Ортогональная турбина (варианты)
ORTHOGONAL TURBINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении ветровых или гидравлических энергетических установок.
Известен 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 друг к 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. Кроме того, наличие в каждом ярусе ортогональной турбины нескольких гидродинамических профилей приводит к снижению энергетической эффективности.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ортогональная турбина, содержащая изогнутую по цилиндрической винтовой линии, по крайней мере, одну лопасть с аэродинамическим профилем в ее поперечном сечении, причем лопасть установлена поперек набегающего на нее потока воздуха или воды с возможностью вращения вокруг оси цилиндрической винтовой линии, а входная кромка аэродинамического профиля направлена в сторону вращения лопасти, при этом концы лопасти закреплены относительно вала, установленного с возможностью вращения, соосно оси цилиндрической винтовой спирали и соединенного с валом электрогенератора (см. патент US №5642984, кл. F04D 29/32, 01.07.1997).
Однако известная ортогональная турбина содержит центральный вал и выполненные в виде дисков траверсы, соединяющие торцы спиральных лопастей с валом. Эти элементы оказывают гидравлическое сопротивление потоку, что снижает энергетическую эффективность ортогональной турбины.
Задача заключается в устранении выявленных недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение кпд ортогональных турбин с лопастями аэродинамического профиля за счет увеличения эффективности преобразования энергии текучей среды, а именно энергии потока воды или энергии ветра, с помощью ортогональной турбины.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в первом варианте выполнения ортогональная турбина содержит изогнутую по цилиндрической винтовой линии, по крайней мере, одну лопасть с аэродинамическим профилем в ее поперечном сечении, причем лопасть установлена поперек набегающего на нее потока воздуха или воды с возможностью вращения вокруг оси цилиндрической винтовой линии, а входная кромка аэродинамического профиля направлена в сторону вращения лопасти, при этом концы лопасти закреплены относительно вала, установленного с возможностью вращения, соосно оси цилиндрической винтовой спирали и соединенного с валом электрогенератора, концы лопасти закреплены относительно вала посредством консольных балок, при этом вал образован двумя полувалами, каждый из которых соединен с одной из консольных балок и установлен на своей опоре, лопасть изогнута без промежуточных опор по цилиндрической винтовой линии с постоянным радиусом кривизны так, что в каждом поперечном сечении аэродинамический профиль лопасти выполнен под острым углом наклона к касательной к окружности, описываемой входной кромкой аэродинамического профиля лопасти, при этом концы лопасти повернуты друг относительно друга на 360°.
В соответствии со вторым вариантом выполнения ортогональная турбина содержит изогнутую по цилиндрической винтовой линии, по крайней мере, одну лопасть с аэродинамическим профилем в ее поперечном сечении, причем лопасть установлена поперек набегающего на нее потока воздуха или воды с возможностью вращения вокруг оси цилиндрической винтовой линии, а входная кромка аэродинамического профиля направлена в сторону вращения лопасти, при этом лопасть закреплена относительно вала, установленного с возможностью вращения, соосно оси цилиндрической винтовой спирали и соединенного с валом электрогенератора, лопасть закреплена относительно вала одним из ее концов посредством консольной балки, при этом вал консольно установлен на опоре, консольная балка снабжена консольно установленным на валу противовесом обтекаемой формы, лопасть изогнута без промежуточных опор по цилиндрической винтовой линии с постоянным радиусом кривизны так, что в каждом поперечном сечении аэродинамический профиль лопасти выполнен под острым углом наклона к касательной к окружности, описываемой входной кромкой аэродинамического профиля лопасти, при этом концы лопасти повернуты друг относительно друга на 360°.
Ортогональные турбины имеют максимальную энергетическую и техническую эффективность. Наивысшая энергетическая эффективность (свыше 60% в свободном потоке) отмечена при наличии только одной лопасти (см., например, журнал «Гидротехническое строительство», Москва, НТФ «Энергопрогресс» 1986, №11, стр. 33-37).
Ортогональная турбина содержит по крайней мере одну лопасть аэродинамического профиля, изогнутую по цилиндриской винтовой линии с постоянным радиусом кривизны, что позволяет в каждом поперечном сечении аэродинамический профиль лопасти располагать под оптимальным углом ϕ относительно касательной к окружности, описываемой входной кромкой лопасти. Кроме того, концы лопасти повернуты друг относительно друга на 360 градусов и, следовательно, находятся в одинаковом положении относительно набегаюшего на турбину потока. Как результат в равномерном набегающем потоке воды или воздуха нагрузки на неподвижную или вращающуюся лопасть полностью скомпенсированы и нагрузки в опорах не изменяются при изменении положения лопасти, что позволяет достигнуть повышения кпд ортогональных турбин с лопастями аэродинамического профиля за счет увеличения эффективности преобразования энергии текучей среды, а именно энергии потока воды или энергии ветра, с помощью ортогональной турбины.
На фиг. 1 представлена ортогональная турбина.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение лопасти и окружности, описанной входной кромкой лопасти.
На фиг. 3 представлен второй вариант выполнения ортогональной турбины.
Ортогональная турбина содержит изогнутую по цилиндрической винтовой линии, по крайней мере, одну лопасть 1 с аэродинамическим профилем в ее поперечном сечении, причем лопасть 1 установлена поперек набегающего на нее потока воздуха или воды с возможностью вращения вокруг оси 2 цилиндрической винтовой линии, а входная кромка аэродинамического профиля направлена в сторону вращения лопасти 1.
Концы лопасти 1 закреплены относительно вала, установленного с возможностью вращения, соосно оси 2 цилиндрической винтовой спирали и соединенного с валом электрогенератора 3.
Концы лопасти 1 закреплены относительно вала посредством консольных балок 4, которые снабжены короткими противовесами обтекаемой формы, обеспечивающими балансировку балок независимо от лопасти (на фиг. 1 не показаны).
Вал образован двумя полувалами 5, каждый из которых соединен с одной из консольных балок 4 и установлен на своей опоре 6.
Лопасть 1 изогнута без промежуточных опор по цилиндрической винтовой линии с постоянным радиусом кривизны так, что в каждом поперечном сечении аэродинамический профиль лопасти 1 выполнен под острым углом ϕ наклона к касательной к окружности, описываемой входной кромкой аэродинамического профиля лопасти 1, при этом концы лопасти 1 повернуты друг относительно друга на 360°.
По второму варианту выполнения ортогональная турбина содержит изогнутую по цилиндрической винтовой линии, по крайней мере, одну лопасть 1 с аэродинамическим профилем в ее поперечном сечении, причем лопасть 1 установлена поперек набегающего на нее потока воздуха или воды с возможностью вращения вокруг оси 2 цилиндрической винтовой линии, а входная кромка аэродинамического профиля направлена в сторону вращения лопасти 1.
Лопасть 1 закреплена относительно вала 7, установленного с возможностью вращения, соосно оси 2 цилиндрической винтовой спирали и соединенного с валом 9 электрогенератора (на фиг. 3 не показан).
Лопасть 1 закреплена относительно вала 7 одним из ее концов посредством консольной балки 4, при этом вал 7 консольно установлен на опоре 6.
Консольная балка 4 снабжена консольно установленным на валу 7 противовесом 8 обтекаемой формы.
При использовании нескольких лопастей концы лопастей могут быть объединены обтекаемой строительной фермой (не показана на чертеже).
Лопасть 1 изогнута без промежуточных опор по цилиндрической винтовой линии с постоянным радиусом кривизны так, что в каждом поперечном сечении аэродинамический профиль лопасти 1 выполнен под острым углом ϕ наклона к касательной к окружности, описываемой входной кромкой аэродинамического профиля лопасти 1, при этом концы лопасти 1 повернуты друг относительно друга на 360°.
Ортогональный энергетический агрегат работает следующим образом.
Под действием набегающего на лопасть 1 ортогональной турбины потока среды, например потока воды при расположении ортогональной турбины в реке, изогнутая по винтовой линии лопасть 1 начинает вращаться. В результате вращения лопасти 1 ортогональной турбины ее вращение передается полувалам 5 (первый вариант выполнения) и валу 7 (второй вариант выполнения) и от вала 7 или, по крайней мере, от одного из полувалов 5 к валу 9 электрогенератора 3 и последний начинает вырабатывать электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератора 3 потребителю.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых ветровых энергоустановок, а также энергоустановок на реках, в приливно-отливных потоках морей и океанов.