Ортогональный энергетический агрегат двойного действия Российский патент 2018 года по МПК F03D3/00 F03B7/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении электростанций на потоках воды или воздуха.

Известен энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с лопастями гидродинамического профиля, установленными посредством траверс вокруг вала вдоль него, и электрогенератор, вал которого соединен с валом ортогональной турбины, а вал турбины и лопасти ориентированы поперек потока воздуха, набегающего на ортогональную турбину (см. патент US №7586209, кл. F03B 13/00, опубл. 08.09.2009).

Однако конструкция данного энергетического генератора предполагает использование вспомогательного энергетического оборудования для выработки электроэнергии в случае отсутствия потока или его незначительного напора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ортогональный энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен с одним из полувалов ортогональной турбины, при этом полувалы расположены соосно, а лопасти и оси полувалов ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину (см. патент RU №2616334, кл. F03D 3/06, опубл. 14.04.2017).

Однако описанная выше конструкция турбины не позволяет обеспечить высокую энергетическую эффективность, что связано с тем, что максимальная тянущая сила лопастей таких турбин наблюдается в районе пересечения лопастями трассы потока. Однако возможна неустойчивость работы описанной выше турбины в режимах, когда мощность турбины ниже максимального значения, т.е. когда скорость вращения лопастей ниже оптимальной, а тормозной момент генератора слабо зависит от частоты вращения. Это вызывает затруднения с разгоном турбины из состояния покоя и может вызывать остановку турбины при ее перегрузке.

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных выше недостатков.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение производительности работы ортогонального энергетического агрегата двойного действия, за счет более эффективного преобразования кинетической энергии потока среды, набегающего на лопасти ортогональной турбины в механическую энергию вращения вала ортогональной турбины и таким образом предотвращения остановки турбины при снижении скорости вращения лопасти ниже оптимальной.

Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что ортогональный энергетический агрегат двойного действия содержит ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен с одним из полувалов ортогональной турбины, при этом полувалы расположены соосно, а лопасти и оси полувалов ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, при этом каждая лопасть, выполненная с аэродинамическим профилем, снабжена симметрично относительно оси вращения указанной лопасти лопастью с профилем лопасти активной турбины, также ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, и расположенную от оси вращения лопасти, выполненной с аэродинамическим профилем на расстоянии, составляющем от 0,35 до 0,5 от расстояния, на котором расположена от оси вращения лопасть с аэродинамическим профилем, причем все лопасти выполнены с выступающими над наружной поверхностью лопастей перегородками, ориентированными перпендикулярно оси вращения ортогональной турбины.

Лопасти предпочтительно выполнены по винтовой линии.

Лопасти предпочтительно выполнены с прямой или дугообразной хордой, изогнутой вдоль траектории движения лопастей вокруг оси их вращения.

Ортогональная турбина может быть снабжена, по меньшей мере, одной дополнительной лопастью, выполненной с аэродинамическим профилем и снабженной симметрично относительно оси вращения указанной лопасти дополнительной лопастью с профилем лопасти активной турбины.

Было выявлено, что представляется возможность использовать тянущую силу потока, плавно обтекающего носок хорошо обтекаемого аэродинамического профиля на участках его обтекания с относительно большой скоростью, и использовать толкающую силу потока, обгоняющего другую лопасть, выполненную с профилем лопасти активной турбины, также ориентированной поперек потока, и обтекающего ее с отрывом струй. Таким образом на симметрично расположенных обтекаемых лопастях, установленных с разным указанным выше расстоянием от общей для лопастей, выполненных с разным профилем, оси вращения фазы максимального действия силы набегающего на лопасти потока среды и моменты вращения различны, что улучшает энергетическую характеристику турбины и расширяет зону частот устойчивого вращения турбины.

Таким образом, использование в одной ортогональной турбине двух видов лопастей с различным профилем позволило по существу объединить в одной ортогональной турбине две различные по взаимодействию с набегающим на турбину потоком ортогональные турбины и таким образом создать ортогональный энергетический агрегат двойного действия.

Кроме того, выполнение ортогональной турбины с двумя полувалами позволило уменьшить гидравлическое сопротивление набегающему на ортогональную турбину потоку, что также способствовало улучшению энергетической характеристики ортогональной турбины.

Кроме того, выступающие над наружной поверхностью лопастей перегородки, ориентированные перпендикулярно оси вращения ортогональной турбины, препятствуют перетеканию набегающей на лопасти ортогональной турбины среды, в частности жидкости или газообразной среды, по поверхности лопасти в направлениях, параллельных оси вращения ортогональной турбины. В результате достигается повышение производительности работы ортогонального энергетического агрегата, за счет более эффективного преобразования кинетической энергии потока среды, набегающего на лопасти ортогональной турбины в механическую энергию вращения вала ортогональной турбины, а соответственно, увеличению количества вырабатываемой электрогенератором электрической энергии.

На фиг. 1 представлен ортогональный энергетический агрегат двойного действия.

На фиг. 2 схематически показано поперечное сечение описываемой ортогональной турбины.

Ортогональный энергетический агрегат двойного действия содержит ортогональную турбину 1 с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля 2 (на фиг. 1 показана одна лопасть аэродинамического профиля), установленными посредством траверс 3 на концевых полувалах 4, и электрогенератор 5, вал которого соединен с одним из полувалов 4 ортогональной турбины.

Полувалы 4 расположены соосно, а лопасть или лопасти аэродинамического профиля 2 и оси полувалов 4 ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину 1.

Каждая лопасть 2, выполненная с аэродинамическим профилем, снабжена симметрично относительно оси вращения 6 указанной лопасти 2 лопастью 7 с профилем лопасти активной турбины, также ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину 1, и расположенную от оси вращения 6 лопасти 2, выполненной с аэродинамическим профилем, на расстоянии (R/3 на фиг. 1 и 2), составляющем от 0,35 до 0,5 от расстояния (R на фиг. 1 и 2), на котором расположена от оси вращения 6 лопасть с аэродинамическим профилем 2, причем все лопасти 2 и 7 выполнены с выступающими над наружной поверхностью лопастей 2 и 7 перегородками 8, ориентированными перпендикулярно оси вращения 6 ортогональной турбины 1.

Лопасти 2 и 7 предпочтительно выполнены по винтовой линии.

Лопасти 2 и 7 предпочтительно выполнены с прямой или дугообразной хордой, изогнутой вдоль траектории движения лопастей 2 и 7 вокруг оси 6 их вращения (на фиг. 2 показаны лопасти 2 и 7 с дугообразной хордой).

Ортогональная турбина может быть снабжена, по меньшей мере, одной дополнительной лопастью (не показано на чертежах), выполненной с аэродинамическим профилем и снабженной симметрично относительно оси вращения указанной лопасти дополнительной лопастью (не показано на чертежах) с профилем лопасти активной турбины.

Ортогональный энергетический агрегат двойного действия работает следующим образом.

Под действием набегающего на лопасти 2 и 7 ортогональной турбины 1 потока среды, например потока воды, лопасти 2 и 7 начинают вращаться. В результате вращения лопастей 2 ортогональной турбины 1 ее вращение передается полувалам 4 и, по крайней мере, от одного из полувалов 4 к валу электрогенератора 5 и последний начинает вырабатывать электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератор 5а потребителю.

Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергоустановок.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения. Ортогональный энергетический агрегат двойного действия содержит ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен с одним из полувалов ортогональной турбины, при этом полувалы расположены соосно, а лопасти и оси полувалов ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, при этом каждая лопасть, выполненная с аэродинамическим профилем, снабжена симметрично относительно оси вращения указанной лопасти лопастью с профилем лопасти активной турбины, также ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, и расположенную от оси вращения лопасти, выполненной с аэродинамическим профилем на расстоянии, составляющем от 0,35 до 0,5 от расстояния, на котором расположена от оси вращения лопасть с аэродинамическим профилем, причем все лопасти выполнены с выступающими над наружной поверхностью лопастей перегородками, ориентированными перпендикулярно оси вращения ортогональной турбины. Изобретение направлено на повышение производительности работы ортогонального энергетического агрегата двойного действия и предотвращения остановки турбины при снижении скорости вращения лопасти ниже оптимальной. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ортогональный энергетический агрегат двойного действия, содержащий ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен с одним из полувалов ортогональной турбины, при этом полувалы расположены соосно, а лопасти и оси полувалов ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, отличающийся тем, что каждая лопасть, выполненная с аэродинамическим профилем, снабжена симметрично относительно оси вращения указанной лопасти лопастью с профилем лопасти активной турбины, также ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, и расположенную от оси вращения лопасти, выполненной с аэродинамическим профилем на расстоянии, составляющем от 0,35 до 0,5 от расстояния, на котором расположена от оси вращения лопасть с аэродинамическим профилем, причем все лопасти выполнены с выступающими над наружной поверхностью лопастей перегородками, ориентированными перпендикулярно оси вращения ортогональной турбины.

2. Ортогональный энергетический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что лопасти выполнены по винтовой линии.

3. Ортогональный энергетический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что лопасти выполнены с прямой или дугообразной хордой, изогнутой вдоль траектории движения лопастей вокруг оси их вращения.

4. Ортогональный энергетический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что ортогональная турбина снабжена, по меньшей мере, одной дополнительной лопастью, выполненной с аэродинамическим профилем и снабженной симметрично относительно оси вращения указанной лопасти дополнительной лопастью с профилем лопасти активной турбины.