Установка перетворення енергії потоку середовища

1. Установка перетворення енергії потоку середовища, що містить трубу з розташованими в ній першою турбіною з першим електрогенератором і другою турбіною з другим електрогенератором, перші засоби центрування кільцевого першого ротора з зазором щодо першого статора в першому електрогенераторі, другі засоби центрування кільцевого другого ротора з зазором щодо другого статора в другому електрогенераторі, при цьому зовнішні частини лопаток першої турбіни закріплені в кільцевому першому роторі, а зовнішні частини лопаток другої турбіни закріплені на кільцевому другому роторі, перший і другий електрогенератори містять засоби передачі електроенергії, що виробляється ними, яка відрізняється тим, що кільцевий перший ротор з першою турбіною і другий електрогенератор з другою турбіною виконані у вигляді єдиного блока, що обертається, в якому внутрішні частини лопаток першої турбіни закріплені на другому статорі другого електрогенератора. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, обмотки другого статора з'єднані відповідно з обмотками кільцевого першого ротора через перетворювачі змінного струму в постійний. 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до галузі вітроенергетики і гідроенергетики, зокрема до установок перетворення енергії потоку середовища, які призначені для перетворення енергії потоку середовища в електричну енергію. З використанням кільцевих (з позаосьовою центрівкою) роторів, як з вертикальною, так і з горизонтальною віссю обертання роторів, зокрема у вітроенергетичних установках баштового типу. Відома установка перетворення енергії потоку середовища, яка описана в патенті України №59090 А, опубл. 2003.08.15, МПК 7 F03D 1/02, що містить першу турбіну з першим електрогенератором і другу турбіну з другим електрогенератором, перші засоби центрування першого ротора з зазором щодо першого статора в першому електрогенераторі, другі засоби центрування другого ротора з зазором щодо другого статора в другому електрогенераторі, перший і другий електрогенератори містить засоби передачі електроенергії, що виробляється ними. При цьому перші і другі засоби центрування першого і другого роторів виконані у вигляді концентрично розташованих першого і другого валів. На цих валах розташовані в одній площині відповідно перша і друга турбіни (одна турбіна знаходиться усередині іншої). Основним недоліком даної установки перетворення енергії потоку середовища є використовування радіальних опір для закріплення лопаток першої (більшого розміру) турбіни до першого валу, що знижує як швидкість потоку середовища через лопатки другої турбіни за рахунок підвищення опору потоку середовища, так і знижує міцність кріплення лопаток першої турбіни. Іншим недоліком даної установки є недостатня ефективність використовування потоку середовища, який проходить уздовж осі обертання турбін, що обумовлене зниженням моменту обертання лопаток другої турбіни в радіальному напрямі до осі обертання турбін через використовування осьового центрування турбін у вигляді першого і другого валів і відповідного осьового конусного обтічника. Найбільш близьким до рішення, що заявляється, по технічній суті і технічному результату, що досягається, є установка перетворення енергії потоку середовища, яка описана в патенті Російської Федерації №2320889, опубл. 2008.03.27, МПК (2006) F03D 9/00, Н02К 19/00, що містить трубу з розташованими в ній першою турбіною з першим електрогенератором і другою турбіною з другим електрогенератором, перші засоби центрування кільцевого першого ротора з зазором щодо першого статора в першому електрогенераторі, другі засоби центрування кільцевого другого ротора з зазором щодо другого статора в другому електрогенераторі, при цьому зовнішні частини лопаток першої турбіни закріплені в кільцевому першому роторі, а зовнішні частини лопаток другої турбіни закріплені на кільцевому другому роторі, перший і другий електрогенератори містять засоби передачі електроенергії, що виробляється ними. При цьому в установці використовується позаосьове центрування роторів електрогенераторів у 89452 4 вигляді елементів кочення в зазорі між зверненими один до одного поверхнями відповідних ротора і статора. Перевагою прототипу в порівнянні з аналогом є деяке підвищення ефективності використовування вітрового потоку за рахунок зниження опору потоку середовища для лопаток другої турбіни. А також за рахунок більшого використовування потоку середовища уздовж осі обертання турбін. Це обумовлено позаосевим центруванням турбін з відповідними роторами. Разом з тим основним недоліком і даної установки перетворення енергії потоку середовища є недостатня ефективність використовування вітрового потоку, який проходить уздовж осі обертання турбін, зокрема при малих швидкостях цього потоку. Це обумовлено зниженням моменту обертання, який діє на лопатки турбін, в радіальному напрямі до осі їх обертання. Крім того, іншим недоліком даної установки є використовування в роторах системи збудження електрогенераторів постійних магнітів великої маси. Також недоліком є розташування турбін електрогенераторів послідовно у напрямі вітрового потоку, що знижує ефективність роботи наступних за першим електрогенераторів. У основу винаходу покладене завдання створення ефективної установки перетворення енергії потоку середовища шляхом створення єдиного блоку, що обертається, з складовими у вигляді першого і принаймні другого електрогенераторів з відповідними лопатками турбін. Це дозволить підвищити ефективність використовування потоку середовища уздовж осі обертання цього єдиного блоку, що обертається, зокрема при малих швидкостях потоку середовища через установку. Поставлене завдання вирішується тим, що установка перетворення енергії потоку середовища містить трубу з розташованими в ній першою турбіною з першим електрогенератором і другою турбіною з другим електрогенератором, перші засоби центрування кільцевого першого ротора з зазором щодо першого статора в першому електрогенераторі, другі засоби центрування кільцевого другого ротора з зазором щодо другого статора в другому електрогенераторі, при цьому зовнішні частини лопаток першої турбіни закріплені в кільцевому першому роторі, а зовнішні частини лопаток другої турбіни закріплені на кільцевому другому роторі, перший і другий електрогенератори містить засоби передачі електроенергії, що виробляється ними. При цьому кільцевий перший ротор з першою турбіною і другий електрогенератор з другою турбіною виконані у вигляді єдиного блоку, що обертається, в якому внутрішні частини лопаток першої турбіни закріплені на другому статорі другого електрогенератора. Крім того, за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, обмотки другого статора з'єднані відповідно з обмотками кільцевого першого ротора через перетворювачі змінного струму в постійний. А засоби передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, розташовані усередині лопаток першої турбіни. Лопатки першої і другої турбін вико 5 нані для забезпечення їх обертання в протилежних напрямах. Також лопатки першої і другої турбін можуть бути виконані для забезпечення їх обертання в одному напрямі. Крім того, єдиний блок, що обертається, з кільцевим першим ротором з першою турбіною і другого електрогенератора з другою турбіною може також містити принаймні третій електрогенератор з третьою турбіною, при цьому внутрішні частини лопаток попередньої турбіни закріплені на статорі наступного електрогенератора. При цьому за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється наступним електрогенератором, обмотки наступного статора з'єднані відповідно з обмотками кільцевого попереднього ротора через перетворювачі змінного струму в постійний. А лопатки сусідніх турбін виконані для забезпечення їх обертання в протилежних напрямах. Також в установці, починаючи з другого електрогенератора, відповідні статори і ротори замкнені в кільцеві в плані обтічники, які виконані з кільцевим пазом для проходження в ньому відповідного ротора. Крім того, перший статор першого електрогенератора містить основні обмотки та додаткові обмотки, при цьому основні обмотки приєднані до засобів передачі електроенергії, що виробляється першим електрогенератором, при швидкості потоку середовища не вище номінальної, а додаткові обмотки першого статора додатково приєднані при швидкості потоку середовища вище номінальної. Виконання кільцевого першого ротора з першою турбіною і другого електрогенератора з другою турбіною у вигляді єдиного блоку, що обертається, в якому внутрішні частини лопаток першої турбіни закріплені на другому статорі другого електрогенератора, дозволяє підвищити ефективність використовування потоку середовища у напрямі до осі обертання цього єдиного блоку, що обертається. Це обумовлено тим, що використовування потоку середовища у напрямі до осі обертання першої турбіни знижується через зменшення радіусу обертання першої турбіни і більшою її масою, що обертається, (масою лопаток першої турбіни, ротора першого електрогенератора, статора другого електрогенератора). В той же час розташування другої (меншого розміру) турбіни концентрично і усередині першої турбіни підвищує використовування потоку середовища між статором другого електрогенератора і віссю їх обертання, зокрема за рахунок меншої маси другої турбіни, що обертається (маси лопаток другої турбіни і маси ротора другого електрогенератора). А це забезпечує збільшення швидкості обертання першої та другої турбін навіть при малих швидкостях потоку середовища, зокрема забезпечується достатня швидкість обертання при вітровому потоці менше, ніж 4м/сек. З'єднання за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, обмотки другого статора відповідно з обмотками кільцевого першого ротора через перетворювачі змінного струму в постійний, дозволяє забезпечити ефективне збудження першого статора без використовування масивних постійних магнітів в першому роторі. При цьому за рахунок 89452 6 особливостей виконання вказаного єдиного блоку, що обертається, забезпечується підвищення швидкості обертання другої турбіни з другим ротором і відповідне підвищення постійної потужності, що віддається, другим електрогенератором в обмотки збудження першого ротора. Розташування засобів передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, усередині лопаток першої турбіни дозволяє забезпечити безконтактну передачу потужності, що виробляється, другим електрогенератором в обмотки збудження першого ротора, без зміни аеродинамічної форми лопаток першої турбіни. Обертання лопаток першої і другої турбін в протилежних напрямах значно підвищує потужність, що виробляється, другим електрогенератором. Ця потужність або частина її може використовуватися як на живлення обмотки збудження першого ротора, так і на допоміжні потреби установки, зокрема на протиобмерзальний нагрів лопаток першої турбіни. Обертання лопаток першої і другої турбін в одному напрямі також забезпечує роботу установки за рахунок того, що швидкість обертання другої турбіни, через меншу її масу, буде завжди більш ніж швидкість обертання першої турбіни. Крім того, обертання в одному напрямі першої і другої турбін забезпечує більш однорідний вітровий потік після них. Доповнення єдиного блоку, що обертається, з кільцевим першим ротором з першою турбіною і другим електрогенератором з другою турбіною принаймні третім електрогенератором з третьою турбіною, із закріпленням внутрішніх частин лопаток попередньої турбіни на статорі наступного електрогенератора дозволяє забезпечити вироблення різних рівнів потужності. Причому ці різні рівні потужності можна використовувати як на допоміжні потреби, так і для послідовного ступінчастого підвищення потужності для живлення обмоток збудження першого ротора. З'єднання за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється наступним електрогенератором, обмоток наступного статора відповідно з обмотками кільцевого попереднього ротора через перетворювачі змінного струму в постійний дозволяє забезпечити послідовне ступінчасте підвищення потужності для живлення обмоток збудження першого ротора. Обертання лопаток сусідніх турбін в протилежних напрямах значно підвищує потужність, що виробляється, наступними електрогенераторами. Замкнення, починаючи з другого електрогенератора, відповідних статора і ротора в кільцеві в плані обтічники дозволяє як понизити опір потоку середовища в місцях розташування цих статорів і роторів, так і оберегти зазор між ними від попадання в нього сторонніх предметів. Приєднання основних обмоток першого статора до засобів передачі електроенергії, що виробляється першим електрогенератором, при швидкості потоку середовища не вище номінальної, а додаткові обмотки першого статора додатково при швидкості потоку середовища вище номінальної, дозволяє забезпечити активний режим підвищення 7 вихідної потужності першого електрогенератора при зростанні швидкості потоку середовища вище номінальної, без пасивного зниження швидкості його ротора. Викладене вище підтверджує наявність причинно-наслідкових зв'язків між сукупністю суттєвих ознак винаходу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається. Дана сукупність суттєвих ознак в порівнянні з прототипом установки перетворення енергії потоку середовища дозволяє підвищити ефективність використовування потоку середовища уздовж осі обертання єдиного блоку, що обертається, у вигляді кільцевого першого ротора з першою турбіною і другого електрогенератора з другою турбіною, зокрема при малих швидкостях потоку середовища через установку. На думку авторів, технічне рішення, що заявляється, відповідає критеріям винаходу «новизна» і «рівень винахідництва» тому, що сукупність суттєвих ознак, які характеризують установку перетворення енергії потоку середовища, є новою і не витікає явно з відомого рівня техніки. Заявлений винахід пояснюється кресленням, на якому однакові елементи мають однакові цифрові позначення і де на: Фіг.1 - зображена схема установки перетворення енергії потоку середовища, подовжній розріз; Фіг.2 - зображена схема установки перетворення енергії потоку середовища, поперечний розріз; Фіг.3 - вид установки перетворення енергії потоку середовища в аксонометрії з вирізом однієї чверті та розташуванням першого ротора у торцевому виконанні. Переважний варіант установки перетворення енергії потоку середовища виконаний у вигляді вітроенергетичній установки баштового типу. Відповідно до Фіг.1-2 установка містить трубу 1, усередині якої розташовані перша турбіна з першим електрогенератором і друга турбіна з другим електрогенератором, перші засоби центрування кільцевого першого ротора 2 з зазором 3 щодо першого статора 4 в першому електрогенераторі, другі засоби центрування кільцевого другого ротора 5 з зазором 6 щодо другого статора 7 в другому електрогенераторі. При цьому кільцевий перший ротор 2 з першою турбіною і другий електрогенератор з другою турбіною виконані у вигляді єдиного блоку, що обертається, в якому внутрішні частини 8 лопаток 9.1-9.N першої турбіни закріплені на другому статорі 7, із зовнішньої його сторони, в другому електрогенераторі. Зовнішні частини 10 лопаток 9.1-9.N першої турбіни закріплені на кільцевому першому роторі 2, з внутрішньої його сторони, в першому електрогенераторі. Зовнішні частини 11 лопаток 12.1-12.М другої турбіни закріплені на внутрішній стороні кільцевого другого ротора 5. Конструктивно друга турбіна з другим електрогенератором розташована концентрично усередині першої турбіни з першим електрогенератором, із забезпеченням незалежного обертання їх роторів з відповідними турбінами. Статори і ротори виконані у вигляді відповідно першої і другої частин з проміжком між ними, конфігурація якого достатня для виконання в ньому конусної поверхні для елементів кочення. 89452 8 Засоби центрування кільцевого першого ротора 2 щодо першого статора 4 виконані у вигляді елементів 13 кочення, які розташовані в конусній частині 14 зазорів між першим статором 4 і кільцевим першим ротором 2. Засоби центрування кільцевого другого ротора 5 щодо другого статора 7 виконані у вигляді елементів 15 кочення, які розташовані в конусній частині 16 зазорів між другим статором 7 і кільцевим другим ротором 5. Також в якості засобів центрування в установці можуть бути використані і інші відомі технічні рішення, що забезпечують центрування кільцевого ротора відносно статора, у тому числі і з різним розташуванням елементів кочення. При цьому взаємне розташування статорів і роторів із зазором один щодо одного також може бути різним (наприклад, як показано на Фіг.3 - торцеве розташування ротора 17 відносно статора 18). Перший і другий електрогенератори містять засоби передачі електроенергії, що виробляється ними. За допомогою засобів передачі другого електрогенератора обмотки другого статора 7 з'єднанні відповідно з обмотками кільцевого першого ротора 2 через перетворювачі (не показані) змінного струму в постійний, наприклад у вигляді напівпровідникових випрямних елементів. При цьому засоби передачі електроенергії, що виробляється другим електрогенератором, розташовані усередині лопаток 9.1-9.N першої турбіни. У одному з варіантів виконання установка містить в єдиному блоці, що обертається, з кільцевим першим ротором 2 з першою турбіною і другим електрогенератором з другою турбіною принаймні третій електрогенератор з третьою турбіною (не показана). При цьому внутрішні частини лопаток попередньої турбіни (починаючи з лопаток першої турбіни) закріплені на статорі наступного електрогенератора. Конструктивно кожна подальша (у бік зменшення їх розмірів) турбіна з відповідним електрогенератором розташована концентрично усередині попередньої (більшої за розміром) турбіни з відповідним електрогенератором, із забезпеченням незалежного обертання їх кільцевих роторів з відповідними турбінами. При цьому за допомогою засобів передачі електроенергії, що виробляється наступним електрогенератором, обмотки наступного статора з'єднанні відповідно з обмотками кільцевого попереднього ротора через перетворювачі змінного струму в постійний. Ці засоби передачі або їх елементи, від статора наступного електрогенератора до кільцевого ротора попереднього електрогенератора, розташовані в лопатках попередньої турбіни. У останньому електрогенераторі, найменшому по діаметру, його кільцевий ротор може містити постійні магніти для збудження струму в його статорі. В інших варіантах можуть бути використані різні відомі схеми збудження або самозбудження без використання постійних магнітів, наприклад, як це наведено в патенті України за №50195А. Починаючи з другого електрогенератора, відповідні статори і кільцеві ротори замкнені в кільцеві (у плані) обтічники 19, які виконані з кільцевим пазом 20 для проходження в ньому відповідного кільцевого ротора. 9 Лопатки сусідніх турбін розташовані під кутом атаки, який забезпечує обертання сусідніх турбін або в протилежних напрямах, або в одному напрямі. Засоби центрування роторів щодо відповідних статорів конструктивно можуть бути виконані інших типів, які дозволяють забезпечити центрування кільцевих роторів. Також електрогенератори більшої потужності і відповідно більшого розміру можуть використовуватися із ступінчастим живленням роторів попередніх електрогенераторів від наступних, з віддачею потужності користувачу, а електрогенератори меншої потужності і відповідно меншого розміру можуть використовуватися також із ступінчастим живленням роторів попередніх електрогенераторів від наступних, з віддачею потужності для незалежного живлення допоміжних ланцюгів установки. При цьому в обох випадках ротори останніх електрогенераторів мають постійні магніти. Також в одному з варіантів виконання установка перетворення енергії потоку середовища може бути виконана у вигляді гідротехнічної установки (не показана), в якій потік рідини через трубу приводить в обертання турбіни електрогенераторів установки, обмотки роторів і статорів якої виконані гідроізольованими. В одному з варіантів виконання установки перший статор першого електрогенератора містить основні обмотки та додаткові обмотки, при цьому основні обмотки приєднані до засобів передачі електроенергії, що виробляється першим електрогенератором, при швидкості потоку середовища не вище номінальної, а додаткові обмотки першого статора додатково приєднують при швидкості потоку середовища вище номінальної. В випадку незалежної роботи кожного електрогенератора, ротор кожного з них може містити постійні магніти або можуть бути використовувані інші відомі схеми збудження (самозбудження) без використання постійних магнітів. Частини лопаток всіх турбін можуть бути закріплені на обичайках (не показані) відповідних роторів і статорів, з якими також можуть контактувати елементи центрування у вигляді елементів кочення. Установка перетворення енергії потоку середовища, яка виконана у вигляді вітроенергетичній установки баштового типу, працює таким чином. Потік середовища у вигляді висхідного вітрового потоку (на Фіг.1 та 3 наведено стрілками) в башті вступає у взаємодію з лопатками 9.1-9.N першої турбіни і лопатками 12.1-12.М другої турбі 89452 10 ни. При цьому через меншу інерційність та меншу свою масу спочатку починає обертатися друга турбіна з кільцевим другим ротором 5. Потім починає обертатися перша турбіна з кільцевим першим ротором 2 першого електрогенератора і другим статором 7 другого електрогенератора, але вже з меншою швидкістю через більшу їх масу. Постійні магніти кільцевого другого ротора 5, що обертаються, збуджують струми в обмотках другого статора 7 другого електрогенератора, вихідна напруга з якої випрямляється і подається на обмотки збудження кільцевого першого ротора 2. Вихідна потужність першого електрогенератора прямує споживачу. При обертанні лопаток першої і другої турбін в протилежні сторони другим електрогенератором виробляється велика вихідна потужність через більшу різницю в швидкостях обертання кільцевого першого ротора 2 і кільцевого другого ротора 5, що забезпечує велику потужність збудження в першому кільцевому роторі 2. У варіанті виконання установки перетворення енергії потоку середовища у вигляді вітроенергетичній установки баштового типу принаймні з третім електрогенератором з третьою турбіною виконується ступінчасте збудження роторів всіх електрогенераторів від останнього електрогенератора, елементи якого мають найменші розміри і в кільцевому роторі якого використовуються постійні магніти невеликої маси. Хоча тут показані і описані варіанти, які визнані кращими для здійснення теперішнього винаходу, фахівцям в даній області техніки буде зрозуміло, що можна здійснювати різноманітні зміни і модифікації, і елементи можна замінювати на еквівалентні, не виходячи при цьому за межі об'єму домагань теперішнього винаходу. Зокрема такі терміни, як "перший", "другий", "третій" приведені в теперішній заявці з міркувань зручності і не є термінами, які обмежують об'єм прав по заявці. При цьому термін «відповідні» слідує розуміти як перший елемент установки з іншим першим елементом, другий - з другим тощо. А терміни «попередній» та «наступний» слідує розуміти як рядом розташовані турбіни і/або електрогенератори, якщо рахувати від першого (більшого розміру) до останнього (меншого розміру). Відповідність технічного рішення критерію винаходу «промислова придатність», що заявляється, підтверджується вказаними прикладами виконання установки перетворення енергії потоку середовища. 11 89452 12 13 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 89452 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601