Номер патенту: 99281

Опубліковано: 10.08.2012

Автори: Прес Уолтер М., мол., Уерл Майкл Дж.

Є ще 13 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, та яка містить кільце з лопаток статора перед робочим колесом; при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів, при цьому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і кожух ежектора, який оточує кільце зі змішувальних виступів, причому змішувальні виступи проходять далі по потоку і в кожух ежектора.

2. Турбіна за п. 1, в якій кожух ежектора включає в себе поверхню з виступами, що розташовані по окружності навколо кінця кожуха ежектора з утворенням кільця із змішувальних виступів.

3. Турбіна за п. 1, яка встановлена на опорному валу за допомогою поворотного з'єднання, який розташований перед положенням центра тиску на турбіні для забезпечення вільного повороту турбіни в напрямку набігаючого струменя текучого середовища.

4. Турбіна за п. 1, яка містить щонайменше один рухомий блокувальний елемент всередині турбіни для зменшення потоку через турбіну.

5. Турбіна за п. 1, в якій зовнішня поверхня турбіни містить самовстановлюваний рухомий крилоподібний виступ для аеродинамічного сприяння вирівнюванню турбіни з напрямком набігаючого потоку і демпфуванню коливань системи, викликаних турбулентністю потоку.

6. Турбіна за п. 1, в якій лопатки статора механічно повертаються для кращого вирівнювання потоку, що виходить зі статора, з лопатками ротора у всіх робочих умовах.

7. Турбіна за п. 1, в якій робоче колесо з'єднане з пристроєм відбору потужності, виконаним у вигляді колесоподібної конструкції навколо робочого колеса.

8. Осьова турбіна для текучого середовища, яка містить бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів; кільце з лопаток статора, встановлених в бандажоосьовій турбіні для текучого середовища, при цьому лопатки статора мають передні кромки і задні кромки; кільце з лопаток робочого колеса, встановлених з можливістю повороту в бандажоосьовій турбіні для текучого середовища, при цьому лопатки робочого колеса мають передні кромки, суміжні з задніми кромками відповідних лопаток статора, причому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і кожух ежектора, який оточує кільце зі змішувальних виступів, причому змішувальні виступи проходять далі по потоку і в кожух ежектора.

9. Осьова турбіна для текучого середовища, яка містить бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів; ступінь турбіни, встановлений всередині бандажа, який містить кільце з лопаток статора, розташоване за впускним отвором і встановлене на опорному валу, прикріпленому до бандажа турбіни; кільце з лопаток робочого колеса, розташоване за лопатками статора і встановлене на опорному валу, причому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, який оточує задні кромки змішувальних виступів і проходить за змішувальні виступи.

10. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, що містить статорне кільце, що розташоване перед робочим колесом і має лопатки статора; і змішувач, що прикріплений до бандажа і включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки змішувача з утворенням кільця зі змішувальними виступами, що проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, що проходить за кільце зі змішувальних виступів.

11. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж з впускним отвором і ротор пропелерного типу та яка містить змішувач, що має поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки змішувача з утворенням кільця зі змішувальних виступів, що проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, що проходить за змішувач.

Текст

Реферат: Запропонована вітроенергетична установка (вітротурбіна) зі змішувачами і ежекторами («MЕWT»), яка забезпечує регулярне перевищення ККД попередніх вітротурбін. У переважному варіанті здійснення запропонована заявником вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами включає в себе технічне рішення, пов'язане з поліпшеним змішуванням потоків, технічне рішення, пов'язане з одно- і багатоступеневим ежекторами, принципи аеродинаміки, використовувані в авіації і рушійних установках, і технічні рішення, пов'язані з ослабленням шуму, унікальним чином для підвищення експлуатаційної ефективності і ККД вітротурбін за рахунок динаміки текучих середовищ так, що її експлуатаційний ККД регулярно перевищує межу Бетца. Запропонований заявником переважний варіант здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами містить: бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором; кільце з лопаток статора; кільце з лопаток, які обертаються на одній лінії з лопатками статора (тобто робоче колесо); і насос зі змішувачем/ежектором, призначений для збільшення об'єму потоку, що проходить через турбіну, при одночасному швидкому змішуванні потоку з малою енергією, що виходить з турбіни, з обхідним повітряним потоком з великою енергією. Вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може забезпечити вироблення потужності, що у три або більше рази перевищує потужність її аналогів, які не мають бандажа (кожуха), для тієї ж площі лобового перерізу, і може забезпечити підвищення ефективності полів вітротурбін у два або більше рази. Та ж вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами є більш безпечною і створює менше шуму, забезпечуючи поліпшені можливості вітротурбіни для населених зон. UA 99281 C2 (12) UA 99281 C2 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Даний винахід стосується загалом осьових турбін. Більш конкретно, він стосується осьових вітротурбін. Рівень техніки Вітротурбіни звичайно містять пристрій типу пропелера, який називається «ротором», який повернений до рухомого повітряного потоку. Коли повітря стикається з ротором, повітря створює зусилля, яке діє на ротор таким чином, що це спричиняє обертання ротора навколо його центра. Ротор з’єднаний або з електричним генератором, або з механічним пристроєм за допомогою з’єднувальних елементів, таких як зубчасті 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 вітрових електростанціях, які виробляють електроенергію 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 ясно і документально підтверджуваною теоретичною величиною, що становить 59,3% від енергії набігаючого потоку, відомої як межа Бетца і документально підтвердженої A. Betz у 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 у спробі збільшити експлуатаційні можливості вітротурбіни за межу Бетца. Були використані бандажі або труби, оточуючі ротор. Див., наприклад, патент США 7,218,011 на ім’я Hiel й 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 в міру його концентрації в центрі труби. Звичайно у разі 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 зсувних і розтяжних сил, що мають місце у разі більш сильних вітрів. Як затверджується, величини, що перевищують у два рази межу Бетца, були зафіксовані, але не були стабільними. Див. роботу Igar, O. Shrouds for Aerogenerators (Бандажі для вітроенергетичних установок), AIAA 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, яка має назву «Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited» («До питання про вітротурбіни і гідротурбіни і гвинти у кільцевих обтічниках»), авторами якої є заявник («Технічна замітка заявника для Американського інституту аеронавтики і астронавтики») і яка прийнята для публікації. Копії можна знайти у заяві заявника про розкриття інформації. Однак подібні вимоги не довели свою стабільність на практиці, й існуючі 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, які іноді дуже сильно змінюються. Подібні міркування відносно аеродинамічних конструкцій також відіграють важливу роль для зумовленого ними впливу турбін, що приводяться в дію потоком текучого середовища, на навколишнє середовище й рівня ефективності конструкцій вітроенергетичних установок (полів вітротурбін). Ежектори являють собою добре відомі і розкриті в документах рідкоструменеві насоси, які забезпечують втягування потоку в систему і тим самим збільшення швидкості потоку в даній системі. Змішувачі-ежектори являють собою короткі компактні варіанти подібних струменевих насосів, які відносно нечутливі до параметрів набігаючого потоку і широко використовуються у високошвидкісних реактивних рушійних установках зі швидкостями потоків, які приблизно однакові 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 99281 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 велика кількість причин, які обумовили даний недолік. У існуючих вітротурбінах використовуються небандажовані турбінні лопатки для відбору енергії вітру. В результаті значна частина потоку, що наближається до лопаток вітротурбіни, проходить навколо лопаток, а не через них. Крім того, швидкість повітряного потоку значно зменшується в міру його наближення до існуючих вітротурбін. Обидва даних ефекти приводять до низьких швидкостей потоку, який 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 хороших 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 зривання потоку і абсолютно не працюють в реальних застосуваннях. Крім того, існує можливість того, що дифузія, яка необхідна, нижче по потоку буде неможливою у разі бажаного зніму енергії у 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 осьової вітротурбіни, в якій використовуються принципи роботи сучасних гідроаеродинамічних насосів зі змішувачамиежекторами для забезпечення постійного рівня відбору енергії, що суттєво перевищує межу Бетца. Інша основна мета полягає у створенні вдосконаленої осьової 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 розробці вдосконаленої осьової вітротурбіни, яка забезпечує втягування більшого 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 із системи. Більш конкретною метою, узгодженою з вищепереліченими цілями, є створення вітротурбіни, яка є порівняно безшумною і більш безпечною для використання в населених зонах. Розкриття винаходу Запропонована вітроенергетична турбінна установка зі змішувачами і ежекторами («MEWT») для вироблення електроенергії, в якій поєднуються концепції гідроаеродинамічного ежектора, пристрою для поліпшеного змішування потоків і керування потоками і турбіна з регульованою потужністю. У переважному варіанті здійснення вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами (MEWT) являє собою осьову турбіну, що містить в такому порядку, який відповідає напрямку потоку: бандаж турбіни з аеродинамічним контуром, що має впускний отвір; кільце із 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 по потоку за лопатки робочого колеса, і ежектор, що містить кільце із змішувальних виступів (наприклад, аналогічне тому, яке показане в патенті США 5,761,900), і змішувальний кожух, що проходить далі по потоку за змішувальні виступи. Бандаж турбіни, змішувач і ежектор виконані і розташовані з можливістю втягування максимальної кількості текучого середовища через турбіну і мінімізації впливу на навколишнє середовище (наприклад, шуму) і на 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 (кожух) 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 суттєво відрізняється від використовуваного 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 вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами містить: осьову вітротурбіну, оточену бандажем турбіни з аеродинамічним 2 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 контуром, що містить в собі змішувальні пристрої в його кінцевій зоні (тобто в кінцевій частині бандажа турбіни) і окремий ежекторний трубчастий елемент, що перекриває вказаний бандаж турбіни, але розташований за ним, який сам може містити в собі пристрої для поліпшеного змішування в його кінцевій зоні. В альтернативному варіанті здійснення вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами містить: осьову вітротурбіну, оточену бандажем турбіни з аеродинамічним контуром, що містить в собі змішувальні пристрої в його кінцевій зоні. Теоретичний аналіз переважної вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, виконаний на основі основних принципів, показує, що вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може виробляти потужність, у три або більше разів перевищуючу потужність її аналогів, що не мають бандажа (кожуха), для тієї ж площі лобового перерізу, і забезпечити підвищення ефективності полів вітротурбін у два або більше разів. Виходячи з виконаного ними теоретичного аналізу автори вважають, що переважний варіант здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами забезпечить вироблення потужності, що перевищує у три рази існуючу потужність звичайної вітротурбіни аналогічного розміру. Інші цілі й переваги даного винаходу стануть більш очевидними при прочитанні нижченаведеного опису в комбінації із супроводжувальними 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, який запропоновано авторами і 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 зонах (тобто в кінцевій частині) кожуха ежектора; 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 елемента 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 крилоподібними виступами для орієнтації за вітром; 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, який включає в себе двоступеневий ежектор зі змішувальними пристроями (в цьому випадку з кільцем з прорізів) в кінцевих зонах бандажа турбіни (в цьому випадку в зоні змішувальних виступів) і кожух ежектора; 3 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фіг. 19 являє собою бічний переріз вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаними на фіг. 18; Фіг. 20 являє собою вигляд ззаду 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 зонах бандажа турбіни і кожуха ежектора; Фіг. 23 являє собою вигляд в перспективі ззаду 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 зоні (тобто в кінцевій частині) бандажа турбіни. Докладний опис переважних варіантів здійснення винаходу При докладному розгляді креслень видно, що на фіг. 2-25 показані альтернативні варіанти здійснення осьової вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами («MEWT»), запропонованої заявником. У переважному варіанті здійснення (див. фіг. 2, 3, 4, 5) вітротурбіна 100 зі змішувачами і ежекторами являє собою осьову вітротурбіну, що містить: (а) бандаж 102 турбіни з аеродинамічним контуром; (b) центральний елемент 103 з аеродинамічним контуром, розташований всередині бандажа 102 турбіни і прикріплений до нього; (b) сходинку 104 турбіни, оточуючу центральний елемент 103, що містить статорне 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: (i) лопатки (наприклад, 108а) статора встановлені на центральному елементі 103; (iii) лопатки (наприклад, 112а) робочого колеса прикріплені і втримуються разом внутрішніми і зовнішніми кільцями або хомутами, закріпленими на центральному елементі 103; (с) змішувач 118, що має кільце з виступів (наприклад, 120а) змішувача в кінцевій зоні (тобто в кінцевій частині) бандажа 102 турбіни, при цьому виступи (наприклад, 120а) змішувача проходять далі по потоку за лопатки (наприклад, 112а) робочого колеса; і (d) ежектор 122, що містить кожух 128, оточуючий 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 з’єднаний з бандажем 102 турбіни за допомогою статорного кільця 106 (або іншого засобу) для усунення пошкоджень, незручностей і поширення на велику відстань низькочастотного звуку, що створюється звичайними вітротурбінами, коли спутні струмені від 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 положення виходу виступу знаходиться біля 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. 4 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Теоретичний аналіз переважної вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами, виконаний авторами на основі основних принципів, показує: вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може виробляти потужність, у три або більше разів перевищуючу потужність її аналогів, які не мають бандажа, для тієї ж площі лобового перерізу, і вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами може забезпечити підвищення ефективності полів вітротурбін у два або більше разів. Див. Технічну замітку авторів для Американського інституту аеронавтики і астронавтики, вказану вище в розділі «Рівень техніки», відносно методології і формул, використовуваних 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, у три рази перевищуючу існуючу потужність звичайної вітротурбіни того ж розміру (показаної на фіг. 1А). Використовуючи спрощену термінологію, можна сказати, що переважний варіант 100 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами містить: осьову турбіну (наприклад, лопатки статора і лопатки робочого колеса), оточену бандажем 102 турбіни з аеродинамічним контуром, що містить в собі змішувальні пристрої в його кінцевій зоні (тобто в кінцевій частині), і окремий кожух (наприклад, 128) ежектора, що перекриває бандаж 102 турбіни, але розташований ззаду нього, який сам може містити в собі пристрої для поліпшеного змішування (наприклад, виступи змішувача) в його кінцевій зоні. Запропоноване авторами кільце 118 з виступів (наприклад, 120а) змішувача в поєднанні 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 надали додаткову інформацію для переважного варіанта 100 здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами, показаного на фіг. 2А, 2В. Він містить сходинку 104 турбіни (тобто зі статорним кільцем 106 і робочим колесом 110), встановлену на центральному елементі 103, оточену бандажем 102 турбіни з виступами (наприклад, 120а) змішувача, які мають задні кромки, трохи виступаючими у вхідну площину кожуха 128 ежектора. Сходинка 104 турбіни і кожух 128 ежектора конструктивно з’єднані з бандажем 102 турбіни, який сам являє собою основний елемент, який несе навантаження. 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 зменшення до мінімуму 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 площа вихідного перерізу бандажа турбіни дорівнюють або більше площі перерізу кільцевого простору, що займається сходинкою104 турбіни, але вхідний і вихідний перерізи необов’язково повинні мати круглу форму, щоб забезпечити можливість кращого керування джерелом потоку і впливом його спутного струменя. Зона перерізу внутрішнього проточного каналу, утворюваного 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 зривання потоку з їх поверхонь і подачі плавного потоку у впускний отвір 129 ежектора. Вхідна зона ежектора 128, яка може бути некруглою за формою (див., наприклад, фіг. 25), більше площі вихідної площини змішувача 118, і вихідна зона 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 положенням центра тиску на вітротурбіні зі змішувачами і ежекторами для забезпечення самоцентрування вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами; і саморушний вертикальний стабілізатор або «крилоподібний виступ» 136 (див. фіг. 4), прикріплений до верхньої і нижньої поверхонь кожуха 128 ежектора і призначений для стабілізації напрямків вирівнювання відносно різних струменів повітря. 5 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 35 Вітротурбіна 100 зі змішувачами і ежекторами при використанні її поруч з житловими будинками може мати звуковбирний матеріал 138, прикріплений до внутрішньої поверхні її бандажа 102 і кожуха 128 (див. фіг. 24) для поглинання і, отже, усунення звукових хвиль з порівняно високою частотою, утворюваних в результаті взаємодії спутних 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 напрямку 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 заявником, переважної вітротурбіни 100 зі змішувачами і ежекторами. Вихідний кут установлення 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 заявником, 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 кільцем з лопаток робочого колеса. Хоч дані варіанти здійснення, можливо, не так ефективні, вони можуть бути більш прийнятними для населення. Запропонованими заявником, альтернативними варіантами здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами є варіанти 200, 300, 400, 500, що не містять ежектора (див., наприклад, фіг. 26), що містять одно- і двоступеневі ежектори зі змішувачами в кінцевих зонах (тобто кінцевих частинах) кожухів ежекторів, якщо вони є. Див., наприклад, фіг. 18, 20 і 22, на яких показані змішувачі в кінцевих зонах кожухів ежекторів. Аналіз показує, що подібні варіанти здійснення вітротурбіни зі змішувачами і ежекторами забезпечать більш швидке усунення неминучого відхилення швидкості, що має місце у спутньому струмені існуючих вітротурбін, і, отже, зменшення відстані між об’єктами, необхідної в полі вітротурбін для уникнення конструктивних пошкоджень і/або втрати ефективності. Фіг. 6 показує «двоступеневий» варіант 600 ежектора зображеного варіанта 100 здійснення, що має змішувач в кінцевій зоні кожуха ежектора. Фахівцям в даній галузі техніки потрібно розуміти, що очевидні конструктивні зміни можуть бути виконані без відходження від суті або обсягу 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, повинне бути зроблене посилання на прикладену формулу винаходу, а не на вищенаведений опис. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 60 1. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, та яка містить кільце з лопаток статора перед робочим колесом; при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів, при цьому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і кожух ежектора, який оточує кільце зі змішувальних виступів, причому змішувальні виступи проходять далі по потоку і в кожух ежектора. 2. Турбіна за п. 1, в якій кожух ежектора включає в себе поверхню з виступами, що розташовані по окружності навколо кінця кожуха ежектора з утворенням кільця із змішувальних виступів. 3. Турбіна за п. 1, яка встановлена на опорному валу за допомогою поворотного з'єднання, який розташований перед положенням центра тиску на турбіні для забезпечення вільного повороту турбіни в напрямку набігаючого струменя текучого середовища. 4. Турбіна за п. 1, яка містить щонайменше один рухомий блокувальний елемент всередині турбіни для зменшення потоку через турбіну. 5. Турбіна за п. 1, в якій зовнішня поверхня турбіни містить самовстановлюваний рухомий крилоподібний виступ для аеродинамічного сприяння вирівнюванню турбіни з напрямком набігаючого потоку і демпфуванню коливань системи, викликаних турбулентністю потоку. 6. Турбіна за п. 1, в якій лопатки статора механічно повертаються для кращого вирівнювання потоку, що виходить зі статора, з лопатками ротора у всіх робочих умовах. 6 UA 99281 C2 5 10 15 20 25 30 7. Турбіна за п. 1, в якій робоче колесо з'єднане з пристроєм відбору потужності, виконаним у вигляді колесоподібної конструкції навколо робочого колеса. 8. Осьова турбіна для текучого середовища, яка містить бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів; кільце з лопаток статора, встановлених в бандажоосьовій турбіні для текучого середовища, при цьому лопатки статора мають передні кромки і задні кромки; кільце з лопаток робочого колеса, встановлених з можливістю повороту в бандажоосьовій турбіні для текучого середовища, при цьому лопатки робочого колеса мають передні кромки, суміжні з задніми кромками відповідних лопаток статора, причому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і кожух ежектора, який оточує кільце зі змішувальних виступів, причому змішувальні виступи проходять далі по потоку і в кожух ежектора. 9. Осьова турбіна для текучого середовища, яка містить бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, при цьому бандаж турбіни включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки бандажа турбіни з утворенням кільця зі змішувальних виступів; ступінь турбіни, встановлений всередині бандажа, який містить кільце з лопаток статора, розташоване за впускним отвором і встановлене на опорному валу, прикріпленому до бандажа турбіни; кільце з лопаток робочого колеса, розташоване за лопатками статора і встановлене на опорному валу, причому змішувальні виступи проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, який оточує задні кромки змішувальних виступів і проходить за змішувальні виступи. 10. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж турбіни з аеродинамічним контуром і впускним отвором, і робоче колесо, яке розташоване далі по потоку і має кільце з лопаток робочого колеса, що містить статорне кільце, що розташоване перед робочим колесом і має лопатки статора; і змішувач, що прикріплений до бандажа і включає в себе поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки змішувача з утворенням кільця зі змішувальними виступами, що проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, що проходить за кільце зі змішувальних виступів. 11. Осьова турбіна для текучого середовища, яка має бандаж з впускним отвором і ротор пропелерного типу та яка містить змішувач, що має поверхню з виступами, які розташовані по окружності навколо кінцевої ділянки змішувача з утворенням кільця зі змішувальних виступів, що проходять за лопатки робочого колеса; і ежектор, що проходить за змішувач. 7 UA 99281 C2 8 UA 99281 C2 9 UA 99281 C2 10 UA 99281 C2 11 UA 99281 C2 12 UA 99281 C2 13 UA 99281 C2 14 UA 99281 C2 15 UA 99281 C2 16 UA 99281 C2 17 UA 99281 C2 18 UA 99281 C2 Комп’ютерна верстка M. Мацело 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 19

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Wind turbine with mixers and ejectors

Автори англійською

Presz, Walter M., Jr., Werle, Michael, J.

Назва патенту російською

Ветротурбина со смесителями и эжекторами

Автори російською

Прэс Уолтэр М., мл., Уерл Майкл Дж.

МПК / Мітки

МПК: F03D 1/04

Мітки: вітротурбіна, ежекторами, змішувачами

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/21-99281-vitroturbina-zi-zmishuvachami-i-ezhektorami.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Вітротурбіна зі змішувачами і ежекторами</a>

Подібні патенти