Номер патента: 3105

Опубликовано: 27.02.2003

Автор: Рикер Джонатан К.

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Многоосная турбина, содержащая башенную несущую конструкцию, имеющую опору на землю и содержащую группу вертикальных удлиненных элементов конструкции, установленных соединенными посредством группы горизонтальных удлиненных элементов конструкции, группу валов, каждый их которых несет группу лопастей, предназначенных для вращения под действием ветра, так чтобы и валы вращались под действием ветра, по крайней мере, один генератор производства электроэнергии за счет энергии ветра, установленный смежно земле, и средства соединения каждого вала с генератором, причем каждый вал установлен с опорой на группу горизонтальных элементов конструкции, соединенных с валом в разнесенных по валу местах с размещением одного места опоры в верхней части каждого вала, по крайней мере, одного места опоры в нижней части каждого вала и, по крайней мере, одного места опоры в промежуточном положении между местами опор в верхней и нижней частях, при этом в каждом месте опоры вала размещен подшипник вала, а между подшипником и горизонтальным элементом конструкции размещены средства гашения вибрации и уменьшения передачи вибрации от валов к несущей конструкции.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждый вал содержит ряд секций вала.

3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что на каждой секции вала установлена, по меньшей мере, одна лопасть.

4. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что каждая секция вала имеет опору с обоих концов башенной несущей конструкции.

5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что лопасти установлены на каждом валу с возможностью перекрытия ими области с отношением высоты к диаметру больше 4.

6. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что лопасти установлены на каждом валу с возможностью перекрытия ими области с отношением высоты к диаметру, равным, по крайней мере, 10.

7. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что лопасти выполнены не имеющими крутки и схождений на конус.

8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что средства гашения вибрации содержат вкладыш.

9. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит управляющие средства оптимизации числа активизированных генераторов в зависимости от скорости ветра.

10. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства соединения группы валов с генератором.

11. Турбина по п.10, отличающаяся тем, что средства соединения содержат зубчатую ременную передачу.

12. Турбина по п.8, отличающаяся тем, что средства гашения вибрации дополнительно содержат внутреннюю втулку между подшипником и вкладышем.

13. Турбина по п.12, отличающаяся тем, что внутренняя втулка установлена свободной от сцепления с подшипником или вкладышем.

14. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства увеличения скорости воздушного потока в зоне лопастей.

15. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кровлю, расположенную покрывающей башню с возможностью защиты валов и лопастей от факторов окружающей среды.

16. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рессоры между башней и землей.

17. Многоосная турбина, содержащая башенную несущую конструкцию, имеющую опору на землю и содержащую группу вертикальных удлиненных элементов конструкции, установленных соединенными посредством группы горизонтальных удлиненных элементов конструкции, группу валов, по крайней мере, один генератор производства электроэнергии за счет энергии ветра, установленный смежно земле, и средства соединения каждого вала с генератором, причем каждый вал имеет ряд секций и несет группу лопастей, предназначенных для вращения под действием ветра так, чтобы и валы вращались под действием ветра, с перекрытием области с отношением высоты к диаметру, равным, по крайней мере, 10, каждый вал установлен с опорой на группу горизонтальных элементов конструкции, соединенных с валом в разнесенных по валу местах с размещением одного места опоры в верхней части каждого вала, по крайней мере, одного места опоры в нижней части каждого вала и, по крайней мере, одного места опоры в промежуточном положении между местами опор в верхней и нижней частях, при этом в каждом месте опоры вала размещен подшипник вала, а между подшипником и горизонтальным элементом конструкции размещены средства гашения вибрации и уменьшения передачи вибрации от валов к несущей конструкции.

Рисунок 1

 

Текст

Смотреть все

1 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение, в основном, относится к области ветровой энергетики и более конкретно к турбинам с вертикальной осью и к турбинам с более чем одной осью или валом. Уровень техники В качестве устройства преобразования энергии ветра ветровые турбины используют ротор, преобразующий энергию воздушного потока в механическую энергию. Достоинства ветровых машин заключаются в том, что они представляют собой источник неограниченной и неисчерпаемой механической энергии для различных целей, включая приведение в действие электрического генератора. Большинство ветровых турбин имеют горизонтальную ось вращения (совпадающую с направлением ветра). Однако известно, что многие ветровые турбины используют и вертикальную ось (перпендикулярную направлению ветра). Лопасти ветровых турбин с вертикальной осью скомпонованы вертикально. Ветровые турбины с вертикальной осью обладают рядом конструктивных преимуществ: генератор расположен на уровне земли,что упрощает его эксплуатацию, а также отпадает необходимость смены лопастей каждый раз, когда ветер изменяет направление. Наиболее близки к данному изобретению турбины с вертикальной осью, выполненные с использованием технологий Дарриуса (Darrieus). Технология Дарриуса, предложенная Д.Дж.М. Дарриусом (D.J.M. Darrieus), включает в себя применение изогнутых лопастей, крепящихся в двух точках к вращающейся башне. При вращении турбины центробежные силы ослабляются за счет формы лопастей, известной под названием"тропоскейн" (troposkein). Лопасти ориентируются выпуклой стороной наружу до начала вращения ротора. Форма тропоскейн аналогична форме каната, намотанного на вал. В результате форма тропоскейн минимизирует напряжения, вызванные центробежными силами. Патент США 1,835,018 дает более детальное представление о турбине Дарриуса, предложенной Д.Дж.М. Дарриусом. Известные конструкции турбин, предназначенные для производства больших количеств энергии, используют роторы значительных размеров, что позволяет сделать целесообразным производство электроэнергии с помощью генератора. К сожалению, роторы больших размеров дороги, так как с ростом диаметра (механические) напряжения в роторе быстро возрастают. Для увеличения мощности за счет повышения площади ветрового давления на лопасти в известных конструкциях турбин необходимо применять большие диаметры лопастей. Увеличение диаметра лопастей с целью повышения мощности турбины может увеличить стоимость других элементов турбины в большей степени,чем стоимость самих лопастей. При технологи 003105 2 ческих погрешностях изготовления большие лопасти могут создать дополнительные структурные напряжения, вызвать усталостные явления в коробке передач, башне (каркасе) и в системе оптимальной ориентации генератора относительно направления ветра. В прошлом ветровые турбины устанавливались на одном каркасе,закрепленном с помощью растяжек (вант), что во многих случаях приводило к многочисленным проблемам, связанным с вибрацией и оценкой частот колебаний башни. Лопасти турбин с вертикальной осью имели большие размеры,которые приходилось ограничивать как конструктивно, так и в силу свойств использовавшихся материалов. Например, в двух наиболее серьезных коммерческих применениях турбин с вертикальной осью были использованы алюминиевые экструдированные (прессованные выдавливанием) профили и формованное стекловолокно. Из-за больших размеров стекловолоконных лопастей их прочность была ограничена с целью возможности их изгиба по месту установки. Алюминиевые лопасти не могут иметь настоящую форму тропоскейн. Лопасти должны иметь большую длину, чего не может обеспечить доступное экструзионное оборудование. На оба предшествующие серьезные коммерческие использования технологий с вертикальной осью имеются патенты: "Ветровая турбина с вертикальной осью", патент США 4,449,053,и "Ветровая турбина с вертикальной осью и формованными лопастями", патент США 5,499,904. Однако из-за конструкционных напряжений, вызванных циклическими нагрузками в вертикальных лопастях, усталостная долговечность лопастей, выполненных из этих материалов, оказывается пониженной. Подъемные силы передают на лопасти при их вращении знакопеременные нагрузки. Более популярные горизонтальные ветровые турбины не подвержены этим циклическим нагрузкам, возникающим много тысяч раз в день. Конструирование и установка (вертикальных турбин) были сложны и дороги. Вертикальные лопасти, выполненные по прежней технологии, не позволяли разместить ротор достаточно высоко над землей, чтобы турбулентные потоки не вызывали постоянные конструкционные проблемы. По другой предшествующей технологии область, перекрываемая лопастями турбины, изза конструктивных ограничений имела характеристическое отношение меньше 4. Для повышения эффективности предпочтительно иметь высокое значение характеристического отношения, т.е. отношения высоты области, перекрываемой лопастями турбины, к ее диаметру. Этого можно достичь в случае применения высокого и тонкого ротора, который использует лопасти, перекрывающие большой объем пространства, и вращается с высокой скоростью (с большим числом оборотов в минуту). За счет пони 3 жения значения момента инерции собственное вращение ротора требует меньше энергии. В предыдущих лопастных технологиях использовались две или более лопастей на одну секцию вала, что позволяло добиться необходимого баланса лопастей. Конструктивное решение с одной лопастью на одну секцию вала обходилось дорого и приводило в прежних турбинах к проблемам с балансировкой. Германская компания делала попытки конструирования горизонтальной турбины с одной лопастью. Однако серьезного коммерческого успеха на этом пути достигнуто не было. Сущность изобретения Основная задача изобретения заключается в том, чтобы повысить длительность работы лопастей за счет решения проблемы возникновения циклических напряжений в ветровой турбине с вертикальной осью. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы снизить стоимость изготовления за счет использования в конструкции большего числа более мелких узлов вместо меньшего числа более крупных узлов. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы ремонт и обслуживание таких узлов, как генератор, тяжелое оборудование для смены скоростей и коробка передач, обходились недорого при высокой установке ротора над землей. Дополнительная задача изобретения заключается в том, чтобы продлить работу подшипника за счет снижения конструктивных и механических напряжений. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить эффективность работы турбины за счет снижения момента инерции и облегчения самозапуска. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы осуществить более долговечную конструкцию лопастей за счет преодоления проблемы дисбаланса, возникающей при использовании одной лопасти на одну секцию вала, с помощью применения многих маленьких лопастей, размещенных на валу. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы допустить в конструкции турбины использование более прочных и жестких лопастей за счет уменьшения их размеров. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы улучшить показатель частоты отказов турбины за счет применения большого числа узлов: 256 лопастей, 16 валов и 16 генераторов. Дополнительная задача изобретения заключается в том, чтобы облегчить метод сборки конструкции. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы допустить изготовление конструкции из стандартных узлов, не требующих изготовления по специальному заказу, за исключением лопастей, которые не могут быть 4 лопастями массового производства. Лопасти должны быть поставлены некоторыми специальными поставщиками во избежание проблем с ресурсами (невыполнение работы из-за невозможности соблюсти технологические требования, например, по материалам). Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить прочность установки башни за счет использования более крупной опоры, аналогичной секции башни повышенного габарита. Следующая задача изобретения заключается в том, чтобы улучшить защиту конструкции от погодных условий и повысить прочность конструкции за счет установки кровли (крыши). Дальнейшие цели и достоинства настоящего изобретения станут ясными из последующего описания и сопутствующих чертежей, в которых с помощью иллюстраций и примеров раскрыта сущность настоящего изобретения. Изобретение представляет собой многоосную турбину и состоит из следующих узлов: внешнего верхнего кожуха или кровли, башенной несущей конструкции, включающего комплект удлиненных вертикальных элементов конструкции, соединенных друг с другом с помощью удлиненных горизонтальных элементов конструкции наподобие большой решетчатой фермы, и группы небольших лопастей. Лопасти соединены с валами или любыми другими вращающимися устройствами, установленными в башенной конструкции на многих осях. Лопасти или воспринимающие давление импеллеры(крыльчатки) любой формы установлены на валах или любых вращающихся устройствах с характеристическим отношением (отношением высоты области, перекрываемой лопастями, к ее диаметру) больше 4. Каждый вал соединен с генератором, находящимся около уровня земли. Конструктивные узлы с лопастями или воспринимающими давление ветра импеллерами, а также валы или вращающиеся устройства, не имеют индивидуальных установочных узлов. В башенной несущей конструкции предусмотрена коллективная установка валов. Для поглощения вибрации изобретение содержит средства гашения вибрации с вкладышем между подшипниками или движущимися частями и неподвижной конструкцией. Группа небольших лопастей простой формы, не содержащих крутки или схождений на конус, соединена с множеством генераторов, при этом каждый генератор соединен со своим валом или вращающимся устройством из комплекта валов или вращающихся устройств согласно изобретению. Лопасти или воспринимающие давление импеллеры на каждой секции вращающегося устройства размещены на различных местах и под разными углами вдоль оси для уменьшения неравномерности вращения. Многоосная турбина была разработана с целью снижения стоимости лопастей путем 5 уменьшения их размера и отказа от больших лопастей, требующих значительных конструкционных затрат. В данной энергетической установке использование большого числа маленьких лопастей является более эффективным конструктивным подходом с точки зрения снижения стоимости, чем использование больших и сложных лопастей. Многоосная турбина (МОТ) допускает различные варианты позиционирования лопастей для восприятия механической энергии и направления ее к генератору, производящему электричество. МОТ предусматривает также возможность репозиционирования других узлов ветровой турбины с целью упрощения конструкции ветровой турбины и снижения вибрационного воздействия, обычно возникающего в ветровой турбине. МОТ содержит несколько валов, каждый из которых несет группу лопастей, предназначенных для вертикальных валов. Вал передает механическую энергию от небольших лопастей (предпочтительно через ременную передачу) на вал, соединенный с генератором или редуктором, который, в свою очередь, соединен с генератором. Достоинство этого изобретения заключается в том, что оно снижает стоимость производства турбины за счет использования более дешевых материалов и недорогой вибрационной защиты, осуществляемой путем укрепления конструкции или использования специальных материалов для защиты конструкции. Устройству должна быть придана предпочтительная с точки зрения аэродинамики форма для увеличения скорости ветра при его подходе к турбине, что даст увеличение развиваемой мощности. Над ветровой турбиной следует установить кровлю, состоящую из элементов разумной стоимости (типа дешевого пластика) и закрывающую систему ветряной турбины с вертикальной осью. При использовании четырехопорной башенной несущей конструкции кровля должна быть изогнута таким образом,чтобы ее форма увеличивала скорость ветра при подходе к ветровой турбине (предпочтительно МОТ). Снижение вибрации и повышение уровня защиты позволяет использование в ветровой системе более дешевых материалов. Допускается использование деревянных и менее обработанных удлиненных элементов, более простых при конструировании. Появляется возможность применения более дешевых материалов для других узлов конструкции, например турбины или подшипников. Преимущество кровли заключается в том, что она предотвращает дополнительный износ и поломки, вызванные дождем или снегом, падающим на турбинную систему и приводящим к быстрой порче конструкции,включая коробление и гниение. Несущая конструкция может быть выполнена в виде четырехопорной плиты в отличие от одноопорной, применяемой в других ветровых турбинах. Эта конструкция аналогична легкой,но прочной башне Ролма (Rolm tower). Таким 6 образом, она требует меньше материала для достижения требуемой прочности. Кроме того,четырехопорная башня обретет дополнительную прочность при использовании вкладышей из концентрических втулок из резины, полиуретана или другого изолятора, поглотителя и/или демпфера, надежно связанных между собой для изоляции или демпфирования вибраций, возникающих в стальной конструкции от движущихся лопастей. Вкладыши должны размещаться между валами и подшипниками. Выполнение втулок предусматривает передачу вращательного движения, так же как аксиальной и радиальной нагрузок. Устройство, не имеющее одной центральной области, перекрываемой вращающимися лопастями, допускает конструктивный подход "разделяй и властвуй", при котором вибрации изолируются наиболее эффективным с точки зрения стоимости способом. Ременная передача к генератору изолирует от вибраций область электрооборудования. Более важно то,что снижение уровня вибрации и укрепление башенной несущей конструкции на годы увеличивает срок службы турбины при уменьшении затрат. В то же время изобретение содержит надежную (менее "беспокойную") ременную передачу МОТ. Соединение миникаркасов в МОТ приводит к структурному повышению прочности МОТ и, таким образом, допускает применение более дешевых материалов для башенной несущей конструкции. Элементы новизны, рассматриваемые как характеристики изобретения, приведены далее в соответствующих пунктах формулы изобретения. Однако изобретение само по себе, включая устройство и управление им, а также задачи изобретения и его преимущества, могут быть наилучшим образом поняты из последующего описания вариантов исполнения турбины и сопровождающих чертежей. Чертежи представляют собой часть этой спецификации и включают примеры вариантов изобретения, которые могут быть исполнены в различных формах. Необходимо учитывать, что в некоторых случаях различные аспекты изобретения приходится показывать увеличенными или преувеличенными для облегчения понимания сущности изобретения. Перечень чертежей и иных материалов На фиг. 1 представлен вид несущей конструкции спереди в предпочтительном варианте исполнения изобретения; на фиг. 2 - вид сбоку в предпочтительном варианте исполнения изобретения; на фиг. 3 - предпочтительное исполнение системы сворачивающихся экранов; на фиг. 4 - часть поперечного сечения верхней области предпочтительного варианта исполнения изобретения; на фиг. 5 - часть поперечного сечения устройства вблизи генератора; 7 на фиг. 6 - альтернативный вариант исполнения основания с использованием турбин Савониуса (Savonius); на фиг. 7 - альтернативный вариант турбины Савониуса; на фиг. 8 - конструктивный эскиз турбины и вид сверху на лопасти Савониуса; на фиг. 9 проиллюстрировано использование двух подшипников с демпфером, поглотителем или изолятором для предотвращения несоосности; на фиг. 10 проиллюстрировано использование подшипника с гасителем вибрации; на фиг. 11 и 12 представлены гасители вибраций, размещенные между лопастью и валом; на фиг. 13 - поперечное сечение и сечение у вершины гасителя вибрации, а также сам гаситель вибрации; на фиг. 14 - вариант МОТ с использованием лопастей Дарриуса; на фиг. 15 - пример двух лопастей Дарриуса в одной секции вала ротора; на фиг. 16 - пример одной лопасти Дарриуса на секции вала ротора; на фиг. 17 - пример четырех секций вала ротора с двумя лопастями Дарриуса на каждой секции вала; на фиг. 18 - пример четырех секций ротора с одной лопастью Дарриуса на каждую секцию вала; на фиг. 19 - альтернативный вариант конструкции рамы; на фиг. 20 - комплект лопастей на одном валу внутри решетки башни; на фиг. 21 - альтернативный вариант крепления вала через каждые 20 футов (6,1 м); на фиг. 22 - вариант крепления лопастей; на фиг. 23 - вид спереди крепления лопасти; на фиг. 24 - вид сбоку крепления лопасти; на фиг. 25 - кольцевая прокладка кровли для защиты от погодных условий; на фиг. 26 - вид сбоку узла защиты подшипника; на фиг. 27 - вид спереди узла защиты подшипника. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Далее приведено подробное описание предпочтительного варианта исполнения изобретения. Однако необходимо учитывать, что настоящее изобретение может быть выполнено в различных вариантах. Поэтому представленные здесь отличительные признаки должны пониматься не как ограничения, а как основа формулы изобретения и как представительный материал для раскрытия специалисту в данной области возможности осуществления настоящего изобретения в фактически любых надлежащим образом разработанных системах, конструктивных выполнениях и методиках. 8 В предпочтительном варианте исполнения изобретения несущая конструкция многоосной турбины, включающая кровлю или внешнее покрытие (не показаны), содержит ферму башни, в которой использован комплект удлиненных элементов (стержней) или стальных труб квадратного сечения 1104 (фиг. 14). Указанные удлиненные элементы связаны друг с другом поддерживающими горизонтальными элементами или стальными трубами 1104. Трубы квадратного сечения или горизонтальные удлиненные элементы соединены с вращающимися устройствами или валами с помощью подшипников. С валом соединены группа или несколько воспринимающих ветровое давление импеллеров, называемых также лопастями. Несколько лопастей объединены вместе и перекрывают область, высота которой более чем в 4 раза превышает диаметр. Область, перекрываемая всеми лопастями вместе вдоль каждого вала в предпочтительном варианте исполнения изобретения, имеет характеристическое отношение (отношение высоты к диаметру) порядка 10. Таким образом, лопасти обеспечивают высокое значение характеристического отношения. Башенная несущая конструкция допускает очень большую высоту области, перекрываемой лопастями, для каждого вала. Каждая лопасть или воспринимающий давление воздуха импеллер может иметь небольшие размеры и простую форму без крутки и схождений на конус. Кроме того, на каждый вал приходится по индивидуальному генератору. Обратимся теперь к фиг. 1 и 2, на которых представлен общий вид конструкции в предпочтительном варианте исполнения изобретения. МОТ 1 или турбина с вертикальными осями представляет собой предпочтительный вариант исполнения изобретения, включающий взаимосвязанные лопасти 2, предпочтительно лопасти турбины с вертикальной осью, аналогичные варианту Дарриуса или Савониуса, воспринимающие механическую энергию налетающего воздуха при вращении лопастей 2. Лопасти могут быть сменными и недолговечными в отличие от других ветровых турбин. Выход из строя лопастей, поврежденных ветром, не будет иметь серьезного влияния на все устройство ветровой турбины. Вал 3 ротора связан с лопастями 2. Лопасти 2 воспринимают при вращении энергию ветра и приводят во вращение вал ротора 3. Таким образом механическая энергия поступает к другим узлам конструкции, связанным с валом 3 ротора, как показано на фигуре,через блок 4 или шкив, связанный с валом 3 ротора. Удлиненный элемент 28 конструкции связан со шкивом 4, который передает энергию далее через ременную передачу 5. Удлиненный элемент 29 конструкции также связан с валом 3 ротора посредством детали 40. Эта последовательность соединений сходится к главному валу 6 (фиг. 4), который также в предпочтительном варианте имеет лопасти 2 для восприятия меха 9 нической энергии. Главный вал 6 также связан с удлиненным элементом 28 конструкции, который далее связан с опорой (подшипником) 27. Удлиненный опорный элемент 26 конструкции над областью главного вала 6 соединен с удлиненным элементом 28 конструкции через подшипник 27. Благодаря подшипнику 7, соединенному с удлиненным элементом 26 конструкции, МОТ может поворачиваться в направлении, оптимальном относительно направления ветра. Удлиненный опорный элемент конструкции 26 консольно соединен с удлиненным элементом 30 конструкции, который далее крепится растяжками (вантами) 31 и вантовыми анкерами 32. Главный вал 6 в предпочтительном варианте крепится в нижнем подшипнике 7, за счет чего главный вал 6 связан с повышающим редуктором 8 и, в конечном итоге, с генератором 9. Редуктор 8 повышает скорость вращения главного вала 6 с целью преобразования механической энергии в электрическую в генераторе 9. Выход генератора 9 регулируется блоком 14 управления. На фиг. 2 представлен общий вид сбоку варианта предпочтительного исполнения изобретения, на котором показано направляющее устройство 10 с флюгером, служащее для поворота МОТ в оптимальном относительно ветра направлении. На фиг. 2 показана система 11 сворачивающихся (складывающихся, убирающихся) экранов (заслонок) 19, которая предназначена для перекрытия доступа к турбине слишком сильного ветра и конструктивно выполнена аналогично обычному бытовому оконному экрану для предотвращения избыточных и опасных всплесков выходной мощности генератора. Предпочтительный вариант исполнения средства 14 управления, представленный на фиг. 3, определяет степень перекрытия ветра для МОТ путем использования устройства 15 управления сворачивающимися экранами, понижающего скорость вращения вала с целью его защиты. В предпочтительном варианте устройство 15 использует шкив и трос, соединенные с двигателем 18 для осуществления поворота шкива (блока) 12 системы сворачивающихся экранов, который соединен с тросом 13 и экраном 19. Двигатель 18 системы сворачивающихся экранов поворачивает также шкив (блок) 21 системы сворачивающихся экранов и трос 22 системы сворачивающихся экранов для придания оптимального положения экрану 25 по сигналу с генератора 24 системы сворачивающихся экранов или другого вырабатывающего электрическую энергию прибора, как, например,синхронный генератор переменного тока. Сигнал определяется выходной мощностью генератора, развиваемой за счет вращения лопастей 23. В предпочтительном варианте двигатель 18 системы сворачивающихся экранов должен включаться в направлении опускания экрана 19 и экрана 25 через нормально открытое реле или диод на 12 В. Нормально закрытое реле или ди 003105 10 од на 10 В должны включать двигатель 18 системы сворачивающихся экранов в направлении поднятия экрана 19 и экрана 25, когда реле или диод открыты при номинальном напряжении ниже 10 В. Варианты данного описания могут включать блок генератора 24 системы сворачивающихся экранов, имеющий выходную мощность, пропорциональную выходной мощности генератора 9 МОТ. Назначение блока генератора 24 - включать двигатель системы сворачивающихся экранов в направлении опускания экранов 19 и 25 при любом превышении выходной мощностью генератора 9 номинального значения. Когда подобные средства контроля выходной мощности показывают, что генератор 9 развивает мощность ниже нормы, двигатель 18 системы сворачивающихся экранов включается в направлении поднятия экрана. Передаточное число редуктора устройства 15 для понижения скорости должно быть прямо пропорционально высоте турбины и высоте системы 14 сворачивающихся экранов. Другими словами,если высота турбины составляет 21 фут (6,4 м),а высота системы 14 сворачивающихся экранов составляет 3 фута (0,9 м), то скорость понижается в пропорции 7 к 1. Например, на каждые семь дюймов (17,8 см) открытия экрана 19 (или его опускания) экран 25 должен открываться(или опускаться) на один дюйм (2,54 см). Отношение выходной мощности генератора 24 системы сворачивающихся экранов к выходной мощности генератора 9 должно быть таким же,как и отношение площади, открытой воздействию ветра и не перекрытой экраном 19 к площади, открытой воздействию ветра на МОТ и не перекрытой экраном 25. Как показано на фиг. 4,громоотвод 16 помещен на удлиненном опорном элементе 26 конструкции, соединенном с подшипником 27, который соединен с удлиненным элементом 28 конструкции, далее связанной со шкивом 4. Главный вал связан со шкивом 4. На фиг. 5 представлен альтернативный вариант. Блок 4, ременная передача 5, главный вал 6, понижающий редуктор 8 и генератор 9 показаны вместе с конической шестерней 17. Многоосевая турбина согласно изобретению может иметь защитную кровлю (не показана). Кровля (крыша) может быть аэродинамически изогнутой, как секция кровли, которую можно отделить от МОТ и от части кровли непосредственно над ней. Разъемное исполнение позволяет удешевить выполнение секций кровли, которые не будут подвержены вибрации при работе турбин. На фиг. 2 флюгер (флюгерная стенка) 10 может быть выполнен из фанеры в стационарном варианте и служить дополнительным конструкционным креплением на кровле. Флюгер 10 должен быть параллелен преобладающему направлению ветра. В предпочтительном варианте флюгер 10 должен быть короче, чем область конструкции, в которой распространяется ветер преобладающего на 11 правления. Турбина может содержать средства увеличения скорости воздушного потока в зоне лопастей. Могут быть использованы охлаждающие вентиляторы для создания эффекта разрежения вдоль валов турбин с целью ускорения воздушного потока. Для усиления ветра вдоль стен МОТ или к кровле могут быть добавлены дополнительные направляющие стенки. К генератору 9 и редуктору 8 могут быть добавлены ребра-радиаторы, служащие для рассеивания тепла, что позволяет осуществлять охлаждение естественным, создаваемым ветром,потоком воздуха и достичь большей, чем номинальная, выходной мощности. В рамках настоящего изобретения благодаря дополнительной защите от погодных условий становится возможной улучшенная вентиляция. Вокруг редуктора и генератора также может быть размещено средство, обеспечивающее увеличение воздушного потока, что приведет к улучшению охлаждения, дающему возможность увеличить выходную мощность. Устройства для отвода тепла или дополнительной циркуляции, используемые для охлаждения выделяющего тепло оборудования, могут быть выполнены поворотными относительно оптимального направления ветра, что необходимо для достижения наилучшего охлаждения. Дополнительно к упомянутым способам защиты подшипник 104, связанный с валом 105,может быть защищен посредством средства 102,показанного на фиг. 26 и 27. Цилиндры 100 могут иметь кольцевую консольную часть 102 для защиты области размещения подшипника от грязи и пыли. Узкая трубка 103, защищающая подшипник, может быть продолжена до нижней части цилиндра 100 и до верхней части 101 цилиндра для улучшения защиты. На фиг. 6 лопасти 701 (предназначенные преимущественно для скоростей от 100 до 300 об./мин), соединены с имеющими 2 фута (0,6 м) в длину валами 702 ротора, соединенными роликовыми подшипниками 703 с втулками в стойках. Фланец с каждой стороны комплекта из шести пластиковых 55-галлонных (208 дм 3) цилиндрических лопастей крепится к валу ротора. Торцы барабанов, срезанные наполовину и установленные по месту, могут быть закреплены посредством плоского пластикового элемента, расположенного между барабанами. Согласно изобретению в каждом месте опоры вала размещен подшипник вала, а между подшипником и горизонтальным элементом конструкции размещены средства гашения вибрации и уменьшения передачи вибрации от валов к несущей конструкции. В рассматриваемом варианте оболочки роликовых подшипников соединяются со стальными трубами 704 посредством антивибрационных подушек, помещенных между стальными трубами и оболочками подшипников. Антивибрационные подушки могут быть изолирующими оправками или любым другим 12 средством демпфирования сил, вызванных вращением лопастей. В этом конструктивном выполнении области гашения вибрации вокруг подшипников и зубчатых передач будут не только экранировать вибрационные нагрузки,вызванные вращением лопастей, от остальной системы, но и ограничивать за счет гибкости структурные напряжения в самих лопастях. В каждом ряду следует установить 4 вала с длиной 2 фута (0,6 м), соединяющих цилиндры,содержащих 2 комплекта по 6 барабанов в каждом комплекте. Цилиндры могут быть изготовлены из легкого материала, содержащего прочную пену, причем покрытие пены желательно изготовить из полиэтилена высокой плотности,чтобы он мог выдержать неблагоприятные погодные условия с частыми песчаными бурями. При использовании термически формованного полиэтилена он должен быть стойким к ультрафиолетовым лучам или обладать низкой плотностью. В рассматриваемом варианте стальные трубы могут быть соединены и поддерживаться 14 растяжками (вантами) и 8 анкерами. Радиус установки растяжек должен составлять как минимум 80% от высоты башни. С каждой узкой стороны башни необходимо установить по 2 растяжки, закрепленных на одном фундаменте. С каждой широкой стороны башни необходимо установить по 6 растяжек на 3 фундаментах. Растяжки должны представлять собой, например, многожильные стальные тросы повышенной прочности. Вал соединяется с зубчатой ременной передачей узла повышения скорости или с повышающим редуктором 706 и, в конечном счете, с генератором 707. Повышающий редуктор увеличивает скорость вращения вала с целью преобразования в генераторе механической энергии в электрическую. Средства (блок) управления контролирует выходную мощность генератора. На фиг. 7 показан альтернативный вариант лопастей турбины Савониуса с острыми краями. На фигуре представлены вид сбоку и вид сверху. Это конструктивное выполнение допускает использование менее дорогих материалов, таких как рифленый пластик. Фиг. 8 показывает, что вся конструкция должна выглядеть как плита на четырех опорах в отличие от одноопорной плиты, применяемой в других вариантах ветровых турбин. Это аналогично концепции, применяемой в легкой, но прочной башне Ролма. Таким образом, вся конструкция требует меньше материала для достижения требуемой прочности. Четырехопорная башня обладает дополнительной прочностью, а использование средств гашения вибрации с вкладышами с концентрическими втулками из резины,полиуретана или другого изолятора, абсорбера и/или демпфера, надежно скрепленных между собой, изолирует или демпфирует вибрацию,вызванную вращением лопастей, от стальной конструкции. Вкладыши следует разместить между валами и подшипниками. Втулки выпол 13 нены с возможностью восприятельного вращательного движения, так же как осевой и радиальной нагрузки. Конструктивное решение, при котором в турбине отсутствует одна центральная область, перекрываемая лопастями, допускает подход "разделяй и властвуй", т.е. подход,при котором вибрации изолируются эффективным с точки зрения стоимости методом. Ременная передача изолирует от вибраций зону установки электрооборудования. Задача изобретения заключается в том,чтобы предотвратить излишние износ и поломки, вызванные дождем или снегом, падающим на турбинную систему и приводящим к быстрой порче конструкции, включая коробление и гниение. Еще важнее то, что снижение уровня вибрации и усиление башенной несущей конструкции увеличивают на годы срок службы турбины при уменьшении ее стоимости. В то же время применение ременной передачи позволяет уменьшить проблемы с эксплуатацией МОТ,что представляет собой еще одно преимущество и задачу данного изобретения. К другим деталям данного изобретения можно также отнести 1) Использование идентичных стальных деталей для снижения стоимости; если для снижения стоимости или по инженерным причинам потребуется установка непрерывной последовательности лопастей только на 2 подшипниках(один сверху и один снизу), то ряды турбин должны быть разнесены на несколько футов так,чтобы не пересекаться со стальной конструкцией. В этом случае можно избежать установки подшипников и валов через каждые 20 футов(6,1 м). 2) МОТ может быть установлена на 50 футовую опору (15,2 м) при использовании дополнительных растяжек и тросов. Около основания полезно установить рессоры, поглощающие вибрацию. 3) Использование (квадратных или круглых) фланцев для соединения стальных деталей подобно тому, как соединяются трубы, позволит ускорить процесс сборки и уменьшить стоимость работы со стальной конструкцией. Фланцы могут иметь, а могут и не иметь болтовых соединений, подобных тем, что применяются на круглых трубах. 4) Использование лопастей типа применяемых в турбине "Виндсайд" (Windside). Такой тип турбины известен в Европе с 1979 г. 5) Использование поглотителей вибрации 42 для демпфирования вибраций в областях,показанных на фиг. 11 и 12. Поглотители вибрации содержат две концентрические втулки из резины, надежно соединенные вместе. Внутренняя втулка может быть связана с валом, а внешняя втулка может быть связана с лопастью, как показано на фиг. 11 и 12. Внутреннюю втулку поглотителя вибрации, расположенную около вала, не следует усиливать ни по какой причине. 14 Цель - увеличить гибкость поглотителя вибрации и еще больше уменьшить трение. 6) На фиг. 9 и 10 узлы поглощения вибрации 41 размещены в зоне установки подшипника, при этом поглотители вибрации содержат две концентрические втулки из резины, надежно связанные друг с другом. Внутренняя втулка может быть связана с валом, а внешняя втулка может быть связана с внутренней поверхностью подшипника. Вид сбоку на узлы 41 и 42 показан на фиг. 13. Внутреннюю втулку поглотителя вибрации, расположенную около вала, не следует усиливать ни по какой причине. Цель - увеличить гибкость поглотителя вибрации и еще больше уменьшить трение. 7) Резину или другой гибкий материал следует смешать с пеной или пластиком, применяемым для изготовления лопастей, чтобы увеличить долговечность лопастей. 8) Стальная конструкция может содержать детали из дерева или других менее дорогих материалов в областях, где более дорогая сталь может быть заменена без нарушения целостности конструкции. Параллельно длине лопастей можно также установить усилители или диффузоры, особенно в географических местах, где ветры дуют преимущественно в одном или двух направлениях. Хвостовик усилителя поможет избежать проблем передачи вибрации на конструкцию. Использование двух фланцевых подшипников 41, как показано на фиг. 9 и 12, соединенных с плоской стальной деталью, которая, в свою очередь, посредством болтового или сварного соединения прикреплена к стальной конструкции, может уменьшить или полностью снять риск несoосности при массовом производстве. Одна из особенностей изобретения заключается в том, что несущая конструкция ветровой турбины, показанная на фиг. 14, содержит стальную прямоугольную раму, имеющую высоту 130 футов (39,6 м), длину 80 футов (24,3 м) и ширину 40 футов (12,2 м). Рама закреплена на шести опорах на уровне земли. Несущая конструкция имеет 16 длинных валов диаметром 3 дюйма (7,6 см) с 16 комплектами лопастей на каждом валу. 256 комплектов лопастей 1101 (предназначенных для работы со скоростью 900 об./мин),воспринимающие энергию ветра, соединены с валами 1102 роторов, установленных в цилиндрических подшипниках 1103, закрепленных на конструкционной раме. Между балкой, являющейся частью конструкционной рамы, и каждым подшипником находятся 4 комплекта лопастей диаметром 5 футов (1,5 м). Каждый комплект узлов установки цилиндрических подшипников соединен со стальной плитой, закрепленной на стальных трубах квадратного сечения 1104 через каждые 20 футов (6,1 м) длины вала. Вал длиной 130 футов (39,6 м) соединен на уровне земли с валом 1105 зубчатой ременной 15 повышающей передачи или повышающего редуктора и в конце концов с валом 1106 генератора. Согласно изобретению многоосевая турбина может содержать управляющие средства оптимизации числа активизированных генераторов в зависимости от скорости ветра. В рассматриваемом варианте, в частности, большое число зубчатых ременных передач позволяет оптимизировать число активизированных генераторов в зависимости от скорости ветра или воздушного потока. Вес каждого вала и лопастей на нем поддерживается коническим роликовым подшипником 1107, расположенным на уровне земли. Область установки генераторов и силовых передач защищена по соображениям безопасности кожухом 1108 и кровлей 1109. Силовые передачи повышают скорость вращения валов (в 2-3 раза) с целью преобразования в генераторе механической энергии в электрическую. Управляющий блок 1110, питающийся от сети, координирует выходную мощность генераторов. Генератор (индуктивного типа) имеет скорость вращения вала 1800 об./мин. Стальная несущая конструкция закрепляется 4 комплектами растяжек (не показаны) с каждой стороны. На фиг. 15 показаны 2 лопасти на одной секции вала, что типично для турбины Дарриуса. Лопасти 1101 соединены с валом 1102. На фиг. 16 лопасти, показанные на фиг. 15, установлены на валу перпендикулярно друг к другу и последовательно друг за другом для того, чтобы снизить механические напряжения. Роликовые подшипники 1103 (фиг. 17) установлены с каждой стороны вала 1102, несущего лопасти 1101, соединенные с валом 1102. На фиг. 17 показана одна лопасть турбины Дарриуса на одной секции вала. Лопасть 1101 соединена с валом 1102. На фиг. 18 лопасти,показанные на фиг. 17, установлены под разными углами вдоль вала для уменьшения неравномерности вращения вала и связанных с этим механических напряжений. Роликовые подшипники 1103 установлены с каждой стороны вала 1102, несущего лопасти 1101, соединенные с валом 1102. Использование одной большой лопасти увеличивает твердость и эффективность конструкции, а также имеет преимущество в виде дополнительной прочности. Предпочтительное исполнение несущей конструкции из более маленьких и более тонких стальных труб, а также альтернативный вариант, включающий меньшее число более крупных труб, представлены на фиг. 19. Для более быстрой и более легкой сборки могут использоваться узлы соединения труб. Их использование ускоряет сборку и снижает стоимость работ. Рама несущей конструкции может быть изготовлена из разъемных деталей, собираемых по месту. Затем она поднимается для установки. На фиг. 20 показан один вал с комплектом лопастей внутри решетчатой башни. 16 Особенностью изобретения является плита 1120, служащая для установки валов, соединенная с рамой несущей конструкции, как показано на фиг. 21. На фигуре показаны два роликовых подшипника 1103, которые могут быть установлены рядом друг с другом или на расстоянии одного фута (0,3 м) в предпочтительном исполнении для повышения соосности валов. Плиты установки валов с двумя подшипниками размещаются на горизонтальном удлиненном элементе конструкции через каждые 20 футов (6,1 м) или на аналогичном расстоянии в предпочтительном исполнении. Дополнительной особенностью изобретения являются соединения лопастей, показанные на фиг. 22. Лопасть 1101 соединяется с консолью 1130, приваренной к валу 1102. На фиг. 23 представлен вид спереди крепления лопасти,предназначенной для массового производства,использующей болтообразный фиксатор на аналогичном болтообразном фиксаторе с другой стороны вала. Фиг. 24 показывает вид сбоку на фиксатор, соединенный с лопастью 1101 и вал 1102. На фиг. 25 показан вид сверху на кровлю с кольцевой прокладкой для защиты от погодных условий. Вал 1152 соединен с прокладкой; позиция 1150 обозначает внешний диаметр прокладки, позиция 1152 обозначает край отверстия в кровле под прокладкой. Турбина может включать узел ускорения воздушного потока (усилитель) или иметь более крупные размеры для тех случаев, когда отсутствуют преобладающие направления ветра. Необходимо отметить, что каждый из элементов, описанных выше, а также два или несколько вместе, могут найти полезное применение в других типах турбин, отличающихся от описанной выше. Поскольку изобретение проиллюстрировано и описано как турбина с вертикальными валами, нет необходимости ограничиваться только показанными на фигурах деталями, так как понятно, что специалист в данной области может использовать в устройстве различные модификации, подстановки и изменения или не использовать что-либо в формах и деталях без отступлений в любом виде от сущности настоящего изобретения. Предшествующее описание предпочтительного исполнения изобретения было представлено с целью лучшего иллюстрирования и описания. Не следует считать описание исчерпывающим или ограничивать изобретение формальными требованиями. В свете приведенного выше раскрытия возможно осуществление многих модификаций и вариантов. Объем изобретения следует ограничивать не этим детальным описанием, а пунктами формулы изобретения,сформулированными ниже. Предшествующее описание и без дальнейшего анализа настолько полно раскрывает 17 сущность настоящего изобретения, что любой читатель, обладающий современными знаниями, может адаптировать изобретение для различных приложений, не забывая отметить характерные особенности специфических и общих аспектов изобретения с точки зрения предыдущих знаний. То, что заявлено как новое и предназначено для защиты патентом, сформулировано в формуле изобретения. Хотя изобретение было описано вместе с предпочтительными вариантами исполнения,они не ограничивают объем изобретения частными примерами, но, наоборот, охватывают все альтернативы, модификации и эквиваленты,которые могут возникнуть в рамках сущности и объема изобретения, как определено в формуле изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Многоосная турбина, содержащая башенную несущую конструкцию, имеющую опору на землю и содержащую группу вертикальных удлиненных элементов конструкции, установленных соединенными посредством группы горизонтальных удлиненных элементов конструкции, группу валов, каждый их которых несет группу лопастей, предназначенных для вращения под действием ветра, так чтобы и валы вращались под действием ветра, по крайней мере,один генератор производства электроэнергии за счет энергии ветра, установленный смежно земле, и средства соединения каждого вала с генератором, причем каждый вал установлен с опорой на группу горизонтальных элементов конструкции, соединенных с валом в разнесенных по валу местах с размещением одного места опоры в верхней части каждого вала, по крайней мере, одного места опоры в нижней части каждого вала и, по крайней мере, одного места опоры в промежуточном положении между местами опор в верхней и нижней частях, при этом в каждом месте опоры вала размещен подшипник вала, а между подшипником и горизонтальным элементом конструкции размещены средства гашения вибрации и уменьшения передачи вибрации от валов к несущей конструкции. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждый вал содержит ряд секций вала. 3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что на каждой секции вала установлена, по меньшей мере, одна лопасть. 4. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что каждая секция вала имеет опору с обоих концов башенной несущей конструкции. 5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что лопасти установлены на каждом валу с возможностью перекрытия ими области с отношением высоты к диаметру больше 4. 6. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что лопасти установлены на каждом валу с возмож 003105 18 ностью перекрытия ими области с отношением высоты к диаметру, равным, по крайней мере,10. 7. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что лопасти выполнены не имеющими крутки и схождений на конус. 8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что средства гашения вибрации содержат вкладыш. 9. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит управляющие средства оптимизации числа активизированных генераторов в зависимости от скорости ветра. 10. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства соединения группы валов с генератором. 11. Турбина по п.10, отличающаяся тем,что средства соединения содержат зубчатую ременную передачу. 12. Турбина по п.8, отличающаяся тем, что средства гашения вибрации дополнительно содержат внутреннюю втулку между подшипником и вкладышем. 13. Турбина по п.12, отличающаяся тем,что внутренняя втулка установлена свободной от сцепления с подшипником или вкладышем. 14. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит средства увеличения скорости воздушного потока в зоне лопастей. 15. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кровлю, расположенную покрывающей башню с возможностью защиты валов и лопастей от факторов окружающей среды. 16. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рессоры между башней и землей. 17. Многоосная турбина, содержащая башенную несущую конструкцию, имеющую опору на землю и содержащую группу вертикальных удлиненных элементов конструкции, установленных соединенными посредством группы горизонтальных удлиненных элементов конструкции, группу валов, по крайней мере, один генератор производства электроэнергии за счет энергии ветра, установленный смежно земле, и средства соединения каждого вала с генератором, причем каждый вал имеет ряд секций и несет группу лопастей, предназначенных для вращения под действием ветра так, чтобы и валы вращались под действием ветра, с перекрытием области с отношением высоты к диаметру,равным, по крайней мере, 10, каждый вал установлен с опорой на группу горизонтальных элементов конструкции, соединенных с валом в разнесенных по валу местах с размещением одного места опоры в верхней части каждого вала,по крайней мере, одного места опоры в нижней части каждого вала и, по крайней мере, одного места опоры в промежуточном положении между местами опор в верхней и нижней частях,при этом в каждом месте опоры вала размещен 19 подшипник вала, а между подшипником и горизонтальным элементом конструкции размещены 20 средства гашения вибрации и уменьшения передачи вибрации от валов к несущей конструкции.

МПК / Метки

МПК: F03D 7/04, F04D 29/32

Метки: многоосная, турбина, варианты

Код ссылки

<a href="https://eas.patents.su/13-3105-mnogoosnaya-turbina-varianty.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Многоосная турбина (варианты)</a>

Похожие патенты