Коаксиальный ветродвигатель
F03D 9/00
F03B 13/00
Способ преодоления «предела Беца» и гибридный преобразователь возобновляемой энергии
Изобретение относится к гибридной возобновляемой энергетике, в частности к карусельным гибридным ветродвигателям и гидротурбинам с коаксиально спаренными роторами.
Изобретение может быть применено для повышения эффективности и стабилизации извлечения переменных, в том числе солнечной фотоэлектрической энергии и кинетической энергии слабых воздушных и водных течений, с помощью гибридного преобразователя на основе вертикального турбовентиляторного ветродвигателя и вертикальной компрессорной гидротурбины с принудительной циркуляцией потока, осуществляемой за счет самих возобновляемых альтернативных источников.
Возобновляемые источники энергии имеют переменные и нестабильные во времени параметры мощности. Поэтому наблюдают тенденцию поиска возможности гибридизации различных альтернативных источников, в том числе различных по энергетическим параметрам одноименного источника, приемников и преобразователей энергии в едином комплексном устройстве. Широко известны, например, авиационные, с коаксиальными жестко спаренными роторами, - турбокомпрессорные, турбовентиляторные и турбовинтовые силовые установки. Для возобновляемой энергии известен жестко спаренный гибрид ротора Дарье с ротором Савониуса, как пример поиска устройств и способов для преобразования различной, в том числе слабой, но более распространенной и вероятной энергии, для чего к этим преобразователям предъявляют все более высокие требования по КПД и коммерческой эффективности.
Известны ветродвигатели и гидротурбины карусельного типа, с большим КПД, более успешно работающие с энергетически слабыми потоками, которые имеют роторы с многочисленными лопастями большой суммарной площади, малого удлинения. На поверхностях лопастей проявляется эффект образования «присоединенной массы» в виде «подушки», - области повышенного динамического давления, то есть – дополнительной, кроме ударной, энергии взаимодействия набегающего потока с лопастью. Это подтверждает анализ «шкалы Бофорта», - парадоксальное наличие заметных динамических сил в диапазоне слабых ветров.
В отличие от пропеллерных машин, лопасти которых взаимодействуют с потоком в режиме «скольжения», со скоростью большей, чем скорость потока, лопасти карусельных машин движутся в режиме «дрейфа», попутно с потоком, со скоростью меньшей, чем скорость потока. Поэтому пропеллерные – быстроходные машины, с большими (по квадратическому закону возрастания) динамическими нагрузками, а карусельные – принципиально тихоходные малооборотные машины, с относительно малыми динамическими нагрузками, с меньшей материалоемкостью и стоимостью изготовления.
Однако, они являются самотечными роторными машинами, в которых их эффективность коррелирует со степенью торможения протекающего через них энергетического потока, максимум - до 59.3%, - до известного теоретического «предела Беца». После теоретического достижения «предела» наступает падение КПД и «помпаж», - или «закупорка» внутреннего машинного энергетического тракта (канала). Энергетический поток переориентируется на «внешнюю» траекторию обтекания,- обтекание за пределами внешнего контура приемника энергии, в соответствии с законом «сохранения массового расхода».
Но, реальные машины этого типа традиционно работают в инерциальной системе отсчета, в которой выполняются все «законы сохранения», действие вызывает противодействие и «полезная нагрузка потребителя энергии «движителя» через жесткий привод оказывает торможение на «двигатель». В результате реальный КПД этих машин далеко, как минимум в 1.5 – 2.0 раза меньше теоретического предела, а в случае преобразования слабых энергетических потоков – движитель может полностью останавливать двигатель, и энергии слабых потоков может хватать лишь для самовращения без полезной нагрузки.
За прототип принят «роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока» (евразийский патент 015696, от 2011.10.31, автор Климов В.С.). Прототип относится к гибридным карусельным машинам с коаксиально спаренными многолопастными роторами, с возможностью их раздельного вращения с разной скоростью. Лопасти внешнего «тихоходного» ротора образуют «аэродинамическую решетку», с возможностью пропуска через переднюю ее часть с наветренными лопастями, ускорения и направления «вторичного» потока на лопасти (без образования решетки) внутреннего «быстроходного» ротора для повторного отбора им вторичной энергии. Внутренний ротор, в отличие от внешнего ротора, полностью перекрывает поток, якобы для более полного извлечения кинетической энергии потока путем его максимально возможного торможения, в инерциальной системе отсчета. Далее заторможенный маломощный поток выводят наружу через решетку диаметрально противоположных многочисленных подветренных (находящихся в аэродинамической «тени») лопастей внешнего ротора.
Внутренний ротор, полностью перекрывающий вторичный поток, заторможенный полезной нагрузкой движителя, в инерциальной системе отсчета, - ограничивает массовый расход рабочего тела (энергетического потока), ограничивает «проводимость» энергетического тракта, в результате чего снижает и ограничивает эффективность коаксиального турбоагрегата, в соответствии с «теорией Беца».
Недостатком прототипа, как и всех наземных ветродвигателей также является большая весовая нагрузка роторов на их опорные подшипники.
Заявленное изобретение предназначено для решения задачи устранения или уменьшения недостатка прототипа, связанного с ограничением проводимости энергетического тракта.
При решении поставленной задачи может быть получен следующий технический результат:
во-первых, может быть получено впервые комплексное гибридное устройство стабильного извлечения и потребления возобновляемой гибридной энергии, как минимум, - энергии ветра и водных течений, а также фотоэлектрической энергии,
во-вторых, может быть получен впервые комплексный способ значительного повышения эффективности работы турбоагрегата, как способ реального приближения и преодоления «предела Беца».
Технический результат достигают тем, что в известном прототипе «роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока», содержащем коаксиальные лопастные роторы (внешний тихоходный и внутренний быстроходный), образующие комплексное устройство (модуль), согласно изобретению,
во-первых, модуль коаксиального ветродвигателя коаксиально соединяют с модулем роторной коаксиальной гидротурбины, аналогичной конструкции, но с разгрузочным гидростатическим поплавком, с возможностью установки модулей полученного гибридного коаксиального турбоагрегата в соответствующих динамичных средах, посредством несущей поплавковой многопалубной платформы квадратной формы в плане, которая, в свою очередь, имеет возможность дальнейшего модульного укрупнения идентичных агрегатов, а также имеет возможность размещения на ее верхней палубе панелей солнечных элементов,
во-вторых, гибрид из ветродвигателя и гидротурбины образует «укрупненный модуль», -единый большой маховик с большими присоединенными водными массами, - накопитель гибридной энергии, с возможностью взаимной «подпитки» (взаимного положительного влияния) вращения и работы роторов от любого из источников энергии, «мягким» аэродинамическим и гидродинамическим взаимодействием роторов, как в режиме двигателя, так и в режиме движителя, в неинерциальной системе отсчета,
в-третьих, внутренние быстроходные роторы осуществляют с возможностью легкого пропуска через себя, принудительной циркуляции с раскруткой и выброса потока далее на выход из полости внутреннего ротора, с увеличенной (за счет вращения) полной энергией, то есть с возможностью его работы в «вентиляционном», «перекачивающем» или «компрессорном» режимах, иначе – в движительном режиме, за счет энергии самих возобновляемых источников, без его торможения отбором мощности на полезную нагрузку,
в-четвертых, отбор мощности на полезную нагрузку осуществляют внешним тихоходным ротором в турбинном режиме, иначе – в двигательном режиме, с возможностью более полного извлечения увеличенной (во внутреннем роторе) энергии, за счет большого числа «затененных» лопастей внешнего ротора, подобно многолопастному ротору Савониуса.
Полученный при осуществлении изобретения первый технический результат, а именно,«получение впервые комплексного гибридного устройства стабильного извлечения и потребления возобновляемой гибридной энергии, как минимум, - энергии ветра и водных течений», а также фотоэлектрической энергии, достигают за счет того, что, согласно изобретению, измененная и расширенная совокупность существенных признаков, а именно, гибридизация (коаксиальное соединение) воздушного модуля (коаксиального ветродвигателя) с водным модулем (коаксиальной гидротурбиной), впервые осуществляет возможность установки комплексного гибридного турбоагрегата одновременно в двух разных энергетических средах, посредством несущей поплавковой многопалубной платформы квадратной формы в плане, расположенной (плавающей) на поверхности воды, на границе двух сред, по акваториям с течениями, причем квадратная форма платформы обеспечивает возможность дальнейшего модульного укрупнения устройства до значения энергетической станции, соединением идентичных гибридных агрегатов по сторонам квадратов (платформ), а наличие горизонтальной верхней палубы обеспечивает возможность размещения на ней панелей фотоэлектрических элементов, что влияет (удовлетворяет новую потребность общества) на стабильность и востребованность извлечения и потребления возобновляемой энергии новым гибридным способом и устройством.
Полученный при осуществлении изобретения второй технический результат, а именно, «получение впервые комплексного способа значительного повышения эффективности работы турбоагрегата в целом, как способа реального приближения и преодоления «предела Беца»», достигают за счет того, что, согласно изобретению, измененная и расширенная совокупность существенных признаков влияет на возможность весовой разгрузки опорных подшипников роторов за счет присоединения к ним гидростатического поплавка, на возможность свободного приема более стабильной гибридной энергии воздушных и водных потоков внутренними роторами, их передними к потоку решетками лопастей, без существенного торможения потока, в режиме «двигателя», а также на возможность последующего значительного принудительного увеличения массового расхода, скорости (циркуляции) потока, вопреки «теоретическим условиям Беца», за счет самих источников возобновляемой энергии, в том числе за счет подвода электрической энергии солнечных панелей на электропривод, на возможность увеличения энергии за счет придания потоку вращательной формы движения, с помощью других его многочисленных «затененных» лопастей, работающих в режиме «движителя», и на возможность последующего более полного извлечения увеличенной энергии многочисленными, с большой суммарной площадью, «затененными» лопастями внешнего ротора, в режиме «двигателя», в неинерциальной системе отсчета, за счет действия центробежных сил неуравновешенных вращающихся масс рабочего тела.
На фиг.1 изображено: заявленное устройство, вид сверху (в плане).
На фиг.2 изображено: заявленное устройство, вид сбоку.
Основные компоненты устройства:
во-первых, надводная поплавковая нижняя палуба 1 с запасом плавучести, квадратной формы по внешнему контуру в плане, с возможностью модульного укрупнения платформы путем соединения ее с другими идентичными платформами (модулями) по их сторонам (квадратов),
во-вторых, подводные водоизмещающие поплавковые элементы 2 (показаны не все), жестко присоединенные и расположенные под нижней палубой 1, в пределах ее внешнего квадратного контура, образующие в центре внутреннюю вертикальную цилиндрическую полость 3,
в-третьих, верхняя палуба 4 (перекрытие) размещения панелей 5 солнечных элементов, равная по форме и площади с нижней палубой 1, соединенная с ней каркасом 6,
в-четвертых, каркас 6 содержит жалюзи (не показаны) регулирования воздушного потока,
в-пятых, вертикальный цилиндрический канал (узел подшипников скольжения) 7 в центре платформы 1 и полости 3,
в-шестых, общий вертикальный вал (ось) 8 гибридного коаксиального турбоагрегата, закрепленный в подшипниках 7 нижней палубы 1 и в подшипнике 9 верхней палубы 4,
в-седьмых, коаксиальный ветродвигатель с внешним ротором 10, с лопастями 11, жестко закрепленным на валу 8, и с внутренним ротором 12, с лопастями 13, закрепленным на валу 8 посредством подшипников 14,15,
в-восьмых, коаксиальная гидротурбина с внешним ротором 16, с лопастями 17, жестко закрепленным на валу 8, и внутренним ротором 18, с лопастями 19, закрепленным на валу 8 посредством подшипников скольжения 20,21,
в-девятых, цилиндрический поплавок 22 внутреннего ротора 18 с отверстием по центру для прохождения вала 8,
в-десятых, кольцевой поплавок 23 внешнего ротора 16,
в-одиннадцатых, многочисленные стартер-генераторы 24 внешнего ротора гибридного турбоагрегата, с редуктором и фрикционным приводом, с возможностью работы как в «двигательном», так и в «генераторном» режимах,
в-двенадцатых, многочисленные реверсивные генераторы 25 внутреннего ротора коаксиального ветродвигателя, с редуктором и фрикционным приводом, с возможностью работы при реверсивном (обратном) вращении «якоря»,
в-тринадцатых, фрикционное кольцо 26 с подшипником крепления на валу 8,
в-четырнадцатых, бортовой электрический аккумулятор, конвертор и прочие изделия электрической коммутации и автоматики, которые не показаны, как несущественные признаки.
Основные процессы и приемы действий способа:
во-первых, с целью обеспечения стабильности потребления возобновляемой энергии, осуществляют гибридизацию, увеличивают ее разнообразие, как по видам, так и по мощности, в том числе утилизируют энергию малой мощности, как более вероятную во времени, а именно, - фотоэлектрическую энергию, энергию слабых ветров и слабых водных течений, с помощью соответствующих разнообразных модулей комплексного устройства,
во-вторых, осуществляют как одновременные взаимозависимые, так и раздельные независимые преобразование, генерацию и потребление различных видов энергии, с помощью комплексного гибридного преобразователя возобновляемой энергии, с возможностью работы модулей и роторов его коаксиального турбоагрегата в неинерциальной системе отсчета, с высокой циркуляцией потока по внутреннему энергетическому тракту внутреннего ротора, с высокой эффективностью извлечения кинетической энергии потока многочисленными лопастями внешнего ротора,
в-третьих, взаимодействие модулей осуществляют по принципу «подсвечивания», подобно тому, как сжигают в топках низкосортный уголь вместе с небольшим количеством газа, то есть работа отдельного модуля помогает старту и работе других модулей, что важно в случаях малой энергии источников,
в-четвертых, осуществляют снижение потерь трения в опорных подшипниках путем их разгрузки (уравновешивания) гидростатической (выталкивающей) силой цилиндрического 22 и кольцевого 23 поплавков роторов гидротурбины.
Устройство работает следующим образом.
При наличии только солнца, электричество солнечных панелей 5 накапливают в бортовом электрическом аккумуляторе.
При наличии только слабого ветра, решетка наветренных лопастей неподвижного (из-за слабости ветра) внешнего ротора 10 коаксиального ветродвигателя пропускает и направляет поток на наветренные лопасти внутреннего ротора 12.
Внутренний ротор 12 одновременно принимает кинетическую энергию передними к маломощному потоку лопастями, то есть преобразует ее в режиме «двигателя», в энергию давления «воздушной подушки», под воздействием которого вращается, и одновременно, выталкивает заторможенные воздушные массы «затененными» лопастями, то есть в режиме «движителя» вентилирует воздушный тракт, не допуская его «закупорки», улучшая его «проводимость».
Энергии вращения внутреннего ротора 12 достаточно для привода маломощного генератора 25 через фрикционное кольцо 26, в инерциальной системе отсчета, электроэнергию которого, затем, накапливают в бортовом электрическом аккумуляторе.
При наличии только водного течения, одновременно решетка передних к потоку лопастей внешнего ротора 16 коаксиальной гидротурбины принимает часть энергии косого удара «плотного», по сравнению с воздухом, водного потока, то есть под воздействием этих ударных импульсов внешний ротор16 вращается в режиме «двигателя», и одновременно, решетка лопастей внешнего ротора пропускает и направляет поток на передние лопасти внутреннего ротора 18.
Внутренний ротор 18 «повторно» принимает другую часть кинетической энергии «плотного» потока передними к потоку лопастями, то есть под ударным воздействием потока внутренний ротор 18 вращается в режиме «двигателя», и одновременно, в режиме «движителя» «затененными» лопастями внутренний ротор 18 сообщает потоку дополнительную энергию вращения и генерирует центробежные силы неуравновешенных водных масс, которые, под воздействием этих центробежных сил, то есть в режиме «движителя», внутренний ротор 18 выбрасывает в направлении от центра на периферию, в виде «вторичного» более мощного потока, ударные импульсы которого принимает внешний ротор 16, в режиме «двигателя», своими «затененными» лопастями, усиливая свое вращение.
Затем механическую энергию вращения внешнего ротора 16 преобразуют в электричество, с помощью генераторов 24, и накапливают в бортовом аккумуляторе.
При наличии одновременно двух возобновляемых источников, водного потока и ветра, фрикционный привод электродвигателя 25 стопорят, внешний ротор 16 обкатывает опорные фрикционные ролики по фрикционному кольцу 26, которые, в свою очередь, сообщают движение на внутренний ротор 18, причем с большей, чем у внешнего ротора, скоростью, тем самым осуществляют интенсивный режим вентиляции внутреннего воздушного тракта, ускорение потока и последующее эффективное извлечением его увеличенной вторичной кинетической энергии затененными лопастями внешнего ротора 16, в неинерциальной системе отсчета.
При наличии всех трех видов возобновляемых источников, их энергии суммируют на валу 8 и, с помощью генераторов 24, накапливают электрическую энергию в бортовом аккумуляторе и (или) далее преобразуют и передают ее потребителю, причем энергию солнечных панелей и бортового электрического аккумулятора передают на реверсивный электродвигатель 25 с фрикционным приводом роторов 16 и 18, получая максимальную эффективность гибридного устройства и способа.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ преодоления предела Беца, или способ повышения извлечения кинетической энергии воздушного и (или) водного потоков коаксиальным преобразователем, содержащий,
во-первых, принудительное, за счет энергии возобновляемых источников, вентилирование внутреннего энергетического тракта с увеличением в нем массового расхода и проводимости, а именно, принудительное закручивание потока, одновременно передними к потоку лопастями внешнего ротора, в режиме неинтенсивного демпфирования косого ударного взаимодействия потока и криволинейных лопастей, и одновременно прямыми лопастями внутреннего ротора, в режиме интенсивного прямого ударного взаимодействия, с увеличением скорости циркуляции и энергии вращения потока, с генерированием центробежных сил неуравновешенных масс потока, за счет обратимого режима работы лопастей внутреннего ротора,
-передних к потоку лопастей - в «двигательном» режиме, а
-задних к потоку «затененных» лопастей – в «движительном» режиме,
во-вторых, последующее более эффективное извлечение увеличенной вторичной энергии, в неинерциальной системе отсчета, внешним ротором, на его многочисленных «затененных» лопастях большой суммарной площади.
2. Гибридный преобразователь возобновляемой энергии для реализации способа повышения его эффективности, содержащий
во-первых, надводную многопалубную поплавковую платформу из модулей квадратной формы в плане, с возможностью укрупнения платформы путем наращивания количества модулей и соединения их по сторонам квадратов,
во-вторых, гибрид коаксиального ветродвигателя и коаксиальной гидротурбины с разгрузочным гидростатическим поплавком, с общим вертикальным валом, размещенный на нижней палубе платформы, в соответствующих динамичных средах,
в-третьих, панели солнечных фотоэлектрических элементов, размещенные на верхней палубе платформы, причем,
коаксиальный ветродвигатель и коаксиальная гидротурбина содержат коаксиальные внешние и внутренние роторы, с возможностью передачи своего вращения от воздействия энергетического потока на соответствующие многочисленные электрические машины, генераторы и электродвигатели,
- внешние роторы, прикрепленные жестко на общем валу, с решеткой многочисленных изогнутых лопастей большой суммарной площади, с возможностью окружной деформации искривления потока и взаимодействия с ним, как в двигательном, так и в движительном режимах «косого удара», в зависимости от азимутального их положения к потоку,
- внутренние роторы с возможностью независимого вращения на подшипниках вокруг общего вала внешних роторов, с решеткой многочисленных прямых лопастей большой суммарной площади, с возможностью взаимодействия с потоком, как в двигательном, так и движительном режимах «прямого удара», в зависимости от азимутального их положения к потоку.
F03D 9/00
F03B 13/00
РЕФЕРАТ
Мелкодисперсная возобновляемая энергия во многих своих формах привлекательна для потребителей своей большей суммарной распространенностью и альтернативной вероятностью наличия, в результате чего все более востребованы гибридные энергетические устройства, с возможностью постоянного и длительного накопления малыми, но более вероятными порциями возобновляемой энергии, резервирования и сохранения стабильного потребления энергии малыми порциями, от альтернативных источников, с возможностью более эффективного извлечения этих малых порций, с меньшими потерями, то есть со значительно более высоким КПД, чем в известных самотечных преобразователях с «пределом Беца», с торможением энергетического потока во внутреннем тракте (канале), с извлечением энергии в инерциальной системе отсчета, с торможением динамичного приемника энергии полезной нагрузкой.
Перечисленные проблемы и задачи решает заявленный способ и устройство его реализации. А именно, комплексное устройство извлечения кинетической энергии воздушных и водных потоков (ветра и течений), а также (по совместительству) солнечной энергии, с возможностью дальнейшей гибридизации с другими известными источниками и технологиями извлечения энергии, представляет собой водоплавающую поплавковую модульную (из множества идентичных модулей легких в изготовлении) многопалубную платформу
с гибридным коаксиальным малооборотным турбоагрегатом, работающим в двух динамичных средах, -
с коаксиальным ветродвигателем (на этажах между нижней и верхней палубами) и
с коаксиальной гидротурбиной (под нижней палубой), с разгрузочным гидростатическим поплавком, а также,
с солнечными панелями фотоэлектрических элементов (на верхней палубе),
с возможностью накопления и хранения их энергии в бортовом электрическом аккумуляторе.
Главными существенными и отличительными признаками изобретения являются,
во-первых, не самотечная (по прототипу с «ограничением Беца»), а принудительная циркуляция с вращением энергетического потока по внутреннему тракту (через полость внутреннего разгонного ротора) преобразователя кинетической энергии, за счет подвода к внутреннему ротору малой части энергии какого-либо источника, в том числе за счет альтернативной солнечной энергии, в том числе за счет энергии бортового электрического аккумулятора, в перспективе возможного развития изобретения, - в том числе за счет какого-либо иного источника энергии,
во-вторых, отбор энергии потребителем с большим КПД, без торможения потока по внутреннему тракту, без торможения внутреннего ротора полезной нагрузкой, в неинерциальной системе отсчета, за счет воздействия центробежных сил неуравновешенных масс вращающегося потока на многочисленные, с большой суммарной площадью, лопасти внешнего ротора гибридного коаксиального турбоагрегата.
F03B 13/00
Способ преодоления «предела Беца» и гибридный преобразователь возобновляемой энергии
Изобретение относится к гибридной возобновляемой энергетике, в частности к карусельным гибридным ветродвигателям и гидротурбинам с коаксиально спаренными роторами.
Изобретение может быть применено для повышения эффективности и стабилизации извлечения переменных, в том числе солнечной фотоэлектрической энергии и кинетической энергии слабых воздушных и водных течений, с помощью гибридного преобразователя на основе вертикального турбовентиляторного ветродвигателя и вертикальной компрессорной гидротурбины с принудительной циркуляцией потока, осуществляемой за счет самих возобновляемых альтернативных источников.
Возобновляемые источники энергии имеют переменные и нестабильные во времени параметры мощности. Поэтому наблюдают тенденцию поиска возможности гибридизации различных альтернативных источников, в том числе различных по энергетическим параметрам одноименного источника, приемников и преобразователей энергии в едином комплексном устройстве. Широко известны, например, авиационные, с коаксиальными жестко спаренными роторами, - турбокомпрессорные, турбовентиляторные и турбовинтовые силовые установки. Для возобновляемой энергии известен жестко спаренный гибрид ротора Дарье с ротором Савониуса, как пример поиска устройств и способов для преобразования различной, в том числе слабой, но более распространенной и вероятной энергии, для чего к этим преобразователям предъявляют все более высокие требования по КПД и коммерческой эффективности.
Известны ветродвигатели и гидротурбины карусельного типа, с большим КПД, более успешно работающие с энергетически слабыми потоками, которые имеют роторы с многочисленными лопастями большой суммарной площади, малого удлинения. На поверхностях лопастей проявляется эффект образования «присоединенной массы» в виде «подушки», - области повышенного динамического давления, то есть – дополнительной, кроме ударной, энергии взаимодействия набегающего потока с лопастью. Это подтверждает анализ «шкалы Бофорта», - парадоксальное наличие заметных динамических сил в диапазоне слабых ветров.
В отличие от пропеллерных машин, лопасти которых взаимодействуют с потоком в режиме «скольжения», со скоростью большей, чем скорость потока, лопасти карусельных машин движутся в режиме «дрейфа», попутно с потоком, со скоростью меньшей, чем скорость потока. Поэтому пропеллерные – быстроходные машины, с большими (по квадратическому закону возрастания) динамическими нагрузками, а карусельные – принципиально тихоходные малооборотные машины, с относительно малыми динамическими нагрузками, с меньшей материалоемкостью и стоимостью изготовления.
Однако, они являются самотечными роторными машинами, в которых их эффективность коррелирует со степенью торможения протекающего через них энергетического потока, максимум - до 59.3%, - до известного теоретического «предела Беца». После теоретического достижения «предела» наступает падение КПД и «помпаж», - или «закупорка» внутреннего машинного энергетического тракта (канала). Энергетический поток переориентируется на «внешнюю» траекторию обтекания,- обтекание за пределами внешнего контура приемника энергии, в соответствии с законом «сохранения массового расхода».
Но, реальные машины этого типа традиционно работают в инерциальной системе отсчета, в которой выполняются все «законы сохранения», действие вызывает противодействие и «полезная нагрузка потребителя энергии «движителя» через жесткий привод оказывает торможение на «двигатель». В результате реальный КПД этих машин далеко, как минимум в 1.5 – 2.0 раза меньше теоретического предела, а в случае преобразования слабых энергетических потоков – движитель может полностью останавливать двигатель, и энергии слабых потоков может хватать лишь для самовращения без полезной нагрузки.
За прототип принят «роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока» (евразийский патент 015696, от 2011.10.31, автор Климов В.С.). Прототип относится к гибридным карусельным машинам с коаксиально спаренными многолопастными роторами, с возможностью их раздельного вращения с разной скоростью. Лопасти внешнего «тихоходного» ротора образуют «аэродинамическую решетку», с возможностью пропуска через переднюю ее часть с наветренными лопастями, ускорения и направления «вторичного» потока на лопасти (без образования решетки) внутреннего «быстроходного» ротора для повторного отбора им вторичной энергии. Внутренний ротор, в отличие от внешнего ротора, полностью перекрывает поток, якобы для более полного извлечения кинетической энергии потока путем его максимально возможного торможения, в инерциальной системе отсчета. Далее заторможенный маломощный поток выводят наружу через решетку диаметрально противоположных многочисленных подветренных (находящихся в аэродинамической «тени») лопастей внешнего ротора.
Внутренний ротор, полностью перекрывающий вторичный поток, заторможенный полезной нагрузкой движителя, в инерциальной системе отсчета, - ограничивает массовый расход рабочего тела (энергетического потока), ограничивает «проводимость» энергетического тракта, в результате чего снижает и ограничивает эффективность коаксиального турбоагрегата, в соответствии с «теорией Беца».
Недостатком прототипа, как и всех наземных ветродвигателей также является большая весовая нагрузка роторов на их опорные подшипники.
Заявленное изобретение предназначено для решения задачи устранения или уменьшения недостатка прототипа, связанного с ограничением проводимости энергетического тракта.
При решении поставленной задачи может быть получен следующий технический результат:
во-первых, может быть получено впервые комплексное гибридное устройство стабильного извлечения и потребления возобновляемой гибридной энергии, как минимум, - энергии ветра и водных течений, а также фотоэлектрической энергии,
во-вторых, может быть получен впервые комплексный способ значительного повышения эффективности работы турбоагрегата, как способ реального приближения и преодоления «предела Беца».
Технический результат достигают тем, что в известном прототипе «роторный коаксиальный ветродвигатель и способ повышения кинетической энергии потока», содержащем коаксиальные лопастные роторы (внешний тихоходный и внутренний быстроходный), образующие комплексное устройство (модуль), согласно изобретению,
во-первых, модуль коаксиального ветродвигателя коаксиально соединяют с модулем роторной коаксиальной гидротурбины, аналогичной конструкции, но с разгрузочным гидростатическим поплавком, с возможностью установки модулей полученного гибридного коаксиального турбоагрегата в соответствующих динамичных средах, посредством несущей поплавковой многопалубной платформы квадратной формы в плане, которая, в свою очередь, имеет возможность дальнейшего модульного укрупнения идентичных агрегатов, а также имеет возможность размещения на ее верхней палубе панелей солнечных элементов,
во-вторых, гибрид из ветродвигателя и гидротурбины образует «укрупненный модуль», -единый большой маховик с большими присоединенными водными массами, - накопитель гибридной энергии, с возможностью взаимной «подпитки» (взаимного положительного влияния) вращения и работы роторов от любого из источников энергии, «мягким» аэродинамическим и гидродинамическим взаимодействием роторов, как в режиме двигателя, так и в режиме движителя, в неинерциальной системе отсчета,
в-третьих, внутренние быстроходные роторы осуществляют с возможностью легкого пропуска через себя, принудительной циркуляции с раскруткой и выброса потока далее на выход из полости внутреннего ротора, с увеличенной (за счет вращения) полной энергией, то есть с возможностью его работы в «вентиляционном», «перекачивающем» или «компрессорном» режимах, иначе – в движительном режиме, за счет энергии самих возобновляемых источников, без его торможения отбором мощности на полезную нагрузку,
в-четвертых, отбор мощности на полезную нагрузку осуществляют внешним тихоходным ротором в турбинном режиме, иначе – в двигательном режиме, с возможностью более полного извлечения увеличенной (во внутреннем роторе) энергии, за счет большого числа «затененных» лопастей внешнего ротора, подобно многолопастному ротору Савониуса.
Полученный при осуществлении изобретения первый технический результат, а именно,«получение впервые комплексного гибридного устройства стабильного извлечения и потребления возобновляемой гибридной энергии, как минимум, - энергии ветра и водных течений», а также фотоэлектрической энергии, достигают за счет того, что, согласно изобретению, измененная и расширенная совокупность существенных признаков, а именно, гибридизация (коаксиальное соединение) воздушного модуля (коаксиального ветродвигателя) с водным модулем (коаксиальной гидротурбиной), впервые осуществляет возможность установки комплексного гибридного турбоагрегата одновременно в двух разных энергетических средах, посредством несущей поплавковой многопалубной платформы квадратной формы в плане, расположенной (плавающей) на поверхности воды, на границе двух сред, по акваториям с течениями, причем квадратная форма платформы обеспечивает возможность дальнейшего модульного укрупнения устройства до значения энергетической станции, соединением идентичных гибридных агрегатов по сторонам квадратов (платформ), а наличие горизонтальной верхней палубы обеспечивает возможность размещения на ней панелей фотоэлектрических элементов, что влияет (удовлетворяет новую потребность общества) на стабильность и востребованность извлечения и потребления возобновляемой энергии новым гибридным способом и устройством.
Полученный при осуществлении изобретения второй технический результат, а именно, «получение впервые комплексного способа значительного повышения эффективности работы турбоагрегата в целом, как способа реального приближения и преодоления «предела Беца»», достигают за счет того, что, согласно изобретению, измененная и расширенная совокупность существенных признаков влияет на возможность весовой разгрузки опорных подшипников роторов за счет присоединения к ним гидростатического поплавка, на возможность свободного приема более стабильной гибридной энергии воздушных и водных потоков внутренними роторами, их передними к потоку решетками лопастей, без существенного торможения потока, в режиме «двигателя», а также на возможность последующего значительного принудительного увеличения массового расхода, скорости (циркуляции) потока, вопреки «теоретическим условиям Беца», за счет самих источников возобновляемой энергии, в том числе за счет подвода электрической энергии солнечных панелей на электропривод, на возможность увеличения энергии за счет придания потоку вращательной формы движения, с помощью других его многочисленных «затененных» лопастей, работающих в режиме «движителя», и на возможность последующего более полного извлечения увеличенной энергии многочисленными, с большой суммарной площадью, «затененными» лопастями внешнего ротора, в режиме «двигателя», в неинерциальной системе отсчета, за счет действия центробежных сил неуравновешенных вращающихся масс рабочего тела.
На фиг.1 изображено: заявленное устройство, вид сверху (в плане).
На фиг.2 изображено: заявленное устройство, вид сбоку.
Основные компоненты устройства:
во-первых, надводная поплавковая нижняя палуба 1 с запасом плавучести, квадратной формы по внешнему контуру в плане, с возможностью модульного укрупнения платформы путем соединения ее с другими идентичными платформами (модулями) по их сторонам (квадратов),
во-вторых, подводные водоизмещающие поплавковые элементы 2 (показаны не все), жестко присоединенные и расположенные под нижней палубой 1, в пределах ее внешнего квадратного контура, образующие в центре внутреннюю вертикальную цилиндрическую полость 3,
в-третьих, верхняя палуба 4 (перекрытие) размещения панелей 5 солнечных элементов, равная по форме и площади с нижней палубой 1, соединенная с ней каркасом 6,
в-четвертых, каркас 6 содержит жалюзи (не показаны) регулирования воздушного потока,
в-пятых, вертикальный цилиндрический канал (узел подшипников скольжения) 7 в центре платформы 1 и полости 3,
в-шестых, общий вертикальный вал (ось) 8 гибридного коаксиального турбоагрегата, закрепленный в подшипниках 7 нижней палубы 1 и в подшипнике 9 верхней палубы 4,
в-седьмых, коаксиальный ветродвигатель с внешним ротором 10, с лопастями 11, жестко закрепленным на валу 8, и с внутренним ротором 12, с лопастями 13, закрепленным на валу 8 посредством подшипников 14,15,
в-восьмых, коаксиальная гидротурбина с внешним ротором 16, с лопастями 17, жестко закрепленным на валу 8, и внутренним ротором 18, с лопастями 19, закрепленным на валу 8 посредством подшипников скольжения 20,21,
в-девятых, цилиндрический поплавок 22 внутреннего ротора 18 с отверстием по центру для прохождения вала 8,
в-десятых, кольцевой поплавок 23 внешнего ротора 16,
в-одиннадцатых, многочисленные стартер-генераторы 24 внешнего ротора гибридного турбоагрегата, с редуктором и фрикционным приводом, с возможностью работы как в «двигательном», так и в «генераторном» режимах,
в-двенадцатых, многочисленные реверсивные генераторы 25 внутреннего ротора коаксиального ветродвигателя, с редуктором и фрикционным приводом, с возможностью работы при реверсивном (обратном) вращении «якоря»,
в-тринадцатых, фрикционное кольцо 26 с подшипником крепления на валу 8,
в-четырнадцатых, бортовой электрический аккумулятор, конвертор и прочие изделия электрической коммутации и автоматики, которые не показаны, как несущественные признаки.
Основные процессы и приемы действий способа:
во-первых, с целью обеспечения стабильности потребления возобновляемой энергии, осуществляют гибридизацию, увеличивают ее разнообразие, как по видам, так и по мощности, в том числе утилизируют энергию малой мощности, как более вероятную во времени, а именно, - фотоэлектрическую энергию, энергию слабых ветров и слабых водных течений, с помощью соответствующих разнообразных модулей комплексного устройства,
во-вторых, осуществляют как одновременные взаимозависимые, так и раздельные независимые преобразование, генерацию и потребление различных видов энергии, с помощью комплексного гибридного преобразователя возобновляемой энергии, с возможностью работы модулей и роторов его коаксиального турбоагрегата в неинерциальной системе отсчета, с высокой циркуляцией потока по внутреннему энергетическому тракту внутреннего ротора, с высокой эффективностью извлечения кинетической энергии потока многочисленными лопастями внешнего ротора,
в-третьих, взаимодействие модулей осуществляют по принципу «подсвечивания», подобно тому, как сжигают в топках низкосортный уголь вместе с небольшим количеством газа, то есть работа отдельного модуля помогает старту и работе других модулей, что важно в случаях малой энергии источников,
в-четвертых, осуществляют снижение потерь трения в опорных подшипниках путем их разгрузки (уравновешивания) гидростатической (выталкивающей) силой цилиндрического 22 и кольцевого 23 поплавков роторов гидротурбины.
Устройство работает следующим образом.
При наличии только солнца, электричество солнечных панелей 5 накапливают в бортовом электрическом аккумуляторе.
При наличии только слабого ветра, решетка наветренных лопастей неподвижного (из-за слабости ветра) внешнего ротора 10 коаксиального ветродвигателя пропускает и направляет поток на наветренные лопасти внутреннего ротора 12.
Внутренний ротор 12 одновременно принимает кинетическую энергию передними к маломощному потоку лопастями, то есть преобразует ее в режиме «двигателя», в энергию давления «воздушной подушки», под воздействием которого вращается, и одновременно, выталкивает заторможенные воздушные массы «затененными» лопастями, то есть в режиме «движителя» вентилирует воздушный тракт, не допуская его «закупорки», улучшая его «проводимость».
Энергии вращения внутреннего ротора 12 достаточно для привода маломощного генератора 25 через фрикционное кольцо 26, в инерциальной системе отсчета, электроэнергию которого, затем, накапливают в бортовом электрическом аккумуляторе.
При наличии только водного течения, одновременно решетка передних к потоку лопастей внешнего ротора 16 коаксиальной гидротурбины принимает часть энергии косого удара «плотного», по сравнению с воздухом, водного потока, то есть под воздействием этих ударных импульсов внешний ротор16 вращается в режиме «двигателя», и одновременно, решетка лопастей внешнего ротора пропускает и направляет поток на передние лопасти внутреннего ротора 18.
Внутренний ротор 18 «повторно» принимает другую часть кинетической энергии «плотного» потока передними к потоку лопастями, то есть под ударным воздействием потока внутренний ротор 18 вращается в режиме «двигателя», и одновременно, в режиме «движителя» «затененными» лопастями внутренний ротор 18 сообщает потоку дополнительную энергию вращения и генерирует центробежные силы неуравновешенных водных масс, которые, под воздействием этих центробежных сил, то есть в режиме «движителя», внутренний ротор 18 выбрасывает в направлении от центра на периферию, в виде «вторичного» более мощного потока, ударные импульсы которого принимает внешний ротор 16, в режиме «двигателя», своими «затененными» лопастями, усиливая свое вращение.
Затем механическую энергию вращения внешнего ротора 16 преобразуют в электричество, с помощью генераторов 24, и накапливают в бортовом аккумуляторе.
При наличии одновременно двух возобновляемых источников, водного потока и ветра, фрикционный привод электродвигателя 25 стопорят, внешний ротор 16 обкатывает опорные фрикционные ролики по фрикционному кольцу 26, которые, в свою очередь, сообщают движение на внутренний ротор 18, причем с большей, чем у внешнего ротора, скоростью, тем самым осуществляют интенсивный режим вентиляции внутреннего воздушного тракта, ускорение потока и последующее эффективное извлечением его увеличенной вторичной кинетической энергии затененными лопастями внешнего ротора 16, в неинерциальной системе отсчета.
При наличии всех трех видов возобновляемых источников, их энергии суммируют на валу 8 и, с помощью генераторов 24, накапливают электрическую энергию в бортовом аккумуляторе и (или) далее преобразуют и передают ее потребителю, причем энергию солнечных панелей и бортового электрического аккумулятора передают на реверсивный электродвигатель 25 с фрикционным приводом роторов 16 и 18, получая максимальную эффективность гибридного устройства и способа.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ преодоления предела Беца, или способ повышения извлечения кинетической энергии воздушного и (или) водного потоков коаксиальным преобразователем, содержащий,
во-первых, принудительное, за счет энергии возобновляемых источников, вентилирование внутреннего энергетического тракта с увеличением в нем массового расхода и проводимости, а именно, принудительное закручивание потока, одновременно передними к потоку лопастями внешнего ротора, в режиме неинтенсивного демпфирования косого ударного взаимодействия потока и криволинейных лопастей, и одновременно прямыми лопастями внутреннего ротора, в режиме интенсивного прямого ударного взаимодействия, с увеличением скорости циркуляции и энергии вращения потока, с генерированием центробежных сил неуравновешенных масс потока, за счет обратимого режима работы лопастей внутреннего ротора,
-передних к потоку лопастей - в «двигательном» режиме, а
-задних к потоку «затененных» лопастей – в «движительном» режиме,
во-вторых, последующее более эффективное извлечение увеличенной вторичной энергии, в неинерциальной системе отсчета, внешним ротором, на его многочисленных «затененных» лопастях большой суммарной площади.
2. Гибридный преобразователь возобновляемой энергии для реализации способа повышения его эффективности, содержащий
во-первых, надводную многопалубную поплавковую платформу из модулей квадратной формы в плане, с возможностью укрупнения платформы путем наращивания количества модулей и соединения их по сторонам квадратов,
во-вторых, гибрид коаксиального ветродвигателя и коаксиальной гидротурбины с разгрузочным гидростатическим поплавком, с общим вертикальным валом, размещенный на нижней палубе платформы, в соответствующих динамичных средах,
в-третьих, панели солнечных фотоэлектрических элементов, размещенные на верхней палубе платформы, причем,
коаксиальный ветродвигатель и коаксиальная гидротурбина содержат коаксиальные внешние и внутренние роторы, с возможностью передачи своего вращения от воздействия энергетического потока на соответствующие многочисленные электрические машины, генераторы и электродвигатели,
- внешние роторы, прикрепленные жестко на общем валу, с решеткой многочисленных изогнутых лопастей большой суммарной площади, с возможностью окружной деформации искривления потока и взаимодействия с ним, как в двигательном, так и в движительном режимах «косого удара», в зависимости от азимутального их положения к потоку,
- внутренние роторы с возможностью независимого вращения на подшипниках вокруг общего вала внешних роторов, с решеткой многочисленных прямых лопастей большой суммарной площади, с возможностью взаимодействия с потоком, как в двигательном, так и движительном режимах «прямого удара», в зависимости от азимутального их положения к потоку.
F03D 9/00
F03B 13/00
РЕФЕРАТ
Мелкодисперсная возобновляемая энергия во многих своих формах привлекательна для потребителей своей большей суммарной распространенностью и альтернативной вероятностью наличия, в результате чего все более востребованы гибридные энергетические устройства, с возможностью постоянного и длительного накопления малыми, но более вероятными порциями возобновляемой энергии, резервирования и сохранения стабильного потребления энергии малыми порциями, от альтернативных источников, с возможностью более эффективного извлечения этих малых порций, с меньшими потерями, то есть со значительно более высоким КПД, чем в известных самотечных преобразователях с «пределом Беца», с торможением энергетического потока во внутреннем тракте (канале), с извлечением энергии в инерциальной системе отсчета, с торможением динамичного приемника энергии полезной нагрузкой.
Перечисленные проблемы и задачи решает заявленный способ и устройство его реализации. А именно, комплексное устройство извлечения кинетической энергии воздушных и водных потоков (ветра и течений), а также (по совместительству) солнечной энергии, с возможностью дальнейшей гибридизации с другими известными источниками и технологиями извлечения энергии, представляет собой водоплавающую поплавковую модульную (из множества идентичных модулей легких в изготовлении) многопалубную платформу
с гибридным коаксиальным малооборотным турбоагрегатом, работающим в двух динамичных средах, -
с коаксиальным ветродвигателем (на этажах между нижней и верхней палубами) и
с коаксиальной гидротурбиной (под нижней палубой), с разгрузочным гидростатическим поплавком, а также,
с солнечными панелями фотоэлектрических элементов (на верхней палубе),
с возможностью накопления и хранения их энергии в бортовом электрическом аккумуляторе.
Главными существенными и отличительными признаками изобретения являются,
во-первых, не самотечная (по прототипу с «ограничением Беца»), а принудительная циркуляция с вращением энергетического потока по внутреннему тракту (через полость внутреннего разгонного ротора) преобразователя кинетической энергии, за счет подвода к внутреннему ротору малой части энергии какого-либо источника, в том числе за счет альтернативной солнечной энергии, в том числе за счет энергии бортового электрического аккумулятора, в перспективе возможного развития изобретения, - в том числе за счет какого-либо иного источника энергии,
во-вторых, отбор энергии потребителем с большим КПД, без торможения потока по внутреннему тракту, без торможения внутреннего ротора полезной нагрузкой, в неинерциальной системе отсчета, за счет воздействия центробежных сил неуравновешенных масс вращающегося потока на многочисленные, с большой суммарной площадью, лопасти внешнего ротора гибридного коаксиального турбоагрегата.