РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГИДРОАГРЕГАТА Российский патент 2000 года по МПК F03B7/00 F03D3/00 F03D11/02 

Изобретение относится к гидроэнергетике, и в частности к рабочим колесам, преобразующим энергию гидравлических потоков в электроэнергию, а также может быть использовано в качестве ротора ветроэнергоустановки и насоса.

Известно рабочее колесо, использованное в бесплотинной гидроэлектростанции Г.И. Озерова [1], выполненное в виде барабана, установленного на опоре с возможностью вращения, снабженного поворотными ступенчато открывающимися лопастями, внутренними и наружными, оси вращения которых смещены относительно друг друга на одинаковый угол, при этом наружные лопасти установлены с обеспечением перекрытия внутренних лопастей в нерабочем положении и их более раннего вступления в работу.

Недостатком данного рабочего колеса является низкая его надежность и низкая работоспособность, т.к. изменение положения лопастей из пассивного состояния в активное происходит за счет их поворота на осях и кинематически жесткой связи с радиально противоположной лопастью. В процессе взаимодействия лопастей с потоком последние воспринимают знакопеременные нагрузки, что ведет к образованию крутящего момента при изменении положения лопастей, при этом частотность изменения состояния лопастей и их положений, как правило, равна 1 с, а то и менее секунды; известно, что знакопеременные нагрузки в сочетании с агрессивной окружающей средой - водой приводят к форсированному износу системы ось-втулка и как следствие последующему заклиниванию лопасти и выходу из строя одновременно двух кинематически связанных лопастей c последующим выходом агрегата из строя.

Известно также рабочее колесо [2], содержащее ступицу и закрепленные на ней радиальные полые спицы с полусферическими лопастями, снабженными эластичными коническими оболочками, прикрепленными к их основанию с образованием замкнутых полостей, сообщенных между собой и заполненных газом.

Недостатком данного рабочего колеса является низкий коэффициент полезного действия при использовании его в гидроагрегатах малонапорных и погруженных гидроэлектростанциях, т. к. крутящий момент в значительной степени зависит от коэффициента сопротивления различных сторон лопастей и создания за счет этого перед лопастями зон разряжения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности, долговечности и КПД, а также упрощение конструкции и снижение металлоемкости.

Технический результат достигается тем, что лопасти рабочего колеса выполнены из эластичного материала (например, полиуретана) в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, внешняя часть которой выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы, при этом полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором, а коллектор одной лопасти соединен с коллектором другой, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице, и, кроме того, каналы лопастей заполнены жидкостью суммарным объемом полостей, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении.

Выполнение лопастей из эластичного материала (например, полиуретана) в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, внешняя часть которой выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы, позволяет:
- получить лопасть переменной упругости с заданными упругими характеристиками, и, используя гидродинамику потока, изменять профиль лопасти в процессе ее работы;
- изменять центр масс вращающегося рабочего колеса, снизить момент вращения и как следствие повысить КПД;
- исключить механические элементы поворота лопастей: оси, втулки, рычаги, что в свою очередь существенно упрощает конструкцию гидроагрегата в целом и повышает эффективность использования рабочего колеса;
- выполнение рабочего колеса из эластичного материала также снижает металлоемкость гидроагрегата, его вес, и соответственно снижается стоимость агрегата в целом.

Выполнение полостей посредством каналов позволяет придать конструкции лопасти переменную жесткость в зависимости от величины воздействия потока на рабочую поверхность лопасти, являющейся диафрагмой, при этом соединение между собой эластичным коллектором позволяет распределить упругую деформацию по всей поверхности лопасти, а также соединение коллекторов лопастей, занимающих диаметрально противоположные положения, позволяeт обеспечить перетекание жидкости из полости лопасти, находящейся под действием максимальной распределенной нагрузки потока, на диафрагму лопасти, что приводит к перетеканию ее из напряженной - развернутой лопасти по каналам в свернутую, в результате чего повышается давление в полости другой лопасти, приводящеe к напряженному состоянию пассивной лопасти и как следствие ее раскрытию и последующему сохранению в раскрытой форме, но уже под действием постоянно возрастающей распределенной нагрузки от потока и сил, противодействующих самопроизвольному складыванию, возникающих от разложения сил, действующих на раскрытую лопасть, но ось которой находится в параллельной потоку плоскости (схема разложения сил приведена на фиг. 1).

Заполнение каналов жидкостью суммарным объемом полостей, соответствующим объему двух полостей лопастей, одна из которых находится в свернутом положении, позволяет обеспечить автоматическое перераспределение давлений в полостях под действием давления диафрагмы нагруженной лопасти в зависимости от положения относительно оси потока.

Совокупность конструктивных признаков лопастей обеспечивает переменный характер их взаимодействия с изменением гидравлического сопротивления и гидравлического радиуса, т.к. лопасть в развернутом состоянии с площадью контакта, в два и более раза большей, чем сопряженная свернутая лопасть, оказывает преимущественно индуктивное сопротивление, обусловленное размахом лопасти и чашеобразной поверхностью, контактируемой с потоком, исключающими сопротивление трения; суммарный эффект - местная подъемная сила, дающая отличную от нуля проекцию на направление общего набегающего потока, в то время как диаметрально противоположная лопасть, находящаяся в свернутом положении, с профилем цилиндрической поверхности и оказывает потоку минимальное индуктивное сопротивление в сочетании с сопротивлением трения, что в сумме значительно меньше сил, действующих с противоположной стороны относительно оси вращения. Разность сил сопротивления, действующих относительно оси вращения, приводит к возникновению момента вращения. Данные технические решения позволяют повысить эффективность отбора мощности из потока, особенно с малыми скоростями, без формообразующих элементов потока.

Таким образом, проведенный сравнительный анализ с прототипами заявляемого изобретения позволяет сделать вывод о соответствии последнего критерию "новизна".

Кроме того, сопоставление заявляемого изобретения с другими техническими решениями показывает, что оно вытекает из них неочевидным образом, что обеспечивает ему критерий "изобретательский уровень".

Применение данного изобретения в области преобразования энергии гидравлических воздушных и газовых потоков в электрическую позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами, где:
на фиг. 1 - рабочее колесо;
на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1;
на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 2;
на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 3.

Рабочее колесо состоит из ступицы 1, установленной неподвижно на вал 2; на ступицу так же неподвижно установлены лопасти 3, выполненные чашеобразной формы, внешняя часть которой выполнена утолщенной, а внутренняя в виде диафрагмы, при этом посредством каналов образованы полости 4, соединенные эластичным коллектором 5, в ступице выполнен канал 6, закрытый герметизированной крышкой 7, а коллектор одной полости соединен с другим коллектором лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение.

Рабочее колесо работает следующим образом.

В начальном положении все лопасти имеют промежуточное состояние, так как давление жидкости в полостях усредненно-равное и одинаковоe, то и форма их полузакрытая. При подаче потока жидкости или газа большие нагрузки на лопасти в плоскости, перпендикулярной к потоку, воспринимаются расположенной к потоку чашеобразной формой, поскольку поток не обтекает ее как противоположную и не сворачивает ее на угол α, а, напротив, усилия потока ведут к раскрытию лопасти и увеличению распределенной нагрузки на диафрагму чашеобразной поверхности, и в результате образуется момент вращения, а максимальные давления жидкости в положении поворота лопасти на 90^o приводят к вытеснению жидкости из полости 4 в полость лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение, через канал 6 ступицы и как следствие раскрытию лопасти к моменту ее входа в зону активного взаимодействия с потоком.

Вращательный момент передается на вал и далее - на электрогенератор.

Схема взаимодействия лопастей с потоком и их взаимного положения может быть представлена таблицей, в которой учтено положение лопастей в соответствии с фиг. 1 и обозначением четвертей, отмеченных цифрами со звездочками, при этом закрытому положению лопасти соответствует знак "-", а открытому "+", стрелками показано направление движения жидкости из полости одной лопасти в полость другой в соответствии с характером взаимодействия с потоком и величиной воспринимаемой нагрузки.

Свернутое положение одной лопасти и развернутое другой приводит к изменению центра масс, и колесо под действием потока стремится занять более устойчивое положение, что ведет ее к вращательному движению и, естественно, к возникновению вращательного момента.

В процессе взаимодействия лопасти с потоком в положении, параллельном оси лопасти и направлению потока, результирующая сила противодействует самопроизвольному складыванию лопасти, что приведено на фиг. 1.

Таким образом, использование предложенного рабочего колеса позволяет повысить КПД по отбору мощности из потока, предоставляя возможность использования малонапорных потоков для выработки электроэнергии, при этом возникает возможность использования гидроагрегатов в бесплотинном варианте в круглогодичном режиме, кроме того, использование предложенного рабочего колеса в гидроагрегатах позволяет исключить устройство для формирования и направления потока. Использование рабочего колеса возможно также в ветроагрегатах и системах перекачки газов.

Список литературы
1. Патент СССР N 1836586, F 03 B 13/00, 1993.

2. Патент СССР N 1449698, F 03 B 7/00, 1989.

Изобретение предназначено для преобразования энергии гидравлического потока и ветра в электроэнергию. Колесо содержит ступицу и закрепленные на ней складывающиеся лопасти с полостями. Лопасти выполнены из эластичного материала в форме лепестков чашеобразной формы в сечении. Внешняя часть лопасти выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы. Полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором. Коллектор одной лопасти соединен с коллектором лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице. Каналы заполнены жидкостью суммарным объемом полостей, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении. Такое выполнение колеса позволяет повысить КПД, надежность и долговечность. 4 ил., 1 табл.

Рабочее колесо, приводимое потоками жидкости или газа, содержащее ступицу, закрепленные на ней складывающиеся лопасти с полостями, отличающееся тем, что лопасти выполнены из эластичного материала (например, полиуретана) в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, внешняя часть которой выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы, при этом полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором, при этом коллектор одной лопасти соединен с коллектором другой, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице, кроме того, каналы лопастей заполнены жидкостью суммарным объемом полостей, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении.