ГИДРОТУРБИННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2012 года по МПК F03B3/04 F03B11/02 F03B13/22 F03B17/06 

Рассматриваемый объект изобретения относится к системам осевых турбин и эжекторов, например таким, которые используются для отбора энергии при погружении в поток проточной воды, такой, как океанское течение, приливно-отливное течение, течение речных потоков и другие потоки текучих сред.

Системы осевых гидротурбин, которые отбирают энергию у проточной воды, называются «турбинами течения». Турбины течения обычно содержат устройство, подобное гребному винту, или «ротор», который предназначен для восприятия движущегося потока воды. Как показано на фиг.1, ротор может либо не иметь бандажа, либо быть заключенным в бандаж. Когда поток ударяется о ротор, этот поток создает силу, прикладываемую к ротору таким образом, что она вызывает вращение ротора вокруг его центра. Ротор может быть соединен либо с электрическим генератором, либо с механическим устройством с помощью таких передаточных звеньев, как зубчатые передачи, ремни, цепи или другие средства. Такие турбины можно использовать для выработки электричества и/или вращения насосов или приведения в движения механических деталей. Их также можно использовать на крупных «фермах турбин течения», вырабатывающих электричество (также называемых «группами турбин течения»), содержащих несколько таких турбин в геометрической структуре, предназначенной для обеспечения максимального отбора мощности с минимальным влиянием каждой такой турбины на другие и/или на окружающую среду.

Способность не бандажированного ротора преобразовывать мощность текучей среды в мощность вращения, когда ротор находится в потоке, ширина и глубина которого больше, чем диаметр ротора, ограничивается документально подтвержденным теоретическим значением 59,3% мощности набегающего потока, известным как предел Беца, документально подтвержденный А. Бецем в 1926 г. Этот предел производительности применим, в частности, к традиционным лопаточным осевым и приливно-отливным турбинам, показанным на фиг.1А. Были предприняты попытки увеличить потенциал работоспособности турбин течения с целью превысить предел Беца. Должным образом спроектированные бандажи могут вызывать ускорение набегающего потока, когда тот приближается к ротору, по сравнению с набегающим потоком, воздействию которого подвергается не бандажированный ротор. Таким образом, набегающий поток концентрируется в центр канала. Вообще говоря, для надлежащим образом спроектированного ротора эта увеличенная скорость потока, превышающая обуславливаемую не бандажированным ротором, вызывает приложение большей силы к ротору, а следовательно и более высокие уровни отбора мощности, чем не бандажированный ротор того же типоразмера. В известных не бандажированных турбинах течения, которые показаны на фиг.1 В, применили входные концентраторы и выходные диффузоры, чтобы увеличить скорости потока в роторе турбины. Диффузоры, которые, как правило, включают в себя трубообразную конструкцию с проемами вдоль осевой длины для обеспечения медленного диффузионного смешивания воды внутри трубы с водой снаружи трубы, в общем случае требуют больших длин для надлежащей работоспособности и демонстрируют тенденцию большой чувствительности к изменениям набегающего потока. Такие длинные чувствительные к потоку диффузоры непрактичны во многих установках. Короткие же диффузоры могут срывать поток и тем самым уменьшать кпд преобразования энергии системы.

Согласно основному объекту настоящего изобретения создана гидротурбинная система, содержащая узел ротора, который обладает осевой симметрией относительно оси вращения и имеет расположенный выше по потоку торец ротора; бандаж турбины, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть узла ротора, причем бандаж турбины содержит входное отверстие бандажа турбины и выходное отверстие бандажа турбины, при этом выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины и имеет некруглое поперечное сечение;

и бандаж эжектора, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины, причем бандаж эжектора содержит входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора.

Предпочтительно, множество элементов смесителя бандажа турбины расположено асимметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения, причем, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, является большим, чем, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения.

Предпочтительно, система дополнительно содержит центральное тело, вокруг которого вращается узел ротора.

Предпочтительно, система дополнительно содержит дефлектор, который расположен перед центральным телом и форма которого обеспечивает инерционное отделение мусора от воды, сталкивающейся с торцом ротора.

Предпочтительно, центральное тело содержит расположенный ниже по потоку конец, выступающий из центрального тела по направлению к выходному отверстию бандажа турбины, причем расположенный ниже по потоку конец содержит один или более элементов смесителя.

Предпочтительно, центральное тело содержит центральную сквозную полость.

Предпочтительно, система дополнительно содержит статорное кольцо со статорными лопатками, расположенными по сои вокруг центрального тела, причем узел ротора расположен ниже по потоку статорного кольца.

Предпочтительно, входное отверстие бандажа эжектора является асимметричным.

Предпочтительно, выходное отверстие бандажа эжектора содержит множество элементов смесителя бандажа эжектора.

Предпочтительно, множество элементов смесителя бандажа эжектора асимметричны относительно плоскости, проходящей через ось вращения, причем один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, являются большими, чем один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения.

Предпочтительно, узел ротора содержит ступицу ротора, внешнее кольцо ротора и первое множество радиально ориентированных лопаток ротора, расположенных между ступицей.

Предпочтительно, входное отверстие бандажа турбины имеет некруглое поперечное сечение.

Предпочтительно, длина бандажа турбины равна или меньше максимального внешнего диаметра бандажа турбины.

Предпочтительно, система дополнительно содержит второй бандаж эжектора, внутри которого находится, по меньшей мере, часть бандажа эжектора, причем второй бандаж эжектора содержит входное отверстие второго бандажа эжектора и область выходного отверстия второго бандажа эжектора.

Предпочтительно, область выходного отверстия бандажа эжектора содержит множество элементов смесителя бандажа эжектора.

Согласно другому варианту воплощения, турбинная система для отбора энергии у воды, движущейся относительно турбинной системы в направлении течения набегающего потока, имеет входной конец, выполненный с возможностью направления в направлении течения набегающего потока, и выходной конец, противоположный входному концу. Вода имеет неравномерное распределение скорости течения на входном конце турбинной системы. Турбинная система включает в себя узел ротора, бандаж турбины, имеющий внутреннюю полость бандажа турбины, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть узла ротора, и бандаж эжектора, имеющий внутреннюю полость бандажа эжектора, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины. Узел ротора обладает осевой симметрией относительно оси вращения и имеет расположенный выше по потоку торец ротора, ориентированный по направлению к входному концу. Бандаж турбины включает в себя входное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к входному концу, чем торец ротора, и выходное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к выходному концу, чем узел ротора. Выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины. Входное отверстие бандажа турбины выполнено с возможностью направления первого объема воды, движущейся в направлении течения набегающего потока, в узел ротора таким образом, что этот первый объем вызывает вращение узла ротора и отбор энергии у первого объема воды перед тем, как первый объем воды с меньшей энергией выпускается из бандажа турбины в бандаж эжектора через выходное отверстие бандажа турбины. Бандаж эжектора включает в себя входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора. Входное отверстие бандажа эжектора асимметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения, так что оно имеет большую площадь поперечного сечения с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, чем с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения. Выходное отверстие бандажа ротора проходит в направлении течения потока за пределы элементов смесителя бандажа турбины.

Далее, турбинная система может включать в себя узел ротора, который обладает осевой симметрией относительно оси вращения и который имеет расположенный выше по потоку торец ротора, ориентированный по направлению к входному концу, бандаж турбины, имеющий внутреннюю полость бандажа турбины, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть узла ротора, и бандаж эжектора, имеющий внутреннюю полость бандажа эжектора, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины. Бандаж турбины включает в себя входное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к входному концу, чем торец ротора, и выходное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к выходному концу, чем узел ротора. Выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины, которые асимметричны относительно плоскости, проходящей через ось вращения, так что, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа турбины с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, является большим, чем, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения. Входное отверстие бандажа турбины выполнено с возможностью направления первого объема воды, движущейся в направлении течения набегающего потока, в узел ротора таким образом, что этот первый объем вызывает вращение узла ротора и отбор энергии у первого объема воды перед тем, как первый объем воды с меньшей энергией выпускается из бандажа турбины через выходное отверстие бандажа турбины. Бандаж эжектора включает в себя входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора, проходящее в направлении течения потока за пределы элементов смесителя бандажа турбины.

Способ отбора энергии у воды, движущейся относительно турбинной системы в направлении течения потока, может заключаться в том, что захватывают первый объем воды в бандаж турбины, имеющий внутреннюю полость бандажа турбины, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть узла ротора, направляют первый объем воды через узел ротора таким образом, что узел ротора отбирает энергию у первого объема воды перед тем, как первый объем воды с меньшей энергией выпускается из бандажа турбины через выходное отверстие бандажа турбины, захватывают второй объем воды в бандаж эжектора, имеющий внутреннюю полость бандажа эжектора, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины, и смешивают первый и второй объемы, получая смешанный объем, перед выпуском смешанного объема из выходного отверстия бандажа эжектора. Бандаж турбины включает в себя входное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к входному концу, чем узел ротора, и выходное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к выходному концу, чем узел ротора. Выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины. Бандаж эжектора включает в себя входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора. Выходное отверстие бандажа эжектора проходит в направлении течения потока за пределы элементов смесителя бандажа турбины.

Некоторое заданное воплощение может включать в себя один или более дополнительных вариантов и признаков рассматриваемого объекта изобретения. Элементы смесителя бандажа эжектора и элементы смесителя бандажа турбины могут быть специально предназначены для формирования насоса-смесителя и/или насоса-эжектора, что увеличивает потенциал отбора энергии системой, как за счет увеличения расхода через ротор турбины, так и за счет смешивания обладающего малой энергией выходного потока бандажа турбины с обводным потоком, который попадает во входное отверстие бандажа эжектора, не проходя через ротор турбины. Входное отверстие бандажа эжектора может быть выполнено с возможностью направления второго объема воды, движущейся в направлении течения потока, во внутреннюю полость бандажа эжектора, а внутренняя полость бандажа эжектора может включать в себя множество элементов смесителя бандажа эжектора, которые вызывают смешивание первого объема воды со вторым объемом воды перед выходом через выходное отверстие бандажа эжектора. Формы бандажа турбины и бандажа эжектора могут минимизировать градиент скорости, воздействующий на торец ротора, максимизировать первый объем воды и максимизировать смешивание первого и второго объемов перед выпуском из выходного отверстия бандажа эжектора. Градиент скорости измеряется вдоль торца ротора.

Возможно наличие центрального тела, вокруг которого вращается узел ротора. Бандаж турбины может включать в себя узел статора, который включает в себя лопатки статора, расположенные в осевом направлении вокруг центрального тела. Лопатки статора могут быть выполнены с возможностью поворота для регулирования первого объема путем увеличения или уменьшения проходного сечения, предоставляемого для направления течения набегающего потока. Входное отверстие бандажа турбины может включать в себя один или более подвижных дверных элементов, которые приводятся в действие, увеличивая или уменьшая первый объем, протекающий через узел ротора. Перед центральным телом может быть расположен дефлектор, форма которого обеспечивает инерционное отделение взвеси мусора и/или водного мусора от первого объема, с которым сталкивается торец ротора. Центральное тело может включать в себя расположенный ниже по потоку конец, выступающий из центрального тела по направлению к выходному отверстию бандажа турбины и заходящий в бандаж эжектора. Центральное тело может включать в себя центральную сквозную полость, выполненную с возможностью обеспечения прохождения водного мусора и/или водной флоры и фауны через центральное тело по направлению к выходному отверстию бандажа турбины без столкновения с лопатками ротора. Центральная сквозная полость, которая - по выбору - может включать в себя элементы смесителя на задней кромке, также может пропускать обладающий большой энергией обводной поток в бандаж эжектора для улучшения рабочей характеристики смешивания в бандаже эжектора. Расположенный ниже по потоку конец может включать в себя один или более элементов смесителя центрального тела. Поток через полое центральное тело с расположенными ниже по течению элементами смесителя может улучшить рабочую характеристику операции насоса-смесителя и/или насоса-эжектора.

Входное отверстие бандажа турбины может иметь некруглое поперечное сечение, которое имеет большую площадь поперечного сечения с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, чем с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения. Элементы смесителя бандажа турбины могут включать в себя одну или более лопастей смесителя и щелей смесителя. Узел ротора может включать в себя ступицу ротора, внешнее кольцо ротора и первое множество радиально ориентированных лопаток ротора, расположенных между ступицей и внешним ободом. Выходное отверстие бандажа эжектора может включать в себя второе множество элементов смесителя бандажа эжектора, которые могут включать в себя одну или более лопастей смесителя и щелей смесителя.

Множество элементов смесителя бандажа эжектора могут быть асимметричными относительно плоскости, проходящими через ось вращения. Например, один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, могут быть большими, чем один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения. Аналогичным образом, множество элементов смесителя бандажа турбины могут быть асимметричными относительно плоскости, проходящими через ось вращения, при этом один или более элементов смесителя бандажа турбины с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, могут быть большими, чем один или более элементов смесителя бандажа турбины с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения.

Возможно наличие второго бандажа эжектора, имеющего внутреннюю полость второго бандажа эжектора, внутри которой находится, по меньшей мере, часть бандажа эжектора. Второй бандаж эжектора может включать в себя входное отверстие второго бандажа эжектора и область выходного отверстия второго бандажа эжектора. Входное отверстие второго бандажа эжектора может быть асимметричным относительно плоскости, проходящей через ось вращения, так что оно может иметь большую площадь поперечного сечения с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, чем с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, при этом выходное отверстие второго бандажа эжектора проходит в направлении течения потока за пределы элементов смесителя бандажа эжектора.

Рассматриваемый объект изобретения может обеспечить многие преимущества. Например, турбины течения концептуально аналогичны ветряным турбинам, но имеют отличия в деталях, чтобы нивелировать сложности, порождаемые водой, такие как силы, приблизительно в 900 раз превышающие те, с которыми сталкиваются ветряные турбины; значительные вертикальные выталкивающие силы, обуславливаемые плавучестью; разрушающие асимметричные и/или нестационарные нагрузки, из-за значительного вертикального изменения в поле скоростей набегающего потока, которое вызывается непосредственной близостью фиксированной поверхности, такой как дно водоема, или стена, или корпус судна, баржи или другого плавсредства, на которое закреплена турбина течения. Вдоль всей турбины течения также может происходить скопление отложений из-за разрывов профиля скоростей потока, обуславливаемых выходом воды, обладающей малой энергией, из турбины и повторным смешиванием с протекающим потоком, который обходит входное отверстие или входные отверстия турбины. Безопасность водной фауны и флоры, системы, предотвращающие коррозию в воде и загрязнение воды, также могут ставить важные проблемы эффективного использования турбины течения. Эти нужды, как правило, требуют использования более прочных, более тяжелых и водостойких материалов, различных поддерживающих механизмов и внутренней структуры, различных аэрогидродинамических профилей и тщательного управления потоком воды вдоль всей турбины течения. Все эти факторы могут внести значительный вклад в издержки, которые приходится нести на единицу генерируемой энергии.

Различные признаки турбин течения в соответствии с рассматриваемым объектом изобретения можно с выгодной использовать для устранения многих из этих проблем. Например, можно предусмотреть бандаж эжектора, который охватывает бандаж турбины, где заключен узел ротора. Второй объем воды, втекающий в бандаж турбины, обходит узел ротора и поэтому не обладает отбираемой энергией. Этот второй объем воды активно смешивается с первым объемом воды после того, как первый объем воды пройдет через узел ротора и получит отобранную энергию. Смешивание происходит внутри бандажа турбины и перед выпуском из выходного отверстия бандажа эжектора.

Основанный на первостепенных принципах теоретический анализ описываемых здесь турбин течения показывает, что они способны выдавать трехкратно увеличенную мощность по сравнению с современными не бандажированными турбинами при той же лобовой площади ротора. Описываемые здесь турбины течения могут повышать производительность электростанций на турбинах течения и приливно-отливных турбинах вдвое или более.

Подробности одного или более вариантов рассматриваемого объекта изобретения представлены на прилагаемых чертежах и изложены в нижеследующем описании. Другие признаки и преимущества предлагаемого объекта изобретения станут ясными из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.

Прилагаемые чертежи, которые включены в материалы этой заявки и составляют их часть, иллюстрируют некоторые аспекты предлагаемого объекта изобретения и вместе с описанием способствуют пояснению некоторых из принципов, связанных с описываемыми вариантами осуществления и воплощениями. На чертежах:

фиг.1А, 1В и 1C - схематические изображения, иллюстрирующие примеры турбинных систем на основе турбин течения;

фиг.2А, 2В, 2С и 2D - схематические чертежи, на которых показаны несколько видов воплощения турбинной системы на основе турбины течения;

фиг.3А и 3В - схематические чертежи, на которых показаны виды спереди в перспективе турбинной системы на основе турбины течения, имеющей ротор с шестью лопатками;

фиг.4А и 4В - схематические чертежи, на которых показаны виды спереди в перспективе турбинной системы на основе турбины течения, представляющей собой роторно-статорную турбину, при этом ее части срезаны, чтобы показать внутреннюю конструкцию, прикрепленную к внешнему ободу ротора, и отбор мощности в кольцевой генератор на внутреннем кольце ротора;

фиг.5А, 5В, 5С и 5D - схематические чертежи, на которых показаны реализуемые по выбору установки турбинных систем на основе турбин течения;

фиг.6 - схематический чертеж, на котором показано альтернативное воплощение турбинной системы на основе турбины течения с насосом-смесителем и/или насосом-эжектором, имеющим лопасти смесителя, которые являются разными по форме и размеру по окружности в областях заднего отверстия бандажа турбины и бандажа эжектора;

фиг.7А, 7В, 7С и 7D - схематические чертежи, на которых показано альтернативное воплощение турбинной системы на основе турбины течения с двумя поставляемыми по специальному заказу рулями поворота и крылом для ориентации проточного потока и движения, дверцами блокировки потока и управления им и статорами, которые можно поворачивать, вводя в плоскость, проходящую через дверцу или статор и центральное тело турбинной системы на основе турбины течения, или выводя из этой плоскости;

фиг.8А, 8В и 8С - схематические чертежи, на которых показано альтернативное воплощение турбинной системы на основе турбины течения с центральным телом, имеющим отрытый канал и имеющим лопастные смесители и эжекторы со щелевыми смесителями;

фиг.9А, 9В, 9С и 9D - схематические чертежи, на которых показано альтернативное воплощение турбинной системы на основе турбины течения с входной системой блокировки мусора;

фиг.10А и 10В - схематические чертежи, на которых показаны альтернативные воплощения гидротурбинной системы, являющейся турбинной системой на основе турбины течения с двухступенчатой системой смесителя и эжектора; и

фиг.11 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ в соответствии с воплощением рассматриваемого объекта изобретения.

Концепциям и технологии газовых турбин еще предстоит найти промышленное применение к осевым турбинам течения. В большинстве существующих турбин течения для отбора энергии течения используется один многолопаточный ротор, действие которого основано на концепциях движущего гребного винта. В результате, значительное количество воды потока, проходящего через лопатки турбины течения, преобразует часть энергии потока в завихрение потока вокруг оси. Эта вихревая составляющая поглощает энергию, которую невозможно подать в генератор, а также индуцирует вращение потока в турбулентном следе системы, которое может вызывать обнажение слоя течения, перемешивание отложений, дезориентацию водной флоры и фауны. Эти эффекты можно ослабить и даже исключить, воспользовавшись соображениями аэрогидродинамического потока роторно-статорной турбины применительно к полнофункциональной газовой турбине. Подходы к проектированию роторно-статорных газовых турбин можно применить к турбинам течения, чтобы, по существу, исключить вредные воздействия завихрения выходного потока на окружающую среду позади турбины.

Кроме того, традиционные системы однороторных турбин, такие как показанная на фиг.1А, имеют задержку запуска вращения, а значит и выработки энергии до тех пор, пока локальный уровень осевой скорости не окажется достаточно высоким, чтобы создать положительную аэрогидродинамическую подъемную силу и крутящий момент, воздействующие на аэродинамический профиль ротора. Роторно-статорные системы с надлежащим образом спроектированными входными отверстиями в соответствии с рассматриваемым объектом изобретения не имеют этого ограничения и поэтому способны создавать крутящий момент на роторе и выработать мощность при любых локальных уровнях скорости выше нуля. Кроме того, в предшествующих бандажированных турбинах течения не учитывается аэрогидродинамический кпд потока вокруг наружной поверхности бандажа, особенно в присутствии свободной поверхности, дна водоема или боковой стенки, либо корпуса плавсредства. Адаптация входных отверстий турбины течения к целям борьбы с мусором и/или манипуляций водной флоры и фауны, приближающейся к входному отверстию, также является реализуемым по выбору признаком предлагаемого объекта изобретения. Перед входным отверстием можно установить тело луковичной формы, определяемой аэродинамическими или гидродинамическими соображениями, чтобы, в первую очередь, отклонять поступающую воду и любую взвесь, содержащую мусор, наружу.

Текущий поток воды обладает меньшей инерцией, чем взвесь крупных частиц мусора и/или водная флора и фауна, и поэтому может следовать по контуру тела луковичной формы, чтобы попасть в бандаж турбины или бандаж эжектора. Присутствующие во взвеси объекты большей инерции, такие как представители водной фауны, мусор и т.п., отклоняются от линий потока воды и поэтому не могут попасть в бандаж турбины или бандаж эжектора.

Чтобы достичь большей мощности и кпд в течениях, обычно требуется тщательно приспосабливать аэрогидродинамические конструкции бандажа и ротора к вертикально изменяющемуся профилю скорости на подходе к турбине. Профили скорости обычно следуют из зависимости закона мощности, в соответствии с которым соотношение между минимальным уровнем и максимальным уровнем составляет 1/10, и они обычно, но не всегда происходят в слое течения и на свободной поверхности, соответственно. Хотя ветряные турбины встречаются с аналогичным вертикальным изменением (профиля скорости), оно далеко не столь серьезно по своим последствиям, как в случае турбины течения, потому что ветряная турбина имеет миниатюрный вертикальный масштаб по сравнению с высотой атмосферы Земли. Вода приблизительно в 900 раз плотнее, чем воздуха. Поскольку вырабатываемая мощность зависит от плотности текучей среды и куба локальной скорости, а осевая сила зависит от плотности и квадрата локальной скорости, этот уровень изменения вызывает значительный асимметричный отбор мощности и конструкционные нагрузки на роторе, а также бандажную систему, если с этими факторами не бороться с помощью аэрогидродинамической конструкции. В то время как ветряные турбины в целом симметричны относительно своей центральной оси вращения, бандажированные турбины течения позволяют применять признаки асимметрии для борьбы со сложностями, вносимыми профилем скорости набегающего потока и смягчения их влияния. В частности, хотя внутренняя поверхность бандажа обязательно должна быть почти круглой там, где она окружает ротор, это ограничение неприменимо к остальной геометрии бандажа, либо изнутри, либо снаружи. Таким образом, изменение аэрогидродинамического контура по окружности бандажа можно использовать для уменьшения искажения набегающего потока до приемлемого уровня моментом, когда этот поток достигает торца ротора. Кроме того, такие асимметричные или утратившие круглую форму аэрогидродинамические контуры могут уменьшить влияние потока, покидающего систему, на окружающую среду за счет уменьшения эрозионного воздействия и взбалтывания отложений на дне и стенках водоема, где есть течение.

Эжекторы засасывают поток в систему и тем самым увеличивают расход через эту систему. За счет использования концепций кольцевых аэродинамических профилей в конструкции, предусматривающей несколько направляющих насадок эжектора, размер ротора, необходимый для желаемого уровня отдаваемой мощности, можно уменьшить даже наполовину или менее по сравнению с требуемым размером для не бандажированного ротора. Более короткие лопатки ротора дешевле и конструктивно устойчивее к внешним воздействиям. Кроме того, осевые силы, прикладываемые к ротору за счет течения, также можно уменьшить наполовину или более, сдвигая при этом остающиеся нагрузки на не вращающиеся элементы не бандажированной системы. В случае нагрузок, выдерживаемых статичными не вращающимися частями, их проектирование, изготовление и техническое обслуживание становятся значительно проще и экономичнее.

Смесители и эжекторы представляют собой короткие компактные версии насосов-смесителей и насосов-эжекторов, которые относительно нечувствительны к искажениям набегающего потока и широко использовались в приложениях, связанных с высокоскоростным реактивным движением, предусматривающих скорости потоков почти на уровне скорости звука или выше (см., например, патент США №5761900, в котором также используется смеситель ниже по потоку для увеличения тяги при одновременном снижении шума от выпуска). Во всех предыдущих приложениях технологии смесителей и эжекторов, связанных с выработкой мощности, включая приложения ветряных турбин, разработанных авторами данного изобретения, все многочисленные поверхности в трехмерном пространстве, которые инициируют смешение потоков между двумя потоками, именуемое далее смесительными элементами, имеют одинаковый размер и расположены в виде повторяющейся структуры по окружности бандажа. Чтобы совладать с искажением скорости, вносимым в потоке, приближающемся к турбине течения, и обеспечить эффективную работу внутри присущих ей и утративших круглую форму входных отверстий бандажа, можно применить рекомендуемую конструкцию смесительных элементов, чтобы оказать влияние на максимальное смешивание и перекачивание для каждого окружного сектора системы.

Подобно ветряным турбинам турбины течения должны быть выполнены с возможностью регулирования отдаваемой мощности с тем, чтобы сделать ее сравнимой с уровнем номинальной мощности генератора. Традиционные ветряные турбины с тремя лопатками могут подвергаться воздействию скоростей ветра, превышение которыми средних рабочих скоростей ветра достигает десяти раз, и должны включать в себя сложные механические отключающие системы, позволяющие избежать повреждения генератора и/или конструкции. Турбины течения подвергаются воздействию менее экстремальных изменений скорости и поэтому, как правило, включают в себя по-другому сконструированные отключающие системы. Турбины течения с несколькими бандажами, смесителями и эжекторами, где применяются роторно-статорные системы, предоставляют три средства для влияния на отключение в дополнение к стандартной отключающей системе. Статоры можно шарнирно сочленять таким образом, что появляется возможность, по существу, перекрыть входное отверстие и поворачивать блокирующие дверцы, встроенные во внутренние поверхности направляющих насадок, в поле потока, тем самым перекрывая путь потока, и/или можно перемещать тело в форме луковицы, блокирующее мусор на входе, во входное отверстие, чтобы уменьшить расход.

Системы крепления для бандажированных турбин течения весьма отличаются от присущих вышкам, используемых для ветряных турбин, и поэтому они должны быть встроенными во избежание негативного влияния на аэрогидродинамический кпд жестко соединенной системы. Системы на сваях или на платформах, такие как показанная на фиг.1, будут подвергаться воздействиям аэрогидродинамических помех разных уровней из разных источников, и эти помехи нужно снижать, чтобы гарантировать эффективную подачу энергии.

Турбины течения с несколькими бандажами, смесителями и эжекторами обеспечивают уникальную интеграцию систем роторов и генераторов, потому что турбины течения не нуждаются в изменении направления или в случае приливно-отливных течений нуждаются лишь в плановом изменении, проводимом два раза в сутки, а генератор можно будет разместить удобнее для эффективного и/или упрощенного профилактического обслуживания. Применение бандажей на периферии роторов, которые часто используются в газовых турбинах, обеспечивает использование системы привода редуктора обода и размещение генератора в бандаже или на нем. Кроме того, это позволяет спроектировать центральное тело как открытую трубу для пропускания через нее водной флоры и фауны.

На фиг.2-10 показан ряд воплощений, которые иллюстрируют некоторые из признаков, находящихся в рамках объема притязаний рассматриваемого объекта изобретения. В соответствии с одним воплощением, гидротурбинная система включает в себя бандаж 102 турбины с аэродинамическим или гидродинамическим контуром, являющийся некруглым в некоторых точках своего осевого протяжения. Внутри бандажа 102 турбины заключено центральное тело 103 с аэродинамическим или гидродинамическим контуром, прикрепленное к бандажу 103 турбины, которая имеет входное отверстие 105 бандажа 102 турбины, через которое всасывается первый объем воды. Центральное тело 103 обладает осевой симметрией относительно оси вращения ротора. Ступень 104 турбины окружает центральное тело 103 и включает в себя статорное кольцо 106 лопаток 108 статора и крыльчатку или ротор 110, имеющую или имеющий лопатки 112а крыльчатки или ротора. Ротор 110 включает в себя торец ротора, образованный передней кромкой лопаток 112а ротора. Ротор 110 расположен ниже по потоку от лопаток 108а статора, так что передний торец ротора, по существу, выровнен с задними кромками лопаток 108а статора. Лопатки 108а статора установлены на центральном теле 103, а лопатки 112а ротора скреплены и удерживаются вместе посредством внутреннего и внешнего колец или ободов, либо - в альтернативном варианте -посредством ступицы 112b или внешнего кольца 112с. Внутреннее кольцо или ступица окружает центральное тело 103 и приводится во вращение вокруг него. Выходная область элемента смесителя, которая включает в себя область выходного отверстия или концевую часть бандажа 102 турбины, включает в себя кольцо лопастей 120а смесителя, которые проходят ниже по потоку за пределы лопаток 112а ротора и являются разными по форме или размеру так, как требуется для заполнения зазора между бандажом 102 турбины и бандажом 128 эжектора, а также способствуют подаче засасываемой воды в окрестность центрального тела 103. Эта конструкция аналогична лопастям эжектора, проиллюстрированным в патенте США №5761900, при этом лопасти 120а смесителя проходят ниже по потоку во входное отверстие 129 бандажа 128 эжектора. Эжектор 122 также включает в себя бандаж 128, который может быть некруглым на протяжении участков своей осевой длины и который окружает кольцо лопастей 120а смесителя на бандаже турбины. Бандаж 128 эжектора может включать в себя элементы смесителя разных размеров и форм в ее области выходного отверстия, как показано на фиг.6.

Центральное тело 103, как показано на фиг.21, может быть соединено с бандажом 102 турбины с помощью статорного кольца 106 (или других средств), чтобы исключить повреждение, а также досаждающее и распространяющиеся на большое расстояние низкочастотные волны давления, создаваемые традиционными турбинами течения и приливно-отливными турбинами, когда лопатка турбины создает спутную струю, бьющую в несущую вышку. Аэродинамические профили бандажа 102 турбины и бандажа 128 эжектора предпочтительно являются аэродинамически выпуклыми для интенсификации потока через ротор турбины таким образом, который позволяет уменьшить вертикальное изменение скорости на торце ротора, порождаемое искажениями выше по течению.

Было вычислено, что для оптимального кпд в предпочтительном варианте 100 осуществления отношение площадей насоса-эжектора 122, определяемое площадью поперечного сечения выходного отверстия бандажа эжектора, деленной на площадь поперечного сечения выходного отверстия бандажа турбины, должно находиться в диапазоне от 1,5 до 4,0. Количество лопастей 120а смесителя должно находиться в диапазоне от 6 до 14. Каждая лопасть будет иметь внутренний и внешний углы задней кромки в диапазоне от 5 до 25 градусов. Место нахождения выходного проема между лопастями будет в месте входа или во входном отверстии 129 бандажа 128 эжектора. Отношение высоты к ширине каналов лопастей будет находиться в диапазоне от 0,5 до 4,5. Степень проникновения смесителя будет находиться в диапазоне от 30 до 80%. Углы задних кромок, при которых центральное тело 103 стопорится, будут составлять тридцать градусов или менее. Отношение длины к диаметру (L/D) всей системы 100 будет находиться в диапазоне от 0,5 до 1,25.

В общем случае, система преобразования энергии на основе турбины течения включает в себя осевую турбину 100 течения, которая включает в себя лопатки 108а статора и лопатки 112 крыльчатки или ротора 112 и которая окружена бандажом 102 турбины с аэродинамическим контуром, включающей в себя смесительные элементы в своей области выходного отверстия или концевой области, и отдельный бандаж 128 эжектора, перекрывающийся с бандажом 102 турбины, но находящиеся позади нее. Бандаж 128 эжектора также может включать в себя выдвинутые смесительные элементы, например, такие как лопасти 119 смесителя или щели смесителя, в своей области выходного отверстия. Кольцо 118 конструктивных элементов смесителя, таких как лепестки или щели 119, находящиеся в области 117 выходного отверстия бандажа 128 эжектора, можно рассматривать как насос-смеситель и/или насос-эжектор, который обеспечивает средство для надлежащего превышения предела Беца для рабочего кпд турбинной системы 100 на основе турбины течения и приливно-отливной турбины.

На фиг.2А показана ступень 104 турбины, которая включает в себя узел 110 ротора, который установлен с возможностью вращения на центральном теле 103, окруженный бандажом 102 турбины со встроенными элементами 120 смесителя, имеющими задние кромки, неглубоко введенные во входной плоскости бандажа 128 эжектора. Ступень 104 турбины и бандаж 128 эжектора конструктивно соединены с бандажом 102 турбины, которая сама является элементом, несущим основную нагрузку.

Длина бандажа 102 турбины в некоторых воплощениях может быть равна максимальному внешнему диаметру бандажа 102 турбины или быть меньше него. Длина бандажа 128 эжектора в некоторых воплощениях может быть равна максимальному внешнему диаметру бандажа эжектора или превышать его. Наружная поверхность центрального тела 103 может иметь аэродинамический или гидродинамический контур для минимизации эффекта отрыва потока ниже по потоку от турбинной системы 100 на основе турбины течения. Центральное тело 103 может быть длиннее или короче, чем бандаж 102 турбины или бандаж 108 эжектора или чем их суммарная длина.

Площадь поперечного сечения входного отверстия 105 бандажа турбины и выходного отверстия 115 бандажа турбины может быть равной площади кольца, занимаемого ступенью 104 турбины, или большей, но не обязательно круглой по форме, чтобы обеспечить управление источником потока и влиянием его спутной струи. Площадь поперечного сечения внутреннего проточного канала, образованная кольцом между центральным телом 103 и внутренней поверхностью бандажа 102 турбины, имеет аэродинамическую форму, позволяющую иметь минимальную площадь в плоскости узла 110 ротора и - в противном случае - обеспечить плавное изменение этих поперечных сечений от их соответствующих входных плоскостей до их соответствующих выходных плоскостей. Внутренние поверхности бандажа 102 турбины и бандажа 128 эжектора имеют аэродинамические и гидродинамические формы, способствующие направлению потока во входное отверстие 105 бандажа турбины, исключая при этом отрыв (потока) от их поверхностей и обеспечивая плавную подачу потока во входное отверстие 129 бандажа эжектора. Площадь входного отверстия бандажа 128 эжектора, которая может быть некруглой по форме, больше, чем площадь поперечного сечения выходного отверстия 115 бандажа турбины, включающего в себя элементы 118 смесителя, находящиеся в выходном отверстии направляющей оболочки турбины. Площадь поперечного сечения в выходном отверстии 117 бандажа турбины также может быть некруглой по форме.

Пример средства 130 отбора мощности, как показано на фиг.4А и 4В, может принимать форму колесообразной конструкции, механически сочлененной на внешнем или внутреннем ободе узла 110 ротора с генератором мощности (не показан), расположенным ниже или выше узла 110 ротора. Вертикальный несущий вал 132, показанный на фиг.4А и 5В, с вращающейся муфтой 134 может служить опорой вращения для турбинной системы 100 на основе турбины течения и может находиться перед местом нахождения центра давления, воздействию которого подвергается турбинная система 100 на основе турбины течения, для самоориентации турбинной системы на основе турбины течения при ее погружении в проточное течение. К верхней и нижней поверхностям направляющих насадок турбины и/или эжектора соответственно прикреплены самоориентирующиеся вертикальные рули 136 и в целом горизонтальные крылья 135 (см. фиг.7), чтобы стабилизировать направления ориентации в соответствии с разными проточными и приливно-отливными течениями и обеспечить рулевое управление во время вертикальных движений.

Турбинная система 100 на основе турбины течения может иметь конструктивную опору, обеспечиваемую другими системами, как показано, например, на фиг.5А, 5В, 5С и 5D, например, такую как свая 133, неподвижный фундамент 137, фалы 138 или плавсредство 138, такое как баржа или плот.

Для отбора максимальной энергии у обводного воздушного потока можно использовать изменяемые геометрии элементов смесителя, как показано на фиг.6. Элементы 140 смесителя могут быть асимметричными относительно плоскости, проходящей через ось вращения узла 110 ротора, как показано на фиг.6.

На фиг.7 показаны рули управления и крылья 135 и 136, а также устанавливаемые по специальному заказу блокирующие дверцы 140а, 140b. Их можно поворачивать посредством звена (не показано) в текущий поток, чтобы уменьшить или остановить поток через турбину 100, когда возможно повреждение генератора или других компонентов из-за высокой скорости потока. На фиг.7D представлен еще один реализуемый по выбору вариант турбинной системы 100 на основе турбины течения. Охват угла в выходной зоне лопаток статора можно механически изменять 142 на месте, например, путем поворота лопаток статора для согласования с изменениями в скорости потока текучей среды с целью гарантирования минимального остаточного завихрения в потоке, покидающем ротор.

Дополнительные альтернативные варианты могут включать в себя: центральное тело 144 с открытым центральным каналом, как показано на фиг.8А и 8В, которое может включать в себя элементы 145 смесителя центрального тела; смесители 146 типа щелей, как показано на фиг.8С; центральное тело, которое включает в себя дефлекторы 147 мусора, как показано на фиг.9А, 9 В, 9С и 9D; и несколько насадок 148 эжектора, как показано на фиг.10А и 10В.

На фиг.11 представлена блок-схема последовательности технологических операций, иллюстрирующая способ в соответствии с воплощением рассматриваемого объекта изобретения. На этапе 1102 осуществляют захват первого объема воды в бандаж турбины, имеющий внутреннюю полость бандажа турбины, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть узла ротора. Бандаж турбины включает в себя входное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к входному концу, чем узел ротора, и выходное отверстие бандажа турбины, расположенное ближе к выходному концу, чем узел ротора. Выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины. На этапе 1104 направляют первый объем воды через узел ротора таким образом, что узел ротора вращается и отбирает энергию у первого объема воды перед тем, как первый объем воды с меньшей энергией выпускается из бандажа турбины через выходное отверстие бандажа турбины. На этапе 1106 осуществляют захват второго объема воды в бандаж эжектора, имеющий внутреннюю полость бандажа эжектора, внутри которой расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины. Бандаж эжектора включает в себя входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора, которое проходит в направлении течения потока за пределы элементов смесителя бандажа турбины. На этапе 1110 объединяют или смешивают первый и второй объемы, получая смешанный объем, перед выпуском смешанного объема из выходного отверстия бандажа эжектора. Конструкция, применяемая при осуществлении способов, соответствующих рассматриваемому объекту изобретения, может включать в себя и другие признаки конструкции, описанные выше.

Воплощения, представленные в вышеизложенном описании, не представляют собой все воплощения, соответствующие рассматриваемому объекту изобретения. Наоборот, они являются просто несколькими примерами, соответствующими аспектам, относящимся к описанному объекту изобретения. Везде, где это возможно, одни и те же позиции будут употребляться на всех чертежах для обозначения одних и тех же или сходных частей конструкции. Хотя выше приведено подробное описание некоторых вариантов, возможны другие модификации или дополнительные варианты. В частности, можно предусмотреть дополнительные признаки и/или варианты в дополнение к указанным здесь. Например, воплощения, описанные выше, могут быть направлены на создание различных комбинаций и подкомбинаций описанных признаков и/или комбинаций и подкомбинаций нескольких дополнительных признаков, описанных выше. Кроме того, логическая цепочка, проиллюстрированная на прилагаемых чертежах и/или описанная здесь, не требует конкретного порядка действий, который показан, или последовательного порядка для достижения желаемых результатов. В рамках объема притязаний нижеследующей формулы изобретения возможны другие варианты осуществления или воплощения.

Изобретение относится к системам осевых турбин и эжекторов. Гидротурбинная система содержит узел ротора, который обладает осевой симметрией относительно оси вращения и имеет расположенный выше по потоку торец ротора, бандаж 102 турбины, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть узла ротора и бандаж 128 эжектора, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть бандажа 102 турбины. Бандаж 102 турбины содержит входное отверстие бандажа 102 турбины и выходное отверстие бандажа 102 турбины. Выходное отверстие 117 бандажа 102 турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа 102 турбины и имеет некруглое поперечное сечение. Бандаж 128 эжектора 122 содержит входное отверстие бандажа 128 эжектора 122 и выходное отверстие бандажа 128 эжектора 122. Изобретение направлено на увеличение мощности, повышение производительности. 14 з.п. ф-лы, 30 ил.

1. Гидротурбинная система, содержащая: узел ротора, который обладает осевой симметрией относительно оси вращения и имеет расположенный выше по потоку торец ротора; бандаж турбины, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть узла ротора, причем бандаж турбины содержит входное отверстие бандажа турбины и выходное отверстие бандажа турбины, при этом выходное отверстие бандажа турбины включает в себя множество элементов смесителя бандажа турбины и имеет некруглое поперечное сечение; и бандаж эжектора, внутри которого расположена, по меньшей мере, часть бандажа турбины, причем бандаж эжектора содержит входное отверстие бандажа эжектора и выходное отверстие бандажа эжектора.

2. Гидротурбинная система по п.1, в которой множество элементов смесителя бандажа турбины расположено асимметрично относительно плоскости, проходящей через ось вращения, причем, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, является большим, чем, по меньшей мере, один из элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения.

3. Гидротурбинная система по п.1, дополнительно содержащая центральное тело, вокруг которого вращается узел ротора.

4. Гидротурбинная система по п.3, дополнительно содержащая дефлектор, который расположен перед центральным телом и форма которого обеспечивает инерционное отделение мусора от воды, сталкивающейся с торцом ротора.

5. Гидротурбинная система по п.3, в которой центральное тело содержит расположенный ниже по потоку конец, выступающий из центрального тела по направлению к выходному отверстию бандажа турбины, причем расположенный ниже по потоку конец содержит один или более элементов смесителя.

6. Гидротурбинная система по п.3, в которой центральное тело содержит центральную сквозную полость.

7. Гидротурбинная система по п.3, дополнительно содержащая статорное кольцо со статорными лопатками, расположенными по оси вокруг центрального тела, причем узел ротора расположен ниже по потоку статорного кольца.

8. Гидротурбинная система по п.1, в которой входное отверстие бандажа эжектора является асимметричным.

9. Гидротурбинная система по п.1, в которой выходное отверстие бандажа эжектора содержит множество элементов смесителя бандажа эжектора.

10. Гидротурбинная система по п.9, в которой множество элементов смесителя бандажа эжектора асимметричны относительно плоскости, проходящей через ось вращения, причем один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся меньшей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения, являются большими, чем один или более элементов смесителя бандажа эжектора с характеризующейся большей скоростью стороны от плоскости, проходящей через ось вращения.

11. Гидротурбинная система по п.1, в которой узел ротора содержит ступицу ротора, внешнее кольцо ротора и первое множество радиально ориентированных лопаток ротора, расположенных между ступицей.

12. Гидротурбинная система по п.1, в которой входное отверстие бандажа турбины имеет некруглое поперечное сечение.

13. Гидротурбинная система по п.1, в которой длина бандажа турбины равна или меньше максимального внешнего диаметра бандажа турбины.

14. Гидротурбинная система по п.1, дополнительно содержащая второй бандаж эжектора, внутри которого находится, по меньшей мере, часть бандажа эжектора, причем второй бандаж эжектора содержит входное отверстие второго бандажа эжектора и область выходного отверстия второго бандажа эжектора.

15. Гидротурбинная система по п.14, в которой область выходного отверстия бандажа эжектора содержит множество элементов смесителя бандажа эжектора.