Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій

Реферат: Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій з вертикальною віссю обертання містить лопаті криволінійної форми, що відповідає розрахунковій траєкторії руху обертового енергетичного повітропотоку через її внутрішню порожнину, що забезпечує високоефективну передачу на них крутного моменту. Лопаті вітротурбіни виготовлені збірними з легкого екструзійованого профілю, з'єднаними між собою й з її обертовою центральною несучою виконаною пустотілою й охоплюючою симетрично вісь обертання втулкою зсередини за допомогою рознімних з'єднань, а із зовнішньої сторони аналогічно приєднаними до обертової циліндричної повітронепроникної обичайки, що утворює її зовнішній периметр, який створений із приєднаних між собою вертикальних профілів, екструзійованих з міцного матеріалу, на зовнішній поверхні якої накладений бандаж з високоміцної нитки. Центральна втулка встановлена на опорах обертання, закріплених у несучих металевих конструкціях, і втримує за допомогою них обертові лопаті й бандажировану обичайку з повітряним зазором щодо нерухомих конструкцій, а зчленування з нею електрогенератора здійснено через її центральну обертову втулку, зокрема, за допомогою порожнистого передавального вала, що проходить через внутрішню порожнину ВК і вітроізольований отвір у її днищі, що містить поле малих UA 101238 C2 (12) UA 101238 C2 технологічних отворів, де проходить у ВК охолоджений повітропотік, що йде донизу, як продукт вихрового торнадоподібного процесу в тяговій трубі, причому передавальний вал оснащений автономними опорами обертання й додатковими кінематичними пристосуваннями, що забезпечують стійкість передачі обертання від неї до електрогенератора. UA 101238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій (ГАБТЕС) належить до засобів створення технологій сонячної енергетики, які здійснюють виробіток електричної енергії за допомогою зчленованого з нею електрогенератора. Термінологія, характеристики, конструкції й енергетичні переваги ГАБТЕС на відміну від стандартних сонячних електростанцій розроблені авторами дійсного винаходу разом з Українськими, Російськими, Білоруськими фахівцями в ряді патентів, див., наприклад патент RU2353866 С2, «Геліоаеробарична теплоелектростанція», опублікований 27.04.2009, Бюл.12, а також ряд інших патентів. Необхідне обертання вітротурбіни в даному технічному рішенні створюється повітропотоками, що нагріваються за рахунок сонячної радіації, які подаються від поверхонь, що нагріваються, у вихрову камеру (ВК), де здобувають торнадоподібний рух, завдяки організації в останній нестаціонарного термодинамічного процесу зі збільшенням швидкості обертання енергетичного повітропотоку, який вводиться у неї, за законом збереження кількості руху, у міру зменшення радіуса обертання повітря від зовнішнього периметра до центральної осі ВК. Центральна вісь є загальною як для ВК, так і для вітротурбіни й тягової труби, що направляють вихровий потік нагрітого повітря в навколишню атмосферу після часткової передачі вітротурбіні його потужності. Ефективність роботи вітротурбіни зі зчленованим з нею електрогенератором визначається значною мірою збігом переміщення поверхні її лопатей із траєкторією руху й потужністю повітропотоку, що надходить із ВК у вхідну порожнину вітротурбіни, на її лопаті, тобто він повинен бути відповідно до технології ГАБТЕС високошвидкісним, зі смерчоподібним обертанням і мати високу потужність, яка генерується ВК. Остання відповідно до патентів RU 2361157 С2 від 10.07.2009 р. «Енергетичний каскад вихрових камер» та RU 2373430 С2 від 20.11.2009 р. «Сонячна теплоелектростанція із застосуванням вихрових камер», містить наступні компоненти: повітрозавихрюючий розгінний циліндр, що визначає її зовнішній периметр; його нижні й верхні основи - днище та стеля, виконані із застосуванням повітротеплоізолюючих конструкцій; повітропідводи, підключені до бічної циліндричної поверхні; смерчогенеруючі жалюзі, через які у внутрішню циліндричну порожнину ВК подається з обертанням навколо центральної осі повітропотік; вертикально розміщений у її стелі повітровідвід конічної форми зі значно меншим діаметром, ніж діаметр бічної циліндричної поверхні, у якому смерчоподібний повітропотік здобуває максимальну тангенціальну швидкість перед входом (із ВК) у вітротурбіну. Обертовий смерчоподібний повітропотік є найдійовішим засобом приведення в обертання криволінійних, спеціальної форми, лопатей вітротурбіни, зчленованої з електрогенератором, що виробляє електроенергію. ВК є особливо ефективним допоміжним засобом передачі обертового руху вітротурбіні. Принцип роботи ВК і відповідні енергетичні розрахунки наведені в зазначених патентах, а також у книгах: И.И. Смульский «Аеродинаміка й процеси у вихрових камерах», В «Наука», Новосибірськ (Росія), Друкарня № 4, 1992 р.; В.В. Кушин «Смерчі», М. Енергоатомвидав (Росія), 1993 p., які дозволяють оцінити високу ефективність смерчоподібної високообертової подачі повітропотоку на обертові лопаті вітротурбіни. Відомі й інші способи подачі повітропотоків у вітротурбіну, зокрема з їх осьовим або бічним напрямком щодо лопатей. Одним із близьких по ефективності способів подачі природного вітру на лопаті вітротурбіни, конструктивно подібним деякою мірою прототипом до прийнятого авторами технічноого рішення, є шнекова вітротурбіна, яка представлена в 6 патентах RU 2101560, MПK F03D 5/00, 3/06 «Шнековий вітроротор» (Смульский И.И., 6 Мельников В.П., Кавун И. Н., опубл. 10.01.1998 р. Бюл. № 1); RU 2078993, MПК F03D 3/02 «Вітроагрегат» (Смульский И.И., опубл. 10.05.1997 р., Бюл. № 13) и др. В основі конструкцій вітротурбін, представлених у цих матеріалах (патентах), лежить тризаходний шнековий ротор. Шнек може працювати при похилому стосовно вітру положенні, а при лійкоподібній формі гвинтової поверхні шнек може працювати у вертикальному положенні. У матеріалах також представлені й інші компонування вітротурбін зі шнековим ротором. Однак прийнятий авторами варіант енергетичного повітропотоку зі смерчоподібним рухом й обертанням навколо осі вітротурбіни, його конструктивне виконання є значно більше продуктивним і потужним відносно зазначеного вище прототипу у зв'язку з особливо високою ефективністю ВК, тому що вона відрізняється від відомих парникових і фотовольтаїчних станцій надійною теплоізоляцією й застосованими авторами засобами високошвидкісної торнадогенерації зі смерчоутворенням, зниженим коефіцієнтом тертя й великою ефективністю взаємодії обертового повітропотоку з обертовими криволінійними лопатями. Тому головним завданням і технічним результатом цього винаходу є створення такої конструкції вітротурбіни, щоб вона була пристосована до високошвидкісного обертання повітропотоку в її вхідній порожнині й по всій її висоті, була б легкою та міцною, що забезпечує необхідну надійність в умовах високошвидкісного обертання з виробітком необхідної потужності, а також була б пристосованої для високопродуктивного виготовлення в збірно-розбірному варіанті. 1 UA 101238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Додатковим технічним результатом дійсного винаходу є можливість збільшення діаметра й швидкості обертання вітротурбіни, що дозволяє досягти збільшення її потужності, зокрема, за умови застосування силової гідравлічної передачі між вітротурбіною та електрогенератором з підвищенням стійкості передачі обертання й зі зниженням шуму, що є окремим технічним результатом прийнятого проектного рішення. Зазначений технічний результат при створенні вітротурбіни для геліоаеробаричних теплоелектростанцій досягається тим, що на вхід її направляється обертовий енергетичний повітропотік, що виробляється ВК, як спеціальним торнадогенеруючим засобом ГАБТЕС, що встановлений під нею з підведенням у його внутрішню порожнину тангенціального, нагрітого сонцем енергетичного повітропотоку, що відводиться через неї з обертанням навколо її осі в тягову трубу, при цьому вона зчленована з електрогенератором, розташованим під ВК й закріпленим до її несучих конструкцій за допомогою опор обертання, і містить лопаті криволінійної форми, що відповідають розрахунковій траєкторії руху енергетичного повітропотоку через її внутрішню порожнину, і вона має відмінності в тому, що її лопаті виготовлені збірними з легкого екструзійованого профілю, з'єднаними між собою й з її центральною несучою обертовою, виконаною пустотілою та охоплюючою симетрично вісь обертання втулкою зсередини за допомогою рознімних з'єднань, а із зовнішньої сторони аналогічно приєднаними до циліндричної повітронепроникної обертової обичайки, що утворює її зовнішній периметр, що також створений з приєднаних між собою вертикальних профілів, екструзійованих з особливо міцного матеріалу, на зовнішній поверхні якої накладений бандаж з легкої високоміцної нитки, причому центральна втулка встановлена на опорах обертання, закріплених у несучих конструкціях, і втримує за допомогою їх обертові лопаті й бандажировану обичайку з повітряним зазором відносно нерухомих конструкцій при її відносно невеликому діаметрі, а зчленування з нею електрогенератора виконано через її центральну обертову втулку за допомогою порожнистого передавального вала, що проходить через внутрішню порожнину ВК й повітроізольований отвір у її днищі, що містить поле малих технологічних отворів, де проходить у вихрову камеру охолоджений повітропотік, що йде донизу, як продукт вихрового торнадоподібногоо процесу в тяговій трубі, причому передавальний вал оздоблений опорами обертання й додатковими кінематичними пристосуваннями, що забезпечують стійкість передачі обертання (обертаючого моменту) від неї до електрогенератора. Крім того, є відмінності вітротурбіни в тому, що її центральна обертова несуча втулка додатково закріплена відносно нерухомих конструкцій за допомогою повітряних опор обертання й/або магнітного підвісу. Відмінності складаються також у тому, що при збільшенні її діаметра обертова обичайка додатково опирається своєю нижньою торцевою поверхнею відносно нерухомих несучих конструкцій із застосуванням повітряних опор під надлишковим тиском повітря й/або магнітних опор обертання. Відмінності конструкції вітротурбіни з метою скорочення габаритів устаткування ГАБТЕС складаються й у тому, що електрогенератор з'єднаний з нею, зокрема, за допомогою його встановлення у внутрішній порожнині її пустотілої центральної несучої втулки із закріпленням до її обертової внутрішньої поверхні постійних магнітів збудження електрогенератора, а електричні котушки останнього встановлені нерухомо в шихтованому залізі з регулюванням за рахунок спеціально встановлених у ГАБТЕС напівпровідникових засобів керування. Є також відмінності її в тому, що передача крутного моменту від неї до електрогенератора при додатковому збільшенні її потужності виконана за допомогою гідравлічної передачі, що містить приєднані до неї гідронасос, а до електрогенератора - гідродвигун, з'єднані між собою гідравлічними шлангами й трубами високого тиску, які для забезпечення їхнім робочим тілом зв'язані через засоби керування з баком, заповненим робочою гідравлічною рідиною. Більш детально конструкція вітротурбини для геліоаеробаричних теплоелектростанцій представлена наступними ілюстраціями: 1. На Фіг. 1 представлений загальний вигляд вітротурбини в зборі; 2. На Фіг. 2а, б представлені горизонтальна проекція вітротурбини і її вертикальний переріз; 3. На Фіг. 3а, б, в, г представлені фрагменти лопатей вітротурбини; 4. На Фіг. 4а, б представлені приєднані елементи збірної обичайки. Внутрішня поверхня 1 і верхній торець 2 (Фіг. 1) центральної несучої обертової втулки 3 (Фіг. 1, 2) вітротурбіни призначені для закріплення збірних лопатей 4 зсередини між собою й приєднання їх до збірної зовнішньої обичайки. 5. Кожна лопать зібрана, зокрема, з восьми екструзійованих профілів 6, які при їхньому стикуванні утворюють криволінійну форму, представлену на Фіг. 3а, б, що визначає разом із ВК траєкторію руху повітропотоку, який передає через них крутний момент, що надає вітротурбіні 2 UA 101238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обертання по годинній стрілці щодо осі 7. Вхідна порожнина вітротурбіни створена нижніми ділянками 8 лопатей 4, а вихідна порожнина - верхніми ділянками 9. Повітропотік 10 з високошвидкісним смерчоподібним обертанням по годинній стрілці входить у вхідну порожнину вітротурбіни на ділянці 8 знизу й виходить із неї на ділянці 9 зверху у зворотному напрямку, віддаючи при зміні свого напрямку руху значну частину своєї енергії криволінійним лопатям 4, що створює зміну в напрямку його руху. Перед входом у вітротуріну обертовий повітропотік орієнтується вітроспрямовуючим пристроєм 11 під кутом близько 10° щодо горизонтальної площини. Вітроспрямовуючий пристрій 11 виготовлений з нерухомих профілів, езкструзійованих з високоміцного алюмінієвого сплаву, і створює разом із ВК тангенціальну (обертальну) швидкість повітропотоку перед входом у вітротурбіну величиною близько 100 м/сек. і більше, а осьову (вертикальну) швидкість близько 7 м/сек, чим створюється необхідна величина крутного моменту, прикладеного до лопатей. Зазначене співвідношення осьової й тангенціальної швидкостей повітропотоку у вітротурбіні визначає додаткову перевагу турбіні та ГАБТЕС тим, що зменшення осьової швидкості приводить до зниження теплових втрат з повітропотоком, що відходить в атмосферу, тоді як тангенціальний компонент швидкості при її великій величині орієнтований, головним чином, на створення максимального крутного моменту при мінімізації теплових втрат. При цьому ККД ГАБТЕС буде становити величину близько 30% і більше, а власно вітротурбіни - близько 80 %. Зовнішня поверхня 12, верхній торець 13 і нижній торець 14 зовнішньої обичайки 5 дозволяє забезпечити зборку її циліндричної поверхні за допомогою екструзійованих профілів 15 й утримуючих стрижнів 16. Профілі 15 стикуються між собою в збірні групи, представлені на Фіг. 4, які стикуються між собою за допомогою стрижнів 16, що закладаються в отвори 17 й 18 по всій довжині, і утворюють циліндричну поверхню зовнішньої обичайки 5. Стягування утримуючих стрижнів 16 здійснюється болтовими з'єднаннями по верхніх 13 і нижніх торцях 14 обичайки. Вид В-В представляє поперечний переріз збірних груп (Фіг. 4), вид А-А представляє торці 13 й 14 обичайки 5. Лопаті 4 при зборці їх у криволінійну форму (Фіг. 3) стягаються горизонтальними стрижнями 19, які закладаються в збірні отвори 20, з яких виступають торці стрижнів 19 з отворами 21, 22 для фіксації їх в обичайці (за допомогою стрижнів 16) і в центральній несучій втулці (за допомогою стрижнів 23). У представленому приватному рішенні діаметр вітротурбіни перевищує розмір 3 метри, і в даному варіанті електрогенератор 24 установлений усередині центральної несучої втулки , яка крутиться 3. Таке рішення скорочує габарит установки в цілому, тому що електрогенератор схований усередину вітротурбіни, і в ньому застосовані постійні магніти 25, закріплені на внутрішній поверхні 1 центральної несучої втулки 3. Постійні магніти збудження електрогенератора приводяться в обертання центральною несучою втулкою 3, а його електричні котушки нерухомі. Вони підключаються до зовнішньої електричної мережі ГАБТЕС через регульовані напівпровідникові пристрої, що забезпечують синхронізацію роботи її внутрішньої і зовнішньої електричних мереж. Схеми й конструкції засобів синхронізації добре відомі й стосовно до конкретної вітротурбіни авторами розроблені (на ілюстраціях не показане як допоміжний матеріал). Вал 26 електрогенератора жорстко з'єднаний за допомогою дисків 27 й 28 з обертовою центральною несучою втулкою 3, і в них виконані вентиляційні канали 29, через які вниз проходить охолоджений повітропотік з тягової труби як продукт вихрового процесу в ній, що надходить у внутрішню порожнину вихрової камери, де здійснюється стабілізація процесу торнадоутворення (на ілюстраціях не показане). Вал 26 закріплений в опорах кочення 30 зверху й 31 знизу в несучих, зокрема, металевих конструкціях за допомогою нерухомого шихтованого заліза із установленими в ньому електричними котушками 32. Диск 27 в окремому випадку може бути встановлений на повітряні й/або магнітних опорах обертання у випадку збільшення діаметра вітротурбіни й збільшення її потужності. При діаметрі вітротурбіни розміром біля 3-х метрів центральна несуча втулка 3 може утримувати у висячому положенні лопаті 4 при їхньому обертанні й зовнішню обичайку 5, а при більшому її діаметрі нижній торець 14 останньої може додатково підтримуватися повітряними опорами й/або магнітними опорами обертання, у тому числі з електричним впливом або впливом на повітряний тиск. При цьому невелика кількість повітря через повітряні опори направляється у внутрішню порожнину вітротурбіни, де його потужність передається на лопаті у вигляді додаткового крутного моменту. У такий спосіб описані вище елементи конструкцій вітротурбіни дають можливість за допомогою її застосування задовольнити вимогам геліоаеробаричних теплоелектростанцій по виробітку електричної потужності, а також по надійності й швидкості обертання при використанні тільки першого пункту формули винаходу, а 3 UA 101238 C2 при використанні інших пунктів винаходу дозволяють одержати подальше підвищення її технічних параметрів і забезпечити подальше підвищення її конкурентоздатності. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій (ГАБТЕС) з вертикальною віссю обертання, над якою розміщена тягова труба й на вхід якої направляється обертовий енергетичний повітропотік, виконаний вихровою камерою (ВК), як спеціальним торнадогенеруючим засобом ГАБТЕС, що встановлений під нею з підведенням у його внутрішню порожнину тангенціального нагрітого сонцем енергетичного повітропотоку, що відводиться через неї з обертанням навколо її осі в тягову трубу, при цьому вона зчленована з електрогенератором, розташованим під ВК із закріпленням до її несучих конструкцій за допомогою опор обертання, і містить лопаті криволінійної форми, що відповідає розрахунковій траєкторії руху обертового енергетичного повітропотоку через її внутрішню порожнину, що забезпечує високоефективну передачу на них крутного моменту, яка відрізняється тим, що її лопаті виготовлені збірними з легкого екструзійованого профілю, з'єднаними між собою й з її обертовою центральною несучою виконаною пустотілою й охоплюючою симетрично вісь обертання втулкою зсередини за допомогою рознімних з'єднань, а із зовнішньої сторони аналогічно приєднаними до обертової циліндричної повітронепроникної обичайки, що утворює її зовнішній периметр, який створений із з’єднаних між собою вертикальних профілів, екструзійованих з міцного матеріалу, на зовнішній поверхні якої накладений бандаж з високоміцної нитки, причому центральна втулка встановлена на опорах обертання, закріплених у несучих металевих конструкціях, і втримує за допомогою них обертові лопаті й бандажировану обичайку з повітряним зазором щодо нерухомих конструкцій, а зчленування з нею електрогенератора здійснено через її центральну обертову втулку, зокрема, за допомогою порожнистого передавального вала, що проходить через внутрішню порожнину ВК і вітроізольований отвір у її днищі, що містить поле малих технологічних отворів, де проходить у ВК охолоджений повітропотік, що йде донизу, як продукт вихрового торнадоподібного процесу в тяговій трубі, причому передавальний вал оснащений автономними опорами обертання й додатковими кінематичними пристосуваннями, що забезпечують стійкість передачі обертання від неї до електрогенератора. 2. Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій за п. 1, яка відрізняється тим, що її центральна несуча обертова втулка закріплена щодо нерухомих конструкцій за допомогою опор кочення й/або магнітного підвісу. 3. Віротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій за п. 1, яка відрізняється тим, що при збільшенні її діаметра обертова обичайка додатково спирається своєю нижньою торцевою поверхнею відносно нерухомих несучих конструкцій із застосуванням повітряних опор під надлишковим тиском й/або магнітних опор обертання. 4. Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій за п. 1, яка відрізняється тим, що електрогенератор, зокрема, з'єднаний з нею за допомогою його встановлення у внутрішній порожнині пустотілої центральної несучої втулки із закріпленням до її обертової внутрішньої поверхні постійних магнітів збудження електрогенератора, а електричні котушки останнього встановлені нерухомо в шихтованому залізі з регулюванням за рахунок напівпровідникових засобів керування, у тому числі при встановленні обертових частин вітротурбіни на електромагнітних керованих опорах. 5. Вітротурбіна для геліоаеробаричних теплоелектростанцій за п. 1, яка відрізняється тим, що передача крутного моменту від неї до електрогенератора при додатковому збільшенні її потужності виконана за допомогою гідравлічної передачі, що містить приєднані до неї гідронасос, а до електрогенератора - гідродвигун, з'єднані між собою гідравлічними шлангами й трубами високого тиску, які для забезпечення їхнім робочим тілом зв'язані через засоби керування з баком, який заповнений робочою рідиною. 4 UA 101238 C2 5 UA 101238 C2 6 UA 101238 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 7