Гидроэлектрическая турбина
HYDROELECTRIC TURBINE

Настоящее изобретение относится к гидроэлектрической турбине, предназначенной для выработки электроэнергии. Конкретнее, изобретение относится к гидроэлектрической турбине с полым центром, выполненной с возможностью выработки электроэнергии при помощи океанических и/или приливно-отливных течений.
Отбор мощности от гидроэлектрической турбины с полым центром наиболее целесообразно осуществлять при использовании электрогенератора кольцевой конструкции, расположенного с внешней поверхности ротора и внутренней поверхности статора. В этом случае генератор представляет собой многополюсную синхронную машину. Для создания магнитодвижущей силы, необходимой для порождения магнитного потока в магнитной цепи, система возбуждения может быть оснащена электрическими обмотками, запитываемыми током, или группой постоянных магнитов. Такая конструкция предполагает наличие широкого открытого пространства в середине статора для размещения ротора. Кольцевой генератор работает на той же скорости вращения, что и турбина, и не требует редуктора.
Прямоприводные (т.е. безредукторные) Генераторы с возбуждением от поля Постоянных Магнитов (ППГПМ) представляют собой наиболее простые и потенциально наиболее надежные и экономичные устройства отбора мощности для систем, использующих возобновляемые источники энергии.
В большинстве случаев конструкция генераторов ППГПМ предполагает наличие магнитной цепи, образованной совокупностью размещенных на роторе магнитов, создающих радиальное магнитное поле в узком промежутке между ротором и статором. Как правило, используют статор стандартной конструкции, подобный статору индукционной или синхронной машины, т.е. цилиндрический шихтованный металлический статор, во внутреннем канале которого выполнены пазы, в которых намотаны изолированные катушки, образующие электрическую цепь статора. Магнитная цепь связана с электрической цепью благодаря размещению ротора внутри статора. Магнитную цепь обычно создают с использованием ферромагнитных секций, выполненных из железа или стали, так как они обладают меньшим сопротивлением прохождению магнитного потока. Такие секции обычно используются как для ротора, так и для статора.
Магнитное поле, создаваемое системой возбуждения, пронизывает зазор между ротором и статором. Перемещение ротора (а следовательно, его магнитного поля) относительно статора (а следовательно, относительно катушек его электрической цепи) приводит к индуцированию электродвижущей силы (ЭДС) в катушках. Однако сцепление потока с любым другим контуром в статоре также подвержено изменению и приводит к наведению ЭДС. Чтобы избежать протекания нежелательных токов в магнитном железе или стали статора, приводящих к потере мощности, сердечник статора, на который намотаны катушки, составлен из тонких пластин магнитного железа или стали, разделенных электроизоляцией. Эти пластины называются слоями, их получают путем вырезания штамповкой. Изоляцию обычно наносят тонким слоем, с одной или обеих сторон, на лист, из которого выштамповывают пластину. Якорные катушки фиксируются на шихтованном магнитном сердечнике при помощи пазов, выполняемых путем штамповки. Витки катушек необходимо уложить и закрепить в этих пазах, что подвергает механическому напряжению их изоляцию. В результате, приходится использовать более толстый слой изоляции по сравнению со слоем, достаточным для обеспечения непосредственно электроизолирования.
В случае изготовления машин небольшими партиями, стоимость изготовления штампа для вырубки пластин составляет значительную часть полной стоимости машины, при этом из-за времени, затрачиваемого на изготовление такого специального штампа, сроки изготовления машин удлиняются. Кроме того, материал, извлеченный из центра высеченной пластины, идет в отходы, что обуславливает возникновение существенных производственных затрат.
В области гидроэнергетики предпочтительно использовать машины большого диаметра, которые при этом позволяют повысить производительность и сократить расход электромагнитных материалов. Однако в машинах большого диаметра вышеупомянутые слои приходится составлять из нескольких дуговых сегментов, поскольку не представляется возможным предусмотреть лист из магнитной стали, размер которого является достаточным для создания цельного кольца. Указанные дуговые сегменты требуется размещать на поддерживающей конструкции. Это значительно повышает себестоимость машины.
Такая система, содержащая шихтованный пазовый статор, предполагает наличие на нем зубцов, проходящих в сторону ротора. Данное обстоятельство приводит к тому, что ротор испытывает тенденцию занимать определенное угловое положение. Это явление, известное под названием «залипание», требует значительного увеличения крутящего момента при запуске ротора. Кроме того, из-за большой величины радиально направленной силы притяжения, действующей между ротором и статором, в системе требуется использовать массивную жесткую опору.
Таким образом, задача данного изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков.
Поставленная задача решена путем создания гидроэлектрической турбины, содержащей ротор; группу магнитов, расположенных по периметру внешнего обода ротора и обеспечивающих создание радиального магнитного поля; беспазовый статор, концентрически окружающий ротор и снабженный обмоткой из ферромагнитной проволоки, образующей путь замыкания магнитного потока магнитов; и группу катушек, расположенных на статоре.
В предпочтительном случае катушки расположены с внутренней стороны проволочной обмотки в радиальном направлении.
В предпочтительном случае отдельные катушки прикреплены к статору механическим образом и не оплетают его.
В предпочтительном случае катушки не переплетаются друг с другом.
В предпочтительном случае катушки расположены в ряд с образованием кольцевой группы, концентрически окружающей группу магнитов.
В предпочтительном случае индуцируемые в различных катушках электродвижущие силы неодинаковы по фазе.
В предпочтительном случае каждая катушка прикреплена к статору связующим веществом.
В предпочтительном случае каждая катушка навита в форме прямоугольника с закругленными углами.
В предпочтительном случае каждая катушка снабжена собственным выпрямителем.
В предпочтительном случае выпрямители установлены на статоре.
В предпочтительном случае каждый выпрямитель установлен в непосредственной близости от соответствующей катушки.
В предпочтительном случае каждая катушка заключена в непроницаемую для жидкости оболочку или кожух.
В предпочтительном случае каждая катушка заключена в непроницаемую для жидкости оболочку или кожух вместе с соответствующим ей выпрямителем.
В предпочтительном случае указанные оболочка или кожух обладают электроизоляционными свойствами.
В предпочтительном случае каждый выпрямитель включает в себя диодный мост или полумост.
В предпочтительном случае выпрямители имеют общий выход постоянного тока.
В предпочтительном случае выпрямители соединены друг с другом с образованием набора совокупностей, в каждой из которых выпрямители соединены параллельно, при этом указанные совокупности соединены между собой последовательно.
В предпочтительном случае обмотка статора выполнена из неизолированной проволоки.
Используемый в настоящей заявке термин «беспазовый» относится к конструкции статора электрического генератора и указывает на отсутствие известных из уровня техники окружных пазов, выполненных во внутренней поверхности канала цилиндрического шихтованного железного сердечника, по которым обычно проходят витки катушек из изолированной медной проволоки.
Далее изобретение описано со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 в аксонометрии изображает гидроэлектрическую турбину, соответствующую предпочтительному варианту изобретения;
сриг.2 в аксонометрии изображает ротор, являющийся составной частью заявленной гидроэлектрической турбины;
фиг.3 в аксонометрии изображает статор, представляющий собой другую часть заявленной гидроэлектрической турбины;
фиг.4 изображает сечение статора, показанного на фиг.3;
фиг.5 в аксонометрии изображает катушку, входящую в состав заявленной гидроэлектрической турбины;
фиг.6 изображает принципиальную схему соединения катушек, входящих в состав заявленной турбины;
и фиг.7 упрощенно иллюстрирует приливную станцию, оснащенную группой заявленных гидроэлектрических турбин.
Заявленная гидроэлектрическая турбина на прилагаемых чертежах в целом обозначена позицией 10. Эта турбина 10 предназначена для вырабатывания электричества, в предпочтительном случае с помощью приливно-отливных течений и/или океанических течений. Однако она может иметь и другие применения, например, ее можно использовать в плотине гидроэлектростанции (не показана) и т.п. Как следует из дальнейшего описания, турбина 10 обладает рядом очевидных преимуществ над известными аналогами, в частности, лучшей надежностью, более низкой стоимостью и меньшей массой.
Турбина 10 содержит ротор 20 (показан на фиг.2), установленный с возможностью вращения внутри статора 30. Конструкция ротора 20 предполагает наличие полого центра, поэтому ротор включает в себя внутренний обод 23, ограничивающий собою центральную полость. Кроме того, ротор 20 оснащен группой по существу радиальных лопастей 21, размещенных между внутренним ободом 23 и внешним ободом 22. Ротор 20 также содержит группу магнитов 41, предпочтительно постоянных магнитов, расположенных по внешнему ободу 22. Магниты 41 расположены с чередованием их полярности с северной на южную в окружном направлении. Магниты 41 предпочтительно установлены на кольцевом элементе (не показан) из ферромагнитного материала.
Как следует из фиг.3 и 4, статор 30 в поперечном сечении имеет форму трубки Вентури, зона сужения которой образует кольцевой канал 32, где в рабочем состоянии размещен ротор 20. Благодаря выполнению статора 30 имеющим сечение в форме трубки Вентури увеличивается скорость прохождения воды через статор 30, что повышает скорость вращения ротора 20. Однако сечение в форме трубки Вентури не является ключевой особенностью данного изобретения. Между ротором 20 и статором 30 могут быть предусмотрены подшипники любой подходящей формы, способствующие вращению ротора 20. По аналогии с ротором 20, статор 30 может быть изготовлен из любого подходящего материала. Согласно предпочтительному варианту изобретения, описанному в данной заявке, он по существу изготовлен из СПТ.
Внутри канала 32 к статору 30 прикреплена группа отдельных катушек 42, образующих кольцо. Пример одной из этих катушек представлен на фиг.5. Конфигурация и принципы функционирования группы катушек 42 более подробно описаны ниже. Вокруг группы катушек 42, концентрически по отношению к ним и с наружной от них стороны в радиальном направлении, навита ферромагнитная обмотка 50, предпочтительно из стальной проволоки. В процессе работы обмотка 50 обеспечивает путь замыкания магнитного потока на статоре 30 для магнитных полей, создаваемых магнитами 41. Также она повышает конструкционную прочность статора 30. Данное обстоятельство позволяет использовать при изготовлении статора 30 легкие материалы.
В рабочем положении ротор 20 находится внутри канала 32, имеющегося в статоре 30, поэтому катушки 42 располагаются концентрически вокруг магнитов 41 с образованием небольшого зазора между собой и ними. В стандартных электрических двигателях/генераторах этот зазор называется воздушным зазором, однако заявленная турбина 10 предназначена для использования под водой, поэтому данный зазор заполняется не воздухом, а водой. Магниты 41 создают радиально направленное магнитное поле, которое пересекает зазор между внешним ободом 22 и статором 30, при этом обмотка 50 образует путь замыкания магнитного потока. Когда вода проходит через турбину 10, приводя ротор 20 во вращение, радиально направленное магнитное поле, которое предпочтительно чередуются между смежными магнитами 41 с севера на юг, пронизывает катушки 42, индуцируя чередующуюся ЭДС во всех катушках 42. Ниже описано более подробно, как эта индуцированная ЭДС переменного тока создает выходную электрическую мощность турбины 10.
Как указано выше, в статоре 30 вместо обычной шихтованной пазовой структуры используется проволочная обмотка 50, обеспечивающая путь для замыкания магнитного поля, создаваемого магнитами 41. Обнаружено, что такая конструкция имеет ряд преимуществ, особенно благоприятно проявляющихся в области гидроэнергетики. Отсутствие шихтованного пазового железного сердечника, или, точнее, использование сплошной кольцевой обмотки 50, устраняет эффект «залипания» ротора 20. Явление «залипания» наблюдается в двигателях/генераторах, оснащенных обычным шихтованным пазовым статором, когда магниты ротора выравниваются по зубцам статора, что приводит к тому, что ротор стремиться занять определенное положение. Это явление приводит к увеличению момента, необходимого для запуска двигателей/генераторов традиционной конструкции. Благодаря устранению этого «залипания» путем уложения обмотки 50 без использования пазов, ротор 20 характеризуется более низким пусковым крутящим моментом, а потому может запускаться течениями с более низкими скоростями, свойственными, например, приливно-отливным течениям, не способным создавать большой крутящий момент для ротора 20. Кроме того, такая турбина 10 позволяет генерировать энергию на протяжение всего приливно-отливного цикла.
Также необходимо отметить, что отказ от принципов выполнения статора имеющим шихтованную пазовую структуру, значительно снижает стоимость и сложность статора 30, поскольку используемая в этом случае проволочная обмотка 50 относительно недорога и проста в изготовлении. Еще одно преимущество обусловлено тем, что обмотка 50 размещена с наружной стороны от группы катушек 42 в радиальном направлении. При такой конфигурации зазор, пересекаемый магнитным потоком от магнитов 41, имеет больший размер, что приводит к снижению плотности магнитного потока в указанном зазоре. Данное обстоятельство на первый взгляд выглядит недостатком, однако оно приводит к снижению силы притяжения между статором 30 и ротором 20. Благодаря этому снижаются требования к жесткости ротора 20 и статора 30, необходимой для противодействия указанной силе притяжения, а следовательно, для предотвращения деформации. В результате, ротор 20 и статор 30 можно выполнять в виде достаточно легких элементов, что значительно уменьшает их стоимость, а также упрощает их транспортировку и манипулирование ими. Это преимущество является существенным с учетом полных габаритов турбины 10, которая может составлять в диаметре более 10 метров. Кроме того, использование проволочной обмотки 50 уменьшает отходы производства, которые весьма значительны при изготовлении обмоток шихтованных пазовых статоров, особенно в случае таких крупных машин, как турбина 10.
Катушки, в которых индуцируется ЭДС, обычно изготавливаются из медной проволоки. Независимо от типа якоря, используемого в электрических генераторах/двигателях, они имеют сложный переплетающийся рисунок намотки и образуют вокруг ротора сетку. Этим катушкам обычно придается конфигурация, обеспечивающая на выходе трехфазный переменный ток. В случае беспазового якоря катушки принято наматывать на специальной рамке или станке. Однако в настоящем изобретении для турбины 10 предложена совершенно иная и значительно улучшенная электрическая схема. Как следует из фиг.3 и 4, электрическая схема включает в себя большое число катушек 42, расположенных в ряд по окружности внутри канала 24. Количество катушек 42 может быть разным в зависимости от назначения турбины 10. Кроме того, каждая катушка 42 снабжена собственным выпрямителем 71, предпочтительно однофазным мостовым выпрямителем 71 (показан только на фиг.6), вследствие чего переменный ток, индуцированный в каждой катушке 42, сразу же преобразуется в постоянный ток. При этом выход каждого узла «катушка 42 - выпрямитель 71» подключен к общему выходу постоянного тока турбины 10. Установлено, что данные особенности изобретения обеспечивают существенные преимущества, в частности, при его использовании в гидроэнергетике. Причины этого будут указаны ниже. Также, возможна альтернативная схема, согласно которой каждая катушка 42 снабжена полумостовым выпрямителем (не показан). В этом случае каждый выпрямитель содержит два диода, один из которых подсоединен между одним из выходов соответствующей катушки и положительным внешним выходом постоянного тока, а другой диод подсоединен между тем же выходом катушки и отрицательным внешним выходом постоянного тока, при этом другой выход катушки подсоединен к общей точке, к которой подсоединены и все остальные катушки.
Катушки 42, выполненные предпочтительно из изолированной медной проволоки, намотаны в форме прямоугольника с закругленными углами, т.е. в форме «беговой дорожки», что продиктовано соображениями конструктивной простоты и необходимостью использования медной проволоки требуемой длины в каждой катушке 42, подвергающейся воздействию магнитного поля ротора 20 под прямым углом. Катушки 42 предпочтительно имеют электрически изолированный сердечник или профиль (не показан), как правило удлиненной прямоугольной формы, на который наматывают медную проволоку или ленту, придавая ей тем самым указанную форму «беговой дорожки». Количество витков в каждой катушке 42 можно выбрать таким образом, что создаваемое ею напряжение будет меньше номинального значения коммерчески доступных и предпочтительно недорогих выпрямителей 71, даже если ротор 20 разгоняется до своей максимальной скорости из-за отсоединения от турбины запитываемой нагрузки (не показана). Еще одной благоприятной предпосылкой для использования простых диодных выпрямителей 71 является то, что обмотка 50 имеет гораздо более низкое реактивное сопротивление по сравнению с обычным шихтованным пазовым якорем, в результате чего при работе диодных выпрямителей 71 не происходит недопустимого падения напряжения на импедансе катушек 42. Такая конфигурация, предусматривающая наличие для каждой катушки 42 собственного выпрямителя 71, расположенного в непосредственной близости от катушки 42 или недалеко от нее, позволяет выполнить первый этап преобразования «переменный ток - постоянный ток» общего цикла преобразования «переменный ток - постоянный ток - переменный ток», осуществляемого в турбине 10. После этого выходная мощность передается в виде постоянного тока в место, удобное для заключительного преобразования обратно в трехфазный переменный ток установленного напряжения и частоты для подачи в сеть электроснабжения.
Поскольку катушки 42 не оплетают статор 30 в виде сетки, стоимость и сложность исполнения электрической схемы статора 30 значительно снижаются. В частности, поскольку каждая катушка 42 представлена в виде физически отдельного элемента, появляется возможность изготавливать эти катушки 42 вне места их использования, а значит - с большей точностью и без особых затрат. При изготовлении катушек 42 их можно покрывать электроизоляцией (не показана), предпочтительно смолой, в которую катушки 42 можно погружать, или использовать иной способ нанесения оболочки или защитного слоя. Эта оболочка или кожух предпочтительно изолируют катушки 42 от земли или точки заземления.
Еще одно преимущество изобретения обеспечивается в том случае, если при создании слоя изоляции выпрямитель 71, соответствующий каждой катушке 42 и последовательно к ней подключенный, разместить рядом с катушкой 42 таким образом, что он будет покрыт слоем смолы вместе с катушкой 42, образуя вместе с ней физически цельный элемент. После покрытия оболочкой катушка 42 и выпрямитель 71 выглядят как относительно тонкий прямоугольный брусок, от которого отходит простой двухпроводной вывод (не показан). Процесс, аналогичный созданию единого блока из катушки 42 и выпрямителя 71, можно использовать и для объединения нескольких катушек 42 с соответствующими им выпрямителями 71 в единый модуль, имеющий форму короткой дуги. Эти модули можно тоже производить отдельно от турбины 10, предпочтительно в условиях чистоты, и при необходимости - с использованием средств пропитки в вакууме под давлением, которые были бы недопустимо громоздкими и дорогими, если бы требовалось их использовать для изготовления полного кольца группы катушек 42 для турбины 10.
Описанная конструкция имеет ряд преимуществ над традиционной конструкцией, согласно которой катушки объединены с созданием общего трехфазного выхода, подключенного к отдельной цепи трехфазного выпрямителя. Эти преимущества указаны ниже.
- Устранены традиционные соединения катушек между собой.
- Выпрямители 71 изолируют от цепи любую вышедшую из строя катушку 42, не образуя препятствий для работы остальных катушек 42.
- Стоимость ниже, чем у традиционной конструкции, поскольку используются дешевые производимые в массовом порядке однофазные выпрямители 71, а не более дорогие компоненты, составляющие отдельный трехфазный выпрямитель для всей вырабатываемой мощности.
- Однофазный мостовой выпрямитель 71, размещенный рядом с каждой катушкой 42, может быть интегрирован с ней таким образом, что будет подвергаться воздействию устройства охлаждения, предусмотренного для катушек 42, что позволит не использовать отдельное устройство охлаждения для выпрямителя.
- Каждая катушка 42 может быть намотана из двух или более проводников, соединяемых параллельно, что позволяет уменьшить размер проводника, а также ограничить некоторым приемлемым уровнем вихревые токи и связанные с ними потери. В таких случаях каждый проводник катушки 42 может быть подключен к отдельному выпрямительному мосту. Если один из проводников или его выпрямитель выйдет из строя, другие проводники катушки 42 будут по-прежнему работать.
Установка группы катушек 42 на статор 30 сводится к простой задаче приклеивания покрытых смолой катушек 42 к внутренней поверхности канала 32 в ряд друг с другом с образованием кольцевой системы. В этом существенное отличие от традиционной конфигурации, при которой катушки намотаны на пазовый статор, образуя сложный рисунок намотки. Следует отметить, что, в отличие от традиционной конфигурации намотки, отдельные катушки 42 не оплетают статор 30 или, точнее сказать, не переплетаются с обмоткой 50, образующей путь замыкания силовых линий магнитного потока. Также они не переплетаются друг с другом. При такой конфигурации изготовление статора 30 значительно упрощается. Кроме того, сокращаются время и затраты на его изготовление.
Выходы всех катушек 42 подсоединены к общему выходу постоянного тока турбины 10, как подробнее описано ниже. Каждая катушка 42 предпочтительно установлена в плоскости, ориентированной по существу по касательной к точке поверхности канала 32, к которой эта катушка 42 крепится. Электроизоляционная оболочка каждой катушки 42 и связанного с ней выпрямителя 71 в предпочтительном случае обеспечивает герметичность этих элементов, вследствие чего турбину 10 можно использовать под водой. Каждую катушку 42 снабжают электрической изоляцией и одновременно герметизируют в процессе ее изготовления вне места монтажа, что исключает необходимость герметизации конструкции после того, как катушки 42 установлены на статоре 30. Это упрощает и удешевляет процесс сборки турбины 10. Благодаря сведению данных этапов изготовления в отдельный процесс, значительно повышается точность изготовления блока «катушка 42 - выпрямитель 71». В частности, эти элементы можно изготавливать в условиях чистоты, и, при необходимости, - с использованием средств пропитки в вакууме под давлением.
На сриг.6 изображена принципиальная схема электрической цепи статора 30, которая включает в себя группу катушек 42 и связанных с ними выпрямителей 71. Следует отметить, что число катушек 42, показанных на сриг.6, не обязательно соответствует числу катушек 42, устанавливаемых на статоре 30 на практике. Кроме того, следует иметь в виду, что приведенная электрическая схема соответствует предпочтительной конфигурации соединений между катушками 42 и выпрямителями 71, хотя в изобретении можно использовать и любую другую подходящую конфигурацию. Как показано на примере представленного здесь предпочтительного варианта, группа катушек 42 и соответствующих им выпрямителей 71 объединены в четыре последовательно соединенные совокупности, каждая из которых включает в себя семь катушек 42, соединенных друг с другом параллельно. Выбор числа катушек 42 в каждой совокупности и числа совокупностей обусловлен желаемыми величинами напряжения и/или силы тока на общем выходе постоянного тока. Так, число блоков 30 «катушка/выпрямитель», соединяемых параллельно, определяет общую силу тока, а число совокупностей, соединяемых последовательно, определяет общее напряжение. Данная конфигурация может быть разной в зависимости от числа катушек 42, входящих в турбину 10, и от напряжения и/или тока, создаваемых в каждой катушке 42. При этом указанные величины определяются рядом факторов и не в последнюю очередь плотностью магнитного потока, проходящего через каждую катушку 42, и числом витков в каждой катушке 42. Желаемые величины напряжения и тока на общем выходе постоянного тока турбины 10 могут различаться также в зависимости от конкретной задачи применения. Например, если турбина 10 расположена в открытом море, и электроэнергия от нее должна передаваться по пятикилометровому отрезку подземного кабеля, то вероятно, потребуется напряжение около 10000 вольт, чтобы обеспечить передачу тока по такому длинному кабелю и не допустить неприемлемой потери мощности в кабеле экономичного поперечного сечения.
Из фиг.6 видно, что использование большого числа катушек 42, соединяемых согласно представленной конфигурации, обеспечивает высокую степень избыточности катушек 42. Так, если отдельная катушка 42 или связанный с ней выпрямитель 71 выйдет из строя, общее влияние на энерговыработку турбины 10 будет относительно невелико, и в любом случае не приведет к прекращению работы турбины 10. Кроме того, использование большого числа катушек 42 обеспечивает ровный уровень выходного постоянного тока, поскольку силы ЭДС от катушек 42 создаются в разных фазах.
Как видно из сриг.7, турбина 10 может служить частью приливной станции, включающей множество турбин 10, выходы которых соединены параллельно и подключены к общему кабелю 72, подающему электроэнергию на берег или в любое другое желаемое место. Для подачи электроэнергии в сеть электроснабжения или иному потребителю энергии предпочтительно используется высоковольтный преобразователь 73 постоянного тока. Если расстояние, на которое осуществляется передача, более короткое, то для турбины 10 может быть задана конфигурация, обеспечивающая выработку более низкого напряжения постоянного тока, например, от 1000 до 1500 В, и заключительное преобразование в переменный ток перед выходом в сеть электроснабжения может осуществляться преобразователем (не показан), аналогичным тем, что используются в электроприводах.