ОРТОГОНАЛЬНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ
ORTHOGONAL POWER AGGREGATE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении низконапорных или безнапорных речных энергетических установок, приливных или ветровых электростанций.
Известна гидротурбинная установка, содержащая две горизонтально, соосно установленные в водоводе турбины и один электрогенератор (см. авторское свидетельство SU № 1280178, кл. F03В 13/10, 30.12.1986).
В данной энергетической установке соосные валы турбин ориентированы вдоль водовода и связаны мультипликатором, размещенным в герметичной капсуле в центре водовода, с вертикальным валом генератора, установленным вне водовода. Однако это приводит к низкой эффективности использования энергии водного потока, проходящего через сечение водовода. Это обусловлено тем, что турбины, в данном случае пропеллерного типа, работают поочередно в зависимости от направления потока, и тем, что капсула с мультипликатором, размещенная в центре рабочего сечения водовода, частично перекрывает направленный вдоль валов турбин рабочий поток.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является энергетический агрегат, содержащий две соосно установленные ортогональные турбины с лопастями гидродинамического профиля и электрогенератор, при этом валы турбин ориентированы поперек потока среды, лопасти ортогональных турбин ориентированы в противоположном направлении по отношению к друг другу для вращения ортогональных турбин в противоположных, неизменных направлениях, независимо от направления потока через ортогональные турбины, а трехфазный электрогенератор расположен между ортогональными турбинами (см. патент RU № 2245456, кл. F03D 3/06, 20.11.2003).
В данном энергоагрегате значительно уменьшены реакционные нагрузки за счет вращения ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля в разных направлениях, но полностью их скомпенсировать невозможно вследствие несовпадения фаз пульсирующих сил, действующих на верхнюю и нижнюю ортогональные турбины. Поскольку нагрузки, действующие на ортогональные турбины, не полностью уравновешены, то это вызывает вибрацию, ухудшающую условия эксплуатации энергетического агрегата и снижающую его надежность.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является резкое уменьшение реакционных нагрузок, возникающих при работе ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение надежности работы и эффективности энергетического агрегата.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что отогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину с лопастями гидродинамического профиля, закрепленными между плоскими кольцами, и электрогенератор, при этом ортогональная турбина выполнена двухъярусной, причем каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям соседнего яруса ортогональной турбины направлении, на кольце, расположенном между смежными ярусам, закреплены концы лопастей обоих ярусов ортогональной турбины, на кольце, обращенном к индукторам электрогенератора, закреплен короткозамкнутый ротор, а индукторы выполнены с крестообразно расположенной трехфазной обмоткой.
Ортогональный энергетический агрегат может быть снабжен дополнительной ортогональной турбиной, расположенной соосно с основной ортогональной турбиной и с противоположной относительно индукторов электрогенератора стороны, причем дополнительная ортогональная турбина выполнена двухъярусной, каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям соседнего яруса ортогональной турбины направлении, профили лопастей дополнительной турбины ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей основной турбины, на кольце, расположенном между смежными ярусами, закреплены концы лопастей обоих ярусов ортогональной турбины, а на кольце, обращенном к индукторам электрогенератора, закреплен короткозамкнутый ротор.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что в ортогональных энергетических агрегатах могут быть значительно уменьшены реакционные нагрузки за счет вращения ортогональных турбин с прямолинейными лопастями гидродинамического профиля в разных направлениях, но полностью их скомпенсировать невозможно вследствие несовпадения фаз пульсирующих сил, действующих на верхнюю и нижнюю ортогональные турбины. Как следствие, нагрузки, действующие на ортогональные турбины, не полностью уравновешены, что неизбежно вызывает вибрацию энергетического агрегата.
Выполнение ортогональной турбины двухъярусной с выполнением каждого яруса турбины с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям соседнего яруса ортогональной турбины направлении с закреплением концов лопастей обоих ярусов ортогональной турбины на кольце, расположенном между смежными ярусами, позволяет компенсировать реакционные нагрузки, действующие на каждый ярус ортогональной турбины, что позволяет практически полностью исключить вибрацию при работе ортогональной турбины, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность работы электрогенератора и надежность работы всего энергетического агрегата в целом.
На фиг.1 схематически представлено продольное сечение ортогонального энергетического агрегата с двумя двухярусными ортогональными турбинами.
На фиг.2 схематически представлена развертка расположения обмоток на одном из индукторов электрогенератора.
На фиг.3 представлено аксонометрическое выполнение ортогонального энергетического агрегата в двумя ортогональными турбинами с двумя ярусами лопастей гидродинамического профиля.
Ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину 1 с лопастями 2 гидродинамического профиля, закрепленными между плоскими кольцами 3, и электрогенератор 4. Ортогональная турбина 1 выполнена двухъярусной. Каждый ярус 5 и 6 турбины 1 выполнен с лопастями 2 стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям 2 соседнего яруса, соответственно 5 или 6, ортогональной турбины 1 направлении. На кольце 7, расположенном между смежными ярусами 5 и 6, закреплены концы лопастей 2 обоих ярусов 5 и 6 ортогональной турбины 1. На кольце 3, обращенном к индукторам 8 электрогенератора 4, закреплен короткозамкнутый ротор 9, а индукторы 8 выполнены с крестообразно расположенной трехфазной обмоткой 10.
Ортогональный энергетический агрегат может быть снабжен дополнительной ортогональной турбиной 11, расположенной соосно с основной ортогональной турбиной 1 и с противоположной относительно индукторов 8 электрогенератора 4 стороны. Дополнительная ортогональная турбина 11 выполнена двухъярусной. Каждый ярус 12 и 13 турбины 11 выполнен с лопастями 14 стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям 14 соседнего яруса, соответственно 12 или 13, ортогональной турбины 11 направлении. Профили лопастей 14 дополнительной ортогональной турбины 11 ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей 2 основной турбины 1. На кольце 15, расположенном между смежными ярусами 12 и 13, закреплены концы лопастей 14 обоих ярусов 12 и 13 ортогональной турбины 11, а на кольце 16, обращенном к индукторам 8 электрогенератора 4, закреплен короткозамкнутый ротор 17.
Энергетический агрегат работает следующим образом.
Под действием набегающего на ортогональную турбину 1 или на ортогональные турбины 1 и 11 при выполнении ортогонального энергетического агрегата с двумя ортогональными турбинами 1 и 11 потока среды, например ветра или потока воды, при расположении энергетического агрегата в реке или в приливно-отливном потоке, ортогональная турбина 1 начинает вращаться или ортогональные турбины 1 и 11 начинают вращаться в противоположные стороны. В результате вращения ортогональной турбины 1 или ортогональных турбин 1 и 11 относительно индукторов 8 электрогенератор 4 вырабатывает электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератора 4 потребителю.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергоустановок на реках, в приливно-отливных потоках или ветровых энергоустановок.