НИЗКОНАПОРНАЯ ОРТОГОНАЛЬНАЯ ТУРБИНА
LOW HEAD ORTHOGONAL TURBINE

Область техники
Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике и может быть применено на приливных электростанциях (ПЭС), низконапорных речных гидроэлектростанциях (ГЭС), на волновых электростанциях, на ветроэлектростанциях с концентраторами ветровой энергии и др.
Уровень техники
Низконапорные ортогональные турбины относятся к реактивным поперечно-струйным турбинам, работающим в потоке жидкости или газа внутри напорной проточной камеры. Характерная особенность ортогональной турбины состоит в том, что лопасти, закрепленные на роторе турбины, имеют крыловидный профиль, обтекание которого потоком среды создает подъемную силу, проекция (тангенциальная составляющая) которой на направление кругового движения лопасти обеспечивает тянущую силу лопасти, причем в рабочем режиме скорость движения лопасти в несколько раз превышает скорость набегающего на нее потока. Эта особенность делает целесообразным применение ортогональных турбин в низконапорных потоках. Другая особенность этих турбин заключается в том, что при круговом движении лопастей они обтекаются потоком среды, формируемым проточной камерой, в нестационарном режиме с двухкратным изменением направления обтекания профиля лопасти за каждый оборот ротора. Эта особенность приводит к тому, что эффективность ортогональной турбины определяется не только конструкцией ротора и лопастей, но и, в значительной степени, конфигурацией проточной камеры. При этом важную роль играет зазор δ между поверхностью цилиндра, сметаемого лопастями турбины, и поверхностью проточной камеры, который в ортогональных турбинах во избежание гидроударов приходится выполнять в 10-20 раз большим, чем аналогичный зазор в осевых турбинах.
Известна ортогональная поперечно-струйная турбина, содержащая ротор с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры с подводящим и отводящим отверстиями, которая в сечениях, перпендикулярных оси ротора, прямолинейно сужается к ротору так, что камера вблизи ротора меньше его диаметра D. В зоне вращения ротора проточная камера расширяется по дуге окружности с диаметром, превышающим диаметр D на величину зазора δ (см. Лятхер В.М. Комплекс приливных электростанций, обеспечивающий заданный график выдачи мощности, Гидротехническое строительство, 1998, №12, с.48, рис.8).
Недостаток данного технического решения - низкий кпд ортогональной турбины. По данным канадских исследователей, проводивших испытание модели ортогональной турбины с подобной проточной камерой, максимальный кпд такой турбины не превышает 0,37 (см. Fahre T.D., Pratte B.D. and Swan D. The Darrieus Hydraulic Turbine - Mode and Field Experiment. Fourth International Symposium on Hydro Power Fluid Machinery. Anaheim, California, December, 1986. American Society of Mechanical Engineers).
Известна также выбранная в качестве прототипа ортогональная турбина, содержащая ротор с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры, в которой выполнен, по меньшей мере, один поперечный выступ, верхней гранью примыкающий с зазором к поверхности цилиндра, сметаемого лопастями, при этом в сечении, перпендикулярном оси ротора, верхняя грань поперечного выступа смещена относительно поперечной оси проточной камеры поворотом на острый центральный угол (см. RU 2044155 С1, 20.09,1995, F03B1/00). Данное решение использовано на нескольких опытно-промышленных установках. Наиболее мощная из них с вертикальной ортогональной турбиной диаметром 5 м работает в наплавном блоке «Малая Мезенская ПЭС», пристыкованном к свободному водоводу Кислогубской ПЭС (см. Усачев И.Н., Шполянский Ю.Б., Историк Б.Л., Пастухов В.П., Кондрашов Ю.В., Бородин В.В., Савченков С.Н., Кушнерик В.И. Сооружение типового наплавного энергоблока для приливных электростанций. Гидротехническое строительство, 2007, №9, с.2-8).
Турбина-прототип является более совершенной: по результатам ее натурных испытаний, проведенных в 2007 г., достигнуто максимальное значение кпд турбины 0,64. Этот уровень кпд делает применение ортогональных турбин на ПЭС России экономически оправданным и предпочтительным по сравнению с совершенными, но значительно более дорогими осевыми поворотно-лопастными турбинами капсульных агрегатов (см. Историк Б.Л., Прудовский A.M., Усачев И.Н., Шполянский Ю.Б. Применение ортогональной турбины на приливных электростанциях. Гидротехническое строительство, 1988, №12, с.35-44).
Недостаток прототипа состоит в следующем.
Под действием перепада давлений между входным и выходным отверстиями проточной камеры в зазоре δ формируются мощные холостые струи, проходящие мимо лопастей турбины и не выполняющие полезной работы. Холостые струи уносят часть энергии потока, подводимого к турбине и протекающего через ее проточную камеру, и, тем самым, снижают кпд турбины. Уменьшение зазора δ уменьшает относительную мощность холостых струй. Однако этот зазор нельзя сделать малым, исходя только из конструктивных соображений точности изготовления турбины, как это обычно делают для осевых турбин. С уменьшением зазора 5 до конструктивно допустимой величины в ортогональной турбине возникают локальные области повышенного давления, приводящие к гидроударам при прохождении лопастей над выступами проточной камеры. При этом возникает сильный гидродинамический шум, резко увеличиваются нагрузки на лопасти и снижается кпд турбины. Величина зазора 5, необходимая для предотвращения гидроударов, создающих разрушительную нагрузку на лопасти, может достигать 0,02-0,04 от диаметра D ортогональной турбины, что в 10-20 раз больше, чем у осевых турбин.
Прототип содержит выступы на стенках проточной камеры, отклоняющие пристеночный поток от прямого попадания в зазор 5, что улучшает распределение общей мощности потока между рабочими и холостыми струями и, тем самым, увеличивает кпд турбины. Однако возможности по отклонению пристеночного потока и соответствующего увеличения кпд ортогональной турбины использованы в прототипе не полностью.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - увеличить кпд турбины за счет дальнейшего снижения относительной мощности холостых струй в проточной камере ортогональной турбины.
Задача решена в низконапорной ортогональной турбине, содержащей ротор с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры, имеющей, по меньшей мере, один поперечный выступ, верхней гранью примыкающий с зазором к поверхности цилиндра, сметаемого лопастями, при этом в сечении, перпендикулярном оси ротора, боковая грань поперечного выступа, обращенная к подводящему отверстию проточной камеры, выполнена вогнутой, а, по меньшей мере, одна касательная к этой грани образует с отрезком прямой, связывающим точку касания с осью ротора, острый угол в направлении подводящего отверстия проточной камеры.
Изобретение имеет развития, которые могут быть применены в частных случаях его осуществления и состоят в том, что:
- в сечении, перпендикулярном оси ротора, отрезок прямой, соединяющий ось ротора с любой точкой на верхней грани поперечного выступа, образует с поперечной осью проточной камеры острый угол в направлении вращения ротора;
- проточная камера в сечении, перпендикулярном оси ротора, выполнена с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора;
- в проточной камере перед боковой гранью поперечного выступа, обращенной к подводящему отверстию проточной камеры, установлен, по меньшей мере, один струенаправляющий элемент;
- на роторе смонтирован с возможностью поворота вокруг оси ротора самоустанавливающийся в потоке среды обтекатель;
- верхняя грань выступа образована пересечением его боковых граней или концентричной ротору цилиндрической поверхностью среза, пересекающей боковые грани выступа;
- лопасти выполнены прямолинейными с постоянным по длине лопасти крыловидным профилем и закреплены на роторе параллельно его оси с помощью дисков или кронштейнов обтекаемой формы;
- торцы лопастей фиксированы дисками или кольцами.
Краткое описание фигур чертежей
Фиг.1 иллюстрирует пример конструкции предлагаемой турбины для использования в однонаправленном потоке среды (который характерен, например, для ГЭС или ветроэлектростанции с преобладанием определенного направления ветра).
На фиг.2 показан разрез Б-Б фиг.1.
Фиг.3 иллюстрирует пример конструкции предлагаемой турбины для использования в потоке среды, периодически меняющем свое направление (который характерен, например, для ПЭС или волновой электростанции).
На фиг.4, 5 и 6 представлены пространственные изображения возможных вариантов конструкции ротора ортогональной турбины, примеры простых и технологичных конструкций ротора 1 с двенадцатью прямолинейными лопастями 2, которые имеют постоянный по длине лопасти 2 крыловидный профиль и закреплены параллельно оси ротора 1.
На фиг.4 показан пример закрепления на роторе 1 лопастей 2 с помощью двух дисков 13 и радиальных кронштейнов (спиц) 14 обтекаемой формы.
На фиг.5 показан пример ротора 1, аналогичный показанному на фиг.4, в котором торцы лопастей 2 фиксированы кольцами 15.
На фиг.6 - фиксированы дисками 16.
Осуществление изобретения с учетом его развития
Низконапорная ортогональная турбина (см. фиг.1, 2 и 3) содержит ротор 1 с лопастями 2 крыловидного профиля и проточную камеру 3. Ротор 1 установлен в опорах вращения поперек камеры 3. При такой установке ротора его ось располагается поперек потока рабочей среды, протекающего через торцевые отверстия 4 и 5 камеры 3. Поток рабочей среды, вращающий ротор 1, может представлять собой поток жидкости, например воды, или поток газа, например воздуха. На фиг.1 и 3 показан частный случай осуществления изобретения, когда на двух противоположных стенках камеры 3 выполнено по одному поперечному выступу 6. Выступ 6 имеет верхнюю грань 7 и боковые грани 8 и 9. Своей верхней гранью 7 выступ 6 примыкает с зазором 5 к поверхности цилиндра диаметром D, ометаемого лопастями 2 при вращении ротора 1.
На фиг.1 и 3 турбины показаны в сечениях, перпендикулярных оси ротора 1, которая в этих сечениях обозначена точкой О. Через точку О проходит продольная ось проточной камеры 3, перпендикулярная плоскостям отверстий 4 и 5, и ортогональная ей поперечная ось С-С камеры 3. Боковые грани 8 выступов 6 обращены к отверстию 4, а боковые грани 9 - к отверстию 5 камеры 3.
В турбине, предназначенной для использования в однонаправленном потоке среды (см. фиг.1, 2), отверстие 4 предназначено для подвода потока к ротору 1 и является подводящим. Обращенные к этому отверстию грани 8 выступов 6 выполнены в показанном сечении вогнутыми.
В турбине, предназначенной для использования в потоке среды, периодически меняющем свое направление (см. фиг.3), каждое из отверстий 4 и 5 предназначено для подвода потока среды, соответствующего направления к ротору 1 и, следовательно, оба этих отверстия являются подводящими. В этом случае боковые грани 8, обращенные к подводящему отверстию 4, и боковые грани 9, обращенные к подводящему отверстию 5, выполнены в показанном сечении вогнутыми.
1
2
На фиг.1 и 3 также видно, что в показанном сечении на вогнутой грани (грань 8 на фиг.1 и грани 8 и 9 на фиг.3) выступа 6 имеется точка, в которой касательная к грани образует с отрезком прямой, связывающей точку ее касания с осью ротора 1, острый угол ψ или ψ в направлении соответствующего подводящего отверстия камеры 3.
1
2
Кроме того, на фиг.1 и 3 видно, что в показанном сечении отрезок прямой длиной D/2+δ, соединяющий ось О ротора с точкой на верхней грани 7 поперечного выступа 6, образует с поперечной осью С-С камеры 3 острый угол (α или α на фиг.1 и α на фиг.3) в направлении вращения ротора 1. Направление вращения ротора ортогональной турбины (ротор вращается в сторону тупого носка крыловидного профиля лопасти 2) не зависит от направления потока среды и показано на фиг.1 и фиг.3 стрелкой.
На фиг.1 показан частный случай, когда верхняя грань 7 выступа 6 образована линией пересечения его боковых граней 8 и 9, а на фиг.3 - другой частный случай, когда верхняя грань 7 выступа 6 образована концентричной ротору 3 цилиндрической поверхностью среза, пересекающей боковые грани 8 и 9. В последнем случае выступы 6 в показанном сечении имеют форму «каблука».
1
2
1
2
В частных случаях осуществления изобретения углы α или α, показанные на фиг.1, могут быть неравными. При этом возможно отрицательное значение одного (только одного) из углов (α или α), т.е. один из выступов 6 может быть смещен от поперечной оси проточной камеры по окружности диаметром D+2δ, в направлении, обратном направлению вращения ротора 1.
В турбине, показанной на фиг.3, поперечные выступы 6 на противоположных стенках турбинной камеры выполнены в показанном сечении с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора (точки О). В этом случае угол α одинаков для обоих выступов 6 в одном сечении камеры 3.
1
2
Следует отметить, что в различных сечениях камеры 3, перпендикулярных оси ротора 1, углы α, α или α могут не сохранять своих значений. При этом верхняя грань 7 выступа 6 может располагаться не параллельно оси ротора, а представлять собой кривую или ломаную линию на поверхности цилиндра диаметром D+2δ. Этим может быть достигнута постепенность (во избежание гидравлического удара) прохода лопастей 2 над верхней гранью 7 выступа 6 при относительно малом зазоре δ.
На фиг.1 и 3 также показаны установленные рядом с вогнутыми боковыми гранями выступов 6 струенаправляющие элементы (дефлекторы) 10. На фиг.1 показаны два дефлектора у верхнего выступа и один дефлектор у нижнего. На фиг.3 показаны два дефлектора 10 (по одному с каждой стороны выступа 6), которые установлены с соблюдением центральной симметрии. Между вогнутой гранью выступа 6 и ближайшим дефлектором 10 (см. фиг.1 и 3), а также между двумя соседними дефлекторами 10 у верхнего выступа 6 (см. фиг.1) образуются струенаправляющие каналы, усиливающие струенаправляющий эффект вогнутой боковой грани выступа 6.
На фиг.3 также показан смонтированный на роторе 1 самоустанавливающийся в потоке среды обтекатель 11 с хвостовым стабилизатором 12. Обтекатель смонтирован в подшипниковых опорах, например в опорах скольжения (на фиг.3 не показаны). Положение обтекателя 11 при течении жидкости слева направо показано сплошной линией, а его положение при обратном течении - пунктиром. Обтекатель 11 уменьшает потери напора при обтекании потоком среды вала ротора 1, что дополнительно увеличивает кпд турбины.
Работа предлагаемой турбины описывается на примере ее использования в потоке воды.
При наличии некоторого минимального напора на жалюзийном затворе 17, установленном, например, в подводящем напорном водоводе 18 (см. фиг.2, на фиг.3 затвор условно не показан), затвор 17 открывается (жалюзи поворачиваются и занимают положение, показанное на фиг.1). Через камеру 3 протекает поток, направленный поперек оси ротора 1 и поперек лопастей 2 крыловидного профиля. Тангенциальная составляющая воздействующей на лопасть 2 подъемной силы направлена по касательной к окружности диаметром D, ометаемой лопастями 2 ротора 1.
В любом положении ротора 1 для некоторых лопастей 2 эта сила является тянущей, а для некоторых тормозящей, т.е. препятствующей движению лопасти 2 в сторону ее тупого носка. Однако суммарный момент тянущей силы от всех лопастей 2 для неподвижного ротора 1 направлен в сторону тупого носка профиля лопасти 2. Поэтому если ротор 1 снять с имеющегося рабочего тормоза, он начинает вращение и саморазгон. По мере увеличения частоты вращения ротора 1 и скорости движения лопастей 2 по круговой трассе вначале медленно, а затем быстро увеличивается момент тянущей силы и интенсивность разгона ротора 1. При достижении определенной частоты вращения ротора 1 включается полезная нагрузка, например путем включения в сеть генератора, вал которого сопряжен с ротором 1. Ротор прекращает разгон и переходит в рабочий режим вращения.
Описанная выше форма выступов с вогнутой указанным образом боковой гранью, обращенной к подводящему торцевому отверстию камеры 3, позволяет, варьируя параметр ψ, оптимизировать угол атаки потока, набегающего на лопасти 2, для увеличения вращающего момента ротора с сохранением положительного направления тянущей силы его лопастей практически на всей круговой трассе их движения, исключая только короткие участки трассы у верхних граней 7 выступов 6, где происходит быстрая смена направления циркуляции потока вокруг лопасти и ее тянущая сила проходит через нулевое значение.
Направление в сторону втекающего потока касательной к боковой грани выступа вблизи его верхней грани способствует перераспределению мощности потока от холостых струй к рабочим, обтекающим лопасти турбины, и, тем самым, увеличению кпд турбины.
На ПЭС при смене направления приливной волны напор воды снижается до нуля. Если в этом случае турбину останавливают, то новое включение в ее работу может быть произведено после того как напор воды достигнет необходимого минимума. Для этого при нулевом напоре и отсутствии течения воды по водоводу затвор 17 закрывают.
Применение предлагаемой ортогональной турбины на низконапорных ГЭС и на ПЭС может дать значительный экономический эффект. Увеличение кпд ортогональной турбины за счет предлагаемого технического решения оценивается по результатам проведенных расчетов как минимум в 5%. Это дает применительно к Мезенской ПЭС установленной мощностью 8000 МВт увеличение выработки электроэнергии примерно на 2 миллиарда кВт·ч в год по сравнению с прототипом.