ТУРБИНА Российский патент 1995 года по МПК F03B3/14 

Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике, в частности к турбинам низконапорных гидроэлектростанций, приливных электростанций, а также пневмогидроэлектростанций.

Известны разнообразные конструкции турбин гидро- и ветроустановок: осевые, радиально-осевые, диагональные и поперечно-струйные. В дальнейшем рассматривается только класс реактивных турбин с прямыми лопастями, имеющими в поперечном сечении крыловидную форму, с хорошим аэродинамическим качеством профиля и без крутки профилей, т.е. турбины с лопастями цилиндрической или конической формы, получаемые с помощью обхода контура профиля прямой образующей. К турбинам этого класса относятся в первую очередь поперечно-струйные турбины типа ротора Дарье с прямыми лопастями. В ветроэнергетике они применяются на ветроагрегатах с вертикальной осью вращения, а в гидроэнергетике это реактивная двукратная поперечно-струйная турбина, получившая название ортогональной турбины (Золотов Л.А. Историк Б.Л. Усачев И.Н. Новая турбина для низконапорных гидротехнических установок. Гидротехническое строительство, 1991, N 1) и используемая в свободно-поточных и низконапорных гидроустановках. У названных турбин лопасти располагаются поперек потока параллельно оси вращения турбины и, как правило, по касательной к окружности, являющейся трассой их движения. Лопасти турбины жестко соединяются с валом с помощью несущих элементов, в качестве которых используются радиальные кронштейны, укрепляемые на ступице вала или устанавливаемые на валу диски. Как правило, этим элементам придается удобнообтекаемая форма.

Рассматриваемые турбины работают за счет тянущей силы, являющейся составляющей (проекцией) подъемной силы лопасти на направление ее движения. На этом принципе работает воздушная турбина Wells'а, используемая в пневмогидроустановках (Gorlov A. A New Opportynity for Hydro: Using Air Turbines for Generating Electricity. Hydro Rewiew, September 1992, Volume 11, Number 5). Турбина Wells'a может, как и ортогональная турбина, работать на реверсивном потоке, т.е. потоке, меняющем свое направление на противоположное. Если в ортогональных турбинах инвертность к направлению потока достигается за счет расположения хорды лопасти под нулевым углом по отношению к касательной к окружности, то в турбине Wells'a благодаря нулевому углу установки хорды лопасти по отношению к плоскости, перпендикулярной валу турбины.

Общий недостаток турбин рассматриваемого типа аналогичен известному недостатку осевых пропеллерных туpбин, который состоит в том, что при фиксированном положении лопасти турбина работает с относительно высоким КПД только в сравнительно узком диапазоне напоров, а при сильном изменении напора воды или скорости ветра КПД турбины быстро снижается. Снижение КПД можно предотвратить либо соответствующим изменением частоты вращения турбины, что значительно удорожает электротехническое оборудование и поэтому не находит широкого применения, либо путем поворота лопастей, что превращает пропеллерные турбины в поворотно-лопастные. Кроме того, у рассматриваемых турбин с практически нулевым углом установки лопастей имеется свой специфический недостаток. Он состоит в том, что, например, при работе на воде по условиям кавитации они могут работать с высоким КПД при высокой быстроходности только при очень низких напорах, до 2 м. С увеличением напоров сверх указанного предела рассматриваемые турбины быстро теряют КПД или мощность (при снижении быстроходности). Этот недостаток у турбин Wells'a ликвидируется изменением начального угла установки лопастей, но при этом они теряют свое свойство работать на реверсивном потоке. У турбин типа ротора Дарье, в том числе и у ортогональных турбин, выбор не равного нулю начального угла установки лопастей допустим только в очень узких пределах (3-5^о). Большие отклонения начального угла установки от нуля приводят к потере работоспособности этих турбин.

Для ликвидации указанного общего, а также специфического частного недостатков ортогональных турбин необходимо в процессе работы турбины менять угол установки ее лопастей по отношению касательной к окружности не только с изменением напора, но и главным образом с изменением местоположения лопасти на круговой трассе движения.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному является турбина, содержащая вал и смонтированное на валу рабочее колесо, выполненное с прямыми лопастями аэродинамического профиля, соединенными с валом посредством несущих элементов (патент США N 4368392, кл. F 03 B 3/14, опублик. 1983). Это ортогональная турбина, т.е. реактивная поперечно-струйная турбина двойного действия с прямыми лопастями, у которой функции несущих элементов, соединяющих лопасти с валом, выполняют радиальные кронштейны хорошо обтекаемой формы или тонкие диски, расположенные вдоль потока.

Цель изобpетения повышение КПД турбины при изменении напора.

Цель достигается тем, что в турбине, содержащей вал и смонтированное на валу рабочее колесо, выполненное с прямыми лопастями аэродинамического профиля, соединенными с валом посредством несущих элементов, лопасти закреплены на несущем элементе с возможностью поворота вокруг своей продольной оси, причем ось вращения расположена между носком и задней кромкой лопасти на расстоянии от крайней точки носка в пределах от 0 до 0,4 длины хорды лопасти, а турбина снабжена упругим элементом, связанным по меньшей мере в одной точке с лопастью и в другой точке с несущим элементом.

Лопасть выполнена по меньшей мере с одной осевой полостью, причем упругий элемент размещен в полости. Упругий элемент выполнен в виде торсиона.

В варианте выполнения с целью уменьшения влияния центробежных сил линия центров тяжести поперечных сечений лопасти расположена на оси вращения.

В варианте выполнения также с целью уменьшения влияния центробежных сил турбина выполнена с четным числом лопастей, противолежащие лопасти соединены между собой попарно радиальным связующим элементом, концы которого закреплены на лопастях с возможностью поворота относительно последних.

На фиг. 1 изображена турбина, продольный разрез; на фиг. 2 показаны поперечный разрез по лопастям турбины, установленной в напорном водоводе, и характерные положения лопастей на трассе их движения; на фиг. 3 и 4 показаны два характерных положения лопасти турбины на выпуклом и вогнутом участке круговой трассы соответственно, а также гидродинамические (аэродинамические) силы, действующие на лопасть в этих положениях; на фиг. 5 приведен поперечный разрез по осевой турбине, т.е. вариант реализации предложенного технического решения применительно к турбине Wells'a; на фиг. 6 показан вариант выполнения ортогональной турбины с радиальным связующим элементом.

Поскольку речь идет о турбинах, работающих в сплошных средах газа или жидкости, то термины с приставками аэро и гидро равноправны и взаимозаменяемы.

Турбина содержит вал 1 и смонтированное на нем рабочее колесо с прямыми лопастями 2 аэродинамического профиля. Несущими элементами являются диски 3 (фиг. 1) или трубы 4 (фиг. 5), закрепленные в диске-ступице 5. В диске 3 (фиг. 1) смонтированы короткие полуоси (бобышки), на которых установлены подшипники 6 скольжения, выполненные из материала, хорошо работающего в воде и без смазки на воздухе с достаточно низким коэффициентом трения f ≈ 0,02-0,03. На фиг. 5 радиальные подшипники 6 скольжения установлены непосредственно на трубе 4, кроме них может присутствовать еще упорный подшипник скольжения, установленный на конце трубы 4. Подшипники установлены так, что ось 7 вращения лопасти 2 расположена вдоль нее. Внутри лопасти 2 выполнена по меньшей мере одна полость 8, где расположен упругий элемент, выполненный в виде торсиона 9. Ось торсиона 9 совпадает с осью 7 вращения лопасти 2. Один конец торсиона 9 (фиг. 1) зажат в бобышке диска 3, а на фиг. 5 в диске-ступице 5. Другой конец торсиона 9 с помощью пальца 10 соединен с лопастью 2. На фиг. 5 для соединения пальца 10 с лопастью 2 в трубе 4 выполнены окна.

Фиксация дисков 3 (фиг. 1) на валу 1 осуществляется с помощью распорной втулки 11 и поджимной гайки 12. Возможен другой вариант фиксации дисков 3. Например, диски 3 можно было бы соединить тонкостенной трубой, пропущенной через полость 8 лопасти 2. В этом случае подшипники скольжения устанавливаются не на бобышках, а на упомянутой трубе, и для соединения одного конца торсиона 9 с лопастью 2 в трубе предусматриваются окна для пропуска пальца 10 аналогично тому, как это выполнено на фиг. 5.

На фиг. 2 показаны характерные положения лопасти 2 на круговой трассе движения лопастей. Турбина вращается с угловой скоростью против часовой стрелки. Радиус окружности равен R. Линейная скорость центра тяжести лопасти U ωR. Эта скорость направлена по касательной к окружности. Абсолютная скорость потока обозначена через V. На фиг. 2 показаны четыре положения лопасти. В верхнем положении вектора и приблизительно параллельны и направлены навстречу друг другу. В положении лопасти слева на выпуклом по отношению к потоку участке трассы вектор скорости потока относительно лопасти (()) составляет с хордой лопасти угол атаки α около 12^о. Хвост лопасти при этом расположен внутри круга радиуса R, а хорда лопасти составляет с касательной к окружности угол ϕ около 30^о со знаком "-" (торсион закручивается по часовой стрелке). В нижнем положении лопасти, как и в верхнем положении, векторы и приблизительно параллельны, но направлены в одну и ту же сторону. В верхнем и нижнем положениях α ≈ ϕ ≈ 0. В положении лопасти справа на вогнутом участке трассы по отношению к абсолютной скорости потока V лопасть также обтекается с относительной скоростью под углом атаки α, но уже не с наружной, а с внутренней стороны лопасти. При этом хвост лопасти отклонился за пределы круга радиуса R и хорда лопасти образует с касательной к окружности угол ϕ около 30^о со знаком "-" (торсион закручивается против часовой стрелки).

В более крупном масштабе лопасть 2 в положении слева (фиг. 2) показана на фиг. 3, а в положении справа на фиг. 4. На фиг. 3 и 4 буквой О' обозначена точка пересечения равнодействующей гидродинамических (аэродинамических) сил с хордой лопасти. Обычно для симметричных профилей при углах атаки α ≅ 12^о она отстоит от носка лопасти примерно на 0,22b, где b длина хорды. Вместо равнодействующей на фиг. 3 и 4 показаны ее составляющие, а именно подъемная сила крыла Р и сила лобового сопротивления Q. Поскольку Р >> Q и угол α < 15^о момент М равнодействующей гидродинамических сил относительно точки О оси поворота лопасти примерно равен М Р ˙ ОО', где OO' расстояние между точками О и О'. Для того, чтобы исключить влияние на момент М центробежных сил (они мешают получению максимальных КПД), необходимо, чтобы точка О приблизительно совпадала c центром тяжести поперечного сечения лопасти 2. Поскольку для поворота в нужную сторону точка О должна располагаться между носком лопасти 2 и точкой О', необходимо соответствующим образом перераспределить массы внутри ее поперечного сечения, в том числе с использованием материалов разной плотности. С этой целью лопасть 2 может быть выполнена с дополнительной полостью 13 (по меньшей мере одной), кроме того, вблизи носка лопасти 2 можно расположить материал с большой плотностью ρ и т.д.

Если конструктивно не удается решить проблемы смещения центра тяжести поперечного сечения в точку О поворота лопасти, а момент центробежных сил относительно точки О сравним по величине с моментом гидродинамических сил относительно той же точки, то, как показано на фиг. 6, в турбине используется четное число лопастей, расположенных симметрично относительно оси вращения турбины (в рассматриваемом случае лопасти). Эти лопасти связаны между собой соединительным элементом (тягой 14), снабженным на концах шарнирами (радиальными подшипниками скольжения) 15 с осью вращения в точке О''. Тяга 14 прямолинейна, работает на растяжение (в варианте выполнения может быть использована серьга, охватывающая вал) и пропущена через отверстие, выполненное в валу. Для того, чтобы тяга 14 при вращении не вызывала дополнительные потери энергии, ее можно расположить в полости (в пазу), выполненной в диске 3. До поворота лопасти точка О'' расположена на расстоянии R от оси вращения турбины, таком же, как и точка О оси поворота лопасти, т.е. длина тяги равна 2R. Точка О'' расположена между точкой О и задней кромкой лопасти 2.

В подтверждение практической целесообразности использования торсиона 9 приведем некоторые количественные оценки для момента М и размеров торсиона 9 применительно к модели ортогональной турбины мощностью в несколько киловатт. Примем следующие размеры турбины: R 0,125 м, D 2R 0,25 м, длина лопасти l 0,2 м, длина хорды лопасти b 0,05 м. Допустим, что турбина работает на воде с постоянной частотой вращения, равной 10 об/с (ω= 62,8). Тогдa U ωR 8 м/с м/с. Сила Р определяется по формуле
P ζ lb где ρ плотность воды; а при ζ угле атаки α= 12^о равен приблизительно 1,2. Предположим, что скорость потока V вблизи лопасти равна примерно 6 м/с и перпендикулярна вектору , тогда W 10 м/с, а Р 60 кГс. Если принять плечо силы Р (расстояние ОО') равным 0,4 см 0,004 м, то М 0,26 кГм 26 кГсм. Если в качестве торсиона 9 взять круглый пруток диаметром 0,35 см и длиной 20 см, то под действием этого момента конец торсиона, связанный с лопастью 2, поворачивается на угол 25^о, а максимальное касательное напряжения τ не превышает при этом 31 кГ/см². При максимальной толщине лопасти 1,2 см (например, для профиля NACA 0024) размещение такого торсиона внутри лопасти не вызывает каких-либо затруднений. При переходе от модели к натуре (с увеличением диаметра турбины) размеры торсиона растут пропорционально увеличению линейных размеров турбины (пропорционально масштабу), а уровень максимальных напряжений и максимальных углов закрутки не меняется. Для достижения при прочих равных условиях минимального значения касательных напряжений τ_mах cледует стремиться к увеличению соотношения l/D (при увеличении l/D, например, в два раза, во столько же раз уменьшается <τ_mах).

Работает турбина следующим образом.

При помещении турбины в поток воды или воздуха, например, при открывании регулирующего затвора в напорном водоводе прямоугольного поперечного сечения (фиг. 2) лопасти турбины приходят в движение в направлении, показанном на фиг. 2 стрелкой, и начинают вращать вал 1. Движение лопастей по стрелке возникнет вследствие неодинакового сопротивления лопасти 2 при обтекании ее с носка и с хвоста (в положениях вверху и внизу), а также вследствие отклонения лопасти 2 на угол ϕ со знаком "-" (слева) и на угол ϕ со знаком "+" (справа). Пока лопасть 2 не набрала расчетной линейной скорости вращения , вектор меньше расчетного значения и ближе по напpавлению к вектору . Тем не менее и в этом случае возникает подъемная сила Р, которая создает крутящий момент и поворачивает лопасть 2 на угол ϕ (фиг. 3 и 4). Проекция подъемной силы на касательную к окружности за вычетом проекции силы лобового сопротивления Q на ту же касательную дает тянущую силу, направленную в сторону движения лопасти как на фиг. 3, так и на фиг. 4. Турбина под действием тянущей силы разгоняется. По мере увеличения увеличиваются W, P, M, угол ϕ на фиг. 3 и 4 и тянущая сила. По достижении расчетной скорости включается в работу соединенный с валом 1 генератор (не показан), отбирая мощность от турбины и сохраняя постоянной частоту ее вращения. Так турбина входит в нормальный режим работы. При перемещении лопасти по круговой трассе угол ϕ поворота лопасти изменяется от нуля до максимального значения со знаком "-" и опять до нуля на выпуклом участке трассы, а затем от нуля до максимума со знаком "+" и опять до нуля на вогнутом участке трассы. В положениях на фиг. 3 и 4 момент М равнодействующей гидродинамических сил (момент центробежных сил относительно точки О благодаря совмещению ее с центром тяжести примерно равен нулю) уравновешивается противоположным по знаку моментом упругих сил торсиона 9. В положениях вверху и внизу (фиг. 2) момент М 0, а силы упругости торсиона 9 возвращают лопасть в исходное положение, при котором хорда лопасти располагается по касательной к окружности. Таким образом, за один оборот лопасти торсион закручивается сначала в одном, а затем в другом направлении. Как видно из фиг. 3 и 4, благодаря повороту лопасти потоком на угол ϕ угол атаки α сохраняется в пределах допустимого α ≅ 13^о, несмотря на то, что отношение модулей скоростей находится вблизи единицы. У ортогональных турбин с жестко закрепленной лопастью это отношение при α ≈13^о равно примерно четырем. Отсюда видно, что при повороте лопасти скорость V может быть по абсолютной величине сравнима со скоростью U, в то время как без поворота с учетом указанного соотношения она по условиям кавитации не должна превышать 3 м/с.

Рост скоростей течения V означает при высоких КПД рост мощности турбины. Действительно на фиг. 3 и 4 видно, что проекция силы Р на касательную к окружности больше, а проекция силы Q меньше, чем проекция этих же сил на хорду лопасти. Таким образом, тянущая сила лопасти при повороте ее на угол ϕ (фиг. 3 и 4) увеличивается по сравнению с тем, как если бы лопасть была закреплена жестко и ее хорда совпадала с касательной. Это приводит к увеличению мощности турбины при росте скорости V. Одновременно увеличивается КПД турбины, поскольку улучшается (увеличивается) отношение проекции силы Р на касательную к проекции на ту же касательную силы Q при оптимальном угле атаки α. КПД турбины растет, поскольку уменьшается относительное влияние сил лобового сопротивления по сравнению с тянущей силой. Отметим, что лопасть 2 под действием гидродинамических сил и сил упругости торсиона 9 автоматически отклоняется на предельный угол ϕ, различный на различных участках трассы. Выбор предельного (максимального) угла отклонения, соответствующей жесткости торсиона и положения точки поворота О определяется условиями нормальной работы турбины на расчетном напоре. При уменьшении напора на турбине сохраняется линейная скорость лопасти U, например, при поддержании постоянной частоты вращения генератора с помощью сети или регулятора, управляющего затвором. Скорость потока V уменьшается. Соответственно уменьшается момент М силы Р и максимальный угол отклонения ϕ. В пределе при скорости V << U угол ϕ становится близким к нулю. Характеристика торсиона линейна, а закон изменения момента М с изменением напора близок к линейной зависимости. Поэтому всегда можно подобрать такие параметры торсиона и расстояние ОО' либо предусмотреть ограничение угла ϕ на максимальном напоре, например, с помощью ограничителя, устанавливаемого на диске 3, чтобы практически во всем диапазоне изменения напоров угол атаки α оставался в оптимальных пределах, 8-13^о, следовательно, во всем диапазоне изменения напоров турбина работает с максимальным КПД. Заметим, что при V << U и ϕ ->> 0 получается предельный случай ортогональной турбины с жесткой установкой лопастей, способной работать только на низких напорах. Следовательно, благодаря предложенному конструктивному решению достигается поставленная цель увеличение КПД турбины при изменении напоров и, кроме того, увеличивается мощность турбины. Быстроходная ортогональная турбина с предложенным механизмом поворота лопастей может теперь эффективно работать и при напорах, существенно превышающих 2 м.

Работа ортогональной турбины на фиг. 6 принципиально не отличается от ее работы в варианте исполнения, показанном на фиг. 2, 3 и 4. Разница состоит лишь в том, что если центр тяжести лопасти не совпадает с точкой О на фиг. 3, а смещен в сторону задней кромки лопасти, то возникает существенный момент центробежных сил относительно точки О. При отсутствии тяги 14 он препятствует повороту лопасти на угол ± ϕ в положениях лопасти на фиг. 3 и 4, т. е. мешает нормальной работе турбины. При наличии тяги 14 моменты от центробежных сил, действующие на противолежащие лопасти, взаимно уравновешиваются, вызывая в тяге 14 растягивающие напряжения. Отметим, что при повороте лопастей относительно точки О на одинаковые углы ± ϕ расстояние между осями крепления концов тяги (точки О'' на противолежащих лопастях) не меняется благодаря тому, что при ϕ 0 оно равнялось 2R, т.е. расстояние между центрами поворота противолежащих лопастей ноль. Следовательно, тяга 14 не препятствует повороту лопастей на необходимый угол ϕ и в то же время исключает из работы (попарно уравновешивает) центробежные силы. Небольшие моменты от центробежных сил, которые не удается компенсировать и которые связаны с изменением расстояния центра тяжести лопасти от оси вращения турбины при ее повороте на угол ± ϕ, невелики и практически не оказывают влияния на работу ортогональной турбины. Выполненные количественные оценки величины инерционных сил при повороте лопастей вокруг оси О на угол ± ϕ показывают, что для реально существующих конструкций лопасть успевает повернуться на требуемый угол на достаточно коротком участке трассы по сравнению с ее общей длиной.

Работа осевой турбины в варианте исполнения на фиг. 5 отличается от работы ортогональной турбины только тем, что угол поворота лопастей ϕ не меняется по трассе движения лопасти. Он меняется только при изменении напора на турбине и при изменении направления потока воды (воздуха).

Для воздушных турбин с вертикальной осью (ветроагрегатов) использование предложенного технического решения позволяет существенно увеличить КПД турбины при изменении скорости ветра и постоянной частоте вращения турбины. Линейная скорость вращения лопастей воздушных турбин может быть при этом уменьшена практически вдвое без ущерба для выработки энергии, что очень важно с точки зрения экологии.

Использование: в пневмогидроэлектростанциях. Сущность изобретения: на валу смонтировано рабочее колесо с прямыми лопастями аэродинамического профиля. Колесо соединено с валом несущими элементами. Каждый упругий элемент связан по меньшей мере в одной точке с соответствующей лопастью, в другой с несущим элементом. Каждая лопасть закреплена на соответствующем несущем элементе с возможностью поворота относительно точки крепления вокруг своей продольной оси. Точка крепления расположена между носком лопасти и задней кромкой на расстоянии от крайней точки носка в пределах от 0 до 0,4 длины хорды лопасти. В каждой лопасти выполнена осевая полость. Упругие элементы выполнены в виде торсионов и установлены в полостях соответствующих лопастей. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ТУРБИНА, содержащая вал, смонтированное на валу рабочее колесо с прямыми лопастями аэродинамического профиля, соединенное с валом посредством несущих элементов, и упругие элементы, каждый из которых связан по меньшей мере в одной точке с соответствующей лопастью, а в другой с несущим элементом, при этом каждая лопасть закреплена на соответствующем несущем элементе с возможностью поворота относительно точки крепления вокруг своей продольной оси, отличающаяся тем, что точка крепления каждой лопасти расположена между ее носком и задней кромкой на расстоянии от крайней точки носка в пределах 0 0,4 длины хорды лопасти, в каждой лопасти выполнена осевая полость, а упругие элементы выполнены в виде торсионов и установлены в полостях соответствующих лопастей. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что линия центров тяжести в поперечном сечении каждой лопасти проходит через точку крепления. 3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с четным числом лопастей, диаметрально противолежащие лопасти соединены между собой радиальными связующими элементами, концы которых закреплены на лопастях с возможностью поворота относительно последних.