Турбина с вертикальным валом вращения
Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и может использоваться как в ветродвигателях, так и в качестве движителя на подвижной платформе. Турбина содержит вертикальный вал вращения, жестко скрепленные с валом и размещенные в ряд как минимум в двух направлениях вокруг вала горизонтальные опоры, снабженные по длине лопатками, размещенными на вертикальных осях, установленных на опорах с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами. Турбина снабжена радиальными горизонтальными мачтами, жестко соединяющими опоры с валом, и парусами, верхней частью размещенными на мачтах с возможностью поворота, величина которого ограничена с двух сторон регулируемыми упорами. Опоры соединены с мачтами под прямым или тупым углом в сторону, противоположную вращению. Лопатки выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего утолщенную вертикальную ось и вертикальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами. Паруса могут быть выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную горизонтальную ось, установленную с возможностью вращения на мачте, и горизонтальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами. Турбина может быть снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным рядом мачт с опорами, при этом мачты смежных рядов смещены по окружности, а вал выполнен сборным, с возможностью регулируемого изменения его высоты. Конструкция турбины обеспечивает стабильную работу с повышенным кпд (до 25%) при высоких скоростях и порывах ветра. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и может использоваться в ветро- и гидродвигателях с вертикальной осью вращения.
Известен роторный двигатель с вертикальным валом вращения (RU 2263815, F03D 3/00, 10.11.2005), содержащий ротор с лопастями, выполненными в виде части сферы или полого полуцилиндра, закрепленными на вертикальном валу, на верхнем и нижнем концах которого установлены подшипники, двигатель снабжен опорной фермой, состоящей как минимум из трех опор, соединенных между собой в жесткий конструктивный узел верхними и нижними перекладинами, к которым прикреплены соответственно опорные площадки с отверстиями в центре, в которых в подшипниках размещен с возможностью вращения вертикальный вал ротора.
К недостаткам данной конструкции относятся: низкий кпд из-за отсутствия возможности регулирования площади лопастей, предназначенной для взаимодействия с потоком, низкая надежность и высокие материальные затраты на увеличение жесткости конструкции.
Известна турбина ветряного двигателя (RU 2009371, F03D 3/06, 15.03.1994), содержащая центральную вертикальную ось со ступицей и закрепленные на ней вогнутые крылья с шарнирно установленными на последних вертикальными лопастями, при этом каждое из крыльев снабжено горизонтальными подкрылками, средний из которых жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных внахлестку с рабочей поверхностью крыла.
К недостаткам данной конструкции относятся: низкий кпд из-за отсутствия возможности регулирования площади лопастей, взаимодействующей с потоком, нестабильность работы, связанная с возникновением турбулентности при порывистом ветре, низкая надежность.
Ближайшим аналогом по технической сущности и достигаемому результату является турбина для генерирования энергии набегающего сбоку потока воды или воздуха (RU 2270932, F03D 3/00, 27.02.2006), включающая вал, шарнирно размещенный в стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, при этом поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом.
К недостаткам данной конструкции относятся: низкий кпд из-за нестабильности работы, связанной с возникновением турбулентности даже при незначительной скорости вращения, особенно при порывистом ветре, наличие двойных фиксаторов, увеличивающих площадь лопаток, препятствующих вращению турбины, а также невозможность регулирования площади лопаток, взаимодействующей с потоком.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия турбины с вертикальным валом вращения при высоких скоростях и порывах ветра за счет совмещения различных способов передачи энергии потока во вращение вала с возможностью регулирования площади и угла атаки поверхности лопастей, взаимодействующих с потоком.
Указанная задача решается тем, что турбина с вертикальным валом вращения, содержащая жестко скрепленные с валом и размещенные в ряд как минимум в двух направлениях вокруг вала горизонтальные опоры, снабженные по длине лопатками, размещенными на вертикальных осях, установленных на опорах с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, согласно изобретению снабжена радиальными горизонтальными мачтами, жестко и нормально соединяющими опоры с валом, и парусами, верхней частью размещенными на мачтах с возможностью поворота, величина которого ограничена с двух сторон регулируемыми упорами, причем опоры соединены с мачтами под прямым или тупым углом в сторону, противоположную вращению, а лопатки выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную вертикальную ось и вертикальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами.
Указанная задача решается также тем, что паруса могут быть выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную горизонтальную ось, установленную с возможностью вращения на мачте, и горизонтальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами, причем горизонтальная жесткая кромка может быть снабжена утяжелителем.
Указанная задача решается также тем, что турбина может быть снабжена по меньшей мере одним дополнительным рядом горизонтальных опор, соединенных дополнительными мачтами с валом.
При этом мачты смежных рядов могут быть смещены по окружности относительно друг друга, а вал выполнен сборным, с возможностью регулируемого изменения его высоты и количества рядов совмещением по высоте мачт смежных рядов.
Турбина изображена на чертежах, где на фиг.1 схематически представлена двухрядная турбина, на. фиг.2 - вид сверху на фиг.1, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.5 изображена конструкция лопатки ротора, на фиг.6 - конструкция паруса ротора.
Турбина включает жестко размещенные по меньшей мере в двух направлениях нормально к вертикальному валу 1 горизонтальные мачты 2, соединенные с верхней частью парусов 3, установленных с возможностью поворота относительно мачт 2, ограниченного регулируемыми упорами 4 и 5, и горизонтальные опоры 6, жестко скрепленные с мачтами 2 и установленные к ним под прямым или тупым углом α в сторону, противоположную вращения турбины. На каждой опоре 6 с возможностью поворота установлен ряд вертикальных осей 7 с лопатками 8. Поворот осей 7 ограничен фиксаторами 9 и 10. Лопатки 8 выполнены в виде трубчатого элемента 11 из эластичного материала, плотно охватывающего вертикальную ось 7 и вертикальную жесткую кромку 12, отжатую от оси 7 пружинными элементами 13. Лопатка 8 снабжена фиксаторами 14, охватывающими выполненную утолщенной вертикальную ось 7 и исключающими осевое перемещение трубчатого элемента 11 (см. фиг.5). Паруса 3 могут быть выполнены в виде натянутого на раму полотнища или армированного полотнища (фиг.3, 4). Паруса 3 также могут быть выполнены в виде трубчатого элемента 15 из эластичного материала, плотно охватывающего утолщенную горизонтальную ось 16, установленную с возможностью вращения на мачте 2, и горизонтальную жесткую кромку 17, отжатую от оси 16 пружинными элементами 18, при этом паруса 3 также снабжены фиксаторами 19, охватывающими выполненную утолщенной горизонтальную ось 16 и исключающими осевое перемещение трубчатого элемента 15. Кромка 17 паруса 3 может быть снабжена утяжелителем 20 (фиг.6).
Мачты 2 могут быть установлены на валу 1 по вертикали в несколько рядов, при этом вертикальный вал 1 может быть выполнен сборным с регулируемой высотой.
Работа турбины осуществляется следующим образом.
Под действием потока (ветра или воды) паруса 3 на одних мачтах 2 поворачиваются вниз до ограниченной регулируемым упором 4 величины (закрытое состояние) и благодаря увеличенной парусности поворачивают мачты 2. После поворота поток действует на противоположную сторону парусов 3, поворачивая их вверх до ограниченной регулируемым упором 5 величины (открытое состояние) и уменьшая парусность. Разность площадей парусов 3 с противоположных сторон вала 1 обеспечивает его вращение. При этом независимо от направления потока лопатки 8 поворачиваются на осях 7 между фиксаторами 9, расположенными на расстоянии от опор 6 (открытое состояние), и фиксаторами 10, расположенными в непосредственной близости от опор 6 (закрытое состояние). Поскольку общая площадь лопаток 8 в закрытом состоянии превосходит общую площадь лопаток 8 в открытом состоянии, находящихся с противоположной от вала стороны, на вал 1 передается дополнительное усилие вращения. Поскольку опоры 6 наклонены к мачтам 2 под прямым или тупым углом α в сторону, противоположную вращению, при закрытом состоянии паруса 3 и лопатки 8 с одной стороны от вала 1 образуют стилизованную вогнутую поверхность, а с противоположной стороны - выпуклую поверхность, что обеспечивает работоспособность турбины даже при зафиксированном положении парусов 3 и лопаток 8. При этом ориентация мачт 2 и опор 6 относительно вала 1 исключает одновременный переход парусов 3 и лопаток 8 в закрытое состояние, что обеспечивает более равномерную работу турбины без увеличения количества мачт 2 в ряду.
Выполнение лопатки 8 в виде трубчатого элемента 11 из эластичного материала, плотно охватывающего вертикальную ось 7 и вертикальную жесткую кромку 12, отжатую от оси 7 пружинными элементами 13, обеспечивает ей в поперечном сечении каплевидную форму как в свободном состоянии, так и при равномерном воздействии потока с двух сторон при размещении лопатки 8 между фиксаторами 9 и 10. Каплевидная форма лопатки при движении навстречу потоку утолщенной осью 7 обеспечивает наименьший коэффициент сопротивления потоку при минимальных турбулентных завихрениях (на практике коэффициент сопротивления Cx≈0,08-0,12). Кроме того, лопатка 8 имеет низкую инерционность при повороте, поскольку основной ее вес сосредоточен в утолщенной оси 7, что позволяет увеличить суммарный вылет мачт 2 с опорами 6 на 15-20% в сравнении с турбиной с плоскими лопатками.
При боковом воздействии потока на лопатку 8 (фиг.5) ее лицевая, наветренная сторона искривляется в виде паруса, позволяя более эффективно использовать силу потока даже при открытом ее состоянии при упоре в фиксатор 9. При этом после установки лопатки 8 вдоль потока она сразу же принимает в поперечном сечении каплевидную форму за счет отжатия кромки 12 пружинными элементами 13. Таким образом, конструкция лопатки обеспечивает увеличение скорости вращения вала 1 примерно в два раза по сравнению с турбиной с плоскими лопатками.
При значительной скорости потока (свыше 10 м/с для воздуха и свыше 3 м/с для жидкости) или при установке турбины на подвижные платформы (плавучее средство передвижения) целесообразно использовать паруса 3 в виде трубчатого элемента 15 из эластичного материала, плотно охватывающего утолщенную горизонтальную ось 16, установленную с возможностью вращения на мачте 2, и горизонтальную жесткую кромку 17, отжатую от оси 16 пружинными элементами 18 (фиг.6), что обеспечивает парусу в поперечном сечении каплевидную форму как в свободном состоянии, так и при равномерном воздействии потока с двух сторон. При воздействии потока снизу на парус 3 его лицевая, наветренная сторона искривляется, образуя вогнутую поверхность, позволяя более эффективно использовать силу потока. Находясь между упорами 4 и 5 или упираясь в упор 5, парус 3 приобретает форму крыла, при этом возникающая подъемная сила уменьшает давление потока на вал 1, направленное на его изгиб, снижая прочностные требования к валу 1, его металлоемкость. Кроме того, такая конструкция паруса 3 обеспечивает уменьшение турбулентных потоков, увеличивая КПД турбины до 10%. При резких изменениях направления потока кромку 17 паруса 3 снабжают утяжелителем 20, увеличивающим инерционность паруса и обеспечивающим равномерность вращения вала 1 при знакопеременных нагрузках.
Чем более плотный поток и/или ниже скорость его течения, тем более длинными могут быть мачты 2 и опоры 6 без возникновения паразитной турбулентности потока на удаленных от вала 1 лопатках 8. Для увеличения эффективности и равномерности вращения турбины без увеличения длины мачт 2 и опор 6, создающих дополнительную турбулентность, турбина может быть снабжена дополнительными рядами мачт 2 с опорами 6, размещенными по высоте вала 1. Количество мачт 2 с опорами 6 не менее двух в каждом ряду обеспечивает работоспособность турбины независимо от направления потока, причем с увеличением количества мачт 2, размещенных равномерно по окружности в каждом ряду, увеличивается стабильность и равномерность вращения турбины. На практике оптимальным количеством мачт 2 в каждом ряду является три, но со смещением в окружном направлении на определенный угол в смежных рядах. Оптимальным углом смещения мачт по окружности в смежных рядах является угол ϕ, рассчитанный по формуле ϕ=360°/n·N, где n - количество мачт 2 в одном ряду, N - количество рядов, расположенных на валу 1.
Расположение парусов 3 в открытом и закрытом состоянии в зависимости от скорости ветра регулируется автоматически тяговым устройством, соединенным с упорами 4 и 5. Величина открывания парусов 3 определяется углом β отклонения его от горизонтальной плоскости (фиг.3). На практике угол β регулируется в пределах 1°÷5°, чем выше скорость потока, тем больше угол β. Наличие угла β позволяет создать постоянную подъемную силу на парусе 5, уменьшая осевую и опрокидывающую силу на вертикальный вал 1, а также при повороте вертикального вала 1 увеличить скорость закрывания паруса 3, который будет переходить в закрытое состояние не только под собственным весом, но и при помощи потока. Величина закрывания парусов 3 определяется углом γ отклонения его от вертикальной плоскости (фиг.4). На практике угол γ регулируется в пределах 1°÷85°, чем выше скорость потока, тем больше угол γ.
В качестве автоматических тяговых устройств используется закрепленные снизу на вертикальном валу 1 втулки с центробежными грузами, которые при увеличении скорости вращения вала 1 расходятся в стороны и приподнимаются вверх вместе с дополнительными поводками, соединенными соответственно с упорами 4 и 5.
С увеличением скорости ветра и соответственно скорости вращения вертикального вала 1, под действием тяговых устройств углы β и γ будут увеличиваться, уменьшая разницу в парусности мачт 2 с открытым и закрытым состоянием парусов 3 и, как следствие, уменьшая скорость вращения вертикального вала 1, что предотвратит разрушение всей конструкции и обеспечит ее работу в оптимальном режиме. При сильном ветре парусность мачт 2 с открытым и закрытым состоянием парусов 3 выравнивается и вращение вала 1 происходит только за счет действия потока на лопатки 8.
Для исключения аварийных ситуаций в случаях, когда поток имеет скорость свыше 20-25 м/с для воздуха и свыше 10 м/с для жидкости, в турбине с несколькими рядами мачт 2 вертикальный вал 1 выполняют сборным с регулируемой высотой (например, в виде телескопических трубок, приводимых в действие гидроприводом, или в виде пружинной напряженной вверх спирали, собираемой вниз тросами и т.п.), что позволяет смещенные в окружном направлении мачты 2 с опорами 6 смежных рядов собрать в меньшее число рядов, вплоть до одного ряда, уменьшая общую парусность турбины с сохранением работоспособности при скоростях потока, превышающих расчетную предельную нагрузку на вал 1 при определенной его высоте.
Таким образом, конструкция турбины с вертикальным валом вращения обеспечивает стабильную работу с повышенным кпд (до 25%) при высоких скоростях и порывах ветра за счет совмещения различных способов преобразования энергии потока во вращение вала, конструкции парусов и лопаток, обеспечения возможности регулирования площади и углов атаки поверхностей, взаимодействующих с потоком. Данная конструкция позволяет использовать турбину как в ветродвигателях, так и в качестве движителя на подвижной платформе.
1. Турбина с вертикальным валом вращения, содержащая жестко скрепленные с валом и размещенные в ряд как минимум в двух направлениях вокруг вала горизонтальные опоры, снабженные по длине лопатками, размещенными на вертикальных осях, установленных на опорах с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, отличающаяся тем, что она снабжена радиальными горизонтальными мачтами, жестко и нормально соединяющими опоры с валом, и парусами, верхней частью размещенными на мачтах с возможностью поворота, величина которого ограничена с двух сторон регулируемыми упорами, причем опоры соединены с мачтами под прямым или тупым углом в сторону, противоположную вращению, а лопатки выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную вертикальную ось и вертикальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами.
2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что паруса выполнены в виде трубчатого элемента из эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную горизонтальную ось, установленную с возможностью вращения на мачте, и горизонтальную жесткую кромку, отжатую от оси пружинными элементами.
3. Турбина по п. 2, отличающаяся тем, что горизонтальная жесткая кромка снабжена утяжелителем.
4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным рядом горизонтальных опор, соединенных дополнительными мачтами с валом.
5. Турбина по п. 4, отличающаяся тем, что мачты смежных рядов смещены по окружности относительно друг друга, а вал выполнен сборным, с возможностью регулируемого изменения его высоты и количества рядов совмещением по высоте мачт смежных рядов.
