ТУРБИНА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2006 года по МПК F03B17/06 F03D3/00 

Изобретение относится к области устройств для генерирования энергии потоков воды или ветра.

Известны широко применяемые гидравлические турбины (Справочник машиностроителя под редакцией Е.А.Чудакова, т.1, Москва, 1951, с.857), в которых набегающий поток воды направлен вдоль оси вала. Основным недостатком их является необходимость высокого напора воды и, как следствие, строительства плоти, при этом дебит реки используется чаще всего однократно.

Известно водяное, иначе мельничное колесо (Данилевский В.В., "История гидросиловых установок в России до XIX века", Лениздат, 1940 г.), в котором поток воды под напором направлен поперек вала и приложен к жестко связанным с ним лопастям, расположенным вокруг вала в радиальных направлениях в один круговой ряд.

В дополнение вышеназванных недостатков, водяное колесо малоэффективно, поскольку использует только лобовое давление потока на лопасти, которые к тому же частично экранируют друг друга от потока.

Известны применяемые в малой энергетике ветровые двигатели (А.Ф.Лукьянов и др., "Ветроэнергетика России", МЭИ, 1996, с.21) с осевым направлением потока, набегающего на винтовые лопасти, укрепленные на горизонтальном валу. К их недостаткам следует отнести невысокую эффективность в использовании энергии ветра, что обуславливает огромные габариты ветроустановок для получения значимого для практики количества энергии. Кроме того, они требуют позицирования относительно ветра, размещения генератора на подвижном валу установки.

Известен ветровой двигатель (А.Ф.Лукьянов и др., "Ветроэнергетика России", 1996, с.23), работающий при боковом направлении ветра, набегающего на лопасти размещенные вокруг вертикального вала в радиальных направлениях параллельно ему длинными сторонами, при этом поперечное сечение лопастей профилировано по типу самолетного крыла. Крутящий момент на валу создается за счет градиента аэродинамических сил при движении лопастей по ветру и против него, чем обуславливается большой противомомент и, следовательно, недостаточно эффективное использование энергии ветра, с чем связаны огромные габариты двигателя. Например, при расчетной мощности двигателя в 1 мегаватт ширина лопасти составляет 3,3 м, длина 27 м, диаметр двигателя 27 м, вследствие чего широкого применения двигатель не находит.

Задачей изобретения является: при использовании в гидравлическом варианте повышение эффективности использования кинетической энергии дебита воды рек без применения плотин, а также энергии приливов-отливов, прибоев и т.п. с одновременным упрощением устройства и эксплуатации, при использовании изобретения в ветровом варианте повышение эффективности и упрощение устройства и эксплуатации.

Сущностью изобретения является турбина для генерирования энергии при боковом направлении набегающего потока воды или ветра, при этом использованы следующие существенные признаки прототипов:

- вал, помещенный в шарнирах стойки;

- лопасти, закрепленные в опорах вокруг вала в радиальных направлениях;

- опоры лопастей, жестко связанные с валом.

Отличительными признаками изобретения являются:

- крепление лопаток к опорам посредством шарниров относительно одной из кромок с возможностью поворота;

- ограничение поворота лопаток фиксаторами их радиального положения, закрепленными на тех же опорах по обе стороны шарниров;

- размещение лопаток рядами минимум в двух радиальных направлениях, чем образуется ярус турбины;

- размещение ярусов по длине вала с равномерным угловым разворотом;

- выполнение промежутков между скругленными кромками лопаток при радиальном положении их плоскостей.

Использование изобретения позволяет получить следующие положительные технические результаты:

для гидравлических турбин:

- упразднение плотин и возможность многократного использования энергии дебита естественно текущей воды малых рек и быстрин больших путем размещения каскадов турбин в вертикальном или горизонтальном положении вдоль их русел;

- возможность генерирования энергии приливно-отливных течений и прибойных волн;

- простоту изготовления и эксплуатации;

- сохранение экологии и окружающей среды;

для ветровых турбин:

- повышение эффективности использования энергии ветра и сокращение габаритов ветроустановок одинаковой мощности;

- простоту изготовления и эксплуатации;

- упрощение регулирования параметров электротока;

- возможность применения ветроулавливателей, т.е. раструбов, последовательно сужающих сечение и увеличивающих скорость потока перед входом в турбину.

На фигурах 1-6 изображены:

Фиг.1 - вид сбоку на ярус турбины по направлению набегающего потока.

Фиг.2 - горизонтальный разрез фиг.1. Стрелка "а" указывает направление потока.

Фиг.3 - вид сверху на 4-х ярусную турбину, фиксаторы 5 условно не показаны. Стрелка "а" указывает направление потока.

Фиг.4 - схема последовательных позиций лопаток при одном обороте радиальной консольной балки, снабженной упорами 6, ограничивающими перекидывание лопаток углом 90°.

Стрелки указывают направления:

"а" - набегающего потока,

"б" - вращения турбины,

"с" - перекидывания лопаток.

Фиг.5 - фрагмент турбины с креплением лопаток в шарнирах, ось которых параллельно осям консольных балок.

Фиг.6 - поперечные сечения профилированных консольных балок и лопатка между ними. Стрелка "а" указывает направление потока.

Предлагаемая турбина для генерирования энергии набегающего поперек вала потока воды или воздуха включает вал 1 (Фиг.1, Фиг.2), вокруг которого размещены лопатки 2, закрепленные в опорах, жестко связанных с валом, при этом лопатки преимущественно плоские прямоугольной формы размещены рядами с промежутками между их длинными кромками на консольных балках 3 не менее чем в двух радиальных симметричных направлениях и укреплены посредством шарниров 4 относительно одной из длинных кромок нормально оси балки с возможностью вращения, ограничиваемого фиксаторами 5 радиального положения лопаток, закрепленными на тех же балках по обе стороны шарниров. Созданный таким образом лопаточный ярус турбины повторяется по длине вала расчетное количество раз с равномерным угловым разворотом радиальных рядов (Фиг.3).

В целях увеличения мощности турбины за счет создания дополнительных импульсов момента при движении лопаток на части пути против набегающего потока угол перекладывания лопаток ограничивается углом, меньшим 180°, посредством упоров 6 (Фиг.4), жестко связанных с радиальными консолями.

Для сокращения высоты турбины заданной мощности оси шарниров лопаток располагаются параллельно осям консольных балок (Фиг.5).

Для увеличения скорости набегающего потока непосредственно перед лопатками поперечное сечение балок (Фиг.6) в направлении потока аэродинамически профилировано преимущественно в форме чечевицы.

С целью сокращения аэродинамических потерь в качестве опор служат диски, между которыми размещены лопатки.

Для регулирования параметров турбины при изменении скорости потока или нагрузки на валу часть фиксаторов выполнены убирающимися от лопаток при превышении ее силы давления тарированной силы сопротивления пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении.

В целях повышения эффекта циркуляции скорости потока лопатка представляет собой продольный срез цилиндра с высотой спинки не более 1/5 длины хорды, при этом плоская поверхность при радиальном положении лопатки направлена против потока.

Работа предлагаемой турбины осуществляется следующим образом: набегающий поперек вала 1 (Фиг.1, Фиг.2) поток воды или воздуха устанавливает лопатки 2, укрепленные на консольных балках 3 посредством шарниров 4 в два положения: радиальное с упором в фиксаторы 5 и в плоскость потока, вследствие чего гидродинамические силы, конкретно подъемная сила и лобовое давление, приложенные к плоскостям лопаток, находящихся в радиальном положении, многократно превышают силы лобового давления на площади поперечных сечений лопаток, находящихся в плоскости потока, в результате создается крутящий момент на валу, вызывающий его вращение в сторону действия больших сил, при этом радиальное положение лопаток сохраняется до тех пор, пока их направления движения совпадает с направлением потока, т.е. в течение поворота вала на угол π, после чего движение лопаток направлено против потока, и они перекидываются на угол π, вокруг шарниров, устанавливаются в плоскости потока и сохраняются в этом положении до встречи с фиксаторами радиального положения лопаток, т.е. в течение движения по углу π, после чего процесс повторяется. Размещение лопаток по ярусам в радиальных направлениях должно исключать или минимизировать экранирование потока предыдущих, по движению, лопаток последующими.

Равномерность момента на валу достигается размещением по его длине лопаточных ярусов с равномерным угловым разворотом в одном направлении. Промежутки между скругленными кромками лопаток 2 при их радиальном положении обеспечивают эффект циркуляции скорости вокруг лопаток, что значительно увеличивает их подъемную силу.

За каждый оборот вала каждая лопатка 2 пребывает на протяжении угла π в радиальном положении и подвергается действию двух импульсов: подъемной силы и лобового давления, значение которых определяется площадями синусоид, построенных в координатах "сила-время". Значение этих импульсов определяется разностью вектора скорости набегающего потока и проекции на него вектора окружной скорости лопатки 2, а это означает, что по мере удаления лопатки 2 от оси вала ее импульсы уменьшаются при одновременном увеличении плеча, создающего момент на валу, а при превышении скорости движения лопатки скорости набегающего потока она отходит от фиксатора и не участвует в создании момента, что придает турбине свойство саморегулирования в определенном диапазоне изменений нагрузки на валу и скорости набегающего потока.

Изобретение может быть использовано при проектировании гидравлических и ветровых турбин для генерирования кинетической энергии потоков воды или воздуха.

Изготовление турбин проблем не вызывает, при этом применяются низколегированные стали, надежно защищенные от коррозии, лопатки и шарниры выполняются из нержавеющих сплавов или пластмасс.

Турбина предназначена для преобразования энергии потоков воды или ветра, набегающих сбоку. Турбина содержит вал, шарнирно размещенный в стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами. Лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, при этом поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом. Опоры могут быть выполнены в виде радиальных консолей с аэродинамическим профилированием поперечного сечения. Фиксаторы выполнены убирающимися в тело опоры при превышении силой давления лопатки тарированной силы пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении. Конструкция турбины позволяет увеличить эффективность использования энергии потока текучей среды и упростить ее эксплуатацию. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Турбина для генерирования энергии набегающего сбоку потока воды или воздуха, включающая вал, шарнирно размещенный в стойке, вокруг которого в радиальных направлениях между опорами, жестко и нормально скрепленными с валом, размещены лопатки с возможностью поворота, ограниченного фиксаторами, отличающаяся тем, что лопатки выполнены плоскими со скругленными длинными кромками и размещены вокруг вала как минимум в двух направлениях с промежутками по кромкам, при этом поворот лопатки ограничен двумя фиксаторами, а образованный таким образом ярус турбины повторяется по длине вала с равномерным угловым разворотом.2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что опоры выполнены в виде радиальных консолей с аэродинамическим профилированием поперечного сечения.3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что фиксаторы выполнены убирающимися в тело опоры при превышении силой давления лопатки тарированной силы пружины, удерживающей фиксатор в рабочем положении.