ПОГРУЖНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТУРБИНА С КАМЕРАМИ ПЛАВУЧЕСТИ
IMMERSION HYDRO-ENERGY TURBINE WITH FLOATING CHAMBERS

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к турбине или электрогенератору, производящему электричество из энергии потока воды, независимо от того, является ли поток однонаправленным, как в речных и океанических течениях, или же двунаправленным, как в приливных течениях, и относится, в частности, к такому устройству, в котором поток жидкости приводит во вращение большой ротор пропеллерного типа с внешним кольцевым ободом, расположенным в большом кольцевом корпусе. Более конкретно изобретение относится к такому устройству, в котором турбина полностью погружена в воду.
Получение электричества с помощью гидротурбин хорошо известно. Обычно турбины устанавливают в плотинах так, что управляемый поток жидкости приводит во вращение ротор пропеллерного типа или крыльчатку. Такие условия с относительно быстрым потоком воды называются высоконапорными. Существует также практика применения турбин в низконапорных условиях, которые создаются приливным течением в заливе, при установке в устье реки или в открытом море.
Хотя в большинстве турбин имеется центральный вращающийся вал, на который устанавливают лопасти или лопатки, известны также турбины с полым центром, иначе называемые турбинами с кольцевым подвесом. Такие турбины, в которых лопасти установлены между внутренним и внешним кольцевыми ободами, а энергия передается кольцевому корпусу, удерживающему ротор, через внешний обод, могут быть особенно эффективны в условиях низкого напора, т.е. в сравнительно медленных течениях.
Примеры турбин с полым центром и кольцевым подвесом лопастей имеются в патенте США №5592816, выданном 14.01.1997 и перевыданном под номером RE 38336 от 02.12.2003, в патенте США №6648589 от 18.11.2003, в патенте США №6729840 от 04.05.2004 и в заявке на патент США US 2005/0031442, опубликованной 10.02.2005 (серийный номер 10/633865). Примеры гидроэнергетических турбин, используемых при низком напоре (для приливных течений), имеются в патенте США №4421990, выданном Хойссу и др. (Heuss et al.), в патентах США №6168373 и №6406251, выданных Вотье (Vauthier), в заявке на патент Великобритании № GB 2408294, зарегистрированной Сасменом и др. (Susman et al.), и в Международной публикации ВОИС WO 03/025385, зарегистрированной Дэвисом и др. (Davis et al.).
Гидротурбины рассматриваются как экологически чистая замена электрогенераторам, использующим ископаемое топливо или атомную энергию. При использовании энергии ветра или воды в крупных масштабах, когда производимого при этом электричества должно быть достаточно для снабжения промышленных комплексов, больших и малых городов и т.п., требуется множество турбин, причем как можно большего размера, чтобы максимизировать количество электричества, производимого каждой турбиной. Длина лопастей на крыльчатках этих турбин достигает нескольких метров, в некоторых экспериментальных конструкциях предусмотрены лопасти длиной более 50 метров.
С ростом длины лопастей появляются проблемы конструирования и производства, которые не встречались при меньших размерах турбин и генераторов. Для турбин с осевым подвесом трудно добиться, чтобы длинные лопасти были одновременно прочными и легкими. Эта проблема решается в случае турбин с кольцевым подвесом, поскольку там оба конца лопастей крепятся к кольцевым опорам, причем внешний обод удерживается в корпусе, имеющем кольцевую канавку или канал. Для выработки электроэнергии по периметру внешнего обода располагается большое количество магнитов, а по поверхности канала в корпусе (играющем роль статора) располагается большое количество обмоток. Магнитное поле, образованное системой полей ротора, перекрывает зазор между ротором и статором. При вращении ротора переменное магнитное поле действует на обмотки, что создает в обмотках электродвижущую силу.
В турбинах с кольцевым подвесом вес ротора воспринимается нижней частью корпуса, поскольку отсутствует центральный вал, который мог бы служить опорой. Для больших турбин эта нагрузка и результирующее трение могут быть значительными как в момент запуска ротора, так и с точки зрения общей эффективности турбины после выхода на рабочий режим. Больший вес ротора влечет повышенное сопротивления вращению, то есть для преодоления сил инерции и трения требуется больший поток жидкости. Эта проблема особенно остро стоит для турбин, работающих при низком напоре.
Цель настоящего изобретения - предложить усовершенствованную конструкцию гидроэнергетической турбины, в которой вес ротора уменьшен так, что он обретает плавучесть. Еще одна цель состоит в том, чтобы предложить турбину, в которой снижение веса достигается за счет наличия в роторе камер плавучести, благодаря чему у турбин, погруженных в воду, отрицательный эффект, обусловленный большим весом ротора, уменьшается или преодолевается за счет увеличенной плавучести ротора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение представляет собой усовершенствование гидротурбины такого типа, в котором лопасти ротора опираются на внешний обод, а обод заключен в корпусе с кольцевым каналом, в который помещен этот внешний обод. В типичном исполнении турбина представляет собой генератор, в котором на внешнем ободе ротора располагаются магниты, а в канале на внутренней поверхности корпуса или статора располагаются обмотки, и при вращении ротора внутри статора вырабатывается электричество. Турбина, в частности, такого типа, который погружается в воду.
Усовершенствование предлагает размещение в корпусе плавучего ротора. В предпочтительной реализации ротор турбины снабжен одной или более камерами плавучести, которые расположены во внешнем и/или внутреннем кольцевом ободе и/или лопастях, благодаря чему общий вес ротора уменьшается и, кроме того, плавучесть ротора увеличивается. Камеры могут быть заполнены воздухом, другими газами, жидкостями, пеной, твердым или любым иным материалом с удельным весом не более 1. Для большей конструкционной целостности и жесткости рабочего колеса камеры плавучести могут быть заполнены полимерной пеной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 в осевой проекции показана типичная турбина с полым центром и кольцевым подвесом лопастей, включающая ротор с внешним ободом и корпус-статор с каналом, в который помещен внешний обод ротора.
На Фиг.2 представлен вид корпуса-статора в аксонометрии.
На Фиг.3 представлен вид ротора в аксонометрии.
На Фиг.4 представлен частичный разрез внешнего кольцевого обода ротора.
На Фиг.5 представлен частичный разрез корпуса-статора.
На Фиг.6 представлен частичный разрез внутреннего кольцевого обода ротора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже изобретение в его оптимальном варианте и предпочтительной реализации будет описано подробно с обращением к чертежам. В самом общем смысле изобретение представляет собой гидроэнергетическую турбину погружного типа с ротором, размещенным в корпусе, выполняющем функцию статора, причем ротор имеет внешний кольцевой обод, который помещен и удерживается в кольцевом канале или канавке в корпусе, а конструкция рабочего колеса обеспечивает ему плавучесть. Представленный здесь генератор содержит совокупность большого количества магнитов на кольцевом ободе ротора и большого количества обмоток на внутренней поверхности корпуса-статора, предпочтительно внутри канала, в который помещен кольцевой обод рабочего колеса, хотя могут использоваться и другие генерирующие устройства. В иллюстративных целях турбина на чертежах изображена с ротором кольцевого подвеса и полым центром, так что вес ротора полностью воспринимается корпусом, но подразумевается, что изобретение относится также к турбинам с ротором осевого подвеса с внешним кольцевым ободом. В данном документе термин «плавучесть» означает, что соответствующий объект не тонет в той воде, в которую он погружен, что может относиться к пресной или морской воде. Упомянутое в данном документе научное определение плавучести, которое соотносит это понятие с удельным весом, не превышающим единицу, следует понимать расширительно, включая ситуации, когда фактическая плотность воды отличается от плотности чистой воды.
Как в целом показано на Фиг.1-3, изобретение представляет собой турбину или электрогенератор 10, который содержит имеющий в общем случае форму кольца корпус 30, выполняющий функцию статора. Конфигурация корпуса 30 не ограничивается показанной здесь, то есть возможны и иные конфигурации при условии, что корпус 30 выполняет, среди прочих, функции удержания вращающейся сборки ротора 20 от нежелательного смещения в обоих направлениях по оси и обеспечивает вращение ротора 20 относительно своей оси. Корпус 30 имеет пару установочных фланцев 31, которые образуют канал 32 корпуса, где помещен и удерживается ротор 20.
Вращающаяся сборка или ротор 20 имеет внутренний кольцевой обод 23 и внешний кольцевой обод 22. Между внутренним ободом 23 и внешним ободом 22 находится совокупность стоек, лопаток или лопастей 21, причем лопасти 21, согласно известным решениям, расположены под таким углом или изогнуты таким образом, что движение жидкости через корпус 30 в осевом направлении вызывает вращение ротора 20. Количество, конфигурация и материал лопастей 21 могут быть различными, но желательно, чтобы лопасти 21 были настолько легкими, насколько это возможно без угрозы структурной целостности конструкции.
Корпус 30 и ротор 20, вместе взятые, составляют электрогенератор. Это может быть достигнуто помещением совокупности магнитов 41 на внешней поверхности внешнего обода 22 и совокупности обмоток 42 на внутренней поверхности 34 корпуса 30 или канала 32 в корпусе, так что корпус 30 превратится в статор генератора. При вращении ротора 20 магниты 41 движутся мимо обмоток 42, что приводит к вырабатыванию электричества известным способом.
Из-за больших размеров турбины 10 желательно, чтобы она была изготовлена из относительно легких, но прочных материалов. С этой точки зрения целесообразно при изготовлении турбины использовать в качестве первичных структурных компонентов ротора 20 и корпуса 30 полимеры, эпоксидные смолы, смолы, армирующие волокна или аналогичные материалы. В типичном случае ротор 20 может быть в основном изготовлен из легких материалов, перечисленных выше, так что в них могут быть встроены магниты 41 и другие компоненты. При изготовлении ротора 20 следует обеспечить его плавучесть при погружении в воду.
В одной из реализаций в роторе 20, например, внутри внешнего кольцевого обода 22 выполнены одна или более камер 60 плавучести, как показано на Фиг.4. В предпочтительной реализации по всему внешнему кольцевому ободу 22 проходит одна кольцевая камера 60, но может также использоваться несколько камер 60, располагающихся друг за другом в осевом или радиальном направлении. Если используется несколько камер, их расположение по окружности должно быть сбалансировано, чтобы не оказывать неблагоприятное влияние на вращение ротора 20. Внутри камер 60 плавучести для увеличения жесткости внешнего кольцевого обода 22 могут быть расположены не показанные здесь структурные элементы, например ребра жесткости. Камеры 60 плавучести могут быть заполнены воздухом или другим газом, жидкостью или легкими жесткими элементами из материала, имеющего удельный вес, не превышающий единицу, но наиболее предпочтительно заполнять камеры 60 плавучим материалом 61, обладающим полезными конструкционными характеристиками, например, пенополимером. Пенополимеры, например полиуретановые, предварительно формуют и помещают в камеру 60 плавучести или же инжектируют в камеру 60, причем предпочтительно этот материал должен сцепляться с внутренней поверхностью камеры 60 после отверждения. Жесткость пеноматериала и сила его сцепления со стенками камеры 60 плавучести положительно влияют на общую жесткость и структурную целостность ротора 20. Размеры камер 60 плавучести и плавучесть материала 61 выбирают так, чтобы обеспечить желаемую степень плавучести в данных конкретных условиях. Например, при определенных обстоятельствах может быть желательным просто уменьшить вес ротора 20, тогда как при других обстоятельствах может быть предпочтительным уменьшить вес ротора 20 до такой степени, чтобы он приобрел нулевую плавучесть, а при совершенно иных обстоятельствах может быть предпочтительным уменьшить вес ротора 20 до такой степени, чтобы он обладал положительной плавучестью в воде, причем он будет всплывать в канале 32 статора и все трение будет происходить в верхней части канала 32.
Вместо камер 60 плавучести в кольцевом внешнем ободе 22 или наряду с ними аналогичные камеры 60 плавучести могут располагаться во внутреннем кольцевом ободе 23 и/или лопастях 21, как показано на Фиг.6. Как указывалось выше, камеры 60 плавучести внутреннего кольцевого обода 23 и лопастей 21 могут быть заполнены воздухом или другим газом, жидкостью или легкими жесткими элементами из материала с удельным весом, не превышающим единицу, но наиболее предпочтительно заполнять камеры 60 плавучим материалом 61, обладающим положительными структурными характеристиками, например пенополимером.
Благодаря этому отрицательный эффект трения, наблюдающегося между ротором 20 и корпусом 30 вследствие значительного веса ротора 20, уменьшается или устраняется, так что запуск ротора выполняется с меньшими усилиями и повышается эффективность вращения.
При определенных обстоятельствах может быть также желательным уменьшить вес корпуса 30, например, когда турбина должна быть плавучей. Как показано на Фиг.5, в корпусе 30 может размещаться одна или более камер 60 плавучести, которые заполняются плавучим материалом-заполнителем 61, например, отверждаемым в месте нанесения пенополимером или любым другим материалом из описанных выше, предпочтительно таким, который обеспечивает жесткость и структурную целостность корпуса 60. Поскольку корпус-статор 30 является неподвижным элементом турбины 10, камеры плавучести 60 наиболее предпочтительно располагать в верхней части корпуса-статора 30, чтобы повысить устойчивость турбины 10 в воде.
Следует иметь в виду, что специалисты в данной области техники могут легко подобрать эквиваленты и заменители для некоторых элементов, перечисленных выше, а потому действительные объем и формула изобретения таковы, какими они изложены в нижеследующих пунктах.