Вітротурбіна з вертикальною віссю

1. Вітротурбіна з вертикальною віссю (3), яка має ротор (F) і генератор (7), з'єднаний із згаданою віссю (3), і несучу конструкцію, яка утримує вісь (3) згаданого ротора (F) за допомогою підшипників, при цьому згаданий ротор (F) складається з осі (3), оснащеної верхнім підшипником, встановленим у верхній частині верхньої консолі (10), і нижнім підшипником, встановленим у відсіку (20), верхня частина якого знаходиться на рівні (8) ґрунту, і стримувальних кілець (11), перпендикулярно прикріплених до осі (3) з розташуванням на відстані одне від іншого вздовж згаданої осі (3), і певної кількості дугових балок (2), оснащених згаданими кільцями (11) і турбінними лопатками (12), і має роздільники (1) потоку, встановлені навколо згаданого ротора (F), яка відрізняється тим, що між краями, поміщеними на внутрішній діаметр (d 1) сусідніх лопаток (12), сформований вітровий канал (S), розмір якого залежить від геометричної конфігурації турбінних лопаток (12) і від геометричної конфігурації роздільників (1) потоку, які оточують згаданий ротор (F), причому згадані турбінні лопатки (12) мають форму, визначену принаймні однією кривою другого порядку і/або тригонометричною, і/або гіперболічною математичною кривою, і довільна кількість роздільних ребер (С) розташована в площині, перпендикулярній до твірних згаданих турбінних лопаток (12), і згадані роздільники (1) потоку мають дефлекторні і утримувальні елементи як засоби (13) для підвищення ефективнос 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до вітротурбіни з вертикальною віссю і до вітроелектростанції. В рівні техніки описується зростаюча кількість рішень, які мають спеціальні варіанти виконання і технічні характеристики, які передбачають використання і перетворення енергії протікаючого повітря на інший тип енергії. Фактично, передбачається перетворення енергії потоку повітря на електричну енергію або інший тип енергії (найбільш широко відомі системи є системами, які, наприклад, використовуються для закачування або нагрівання води). В основі програм по альтернативній енергії ефективніше використання енергії вітру стає все більше і більше значущим у всьому світі. Вітротурбіни, які мають горизонтальну вісь, є найбільш поширеними конструкціями, головним чином у випадку вимоги високих робочих характеристик; при цьому, найчастіше використовуються конструкції, які мають три лопаті, робота яких добре відома в рівні техніки. Недолік останніх полягає втому, що їх ефективна робота може досягатися тільки на великих висотах внаслідок найвищої швидкості вітру на цих рівнях. Подальший недолік полягає у постійній потребі орієнтації площини лопатей завжди перпендикулярно до вектору швидкості вітру і зміни кута лопатей для одержання оптимального і ефективного рівня одержання енергії. Такий багатонапрямний рух накладає великі вимоги до системи, тобто адекватні технічні вимоги можуть виконуватися тільки дуже дорогими рішеннями. Подальший недолік такої вітротурбінної системи полягає в тому, що її конструкція вимагає великої кількості матеріалів, які також поміщаються на великих висотах. Вітротурбіни з горизонтальною віссю можуть використовувати енергію, яка перетворюється на поверхні, визначеній тільки її площиною лопатей. Окрім того, ці системи можуть ефективно використовувати енергію вітру тільки у вузькому інтервалі його швидкості. Для подолання цих недоліків систем з горизонтальною віссю, в рівні техніки було запропоновано багато рішень, які використовують вітротурбіни з вертикальною віссю. Такий тип рішень розкривається, наприклад, в патентних документах US4365929, US6749393, US2005079054, DE4122919, JP2006037898 і DE102005041600. Спільним недоліком цих рішень є те, що їх конструкція є дуже складною і дорогою. Основний аспект представленого винаходу полягає у наданні вітротурбіни, яка має вертикальну вісь, на основі теоретичних рішень нової математичної концепції, яка відноситься до енергетичної системи гідроаеродинаміки. Тому, задачею представленого винаходу є надання вітроелектростанції, яка працює завжди однаково на противагу до вітроелектростанцій попереднього рівня техніки без регулювання зворотного зв'язку і незалежно від реального напряму вітру, яка має мінімальний опір потоку, тобто має 96374 4 високу ефективність, внаслідок рівноваги між крутними моментами, прикладеними до вхідної і вихідної сторони вітроелектростанції, і внаслідок нової геометричної конфігурації, і яка має просту конструкцію та є дешевою у технічному обслуговуванні, і яка додатково має здатність ефективно працювати навіть при слабкому вітрі і в будь-якому місці, і нечутлива як до раптових змін так і до розподілу вітрового навантаження як функції висоти. Задача представленого винаходу вирішується наданням вітротурбіни з вертикальною віссю, яка має ротор і генератор, з'єднаний із згаданою віссю, і несучу конструкцію, яка утримує вісь згаданого ротора за допомогою підшипників, і згаданий ротор складається з вісі, оснащеної верхнім підшипником, встановленим у верхній частині верхньої консолі, і нижнім підшипником, встановленим у відсіку, виконаному так, що його верхня частина знаходиться на рівні ґрунту, і утримувальних кілець, прикріплених перпендикулярно до осі на відстані одне від іншого вздовж згаданої вісі, і певної кількості дугових балок, оснащених згаданими кільцями і турбінними лопатками, і у якому між краями, розташованими на внутрішньому діаметрі сусідніх лопаток, сформований вітровий канал, розмір якого залежить від геометричної конфігурації турбінних лопаток і конфігурації роздільників потоку, які оточують згаданий ротор. Вітротурбіна згідно з винаходом переважно має, принаймні, дві дугові балки, а згадані турбінні лопатки мають форму, визначену, принаймні, однією кривою другого порядку і/або тригонометричною, і/або гіперболічною математичною кривою. Окрім того, площина дугової балки переважно перпендикулярна до твірних згаданої турбінної лопатки, і довільна кількість роздільних ребер розташована у площині, перпендикулярній до твірних згаданих турбінних лопаток. Вітротурбіна переважно має роздільники потоку, які мають дефлекторні і несучі елементи як засоби для підвищення ефективності, розташовані між її внутрішнім діаметром і її зовнішнім діаметром, при цьому, їх кількість дорівнює кількості згаданих роздільників потоку, і згадані засоби для підвищення ефективності формують замкнутий багатокутник, а несуча конструкція формується трубами або відомими самими по собі деталями з прокатного профілю, і вона встановлюється в багатьох площинах, перпендикулярно до вісі. Вітротурбіна більш переважно містить опорний підшипник, розташований на згаданій вісі між зовнішнім діаметром ротора (F) та внутрішнім діаметром роздільників потоку, і опорний підшипник (G) складається з опорного кільця, яке сформоване на роздільниках потоку і контактує з кільцем підшипника кочення, встановленому на зовнішньому діаметрі ротора. Спарені лопатки, які мають коротшу дугову довжину, розташовані симетрично між згаданими лопатками турбіни на зовнішньому діаметрі ротора, і їх кількість дорівнює кількості лопаток турбіни, а завихорювачі, утворені чотирма поверхнями, розташовані в тій же площині що й згадані засоби для підвищення ефективності. 5 Задача представленого винаходу вирішується також наданням вітротурбіни з вертикальною віссю, яка має ротор і генератор, з'єднаний із згаданою віссю, і вона може виконуватися з довільною висотою, а платформи виконані на однакових відстанях одна від іншої по згаданій висоті, і ротори, які складаються з утримувальних кілець, прикріплених на відстані одне від іншого, і мають дугові балки, які утримують лопатки турбіни, розташовані між згаданими платформами, а вісі ротора(ів) закріплені підшипниками в отворі згаданої платформи. Згадана платформа переважно має форму циліндричного диску або форму еліпсоїда. Згадана платформа і згадані роздільники потоку виготовляються з легкого залізобетону. Вітротурбіна переважно має пружні елементи, які компенсують різні рухи частин її вісі, забезпечуючи рівномірне обертання. Фіг.1 зображає вид вертикального перерізу вітротурбіни з вертикальною віссю згідно з винаходом, Фіг.2 зображає вид перерізу, проведеного вздовж площини А-А з Фіг.1, Фіг.3 зображає вид збоку другого варіанту виконання вітротурбіни з вертикальною віссю згідно з винаходом Фіг.4 зображає вид перерізу, проведеного вздовж площини А-А з Фіг.3, Фіг.5 зображає вид перерізу, проведеного вздовж площини В-В з Фіг.4, Фіг.6. зображає вид зверху завихорювачів вітротурбіни з вертикальною віссю згідно з винаходом, Фіг.7 зображає вид в перспективі завихрювача, зображеного на Фіг.6, Фіг.8 зображає вид збоку третього варіанта виконання вітротурбіни з вертикальною віссю згідно з винаходом, Фіг.9 зображає вид перерізу вітротурбіни на Фіг.8, проведеного вздовж площини С-С, Фіг.10 зображає вид перерізу вітротурбіни на Фіг.9, проведеного вздовж площини D-D, Фіг.11 зображає схему роботи вітротурбіни згідно з винаходом. Фіг.1 зображає вид вертикального перерізу вітротурбіни з вертикальною віссю згідно з винаходом, де вітротурбіна утримується на рівні 8 ґрунту. Центральний блок керування і пристрої для експлуатації вітротурбіни розташовані у відсіку 20, верхня частина якого розташована на рівні 8 ґрунту. Основний елемент 9, який утримує верхнє обладнання вітротурбіни, розташований на рівні 8, і згадане верхнє машинне обладнання подовжене верхньою консоллю 10. Вісь 3 вітротурбіни утримується підшипником 4 верхньої консолі 10 і підшипником 5, зафіксованим у відсіці 20, і з'єднана з генератором 7, розташованим відомим самим по собі способом у відсіці 20 так, що генератор 7 приводиться в дію віссю 3. Роздільники 1 потоку, також пристосовані до витримування вертикального навантаження, встановлені на основному елементі 9, розташованому на рівні 8. Роздільники 1 потоку міцно прикріплені до основного елемента 9. Верхні кінці роздільників 96374 6 1 потоку міцно хрестоподібно з'єднані верхніми консолями 10. Утримувальні кільця 11, які мають діаметр d1, встановлені на вісі 3, утримуваною підшипником 4 верхньої консолі 10 і підшипником 5, закріпленим у відсіці 20, переважно розташовані на однакових відстанях одне від іншого вздовж вісі 3 і паралельно один до іншого, а їх площина встановлення перпендикулярна до згаданої вісі 3 (дивіться Фіг.1 і 3). Дугові балки 2, які утримують і фіксують лопатки 12 турбіни, зафіксовані на утримувальних кільцях 11, встановлених на вісі 3 (Фіг.2). Кількість лопаток 12 турбіни і кількість дугових балок 2, прикріплених до них, є довільною, проте, необхідно, принаймні, дві. Форма поверхні лопаток 12 турбіни визначається, принаймні, однією кривою другого порядку і/або тригонометричною, і/або гіперболічною математичною кривою. Вісь 3 з утримувальними кільцями 11, які встановлені на ній і утримують дугові балки 2, оснащені лопатками 12 турбіни, формує єдиний блок, який є ротором F, і ці елементи під час роботи обертаються з однаковою швидкістю. Дугова балка 2 і утримувальне кільце 11, встановлене на вісі 3, мають конструкцію, яка має відому саму по собі структуру, наприклад ґратчасту структуру, виготовлену з алюмінію або пластичного матеріалу. Лопатка 12 турбіни встановлена на дуговій балці 2 так, що її твірні прилягають до внутрішньої частини дугової балки 2. Між краями, поміщеними на внутрішній діаметр d1 сусідніх лопаток 12, існує вітровий канал S, розмір якого залежить від геометричної конфігурації лопаток 12 турбіни і від геометричної конфігурації роздільників 1 потоку, які оточують згаданий ротор F. Слід відзначити, що у випадку високоефективних вітротурбін, довільна кількість роздільних ребер С може розміщуватися у площині, перпендикулярній до твірних лопаток 12 турбіни, і згадані ребра С мають площину, перпендикулярну до твірних лопаток 12 (Фіг.3). Діаметри кожного компонента є дуже важливими факторами. Внутрішні дугові ділянки роздільників 1 потоку виходять з діаметра d3, більшого за діаметр d2 лопаток 12 турбіни. Дивлячись в напрямі, перпендикулярному до твірних роздільників 1 потоку, бачимо розташовані увігнуті і опуклі дугові ділянки. Найвіддаленіші точки дугових ділянок роздільників 1 потоку розташовані на колі, яке має діаметр d4. Роздільники 1 потоку розташовані вертикально і симетрично на віддалі один від іншого з однаковими кутами між ними. У випадку вітротурбіни, яка має вужчі технічні характеристики, роздільник 1 потоку формується ґратчастою структурою, яка має вертикальне листове покриття і матеріал для неї може вибиратися довільним чином. Існує строга математична залежність між діаметром d2 ротора F, а також зовнішнім d3 і внутрі 7 шнім діаметром d4 роздільника 1 потоку, визначена швидкістю вітру і продуктивністю вітротурбіни. У випадку відносно низької швидкості вітру, бажано вибирати діаметр d4 роздільника 1 потоку більшим, а діаметри d2 і d3 меншими, оскільки об'єм повітря, що надходить, буде більшим у цьому випадку, хоча кількість роздільників потоку залишається сталою і той же об'єм, що й об'єм повітря, що надходить, повинен проходити між лопатками 12 турбіни, які мають менший діаметр d2. Завдяки рівнянню нерозривності ці два об'єми повинні бути однаковими, може отримуватися набагато більша швидкість повітря, що надходить, в діаметрі d3, призводячи до зростання кінетичної енергії по квадратичному закону. Один з найбільш корисних результатів представленого винаходу порівняно з рішеннями попереднього рівня техніки є його ефективне технічне застосування і також придатність за умов слабкого вітру. Робота вітротурбіни згідно з винаходом буде описуватися пізніше в деталях з посиланням на Фіг.11. Фіг.2 зображає варіант виконання вітротурбіни високої потужності з вертикальною віссю, описаною з посиланням на Фіг.1 згідно з винаходом. Рішення, зображене на Фіг.4, містить вісім роздільників 1 потоку і засоби 13 для підвищення ефективності (роздільник, а також самі по собі несучі засоби), розташовані на діаметрі, меншому за діаметр d4, проте більшому за діаметр d3 роздільників 1 потоку. Засоби 13 для підвищення ефективності формують замкнутий багатокутник відповідно до кількості роздільників 1 потоку, підвищуючи міцність конструкції і ефективність. Кути багатокутника засобів 13 для підвищення ефективності прилягають до бічної поверхні роздільників 1 потоку, перпендикулярно до їх твірних. Переважний варіант виконання засобу 13 для підвищення ефективності зображений на Фіг.5. Засіб 13 для підвищення ефективності має каркас, який має труби або відомі самі по собі профільовані секції, які кріпляться до двох сусідніх роздільників 1 потоку переважно за допомогою зварних з'єднань. Каркас засобу 13 для підвищення ефективності має несучі елементи а , оточені кожухом b , де кількість несучих елементів а становить переважно вісім, хоча це число може вибиратися довільним чином. Поздовжні конструкційні елементи і твірні кожуха b засобу 13 для підвищення ефективності розміщені в площинах, перпендикулярних до поверхні роздільників 1 потоку (Фіг.4). Кожен несучий елемент а засобу 13 для підвищення ефективності перпендикулярний до роздільника 1 потоку і розташований паралельно площині утримувального кільця 11 та дугової балки 2, тому, бажано встановлювати засіб 13 для підвищення ефективності в площині утримувального кільця 11 і дугової балки 2. 96374 8 В роздільниках 1 потоку може встановлюватися паралельно один одному довільна кількість засобів 13 для підвищення ефективності. Матеріал, використовуваний для виготовлення засобів 13 для підвищення ефективності, залежить від робочих характеристик вітротурбіни, тобто, у випадку вищої вимоги до робочих характеристик, засоби 13 для підвищення ефективності виготовляються із залізобетону, як і роздільники 1 потоку. У цьому варіанті виконання, опорний підшипник G може розташовуватися між зовнішнім діаметром d2 ротора F і внутрішнім діаметром d3 роздільника 1 потоку (Фіг.3). Опорні підшипники G забезпечують акуратний контроль відстані між зовнішнім діаметром d2 ротора F і внутрішнім діаметром d3 роздільників 1 потоку навіть у випадку дуже довгих (високих) роторів F і надзвичайно великого вітрового навантаження. Кількість опорних підшипників G, які встановлюються вздовж ротора F, буде визначатися очікуваним вітровим навантаженням і спланованими робочими характеристиками вітротурбіни. У варіанті виконання згідно з Фіг.3, виконано три опорних підшипники G. Основним елементом опорного підшипника G є опорне кільце t, яке утримується роздільником 1 потоку і зчіплюється з кільцем n підшипника кочення, розташованим на зовнішньому діаметрі d 2 ротора F. У варіанті виконання вітротурбіни високої потужності, зображеної на Фіг.6, спарені лопатки 16, які мають меншу дугову довжину, розташовані симетрично між турбінними лопатками 12. Дугова довжина спарених лопаток 16 менша за дугову довжину турбінних лопаток 12 і найвіддаленіші твірні, які проходять паралельно вісі 3 цих лопаток 16, розташовані на діаметрі d2 ротора F, при цьому, кількість лопаток 16 дорівнює кількості турбінних лопаток 12. Як зазначено вище, у випадку вітротурбіни високої потужності, завихрювачі 14 бажано встановлювати на роздільниках 1 потоку перпендикулярно до вісі 3 у тій же площині, у якій розташовані засоби 13 для підвищення ефективності. Завихорювачі 14 цього варіанту виконання зображені на Фіг.7. На фігурі чітко показано, що завихрювач 14 є тілом, утвореним чотирма поверхнями. Робота другого варіанта виконання по суті відповідає роботі варіанта виконання, зображеного на Фіг.1, за виключенням того, що повітряний потік, який проходить між турбінними лопатками, змінюється засобами 13 для підвищення ефективності і завихорювачами 14, що надає кращі робочі характеристики. Фіг.9 зображає конструкцію вітротурбіни, яка має довільні робочі характеристики. Висота вітротурбіни повинна визначатися динамічною стійкістю. У цьому варіанті виконання, принаймні, одна утримувальна і роздільна платформа 17 формується на наперед встановленій висоті роздільників 1 потоку для досягання динамічної стійкості, виготовляється з відомого конструкційного матеріалу, переважно з матеріалу, 9 який відповідає матеріалу роздільників 1 потоку. Для вітроелектростанцій високої потужності, тобто з потужністю понад 1 МВт, цей матеріал є переважно залізобетоном. Утримувальні і роздільні платформи 17 можна розміщувати в довільній кількості перпендикулярно до роздільників 1 потоку, а також до вісі 3, формуючи конструкцію, яка є цільною як стосовно гідроаеродинаміки так і міцності, при цьому, її розмір визначається по суті розміром вісі 3 і зовнішнім діаметром d4 роздільників 1 потоку. Платформи 17 розташовані одна від одної на однаковій відстані h , яка також визначає довжину осі між ними. Вітротурбіна, зображена на Фіг.1 і 2, по суті розміщена між двома платформами 17 (дивіться Фіг.9), проте між двома платформами 17 можна розташовувати різні варіанти виконання вітротурбін. Насправді, у цьому випадку, верхня консоль 10 може усуватися, оскільки її роль переймає платформа 17. На Фіг.10 зображена платформа 17, яка має наскрізний отвір 18 в центральній частині, який приймає вісь 3, яка переважно закріплена підшипником в ньому. Платформа 17 переважно має форму диска і переважно сформована як еліпсоїд обертання або будь-яке інше тіло, придатне згідно з законами гідроаеродинаміки. У цьому варіанті виконання, ліміт висоти визначається довжиною вісі 3. Саме з цієї причини, бажано використовувати вісь 3, поділену платформами 17 згідно з відстанню h між ними, але, у цьому випадку, розташування підшипників вимагає спеціальної конструкції. Завдяки використовуваній платформі 17, у цьому варіанті виконання, по усій висоті може розташовуватися більше ніж одна секція F1, F2, F3…Fn ротора F. Оскільки сила вітру, яка діє на турбінні лопатки 12, розташовані між двома паралельними платформами 17, може бути різною, то між різними платформами 17 можуть братися до уваги різні характеристики повітряного потоку. Беручи до уваги цей факт при плануванні, вісь 3 може формуватися секціями F1, F2, F3…Fn згідно з відстанню h так, що задана секція F1 повинна кріпитися підшипниками в центральному отворі 18, сформованому у відповідній верхній платформі 17, а нижній кінець секції F1 повинен з'єднуватися з верхнім кінцем нижньої секції F2 переважно за допомогою пружної муфти, яка утримує секцію F1 в осьовому напрямі, але дозволяє тільки мале бічне переміщення. У цьому варіанті виконання, підшипник фіксується в отворах 18 за допомогою пружного конструкційного елемента. У цей спосіб може усуватися гнучке з'єднання вісі 3, яка складається з секцій F1, F2, F3…Fn, навіть у випадку великого вітрового навантаження, яке по різному діє по висоті вітротурбіни. 96374 10 Робота вітротурбіни з вертикальною віссю 3 згідно з винаходом тепер буде описуватися з посиланням на Фіг.11. Принципова перевага вітротурбіни з вертикальною віссю 3 згідно з винаходом полягає в тому, що вона може використовуватися при будь-якій швидкості вітру і робочі характеристики генератора, тобто подача гарячої води, зростають разом з підвищенням швидкості вітру, і вона має конструкцію, стійку до землетрусів. Повітряна маса, яка надходить до поверхні, визначеної діаметром d4 і відповідною висотою, надходить у вітроелектростанцію крізь отвори f1,утворені роздільниками 1 потоку. Повітря, що надходить, буде прискорюватися як кривизною роздільників 1 потоку так і площею поперечного перерізу, який звужується від отвору f1 до отвору f2, який менший за отвір f1 Прискорена повітряна маса, яка тепер має вищу швидкість і, тому, має більший імпульс, надходить до турбінних лопаток 12 крізь отвір f2, прикладає крутний момент до ротора F з одночасним сприйманням зміни напряму потоку, і протікає до протилежних турбінних лопаток 12 крізь канал S, утворений віссю 3 і утримувальними кільцями 11, де його імпульс, який повинен змінюватися і сприймати подальшу зміну напряму потоку, прикладає додатковий крутний момент до турбінних лопаток 12. Завдяки розташуванню системи, криві і отвори f1, f2 роздільників 1 потоку, а також діаметр d2 ротору F і криві турбінних лопаток 12 забезпечують ламінарний потік при будь-якій швидкості, а одержаний крутний момент буде однаковим на турбінних лопатках 12 як на вході так і на виході, і тому симетрично прикладеним до вісі 3. Отвори роздільників 1 потоку, насправді, мають інверсну поведінку на стороні витікання порівняно з умовами втікання. Відпрацьоване повітря, яке виходить з отвору f2 на стороні витікання, надходить до отвору f1, який має більшу площу, потім воно буде відводитися повітряним потоком, який вільно протікає за межі вітроелектростанції, що знижує опір потоку і підвищує ефективність вітротурбіни. Основною перевагою вітроелектростанції згідно з представленим винаходом є те, що вона працює завжди однаково на противагу до вітроелектростанцій попереднього рівня техніки без регулювання зворотного зв'язку і незалежно від реального напряму вітру, і має мінімальний опір потоку, тобто має високу ефективність, завдяки балансу між крутними моментами, прикладеними до її вхідної і вихідної сторони, і завдяки її новій геометричній конфігурації, і має просту конструкцію та дешева в технічному обслуговуванні, і додатково має здатність ефективно працювати навіть при слабкому вітрі і в різних місцях, і нечутлива як до раптових змін так і до розподілу вітрового навантаження як функції від висоти. 11 96374 12 13 96374 14 15 96374 16 17 96374 18 19 96374 20 21 96374 22 23 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 96374 Підписне 24 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601