ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2013 года по МПК F03B13/10 F03B3/12 F03D3/06 

Настоящее изобретение относится к турбинным установкам, которые могут быть использованы для производства электроэнергии. Турбинная установка может быть приведена в действие потоками текучей среды, например ветра или воды. В частности, турбинная установка может быть использована в системах производства гидроэлектроэнергии, использующих кинетическую энергию воды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны турбинные установки для производства электроэнергии. В патенте США №5,009,568 раскрыта волновая энергоустановка, которая включает в себя гидравлическую турбину, установленную с возможностью вращения в корпусе на вертикальном выходном валу. Корпус включает заднюю стенку, противоположные стороны, а также верхнюю и нижнюю поверхности, образующие водоструйное сопло, обращенное к встречным волнам и направляющее их в корпус. Часть каждой встречной волны может быть направлена с помощью рассекателя непосредственно на передние поверхности лопастей гидравлической турбины, в то время как другая часть волны направлена на заднюю стенку корпуса, а затем на передние поверхности противоположных лопастей гидравлической турбины.

Турбина может быть установлена на валу, который в рабочем состоянии соединен с маховым колесом генератора мощности.

В патенте США №5,664,418 раскрыта ветряная турбина с вертикальной осью, установленная в раме, которую удерживает ряд расположенных по кругу серповидных трубчатых направляющих лопастей. Лопасти расширяются в направлении центра или ступицы турбины, использующей ветер. При входе в полую внутреннюю часть турбин ветер немедленно захватывается. Вал, на котором закреплены турбины, соединен с приводным валом, который, в свою очередь, связан с дифференциальной коробкой скоростей. Кроме того, предусмотрена пара разъемных приводных валов, связанных с дифференциальной коробкой скоростей, которые через тормозные устройства и соединительные муфты передают энергию на электрические генераторы.

В патенте США №5,451,138 раскрыта удлиненная турбина, лопатки которой имеют аэродинамический профиль и расположены перпендикулярно направлению потока текучей среды. Вращение турбины происходит в одном и том же направлении независимо от направления потока текучей среды. В родственном патенте США №5,451,137 приведено описание подобной турбины, лопатки которой расположены геликоидально. Геликоидальная конструкция может быть использована для преобразования энергии течений, приливов и отливов в электрическую энергию и, в честь изобретателя Александра Горлова, названа Геликоидальной турбиной Горлова.

Анализ уровня техники показал, что конструкции турбины чрезмерно сложны, что затрудняет их производство и повышает их стоимость. Кроме того, конструкции соединений между турбиной и генератором сложны, в частности, в патентах США №№5,009,568 и 5,664,418.

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения заключается в создании турбинных установок, характеризующихся простотой конструкци и эффективной работой.

Кроме того, согласно изобретению предложено облопачивание. Еще одной задачей изобретения является создание эффективной альтернативы существующим турбинам и турбинным лопаткам. Другие задачи ясны из приведенного ниже описания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Один из вариантов выполнения изобретения относится к турбинным установкам, включающим облопачивание и генератор. Облопачивание содержит криволинейные лопатки, внутренний конец каждой из которых заделан во внутреннюю полость. Внутренняя полость выполнена открытой с одной стороны. Внутри этой полости расположен генератор, который присоединен или прикреплен к облопачиванию.

Полость также соответствующим образом герметизирована с созданием, таким образом, воздушного кармана для генератора. Полость может быть заполнена изолирующей средой, например маслом или воздухом.

Облопачивание содержит центральную ступицу, которая обеспечивает охватывающее-охватываемое соединение с сопряженным валом генератора. Предпочтительно, центральная ступица облопачивания имеет полую внутреннюю часть, и таким образом, образует углубление для сцепления с валом генератора, который предпочтительно выполнен сплошным и имеет выступ для сопряжения с углублением.

Кроме того, вал генератора может также иметь гнездо для соединения с выступом центральной ступицы облопачивания.

Таким образом, облопачивание может быть присоединено к валу генератора с возможностью отсоединения и, следовательно, может быть снабжено соответствующими соединительными элементами, обеспечивающими соединение ступицы с валом генератора.

Следует отметить, что облопачивание согласно любой из описанных выше конструкций будет вращать центральный вал генератора, а следовательно, генерировать электрический ток обычным образом.

Каждая из лопаток облопачивания выполнена дугообразной с образованием вогнутой поверхности, обращенной в сторону натекания воды. Противоположная поверхность может быть выпуклой или плоской. Предпочтительно, каждая из лопаток имеет одинаковую ширину или поперечный размер по всей длине, однако это не является существенным признаком. Каждая лопатка может иметь динамическую конструкцию, которая под действием гидростатического давления может изгибаться с возможностью увеличения в размерах, и может сжиматься под действием противодавления.

Каждая лопатка может быть расположена под углом к оси вращения. Наиболее подходящим является угол в 45 градусов. Угол наклона может изменяться от одного конца лопатки к другому.

Известно, что генератор может быть использован для выработки постоянного или переменного тока. Генератор может быть электрическим, гидравлическим или пневматическим.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительный вариант выполнения изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен вид в перспективе предложенной турбины.

На фиг.2 изображен вид в перспективе предложенной турбины с пространственным разделением на части.

На фиг.3 изображен вид в разрезе турбины, изображенной на фиг.1.

На фиг.4 схематично изображен вид сверху турбины, изображенной на фиг.1.

На фиг.5 изображен вид в перспективе второго варианта выполнения предложенной турбины.

На фиг.6 изображен вид в перспективе третьего варианта выполнения предложенной турбины, и

на фиг.7 проиллюстрировано размещение турбины, изображенной на фиг.1, на дне моря или реки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СО ССЫЛКАМИ НА ЧЕРТЕЖИ

Турбинная установка 10, изображенная на фиг.1, содержит облопачивание 11 с лопатками или лопастями. Каждая лопатка из облопачивания 11 имеет дугообразную форму, что хорошо видно на фиг.4, и заделана во внутреннюю полость 14. Каждая лопатка имеет вогнутую внешнюю поверхность 12, на которую поступает поток текучей среды, и выпуклую противоположную поверхность 13. Облопачивание 11 установлено на фланце 17, который заделан во внутреннюю полость 14 и проходит до внешнего конца лопаток.

Облопачивание 11 содержит центральный вал 15, который вращается посредством облопачивания 11. Вал 15 соединен с вращающимся.центральным валом 16 генератора 20, который размещен в полости 14, как наиболее наглядно показано на фиг.3. На фиг.2, которая иллюстрирует пространственное разделение турбины на части, изображено, что генератор 20 закреплен на основании 21. Наиболее удобно выполнить такое закрепление с помощью фланца 22, установленного посредством сварных соединений 23. Кроме того, могут быть использованы любые другие подходящие крепежные детали, например, болты или винты.

Вал 15 полый и имеет шпоночный паз (не показан), который сопряжен со шпонкой 24 на валу 16 генератора 20. Выступ 24 и шпоночный паз обеспечивают вращение вала 16 с облопачиванием 11 для приведения в действие генератора 20. Генератор 20 снабжен электрическими проводами 25 и 26, показанными на фиг.2, по которым протекает электрический ток, вырабатываемый генератором 20.

На фиг.3 подробно изображена турбина 10 в разрезе. Обычный генератор 20 состоит из корпуса 27, в котором установлены электромагниты 28. При вращении катушки 29 на валу 16 в магнитном поле, создаваемом магнитами 28, возникает электрический ток, протекающий по проводам 25, 26. Генератор 20 расположен в выемке, сформированной полостью 14 облопачивания 11. Если турбина 10 предназначена для работы под водой, полость 14 гидроизолируют и заполняют воздухом, газом или маслом так, чтобы обеспечить эксплуатацию генератора 20 без его герметизации. Избыточное давление жидкости (воздуха, газа или масла) в полости поддерживают за счет закачивания жидкости в полость с низкой скоростью.

На фиг.3 хорошо изображено, что полость 14 открыта снизу, а облопачивание установлено над генератором 20 так, что генератор 20 расположен в полости. Следует отметить, что замена генератора 20 может быть легко осуществима посредством снятия облопачивания 11, отсоединения генератора 20 от основания 21 и установки нового генератора.

В процессе эксплуатации турбину 10 помещают в зону протекания текучей среды. Зона протекания текучей среды может представлять собой зону, в которой течет вода, например, течение реки или океаническое течение. Турбина 10 может быть выполнена с возможностью обеспечения производства электроэнергии из энергии воздушного потока (ветра), однако по мнению автора, речные и океанические течения являются более постоянными, чем ветер. Стрелка В на фиг.4 указывает направление протекания текучей среды. Текучая среда поступает на вогнутые 12 и выпуклые 13 поверхности каждой лопатки 11. Вращение облопачивания 11 в направлении, показанном изогнутой стрелкой А, обеспечено перепадом давлений между вогнутыми и выпуклыми поверхностями. Поэтому в отличие от известных турбин необходимость использования корпуса для управления подачей жидкости на турбинные лопатки отсутствует. Турбину 10 помещают в зону протекания текучей среды, и она вращается. Следует отметить, что вращение турбины обеспечено в одном и том же направлении независимо от направления потока текучей среды.

На Фиг.5 изображен второй вариант выполнения турбины 50, согласно которому лопатки облопачивания 51 имеют угол наклона относительно вала 15. Автор изобретения установил, что предпочтительный угол наклона составляет примерно 45 градусов, но не ограничивает объем изобретения этим значением угла. В сущности, любой угол наклона способствует механике жидкости в турбине 10. Наиболее подходящий угол наклона зависит от конкретного исполнения. К тому же, угол наклона может изменяться вдоль лопатки от одного ее конца к другому. Например, угол наклона лопатки может быть небольшим вблизи вала 15 и увеличиваться по мере удаления от него.

Лопатки согласно варианту выполнения, изображенному на фиг.5, имеют такой угол наклона, при котором нижняя часть лопатки впереди верхней ее части. Такая конструкция обеспечивает наиболее приемлемый восходящий угол наклона. Угол может быть перевернут в зеркальном отражении так, что верхняя часть лопатки впереди ее нижней части с образованием нисходящего угла наклона. На фиг.6 представлен еще один вариант выполнения турбины 60, в котором облопачивание 61 снабжено динамическими лопатками, изменяющими свой профиль в зависимости от приложенного усилия. Этот результат достигнут благодаря применению секционной лопатки такой как лопатка 62, которая выполнена с возможностью увеличения в размерах под действием внешней силы подобно парусу. Лопатки, вогнутая сторона которых обращена в сторону потока текучей среды, расширяются (см. фиг.6) для лучшего улавливания этого потока. Другие лопатки сжимаются до нерасширенного профиля. Другие варианты выполнения изобретения могут включать упругодеформируемые лопатки, размещенные параллельно жесткому каркасу на вогнутой стороне. Под действием давления текучей среды лопатка расширяется, а при вращении сужается в обратном направлении до недеформированного профиля. При вращении в обратную сторону каркас способствует предотвращению деформации.

Материал, подходящий для выполнения облопачивания, включает пластмассу или металл, например, алюминий. Турбинная установка может быть изготовлена посредством экструзионного формования, выдувного формования или литья.

На фиг.7 изображены два турбинные установки, выполненные в соответствии с вариантами выполнения согласно фиг.1, фиг.5 или фиг.6. Несколько турбин совместно образуют установку для производства электроэнергии. Основание 71 установлено вблизи морского дна 72 или русла реки, при этом каждое основание 71 поддерживают сваи 73 и цепи 74. Основание 71 может быть полым или изготовлено из плавучего материала, позволяющего турбинам держаться на поверхности. Если основание 71 полое, оно может быть заполнено водой, что приводит к погружению турбины, или воздухом, что приводит к ее всплытию. Заполнение основания водой или воздухом особенно уместно в целях обслуживания, благодаря обеспечению возможности подъема краном или замены турбинной установки.

Заполнение основания 71 водой или воздухом может быть также полезно с точки зрения регулирования глубины установки турбины, чтобы расход потока был максимальным. Добавление воды в основание вызывает погружение на более низкий уровень. Закачивание воздуха в основание обеспечивает вытеснение из него воды, а следовательно, всплытие основания на более высокий уровень. Закачивание воздуха или добавление воды вызывает изменение уровня основания с возможностью расположения турбинной установки в зоне максимального потока.

Автор изобретения считает, что этот процесс может быть автоматизирован путем размещения на различных глубинах датчиков расхода и автоматического перемещения турбинной установки на глубину, где поток наиболее силен.

Следует отметить, что полость 14 може быть заполнена воздухом с возможностью образования газов или формирования ионов как побочных продуктов производства электричества генератором 20, расположенным в полости 14. Если поддержание полости 14 в сухом состоянии требует закачки дополнительного количества воздуха, его подача может быть обеспечена с помощью простого воздушного трубопровода, связанного с воздушным компрессором на берегу. Воздушный трубопровод может проходить от берега совместно с проводами 25 и 26. Генератор 20 в полости 14 должен обладать стойкостью к коррозионным средам (например, морской воде).

Турбинная установка согласно изобретению может быть использована в качестве подводной гидроэлектростанции, не вызывающей загрязнений. Кроме того считается, что приливы и отливы океана могут быть спрогнозированы, благодаря чему может быть обеспечена надежная работа предлагаемой турбинной установки.

Для специалиста очевидно, что при подключении энергоблоков к энергосистеме могут возникать различные проблемы. С подобными проблемами уже сталкивались при разработке различных устройств для производства электроэнергии, например, ветрогенераторов. Предполагают, что соответствующие трансформаторы и оборудование, обеспечивающее согласование фаз должны быть расположены вблизи электростанции, но не под водой. Например, при расположении электростанции под водой трансформаторы следует располагать на берегу.

Для специалиста также очевидно, что на практике турбинная установка должна быть снабжена различными средствами защиты, например отказоустойчивыми тормозными системами и максимальной токовой защитой. Эти устройства общеизвестны и для краткости не рассматриваются в настоящем описании.

Генератор 20 соединен с основанием так, что он выдерживает вибрацию, вызванную вращением облопачивания 11. Проблемы борьбы с вибрацией хорошо известны инженерам турбиностроителям и должны быть решены в соответствии с требованиями эффективной эксплуатации.

Настоящее описание раскрывает основной вариант выполнения электрического генератора, и следует учесть, что изобретение не ограничено этим конкретным вариантом выполнения. Генератор 20 может представлять собой любое соответствующее устройство, способное преобразовывать кинетическую энергию в другой полезный вид энергии.

Таким образом, генератор может быть гидравлическим или пневматическим. В заключение следует отметить, что облопачивание согласно изобретению представляет собой простую конструкцию и имеет прямую связь с генератором, расположенным в полости облопачивания.

Изобретение относится к турбинным установкам, которые могут быть использованы для производства электроэнергии. Турбинная установка содержит облопачивание 11, включающее криволинейные лопатки, внутренний конец каждой из которых заделан в полости 14, открытой с одной стороны; и генератор 20, расположенный в полости 14 и соединенный с облопачиванием 11. Каждая криволинейная лопатка имеет динамическую структуру и выполнена с возможностью увеличения в размерах под действием гидростатического давления и с возможностью сжатия под действием противодавления. Изобретение направлено на создание турбинных установок, характеризующихся простотой конструкции и эффективной работой. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Турбинная установка, содержащая: облопачивание, включающее криволинейные лопатки, внутренний конец каждой из которых заделан в полости, открытой с одной стороны; и генератор, расположенный в полости и соединенный с облопачиванием, причем каждая криволинейная лопатка имеет динамическую структуру и выполнена с возможностью увеличения в размерах под действием гидростатического давления и с возможностью сжатия под действием противодавления.

2. Турбинная установка по п.1, в которой полость герметизирована и заполнена изолирующей средой.

3. Турбинная установка по п.2, в которой изолирующая среда представляет собой воздух, газ или масло.

4. Турбинная установка по п.1, в которой облопачивание содержит центральную ступицу, соединенную с валом генератора.

5. Турбинная установка по п.4, в которой центральная ступица имеет разъемное соединение с валом генератора.

6. Турбинная установка по п.4, в которой центральная ступица имеет гнездо для соединения с валом генератора.

7. Турбинная установка по п.4, в которой центральная ступица имеет выступ для сопряжения с гнездом, выполненным в валу генератора.

8. Турбинная установка по п.6 или 7, в которой вал имеет выступ, сопряженный со шпоночным пазом в гнезде, или гнездо имеет выступ, который сопряжен со шпоночным пазом на валу.

9. Турбинная установка по п.1, в которой облопачивание содержит фланец, проходящий от полости до наружного конца лопаток.

10. Турбинная установка по п.1, в которой криволинейная лопатка имеет вогнутую поверхность и противоположную выпуклую поверхность.

11. Турбинная установка по п.1, в которой каждая криволинейная лопатка имеет одинаковую ширину по всей ее длине.

12. Турбинная установка по п.1, в которой каждая криволинейная лопатка расположена под углом к оси вращения.

13. Турбинная установка по п.12, в которой угол наклона составляет 45°.

14. Турбинная установка по п.12, в которой угол наклона является переменным по всей длине лопатки.

15. Электростанция, которая содержит две или более турбинные установки, каждая из которых включает: облопачивание, содержащее криволинейные лопатки, внутренний конец каждой из которых заделан в полость, открытую с одной стороны; и генератор, расположенный в полости и связанный с облопачиванием, причем каждая криволинейная лопатка имеет динамическую структуру и выполнена с возможностью увеличения в размерах под действием гидростатического давления и с возможностью сжатия под действием противодавления.

16. Электростанция по п.15, в которой каждая турбинная установка содержит полое основание.

17. Электростанция по п.16, в которой полое основание заполнено плавучим материалом.

18. Электростанция по п.16, в которой полое основание заполнено воздухом или водой с возможностью регулирования глубины расположения электростанции под водой.

19. Электростанция по п.15, дополнительно содержащая устройство для крепления расположенной под водой электростанции к морскому дну или дну реки.