ТУННЕЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА
TUNNEL WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH ROTOR HORIZONTAL AXIS OF ROTATION

Объектом изобретения является ветротурбина с одноступенчатым диффузором с горизонтальной осью вращения ротора, превращающая кинетическую энергию воздуха в механическую энергию вращения, затем преобразующуюся в электрическую энергию в генераторе тока.
2
Развитие ветротурбин туннельного типа исходит в основном из устранения потерь центробежной кинетической энергии воздуха и возможности её восстановления с помощью дополнительного увеличения скорости воздуха, протекающего через ротор, встроенный в горловину диффузора. Существует множество различных решений ветротурбин с одноступенчатым диффузором с горизонтальной осью вращения ротора, конструкция которого должна обеспечить высокий коэффициент мощности по площади, охватываемой ротором (Вт/м). Задача состоит в ускорении и увеличении объёма потока воздуха в горловине, что требует сохранения относительно ламинарного потока воздуха через диффузор, при этом сохраняя тупой угол как можно более широким. Известно множество ветротурбин с техническими решениями, в которых используются завихрения для поддержания стабилизации потока воздуха, проходящего через диффузор, и для предотвращения отделения потока воздуха от стенки в тупоугольной зоне на выходе диффузора, а также за гондолой.
Благодаря использованию в полном объёме энергии ветра в современных технических решениях турбин туннельного типа допускается наличие приемлемых небольших зазоров между верхними торцами лопастей и поверхностью горловины и соединение со ступицей практически без зазора. При выборе размера верхнего зазора учитываются только условия сборки и установки, протяжённость лопастей, испытывающих нагрузку от центробежной силы, и радиальное «изнашивание» с допустимым износом подшипника ступицы. Завихрения воздуха, образующиеся в таких небольших зазорах, практически не превышающие 0,05% радиуса горловины, имеют пренебрежимо малую энергию, и их влияние на поток воздуха за ротором в расширяющейся части диффузора с пониженным давлением пренебрежимо мало.
Известны решения турбин туннельного типа, помимо прочих, в патентных описаниях W02009063599, WO2010005289, WO2014134032 и JP2003278635, в которых имеется уступ в виде фланца, перпендикулярный в наружном направлении, за которым образуются пониженное давление и кольцевые завихрения вдоль края фланца с осями, лежащими в плоскости, перпендикулярной оси диффузора. Также известно решение, представленное в описании JP2006152854, с ротором, расположенным в плоскости горловины диффузора, стенка которого имеет авиационный профиль в поперечном сечении. Внутренняя поверхность стенки диффузора, рядом с выходом, перфорирована многочисленными отверстиями, которые соединяются посредством каналов, проходящих через ребра, соединяющие диффузоры с гондолой, имеющей всасывающее отверстие, расположенное на оси заднего конца гондолы. Пониженное давление, имеющееся за гондолой, заставляет воздух всасываться через отверстия зоны открытого конца диффузора, в результате чего предпочтительно околостеночные слои проходящего воздуха всасываются в стенку диффузора, приводя к стабилизации потока воздуха.
Помимо всего вышеперечисленного, также известно техническое решение турбины, представленное в патентном описании US4720640, содержащее неподвижный диффузор в форме тела вращения, стенка которого имеет выпукло-вогнутою форму, при этом его носок направлен к поступающему воздуху. Существует ротор с лопастями, расположенными в плоскости горловины диффузора, лопасти соединены своими нижними концами со ступицей, установленным соосно с диффузором. Контур ступицы согласуется с аэродинамическим профилем гондолы. Верхние торцы лопастей соединены с вращающимся кольцом, расположенным в кольцевом желобе диффузора, внутренняя поверхность кольца образуется зону горловины диффузора. Описание представляет два возможных варианта осуществления турбины: с генератором тока, встроенным в кольцевой желоб диффузора, и с электрогенератором, встроенным в гондолу, и ротор которого приводится в движение со стороны ступицы ротора.
Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, – это повышение эффективности ветротурбины с диффузором путём усиления влияния завихрений, чтобы снизить общее сопротивление потока и увеличить поток объёма воздуха, проходящего через турбину.
Турбина в соответствии с настоящим изобретением имеет, аналогично техническим решениям, описанным выше, неподвижный диффузор в форме тела вращения, стенка которого имеет в осевом сечении форму выпукло-вогнутого авиационного профиля, при этом его носок направлен к поступающему воздуху, и диффузор опирается на мачту турбины с помощью комплекта подшипников для обеспечения ориентации турбины по направлению ветра. В плоскости горловины диффузора имеется установленный на подшипник ротор с лопастями, лопасти которого соединены своими нижними торцами со ступицей, установленной соосно с диффузором. Ступица имеет контур, согласующийся с обтекаемым профилем гондолы, которая соединена ребрами с диффузором. Сущность изобретения состоит в том, что нижние торцы лопастей установлены поодаль поверхности ступицы на величину размера нижнего зазора, определяемого высотой соединителей, закрепленных на нижних торцах лопастей и на ступице. В этом случае размеры верхнего зазора между верхними торцами лопастей и поверхностью горловины и нижним зазором имеют размеры, варьирующиеся от 0,5% до 15% от радиуса горловины, предпочтительно от 3% до 8%.
Предпочтительно техническое решение по турбине, где верхний зазор определяется высотой соединителей, закреплённых на верхних торцах лопастей и на вращающемся кольце, которое вращается в кольцевом желобе диффузора, и внутренняя поверхность которого имеет форму горловины.
В обоих технических решениях, представленных выше, предпочтительно, чтобы отношения верхних и нижних зазоров к соответствующим длинам хорд профилей на торцах лопастей имели значения в диапазоне 0,20-0,25, предпочтительно 0,6-1,2.
Предпочтительно в турбине без вращающегося кольца, чтобы каждая из лопастей устанавливалась на ступицу с помощью двух соединителей с круглым поперечным сечением, которые закреплены в радиальном направлении у окончаний профилей нижних торцов лопастей.
Предпочтительно в турбине c вращающимся кольцом, чтобы каждая из лопастей устанавливалась на вращающееся кольцо и на ступицу с помощью двух соединителей с круглым поперечным сечением, закрепленных в радиальном направлении у окончаний профилей верхнего кольца и нижнего торца лопастей.
Также предпочтительно, чтобы (боковая) сторона гондолы имела форму, являющуюся зеркальным отражением сечения профиля внутренней поверхности диффузора, концы сечения определяются точками пересечения прямой линии, параллельной оси диффузора, и линии, проведенной через переднюю точку  выступающего вперед носка диффузора и точку пересечения этой линии и профиля открытой части диффузора.
В другом предпочтительном варианте осуществления отношение площади осевой проекции лопастей на плоскость горловины к рабочей площади потока в горловине имеет значение в диапазоне 0,02-0,30, предпочтительно 0,10-0,15.
Также предпочтительно, чтобы отношение зоны входного отверстия к рабочей зоне потока в горловине имело значение в диапазоне 1,0-1,6, предпочтительно 1,20-1,30, и в отношении зоны выходного отверстия оно имело значение в диапазоне 0,5-0,9 и наиболее предпочтительно 0,65-0,75.
Изобретение достигает оптимальных результатов, когда сохраняются конкретные геометрические отношения диффузора, которые определяют его тупой угол. Отношение длины диффузора к диаметру горловины должно иметь значение в диапазоне 0,3-1,1, предпочтительно 0,6-0,8, и в отношении диаметра выходного отверстия значение должно находиться в диапазоне 0,1-0,9, предпочтительно 0,4-0,6, при этом по отношению к диаметру входного отверстия значение должно находиться в диапазоне 0,2-1,0, предпочтительно 0,5-0,7.
В варианте осуществления турбины с вращающимся кольцом предпочтительно, чтобы кольцевой желоб образовывался круглой опорной рамой с поперечным сечением С-образной формы, открытой в направлении оси вращения ротора, и на которую крепятся композиционные покрытия, определяющие авиационный профиль диффузора и нижний модуль комплекта подшипников вертикальной оси вращения на мачте турбины для обеспечения ориентации турбины по направлению ветра.
Генератор электрического тока в варианте осуществления турбины без вращающегося кольца является генератором, встроенным в гондолу, ротор которой приводится в движение от ступицы ротора, в турбине с вращающимся кольцом, генератор тока встроен внутрь опорной рамы, неподвижные магниты монтируются на внешнюю окружность вращающегося кольца, и индукционные катушки крепятся на опорную раму.
В турбине большой мощности, изготовленной в соответствии с изобретением, элементы с большими габаритными размерами: диффузор, его опорная рама, покрытия авиационного профиля, вращающееся кольцо и элементы генератора тока разделяются на круговые секции с максимальными размерами, позволяющими транспортировку в стандартных контейнерах; секции взаимно соединяются на месте эксплуатации в требуемую рабочую форму.
Техническое решение турбины в соответствии с изобретением в слоях стенки диффузора и гондолы образует вихревые конструкции, имеющие оси, в основном параллельные оси диффузора, и значительную энергию, при этом одновременно сводя к минимуму вихревые конструкции, имеющие перпендикулярные оси. Влияние завихрений, вызванных изобретением, создает изменения давления, предотвращающие отрыв струй воздуха от поверхности и диффузора, и гондолы. Явления действуют, когда используются указанные размеры зазоров и размерные отношения. Сопротивление потока предпочтительно сводится к минимуму окружной симметризацией потока, получаемой зеркальной формой диффузора и гондолы.
Изобретение будет полностью понятным из описания примеров осуществления турбины, изображенной на чертеже, отдельные фигуры которого представляют:
фиг. 1 - вид спереди турбин со стороны схода воздуха, представляющий:
– на верхней половине: вариант осуществления с лопастями ротора, соединенными на обоих концах соединителями с вращающимся кольцом и со ступицей гондолы, и
– на нижней половине: вариант осуществления с лопастями ротора, соединенными соединителями только со ступицей гондолы, в варианте осуществления без вращающегося кольца,
фиг. 2 – осевое сечение по линии А-А на фиг. 1,
фиг. 3 – деталь B чертежа на фиг. 2,
фиг. 4 - поперечное сечение по линии С-С на фиг. 3,
фиг. 5 – деталь D чертежа на фиг. 2,
фиг. 6 – поперечное сечение по линии Е-Е на фиг. 5,
фиг. 7 – осевое сечение диффузора и гондолы с отметкой характеристических размеров диффузора,
фиг. 8 –вид спереди опорной рамы турбины с вращающимся кольцом,
фиг. 9 – деталь F чертежа на фиг. 8 в перспективе,
фиг. 10 – деталь G чертежа на фиг. 8 в перспективе,
фиг. 11 – подетальный вид в перспективе элементов турбины с вращающимся кольцом и генератором тока в диффузоре,
фиг. 12 – график влияния относительных размеров верхнего зазора и нижнего зазора на механическую мощность турбины в соответствии с данными, полученными при испытании примера осуществления с вращающимся кольцом,
фиг. 13 – график влияния отношения размера верхнего зазора и нижнего зазора к соответствующим длинам хорд торцов лопастей на механическую мощность турбины, график составлен для примера осуществления с вращающимся кольцом.
Турбины туннельного типа в соответствии с изобретением, аналогично известным решениям, имеют диффузор 1 и ротор 2, который монтирован с помощью подшипников со ступицей 3 в гондолу 4, закрепленную соосно тремя радиальными ребрами 5 перед горловиной Rt диффузора 1. Диффузор 1 имеет форму тела вращения, стенка которого имеет форму вогнуто-выпуклого авиационного профиля в осевом сечении. Авиационный профиль диффузора 1 направлен носком в сторону поступающего воздуха. Диффузор 1 в нижней точке внешней стенки стороны имеет гнездо для комплекта подшипников 6 для выравнивания турбины в направлении ветра, вертикальной оси вращения, и с которой турбина опирается на стойку, не изображенную на чертеже. Ротор 2, например, с 11 лопастями 7 вращается в плоскости горловины Rt диффузора 1.
На фиг. 1 представлены два базовых возможных варианта осуществления турбин в соответствии с изобретением, отличающихся конструкцией ротора 2. В варианте осуществления, изображенном в верхней половине фиг. 1, верхние торцы лопастей 7 соединены распорными соединителями 8 с вращающимся кольцом 9, расположенным в желобе 10 диффузора, и внутренняя область которого имеет форму профиля горловины Rt диффузора 1. С другой стороны, в варианте осуществления в соответствии с нижней половиной фиг. 1 верхние торцы лопастей 7 свободны. В обоих вариантах осуществления нижние торцы лопастей 7 соединены промежуточными соединителями 8 со ступицей 3, имеющей контур, согласующейся с аэродинамическим профилем гондолы 4. Между верхними торцами лопастей 7 и поверхностью горловины Rt диффузора 1 имеются верхние зазоры z1, которые в варианте осуществления с вращающимся кольцом 9 определяются длиной соединителей 8. Нижние торцы лопастей 7 находятся поодаль от поверхности ступицы 3 на расстояние нижнего зазора z2 длины соединителей 8, установленных на нижние торцы лопастей 7 и на ступицу 3. Размеры верхнего зазора z1 и нижнего зазора z2 могут быть равными или разными, но их значения всегда должны находиться в диапазоне 0,5-15% радиуса горловины Rt. Для прототипа варианта осуществления это отношение доходит до 3,2% с типичными размерами турбины:
верхний зазор z1, нижний зазор z2, z1= z2 = 50 мм,
длина хорды верхнего торца лопасти c1 = 50 мм,
длина хорды нижнего торца лопасти c2 = 66 мм,
радиус горловины диффузора Rt = 1530 мм,
радиус входного отверстия Ri = 1700 мм,
радиус выходного отверстия Ro = 2026 мм,
радиус гондолы Rh = 165 мм,
длина диффузора Ld = 2170 мм,
длина гондолы Lh = 1360 мм,
поверхность осевой проекции 11 лопастей x 25240 мм2 = 277641 мм2
Отношение размеров верхних зазоров z1 и нижних зазоров z2 к соответствующим длинам хорд с1 и с2 на торцах лопастей 7 профилей также важно для эффективности структуры завихрений в турбине в соответствии с изобретением. Их значения должны варьироваться в диапазоне 0,20-2,5, и в настоящем примере осуществления, где z1 = z2, они равны 7 и 1,0 соответственно. В обоих вариантах осуществления лопасти 7 ротора 2 крепятся к ступице 3 через два соединителя 8 круглого поперечного сечения, которые закреплены посредством в радиальном направлении и рядом с окончаниями профилей нижних торцов лопастей 7. В варианте осуществления с вращающимся кольцом 9 верхние торцы лопастей 7 также соединены теми же стержневыми соединителями 8 к вращающемуся кольцу 9. Окружная симметризация потока через диффузор 1 также важна для изобретения. Она была достигнута в результате придания гондоле 4 формы в соответствии с зеркальным отражением сечения профиля внутренней поверхности диффузора 1, концы сечения определяются точками пересечения прямой линии li, параллельной оси диффузора O-O, и линии, проходящей через переднюю точку выступающего вперед носка 17 диффузора, и точкой lh внутренней поверхности открытой части диффузора. Высокая эффективность воздействия инициированной системы завихрений достигается при сохранении надлежащих размерных отношений, которые в рассматриваемой турбине составляют:
– отношение осевой проекции лопастей 7 на плоскость горловины Rt к рабочей площади потока в горловине Rt с учетом дросселя гондолы имеет значение 0,12,
– отношение площади входного отверстия Ri к рабочей площади потока в горловине Rt имеет значение 1,22,
– отношение площади входного отверстия Ri к площади выходного отверстия Ro имеет значение 0,7,
– отношение длины Ld диффузора 1 к диаметру горловины Rt имеет значение 0,7,
– отношение длины Ld диффузора 1 к диаметру выходного отверстия Ro имеет значение 0,53, и
отношение длины Ld диффузора 1 к диаметру входного отверстия Ri имеет значение 0,64. Тупой угол 9° получается из размеров рассматриваемого диффузора 1 как угол между хордой авиационного профиля и осью диффузора O-O.
Кроме того, кольцевой желоб 10 в диффузоре 1 для вращающегося кольца 9 образуется круглой опорной рамой 11 с поперечным сечением С-образной формы, открытой в направлении оси диффузора O-O, и на которую крепятся композиционные покрытия, переднее 12 и заднее 13, определяющие авиационный профиль диффузора 1 и нижний модуль 14 комплекта 6 подшипников для обеспечения ориентации турбины по направлению ветра. В вариантах осуществления турбины без вращающегося кольца 9, но также с вращающимся кольцом 9, генератор тока может быть электрогенератором 15, встроенным в гондолу 4, при этом ротор приводится в движение от ступицы 3 ротора 2. С другой стороны, в варианте осуществления с вращающимся кольцом 9 генератор 16 тока предпочтительно встроен в опорную раму 11, при этом фиксированные магниты монтируются на внешнюю окружность вращающегося кольца 9, а индукционные катушки крепятся на опорную раму 11. Также возможен вариант осуществления турбины с генератором 16 тока в диффузоре 1 и электрогенератором 15 в гондоле 4 также возможен.
Из-за значительных размеров турбины высокой мощности и возникающих из-за этого проблем с транспортировкой, диффузор 1, его опорная рама 11, покрытия 12, 13, 14 с авиационным профилем, вращающееся кольцо 9 и детали генератора 16 тока разделяются на круговые секции с максимальными размерами, позволяющими транспортировку в стандартном контейнере. На месте эксплуатации они собираются путём взаимного соединения посредством крепежей 18 в необходимую рабочую форму турбины.
Прототип турбины в варианте осуществления с вращающимся кольцом 9 проходил испытания в аэродинамической трубе. При скорости ветра 5 м/с турбина в соответствии с описанным вариантом осуществления изобретения показала значительное увеличение механической мощности PQ относительно мощности турбины Pb, имеющей тот же диффузор и ротор без нижнего зазора z2 = 0 и с маленьким верхним зазором z1 = 6 мм, составляющим 0,39% радиуса горловины Rt = 1530 мм. График на фиг. 12 показывает увеличение мощности. Результаты испытания воздействия отношения размеров верхнего зазора z1 и нижнего зазора z2 к соответствующим длинам хорд c1 и c2 торцов лопастей на увеличение механической мощности показаны на графике на фиг. 13. Оба графика подтверждают увеличение мощности турбины с отличительными признаками изобретения, которые инициируют завихрения, приводящие к существенно более стабильному и уменьшенному сопротивлению потока воздуха.
Для конструктора, являющегося специалистом в данной области, решение турбины, содержащее существенные отличительные признаки данного изобретения очевидно – то есть конкретно указанные в размерах верхние зазоры z1 и нижние зазоры z2, формирующие предпочтительную систему завихрений – конструкция турбины дополняется механизмом изменения угла опережения лопастей 7, и механизм встроен в гондолу.
ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ НА ФИГУРАХ
1 – диффузор;
2 – ротор;
3 – ступица;
4 – гондола;
5 – ребро;
6 – комплект подшипников;
7 – лопасть;
8 – соединитель;
9 – вращающееся кольцо;
10 – желоб;
11 – опорная рама;
12 – переднее покрытие профиля;
13 – заднее покрытие профиля;
14 – нижний модуль с комплектом подшипников;
15 – электрогенератор;
16 – генератор тока:
17 – носок авиационного профиля;
18 – крепеж;
z1 – верхний зазор:
z2 – нижний зазор;
c1 – длина хорды верхнего торца лопасти;
c2 – длина хорды нижнего торца лопасти;
O-O – ось диффузора;
Rt – радиус горловины диффузора;
Ri – радиус входного отверстия;
Rh – радиус ступицы гондолы;
Ro – радиус выходного отверстия;
Ld – длина диффузора;
Lh – длина гондолы;
li – прямая линия, параллельная оси диффузора, проведенная через переднюю точку выступающего вперед носа;
lh – точка пересечения прямой линии lj и внутренней поверхности профиля диффузора
Po – механическая мощность турбины в соответствии с примером осуществления изобретения;
Pb – механическая мощность турбины с таким же диффузором при z1 = 6 мм и z2 = 0 мм.