Турбіна

Реферат: Вітрова турбіна для захоплення енергії з потоку текучого середовища містить ротор, який має вісь обертання і множину лопаток (104) ротора, виконаних з можливістю обертання навколо осі обертання. Лопатки ротора проходять поздовжньо в напрямку, по суті паралельному осі обертання. Захисний елемент V3 виконаний з можливістю захищати деякі лопатки ротора від зустрічного вітру, де кут падіння вітру на ці лопатки ротора діяв би проти обертання ротора в напрямку обертання. Лопатки (104) ротора розподілені по окружності ротора і рознесені від осі обертання, що утворює по суті циліндричну зону в роторі, через яку проходить вітер. Захисний елемент V3 утворений радіально внутрішньою поверхнею і радіально зовнішньою поверхнею. Радіально внутрішня поверхня проходить по суті по ділянці окружності ротора. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента V3 містить першу ділянку, яка перетинається з радіально внутрішньою поверхнею. В області взаємодії з радіально внутрішньою поверхнею перша ділянка проходить в першому напрямку n, що утворює кут щонайменше 0 градусів і до 90 градусів в протилежному обертальному напрямку з радіальним напрямком ротора. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента V3 містить другу ділянку, яка перетинається з першою ділянкою. Щонайменше ділянка другої ділянки проходить у другому напрямку р, який утворює кут, більший 0 градусів, в протилежному обертальному напрямку з першим напрямком n. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента містить третю ділянку, яка перетинається з другою ділянкою. Щонайменше ділянка третьої ділянки проходить в третьому напрямку (q), який утворює кут, більший 0 градусів, з другим напрямком (р), виміряний в напрямку обертання UA 105548 C2 (12) UA 105548 C2 від другого напрямку (р) до третього напрямку (q). Турбіна має збільшену вихідну потужність і ефективність в порівнянні з більш ранніми подібними конструкціями. UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід стосується турбіни для захоплення енергії з потоку текучого середовища, зокрема, вітрової турбіни. Однак винахід також застосовується і до гідротурбін. Рівень техніки винаходу Енергія в потоці текучих середовищ, з таких як вітер, поточні ріки і припливи і відливи, є джерелом енергії для генерації, наприклад, електрики без вироблення забруднюючих викидів, таких як вуглекислий газ. У даний час існує необхідність в пристроях, які можуть генерувати електричну енергію з вітру або інших потоків текучого середовища ефективно і економічно. Навіть існуючі комерційні і промислові пристрої мають непомірний період окупності, який ускладнює обґрунтування їх чисто економічної і комерційної основи. Існують два головних типи вітрових турбін: вітрова турбіна з горизонтальною віссю (HAWT), в якій вітер дує по осі обертання, через "диск", утворений обертовими лопатками; і вітрова турбіна з вертикальною віссю (VAWT), в якій вітер перпендикулярний осі обертання. HAWT має конструкцію повітряного гвинта з довгими лопатками, прикріпленими на одному кінці до обертової маточини. При обертанні напрямок уявного вітру, що діє на кожну лопатку, змінюється вздовж довжини лопатки, яка зігнута для того, щоб досягати оптимальної продуктивності. Зараз прийнято, що тільки зовнішня одна третина довжини лопатки генерує значну потужність. Великі розміри HAWTS утворюють основні інженерні роботи і проблеми встановлення, і вони дуже гучні. VAWT є прикладом конструкції Darrieus, уперше описаної Georges Jean Marie Darrieus в патенті США номер 1 835 018. Турбіна має вал, який обертається навколо осі, яка проходить перпендикулярно напрямку вітру. Турбіна має множину лопаток, які механічно приєднані до вала. Лопатки мають обтічну секцію, яка проходить вздовж осі, яка є дотичною до окружності, співвісної з валом. Вітер, що дує через турбіну, генерує поперечну тягу і, таким чином, обертання вала. Недавні конструкції VAWT від Turby B.V. Локем, Голландія і XC02/Quiet Revolution (UK заявка на патент номер GB-A-2404227) мають три лопатки, які обертаються навколо подовжньої осі, в якій верхній кінець і нижній кінець лопаток зміщені один від одного горизонтально так, що кожна лопатка має форму, подібну до гелікоїду. Інші конструкції для вітрової турбіни з вертикальною віссю розкриті в JP 2008-025518, WO 2006/039727, WO 02/095221, DE 24 44803, DE 24 51751, US 2003/0209911 і WO 2006/095369. Інші конструкції вітрової турбіни розкриті в US 5332354 і US 2003/0133782. Суть винаходу Даний винахід стосується турбіни для захоплення енергії з потоку текучого середовища, зокрема, вітрової турбіни згідно з п. 1 формули винаходу. Було виявлено, що турбіна, яка має конфігурацію, описану вище, має велику вихідну потужність і ефективність, якщо порівнювати з попередніми конструкціями. Зокрема, багато попередніх конструкцій основані на ефекті Вентурі, щоб спрямовувати потік повітря через турбіну. Конструкція відповідно до винаходу щонайменше в переважних в цей час варіантах виконання, створює область високого тиску в області захисного елемента, яка прискорює текуче середовище в і через пристрій. Відкритий центр турбіни дозволяє кожній лопатці ротора взаємодіяти з текучим середовищем двічі; один раз, коли текуче середовище входить в ротор і один раз, коли текуче середовище виходить з цього ротора. Це дозволяє турбіні витягувати максимум енергії з текучого середовища. Радіально внутрішня поверхня захисного елемента проходить по ділянці окружності ротора. Однак це не є необхідністю, хоча можливо, що радіально внутрішня поверхня захисного елемента проходить по окружності ротора вздовж всієї довжини радіально внутрішньої поверхні. Таким чином, радіально внутрішня поверхня може відхилятися від кругового напрямку ротора, наприклад, в підвітряному напрямку радіально внутрішньої поверхні. Кут між першим напрямком і радіальним напрямком ротора може бути більший 0 градусів, бажано більший 15 градусів, переважно більший 30 градусів, більш переважно більший 45 градусів, ще більш переважно більший 60 градусів. Кут між першим напрямком і радіальним напрямком ротора може бути менший 90 градусів, переважно менший 85 градусів, більш переважно менший 80 градусів. Переважний діапазон для кута між першим напрямком і радіальним напрямком ротора між 60 градусами і 80 градусами. Кут між першим напрямком і другим напрямком може бути більшим 40 градусів, переважно більшим 60 градусів. Переважний діапазон для кута між першим напрямком і другим напрямком знаходиться між 60 градусами і 100 градусами. Може розглядатися, що друга ділянка проходить 1 UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 у другому напрямку, який утворює (максимальний) кут більший 180 градусів в протилежному обертальному напрямку із зворотним першого напрямку. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента містить третю ділянку, яка перетинається з другою ділянкою. Щонайменше ділянка третьої ділянки проходить в третьому напрямку, який утворює кут більший 0 градусів у обертальному напрямку з другим напрямком. Таким чином, ділянка третьої ділянки може пройти в третьому напрямку, який утворює кут менший 180 градусів в протилежному обертальному напрямку із зворотним другого напрямку. Кут між другим напрямком і третім напрямком може бути менший 90 градусів, переважно менший 60 градусів. Кут між другим напрямком і третім напрямком може бути більшим 30 градусів. Переважний діапазон для кута між другим напрямком і третім напрямком між 30 градусами і 60 градусами. У деяких варіантах виконання, в яких третя ділянка дуже коротка, кут між другою ділянкою і третьою ділянкою може бути більшим 90 градусів. Де радіально зовнішня поверхня захисного елемента зігнута, перший напрямок і/або другий напрямок і/або третій напрямок може визначатися по дотичній до відповідної ділянки зігнутій поверхні. Таким чином, відповідно до винаходу зігнуті поверхні вибираються так, що кожна має щонайменше одну дотичну, яка задовольняє вимоги відповідного напрямку. Третя ділянка може мати довжину, більшу половини радіуса ротора і меншу трьох радіусів ротора. Переважно третя ділянка має довжину більшу 70 % радіуса ротора, більш переважно третя ділянка має довжину, більшу радіуса ротора. Переважно третя ділянка має довжину, меншу двох радіусів ротора. Третя ділянка може мати довжину, меншу радіуса ротора. У визначенні придатної довжини для третьої (хвостової) ділянки, існує оптимальне співвідношення між вихідною потужністю турбіни і стабільністю і технологічністю всього пристрою. Лопатки ротора можуть бути дугоподібними в перерізі. У цьому значенні, дугоподібний не означає, що лопатки ротора утворені дугою окружності, хоча це можливо, просто лопатки ротора зігнуті деяким способом. Конструкція зігнутої лопатки з увігнутою задньою поверхнею ефективна при "захопленні" потоку текучого середовища. Аналогічно вигнута передня поверхня лопатки ротора може спрямовувати потік текучого середовища через турбіну. Лопатки можуть бути нахиленими відносно радіального напрямку ротора. Таким чином, хорда між кінцями дугоподібного перерізу лопаток може утворювати кут більший 0 градусів і менший 45 градусів в протилежному обертальному напрямку із зовнішнім радіальним напрямком ротора. Використання терміну "хорда" не має на меті мати на увазі, що лопатки утворені дугою окружності, хоча це можливо. Кут хорди до радіального напрямку ротора може бути більший 5 градусів, переважно більший 10 градусів. Кут хорди до радіального напрямку ротора може бути меншим 40 градусів, бажано меншим 35 градусів, переважно меншим 30 градусів, більш переважно меншим 25 градусів, ще більш переважно меншим 20 градусів. Не обов'язково для всіх лопаток ротора мати однакові розміри, позицію або положення, хоча це спрощує конструкцію і виробництво турбіни. У деяких варіантах виконання винаходу лопатки ротора можуть мати гелікоїдальну конфігурацію. Таким чином, лопатки можуть пройти подовжньо не тільки в напрямку, паралельному осі обертання турбіни, але також в напрямку, який є дотичним до осі обертання, тим самим, щоб утворювати гелікоїд. Звичайно турбіна може містити більше п'яти лопаток ротора і менше 19 лопаток ротора. Бажано турбіна може містити більше 7 лопаток ротора. Бажано турбіна може містити менше 17 лопаток ротора, переважно менше 15 лопаток ротора і більш переважно менше 13 лопаток ротора, ще більш переважно менше одинадцяти лопаток ротора, найбільш переважно менше дев'яти лопаток ротора. Переважна в цей час конструкція турбіни для повнорозмірного промислового прототипу містить вісім лопаток ротора. Розмір лопаток ротора в радіальному напрямку ротора може бути більшим 10 % радіуса ротора і меншим 50 % радіуса ротора. Бажано, розмір лопаток ротора в радіальному напрямку ротора може бути більшим 15 %, переважно більшим 20 %, більш переважно більшим 25 % радіуса ротора. Бажано, розмір лопаток ротора в радіальному напрямку ротора може бути меншим 45 %, переважно меншим 40 % радіуса ротора. Турбіна може містити спрямовуючий потік елемент в, по суті, циліндричній зоні. Спрямовуючий потік елемент може мати радіально зовнішню поверхню, яка проходить по суті по ділянці окружності по суті циліндричної зони. Спрямовуючий потік елемент може мати радіально внутрішню поверхню, яка по суті є дзеркальним відображенням радіально зовнішньої поверхні. Турбіна може бути сконфігурована так, що радіус ротора, який обмежує захисний елемент, утворює кут ("кут вітру") щонайменше від нуля градусів до 45 градусів з напрямком потоку текучого середовища, що падає на ротор турбіни. Кут вітру може бути більшим 0 градусів, 2 UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 переважно більшим 5 градусів, більш переважно більшим 10 градусів. Кут вітру може бути меншим 45 градусів, переважно меншим 35 градусів, більш переважно меншим 25 градусів. Переважний діапазон для кута вітру знаходиться між 10 градусами і 25 градусами. Короткий опис креслень Варіанти виконання винаходу будуть зараз описані більш детально тільки як приклад і з посиланням на супроводжуючі креслення, на яких: Фігура 1 є виглядом зверху пристрою для пояснення даного винаходу; Фігура 2а є перерізом ділянки пристрою на фігурі 1; Фігура 2b є перерізом альтернативного варіанту виконання ділянки пристрою на фігурі 2а; Фігура 3 є виглядом зверху пристрою, що здійснює даний винахід; Фігура 4 є схематичним виглядом зверху турбіни відповідно до додаткового варіанту виконання винаходу; і Фігура 5 є схематичним виглядом зверху турбіни відповідно до ще додаткового варіанту виконання винаходу. Докладний опис переважного варіанту виконання Пристрій 100 для перетворення потоку текучого середовища у обертальний рух у вигляді вітрової турбіни показаний на Фігурі 1. Ведучі лопатки проходять вздовж осі обертання і вісь обертання спроектована вертикально від землі. Таким чином, пристрій може бути описаний як вітрова турбіна з вертикальною віссю. Напрямок потоку текучого середовища і вісь обертання пристрою на фігурі 1 перпендикулярні одне одному. Пристрій може приймати вигляд простою конструкції з одним обертовим елементом, який перетворює кінетичну енергію з вітру в крутний момент на обертовому валу. Як показано на фігурі 1 пристрій 100 містить ротор, утворений валом 102, до якого множина лопаток 104 приєднані і навколо якого вони розташовані. Лопатки приєднані до вала 102 диском 101. Диск 101 центрований і приєднаний до вала 102. У перерізі лопатки 104 є дугоподібними з вигнутою передньою поверхнею і увігнутою задньою поверхнею. Лопатки 104 рівно рознесені радіально від вала 102 і лопатки 104 рівно рознесені по окружності одна від одної. Подовжні осі лопаток 104 проходять по суті паралельно валу 102. Лопатки 104 всі однакові і прямі. Лопатки можуть також бути гелікоїдальними, тобто спіральними навколо осі обертання по мірі їх проходження вздовж неї. Лопатки можуть також пройти до осі обертання по мірі їх проходження вздовж осі. Обертовий вал 102 може бути приєднаний до динамо або іншого генеруючого електрику пристрою для того, щоб генерувати електрику з потоку текучого середовища. Альтернативно, він може використовуватися як рушійна сила або як поєднання рушійної сили і генерації електрики. Форма перерізу лопаток 104 показана на фігурі 2а. Лопатки 104 мають зігнутий (дугоподібний) профіль, який звужується до точки на кожному кінці або кромці 105. Від кінця до кінця поверхня верхньої (передньої) сторони або опуклість 106 довша нижньої (задньої) сторони або опуклості 108. Таким чином, кожна лопатка 104 має переріз форми аеродинамічного профілю. У цьому варіанті виконання лопатки 104 симетричні відносно перпендикуляра до хорди 107. Хорда 107 або вісь є прямою лінією, що проходить або утворюється між кінцями 105 лопатки 104. Лопатки 104 можуть бути розташовані так, що хорда або вісь хорди 107 кожної лопатки проходить через вісь обертання пристрою 100 (лінія 113 на Фігурі 1), але це не є переважним. Альтернативний переріз лопатки показаний на фігурі 2b і однакові ознаки наведені з однаковими номерами позицій. Більше ніж кінці кожної лопатки 104, що утворюють точку, кінці 120 розділені. У прикладі на фігурі 1 положення лопаток таке, що пристрій виконаний, щоб обертатися в напрямку за годинниковою стрілкою, показаному стрілками 112. Через їх орієнтацію не всі лопатки 104 обертають пристрій 100 в бажаному напрямку. У прикладі на Фігурі 1 лопатки, позначені "х", утворюють опір і утворюють спрямовану силу, яка обертає диск в протилежному (проти годинникової стрілка) напрямку. У дуже загальних рисах лопатки позначені "а" утворюють спрямовану силу, яка обертає пристрій в напрямку за годинниковою стрілкою, як роблять лопатки, позначені "b". Лопатки "х", які утворюють опір і обертають пристрій проти годинникової стрілка, розташовані під кутом θ х, між 145° і 255°. Лопатки "а", які обертають пристрій за годинниковою стрілкою, розташовані під кутом θ а між 255° і 35°. Лопатки b, які також обертають пристрій за годинниковою стрілкою, розташовані під кутом θ b між 35° і 145°. Таким чином, лопатки, що охоплюють 250°, обертають пристрій в напрямку за годинниковою стрілкою. У варіанті виконання на фігурі 3 (де ознаки такі ж, як на Фігурі 1, дані з тими ж номерами позицій) напрямні або ребра 150 використовуються, щоб спрямовувати потік текучого 3 UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 середовища, щоб збільшити ділянку лопаток 104 пристрою 148, які генерують імпульси в бажаному напрямку (в цьому випадку за годинниковою стрілкою). Огороджувачі або захист 152 використовуються, щоб скоротити ділянку лопаток 104 пристрою, які генерують крутний момент в протилежному, небажаному напрямку (в цьому випадку проти годинникової стрілки). Для того щоб поліпшити або оптимізувати кут атаки потоку текучого середовища на лопатки звичайно напрямні розташовуються перпендикулярно до поточного або лінійного напрямку переміщення лопаток по мірі того, як вони обертаються або перпендикулярно до окружності або кромки диска, до якого лопатки приєднані. Захист забезпечений так, що щонайменше частково не допускається, щоб текуче середовище проходило через ділянку лопаток, які орієнтовані відносно напрямку потоку текучого середовища так, що виробляють спрямовану силу проти бажаного напрямку. Використання напрямних або ребер, як показано в цьому варіанті виконання не є переважним, що стане очевидним з варіантів виконання на фігурах 5 і 6. Захисти 152 (окремо показані як V1 і V2 на фігурі 3) закріплені на кожній стороні вала 102. Їх внутрішні краї 154 зігнуті назовні на обох кінцях від вала. Ця форма утворює канал Вентурі, через який тече текуче середовище. Зовнішні кромки 156 захисту V1 і V2 зігнуті всередину, паралельно до зовнішньої окружності пристрою. Зона між зовнішніми кромками 156 захистів 152 і зовнішньою окружністю має розмір, який дозволяє лопаткам 104 переміщуватися через неї. Навітряна сторона 158 захистів V1 і V2 нахилена між їх внутрішніми кромками 152 і їх зовнішніми кромками 156, щоб спрямовувати повітряний потік в канал Вентурі. Підвітряна сторона 160 захистів V1 і V2 нахилена між їх внутрішніми кромками 152 і їх зовнішніми кромками 156, щоб спрямовувати повітряний потік назовні від каналу Вентурі на лопатки підвітряної сторони. Канал Вентурі веде вітер з лопаток навітряної сторони на лопатки підвітряної сторони. Використання каналу Вентурі, як показано в цьому варіанті виконання, не є переважним, що стане очевидним з варіантів виконання на фігурах 5 і 6. Напрямні g1 розташовані на навітряній стороні турбіни. Вони спрямовують потік текучого середовища на лопатки на навітряній стороні турбіни. Це забезпечує ідеальний кут атаки, щоб максимізувати потужність від лопаток на навітряній стороні. Напрямні g 1 є тонкими, плоскими елементами або видовженими ребрами, подовжні осі яких проходять паралельно валу. Напрямні g1 рознесені вздовж окружності турбіни. У прикладі на фігурі 3 є шість напрямних. Тобто кількість напрямних відповідає кількості лопаток, які можуть вміщуватися між захистами V1 і V2 на навітряній стороні. Напрямні g2 розташовані на підвітряній стороні турбіни між захистами V1 і V2 і лопатками підвітряної сторони. Вони також спрямовують потік текучого середовища на лопатки, але на підвітряну сторону турбіни. Це забезпечує ідеальний кут атаки, щоб максимізувати потужність від лопаток на підвітряній стороні. Вони також є тонкими, плоскими елементами або видовженими ребрами, подовжні осі яких проходять паралельно валу. Напрямні g 2 рознесені по окружності навколо турбіни. У прикладі на фігурі 3 є шість напрямних. Тобто, кількість напрямних відповідає кількості лопаток, які можуть вміщуватися між захистами V 1 і V2 на підвітряній стороні. Захист V3 захищає від негативних спрямованих сил, які обертають пристрій в небажаному напрямку проти годинникової стрілка. Захист V3 закріплений зовні лопаток 104, які обертають турбіну в напрямку проти годинникової стрілка. Його внутрішня сторона 162 зігнута навколо зовнішньої окружності турбіни. Канал 166 розширюється назовні від внутрішньої сторони 162 на навітряній стороні. Він спрямовує повітряний потік на лопатки 104, який виробляє обертання за годинниковою стрілкою. Ділянка 168 між внутрішньою і зовнішньою стороною на підвітряній стороні нахилена, щоб дозволяти повітрю витікати з лопаток 104. Цей варіант виконання забезпечує тягову силу більшу 90° турбіни на навітряній стороні і більшу 90° на підвітряній стороні, що забезпечує загальну таку тягову силу більше 180° турбіни. Є імпульс, забезпечений тиском текучого середовища, що діє на плоску сторону, нижню сторону або опуклість 108 лопаток (Фігура 2а і 2b) через зовнішній сектор 169 (фігура 3) (площа, що проходить радіально зовнішньо від зовнішньої кромки захисту V1). У цьому прикладі пристрій 148 розташований на обертовому кріпленні з крилом, на зразок флюгера так, що пристрій 148 утримується "проти вітру", тобто з напрямними g 1 на навітряній стороні і напрямними g2 на підвітряній стороні. Захист V1 є опціонним. Якщо захист V1 не представлений, продуктивність пристрою поліпшується, коли потік текучого середовища штовхає лопатки в секторі 169, щоб додатково обертати турбіну 100 навколо. Фігура 4 показує схематично вигляд зверху геометричної схеми вітрової турбіни відповідно до додаткового варіанту виконання винаходу. Ротор турбіни містить вісім лопаток 104, 4 UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розподілених рівномірно навколо його окружності. Як в попередніх варіантах виконання, лопатки ротора проходять загалом вертикально між верхнім і нижнім дисками так, що зона утворена всередині ротора, через яку може пройти вітер. На фігурі 4 напрямок вітру показаний схематично стрілкою W. Ділянка ротора захищена від вітру захистом V3. Повернута до ротора (радіально внутрішня) поверхня захисту V3 проходить по окружності ротора з достатнім зазором для надійного обертання ротора. Радіально зовнішня поверхня захисту V3 утворена лініями r1, n, р і q. Лінія r1 є радіусом окружності, що утворює ротор і означає максимальний розмір захисту V 3 в напрямку обертання ротора (проти годинникової стрілки на фігурі 4). У цьому варіанті виконання радіус r1 під кутом Wr1 ("кут вітру") 15 градусів до теоретичного напрямку W вітру в протилежному обертальному напрямку ротора (за годинниковою стрілкою на фігурі 4). Навітряна поверхня захисту V3 утворена лінією n, яка в цьому варіанті виконання під кутом Wn 90 градусів до напрямку W вітру в напрямку обертання ротора. Зовнішня поверхня захисту V3 додатково утворена лінією р, яка в цьому варіанті виконання під кутом Wp 30 градусів до напрямку W вітру в напрямку обертання ротора. Таким чином, кут np між поверхнею захисту V3, утвореною лінією n, і поверхнею захисту, утвореною лінією р, становить 60 градусів в протилежному обертальному напрямку ротора для варіанту виконання, показаного на фігурі 4. Якщо кут Wn між напрямком вітру і навітряною поверхнею n захисту V3 збільшується, передня частина захисту V3 забезпечує більш обтічну поверхню до вітру, яка спрямовує повітря на лопатки 104 ротора. Однак бажано для захисту генерувати зону високого тиску загалом біля перерізу ліній n і р, яка буде сприяти проходженню повітря більше через ротор, ніж навколо ротора. Захист V3 містить хвостову ділянку V5, яка проходить від ротора в напрямку лінії q, яка в цьому варіанті виконання паралельна радіусу ротора так, що хвостовик V 5 має постійну ширину. Хвостова ділянка V5 збільшує опір потоку вітру навколо захисту V3 і тому збільшує область високого тиску, що генерується захистом V3. У цьому варіанті виконання кут pq між зовнішньою поверхнею захисту V3, утвореною лінією р, і зовнішньою поверхнею хвостової ділянки V 5, утвореною лінією q, становить 45 градусів в напрямку обертання. У роторі внутрішній захист V2 забезпечує обтічний канал для вітру через ротор. Внутрішній захист V2 утворений дугою між двома радіусами, які утворюють розмір захисту V 3, V5 навколо ротора. Радіально зовнішня дуга внутрішнього захисту V2 проходить по окружності, утвореній радіально внутрішніми кромками лопаток 104 з достатнім зазором для надійного обертання ротора. Радіально внутрішня поверхня внутрішнього захисту V2 є дзеркальним відображенням профілю зовнішньої поверхні вздовж хорди між кінцями дуги, що утворює зовнішню поверхню. У цьому варіанті виконання лопатки 104 ротора є дугоподібними і утворюють вигин між радіально найбільш внутрішньою точкою і радіально найбільш зовнішньою точкою. Пряма лінія, що з'єднує радіально найбільш внутрішню точку і радіально найбільш зовнішню точку, показана як лінія m на фігурі 4. Кут r1m між радіусом окружності, що утворює ротор, і лінією, яка з'єднує кінці лопатки ротора, становить близько 35 градусів в протилежному обертальному напрямку ротора, для показаного варіанту виконання. Цей кут важливий в тому, що нахилом лопаток ротора назад, наприклад, в протилежному обертальному напрямку (протилежний напрямок до напрямку обертання) відносно радіального напрямку ротора, передня поверхня лопаток ротора спрямовує повітря через ротор перед його достатнім виходом із захисту V 3, щоб захопити вітер. Було виявлено, що це значно збільшує вихідну потужність турбіни. У показаному варіанті виконання ротор має діаметр 1,6 м. Це розмір прототипу, а повнорозмірний ротор має діаметр приблизно 20 м. У прототипі товщина захисту V 3, наприклад, виміряна на віддаленому від центра кінці хвостової ділянки V 5, становить 21 см і довжина хвостовика становить приблизно 2 м. Фігура 5 показує схематично вигляд зверху геометричної схеми вітрової турбіни відповідно до ще додаткового варіанту виконання винаходу. У цьому варіанті виконання зовнішня поверхня захисту V3 має більш зігнутий і менш незграбний профіль, ніж у варіанті виконання на фігурі 4. Однак геометрична схема захисту відповідно до винаходу є аналогічною. У варіанті виконання на фігурі 5 ротор турбіни містить вісім лопаток 104, розподілених рівномірно навколо його окружності. Як в попередніх варіантах виконання, лопатки 104 ротора проходять загалом вертикально між верхнім і нижнім дисками так, що зона утворена у внутрішній частині ротора, через яку може пройти вітер. У варіанті виконання на фігурі 5 повернута до ротора (радіально внутрішня) поверхня захисту V3 проходить по окружності ротора з достатнім зазором для ротора, щоб надійно обертатися. Радіально зовнішня поверхня захисту V 3 утворена лініями r1, n, р і q. Лінія r1 є 5 UA 105548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 радіусом окружності, що утворює ротор, і означає максимальний розмір захисту V 3 в напрямку обертання ротора (проти годинникової стрілки на Фігурі 5). З радіуса r1 радіально зовнішня поверхня захисту V3 утворює згладжену криву, яка згинається спершу в протилежному обертальному напрямку ротора (за годинниковою стрілкою на фігурі 5), і потім змінює напрямок, щоб згинатися в напрямку обертання ротора (проти годинникової стрілки на фігурі 5). У цьому варіанті виконання радіус r1 під кутом Wr1 ("кут вітру") 15 градусів до теоретичного напрямку W вітру в протилежному обертальному напрямку ротора. Навітряна поверхня захисту V3 утворена лінією n, яка є дотичною до зігнутої поверхні, де поверхня перетинається з радіусом ротора r1 (без урахування будь-якого дрібномасштабного згладжування на кінці захисту V3). У цьому варіанті виконання лінія n під кутом Wn 95 градусів до напрямку W вітру в напрямку обертання ротора. Зовнішня поверхня захисту V3 додатково утворена лінією р, яка представляє максимальний кутовий розмір зігнутої зовнішньої поверхні захисту в протилежному обертальному напрямку ротора, тобто, перед тим, як крива змінить напрямок. У цьому варіанті виконання кут np між лінією n і лінією р становить 80 градусів в протилежному обертальному напрямку ротора. Таким чином, лінія р в цьому варіанті виконання під кутом Wp 15 градусів до напрямку W вітру в напрямку обертання ротора. Як в попередньому варіанті виконання було виявлено, що бажано вибирати конфігурацію заслону так, щоб генерувати область високого тиску загалом біля перерізу ліній n і р, яка буде сприяти проходженню повітря більше через ротор, ніж навколо ротора. Захист V3 містить хвостову ділянку V5, яка проходить від ротора в напрямку лінії q. Лінія q відображає максимальний кутовий розмір зігнутої зовнішньої поверхні захисту в напрямку обертання ротора (проти годинникової стрілки на Фігурі 5) після зміни кривої напрямку. У цьому варіанті виконання кут pq між зовнішньою поверхнею захисту V3, утвореною лінією р, і зовнішньою поверхнею хвостової ділянки V5, утвореною лінією q, становить 55 градусів в напрямку обертання. У роторі внутрішній заслін V2 забезпечує обтічний канал для вітру через ротор таким же способом, як у варіанті виконання на фігурі 4. У варіанті виконання на фігурі 5 лопатки 104 ротора є дугоподібними і утворюють вигин між радіально найбільш внутрішньою точкою і радіально найбільш зовнішньою точкою. Лопатки 104 ротора цього варіанту виконання мають вигнуту передню поверхню і увігнуту задню поверхню. Пряма лінія, що з'єднує радіально найбільш внутрішню точку і радіально найбільш зовнішню точку, показана як лінія m на фігурі 5. Кут r1m між радіусом окружності, що утворює ротор, і лінією, що з'єднує кінці лопатки ротора, становить 15 градусів в протилежному обертальному напрямку ротора для показаного варіанту виконання. У варіанті виконання на фігурі 5 ротор має діаметр 1,6 м. Це розмір прототипу, а повнорозмірний ротор має діаметр приблизно 20 м. У прототипі довжина хвостовика становить 0,6 м. Загалом принципом пристрою 100 є використання лопатки 104, яка виконана з можливістю обертатися навколо закріпленої осі з головною або довгою віссю лопатки 104, паралельної осі обертання. Орієнтація осі обертання є поганенькою. Однак для максимальної ефективності вона повинна бути перпендикулярна нормальному потоку повітря. Повітря потім протікає через пристрій 100. Повітряний потік ведеться або прямує через діаметр пристрою через центр обертання. Він потім проходить через ще одну лопатку 104 на іншій стороні. Повітря потім тече назовні до вільного повітря. Дія повітря, що проходить через лопатки 104, створює сили, перпендикулярні основній осі лопаток 104, які передаються за допомогою придатної структури (наприклад, диска або колеса) до вала 102 і сила виходить з обертання цього вала 102. У варіантах виконання винаходу повітря спрямовується фізичною структурою захисного елемента і також областями високого і низького тиску, які утворені взаємодією захисного елемента і ротора з повітрям. Інтер'єрна або внутрішня частина ротора захищена або має канал так, що вхідне повітря спрямовується через діаметр або центр і виходить через лопатки під оптимальним кутом. Оскільки кожна лопатка знаходиться під дією потоку в двох напрямках в одному обертанні ротора, симетричний переріз лопатки означає, що кожна лопатка забезпечує потужність до вала, коли піддається потоку в обох напрямках. Контроль потоку текучого середовища через лопатки забезпечує оптимальний кут атаки для кожної лопатки. Загалом вітрова турбіна для захоплення енергії з потоку текучого середовища містить ротор, що має вісь обертання, і множину лопаток 104 ротора, виконаних з можливістю обертатися навколо осі обертання. Лопатки ротора проходять поздовжньо в напрямку по суті паралельному осі обертання. Захисний елемент V3 виконаний з можливістю захищати деякі 6 UA 105548 C2 5 10 15 20 лопатки ротора від зустрічного вітру, де кут падіння вітру на ці лопатки ротора діяв би проти обертання ротора в напрямку обертання. Лопатки 104 ротора розподілені по окружності ротора і рознесені від осі обертання, що утворює по суті циліндричну зону в роторі, через яку проходить вітер. Захисний елемент V3 утворений радіально внутрішньою поверхнею і радіально зовнішньою поверхнею. Радіально внутрішня поверхня проходить по суті по ділянці окружності ротора. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента V 3 містить першу ділянку, яка перетинається з радіально внутрішньою поверхнею. В області взаємодії з радіально внутрішньою поверхнею перша ділянка проходить в першому напрямку n, який утворює кут щонайменше 0 градусів і до 90 градусів в протилежному обертальному напрямку з радіальним напрямком ротора. Радіально зовнішня поверхня захисного елемента V3 містить другу ділянку, яка перетинається з першою ділянкою. Щонайменше ділянка другої ділянки проходить у другому напрямку р, який утворює кут більший 0 градусів в протилежному обертальному напрямку з першим напрямком n. Турбіна має збільшену вихідну потужність і ефективність в порівнянні з більш ранніми подібним конструкціями. Варіанти виконання даного винаходу були описані з конкретним посиланням на показані приклади. Однак зрозуміло, що варіанти і модифікації можуть бути виконані до прикладів, описаних в об'ємі винаходу. Хоча приклади, описані вище, були значно описані відносно потоку текучого середовища, що є вітром, пристрої, описані тут, можуть використовуватися з іншими текучими середовищами, такими як вода, що протікає в ріках і припливах і відливах. Хоча на фігурах 1 і 3 були описані пристрої, що мають 24 лопатки по окружності, різна кількість лопаток може використовуватися. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Турбіна для захоплення енергії з потоку текучого середовища, зокрема вітрова турбіна, що містить: ротор, який має вісь обертання і множину лопаток (104) ротора, виконаних з можливістю обертання навколо осі обертання в напрямку обертання, і проходить поздовжньо в напрямку, по суті паралельному осі обертання; захисний елемент (V3), виконаний з можливістю захищати у використанні деякі лопатки ротора від зустрічного потоку текучого середовища, де кут падіння текучого середовища на ці лопатки ротора діяв би проти обертання ротора в напрямку обертання; в якій лопатки ротора розподілені по окружності ротора і рознесені від осі обертання, тим самим, щоб утворювати по суті циліндричну зону в роторі, через яку проходить потік текучого середовища при використанні турбіни; в якій захисний елемент утворений радіально внутрішньою поверхнею і радіально зовнішньою поверхнею, при цьому радіально внутрішня поверхня по суті проходить по ділянці окружності ротора; в якій радіально зовнішня поверхня захисного елемента містить першу ділянку, яка перетинається з радіально внутрішньою поверхнею і в зоні взаємодії з радіально внутрішньою поверхнею, перша ділянка проходить в першому напрямку (n), який утворює кут щонайменше 0 градусів і до 90 градусів з радіальним напрямком (r1) ротора, виміряний в протилежному обертальному напрямку від радіального напрямку (r1) до першого напрямку (n); в якій радіально зовнішня поверхня захисного елемента містить другу ділянку, яка перетинається з першою ділянкою, і кут між першим напрямком (n) і другим напрямком (р), який проходить по щонайменше ділянці поверхні другої ділянки, більший 0 градусів і менший 100 градусів, виміряний в протилежному обертальному напрямку від першого напрямку (n) до другого напрямку (р); і в якій радіально зовнішня поверхня захисного елемента містить третю ділянку, яка перетинається з другою ділянкою, і щонайменше ділянка третьої ділянки проходить в третьому напрямку (q), який утворює кут, більший 0 градусів, з другим напрямком (р), виміряний в напрямку обертання від другого напрямку (р) до третього напрямку (q). 2. Турбіна за п. 1, в якій згаданий кут між першим напрямком (n) і радіальним напрямком (r1) ротора більший 0 градусів і менший 90 градусів. 3. Турбіна за п. 1 або 2, в якій кут між першим напрямком (n) і другим напрямком (р) більший 40 градусів і менший 100 градусів. 4. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, в якій кут між другим напрямком (р) і третім напрямком (q) менший 90 градусів. 5. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, в якій третя ділянка має довжину, більшу половини радіуса ротора і меншу трьох радіусів ротора. 7 UA 105548 C2 5 10 6. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, в якій лопатки ротора є дугоподібними в перерізі і хорда (m) між кінцями дугоподібного перерізу лопаток утворює кут, більший 0 градусів і менший 45 градусів, в протилежному обертальному напрямку із зовнішнім радіальним напрямком (r2) ротора. 7. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, що містить більше 5 лопаток ротора і менше 19 лопаток ротора. 8. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, в якій розмір лопаток ротора в радіальному напрямку ротора більший 10 % радіуса ротора і менший 50 % радіуса ротора. 9. Турбіна за будь-яким попереднім пунктом, що додатково містить спрямовуючий потік елемент (V2) в по суті циліндричній зоні. 10. Турбіна за п. 9, в якій спрямовуючий потік елемент має радіально зовнішню поверхню, яка проходить по суті по ділянці окружності по суті циліндричної зони. 11. Турбіна за п. 10, в якій спрямовуючий потік елемент має радіально внутрішню поверхню, яка по суті є дзеркальним відображенням радіально зовнішньої поверхні. 8 UA 105548 C2 9 UA 105548 C2 10 UA 105548 C2 11 UA 105548 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 12