ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА И ТУРБИНА В ТРУБЕ Российский патент 2014 года по МПК F03B7/00 F03B3/12 F03D3/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится, в основном, к области гидроэлектрической выработки электроэнергии. Более конкретно, изобретение относится к гидроэлектрической выработке электроэнергии посредством прохождения потока рабочего вещества через турбину.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Патенты США №№5,451,137; 5,642,984; 6,036,443; 6,155,892; 6,253,700 В1; и 6,293,835 В2, выданные Goriov, раскрывают различные цилиндрические турбины для энергосистем, при этом лопатки турбин простираются спиралеобразно и прогоняют рабочее вещество через открытый цилиндр. Эти патенты раскрывают компоновку таких турбин в каналах с прямоугольным и/или квадратным поперечным сечением или в трубопроводах, по которым проходит вода, вращающая турбины для гидроэлектрической выработки электроэнергии. Цилиндрическая турбина Goriov'а имеет спиралеобразно искривленные/скрученные лопатки, или лопасти, установленные на центральном валу радиальными распорками или спицами произвольного или по меньшей мере не аэродинамического, например круглого, поперечного сечения. Патент США №5,405,246, выданный Goldberg, раскрывает ветровую турбину с вертикальной осью, имеющую скрученную конфигурацию лопаток, в которой две вращаемые лопатки изгибаются и скручиваются по всей своей длине и определяют тело вращения, при этом тело вращения описывает "внешнюю поверхность американского футбольного мяча…". В единственном проиллюстрированном примере осуществления своего изобретения лопатки Goldberg'а выступают радиально от центрального ротора под углами приблизительно в 45 градусов к воображаемым плоскостям на вращающихся полюсах, нормальных к оси ротора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - изометрический чертеж покомпонентной сборки одного примера осуществления изобретения, оснащенного сферической турбиной.

Детали А и В являются фрагментарными вертикальными проекциями трубы, содержащей турбину, показанной на Фиг.1, представляющими параллельное сравнение двух различных примеров осуществления круглой поверхности, показанной на них. В частности, деталь А показывает плоскую круглую поверхность, деталь В показывает сферически вогнутую круглую поверхность для монтажа ближайшего конца вала турбины.

Фиг.2 - вид спереди смонтированного примера осуществления.

Фиг.3 - изометрический чертеж покомпонентной сборки сферической турбины по Фиг.1.

Фиг.4 - изометрическое изображение смонтированной сферической турбины.

Фиг.5 - изометрическое изображение собранной сферической турбины во втором примере осуществления изобретения, содержащем дефлектор восходящего потока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фиг.1 показан изометрический чертеж покомпонентной сборки первого примера осуществления изобретенной гидроэлектрической энергосистемы 10 в трубе, оснащенной сферической турбиной. Система 10, в соответствии с одним примером осуществления изобретения, содержит трубу 12 Т-образного профиля для рабочего вещества (в широком смысле подразумевающем жидкости, такую как вода, или газы, такой как воздух, или аналогичные вещества, проявляющие полезные характеристики потока), надстройку, или генератор в сборе 14, и сферическую турбину в сборе 96. Специалистам в данной области техники будет понятно, обратившись к Фиг.2, что турбина в сборе 96, смонтированная и приводимая в движение потоком рабочего вещества через трубу 12, будет вращаться, а система 10 будет вырабатывать гидроэлектрическую энергию, которая может быть накоплена, использована или подана в энергосеть.

Труба 12 является, в общем случае, цилиндрической, имеющей, в общем случае, круглое поперечное сечение, хотя в пределах сущности и объема изобретения труба может быть в поперечном сечении слегка овальной. Труба 12 обычно является частью более длинного и возможно более сложного средства транспортировки рабочего вещества или системы трубопроводов, и стоит оценить то обстоятельство, что существующая система трубопроводов может легко быть модифицирована изобретенной энергосистемой 10 секционированием и заменой удаленной секции энергосистемой 10. Далее, труба 12 оснащена круглыми фланцами 12а и 12b для болтового подсоединения к каждому ее концу концов труб входящего и выходящего потоков (не показаны). Труба 12 содержит небольшое отверстие 12с в первой области боковой стенки и большое отверстие 12d - в диаметрально противоположной области трубы. Как будет понятно, через небольшое отверстие 12с проходит вал турбины, в то время как через большое отверстие 12d проходит турбина в сборе 96. Труба 12 оснащена также фланцованной Т-образной секцией трубы (так называемым "тройником"), которая эффективно выравнивает большое отверстие 12d под прямым углом к длинной оси трубы 12.

Блок крышки генератора 14 содержит круглую дугообразную поверхность 18, которая позволяет эффективно прикрывать или блокировать большое отверстие 12d, когда система 10 монтируется. Дугообразная поверхность 18 образует непрерывную сферическую стенку внутри трубы 12 для протекания потока рабочего вещества, предотвращая тем самым кавитацию или другие разрывы гладкого потока рабочего вещества внутри трубы, что в противном случае действовало бы как каверна в тройниковой секции. Трехкрыльчатая цилиндрическая распорная втулка 20 держит дугообразную поверхность 18 на своем месте внутри тройниковой секции, когда покрывающая поверхность 22, содержащая кольцевое уплотнение 22а и круглую поверхность 22b, крепится болтами на фланце 12е. Круглая поверхность 22b имеет отверстие 22bа с установочным блоком 24, простирающимся вокруг него. Периферический конец вала турбины в сборе 96 установлен в первый держатель 26, который содержит блок роликового подшипника, обеспечивающий гладкое вращение вала турбины. Между установочным блоком 24 и круглой поверхностью 22b может находиться плоская регулировочная шайба 22bb.

Альтернативные варианты описанной выше круглой поверхности 22b показаны на Детали А и Детали В, которые являются боковыми проекциями с частичными разрезами, раскрывающие внутреннюю часть тройниковой секции 12е. Специалистам в данной области техники будет понятно, что абсолютные и относительные размеры в Деталях А и В представлены не в масштабе, поскольку они предназначены только для общего структурного сравнения.

Параллельное сравнение Детали А, которая содержит в себе плоскую круглую поверхность 22b, описанную выше, и Детали В, которая содержит в себе сферически вогнутую круглую поверхность 22b', раскрывает некоторые важные преимущества альтернативной поверхности 22b'. Плоская круглая поверхность 22b должна быть выполнена из сравнительно толстого материала, что тем самым делает ее тяжелой и трудной для обработки. Сферически вогнутая круглая поверхность 22b', с другой стороны, может быть выполнена из сравнительно тонкого материала, что тем самым делает ее существенно более легкой и существенно более простой для обработки.

Это все возможно за счет кривизны альтернативной поверхности 22b'.

Более того, центральная область плоской круглой поверхности 22b может находиться в удалении от турбины в сборе, тем самым, что нежелательно, удлиняя вал турбины. И наоборот, центральная область сферически вогнутой круглой поверхности 22b' может находиться ближе к турбине в сборе, тем самым, что желательно, укорачивая требуемую длину или вертикальный участок вала турбины.

Это также все возможно за счет кривизны альтернативной поверхности 22b'.

Из Детали В может быть понято, что вогнутая поверхность 22b' имеет, в общем случае, сферическую форму, при этом ее вогнутость простирается внутрь от генератора в сборе (не показан для простоты и ясности этого изображения) и к турбине в сборе 96' (показана только схематически на этих детализированных изображениях штрихпунктирными очертаниями, и при этом показано только отличие от турбины в сборе 96, определяемое более коротким валом 64'). Эта вогнутая круглая поверхность, ориентированная по потоку или против потока, может рассматриваться и описываться здесь как перевернутый свод (или перевернутый купол). Хотя здесь показана и описана сферически вогнутая форма, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы надлежащие модификации без отклонения от сущности и объема изобретения. Например, возможен перевернутый свод, который имеет скорее параболическое, чем полукруглое поперечное сечение, также как возможны и другие поперечные сечения с различными соотношениями размеров (то есть, с различными отношениями глубины к ширине, только один из которых, для ясности показан с некоторым преднамеренным преувеличением глубины). Кроме того, куполообразная в поперечном сечении поверхность может иметь более округлое внешнее плечо, что могло бы рассматриваться как пространственная кривизна. Все такие подходящие альтернативные конфигурации предполагаются не выходящими за пределы сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что монтажные детали в таком альтернативном примере осуществления соответственно видоизменяются, с тем чтобы подогнать перевернутую куполообразную круглую поверхность 22b' и ее блок болтового соединения через кольцевое уплотнение 22а на стандартном фланце 12е трубы 12. Например, установочный блок 24' может содержать регулировочную шайбу 22bb', которая сферически выпукло искривлена так, чтобы выравнивать и уплотнять сферически вогнутую кривизну внутри перевернутого купола. Для вращения генератора 32 он подсоединяется, как будет понятно, к периферическому концу вала турбины непосредственно над отверстием в центральной области сферической вогнутой поверхности 22b'. Другие компоненты и технологические средства для подгонки альтернативной сферически вогнутой круглой поверхности 22b' предполагаются не выходящими за пределы сущности и объема изобретения.

Компоновочный узел генератора 28 подсоединяется болтами через группу круглых отверстий, имеющихся в круглой поверхности 22b. Компоновочный узел генератора 28 содержит кольцевую распорную втулку, или элемент жесткости 30 для размещения стяжки генератора 32 с валом турбины, кольцевую закраину 34 с первой петлей для механического подъемника 34а, и крышку 36, имеющую вторую петлю для механического подъемника 36а. Специалистам в данной области техники будет понятно, что петли 34а и 36а представляют собой подходящие петли для подъема всей или части смонтированных компонентов таврового профиля выработки электроэнергии во время монтажа, демонтажа или технического обслуживания. Специалистам в данной области техники будет понятно, что генератор может быть генератором постоянного тока или переменного тока (DC или АС), однофазным или трехфазным, синхронным генератором на 120 В АС или 240 В АС и прочее и/или может быть преобразован из одной формы в другую, что зависит от потребностей электрической сети.

Установочная поверхность 12f приваривается к трубе 12 вокруг небольшого отверстия 12с и ко второй опоре 38, содержащей блок роликового подшипника, на котором посажен периферический конец вала турбины в сборе 96 для гладкого вращения на подшипнике. Специалистам в данной области техники будет понятно, что для сопряжения с круглым поперечным сечением цилиндрической трубы 12 первый держатель 26, в соответствии с одним примером осуществления изобретения, содержит регулировочную шайбу (детально не показана, но, как мы предполагаем, понятна из этого краткого описания специалистам в данной области техники), которая имеет плоскую внешнюю поверхность и цилиндрическую внутреннюю поверхность, и обеспечивает сопряжение с внешней цилиндрической поверхностью трубы. Эта регулировочная шайба может быть выточена на станке или образована любым надлежащим процессом и из любого надлежащего материала, который обеспечивает соответствующее плотное соединение между валом и отверстием трубы, через которое проходит этот вал. Следует понимать, что описанная и/или показанная здесь регулировочная шайба может быть изготовлена отдельно или может быть легко введена в соответствующий установочный блок или поверхность.

Первый и второй держатели 26 и 38 могут иметь альтернативные формы, в соответствии с сущностью и объемом изобретения, однако мы полагаем, что регулировка аксиального и радиального усилия наилучшим образом достигается с использованием сферического роликового подшипника, создающего только трение качения, в отличие, например, от подшипника скольжения или других средств создания трения скольжения. Мы полагаем, что держатели на роликовых подшипниках, которые были здесь описаны, позволяют системе 10 работать безопасно, надежно и длительно, и вырабатывать электроэнергию при небольшой скорости потока рабочего вещества через трубу 12, составляющей приблизительно 3-4 фута в секунду (ф/с).

Специалистам в данной области техники будет понятно, что турбина в сборе 96 вставлена через большое отверстие 12d трубы 12, а периферический конец ее вала прикреплен ко второму держателю 38. Генератор в сборе 14 подсоединяется болтами к фланцу 12е трубы 12, и гидроэлектрическая энергосистема 10 готова к работе. Энергосистема 10 смонтирована, или по-другому, представлена как часть системы трубопроводов (не показана). Когда рабочее вещество протекает через трубу 12, энергосистема 10 вырабатывает электроэнергию.

Неожиданно было обнаружено, что такие турбины в сборе, которые были описаны и проиллюстрированы здесь чертежами, вращаются при низких скоростях потока рабочего вещества, составляющих приблизительно 3-4 фута в секунду (ф/с).

Специалистам в данной области техники будет понятно то, что вместо термина «сферический» может быть преднамеренно использован широкий термин «сфероидальный», или наоборот, при этом сфероидальная турбина, которая в поперечном сечении была бы слегка или до некоторой степени некруглой или овальной, могла бы эффективно использоваться внутри соответствующей до некоторой степени некруглой или овальной в поперечном сечении цилиндрической трубе. Эти и другие варианты изобретения считаются не выходящими за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

На Фиг.2 представлена боковая проекция смонтированной системы 10. Изображение на Фиг.2, как мы полагаем, в значительной степени очевидно с точки зрения приведенного выше детального описания со ссылками на Фиг.1, которой соответствует Фиг.2. Из Фиг.2 можно видеть, что «объем» сферической турбины в сборе находится приблизительно между 15% и 30%, что зависит от числа лопаток в совокупности, их индивидуальной конфигурации и шага между лопатками. Следует понимать, что угол пересечения каждой из многих лопаток сферической турбины и центральной оси вала, в соответствии с одним примером осуществления изобретения, составляет приблизительно 30 градусов, хотя можно предполагать и другие углы, что считается как находящееся в пределах сущности и объема изобретения. Например, угол пересечения, являющийся альтернативным, но находящийся в пределах сущности и объема изобретения, может составлять величину в диапазоне приблизительно между 10 и 45 градусами, или более предпочтительно в диапазоне приблизительно между 15 и 35 градусами, или наиболее предпочтительно - в диапазоне приблизительно между 25 и 35 градусами. Любые подходящие углы внутри любых полезных диапазонов считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Пример осуществления, проиллюстрированный здесь, представляет собой сферическую турбину в сборе с четырьмя лопатками, однако предполагается, что только лишь две лопатки и целых двадцать лопаток будут находиться в пределах сущности и объема изобретения. Предполагается, что более предпочтительным является число лопаток приблизительно между двумя и одиннадцатью. Наиболее предпочтительным, как предполагается, является число лопаток приблизительно между тремя и семью. Предполагается, что в пределах сущности и объема изобретения будет находиться и другое количество, и другие конфигурации лопаток сферической турбины, изогнутые в дугу приблизительно под 180 градусов. Специалистам в данной области техники будут понятны из Фиг.3 наилучшие возможности, когда лопатки сферической турбины в сборе характеризуются по всей целиком длине поперечным сечением аэродинамического профиля. Это обеспечивает гидродинамику турбины и производительность при гидроэлектрической выработке электроэнергии. В соответствии с этим примером осуществления сферической турбины настоящего изобретения, вокруг вращающейся сферической турбины в сборе и внутри трубы создается достаточный зазор для устранения нежелательного сжатия рабочего вещества на границах вращения турбины (см. Фиг.2).

Специалистам в данной области техники будет понятно, что лопатки сферической турбины, в пределах сущности и объема изобретения, могут быть выполнены из любого надлежащего материала и любым надлежащим процессом. Например, лопатки могут быть выполнены из алюминия, надлежащего композитного материала или надлежащей армированной пластмассы. Эти лопатки могут быть изготовлены центробежным литьем или литьем под давлением, экструзией, пултрузией, изгибанием или другими технологиями формирования, согласующимися с используемым материалом и согласующимися с эффективным по стоимости производством деталей удлиненной формы, имеющих, в основном, постоянное поперечное сечение. Эти и другие подходящие материалы и процессы рассматриваются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

В соответствии с проиллюстрированным примером осуществления изобретения, аэродинамическое поперечное сечение лопаток сферической турбины соответствует принятому стандарту NACA 20, хотя рассматриваются и альтернативные аэродинамические поперечные сечения, как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

На Фиг.3 представлен изометрический чертеж сферической турбины 96. Сферическая турбина 96 содержит верхнюю и нижнюю ступицу в сборе 98 и 100. Каждая ступица в сборе содержит несущую поверхность ступицы 102 и четыре монтажных кронштейна 104, 106, 108 и 110 (для простоты изложения в смонтированном состоянии показана только верхняя ступица в сборе). Несущая поверхность ступицы 102 является плоской и имеет периферийный край в виде ленточной пилы (в альтернативном варианте имеет криволинейный край в соответствии с круглым в поперечном сечении контуром вращения и прямой край для возможности примыкания и монтажа заподлицо концов лопаток), прямые части которой крепятся, как показано, монтажными кронштейнами. Монтажные кронштейны, в свою очередь, крепят четыре сферических лопатки 112, 114, 116 и 118, каждую под определенным углом, например предпочтительно под углом приблизительно в 30 градусов, между плоскостью, определенной, в основном, каждой криволинейной лопаткой и центральной осью вала. Специалистам в данной области техники будет понятно, что сферические лопатки 112, 114, 116 и 118 также имеют аэродинамическое поперечное сечение, например, в соответствии со стандартом NACA 20 или любым другим надлежащим стандартом. Для надежного присоединения ступиц в сборе к валу 64 используются верхняя и нижняя разрезные муфты сцепления валов 120 и 122. В соответствии с одним примером осуществления изобретения, монтажные кронштейны, подсоединенные болтами к нескольким лопаткам, присоединяются к несущим поверхностям ступиц сваркой, используя для совмещения показанные здесь направляющие штыри и отверстия. Для сборки оставшихся составных частей сферической турбины 96 в сборе используются, как показано здесь, надлежащие крепежные элементы, такие как шестигранные болты, стопорные шайбы и установочные винты.

На Фиг.4 представлено изометрическое изображение смонтированной сферической турбины 96. Изображение на Фиг.4, как мы полагаем, в значительной степени очевидно с точки зрения приведенного выше детального описания со ссылками на Фиг.3, которой соответствует Фиг.4. Динамический зазор вращающейся сферической турбины в сборе больше, чем ее статический зазор, и подгоняется незначительным занижением размера цилиндрической турбины относительно внутреннего размера (ID) трубы, то есть созданием небольшого, но, что предпочтительно, постоянного зазора в диапазоне приблизительно между 0.5 см и 5 см, а предпочтительно приблизительно в диапазоне между 1 см и 3 см, в зависимости от диаметра трубы 12 и другой специфики устройства. Эти расстояния являются только иллюстрациями, а не преднамеренными ограничениями, поскольку альтернативные промежутки считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Фиг.5 иллюстрирует изобретенную аппаратуру в соответствии с другим примером осуществления изобретения. Альтернативная система 10' подобна системе 10, которая была описана выше, и потому для идентичных компонентов здесь используются идентичные ссылочные обозначения и первоначальные ссылочные обозначения для подобных компонентов. Можно видеть, что система 10' содержит также дефлектор восходящего потока 122 (для ясности, на Фиг.5 опущены детали турбины и генератора в сборе). Дефлектор 122, в соответствии с одним примером осуществления, выполнен из двух или более плоских поверхностей, содержащих первую, менее наклоненную поверхность 122а, которая по своей криволинейности согласуется с круглым внутренним поперечным сечением трубы 12, и вторую, более наклоненную поверхность 122b, образующую вогнуто искривленный свободный внутренний край 122bа, который вытянут вперед и, в общем, согласуется со сферической турбиной с круглым поперечным сечением. Эти две поверхности свариваются или же, в другом варианте, соединяются вдоль линии сопряжения, которая определяет изменение их углов наклона относительно центральной оси трубы. Таким образом, дефлектор 122 при работе системы 10' эффективно экранирует внешнее пространство вращения вращающихся лопаток сферической турбины по дуге вращения, в которой лопатки обладают наименьшей производительностью выработки электроэнергии, и потому могут создавать нежелательный останов при пониженных скоростях потока.

Неожиданно было установлено, что дефлектор 122 около области восходящего потока турбины в сборе 96 может увеличивать выработку электроэнергии на величину в диапазоне приблизительно между 14% и 40%, а более вероятно - в диапазоне приблизительно между 20% и 30% свыше номинальной выходной мощности сферической турбины, не содержащей такого дефлектора восходящего потока внутри трубы.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что отношение между рабочей областью дефлектора и разворотом турбины может находиться приблизительно между 10% и 40%, а более вероятно - приблизительно между 20% и 30%. Специалистам в данной области техники будет понятно также, что величина рабочей области дефлектора может определяться спецификой конкретного применения, поскольку рабочая область предоставляет оптимальное соотношение между объемной скоростью потока и падением напора. Таким образом, альтернативные диапазоны рабочей области дефлектора относительно разворота турбины считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно также, что дефлектор 122 может быть выполнен из любого надлежащего материала, например из стали, и может быть выполнен с пространственными размерами и ориентацией на любую желаемую регулировку потока рабочего вещества в области восходящего потока сферической турбины в сборе 96. В соответствии с одним примером осуществления изобретения, дефлектор 122 наклонен относительно длинной центральной оси трубы 12 на угол менее чем 90 градусов на его свободном крае 122bа. Так называемый угол входа свободного края дефлектора относительно центральной оси трубы 12 предпочтительно находится приблизительно между 10 градусами и 40 градусами. В соответствии с одним примером осуществления изобретения, поверхность 122а отклонена приблизительно на 15 градусов, а поверхность 122b отклонена приблизительно на 30 градусов от центральной оси трубы 12. Тем не менее, и другие углы наклона считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что дефлектор 122 может принимать различные формы в пределах сущности и объема изобретения. Например, дефлектор 122 может иметь больше двух и более коротких кусочно-плоских сегментов, когда он расходится лучами внутрь к центральной оси трубы 12, тем самым лучше аппроксимируя гладкую и предпочтительно круглую цилиндрическую кривую, центральная ось которой предпочтительно приблизительно параллельна оси вращения турбины (то есть приблизительно параллельна длинной оси вала 64). В действительности, дефлектор 122 может быть, в пределах сущности и объема изобретения, гладко цилиндрически искривлен между краем сопряжения трубы и его свободным краем.

Свободный край 122bа дефлектора 122, в соответствии с одним примером осуществления изобретения, в основном, вогнуто искривлен для согласования его внутреннего пространства вдоль его высоты с общей кривизной лопаток сферической турбины. Любая надлежащая прямолинейная или гладкая кривая или радиус кривизны считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что сферическая турбина может использоваться в системах преобразования мощности, а не только в системах для производства электроэнергии. Например, аксиальная кинетическая энергия рабочего вещества может быть преобразована во вращательную кинетическую энергию любого вращающегося механизма (например, конвейера, шлифовального станка, сверлильного станка, пилы, мельницы, маховика и прочее), содержащего электрический генератор или надлежащую альтернативу. Все такие применения изобретенной турбины рабочего вещества считаются как находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что ориентация изобретенной системы во многих ее примерах осуществления является только иллюстративной и не должна рассматриваться как ограничение объема изобретения. Таким образом, использование таких терминов, как верхний и нижний, следует понимать как термины, являющиеся относительными, а не абсолютными, и взаимозаменяемыми. Иными словами, система, в пределах сущности и объема изобретения, может принимать другую вертикальную ориентацию, с надстроенным корпусом генератора и валом турбины, проходящим или вверх или вниз вдоль длинной оси трубы. В действительности, система может образовывать любой другой подходящий угол, при котором вал турбины проходит приблизительно перпендикулярно к направлению потока рабочего вещества.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что составные части изобретенных систем могут быть выполнены из любого надлежащего материала, включая сталь и алюминий. Большинство деталей, такие, например, как валы турбины, плоские поверхности и дефлектор, могут быть стальными. Оставшиеся детали, включая втулки, соединительные блоки и лопатки, могут быть выполнены из обработанного на станке, выдавленного или вытянутого алюминия (лопатки затем развальцовываются и/или изгибаются до необходимой формы) или из армированной, полученной литьем под давлением пластмассы. Любой альтернативный материал и любой альтернативный процесс формирования считается как находящийся в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно также, что изобретенные системы могут быть легко увеличены или уменьшены по размерам, что зависит от их применения. Так что хотя, в общем случае, размеры систем здесь не приводятся, эти размеры, как следует понимать, строго пропорциональны показанным размерам, абсолютный масштаб которых может быть изменен в пределах сущности и объема изобретения.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что на определенных интервалах (последовательно) между собой и вдоль трубы, по которой протекает вода, могут быть установлены две или более гидроэлектрические системы, повышая тем самым выработку электроэнергии. Специалистам в данной области техники будет понятно также, что параллельные конфигурации двух или более гидроэлектрических систем выработки электроэнергии могут быть установлены внутри ответвлений трубы, по которой протекает вода, тем самым альтернативно или дополнительно повышая выработку электроэнергии. Специалистам в данной области техники будет понятно, что к описанным здесь и проиллюстрированным гидроэлектрическим системам выработки электроэнергии могут быть, при необходимости, добавлены пусковые механизмы для использования таких систем в приливно-отливных (двунаправленных или осциллирующих) потоках. Специалистам в данной области техники будет понятно также, что в использовании изобретенных гидроэлектрических системах производства электроэнергии в трубе могут быть реализованы отказоустойчивые режимы работы для предотвращения саморазрушения в случае поломки подшипников или аналогичных событий. Наконец, специалистам в данной области техники будет понятно, что такие гидроэлектрические системы производства электроэнергии, как это было здесь описано и проиллюстрировано, могут быть помещены внутри внешнего рукавного трубопровода, который защищает систему производства электроэнергии от элементов и/или который упрощает распределение мощности по силовым кабелям или другим надлежащим средствам передачи на ближайшие накопительные устройства или энергосети.

Необходимо понимать, что представленное изобретение не ограничено описанными и проиллюстрированными здесь способом или деталями конструкции, изготовлением, материалом, применением или использованием. На самом деле, любое надлежащее видоизменение изготовления, применения или использования считается альтернативным примером осуществления и, тем самым, находится в пределах сущности и объема изобретения.

Кроме того, подразумевается, что любые другие примеры осуществления настоящего изобретения, которые проистекают из любых изменений в применении или способе использования или работы, конфигурации, способа изготовления, формы, размера или материала, и которые не специфицированы в детальном описании или иллюстрациях, содержащихся здесь, однако были бы понятны специалистам в данной области техники, находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

Соответственно, хотя настоящее изобретение было показано и описано со ссылками на вышеизложенные примеры осуществления изобретенной аппаратуры, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны другие изменения в их форме и деталях без отклонения от сущности и объема изобретения, как оно определено в прилагаемой патентной формуле.

Изобретение относится к области гидроэлектрической выработки электроэнергии. Сферическая турбина 96 выполнена для вращения в поперечном направлении в цилиндрической трубе под действием рабочего вещества, протекающего через трубу в любом направлении. Турбина 96 в рабочем состоянии соединена с вращающейся машиной или генератором для выработки электричества. В одном примере осуществления лопатки 112, 114, 116, 118 сферической турбины 96 изогнуты в дугу приблизительно на 180 градусов в плоскости, которая наклонена под углом относительно оси вращения центрального вала 64. В другом примере осуществления внутри цилиндрической трубы установлен дефлектор по восходящему потоку сферической турбины 96 для управления потоком через сферическую турбину 96 экранированием части этого потока. Лопатки 112, 114, 116, 118 сферической турбины 96 имеют в поперечном сечении аэродинамический профиль для оптимизации гидродинамического потока, для минимизации кавитации и для максимизации преобразования аксиальной энергии в энергию вращения. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. В основном, сферическая турбина, содержащая центральный продольный вал, сконфигурированный для монтажа и вращения на центральной оси, перпендикулярной к направлению потока рабочего вещества, и несколько, в основном, кругообразно изогнутых в дугу лопаток, соединенных с валом и проходящих в радиальном направлении в сторону от вала, при этом лопатки расположены, главным образом, с равными интервалами вокруг вала, лопатки искривлены в дугу приблизительно 180 градусов и имеют вдоль значительной части своей длины аэродинамическое поперечное сечение, и при вращении вместе с валом рабочая область лопаток имеет, в основном, сферическую форму.

2. Турбина по п.1, которая также содержит противолежащие ступицы в сборе, каждая из которых содержит несущую поверхность ступицы и несколько монтажных кронштейнов для надежного прикрепления к валу противоположных концов соответствующих нескольких лопаток.

3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждая несущая поверхность ступицы имеет периферийный край в виде дисковой пилы, являющийся комбинацией криволинейных и прямолинейных краевых сегментов.

4. Турбина по п.1, которая также содержит противолежащие соединительные муфты вала для надежного прикрепления к валу соответствующих ступиц в сборе.

5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что несколько лопаток определяют номинальный объем приблизительно между 15% и 50%.

6. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждая из нескольких лопаток проходит по дуге приблизительно в 180 градусов вокруг длины окружности, в основном, сферической турбины, и при этом плоскость, определенная каждой из нескольких лопаток, пересекает центральную ось вала под углом приблизительно в 30 градусов.

7. Система производства электроэнергии, которая производит электроэнергию от движения рабочего вещества, при этом система содержит турбину, содержащую центральный продольный вал, сконфигурированный для вращения между диаметрально противоположными держателями, при этом вал проходит, главным образом, перпендикулярно к потоку рабочего вещества, а один конец вала сконфигурирован так, что при работе соединяется с деталью вращающегося механизма, несколько подшипников, первый из которых подсоединяет конец вала, наиболее отдаленный от генератора, к опоре для вращения в круговом направлении, а второй подшипник подсоединяет промежуточную часть вала к опоре для вращения, при этом вал проходит через второй из подшипников, и несколько лопаток, соединенных с валом между парой подшипников, при этом лопатки проходят радиально в сторону от вала, и лопатки расположены, главным образом, с равными интервалами вокруг вала.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что каждая из нескольких лопаток турбины искривлена в дугу приблизительно 180 градусов.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что каждая из нескольких лопаток турбины имеет аэродинамическое поперечное сечение вдоль, главным образом, всей целиком длины каждой лопатки.

10. Система по п.7, отличающаяся тем, что полная форма турбины является, в основном, сферической.

11. Система по п.7, которая также содержит пару противолежащих, в основном, круглых ступиц, примыкающих к валу, в основном, сферической турбины, при этом каждая ступица имеет несколько монтажных кронштейнов, прикрепленных к ней на разнесенных в радиальном направлении интервалах вокруг ее периферийной окружности, и несколько кронштейнов установлены на противолежащих концах многих лопаток.

12. Система по п.7, содержащая также электрический генератор, соединенный в рабочем состоянии с ближайшим концом вала для вращения с валом и выработки электроэнергии при воздействии потока рабочего вещества.

13. Система по п.7, отличающаяся тем, что турбина сконфигурирована так, чтобы вращаться в одном и том же направлении безотносительно к направлению потока рабочего вещества.

14. Система по пункту 7, отличающаяся тем, что держатели, крепящие вал турбины, содержат подшипники.

15. Система производства электроэнергии, которая производит электроэнергию из движения рабочего вещества через трубу, при этом система содержит турбину, содержащую центральный продольный вал, сконфигурированный так, чтобы вращаться между диаметрально противоположными держателями внутри, в основном, цилиндрической трубы, при этом вал проходит, главным образом, перпендикулярно к длинной оси, в основном, цилиндрической трубы, а один конец вала сконфигурирован так, что при работе соединяется с электрическим генератором, несколько подшипников, первый из которых сконфигурирован так, чтобы крепить конец вала, наиболее удаленный от генератора, к боковой стенке, в основном, цилиндрической трубы для вращения в круговом направлении, а второй подшипник сконфигурирован так, чтобы крепить промежуточную часть вала для вращения внутри, в основном, цилиндрической трубы, при этом вал проходит через второй подшипник, и несколько лопаток, соединенных с валом между подшипниками, при этом лопатки проходят радиально в сторону от вала, и лопатки расположены, главным образом, с равными интервалами вокруг вала.

16. Система по п.15, отличающаяся тем, что каждая из нескольких лопаток турбины искривлена в дугу приблизительно 180 градусов.

17. Система по п.15, отличающаяся тем, что каждая из нескольких лопаток турбины имеет аэродинамическое поперечное сечение вдоль, главным образом, всей целиком длины каждой лопатки.

18. Система по п.15, отличающаяся тем, что полная форма турбины является, в основном, сферической.

19. Система по п.15, которая также содержит пару противолежащих, в основном, круглых ступиц, примыкающих к валу, в основном, сферической турбины, при этом каждая ступица имеет несколько монтажных кронштейнов, прикрепленных к ней на разнесенных в радиальном направлении интервалах вокруг ее периферийной окружности, и несколько кронштейнов установлены на противолежащих концах нескольких лопаток.

20. Система по п.15, также содержащая в основном, цилиндрическую трубу, выполненную с диаметром несколько большим, чем расстояние между парой ступиц на валу турбины, при этом, в основном, в цилиндрической трубе смонтирована турбина для вращения в ней при воздействии потока рабочего вещества через, в основном, цилиндрическую трубу.

21. Система по п.15, также содержащая в основном, цилиндрическую трубу, выполненную с диаметром несколько большим, чем расстояние между парой ступиц на валу турбины, при этом, в основном, в цилиндрической трубе смонтирована турбина для вращения в ней при воздействии потока рабочего вещества через, в основном, цилиндрическую трубу, при этом труба содержит одну или более поверхностей дефлектора, примыкающих к ее боковым стенкам непосредственно в восходящем потоке от, в основном, сферической турбины, и один или более дефлекторов наклонены к турбине в направлении вращения турбины на угол менее 90 градусов к плоскости, перпендикулярной к длинной оси трубы, и каждый из одного или более дефлекторов имеет искривленный внутрь край, аппроксимирующий форму турбины со стороны каждого дефлектора, наиболее удаленного от того места, где соответствующий дефлектор примыкает к боковой стенке трубы, и один или более дефлекторов покрывает часть области поперечного сечения трубы.

22. Система по п.15, также содержащая электрический генератор, соединенный в рабочем состоянии с ближайшим концом вала для вращения с валом и выработки электроэнергии при воздействии потока рабочего вещества, в основном, через цилиндрическую трубу.

23. Система по п.15, отличающаяся тем, что турбина выполнена так, чтобы вращаться в одном и том же направлении безотносительно к направлению потока рабочего вещества через трубу.

24. Система по п.15, отличающаяся тем, что держатели, крепящие вал турбины, содержат подшипники.

25. Система по п.15, также содержащая, в основном, цилиндрическую тройниковую секцию, которая крепится к внешней боковой стенке, в основном, цилиндрической трубы, при этом тройниковая секция содержит в себе электрический генератор, который в рабочем состоянии соединен для вращения с валом турбины и вырабатывает электроэнергию, когда турбина вращается.

26. Система по п.25, которая также содержит цилиндрически изогнутую поверхность, которая закрывает входное отверстие, в основном, в цилиндрическую трубу для предотвращения потока воды, в основном, в цилиндрическую тройниковую секцию.

27. Система по п.25, которая также содержит круглую плоскую или вогнутую поверхность, которая закрывает входное отверстие, в основном, в цилиндрическую тройниковую секцию.

28. Система по п.27, которая также содержит генератор, который установлен поверх круглой плоской или вогнутой поверхности.