Вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами

Реферат: Запропонований спосіб підвищення експлуатаційної ефективності і ККД вітротурбін. Розроблений авторами переважний спосіб включає: вироблення рівня потужності, що перевищує межу Бетца для осьової вітротурбіни такого типу, яка має бандаж турбіни з впускним отвором, що розширюється, і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, за допомогою прийому і спрямування первинного повітряного струменя навколишнього повітря у впускний отвір, що розширюється, і через бандаж турбіни; приведення робочого колеса всередині бандажа в обертання за допомогою первинного повітряного струменя, внаслідок чого первинний повітряний струмінь передає енергію робочому колесу; залучення і змішування вторинного повітряного струменя навколишнього повітря тільки з первинним повітряним струменем, який пройшов через робоче колесо, за допомогою змішувача і ежектора, розташованого послідовно за робочим колесом. На відміну від змішувачів і ежекторів газових турбін, які також забезпечують змішування з газами, що відпрацювали з гарячого ядра, розроблений авторами, переважний спосіб забезпечує залучення і змішування навколишнього повітря (тобто вітру) тільки з повітрям з меншою енергією (тобто з частково використаним повітрям), яке пройшло через бандаж турбіни і ротор. Крім того, розроблений авторами спосіб включає використання потужності первинного струменя повітря для вироблення механічної енергії при одночасному перевищенні межі Бетца для експлуатаційного ККД вітротурбіни протягом неаномального періоду. UA 99282 C2 (12) UA 99282 C2 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід стосується загалом вітротурбін. Більш конкретно, він стосується способів для вітротурбін. Рівень техніки Вітротурбіни звичайно містять пристрій типу пропелера, який називається "ротором", який звернений до рухомого повітряного потоку. Коли повітря стикається з ротором, повітря створює зусилля, діюче на ротор таким чином, що це спричиняє обертання ротора навколо його центра. Ротор сполучений або з електричним генератором, або з механічним пристроєм за допомогою з'єднувальних елементів, таких як зубчаті колеса, ремені, ланцюги або інші засоби. Подібні турбіни використовуються для вироблення електроенергії і живлення акумуляторних батарей. Вони також використовуються для приведення в дію ротаційних (обертальних) насосів і/або рухомих деталей машин. Дуже часто можна виявити вітротурбіни у великих виробляючих електроенергію вітрових електростанціях у вигляді "полів вітротурбін", що містять множину подібних турбін, розташованих з утворенням геометричного малюнка, призначеного для забезпечення можливості максимального відбору енергії при мінімальному впливі кожної подібної турбіни на іншу і/або на навколишнє середовище. Здатність ротора перетворювати енергію текучого середовища в обертальну енергію, коли він розміщений в потоці дуже великої ширини в порівнянні з його діаметром, обмежена теоретичною величиною, що ясно і документально підтверджується, яка становить 59,3 % від енергії набігаючого потоку, відомої як межа Бетца і документально підтверджена A. Betz в 1926 р. Дане граничне значення ефективності особливо застосовне для звичайної багатолопатевої осьової вітротурбіни/гідротурбіни, представленої на фіг. 1А, позначеної як попередній рівень техніки. Були зроблені зусилля в спробі збільшити експлуатаційні можливості вітротурбіни за межу Бетца. Були використані бандажі або труби, що оточують ротор. Див., наприклад, патент США 7,218,011 на ім'я Ніеі і інш. (див. фіг. 1В); патент США 4,204,799 на ім'я de Geus (див. фіг. 1С); патент США 4,075,500 на ім'я Oman і інш. (див. фіг. 1D) і патент США 6,887,031 на ім'я Tocher. Кожухи (бандажі), що мають належну конструкцію, спричиняють прискорення набігаючого потоку у міру його концентрації в центрі труби. Звичайно у випадку ротора з належною конструкцією дана збільшена швидкість потоку забезпечує створення більшого зусилля, діючого на ротор, і, отже, більш високі рівні відбору енергії. Проте, лопатки ротора часто розпадаються внаслідок зсуваючих і розтягуючих сил, що мають місце у випадку більш сильних вітрів. Як стверджується, величини, що перевищують в два рази межу Бетца, були зафіксовані, але не були стабільними. Див. роботу Igar, О. Shrouds for Aerogenerators (Бандажі для вітроенергетичних установок), АІАА Journal (Американський інститут аеронавтики і астронавтики), Жовтень, 1976, стор. 1481-83; Igar & Ozer, Research and Development for Shrouded Wind Turbines (Дослідження і розробки для бандажованих вітротурбін), Energy Cons. & Management, Vol. 21, pp. 13-48, 1981, і див. Технічну замітку Американського інституту аеронавтики і астронавтики, озаглавлену "Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited" ("До питання про вітротурбіни і гідротурбини і гвинти в кільцевих обтічниках"), авторами якої є заявник ("Технічна замітка заявника для Американського інституту аеронавтики і астронавтики") і яка прийнята для публікації. Копії можна знайти в заяві заявника про розкриття інформації. Однак подібні домагання не довели свою стабільність на практиці, і наявні результати випробувань не підтвердили здійсненність подібного збільшення при реальному застосуванні вітротурбін. Для досягнення подібних збільшених потужності і ефективності необхідно забезпечити ретельне узгодження аеродинамічних конструкцій бандажа і ротора з швидкостями набігаючого потоку текучого середовища, що іноді дуже сильно змінюються. Подібні міркування відносно аеродинамічних конструкцій також грають важливу роль для зумовленого ними впливу турбін, що приводяться в дію потоком текучого середовища, на навколишнє середовище і рівня ефективності конструкцій вітроенергетичних установок (полів вітротурбін). Ежектори являють собою добре відомі і розкриті в документах рідкоструминні насоси, які забезпечують втягування потоку в систему і тим самим збільшення швидкості потоку в даній системі. Змішувачі-ежектори являють собою короткі компактні варіанти подібних струминних насосів, які відносно нечутливі до параметрів набігаючого потоку і широко використовуються у високошвидкісних реактивних рушійних установках з швидкостями потоків, що приблизно дорівнюють або перевищують швидкість звуку. Див., наприклад, патент США 5,761,900 на ім'я Dr. Walter M. Presz, Jr, в якому також використовується змішувач, розташований далі по потоку, для збільшення тяги при одночасному зменшенні шуму від вихлопу. Dr. Presz є співавтором винаходу в даній заявці. 1 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Досі не було успішного застосування технічних рішень, пов'язаних з газовими турбінами, для осьових вітротурбін. Існує безліч причин, що обумовили даний недолік. В існуючих вітротурбінах використовуються небандажовані турбінні лопатки для відбору енергії вітру. У результаті значна частина потоку, що наближається до лопаток вітротурбіни, проходить навколо лопаток, а не через них. Крім того, швидкість повітряного потоку значно меншає у міру його наближення до існуючих вітротурбін. Обидва даних ефекти приводять до низьких швидкостей потоку, що проходить через турбіну. Дані низькі швидкості обумовлюють мінімізацію потенційних переваг технічних рішень, пов'язаних з газовими турбінами, таких як концепції статора/ротора. Попередні підходи, пов'язані з бандажованими вітротурбінами, характеризуються зосередженням зусиль на вихідних дифузорах для збільшення швидкостей турбінних лопаток. Для забезпечення добрих експлуатаційних характеристик дифузорів потрібна велика довжина, і вони мають тенденцію бути дуже чутливими до коливань набігаючого потоку. Подібні довгі, чутливі до характеристик потоку дифузори недоцільні у вітроенергетичних турбінних установках. Короткі дифузори викликають зрив потоку і абсолютно не працюють в реальних застосуваннях. Крім того, існує можливість того, що необхідна дифузія нижче по потоку буде неможливою у разі бажаного зняття енергії в турбіні при підвищених швидкостях. Дані ефекти зумовили марність всіх попередніх спроб створити більш ефективні вітротурбіни, використовуючи технічні рішення, пов'язані з газовими турбінами. Відповідно, головна мета даного винаходу полягає в створенні способу, в якому використовуються принципи роботи сучасних гідроаеродинамічних насосів зі змішувачамиежекторами у вітротурбіні для постійного забезпечення стабільних рівнів відбору енергії, що істотно перевищують межу Бетца. Інша основна мета полягає в створенні вдосконаленого способу для осьової вітротурбіни, в якому використовується специфічне змішування потоків (призначене для вітротурбін) для підвищення ефективності і мінімізації впливу супутнього їй поля обтікання на навколишнє середовище, що знаходиться поблизу вітротурбіни, таке, яке можна виявити в полях вітротурбін. Ще одна основна мета полягає в створенні вдосконаленого способу, який забезпечує створення більшого потоку, що проходить через ротор осьової вітротурбіни, і подальше швидке змішування потоку, що виходить, з меншою енергією з байпасним повітряним потоком з більшою енергією перед виходом з турбіни. Ще одна основна мета полягає в створенні вдосконаленої вітротурбіни, в якій використовуються специфічні пристрої для змішування потоків (призначені для вітротурбін) і керування потоками для підвищення ефективності і мінімізації впливу супутнього їй поля обтікання на навколишнє середовище, що знаходиться поблизу вітротурбіни, таке, яке можна виявити в полях вітротурбін. Ще одна основна мета полягає в створенні вдосконаленої вітротурбіни, яка забезпечує втягування більшого повітряного потоку через ротор і подальше швидке змішування потоку, що виходить з турбіни і має малу енергію, з байпасним повітряним потоком, що має велику енергію, перед виходом з системи. Більш конкретною метою, узгодженою з переліченими вище цілями, є створення способу і пристрою, які забезпечують порівняно низький рівень шуму і безпеку при використанні в населених зонах. Розкриття винаходу Запропоновані спосіб і пристрій, призначений для підвищення стійкого ккд вітротурбін до значень, що перевищують межу Бетца. Як в способі, так і в пристрої використовуються концепції гідроаеродинамічного ежектора і поліпшене змішування потоків для підвищення експлуатаційного ккд запропонованої заявниками, специфічної вітротурбіни при одночасному зниженні рівня шуму в порівнянні з існуючими вітротурбінами. Запропонований авторами, переважний пристрій являє собою вітротурбіну зі змішувачами і ежекторами ("MEWT"). У переважному варіанті здійснення "пристрою" вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами являє собою осьову турбіну, що містить в такому порядку, який відповідає напряму потоку: бандаж турбіни, що має впускний отвір, що розширяється; кільце з статорів всередині бандажа; робоче колесо, що має кільце з лопаток робочого колеса "на одній лінії" зі статорами; змішувач, прикріплений до бандажа турбіни, що має кільце із змішувальних виступів, що проходять далі за лопатки робочого колеса, і ежектора, що містить кільце із змішувальних виступів (наприклад, аналогічне тому, яке показане в патенті США 5,761,900), і змішувальний кожух, що проходить далі за змішувальні виступи. Бандаж турбіни, змішувач і ежектор виконані і розташовані з можливістю втягування максимальної кількості текучого середовища крізь турбіну і мінімізації впливу на навколишнє середовище (наприклад, шуму) і на 2 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 інші турбіни для вироблення енергії, розташовані позаду їх (наприклад, з можливістю конструктивних втрат або втрат ефективності). На відміну від рівня техніки переважна вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами містить бандаж з пристроями для поліпшеного змішування потоків і керування потоками, такими як змішувачі з виступами або пазами і/або один або більше ежекторних насосів. Представлений насос зі змішувачем/ежектором істотно відрізняється від того, що використовується в авіаційній промисловості, оскільки повітря з великою енергією проходить у впускні канали ежектора і обходить його зовні, прокачується і змішується з повітрям з малою енергією, що виходить з бандажа турбіни. У даному першому переважному варіанті здійснення "пристрою" вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами загалом містить: осьову вітротурбіну, оточену бандажем турбіни з впускним отвором, що розширюється, при цьому бандаж містить змішувальні пристрої в його кінцевій ділянці (тобто в кінцевій частині бандажа турбіни), і окремий ежекторний трубчастий елемент, що перекриває вказаний бандаж турбіни, але розташований за ним, який сам може містити пристрої для поліпшеного змішування в його кінцевій ділянці. В альтернативному варіанті здійснення "пристрою" вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами містить: осьову вітротурбіну, оточену бандажем турбіни з аеродинамічним контуром, що містить змішувальні пристрої в його кінцевій ділянці. У широкому значенні переважний спосіб включає: вироблення рівня потужності, що перевищує межу Бетца для вітротурбіни (переважное осьової вітротурбіни), що має бандаж турбіни з впускним отвором, що розширюється, і робоче колесо, що розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, за допомогою прийому і спрямування первинного повітряного струменя навколишнього повітря в бандаж турбіни; приведення робочого колеса всередині бандажа в обертання за допомогою первинного повітряного струменя, внаслідок чого первинний повітряний струмінь передає енергію робочому колесу; і залучення і змішування вторинного повітряного струменя навколишнього повітря тільки з первинним повітряним струменем, який пройшов через робоче колесо, за допомогою змішувача і ежектора, розташованих послідовно за робочим колесом. Альтернативний спосіб включає: вироблення рівня потужності, що перевищує межу Бетца для вітроенергетичної установки, що має бандаж турбіни з впускним отвором, що розширюється, і ротор пропелерного виду, розташований далі по потоку, за допомогою залучення і змішування навколишнього повітря тільки з повітрям з меншою енергією, яке пройшло через бандаж турбіни і ротор, за допомогою змішувача і ежектора, розташованих послідовно за ротором. Теоретичний аналіз переважного способу і пристрою, виконаний на основі основних принципів, показує, що вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може виробляти потужність, в три або більше разів перевищуючу потужність її аналогів, що не мають бандажа, для тієї ж площі лобового перерізу, і забезпечити підвищення ефективності полів вітротурбін в два або більше разів. Виходячи з виконаного ними теоретичного аналізу автори вважають, що переважні спосіб і пристрій забезпечать вироблення потужності, що перевищує в три рази існуючу потужність звичайної вітротурбіни аналогічного розміру. Інші мета і переваги даного винаходу стануть більш очевидними при прочитанні нижченаведеного опису в поєднанні з супроводжуючими кресленнями. Короткий опис креслень Фіг. 1А, 1В, 1С і 1D ілюструють приклади турбін згідно з рівнем техніки; Фіг. 2 являє собою виконаний з просторовим рознесенням елементів вигляд в перспективі переважного варіанта здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, запропонованого авторами і, що має конструкцію відповідно до даного винаходу; Фіг. 3 являє собою вигляд в перспективі спереду переважної вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, прикріпленої до баштової опори; Фіг. 4 являє собою вигляд в перспективі спереду переважної вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами з частинами, виконаними з вирізом для того, щоб показати внутрішню конструкцію, таку як пристрій відбору потужності у вигляді колесоподібної конструкції, прикріпленої до робочого колеса; Фіг. 5 являє собою вигляд в перспективі спереду тільки статора, робочого колеса, пристрою відбору потужності і опорного вала, показаного на фіг. 4; Фіг. 6 являє собою альтернативний варіант здійснення переважної вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, виконаної з насосом зі змішувачем/ежектором, що має виступи змішувача в кінцевих ділянках (тобто в кінцевій частині) кожуха ежектора; 3 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фіг. 7 являє собою бічний переріз вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 6; Фіг. 8 являє собою збільшений вигляд поворотного з'єднання (обведеного колом на фіг. 7), призначеного для кріплення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами до баштової опори з можливістю повороту, і варіант механічної поворотної лопатки статора; Фіг. 9 являє собою вигляд в перспективі спереду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами з ротором пропелерного виду; Фіг. 10 являє собою вигляд в перспективі позаду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 9; Фіг. 11 являє собою вигляд зверху позаду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 9; Фіг. 12 являє собою переріз, виконаний вздовж лінії 12-12 на фіг. 11; Фіг. 13 являє собою вигляд зверху спереду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 9; Фіг. 14 являє собою бічний переріз, виконаний вздовж лінії 14-14 на фіг. 13, що показує два поворотних блокувальних елементи для керування потоком; Фіг. 15 являє собою збільшений вигляд обведеного колом блокувального елемента, показаного на фіг. 14; Фіг. 16 ілюструє альтернативний варіант здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, виконаної з двома можливими поворотними криловидними виступами для орієнтації по вітру; Фіг. 17 являє собою бічний переріз вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 16; Фіг. 18 являє собою вигляд зверху спереду альтернативного варіанта здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, що включає в себе двоступеневий ежектор зі змішувальними пристроями (в цьому випадку з кільцем з прорізів) в кінцевих ділянках бандажа турбіни (в цьому випадку в зоні змішувальних виступів) і кожух ежектора; Фіг. 19 являє собою бічний переріз вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 18; Фіг. 20 являє собою вигляд позаду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 18; Фіг. 21 являє собою вигляд в перспективі спереду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 18; Фіг. 22 являє собою вигляд в перспективі спереду альтернативного варіанта здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, що включає в себе двоступеневий ежектор зі змішувальними виступами в кінцевих ділянках бандажа турбіни і кожуха ежектора; Фіг. 23 являє собою вигляд в перспективі позаду вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 22; Фіг. 24 показує можливу акустичну (звуковбирну) обшивку всередині бандажа турбіни, показаної на фіг. 22; Фіг. 25 показує вітротурбіну зі змішувачами і ежекторами, виконану з некруглим бандажним елементом; і Фіг. 26 показує альтернативний варіант здійснення переважної вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами з виступами змішувача в кінцевій ділянці (тобто в кінцевій частині) бандажа турбіни. Докладний опис переважних варіантів здійснення винаходу При детальному розгляді креслень видно, що фіг. 2-25 показують альтернативні варіанти здійснення запропонованого заявниками пристрою, а саме "вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами ("MEWT"). У переважному варіанті здійснення "пристрою" (див. фіг. 2, 3, 4, 5) вітротурбіна 100 зі змішувачами і ежекторами являє собою осьову вітротурбіну, що містить: (a) бандаж 102 турбіни з аеродинамічним контуром; (b) центральний елемент 103 з аеродинамічним контуром, розташований всередині бандажа 102 турбіни і прикріплений до нього; (c) ступінь 104 турбіни, що оточує центральний елемент 103, що містить статорное кільце 106 з лопаток (наприклад, 108а) статора і робоче колесо або ротор 110, що має лопатки (наприклад, 112а) робочого колеса або ротора, розташовані далі по потоку і "на одній лінії" з лопатками статора (тобто передні кромки лопаток робочого колеса по суті вирівняні із задніми кромками лопаток статора), в якій: (і) лопатки (наприклад, 108а) статора встановлені на центральному елементі 103; і 4 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (іі) лопатки (наприклад, 112а) робочого колеса прикріплені і утримуються разом внутрішніми і зовнішніми кільцями або хомутами, закріпленими на центральному елементі 103; (d) змішувач 118, що має кільце з виступів (наприклад, 120а) змішувача в кінцевій ділянці (тобто в кінцевій частині) бандажа 102 турбіни, при цьому виступи (наприклад, 120а) змішувача проходять за лопатки (наприклад, 112а) робочого колеса; і (e) ежектор 122, що містить кожух 128, що оточує кільце з виступів (наприклад, 120а) змішувача на бандажі турбіни, з профілем, аналогічним виступам ежектора, показаним в патенті США 5,761,900, при цьому виступи (наприклад, 120а) змішувача проходять далі по потоку і у впускний отвір 129 кожуха 128 ежектора. Як показано на фіг. 7, центральний елемент 103 вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами переважно сполучений з бандажем 102 турбіни за допомогою статорного кільця 106 (або іншого засобу) для усунення пошкодження, незручностей і поширення на велику відстань низькочастотного звуку, що створюється звичайними вітротурбінами, коли супутні струмені лопаток турбіни стикаються з баштовою опорою. Аеродинамічні профілі бандажа 102 турбіни і кожуха 128 ежектора переважно аеродинамічно зігнені для збільшення потоку, що проходить через ротор турбіни. Автори розрахували, що для забезпечення оптимального ккд в переважному варіанті 100 здійснення співвідношення площ ежекторного насоса 122, що визначається як відношення площі вихідного перерізу кожуха 128 ежектора до площі вихідного перерізу бандажа 102 турбіни, повинно складати від 1,5 до 3,0. Число виступів (наприклад, 120а) змішувача складає від 6 до 14. Кожний виступ має кути нахилу внутрішніх і зовнішніх задніх кромок, що складають від 5 до 25 градусів. Основне місцеположення виходу виступу знаходиться у місця входу або поруч з місцем входу або впускним отвором 129 кожуха 128 ежектора. Відношення висоти до ширини каналів між виступами складає від 0,5 до 4,5. Проникнення в змішувач складає від 50 % до 80 %. Кути нахилу задніх кромок відносно проміжної частини центрального елемента 103 становлять тридцять градусів або менше. Відношення довжини до діаметра (L/D) всієї вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами складає від 0,5 до 1,25. Теоретичний аналіз переважної вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами, виконаний авторами на основі основних принципів, показує: вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами, може виробляти потужність, в три або більше разів перевищуючу потужність її аналогів, що не мають бандажа, для тієї ж площі лобового перерізу, і вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може забезпечити підвищення ефективності полів вітротурбін в два або більше разів. Див. Технічну замітку заявників для Американського інституту аеронавтики і астронавтики, вказану вище в розділі "Рівеньтехніки", відносно методології і формул, що використовується в теоретичному аналізі, виконаному авторами. Виходячи з виконаного ними теоретичного аналізу автори вважають, що розроблений ними переважний варіант 100 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами буде виробляти потужність, щонайменше в два-три рази перевищуючу існуючу потужність звичайної вітротурбіни того ж розміру (показаної на фіг. 1А). Запропонований авторами комбінований змішувач і ежектор забезпечує втягування всередину взаємодіючого з ними ротора турбіни повітря, об'єм якого в два або три рази перевищує об'єм повітря, що втягується в ротори звичайних вітроенергетичних установок. Звичайні вітроенергетичні установки (відомі також як вітротурбіни) з роторами пропелерного виду (див. фіг. 1) перетворюють вітер в обертальну і згодом в електричну енергію. Подібні ротори можуть забезпечити "переміщення" теоретично максимум 59,3 % потужності набігаючого струменя. Даний ккд, що становить 59,3 %, відомий як межа Бетца, як описано в розділі "Рівень техніки" даної заявки. Оскільки запропоновані авторами, переважні спосіб і пристрій забезпечують збільшення об'єму повітря, переміщуваного звичайними вітротурбінами, при порівнянних площах лобового перерізу, щонайменше в два або три рази, автори вважають, що запропоновані ними, переважні спосіб і пристрій можуть забезпечити стійку підтримку експлуатаційного ккд понад межу Бетца в аналогічній мірі. Автори вважають, що розроблені ними інші варіанти здійснення також забезпечать постійне перевищення межі Бетца, само собою зрозуміло, в залежності від достатніх вітрів. Використовуючи спрощену термінологію, можна сказати, що переважний варіант 100 здійснення "пристрою", тобто вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, включає: осьову турбіну (наприклад, лопатки статора і лопатки робочого колеса), оточену бандажем 102 турбіни з аеродинамічним контуром (тобто бандажем з впускним отвором, що розширюється), що включає в себе змішувальні пристрої в його кінцевій ділянці (тобто в кінцевій частині), і окремий кожух (наприклад, 128) ежектора, що перекриває бандаж 102 турбіни, але розташований за 5 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ним, який сам може включати в себе пристрої для поліпшеного змішування (наприклад, виступи змішувача) в його кінцевій ділянці. Запропоноване авторами кільце 118 з виступів (наприклад, 120а) змішувача в комбінації з кожухом 128 ежектора можна розглядати як насос зі змішувачем/ежектором. Даний насос зі змішувачем/ежектором утворює засіб для забезпечення постійного перевищення межі Бетца для експлуатаційного ккд вітротурбіни. Автори також представили додаткову інформацію для переважного варіанта 100 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаного на фіг. 2 і 3. Він включає ступінь 104 турбіни (тобто зі статорним кільцем 106 і робочим колесом 110), встановлений на центральному елементі 103, оточений бандажем 102 турбіни з виступами (наприклад, 120а) змішувача, що мають задні кромки, трохи виступаючими у вхідну площину кожуха 128 ежектора. Супінь 104 турбіни і кожух 128 ежектора конструктивно сполучені з бандажем 102 турбіни, який сам являє собою основний несучий навантаження елемент. Довжина бандажа 102 турбіни дорівнює зовнішньому максимальному діаметру бандажа турбіни або менше нього. Довжина кожуха 128 ежектора дорівнює зовнішньому максимальному діаметру кожуха ежектора або менше нього. Зовнішня поверхня центрального елемента 103 має аеродинамічний профіль для мінімізації ефектів відриву потоку за вітротурбіною 100 зі змішувачами і ежекторами. Вона може бути більш довгою або більш короткою, ніж бандаж 102 турбіни або кожух 128 ежектора, або довжина її може бути більше або менше суми довжин бандажа 102 і кожуха 128. Площа вхідного перерізу і вихідного перерізу бандажа турбіни дорівнюють або більше площі перерізу кільцевого простору, що займається ступенем 104 турбіни, але вхідний і вихідний перерізи необов'язково повинні мати круглу форму, щоб забезпечити можливість кращого керування джерелом потоку і впливом його супутнього струменя. Зона перерізу внутрішнього проточного каналу, що утворюється кільцевим простором між центральним елементом 103 і внутрішньою поверхнею бандажа 102 турбіни, має аеродинамічну форму для того, що забезпечити мінімальну площу в площини турбіни і плавну зміну в інших частинах від їх відповідних вхідних площин до їх вихідних площин. Зовнішні поверхні бандажа турбіни і кожуха ежектора мають аеродинамічну форму для того, щоб сприяти спрямуванню потоку у впускний отвір бандажа турбіни, усуненню зриву потоку з їх поверхонь і подачі плавного потоку у впускний отвір 129 ежектора. Вхідна ділянка ежектора 128, яка може бути некруглою за формою (див., наприклад, фіг. 25), більше площі вихідної площини змішувача 118, і вихідна ділянка ежектора також може бути некруглою за формою. До можливих елементів переважного варіанта 100 здійснення можуть належати: пристрій 130 відбору потужності (див. фіг. 4 і 5) у вигляді колесоподібної конструкції, який механічно приєднаний біля зовнішнього обода робочого колеса 110 до генератора потужності (не показаний); вертикальний опорний вал 132 з поворотним з'єднанням, позначеним позицією 134 (див. фіг. 5), який призначений для забезпечення поворотної опори для вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами і який розташований перед місцеположенням центра тиску на вітротурбіні зі змішувачами і ежекторами для забезпечення самоцентрування вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами; і саморушний вертикальний стабілізатор або "криловидний виступ" 136 (див. фіг. 4), прикріплений до верхньої і нижньої поверхонь кожуха 128 ежектора і призначений для стабілізації напрямів вирівнювання відносно різних струменів повітря. Вітротурбіна 100 зі змішувачами і ежекторами при використанні її поруч з житловими будинками може мати звуковбирний матеріал, прикріплений до внутрішньої поверхні її бандажа 102 і кожуха 128 (див. фіг. 24) для поглинання і, отже, фактичного усунення звукових хвиль з порівняно високою частотою, що створюються внаслідок взаємодії супутніх струменів від статора 106 з робочим колесом 110. Вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами також може містити запобіжну захищаючу лопатки конструкцію (не показана). На фіг. 14, 15 показані можливі дверці 140а, 140b для блокування потоку. Вони можуть повертатися за допомогою важільних з'єднань (не показані) в напрямі струменя потоку для зменшення або припинення потоку через турбіну 100, коли можливе пошкодження генератора або інших елементів, викликане високою швидкістю потоку. На фіг. 8 показаний інший можливий варіант запропонованої авторами, переважної вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами. Вихідний кут установки лопаток статора механічно змінюється на місці (тобто лопатки повертаються) для пристосування до змін швидкості потоку текучого середовища так, щоб забезпечити мінімальний залишковий вихор в потоці, що виходить з ротора. Потрібно зазначити, що в кожному із запропонованих авторами, альтернативних варіантів здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаних на фіг. 9-23 і 26, використовується ротор пропелерного виду (наприклад, 142 на фіг. 9), а не ротор турбіни з 6 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кільцем з лопаток робочого колеса. Хоча дані варіанти здійснення, можливо, не так ефективні, вони можуть бути більш прийнятними для населення. Запропонованими авторами, альтернативними варіантами здійснення "пристрою" є варіанти 200, 300, 400, 500, що не містять ежектора (див., наприклад, фіг. 26), які містять одно- і двоступеневі ежектори зі змішувачами в кінцевих ділянках (тобто кінцевих частинах) кожухів ежекторів, якщо вони є. Див., наприклад, фіг. 18, 20 і 22, на яких показані змішувачі в кінцевих ділянках кожухів ежекторів. Третинні повітряні струмені (навколишнього повітря), які раніше не пройшли ні в бандажі турбін, ні в ежектори, входять в змішувачі ежекторів другого ступеня для змішування з вихорами, що створюються первинним і вторинним повітряними струменями, що виходять з кінцевих ділянок, і для передачі енергії даним вихорам. Аналіз показує, що подібні варіанти здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами забезпечать більш швидке усунення неминучого відхилення швидкості, що має місце в супутньому струмені існуючих вітротурбін, і, отже, зменшення відстані між об'єктами, необхідної в полі вітротурбін для уникнення конструктивних пошкоджень і/або втрати ефективності. На фіг. 6 показаний "двоступеневий" варіант 600 ежектора зображеного варіанта 100 здійснення, що має змішувач в кінцевій ділянці кожуха ежектора. Альтернативні варіанти 200, 300, 400, 500 здійснення "пристрою", показані на фіг. 9-25, можна розглядати в широкому значенні як такі, що містять: a. вітроенергетичну установку, або вітротурбіну, що має бандаж з впускним отвором, що розширюється; b. ротор пропелерного виду, розташований за впускним отвором; c. змішувач, що має кільце з виступів змішувача, які проходять поруч з ротором і за ротором; і d. ежектор, що оточує задні кромки виступів змішувача і проходить за виступи змішувача. Автори вважають, що навіть без ежектора (див., наприклад, фіг. 26) змішувач як і раніше забезпечить збільшення об'єму повітря, що надходить всередину і переміщується за допомогою запропонованих авторами роторів, і, отже, збільшення ккд в порівнянні з попередніми вітротурбінами (незалежно від того, чи є вони бандажованими, чи ні), що мають порівнянні площі лобового перерізу. Однак збільшення буде меншим, ніж у випадку варіанта з ежектором. Винахід авторів може бути розглянутий з точки зору способів. В широкому значенні переважний спосіб включає: а. вироблення рівня потужності, що перевищує межу Бетца для вітротурбіни (переважно осьової вітротурбіни), що має бандаж турбіни з впускним отвором, що розширюється, і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, за допомогою: і. прийому і спрямування первинного повітряного струменя навколишнього повітря в бандаж турбіни; іі. приведення робочого колеса всередині бандажа в обертання за допомогою первинного повітряного струменя, внаслідок чого первинний повітряний струмінь передає енергію робочому колесу; і ііі. залучення і змішування вторинного повітряного струменя навколишнього повітря тільки з первинним повітряним струменем, який пройшов через робоче колесо, за допомогою змішувача і ежектора, розташованих послідовно за робочим колесом. Альтернативний спосіб включає: а. вироблення рівня потужності, що перевищує межу Бетца для вітроенергетичної установки, що має бандаж турбіни з впускним отвором, що розширюється, і ротор пропелерного виду, розташований далі по потоку, за допомогою: і. прийому і спрямування первинного повітряного струменя навколишнього повітря у впускний отвір, що розширюється, і через бандаж турбіни; іі. приведення робочого колеса всередині бандажа в обертання за допомогою первинного повітряного струменя, внаслідок чого первинний повітряний струмінь передає енергію ротору і стає повітряним струменем з меншою енергією; і ііі. залучення і змішування вторинного струменя навколишнього повітря з повітряним струменем з меншою енергією за допомогою змішувача і ежектора, розташованого послідовно за ротором. Змішування вторинного повітряного струменя з первинним повітряним струменем (що має меншу енергію) всередині ежектора: забезпечує створення ряду вихорів змішення завдяки значній змінності перерізу щонайменше бандажа турбіни за робочим колесом, і забезпечує передачу енергії від вторинного повітряного струменя первинному повітряному струменю. Розроблені авторами способи можуть також включати: 7 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 а. спрямування первинного повітряного струменя, після приведення робочого колеса в обертання в бандажі турбіни, в бік від осі обертання робочого колеса; і b. спрямування вторинного повітряного струменя, після входу його в кожух ежектора, до осі обертання робочого колеса. Незважаючи на те, що переважна вісь обертання робочого колеса проілюстрована як коаксіальна центральній подовжній осі бандажа (кожуха), вісь обертання робочого колеса необов'язково повинна бути такою для досягнення цілей даного способу. На відміну від змішувачів і ежекторів газових турбін, які також забезпечують змішування з газами, що відпрацювали, з гарячого ядра, розроблений(і) авторами, переважний(і) спосіб(и) забезпечує(ють) залучення і змішування вторинного струменя навколишнього повітря (тобто вітру) тільки з повітрям з меншою енергією (тобто з частково використаним первинним струменем навколишнього повітря), яке пройшло через бандаж турбіни і ротор. Автори вважають, що запропоновані ними переважні варіанти 100, 200, 300, 400 і 600 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами і розроблені авторами, переважні і альтернативні способи, описані безпосередньо вище, можуть забезпечити постійну підтримку при достатніх вітрах - значень експлуатаційного ккд, що перевищують межу Бетца, протягом днів, тижнів і років без якого-небудь істотного пошкодження турбіни. Іншими словами, автори вважають, що запропоновані ними переважні варіанти 100, 200, 300, 400 і 600 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами і розроблені авторами, переважні і альтернативні способи, описані безпосередньо вище, можуть забезпечити використання в максимальній мірі енергії первинного повітряного струменя для вироблення механічної енергії при одночасному перевищенні межі Бетца для експлуатаційного ккд протягом неаномального періоду. Ще один альтернативний спосіб, що розглядається більш широко, включає: а. збільшення об'єму повітря, що проходить через вітроенергетичну установку такого типу, яка має ротор, за допомогою: і. залучення і змішування навколишнього повітря тільки з повітрям з меншою енергією, яке пройшло через ротор, за допомогою змішувача, що розташований поруч з робочим колесом і за ним. Даний спосіб, що розглядається більш широко, може додатково включати: збільшення об'єму навколишнього повітря, що проходить через вітроенергетичну установку, при одночасній мінімізації рівня шуму, що створюється потоком, який виходить з вітроенергетичної установки, за допомогою ежектора, розташованого за змішувачем. Фахівцям в даній галузі техніки потрібно розуміти, що очевидні зміни можуть бути виконані без відходу від суті або об'єму винаходу. Наприклад, замість виступів змішувача або виступів ежектора можуть бути використані пази. Крім того, не потрібно ніякого важеля блокувального елемента для забезпечення відповідності межі Бетца або перевищення межі Бетца. Відповідно, насамперед, повинно бути зроблене посилання на прикладену формулу винаходу, а не на вищенаведений опис. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 1. Спосіб збільшення рівня потужності, що виробляється турбіною для текучого середовища, який включає забезпечення турбіни для текучого середовища, яка містить бандаж турбіни, що включає в себе розширюваний впускний отвір, випускний отвір і змішувач; ротор, встановлений в бандажі турбіни; і кожух ежектора, який розташований далі по потоку бандажа турбіни і має впускний отвір і випускний отвір; прийом і спрямування первинного струменя текучого середовища навколишнього середовища у впускний отвір бандажа турбіни і через бандаж турбіни; приведення ротора в бандажі турбіни в обертання первинним струменем текучого середовища, в результаті чого первинний струмінь текучого середовища передає енергію ротору, стаючи первинним струменем текучого середовища з низькою енергією; і змішування, за допомогою множини змішувальних вихорів, первинного струменя текучого середовища з низькою енергією з вторинним струменем текучого середовища з більшою енергією, який обійшов бандаж турбіни і захоплений кожухом ежектора, при цьому змішувач виконаний з можливістю утворення множини змішувальних вихорів з первинного струменя текучого середовища, що взаємодіє з вторинним струменем текучого середовища, в кожусі ежектора. 2. Спосіб за п. 1, який додатково включає підтримку рівня потужності, що виробляється турбіною для текучого середовища, на рівні, що перевищує межу Бетца для осьової вітротурбіни, щонайменше протягом множини днів. 8 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. Спосіб за п. 1, який додатково включає підтримку рівня потужності, що виробляється турбіною для текучого середовища, на рівні, що перевищує межу Бетца для осьової вітротурбіни, щонайменше протягом множини тижнів. 4. Спосіб за п. 1, в якому змішувач включає в себе поверхню з виступами, що розташовані по окружності навколо бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів, що проходять в корпус ежектора. 5. Спосіб за п. 1, в якому змішувач включає в себе поверхню з множиною радіально рознесених змішувальних пазів, що розташовані по окружності навколо бандажа турбіни і проходять далі по потоку. 6. Спосіб за п. 1, в якому турбіна додатково містить кільце з лопаток статора, розташованих перед ротором. 7. Спосіб за п. 1, в якому змішувач і кожух ежектора виконані з можливістю мінімізації рівня шуму потоку, що виходить з турбіни для текучого середовища. 8. Спосіб за п. 1, в якому змішувач і кожух ежектора виконані з можливістю збільшення об'єму текучого середовища, що проходить через турбіну для текучого середовища, при одночасній мінімізації рівня шуму потоку, що виходить з турбіни для текучого середовища. 9. Спосіб роботи турбіни для текучого середовища, який включає забезпечення турбіни для текучого середовища, що має напрямок проти потоку і напрямок по потоку в струмені текучого середовища, при цьому турбіна для текучого середовища містить бандаж турбіни, який включає в себе змішувач; прийом і спрямування первинного струменя текучого середовища в бандаж турбіни і через нього; приведення ротора в обертання всередині бандажа турбіни первинним струменем текучого середовища, в результаті чого енергія передається від первинного струменя текучого середовища ротору, забезпечуючи первинний струмінь текучого середовища з низькою енергією; прийом і спрямування вторинного струменя текучого середовища, який не пройшов раніше через бандаж турбіни, і первинного струменя текучого середовища з низькою енергією після виходу з бандажа турбіни в кожух ежектора, що розташований поруч з бандажем турбіни, причому вторинний струмінь текучого середовища має більше енергії, ніж має первинний струмінь текучого середовища з низькою енергією; і спрямування, за допомогою змішувача і бандажа турбіни, первинного струменя текучого середовища з низькою енергією і вторинного струменя текучого середовища, після входу в кожух ежектора, в таких напрямках, що первинний струмінь текучого середовища і вторинний струмінь текучого середовища змішуються і забезпечують передачу енергії від вторинного струменя текучого середовища первинному струменю текучого середовища за допомогою множини змішувальних вихорів, при цьому змішувач виконаний з можливістю утворення множини змішувальних вихорів з первинного струменя текучого середовища, що взаємодіє з вторинним струменем текучого середовища, в кожусі ежектора. 10. Спосіб за п. 9, який додатково включає спрямування первинного струменя текучого середовища, після приведення ротора в обертання в бандажі турбіни, в бік від осі обертання ротора; і спрямування вторинного струменя текучого середовища, після входу в кожух ежектора, до осі обертання ротора. 11. Спосіб за п. 9, який додатково включає спрямування частин первинного струменя текучого середовища, після приведення ротора в обертання в бандажі турбіни, в бік від місця розташування осі обертання ротора і до місця, що знаходиться за бандажем турбіни; і спрямування частин вторинного струменя текучого середовища, після входу в кожух ежектора, до місця розташування осі обертання ротора, в результаті чого енергія передається від вторинного струменя текучого середовища первинному струменю текучого середовища. 12. Спосіб роботи турбіни для текучого середовища, який включає забезпечення турбіни для текучого середовища, що має напрямок проти потоку і напрямок по потоку в струмені текучого середовища, при цьому турбіна для текучого середовища містить бандаж турбіни, який включає в себе змішувач; прийом і спрямування первинного струменя текучого середовища в бандаж турбіни і через нього; приведення робочого колеса в обертання всередині бандажа турбіни первинним струменем текучого середовища, в результаті чого енергія передається від первинного струменя текучого середовища робочому колесу; прийом вторинного струменя текучого середовища, який не пройшов раніше через бандаж турбіни, і первинного струменя текучого середовища після виходу з бандажа турбіни в кожух ежектора, розташований поруч з випускним отвором бандажа турбіни і по суті концентрично випускному отвору бандажа турбіни, при цьому вторинний струмінь текучого середовища при вході в кожух ежектора має більшу енергією, ніж енергія первинного струменя текучого середовища, що входить в кожух ежектора, після приведення робочого колеса в обертання; вторинний струмінь текучого середовища змішується з первинним струменем текучого середовища всередині кожуха ежектора; і 9 UA 99282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вторинний струмінь текучого середовища оточує первинний струмінь текучого середовища зовні, змішується з первинним струменем текучого середовища і передає енергію первинному струменю текучого середовища за допомогою множини змішувальних вихорів, при цьому змішувач виконаний з можливістю утворення множини змішувальних вихорів з первинного струменя текучого середовища, що взаємодіє з вторинним струменем текучого середовища, в кожусі ежектора. 13. Спосіб за п. 12, в якому вторинний струмінь текучого середовища коаксіальний первинному струменю текучого середовища. 14. Спосіб роботи турбіни для текучого середовища, який включає забезпечення турбіни для текучого середовища, що має напрям проти потоку і по потоку в струмені текучого середовища, при цьому турбіна для текучого середовища містить бандаж турбіни, який включає в себе змішувач; прийом і спрямування первинного струменя текучого середовища в бандаж турбіни і через нього; приведення робочого колеса в обертання всередині бандажа турбіни первинним струменем текучого середовища; і прийом і спрямування вторинного струменя текучого середовища, який пройшов навколо бандажа турбіни, не проходячи через бандаж турбіни, в кожух ежектора і через нього, при цьому за допомогою змішувача вторинний струмінь текучого середовища змішується з первинним струменем текучого середовища всередині ежектора з утворенням ряду змішувальних вихорів. 15. Спосіб за п. 14, в якому ряд змішувальних вихорів утворюється внаслідок значної неоднорідності щонайменше бандажа турбіни за робочим колесом. 16. Спосіб роботи осьової турбіни для текучого середовища, що має напрямок проти потоку і по потоку, який включає забезпечення осьової турбіни для текучого середовища в струмені текучого середовища, при цьому осьова турбіна для текучого середовища містить ступінь турбіни, що включає в себе бандаж турбіни, що має змішувач і ежектор, який проходить за змішувач, і роботу осьової турбіни для текучого середовища як змішувального/ежекторного насоса за допомогою розташування змішувача відносно ежектора так, що текуче середовище з великою енергією і текуче середовище з малою енергією, одне відносно одного, змішуються для збільшення потоку текучого середовища через ступінь турбіни. 17. Спосіб за п. 14, в якому кожух ежектора містить змішувач в кінцевій ділянці кожуха ежектора. 18. Спосіб роботи турбіни для текучого середовища, який включає забезпечення турбіни для текучого середовища, що має напрямок проти потоку і напрям по потоку в струмені текучого середовища, при цьому турбіна для текучого середовища містить бандаж турбіни, який включає в себе змішувач; прийом і спрямування первинного струменя текучого середовища в бандаж турбіни і через нього; приведення ротора в обертання всередині бандажа турбіни первинним струменем текучого середовища, в результаті чого енергія передається від первинного струменя текучого середовища ротору, забезпечуючи первинний струмінь текучого середовища з низькою енергією, який виходить з бандажа турбіни; прийом і спрямування вторинного струменя текучого середовища, який пройшов навколо бандажа турбіни, не проходячи через бандаж турбіни, і має більшу енергію, ніж первинний струмінь текучого середовища з низькою енергією, в кожух ежектора і через нього, причому за допомогою змішувача і бандажа турбіни вторинний струмінь текучого середовища з більшою енергією змішується з первинним струменем текучого середовища з низькою енергією всередині кожуха ежектора з утворенням ряду змішувальних вихорів; і прийом і спрямування третинного струменя текучого середовища, який не пройшов через бандаж турбіни і який раніше не пройшов через кожух ежектора, в змішувач в кінцевій ділянці кожуха ежектора, причому третинний струмінь текучого середовища при вході в змішувач в кожусі ежектора являє собою струмінь текучого середовища з більшою енергією, ніж первинний струмінь текучого середовища після приведення ротора в обертання; і за допомогою змішувача кінцевої ділянки кожуха ежектора третинний струмінь текучого середовища оточує зовні ряд змішувальних вихорів, змішується з рядом змішувальних вихорів і передає енергію ряду змішувальних вихорів. 10 UA 99282 C2 11 UA 99282 C2 12 UA 99282 C2 13 UA 99282 C2 14 UA 99282 C2 15 UA 99282 C2 16 UA 99282 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 17