Турбина волновой энергетической установки Советский патент 1992 года по МПК F03B13/14 F03B13/24 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в волновых энергетических установках

Известна турбина волновой энергетической установки И.А.Бабмнцева, обеспечи- ющая постоянное направление вращения ротора при смене направления воздушного потока. Она содержит ротор с лопатками симметричной формы с плоскостью симметрии, совпадающей с плоскостью вращения ротора и углом атаки хорды лопатки 90°, а также два зеркально-симметричных относительно плоскости симметрии лопаток направляющих аппарата, закрепленных на статоре.

Известна турбина Уэллса для волновых энергетических установок, содержащая ротор с лопатками симметричной формы, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью вращеиия ротора. Лопатки турбины Уэллса установлены с углом атаки0°. В судостроении известен саморегулирующийся винт Автопроп. который по принципу действия близок к принципу действия турбины Автопроп содержит вал, на котором закреплены поворотные лопасти несимметричной формы с осями вращения, перпендикулярными оси вала. Для обеспечения саморегуляции угла атаки лопасти ее центр массы и ось вращения расположены на одинаковом расстоянии от передней кромки, а центр давления смещен к задней кромке.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является турбина волновой энергетической установки с поворотными лопатками. Она содержит симметричные лопатки, установленные на осях, перпендикулярных валу ротора и ле жащих в плоскости симметрии лопатки . Лопатки снабжены пружинами, которое в исходном положении удерживают плоско-4 сть симметрии лопатки в плоскости ее вращения. Центр аэродинамического давления расположен позади оси вращения лопатки.

(Л

С

00

л

«ш&

4 О

Цель изобретения состоит в упрощении конструкций и повышении надежности работы турбины.

Положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении энергоотдачи волновой энергетической установки за счет расширения полосы волновых частот максимальной эффективности пневматической турбины.

Указанная цель достигается тем, что в турбине волновой энергетической установки, содержащей аал ротора и поворотные лопатки симметричного аэродинамического профиля с центром массы и осью вращения, расположенными в плоскости симметрии каждой лопатки, причем ось вращения лопатки параллельна ее образующей и расположена впереди Центра давления, центр массы каждой лопатки смещен относительно центра давления к задней кромке профиля, Расстояние от передней кромки до центра массы (Хц м) определяют из следующего выражения

Хц.м XQ +

+

рСп(Ц2+У2)(Хцд -XpjSr2 m U2 sin 2 (arctg-ry-«)

где Х0 - расстояние от передней кромки до оси вращения, м;

Хцд - расстояние от передней кромки до центра давления, м;

р- плотность воздуха, кг/м ;

U о) г - скорость обтекания лопатки в результате вращения ротора, м/с;

V - скорость в проточной части турбины, м/с;

а) - угловая скорость ротора турбины, 1/с:

S - площадь лопатки, м ,

г - радиус центра массы лопатки от оси ротора, мг

m - масса лопатки, кг;

Сп(А, а) - коэффициент нормальной силы лопатки;

сс- оптимальный угол атаки лопатки

А- удлинение лопатки.

На фиг. 1 представлена турбина, поперечное сечение; на фиг. 2 - лопатка с треугольником скоростей и схемой действующих сил, поперечное сечение.

Турбина волновой энергетической установки содержит вал ротора 1 и поворотные лопатки 2 симметричного аэродинамического профиля. Каждая лопатка 2 имеет ось вращения 3, параллельную образующей 4 лопатки 2, Ось вращения 3, фиг. 2, расположена впереди центра давления 5 по направлению к носику 6 лопатки 2. Центр массы 7 лопатки 2 смещен относительно центра давления 5 к задней кромке 8. Ось вращения 3 и центр массы 7 расположены в плоскости

хорды 9.

Турбина волновой энергетической установки работает следующим образом.

Под действием волн в проточной части турбины возникает воздушный поток вдоль

вала ротора 1. Скорость воздушного потока V складывается векторно со скоростью U, возникающей вследствие собственного вращения лопатки 2 вместе с валом ротора 1. В результате векторного сложения скоростей

U и V образуется результирукщий поток W, под действием которого на лопатке 2 возникают аэродинамические силы N и Т, приложенные в центре давления 5, Проекция этих сил на плоскость вращения 10 создает движуицую силу, раскручивающую вал ротора 1 и преодолевайте полезное сопротивление нагрузки. Одновременно сила N вызывает на лопатке 2 вращающий момент вокруг оси вращения 3. В центре массы 7

вследствие вращения лопатки 2 с валом ротора 1 возникает сила инерции R, направленная от оси вала ротора 1, Ее проекция RMH на плоскость поперечного сечения лопатки 2 также создает вращающий момент

вокруг оси вращения 3, направление которого противоположно направлению момента силы Т, Благодаря разному направлению моментов происходит их уравновешивание, В равновесном состоянии угол атаки между

плоскостью хорды 9 и направлением результирующего потока W составляет а , а угол положения между плоскостью хорды 9 и плоскостью вращения 10 составляет у. При изменении скорости U вращения

вала ротора 1 или скорости V воздушного потока величина угла м+у изменяется, вследствие чего изменяется направление аэродинамической силы и ее проекции N и Т, а также вращающий момент вокруг оси 3,

При атом сила инерции Нин развернет лопатку 2 вокруг оси 3 до нового положения динамического равновесия. Таким образом, происходит автоматическое отслеживание изменений результирующей скорости W,

что позволяет поддерхиоать значения коэффициентов аэродинамических сил на практически постоянном уровне и сохранять на максимально возможном уровне эффективность турбины.

При прекращении движения воздуха о проточной части турбины перед сменой его направления сила инерции ПИц развернет лопатку 2 о плоскость вращении 10.

Смена направления воздушного потока в проточной части турбины приводит к новому треугольнику скоростей, зеркальному относительно плоскости вращения 10. На симметричном профиле лопатки 2 возникает аэродинамическая сила, вызыв ающая вращающий момент вокруг оси 3 в противоположном направлении и соответственно разворачивающая лопатку 2. При этом проекция аэродинамической силы на плоскость вращения 10 создает движущую силу, направление которой сохраняется неизменным. Благодаря этому направление вращения вала ротора 1 также сохраняется неизменным.

Соотношение между взаимно уравновешивающимися моментами сил N и Вин. таково, что расстояние от передней кромки до оси вращения 3 должно быть меньше расстояния от передней кромки до центра давления 5, а расстояние от передней кромки до центра массы 7 больше.

Формула изобретен и

1. Турбина волновой энергетической установки, содержащая зал ротора и поворотные лопатки симметричного аэродинамического профиля с центром массы и осью вращения, расположенными о плоскости симметрии каждой лопатки, причем ось вращения лопатки параллельна ее образующей и расположена впереди центра давления, отличающаяся тем, что, с целью

и

упрощения конструкции и повышения надежности работы турбины, центр массы каждой лопатки смещен относительно центра давления к задней кромке профиля. 52. Турбина поп. 1,отличающаяся

тем, что расстояние от передней кромки до центра массы (Хц.м) определяют из следующего выражения

10 Хц.м - Хо +

15

20

25

30

р Сп (J 2 1- V 2) (Хц.д - X,-) S Г

| I

V

m U sin 2 (arctg TJ cr)

где Хо - расстояние от передней кромки до оси вращения, м;

Хц.д- расстояние от передней кромки до центра давления, м;

р- плотность воздуха, кг/м3; U - скорость обтекания лопатки в результате вращения ротора, м/с;

V - скорость в проточной части турбины, м/с;

S - площадь лопатки, м ;

г - радиус центра массы лопатки от оси ротора, м;

m - масса лопатки, кг;

Сп (Я, а) - коэффициент нормальной силы яопатки;

а- оптимальный угол атаки лопатки;

Я - удлинение лопатки.

Использование, гидроэнергетика, преобразование энергии волн Сущность изобретения: турбина волновой энергетической установки содержит вал ротора и поворотные лопасти симметричного аэродинамического профиля с центром массы и осью вращения, расположенными в плоскости симметрии каждой лопатки, причем ось вращения лопатки параллельна ее образующей и расположена впереди центра давления, при этом центр массы каждой лопатки смещен относительно центра давления к задней кромке профиля. При работе турбины происходит саморегулмртование оптимального угла атаки лопаток 2 ил

Фиг. I

Ю 6 2

В

Фиг. 2