ГИДРОТУРБИНА Российский патент 2012 года по МПК F03B13/26 F03B17/06 

Настоящее изобретение относится к турбине, предназначенной для извлечения энергии из потока воды, например, с целью производства электроэнергии.

Существует ряд устройств для получения энергии от приливного потока воды. Одним вариантом являются неподвижные барьеры поперек устья рек, которые являются визуально и для окружающей среды интрузивными. Другим вариантом являются «точечные экстракционные» устройства, предназначенные для использования на участках высокого приливного потока. Последними являются устройства «свободного потока», которые не препятствуют потоку посредством создания непрерывного барьера. Они являются отправной точкой для данной разработки.

Большая часть точечных экстракционных устройств внешне похожа на «подводные ветродвигатели», т.е. они являются осевыми гидротурбинами (ось вращения турбины параллельна или почти параллельна направлению набегающего потока). Обычно каждая турбина содержит две или три лопасти обычно с изменяемым шагом. Варианты включают в себя туннельные турбины и турбину, поддерживаемую вокруг своего периметра, а не на оси. Одна или две турбины обычно установлены на каждую опорную конструкцию.

Экономические показатели морской разработки являются такими, что имеются очень большие фиксированные затраты, связанные с каждой установкой, в результате чего крупногабаритные устройства становятся более экономически обоснованными. В случае ветротурбин, крупногабаритные устройства можно легко выполнить посредством увеличения диаметра ротора (и высоты опорной конструкции). Однако, поскольку приливные турбины ограничены имеющейся глубиной воды, увеличение диаметра приливной турбины невозможно свыше строгих пределов. Основной способ, с помощью которого можно получить большую мощность от устройств с осевым потоком, состоит в увеличении количества устройств (и, следовательно, затрат), а не увеличении размера устройства. Таким образом, существуют проблемы в том, что трудно достичь преимущества крупных экономических проектов, затраты на техническое обслуживание увеличиваются, и осевые гидротурбины являются, по существу, дорогими в изготовлении и обслуживании из-за признаков, таких как лопасти с изменяемым шагом.

Одним предлагаемым вариантом осевой гидротурбины является турбина с поперечным потоком (ось вращения, по существу, перпендикулярна направлению потока или, по меньшей мере, основная составляющая направления потока перпендикулярна оси вращения).

Ветротурбины с поперечным потоком хорошо известны. Самая простая обычно известна как ротор Савониуса. Более эффективным устройством является турбина Дарриуса (запатентованная в 1931 г.), см. фиг.1. Она использовалась в качестве ветротурбины, почти всегда с вертикальной осью в широком масштабном диапазоне и в виде ряда вариантов.

Устройство, основанное на том же принципе, как турбина Дарриуса, но размещенное с вертикальной осью в воде, известно как турбина Дэвиса, которая относится к около 1980 г. При размещении с вертикальной осью, однако, турбина с поперечным потоком, по-прежнему, остается без изменения в масштабе.

Следовательно, одним предложением является устройство типа турбины Дарриуса или Дэвиса, но с горизонтальной осью. Основной вид ротора 3-лопастной турбины Дарриуса изображен на фиг.2. Если турбина Дарриуса с горизонтальной осью проходит поперек потока, лопасти становятся длинными и узкими (относительно их длины). Каждая лопасть подвергается действию больших горизонтальных усилий, которые сильно изменяются при вращении турбины. Турбина Дарриуса в этом виде является, по существу, очень гибкой конструкцией. Она противодействует приложенным нагрузкам вследствие создания изгибающих моментов и сдвигающих усилий в лопастях. В результате, длинная турбина Дарриуса будет подвергаться необоснованно большим прогибам.

Ниже показаны напряженно-деформированные состояния конструкции турбины Дарриуса, и обсуждена проблема, связанная с прогибами. Фиг.3 изображает вид сверху 2-лопастной турбины Дарриуса. Под действием боковой нагрузки от гидродинамических сил лопасти 11, поддерживаемые на своих концах, будут деформироваться, как показано на чертеже пунктирными линиями 12 (величина деформации сильно увеличена в качестве иллюстрации).

Прогиб можно уменьшить посредством установки жестких укрепляющих пластин 13 на участках вдоль турбины, как показано на фиг.4. Они уменьшают «стрелу прогиба» всей конструкции, но не уменьшают «прогиб от сдвига». Полная деформация будет, по-прежнему, большой, как показано на фиг.4.

Так же как и проблема, связанная с величиной прогибов, описанных выше, существует также проблема в том, что поскольку прогибы изменяются при вращении турбины, материалы будут испытывать чрезмерное усталостное нагружение. Следовательно, существует задача по созданию достаточно большой турбины с горизонтальной осью.

Другой предлагаемой конструкцией является турбина Горлова, которая является вариантом турбины Дарриуса, но со спиральными лопастями (это обеспечивает преимущество непрерывного производства электроэнергии). Пример ротора турбины Горлова изображен на фиг.5. Устройства Горлова предлагались как в качестве турбин, приводимых в действие ветром, так и турбин, приводимых в действие водой, с вертикальной или горизонтальной осями. Дополнительная информация может быть получена, например, из US 5642984. В некоторых случаях (как показано на фиг.5) лопасти 11 поддерживаются концевыми пластинами 13, в других случаях - спицами от центрального вала. Однако спиральные лопасти не образуют, по существу, жесткую конструкцию, но благодаря своей жесткости при изгибе обеспечивают конструктивную целостность. Это означает, что лопасти не могут быть образованы в особенно длинные конструкции, не сталкиваясь с проблемами, связанными с прогибами, описанными выше. Кроме того, также существует проблема в том, что спиральные лопасти являются, по существу, трудными и дорогими для изготовления.

Настоящее изобретение направлено на устранение, по меньшей мере, частично, одной или более из вышеупомянутых проблем.

Настоящее изобретение описывает гидротурбину с поперечным потоком, содержащую ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, причем ротор содержит, по меньшей мере, три лопасти для осуществления вращения ротора вокруг оси, когда лопасти расположены в проточной воде, при этом ротор содержит множество элементов в виде трехмерной треугольной конструкции, при этом, по меньшей мере, одна из указанных лопастей содержит один из указанных элементов, при этом указанная, по меньшей мере, одна лопасть является удлиненной и имеет линию, которая является, по существу, прямой, при этом линия указанной, по меньшей мере, одной лопасти не параллельна указанной оси и расположена таким образом, что линия лопасти и ось не лежат в одной плоскости.

Турбина в соответствии с настоящим изобретением имеет преимущество в том, что обеспечивается масштабируемость устройства, позволяя его располагать горизонтально.

Варианты осуществления настоящего изобретения решают проблему, связанную с прогибом, посредством создания трехмерной треугольной конструкции, т.е. неплоской жесткой конструкции, которая выдерживает нагрузки, создаваемые, в основном, в результате сжатия и растяжения. Треугольной конструкцией является, предпочтительно, узел из, по существу, прямых элементов, если бы они должны были быть заменены элементами, которые были соединены на своем конце с помощью «соединений на штифтах» (т.е. соединений, которые не противодействуют моментам), тогда эквивалентная конструкция была бы статически определенной или резервной. Это бы не образовало механизм. В реальной конструкции, в которой соединения могут передавать моменты, нагрузки в конструкции будут, тем не менее, в основном, осевыми, и конструкция будет жесткой из-за внутренней связи треугольной формы. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения количество лопастей равно шести, и лопасти расположены под углом относительно оси вращения. Напротив, турбина типа турбины Дарриуса обычно состоит из двух или трех параллельных лопастей (турбина Дэвиса обычно состоит из 4 лопастей), которые не являются треугольными. В настоящем изобретении сами лопасти используются для образования элементов жесткой конструкции, устраняя основные причины, вызывающие деформацию конструкции под действием боковой нагрузки.

Расположение линии, по существу, прямой лопасти турбины и оси вращения турбины таким образом, что они не лежат в одной плоскости, дает возможность осуществить варианты осуществления настоящего изобретения, в которых одна или более лопастей турбины являются составляющими одно целое конструктивными элементами трехмерной треугольной конструкции, так что дополнительные связи не требуются.

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже только в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

фиг.1 изображает ветротурбину Дарриуса;

фиг.2 изображает 3-лопастную турбину Дарриуса с горизонтальной осью, которая не соответствует настоящему изобретению;

фиг.3 изображает прогиб длинной 2-лопастной турбины Дарриуса, которая не соответствует настоящему изобретению;

фиг.4 изображает прогиб длинной 2-лопастной турбины Дарриуса с упрочненными секциями, которая не соответствует настоящему изобретению;

фиг.5 изображает спиральную турбину Горлова, которая не соответствует настоящему изобретению;

фиг.6 изображает 6-лопастную турбину, причем лопасти образуют треугольную конструкцию, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 изображает многоэлементную конфигурацию с шестью лопастями в каждом элементе в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 изображает 6-лопастную конструкцию, воплощающую настоящее изобретение, с лопастями, смещенными по касательной;

фиг.9 изображает 6-лопастную конструкцию, воплощающую настоящее изобретение, с лопастями, смещенными радиально;

фиг.10 изображает 6-лопастную конструкцию, воплощающую настоящее изобретение, с лопастями, смещенными по касательной и с треугольными концами;

фиг.11 изображает асимметричную 6-лопастную конструкцию, воплощающую настоящее изобретение, с тремя лопастями, параллельными оси;

фиг.12 изображает прогиб длинной со связями жесткости 2-лопастной турбины Дарриуса, которая не соответствует настоящему изобретению;

фиг.13 изображает вертикальный вид турбинной установки, воплощающей настоящее изобретение;

фиг.14 изображает вид в разрезе турбинной установки на фиг.13;

фиг.15 изображает вид сверху турбинной установки на фиг.13;

фиг.16 изображает сравнимую установку осевых гидротурбин, которые не соответствуют настоящему изобретению;

фиг.17 изображает длинную турбинную установку, воплощающую настоящее изобретение; и

фиг.18 изображает вид в разрезе турбинной установки в качестве активной плотины.

На чертежах подобные элементы обозначены подобными ссылочными позициями.

Основным применением, предусмотренным для вариантов осуществления настоящего изобретения, является получение энергии от приливных потоков, но устройство может, в равной степени, быть размещено в других типах потока, например в реках или в потоках, вызванных океаническими течениями. Ниже будет сделана ссылка на приливные потоки только в качестве примера, но это является только предпочтительным размещением и не исключает размещение в других местоположениях потока.

Первый вариант осуществления

Турбина первого варианта осуществления настоящего изобретения изображена на фиг.6. По сравнению с ротором турбины на фиг.2, количество лопастей увеличено до шести, и лопасти 11 выровнены заново для образования треугольной формы. Фиг.6 изображает один элемент конструкции. Следует обратить внимание, что сами лопасти 11 являются удлиненными элементами, используемыми для образования треугольной конструкции. В этом случае, лопасти не являются параллельными оси 14 вращения ротора. Кроме того, лопасти 11 не наклонены радиально относительно оси 14, а наклонены по касательной, так что продольная линия лопастей 11 и ось 14 ротора не расположены в одной плоскости. Таким образом, лопасти 11 образуют элементы трехмерной треугольной конструкции. Конечно, лопасти могут дополнительно быть наклонены радиально, например, если ротор должен был бы суживаться на конце. Несколько элементов могут быть соединены вместе для образования непрерывной конструкции, как показано для трех элементов на фиг.7. Хотя элементы изображены с одинаковым диаметром и одинаковой длиной, это не является важным. Например, диаметр может быть больше на глубоководных участках. Не существует конкретного ограничения по диаметру турбины, но обычно он может составлять 20 м при использовании на глубине воды 60-80 м. Гораздо меньшие варианты исполнения, конечно, возможны.

Количество лопастей турбины определяется с учетом плоскости, перпендикулярной к оси ротора турбины, которая пересекает наибольшее количество лопастей, соединенных с этой осью, это количество определяет количество лопастей. Таким образом, фиг.7 изображает конструкцию ротора шестилопастной турбины, хотя она состоит из трех элементов, причем каждый содержит шесть отдельных лопастей. Предпочтительно, все лопасти также являются элементами, образующими, по меньшей мере, часть треугольной конструкции. Однако не все элементы треугольной конструкции являются обязательно лопастями.

Профиль лопастей может принимать любую пригодную форму, известную для турбины Дарриуса. Например, обычно лопасти имеют форму аэродинамического профиля в поперечном сечении, причем аэродинамический профиль является симметричным, т.е. профили противоположных поверхностей, являющихся одинаковыми.

В настоящем варианте осуществления лопасти являются, по существу, прямыми и образуют прямую линию вдоль своей длины. По выбору, аэродинамический профиль лопастей может быть изогнутым (хотя линия продольного направления лопасти остается, по существу, прямой) для оптимальной гидродинамической эффективности, так что радиальное направление от оси вращения перпендикулярно к плоскости лопасти вдоль ее длины. Однако, даже в этом случае, линия каждой лопасти является прямой. В одном типе конструкции каждая лопасть содержит центральную прямую штангу из стали, причем наружный корпус образует аэродинамический профиль, который может быть изогнутым. Корпус может быть выполнен из легкого материала, такого как стекловолокно или другой композиционный материал.

Другие варианты осуществления

В значительной части настоящего изобретения конструкция является треугольной для образования жесткой конструкции, использующей лопасти в качестве конструктивных элементов. Это дает возможность расположить турбину поперек потока и уменьшает количество необходимых опор. Хотя фиг.6 и 7 изображают прямые изогнутые лопасти, которые пересекаются на диске, на конце каждого элемента и имеют одинаковую площадь и одинаково наклонены к оси, ни один из этих признаков не является важным для настоящего изобретения. Другие альтернативные варианты осуществления и варианты по первому варианту осуществления настоящего изобретения включают в себя следующие признаки:

(a) Лопасти могут быть слегка изогнутыми. Они не должны иметь постоянную ширину по хорде. Одни будут, однако, выполнять функцию элементов, работающих на сжатие и растяжение для шпренгельной конструкции (по существу, треугольной конструкции).

(b) Лопасти могут быть слегка смещены туда, где они пересекаются, как показано на фиг.8 (смещение по касательной) и фиг.9 (радиальное смещение). Эти конструкции обеспечивают основные требования жесткой конструкции, но могут быть предпочтительными с точки зрения гидравлики.

(c) Они не должны пересекаться на дисках, но могут пересекаться на треугольных концах 15, как показано на фиг.10.

(d) Лопасти могут изменяться по размеру и углу к потоку. На фиг.11 изображен пример, в котором три лопасти параллельны оси вращения, и три меньшие лопасти наклонены. Они, по-прежнему, образуют жесткую треугольную конструкцию.

(e) Количество лопастей не обязательно должно равняться шести. Например, может использоваться разное количество лопастей, например восемь, с учетом требования, в соответствии с которым турбина имеет треугольную конструкцию.

(f) Другой способ выполнения жесткой треугольной конструкции осуществляется посредством использования, по меньшей мере, трех лопастей, поперечно скрепленных с гибкими элементами, работающими на растяжение, по выбору, в виде стержней с обтекаемым сечением. Изображение эффекта дополнительных связывающих элементов дано на фиг.12. Данный чертеж не соответствует варианту осуществления настоящего изобретения, поскольку он относится к 2-лопастной турбине и показывает связи жесткости только в одной плоскости для упрощения, но он дан для сравнения с фиг.3 и 4. Как показано на фиг.12, прогиб от сдвига всей конструкции становится гораздо меньше, и соответствующая деформация уменьшена. Отдельные лопасти 11, по-прежнему, деформируются 12, как показано на фиг.12, но их прогиб гораздо меньше предыдущей всесторонней деформации конструкции, изображенной на фиг.3 и 4.

Размещение турбины, воплощающей настоящее изобретение

Фиг.13 изображает типичное возможное размещение турбины, воплощающей настоящее изобретение. Изображены два ротора 5 турбины, поддерживаемые тремя конструкциями 3, 4, прикрепленными к морскому дну, две из конструкций 3 проходят через поверхность 1 воды, а одна конструкция 4 не проходит. По причинам, связанным с судоходством, волновой нагрузкой и окружающей средой, может быть выгодным использование опорных конструкций, которые не проходят через поверхность воды. Роторы турбины могут быть соединены с отдельными генераторами (не показаны) или могут быть соединены вместе с единственным генератором 6 в одной из опорных конструкций 3. Для уменьшения приложенного вращающего момента к опорной конструкции соседние роторы турбины могут вращаться в противоположных направлениях. Кроме того, не все роторы 5 турбины должны иметь одинаковый диаметр и также постоянный диаметр вдоль их длины.

Фиг.14 изображает сечение по оси турбины, воплощающей настоящее изобретение, показывая поток 7 воды, перпендикулярный к турбине 5. Когда поток изменяет направление на обратное в системе прилива, турбина 5 вращается в том же направлении, как прежде: турбина 5 вращается также независимо от направления течения.

Фиг.15 изображает то же устройство сверху, показывая поток 7, перпендикулярный к турбине 5. Поток не обязательно должен быть точно в перпендикулярном направлении. Наклонные потоки будут, однако, вызывать некоторое снижение эффективности.

Для сравнения с фиг.13, фиг.16 изображает типичное размещение осевых гидротурбин 8, занимающих подобную ширину поперек потока. По сравнению с турбиной, воплощающей настоящее изобретение, устройство с осевым потоком

(a) пересекает меньшее сечение потока,

(b) требует больше опорных конструкций, все из которых должны проходить через поверхность для доступа к генераторам,

(c) требует больше генераторов,

(d) требует больше первичных уплотнений для подшипников и т.д.

В мелководном устье реки, например, ряд турбин, воплощающих настоящее изобретение, будет соединен вместе для образования длинной установки, как показано на фиг.17, с одним или более генераторами 6.

Турбина, воплощающая настоящее изобретение, может быть также размещена в потоках с более высокой скоростью, например в реках. В соответствующих случаях, турбина 5 может выполнять функцию «активной плотины», см. фиг.18. Вниз по потоку от плотины поток может стать сверхкритическим с последующим гидравлическим прыжком обратно к ламинарному потоку.

Опорные конструкции 3, 4 могут принимать любую подходящую форму. Например, они могут быть неподвижными конструкциями с фундаментами на одиночных сваях, многочисленных сваях, гравитационных основаниях или кессонах. Опорная конструкция может быть выполнена из стали или бетона. Привязные плавучие конструкции могут быть пригодными в конкретных применениях (например, на очень большой глубине).

Генераторы также могут принимать любую из ряда подходящих конфигураций. Например, генераторами могут быть или генераторы с низкой угловой скоростью без зубчатой передачи, или генераторы с более высокой угловой скоростью с установленными редукторами между турбиной и генератором. В каждой опорной конструкции может быть установлен один генератор (или даже два генератора) или роторы 5 турбины могут быть просто соединены вместе с помощью опорной конструкции (например, используя муфту, которая будет обеспечивать незначительное угловое смещение), и механизм отбора мощности может непосредственно находиться в одной точке вдоль линии. Более сложные устройства, в которых механические системы передачи используются для расположения генератора над уровнем воды, также предусмотрены.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к турбинам, предназначенным для извлечения энергии из потока воды, например, с целью выработки электроэнергии. Гидротурбина с поперечным потоком содержит ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси. Ротор содержит, по меньшей мере, три лопасти для осуществления вращения ротора вокруг оси при расположении в проточной воде. Ротор содержит множество элементов в виде трехмерной конструкции, образованной из треугольников. По меньшей мере, один из указанных элементов содержит одну из указанных лопастей. По меньшей мере, одна лопасть является удлиненной и имеет по существу прямую линию. Указанная линия не является параллельной указанной оси и не лежит с ней в одной плоскости. Изобретение позволяет повысить прочность турбины и обеспечить возможность создания протяженной горизонтальной конструкции. 6 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Гидротурбина с поперечным потоком, содержащая ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, причем ротор содержит, по меньшей мере, три лопасти для осуществления вращения ротора вокруг оси, когда лопасти расположены в проточной воде, при этом ротор содержит множество элементов в виде трехмерной конструкции, образованной из треугольников, причем, по меньшей мере, один из указанных элементов содержит одну из указанных лопастей, при этом, по меньшей мере, одна лопасть является удлиненной и имеет линию, которая является, по существу, прямой, при этом линия указанной, по меньшей мере, одной лопасти не является параллельной указанной оси и расположена таким образом, что линия лопасти и ось не лежат в одной плоскости.

2. Гидротурбина по п.1, содержащая, по меньшей мере, шесть лопастей, образующих элементы конструкции, образованной из треугольников.

3. Гидротурбина по п.1 или 2, в которой каждая лопасть является, по существу, прямой.

4. Гидротурбина по п.1 или 2, в которой, по меньшей мере, одна лопасть имеет аэродинамический профиль.

5. Гидротурбина по п.1 или 2, в которой, по меньшей мере, одна лопасть имеет аэродинамический профиль, изогнутый вдоль ее длины.

6. Гидротурбина по п.1 или 2, в которой в, по меньшей мере, одном местоположении вдоль указанной оси плоскость, перпендикулярная к указанной оси, пересекается, по меньшей мере, шестью элементами указанной треугольной конструкции.

7. Гидротурбина по п.1 или 2, в которой указанная ось является, по существу, горизонтальной.