ME00679B - Poboljšana turbina - Google Patents

Abstract

Turbina (30) na neki fluid za izvlačenje energije iz nekog pokretnog fluida, posebno pogodna kao turbina vazduh, obuhvata rotor(30) postavljen na nekoj nosećoj strukturi (31) tako da se obrće oko jedne horizontalne ose (39), pri čemu rotor (32) ima veći broj lopatica (37) koje se pružaju prema napred i prema napolje sa jedne glavčine (36), i jednu prstenastu oplatu (38) pričvršćenu za lopatice (37) na njihovim krajevima i koja može obrtati sa lopaticama (37) oko ose. Prstenasta oplata (38) ima bar na jednom  mestu na svom obimu jedan radijalni presek oblikovan tako da u radu obrazuje cirkularni protok (60) oko tog poprelnog preseka u smeru u kojem će povećati brzinu protoka fluida između prstenaste oplate (38) i glavčine (38).

Description

OBLAST U KOJU SPADA PRONALAZAK

Pronalazak se pronalak uopšteno odnosi na turbine na neki fluid. Tačnije, pronalazak se odnosi na turbinu na vetar, mada može isto da radi na pogon sa drugim fluidima, kao što je, na primer, voda.

PROBLEM KOJI SE REŠAVA PRONALASKOM

Mašine za izvlačenje energije vetra poznate su stolećima. Prvi tipovi, poznati kao vetrenjače , korišćeni su da pokreću mlinove za mlevenje žita i za slične primene. Obično su imale rotor sa više lopatica ili platnena jedra i sredstva za usmeravanje rotora prema vetru kada je potrebno, kao i za postavljanje na nož ili za savijanje lopatica ili jedara kada nisu potrebni ili kaa je suviše jak vetar. Bile su grube i nedovoljno efikasne. Mnoge su bile veoma velike da bi mogle generi-sati koristljive količine mehaničke energije.

Primene u poljoprivredi kao i neke druge primene u kojims se zahtevao rad mehaničkih naprava kao što su pumpe, dovele su do razvoja novih i poboljčanih mašina za uprezanje snage vetra. Jedan se primer još uvek vrlo često sreće u vidu običnih "vetrenjača" za pumpanje bunarske vode za pojenje stoke. Te mašine obično imaju rotor sa izvesnim brojem jednostavnih limenih lopatica i pokreću mehaničke uređaje neposredno preko zupčanika. Bile su (i jesu) obično manjeg prečnika rotora i efikasnije od prvobitnih vetrenjača, a rotori im rade nešto većim brzinama. Predviđeni su mehanizmi za pomeranje lopatica kako bi se rotor postavio u pravac vetra i pogodno se orijentisao da bi se izbeglo oštećenje od jakih vetrova.

Sa razvojem električne tehnologije razvijene su mašine koje pretvaraju energiju vetra u električnu energiju posredstvom generatora, Ovaj je razvoj počeo sa malim mašinama koje su korišćene za snabdevanje električnom energijom udaljenih područja, ali je sada postao mnogo važniji, tako da se mnoge mašine velikih kapaciteta koriste za snabdevanje električnih mreža na velikim područjima zajedno sa termoelektranama na ugalj i drugim vrstama elektrana. Bolje upoznavanje sa protokom fluida u 19. i 20. veku dovelo je do razvoja novih vrsta mašina i do bolje tehnike projektovanja. Pojam "vetrenjača" povukao se pred "vazdušnom turbinom" za većinu primena kako su se mašine razvijale po usavršenosti i dimenzijama.

Mada su razvijene mašine kod kojih je obrtna osa rotora vertikalna (npr. poznati modeli Darrieus-a i Savonius-a), najčešćtip turbine na vetar ima rotor sa horizontalnom obrtnom osom i malim brojem lopatica, tako da rotor podseća na avionsku elisu. Takve su turbine na vetar sa horizontalnom osovinom građene u velikim dimenzijama sa veoma usavršenom konstrukcijom.

Ipak, primena velikog broja turbina ovog tipa za generisanje energije još uvek je ekonomski marginalna i sporna, kako zbog njihove veličine , često ružnog izgleda, buke pa čak i ometanja prenosa na rađio-frekvencijama izazvanog velikim rotirajućim krakovima, ili lopaticama. Takođe njihova složenost sama po sebi stvara problem da tekuće održavanje može biti skupo i teško, tako da veoma mnogo utiče na troškove održavnja tokom radnog veka a takođe i na mogućnost njihovog korišćenja u nekim mestima gde nema odgovarajućih stručnjaka za njihovo održavanje.

Cilj je ovog pronalaska da se poduhvati sa ovim problemima. Turbina na vetar ovde prikazana relativno je jednostavna, robusna, laka i srazmerno jeftina za izradu i održavanje u predviđenim veličinama. Ipak se veruje da imaiznenađu-juću efikasnost tako da je u stanju da obezbedi korisne količine električne energije pri predviđenoj veličini i opsegu cene. Dalje se veruje da ima zadovoljavajuća svojstva u pogledu buke i prihvatljiv izgled. Iako baš nema teoretski najveću moguću efikasnost, veruje se da turbina prema ovom pronalasku predstavlja korisnu alternativu drugim postojećim tipovima turbin baš zbog ove kombinacije svojstava.

POSTOJEĆE STANJE TEHNIKE

Ovaj je pronalazak zasnovan na pokušaju da se poboljša turbina na vetar koju je objavio Kobden (Cobden) u SAD patentu br. 4415306 i u australijskom patentu br. 563265 (u daljem tekstu Kobdenova turbina na vetar). Kako je opisano u sledećem tekstu, ova se mašina radikalno razlikuje od konvencionalnih vazdušnih turbina sa horizontalnom osom tzv. "velikobrzinskog" tipa koje imaju dve ili tri radijalne lopatice u obliku elise, a koje se često koriste za generisanje električne energije, i od "sporohodnog" tipa koji ima veći broj radijalnih lopatica a tipičan im je primer zemljoradnička vetrenjača za pumpanje vode. Mada je tiha i vizuelno prihvatljiva, veruje se da se performanse Kobdenove turbine mogu poboljšati.

Turbine na vetar slične Kobdenovoj turbini opisao je Aylor u SAD patentu br. 4781523 tvrdeći da su efikasnije. Jedno izvođenje, veoma slično Kobdenovoj turbini, imalo je brojne lopatice raspoređene po periferiji rotora, a čija je dužina bila paralelna obrtnoj osi rotora pri čemu je napravljena aerodina-mička obloga koja usmerava vazduh da teče radijalno kroz lopatice. Kod drugog izvođenja, rotor je imao lopatice koje su se pružale prema napred i prema spolja od jedne glavčine, pri čemu je vazduh strujao prema napolje i unazad kroz lopatice. Kod oba izvođenja, bila je specificirana posebna veza između površine ulaza vazduha i površine izlaza vazduha i smera protoka, što će kasnije biti rasmat-rano. Nijedno od ovih izvođenja nije smatrano za naročito jeftino ili jednostavno za izradu zbog zahtevanog oblika usmerivača protoka i tela nosača rotora. SAD patent br. 4684316 (Karlsson) opisuje jednu donekle sličnu konstrukciju za koju se smatralo da će verovatno biti skupa kad se radi o velikim dimenzijama i da će imati velike aerodinamičke gubitke zbog neobrtnih delova ispred rotora.

Bile su opisane brojne turbine na vetar kod kojih je trebalo da se ostvari veća efikasnost nego kod turbina konvencionalnih tipova, tako što će se zatvoriti rotor sa lopaticama u jedan kanal sa dizuforskim odsekom iza rotora. To omogućuje brži protok kroz lopatice što bi, prema mišljenju prijavioca, moglo biti efikasnije za generisanje snage, a smanjilo bi gubitke na vrhu lopatica. Neki su primeri prikazani u SAD patentima br. 4021135, 4075500, 4132499, 4324985, 4422820.

Međutim, Kling u SAD patentu Br. 4147472 ukazuje da cena većine konstrukcija sa kanalima teži da bude ekonomski neprihvatljiva, čak i kada se ostvari poboljšanje performsnsi. Kling opisuje jedan pokroven rotor veoma malih dimenzija, kod koga obloga ima oblik prstena sa poprečnim presekom u vidu aerodinamičkog preseka koji razvija sile uzgona koje deluju radijalno na unutra. Taj je prsten pričvršćen na konvencijalne radijalne lopatice i sa njima se obrće. Prsten nešto malo duži u smeru protoka od samih lopatica, pa zato može biti relativno jeftin. Tvrdi se da je đejstvo te prstenaste obloge da razvije jedan prstenasti vrtlog koji povećava brzinu protoka kroz lopatice bez potrebe za dugačkim difuzorom iza njih. Ta je prstenasta obloga opisana kao dodatak kovencionalnim rotorima sa radijanim lopaticama turbina na vetar.

KRATAK PRIKAZ PRONALASKA

Prema pronalasku, ostvarena je jedna fluidna turbina za izvlačenje energije iz jednog pokretnog fluida, a koja obuhvata:

rotor postavljen na jednu noseću strukturu radi obrtanja oko jedne horizontalne ose, pri čemu taj rotor ima više lopatica koje se pružaju prema napred i prema napolje iz jedne glavčine, i

jednu prstenastu aerodinamičku oblogu pričvršćenu na njihovim krajevima koja se može obrtati zajedno sa pomenutim lopaticama oko pomenute obrtne ose, pri čemu je ta prstenasta aerodinamička oplata koncentrična sa pomenutom obrtnom osom,

s tim što pomenuta prstenasta aerodinamička oplata (dalje: prstenasta oplata) ima bar na jednom mestu po obimu radijalni poprečni presek oblikovan tako da tokom rada pomenute turbine ostvari cirkulatorni protok oko pome-nutog poprečnog preseka u takvom smeru da poveća brzinu protoka između pomenaste prstenaste oplate i pomenute glavčine.

Ppželjno je da na pomenutom bar na jednom mestu po obimuna pomenutoj prstenastoj oplati ta prstenasta oplata u toku rada pomenute turbine razvije jednu aerodinamičku silu usmerenu prema unutra i prema nazad od pomenute prstenaste oplate.

Poželjno je da ta prstenasta oplata ima ravnomeran poprečni presek u suštini po ćelom obimu pomenute prstenaste oplate.

Kod jednog posebno pogodnog izvođenja, poprečni presek pomenute prstenste oplate tako je oblikovan, dimenzionisan i orijentisan da je ovaj cirkulatorni protok dovoljan da bar delimično pomeri tu promenu smera fluida u odnosu na pomenutu lopaticu zbog povećanja tangencijalne brzine lopatice sa porastom poluprečnika pomenute lopatice.

Pomenuta glavčina može imati u suštini konusni oblik sa uglom konusa u opsegu od 60° do 120°. Pogodnije da je taj ugao konusa u opsegu od 80° do 100°. Konusna glavčina ima prednost lake izrade.

Izlazne ivice pomenutih lopatica u toku rada turbine kreću se tako da obrazuju jednu bar pribličnu konusnu površinu. Poželjno je da ta konusna površina preseca jednu spoljnu površinu pomenute glavčine pod oko 90° kada se obe ove površine posmatraju u poprečnom preseku u jednoj radijalnoj ravni koja sadrži pomenutu obrtnu osu. Ovo najbolje obezbeđuje da je protok blizu unutrašnji krajeva lopatica u suštini poprečan na njih. Međutim, pomenuta konusna površina može presecati jednu spoljnu površinu pomenute glavčine pod jednim uglom u opsegu od oko 75° do oko 90° kada se obe pomenute površine posmatraju u preseku u jednoj radijalnoj ravni koja obuhvata pomenutu obrtnu osu.

Smatra se zadovoljavajućim (mada ne i bitnim) da svaka od lopatica ima konstantan oblik poprečnog preseka ćelom svojom dužinom.

Poželjno je da prstenasta obloga ima poprečni presek približno jednak arodinamičkom profilu. Poželjno je da taj aerodinamički profil ima liniju krivine koja je konkavna na strani naspram lopatica. Međutim, prstenasta oplata može biti načinjena od lima tako da poprečni presek oplate bude lučnog oblika. Tada je poželjno je da taj lučni oblik konkavan na strani naspram lopatica.

Kod jednog preporučljivog izvođenja, pomenuta prstenasta oplata ima napadnu i izlaznu ivicu, a rastojanje između njih je, kada se posmatra u jednoj radijalnoj ravni koja obuhvata pomenutu obrtnu osu, manje od dvostruke dužine tetive svake od lopatica. To jest, prstenasta oplata ima vrlo malu dimenziju u smeru protoka fluida.

Pronalazak će biti detaljnije opisan sa pozivom na preporučljivo izvođenje, mada opisano izvođenje nije namenjeno da ograniči opseg pronalaska. Pri tome se poziva na priložene crteže, gde

- slika 1 prikazuje izgled u perspektivi jedne poznate turbine na vetar,

- slika 2 predstavlja poprečni presek turbine na vetar prikazane na slici 1, a duž jedne vertikalne ravni koja obuhvata obrtno osu rotora turbine,

- slika 3 prikazuje bočni izgled, delimično u preseku, turbine na vetar prema ovom pronalasku, pri čemu je presek u jednoj vertikalnoj ravni koja obuhvata obrtnu osu rotora turbine,

- slika 4 prikazuje bočni izgled turbine na vetar, prikazane na slici 3, postavljene na tornju na kome se koristi,

- slika 5 prikazuje pogled spreda na turbinu na vetar sa slike 3, postavljenu na toranj na kome se koristi,

- slika 6 predstavlja pogled spreda na rotor turbine na vetar prikazane na slici 3, sa vidljivo naznačenim konturama lopatica koje se normalno ne vide,

- slika 7 predstavlja presek rotora sa slike 6 duž linije "AA" sa te slike,

- slika 8 predstavlja delimičan izgled glavčine i jedne lopatice rotora prikazanog na šlicu 7, gledano u smeru strelice "B" na toj slici,

- slika 9 predstavlja poprečni presek lopatice prikazane na slici 8 duž linije "FF" sa te slike,

- slika 10 predstavlja poprečni presek, u jednoj tački po obimu, prstenaste oplate rotora prikazanog na slici 7,

- slika 11 predstavlja dijagram poređenja koeficijenata snage nekoliko turbina na vetar, uključujući turbinu na vetar prikazanu na slici 3,

- slika 12 predstavlja dijagram koji prikazuje koeficijente snage u funkciji odnosa brzine vrha za model u razmeri obrtnog dela turbine prikazane na slici 3, pri apsolutnoj brzini vetra od 41 km/h, a

- slika 13 predstavlja dijagram koji prikazuje koeficijente snage u funkciji odnosa brzine vrha za model u razmeri obrtnog dela turbine prikazane na slici 3, pri apsolutnoj brzini vetra od 46 km/h.

DETALJAN OPIS JEDNOG PREPORUČLJIVOG IZVOĐENJA

Na slikama 1 i 2 prikazana je turbina 1 na vetar kako je prikazao Kobden u SAD patentu 4415306 i u australijskom patentu br. 563265 (Kobdenova turbina na vetar).

Na ovim je slikama prikazana turbina 1 koja ima radno kolo 2 postavljeno na vratilo 3 oslonjeno u ležište 4. Ležište 4 je oslonjeno na okvir 5, a turbina 1 postavljena je na jedno vratilo oslonjeno na ležaj 7. Pogon sa turbinskog kola 2 u ovom izvođenju jeste jedan frikcioni točak 8 pričvršćen na pogonsko vratilo 9 koje prolazi nadole kroz postolje 6 i od koga se može dobiti pokretačka energija.

Turbinsko radno kolo 2 ima više lopatica 10 na koje je pričvršćena prednja oplata 11. Lopatice 10 pričvršćene su na radno kolo 2 turbine i pružaju se prema napred, pri čemu na svojim prednjim krajevima nose oplatu 11 koja se tako obrće sa lopaticama 10. U ovom su primeru lopatice 10 obrazovane od lima sa krajnjim prirubnicama 21 kojima se lopatice 10 ugrađuju na turbinsko kolo 2 i na koje se pričvršćuje oplata 11.

Turbinsko radno kolo 2 opremljeno je konusnom odbojnom površinom 20 koja je takođe postavljena na vratilo 3 i povezana je sa turbinskim radnim kolom 2 uz lopatice 10.

Turbina 1 dalje obuhvata jedno šuplje aerodinamički oblikovano telo 12, na kome je postavljen rep 13, tako da će se turbina brzo i kontinualno orijentisati u glavni protok (tj. tako da se vratilo 3 poravna sa smerom protoka vazduha).

Dve su prednosti Kobdenove turbine 1 u odnosu na prethodne turbine na vetar bile njena relativno jednostavna konstrukcija, posebno u vezi sa oblikom lopatica i njen tihi rad. Smatralo se poželjnim da se te prednosti zadrže pri razvoju jedne poboljšane turbine na vetar.

Na slici 3 prikazana je turbina 30 na vetar prema jednom poželjnom izvođenju ovog pronalasku pri čemu je prikaz ekvivalentan prikazu sa slike 2. Turbina 30 na vetar obuhvata izvestan broj karakteristika koje su slične onima iz Kobdenove turbine prikazane na slikama 1 i 2. Međutim, nekoliko karakteristika su značajno različite.

Slično Kobdenovoj turbini 1, turbina 30 na vetar ima šuplje telo 31. Rotor 32 postavljen je na vratilo 33 na prednjem kraju tela 31a vratilo 33 oslonjeno je na ležajeve (nisu prikazani) unutar tela 31 radi obrtanja oko ose 39. Vratilo 33 može se koristiti za pokretanje jednog električnog generatora, pumpe ili nekog drugog uređaja koji troši energiju (nije prikazan) na poznat način. Slike 4 i 5 prikazuju turbinu 30 postavljenu na vrh kule 34 gde će se koristiti. Turbina 30 postavljena je tako da je obrtna oko vertikalne ose 35 u kuli, a na nosećoj gredi 45 postavljen je rep 36 koji obezbeđuje automatsko postavljanje turbine 30 u smer 41 vetra, tj. sa poravnanim vratilom 33 i pravcem 41 vetra, a na poznat način. Rep 36 i noseća greda 45 mogu se okretati oko vertikalne ose 61 da bi se obezbedio promenljiv ugao između ose 39 i pravca vetra kada je potrebno da se izbegne prekomerna brzina u uslovima jakog vetra ili do tačke kada rotor potpuno prestane da se obrće da bi se izbeglo oštećenje u ekstremnim uslovima.

Ugrađuje se jedan pogodan regulator (nije prikazan) na bazi jednog mikroprocesora, ili sličnog, i programira se da automatski menja ugao kada se turbina 30 koristi, aktiviranjem pogodnog mehaničkog pogona (nije prikazan) koji okreće rep 36 i noseću gredu 45.

U toku rada osa 39 ostaje horizontalna.

Rotor 32 obuhvata konusnu glavčinu 36, a od glavčine pruža se prema napolje i prema nazad izvestan broj lopatica 37. Lopatice 37 nisu pojedinačno prikazane na slici 3 ili na slici 4. Umesto toga prikazana je u poprečnom preseku na jednoj vertikalnoj ravni koja obuhvata osu 39, jedna zapremina 44 (prikazana šrafurom) u obliku jedne konusne površine koju prebrišu lopatice 37 pri obrtanju rotora 32. Svaka od lopatica 37 pričvršćena je na svom prednjem i spoljnem kraju za prstenastu oplatu 38 koja je koaksijalna sa osom 39 i glavčinom 36, tako da se oplata 38 obrće sa glavčinom 36 i lopaticama 37. Ravan prstenaste oplate 38 upravna je na osu 39.

Slike 6 i 7 prikazuju samo rotor 32 u pogledu spreda i sa strane, pri čemu su prikazane i pojedinačne lopatice 37. Neke od linija koje se inače ne vide ostavljene su na slikama 6 i 7, a na slici 7 izostavljeni su detalji strukture unutar glavčine 30. Ugrađeno je trideset (30) lopatica 37. Lopatice 37 ravnomerno su raspoređene po obimu, imaju konstantnu tetivu i nisu uvrnute po dužini. Lopatice 37 pružaju se skoro upravno iz konusne površine 42 glavčine 36 blizu zadnje ivice 43 glavčine 36. Glavčina 36 ima oblik konusa sa uglom vrha "w" od 90°.

Slika 8 prikazuje jednu lopaticu 37a na glavčini 36. Sve su lopatice 37, uključujući i lopaticu 37a, identične i identično su ugrađene na glavčinu 36. Lopatica 37a ugrađena je tako da je njena izlazna ivica 46 postavljena pod uglom od 6,5° u odnosu na radijalnu ravan 51 koja sadrži osu 39, posmatrano u smeru strelice "B". Strelica 47 pokazuje smer obrtanja rotora 32. Izlazna ivica 46 tokom obrtanja rotora 32 prebriše jednu konusnu površinu sa uglom konusa od 90°.

Slika 9 predstavlja poprečni presek lopatice 37a, i prikazuje da je konstantan poprečni presek lopatice 37a jedan jednostavan kružni odsečak. Isto tako je prikazan ugaoni položaj lopatice 37a u odnosu na jednu zamišljenu ravan 48 koja sadrži izlaznu ivicu 46 i jednu liniju 51 od vrha glavčine 36 duž njene konusne površine do izlazne ivice 48 lopatice 37a. Lopatice 37, čiji je poprečni presek jednostavan kružni luk, lako se izrađuju od lima, jednostavno i jeftino. Kako je prikazano, svaka je tačkasto zavarena za okov 49 za pričvršćenje korena lopatice i za okov 50 za pričvršćenje vrha korena lopatice, pri čemu su okovi 49 i 50 zavrtnjima pričvršćeni na glavčinu 36 i za prstenastu oplatu 38. Treba napomenuti da lopatice 37 mogu biti izrađene od lima sa lučnim oblikom kod koga se poluprečnik krivine menja između napadne i izlazne ivice.

Slika 10 prikazuje poprečni presek, u jednoj tipičnoj tački na obimu, prstenaste oplate 38. Kada se posmatra njen poprečni presek duž prečnika, ta oplata ima oblik jednog aerodinamičkog profila 40, postavljenog tako da je svaka ostvarena sila aerodinamičkog uzgona u nekoj tački prstenaste oplate 38 usme-rena na unutra i prema nazad kada je osa 39 poravnana sa smerom 41 vetra. Prstenasta oplata ima isti aerodinamički profil 40 po ćelom obimu. Spoljna površina 52 aerodinamičkog profila 40 ima oblik zarubljene kupe sa uglom nagiba od 30° u odnosu na osu 39. Linija 55 krivine aerodinamičkog profila 40 konveksna je prema unutra i prema nazad, tako da su aerodinamičke uzgonske sile usmerene

na unutra i prema nazad. Za veliki opseg veličina, pogodan postupak za izradu prstenaste oplate 38 sa aerodinamičkim profilom jeste da se koristi odlivak 58 od staklenih vlakana i limeni prsten 57. Međutim, stručnjak će sagledati brojne druge mogućnosti. Smatra se da jednostavan limeni prsten, obrazovan sa krivinom sličnom krivini 55, može ostvariti prihvatljive performanse uz manji trošak.

Šuplje telo 31 turbine 30 na vetar ima jednostavan cilindričan deo 58 i zaobljen zadnji deo 59. Treba napomenuti da prednji deo 58 nije zaobljen da bi se ulio u konturu glavčine 36. To omogućuje manje i jeftinije šuplje telo nego što bi inače bilo traženo.

Specifična geometrija turbine 30, kako je napred opisana, korišćena je u jednoj detaljnoj kompjuterskoj simulaciji njenih performansi. Takav pristup može danas da obezbedi verodostojnu procenu stvarnih performansi turbine. Isto je učinjeno za Kobdenovu turbinu kako je opisana u US patentu br. 4415396. Proračunate performanse turbine 30 i Kobdenove turbine poređene su međusobno i sa objavljenim performansama nekih drugih tipova turbina na vetar.

Kao što je dobro poznato u ovoj oblasti, jedna turbina na vetar može se racionalno porediti sa drugima određivanjem njenog bezdimenzionog koeficijenta snage u funkciji njenog bezdimenzionog odnosa maksimalnih brzina. Ako su te veličine konzistentno definisane između mašina, iste se mogu neposredno porediti bez obzira na veličinu.

Bezdimenzioni koeficijent snage Cp definisan je kao

a bezdimenzioni odnos maksimalnih brzina, TSR, kao

p je genensana snaga,

ρ je gustina vazduha

A je projektovana površina turbine upravno na tok slobodne struje u je brzina slobodne struje vetra

R0 je spoljni prečnik generatora, a

ω je ugaona brzina prstena lopatica.

Slika 11 prikazuje rezultate poređenja performansi ovde prikazane turbine na vetar, nekih drugih poznatih turbina i jedan "idealan" rezultat. Prikazane su sledeće krive:

"Savonius" - podaci o ispitivanju u aerodinamičkom tunelu Savonius-ovog rotora sa dve lopatice, koje su objavili Blackvvell i dr., u Sandia Laboratories Report No. SAND76-0131, jul 1997 (sa slike 15 iz tog izveštaja),

"Darrieus" - podaci o ispitivanju u radu u pravoj veličinu jedne 17 m visoke Darrieus-ve turbine koje je objavio Worstell, Sandia National Laboratories Report No. SAND79-1753 (sa slike 2 iz tog izveštaja,

"Cobden" - ispitivanja u aerodinamičkom tunelu jednog modela Kobde-nove turbine koja su objavili Akbarzadeh i dr. iz Royal Melbourne Institute of Technology, Australia, Department of Manufacturing and Process Engineering.

"Glauert Low Speed" i "Glauert High Speed" - rezultati ispitivanja modela sporohodnih i brzohodnih turbina na vazduh konvencionalnog propelerskog tipa, koje navodi Glauert u "Aerodynamic Theory", W.F. Durand, urednik, Dover Publications Ine, Division L, Poglavlje 11, slika 103 (pri čemu su vrednosti koeficijenta snage korigovane da bi se kompenzovala različita definicija te veličine koju je koristio Glauert kako bi se omogućilo korektno poređenje sa drugim prikazanim krivama),

"Ideal" - teoretska granica performansi za jednu idealnu turbinu na vetar konvencionalnog propelerskog tipa, koju je takođe prikazao Glauert na slici 103 napred navedene publikaccije,

"Invention" - procenjena kriva performansi pripremjena od strane WBM Pty Ltd, konsultantske firme, na osnovu rezultata njihove kompjuterske simulacije dinamike fluida ovde opisane turbine na vetar, izvršena koristeći FLUENT 5.5 paket programa.

WBM Pty Ltd izvršilo je simulaciju modela Kobdenove turbine koristeći sopstveni paket programa poznat kao FLUENT 5.5, kao proveru i pokazalo se da se dobro slaže sa eksperimentalnim rezultatima prikazanim na slici 11.

Treba skrenuti pažnju na značaj krive "Ideal". Zasniva se na pojednostavljenoj teoriji turbina na vetar propelerskog tipa prema Betz-u (videti napred pomenutu knjigu Klauert za opis te teorije) i to je, u stvari, jedna gornja anvelopa koeficijenta maksimalne snage koje bi takve mašine mogle dostići ako bi se "idealne" performanse stvarno mogle dostići. Za turbinu na vetar propelerskog tipa, posebno onu sa nepromenljivom geometrijom lopatica, ne može se očekivati da dostigne ovu krivu u ćelom opsegu maksimalnih brzina, činjenica koja je ilustrovana razlikama u rezultatima za brzohodne i sporohodne mašine koje je dao Glauert. Krive na slici 11 (osim krive "Ideal") date su za određene geometrije rotora i veruje su da su reprezentativne za praksu u ovoj oblasti. Ipak, sve se ove krive mogu u nekoj meri modifikovati modifikovanjem geometrije rotora.

Slika 11 prikazuje da se od turbine 30 na vetar očekuje da će imati mnogo bolje performase generisanja energije od Kobden i Savonius turbina. Pored togam performanse su uglavnom bolje nego kod sporohodnih mašina koje navodi Glauert. Pri odnosu maksimalnih brzina jednakom 1, dobija se oko 80% raspoložive maksimalne snage (na bazi "Ideal" krive). Za turbine projektovane za sraz-merno veće odnose maksimalnih brzina poznato je da su u opštem slučaju efikasnije, ali da teže da imaju manji početni obrtni moment (videti Glauert, napred citiran rad), što je nedostatak u praksi zbog problema puštanja u rad pri slabijem vetru. Sledeća je prednost sporohodnih mašina u tome što mogu biti robusnije, pouzdanije i lakše za održavanje, što se uočava kod običnih poljoprivrednih vetrenjača. (Glauertov primer sporohodne turbine može biti predstavnik takvih vetrenjača.)

Čak i da se prihvati kao činjenica da jedna savremena, sporohodna konvencionalna konstrukcija može raditi nešto bolje od one koju navodi Glauert, očekivane su performanse turbine 30 na vetar iznenađujuće, a posebno ako se uzme u obzir jednostavna konstrukcija ove turbine, na primer korišćenje jednostavnih netordiranih lopatica, i jednostavan oblik tela 31 i glavčine 36. Nema sumnje da se dalje poboljšanje može ostvariti primenom lopatica složenijeg aero-dinamičkog profila ako je cena opravdana.

Da bi se delimično potvrdile performanse turbine na vetar sa slike 3, načinjen je smanjeni model obrtnog dela i ispitan je u jednom velikom aerodinamičkom tunelu. Linearni faktor smanjenja modela iznosio je 13,7% os pune veličine. Koeficijen snage meren je u funkciji odnosa maksimalnih brzina (obe veličine definisane kao napred) na nekoliko apsolutnih brzina vetra (korigovanih na tunelsku blokadu). Slike 12 i 13 prikazuju rezltate dobijene za korigovane apsolutne brzine vetra od 41 km/h i 46 km/h. Dve grupe rezultata odgovaraju Rejnoldsovim brojevima (na bazi maksimalne tetive lopatica propelera) od 32,9 x IO3odnosno 36,9 x IO3. Rejnoldsov je broj indikacija relativnog značaja aerodinamičkih sila i sila trenja vazduha, a načinjeni su što je moguće većim u ovim ispitivanjim na malim modelima da bi se što je moguće više prišlo onima kod mašina u punoj veličini. (Normalno nije moguće da se dostigne Rejnoldsov broj koji je za važeći za pravu veličinu.) Rezultati za dva Rejnoldsova broja stvarno se razlikuju u tom pravcu da ukazuju (ekstrapo-lacijom) da se još bolje performanse mogu očekivati od mašine u pravoj veličini (pošto su bolje performanse dobijene pri većim Rejnoldsovim brojevima). Rezul-tati ukazuju da se može očekivati da će turbina sa slike 3 imati izvanredne performanse. To je pokazano poređenjem rezultata sa rezultatima prikazanim na slici 11.

Sledi opis rada turbine 30 na vetar i faktora za koje se najverovatnije može smatrati da doprinose njenim iznenađujuće dobrim performansama.

Kada je turbina 30 okrenuta vetru, vazduh struji u smeru ose 39 kroz prstenastu oplatu 38. Potom se usmerava glavčinom 36 na jednu uglavnom konusnu putanju, pa onda teče kroz lopatice 37 u smeru uglavnom upravnom na njihovu dužinu. Vazduh posle napuštanja lopatica 37 postepeno se vraća da bi se poravnao sa opštim smerom protoka.

Primena lopatica 37 nagnutih napred i prema napolje ima prednost što se veća ukupna površina lopatica može obezbediti unutar jednog opšteg prečnika nego kod jedne konvencionalne turbine na vetar sa radijalnim lopaticama, čime se smanjuju troškovi na strukturu. Dalje je sa nagnutim lopaticama 37 koje se pružaju iz relativno velike glavčine 36, stepen varijacije tangencijalne brzine (usled obrtanja) tačaka po dužini lopatica manji nego kod konvencionalne turbine na vetar istog prečnika sa radijalno postavljenim lopaticama. Time se smanjuju gubici u performansama zbog primene jednostavnih, neuvijenih lopatica 37, pošto je potrebno manje uvijanje lopatica da bi se održao optimalan napadni ugao ćelom dužinom lopatica 37.

Prstenasta je oplata 38 postavljena da brzo skrene ulazni vazduh prema napolje kod spoljnih krajeva lopatica 37, tako da su spoljni krajevi sposobni da generišu aerodinamički uzgon, a time i obrtni moment rotora, i da bar ograniče svaku komponentu protoka duž (umesto popreko) lopatica 37. Sekundarna dobit je to što prstenasta oplata 38 sprešava značajne gubitke snage zbog odvajanja vrtloga sa vrha koje se javlja na vrhovima nepokrivenih lopatica. Prstenasta oplata 38 u tom smislu deluje slično tzv. "krajnjim pločama" na krilu aviona.

Međutim, smatra se primena prstenaste oplate 7 neočekivano pruža još jednu korist. Prvo, kako je opisao Klin (videti napred), prstenasta oplata oblikovana kao aerodinamički profil, kada se ugradi i razvija sile uzgona po svom obimu, razvija kružni protok oko svake tačke na svojoj periferiji. Kako je prstenasta oplata 38 oblikovana tako da su te uzgonske sile usmerene na unutra, taj je protok u tom smislu prikazan strelicom 60 na slikama 3 i 10, i tako ubrzava protok vazduha prema napolje i unazad kroz lopatice 37, čime se povećava intenzitet tog efekta prema spoljnim krajevima lopatica 37. Istovremeno se tangencijalna brzina tačaka na lopaticama 37 usled rotacije povećava prema njihovim spoljnim krajevima, tj. sa povećanjem radijusa. Bez prstenaste oplate ovaj bi drugi efekat zahtevao uvijanje lopatice da bi se održalo optimalno opterećenje svake od lopatica 37. Efekat cirkulacionog protoka oko prstenaste oplate 38 bar je delimično ublažen ovom povećanom tangencijalnom brzinom i tako je smanjena potreba za takvim uvijanjem. Veruje se da je to razlog zašto se jednostavne neuvijene lopatice 37 bolje pokazuju u turbini nego što bi se inače očekivalo. Kada se to jednom sagleda, oblik i dimenzije aerodinamičkog profila 40 mogu se birati inače rutinskim postupcima ili tzv. sistemom proba-greška od strane stručnjaka za projektovanje turbina na vetar da bi se postigle zadovolja-ajuće performanse sa jednostavnim lopaticama.

Treba napomenuti da je glavni razlog za postavljanje prstenaste oplate 38 (skretanje protoka prema napolje) potpuno različit od onoga koji je inspirisao Kling-a ali neočekivano smanjuje potrebu nagnute lopatice budu uvijene po dužini i zato teže za izradu. Dalje je oblik prstenaste oplate 38 potpuno različit od onoga koji predlaže Aylor (videti napred) kod svog izvođenja sa nagnutim lopaticama (videti sliku 7 iz US patenta br. 4781523). Aylor uzima prstenastu oplatu sa prema napolje zakrivljenim poprečnim presekom koja stvara prema napolje i prema napred usmerene sile uzgona, tačno suprotno od onoga što vrši prstenasta oplata 38. To je učinjeno da se izlazni vazduh skrene unazad da bi se glatko kretao preko šupljeg tela (Aylor-ova oznaka 43) i da se smanji površina poprečnog preseka kanala na izlazu. Turbina 30 na vazduh ne čini ni jedno ni drugo. Takođe treba reči s-da je Aylor-ova prstenasta oplata znatno veća i nešto komplikovanijeg oblika od prstenaste oplate 38, što povećava troškove izrade.

Mogu se vršiti mnoge varijacije bez odstupanja od duha i opsega ovog pronalaska. Posebno se mogu koristiti uobičajeni postupci (napr. kompjuterske simulacije mehanike fluida) da bi se poboljšalo projektovanje turbina na vazduh opšteg oblika turbine 30 na vetar u pogledu veće efikasnosti, ili da se njihova konstrukcija prilagodi nekim posebnim uslovima, a da se zadrže napred opisane koristi. To bi obično zahtevalo usavršenije lopatice i/ili aerodinamični profil prstenaste oplate ukoliko bi dodatni troškovi bili opravdani.

Drugi parametri koji se mogu menjati obuhvataju ugao konusa glavčine 36, oblik glavčine 36 (jednostavni je konus poželjniji zbog lake izrade), tetivu lopatice, dužinu, suženje, površinu i ugao nagiba lopatice prema glavčini 36.

Druga je mogućnost da se prihvati nešto veći prečnik za šuplje telo 31 i obezbedi gladak prelaz glavčine 36 u šuplje telo 31. Smatra se da se može postići izvesno poboljšanje performansi.

S druge strane, može biti moguće da se turbina 30 na vetar pojednostavi i pojeftini zamenom prstenaste oplate 31 jednostavnijom limenom oplatom, poželjno ispupčenom, bez nekog većeg pogoršanja performansi.

Svakako se podrazumeva da se ovde prikazani pronalazak može primeniti u drugim primenama u kojima se želi izvlačiti energija iz neke pokretne struje fliuda.

Claims (18)

1.    Turbina na neki fluid za izvlačenje energije iz nekog pokretnog fluida, koja obuhvata: rotor postavljen na nekoj nosećoj strukturi tako da se obrće oko jedne horizontalne ose, pri čemu pomenuti rotor ima veći broj lopatica koje se pružaju prema napred i prema napolje sa jedne glavčine, i jednu prstenastu oplatu pričvršćenu za pomenute lopatice na njihovim krajevima i koja se može obrtati sa tim lopaticama oko pomenute ose, pri čemu je ta prstenasta oplata koncentrična sa pomenutom obrtnom osom, naznačena time, što pomenuta prstenasta oplata ima bar na jednom mestu na svom obimu jedan radijalni presek oblikovan tako da u radu pomenute turbine obrazuje cirkularni protok oko pomenutog poprelnog preseka u smeru u kojem će povećati brzinu protoka fluida između pomenute prstenaste oplate i pomenute glavčine.

2.    Turbina prema zahtevu 1, naznačena time, što na bar jednom mestu na svom obimu pomenuta prstenasta oplata razvija u toku rada pomenute turbine jednu aerodinamičku silu usmerenu na unutra i unazad.

3.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 ili 2, naznačena time, što pomenuta prstenasta oplata ima uniformni poprečni presek u suštini po ćelom obimu te prstenaste oplate.

4.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 3, naznačena time, što je poprečni presek pomenute prstenaste oplate tako oblikovan, dimenzionisan i orijentisan da je pomenuti cirkulacioni protok dovoljan da bar delimično kompenzuje promenu smera protoka fluida u odnosu na neku lopaticu zbog povećanja tangencijalne brzine lopatice sa povećanjem radijusa te lopatice.

5.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što je pomenuta glavčina u suštini konusnog oblika sa uglom konusa u opsegu od 60° do 120°.

6.    Turbina prema zahtevu 5, naznačena time, što je pomenuti ugao konusa u opsegu od 80° do 100°.

7.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što izlazne ivice pomenutih lopatica u radu pomenute turbine prebrišu jednu bar približno konusnu površinu.

8.    Turbina prema zahtevu 7, naznačena time, što pomenuta konusna površina preseca jednu spoljnu površinu pomenute glavčine pod uglom od oko 75° do oko 90° kada se obe pomenute površine posmatraju u poprečnom preseku u jednoj radijalnoj ravni koja obuhvata pomenutu obrtnu osu.

9. Turbina prema zahtevu 7, naznačena time, što pomenuta konusna površina preseca spoljnu površinu pomenute glavčine pod od oko 90° kada se obe pomenute površine posmatraju u poprečnom preseku u jednoj radijalnoj ravni koja obuhvata pomenutu obrtnu osu.

10. Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što svaka od pomenutih lopatica ima u suštini konstantan poprečni presek ćelom svojom dužinom.

11.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što svaka od pomenutih lopatica ima poprečni presek u obliku aerodinamičkog profila.

12.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što je svaka od pomenutih lopatica neuvijana ćelom svojom dužinom.

13.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što je svaka od pomenutih lopatica obrazovana od lima i ima lučni poprečni presek.

14.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što je poprečni presek pomenute prstenaste oplate bar približno oblika aerodinamičkog profila.

15.    Turbina prema zahtevu 14, naznačena time, što pomenuti aerodinamički oblik ima konkavnu krivinu na strani koja je naspramna pomenutim lopaticama.

16.    Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što je pomenuta prstenasta oplata načinjena od lima i što je poprečni presek pomenute prstenaste oplate lučnog oblika.

17.    Turbina prema zahtevu 16, naznačena time, što je pomenuti lučni oblik konkavan na strani koja je naspramna pomenutim lopaticama.

18. Turbina prema ma kom od zahteva 1 do 4, naznačena time, što poprečni presek pomenute prstenaste oplate ima ima napadnu i izlaznu ivicu, i što je rastojanje između pomenute napadne i izlazne ivice, gledano u radijalnoj ravni koja obuhvata pomenutu obrtnu osu, manje od dvostruke maksimalne dužine tetive svake od pomenutih lopatica.