ОРТОГОНАЛЬНАЯ ТУРБИНА

Заявляемое техническое решение относится к ветро- и гидроэнергетике и может быть использовано на ветроэлектростанциях, на свободнопоточных микрогидроэлектростанциях, на приливных электростанциях, речных гидроэлектростанциях, на волновых электростанциях, на водотоках каналов систем водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий и объектов городского хозяйства, очистных сооружений, оросительных систем и питьевых водоводов.
Известна турбина (патент RU 2246634 «Ротор ветряка»), преобразующая энергию потока в механическую энергию и содержащая две пары лопастей, расположенных на диске симметрично относительно его оси вращения, образующие для потока газа или жидкости рабочие поверхности сегментов от точек пересечения обеих пар лопастей до их окончания на периферии диска, причем для движения потока образованы сквозные каналы за счет удаления участков лопастей между точками их пересечения вблизи центра вращения.
Недостатками данной конструкции являются низкая надежность турбины, обусловленная наличием механической передачи поворота лопастей турбины и большого количества подвижных элементов, большая материалоемкость.
Известна турбина (патент US 1,835,018 «Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current»), преобразующая энергию потока в механическую энергию и состоящая из множества равномерно расположенных по окружности прямолинейных и параллельных валу лопастей, имеющих крыловидный профиль, и соединенных с валом посредством траверс или дисков. Лопасти турбины могут быть изогнутыми или скрученными с целью снижения деформаций, возникающих из-за центробежных сил, и непосредственно закрепленными концами на валу. Данная турбина может быть снабжена конфузором и диффузором.
Недостатками турбины такой конструкции являются: низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.) и низкая рабочая частота вращения вала турбины, обусловленные моментом сопротивления сил трения, действующих со стороны потока на вал. Кроме того, при обтекании вала поток тормозится, что также ведет к снижению к.п.д. турбины и рабочей частоты вращения вала.
Известна турбина (патент WO 2010/080052 А1 «Низконапорная ортогональная турбина»), преобразующая энергию потока в механическую энергию и содержащая ротор с лопастями крыловидного профиля (далее лопастная система), установленный поперек проточной камеры, имеющей, по меньшей мере, один поперечный выступ, верхней гранью примыкающий с зазором к поверхности цилиндра, ометаемого лопастями, при этом в сечении, перпендикулярном оси ротора, боковая грань поперечного выступа, обращенная к подводящему отверстию проточной камеры, выполнена вогнутой.
Недостатками этой конструкции являются: низкая рабочая частота вращения ротора и низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.) турбины, обусловленные наличием ротора, вызывающего торможение потока, и, как следствие, снижающего тянущую силу лопастей в области пересечения следа, формирующегося за обтекателем, и наличием траверс, создающих сопротивление вращению; низкая надежность и недостаточный ресурс, обусловленные работой лопастей на изгиб, поэтому резонансные и циклические нагрузки, действующие на лопасти турбины, в сочетании с малым значением момента сопротивления сечения лопастей, могут привести к разрушению турбины при работе ее на высоких значениях угловой скорости вращения ротора турбины, а при значительном удлинении лопастей циклические нагрузки приводят к усталости материла, и, следовательно, к снижению надежности и ресурса турбины. Кроме того сложность профиля проточной камеры, требует специализированного производства и больших затрат на изготовление.
В основу нового технического решения положена задача повышения рабочей частоты вращения ортогональной турбины, ее к.п.д., надежности и ресурса.
Поставленная задача решается тем, что в ортогональной турбине, содержащей лопастную систему с лопастями крыловидного профиля, установленную поперек проточной камеры с зазором, согласно новому техническому решению, лопастная система представляет собой лопасти, выполненные в форме дуги, и своими концами закрепленные в ступицах, ступицы установлены на цапфы, а проточная камера выполнена цилиндрической формы. Лопасти могут быть выполнены заодно со ступицами, а также могут быть выполнены в форме дуги окружности, при этом проточная камера имеет форму правильного цилиндра.
Заявляемое техническое решение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 изображена ортогональная турбина (вид спереди), на фиг.2 показана ортогональная турбина в аксонометрии, на фиг.3 показано сечение ортогональной турбины, на фиг.4 - узел крепления лопастей.
Ортогональная турбина содержит проточную камеру 1, внутри которой установлена с зазором 2 лопастная система. Лопастная система содержит лопасти 3, своими концами закрепленные на ступицах 4, которые установлены неподвижно на цапфы 5. Каждая цапфа 5 установлена в подшипнике 6, расположенном в корпусе 7 опоры. Корпуса 7 закреплены снаружи проточной камеры 1. Лопасти 3 имеют крыловидный профиль 8 (фиг.3 и фиг.4) и выполнены дугообразной формы. Проточная камера 1 имеет цилиндрическую форму, отвечающую форме дуги лопастей. В случае же, когда лопасти 3 выполнены в форме дуги окружности, проточная камера может представлять собой правильный цилиндр (фиг.2). Ось вращения лопастной системы перпендикулярна продольной оси проточной камеры 1. Ступицы могут быть выполнены заодно с лопастями и иметь обтекаемую форму (фиг.2 и фиг.4)
Заявляемая ортогональная турбина работает следующим образом.
Поток жидкости, проходя через входную часть проточной камеры 1, попадает в рабочую область турбины. При обтекании лопастей 3 потоком жидкости (или газа), создается гидродинамическая сила, момент которой относительно оси вращения передается посредством ступиц 4 цапфам 5, установленным в подшипниках 6, которые находятся в корпусах 7 снаружи проточной камеры 1, а от цапф 5 крутящий момент передается валу генератора или другого механизма.
Выполнение лопастей в форме дуги и закрепление их своими концами в ступицах 9, которые установлены на цапфы, позволяет исключить из конструкции турбины вал и траверсы, что снижает сопротивление вращению турбины, приводит к увеличению к.п.д. и повышению рабочей частоты вращения турбины. Выполнение лопастей в форме дуги приведет также к уменьшению изгибных напряжений, действующих в лопасти от гидродинамических сил, и, как следствие, позволит повысить надежность и ресурс турбины, а при определенных надежности и ресурсе турбины позволит снизить требования к прочностным характеристикам материала лопастей, т.е. даст возможность применить более дешевые материалы. Кроме того, выполнение проточной камеры цилиндрической формы не требует специализированного производства и позволит изготавливать ее из стандартных труб. Все вышесказанное относительно исполнения заявляемой турбины может повлечь и существенное снижение ее стоимости.
Таким образом, можно сказать о решении поставленной задачи, т.е. предлагаемая ортогональная турбина позволит повысить ее рабочую частоту вращения, к.п.д., надежность и ресурс, а также существенно снизить затраты на ее производство.