу меньшей инерционности из-за меньшей своей массы сначала начинает вращаться вторая турбина с кольцевым вторым ротором 5. Потом начинает вращаться первая турбина с кольцевым первым ротором 2 первого электрогенератора и вторым статором 7 второго электрогенератора, но уже с меньшей скоростью из-за большей их массы. Вращающиеся постоянные магниты кольцевого второго ротора 5 возбуждают токи в обмотках второго статора 7 второго электрогенератора, выходное напряжение с которого выпрямляется и подается на обмотки возбуждения кольцевого первого ротора 2. Выходная мощность первого электрогенератора направляется потребителю.
При вращении лопаток первой и второй турбин в противоположные стороны вторым электрогенератором вырабатывается большая выходная мощность в силу большей разности в скоростях вращения кольцевого первого ротора 2 и кольцевого второго ротора 5, что обеспечивает большую мощность возбуждения в первом кольцевом роторе 2.
В варианте выполнения установки преобразования энергии потока среды в виде ветроэнергетической установки башенного типа, по крайней мере, с третьим электрогенератором с третьей турбиной выполняется ступенчатое возбуждение роторов всех электрогенераторов от последнего электрогенератора, элементы которого имеют самые меньшие размеры и в кольцевом роторе которого используются постоянные магниты небольшой массы.
Хотя здесь показаны и описаны варианты, которые признаны лучшими для осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что можно осуществлять разнообразные изменения и модификации и элементы можно заменять на эквивалентные, не выходя при этом за пределы объема притязаний настоящего изобретения. В частности, такие термины, как «первый», «второй», «третий», приведены в настоящей заявке из соображений удобства и не являются терминами, которые ограничивают объем прав по заявке. При этом термин «соответствующие» следует понимать как первый элемент установки с другим первым элементом, второй - с вторым и т.д. А термины «предыдущий» и «последующий» следует понимать как рядом расположенные турбины и/или электрогенераторы, если считать от первого (большего размера) к последнему (меньшего размера).