ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТУРБИНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДВУНАПРАВЛЕННОМ ПРИЛИВНО-ОТЛИВНОМ ТЕЧЕНИИ
HYDROELECTRIC TURBINE TO BE USED IN BIDIRECTIONAL IN TIDE STREAMS

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к турбинам и энергетическим блокам, вырабатывающим электричество из потока текучей среды, т.е. воздуха или воды, в частности относится к таким устройствам, в которых поток текучей среды приводит во вращение ротор пропеллерного типа с открытыми или закрытыми лопастями, причем вращение передается на генераторы, вырабатывающие электричество. Более конкретно, изобретение относится к таким устройствам, в которых ротор имеет полый центр, и способно вращаться в обоих направлениях соответственно направлению течения воды при приливе и отливе.
Процесс выработки электричества с помощью гидравлических турбин и турбин, вращаемых энергией ветра, хорошо известен. Поток текучей среды приводит во вращение ротор пропеллерного типа или лопасти. Турбины, работающие от энергии ветра, располагаются в местностях с устойчивыми воздушными потоками, и эти устройства обычно поворачивают, чтобы сориентировать их в направлении, оптимальном с точки зрения использования энергии ветра. Гидравлические турбины обычно помещают в быстрые водные течения, в типичном случае в качестве конструктивного элемента плотины. Условия, в которых присутствует такой поток воды, называются высоконапорными.
Хотя в большинстве турбин имеется центральный поворотный вал, опирающийся на подшипники с масляной смазкой, на который устанавливают лопасти или лопатки, показано, что турбины с полым центром могут иметь преимущества по сравнению с турбинами, имеющими центральный вал. Турбины с полым центром, в которых лопасти расположены между внутренним и внешним кольцами, или ободами, и энергия передается через внешний обод, могут быть эффективными в условиях низкого напора, т.е. в более медленных течениях. Это объясняется несколькими причинами, например, тем, что устранение центрального вала и центральных частей лопастей уменьшает сопротивление среды, и тем, что благодаря меньшему весу конструкции появляется возможность применять рабочие колеса большего диаметра, что увеличивает поверхность контакта с низконапорным потоком. Еще одно преимущество использования турбин с полым центром в гидроэнергетике состоит в том, что, поскольку лопасти не препятствуют течению воды через центральную часть турбины, там может проходить рыба. Примеры таких турбин с полым центром имеются в патенте США №5,592,816, выданном 14.01.1997 и выданном повторно под номером RE38.336 2.12.2003, в патенте США №6,648,589, выданном 18.11.2003, в патенте США №6,729,840, выданном 4.05.2004, и в заявке на патент США US 2005/0031442, опубликованной 10.02.2005 (серийный номер 10/633,865).
Поскольку поток текучей среды в этих турбинах направлен в одном направлении, сила, действующая на лопасти и рабочие колеса, также ориентирована в одном направлении. Таким образом, по состоянию на сегодняшний день проблемы трения в месте, где внешний обод удерживается корпусом, необходимо было решать только вниз по течению или с подветренной стороны ротора, поскольку текучая среда оказывает давление только в одном направлении. В турбинах с полым центром внешний обод опирается на корпус с выходной стороны, тогда как с входной стороны обод не подвергается давлению, направленному вниз по течению или по направлению ветра.
Примеры турбин, используемых в двунаправленном потоке текучей среды, имеются в патенте США №4,421,990, выданном Хойссу и др. (Heuss et al.), в патенте США №6,168,373, выданном Вотье (Vauthier), в патенте США №6,406,251, выданном Вотье (Vauthier), в патенте Великобритании №2,408,294, выданном Сасмену и др. (Susman et al.), и в Международной публикации ВОИС WO 03/025385, поданной Дэвисом и др. (Davis et al.).
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гидроэлектрическую турбину, или гидроэнергетический блок, который может работать в двунаправленном течении воды без пространственной переориентации турбины, при этом двунаправленное течение включает течение в одном направлении в определенный период времени и течение в противоположном направлении в последующий период времени. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы предложить турбину, способную вырабатывать электричество будучи помещенной в двунаправленные приливно-отливные течения. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы предложить турбину, ротор которой может смещаться в осевом направлении, в частности, по мере износа осевых опор на водяной смазке, так что эксплуатационный цикл турбины между двумя заменами опор значительно продлевается. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы предложить турбину, в которой осевое смещение ротора в корпусе позволяет удалять посторонние предметы, застревающие между ротором и корпусом. Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы предложить турбину, в которой осевое смещение ротора в корпусе позволяет уменьшить усилие, необходимое для приведения его во вращение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение представляет собой устройство для выработки электроэнергии от турбины, приводимой в действие приливно-отливным течением или иным переменным по направлению и двунаправленным течением воды, где двунаправленное течение воды включает течение в одном направлении в первый период времени, например, при приливе, после которого следует течение в противоположном направлении в следующий период времени, например, при отливе, причем этот цикл носит повторяющийся характер. Такие течения воды обычно происходят в низконапорных условиях, то есть поток или движение воды при этом не характеризуется высокой скоростью или концентрацией.
Данный подход предполагает помещение гидравлической турбины или гидроэнергетического блока с полым центром в приливно-отливном течении, так что потоки воды двунаправленного приливно-отливного течения приводят турбину в действие и вырабатывают электроэнергию, куда бы они ни были направлены, без необходимости пространственной переориентации турбины. Турбина содержит ротор или вращающийся блок, составленный по меньшей мере одним набором вращающихся лопастей или аналогичных пропеллерных конструкций с открытыми или закрытыми лопастями, установленных внутри стационарного корпуса, причем лопасти предпочтительно расположены между внутренним кольцевым ободом и внешним кольцевым ободом, так что имеется сравнительно большой полый центр, не занятый никакими конструктивными элементами. Водяной поток передает вращение ротору, и эта энергия передается одному или более генераторам, вырабатывающим электричество, или же конструкция ротора и корпуса позволяет им самим работать как генератор, в котором, например, на поверхности внешнего обода расположены магниты, а по поверхности корпуса, окружающей внешний обод, расположены катушки.
С учетом изменения направления течения воды на противоположное, необходимо предусмотреть наличие опор или иных антифрикционных средств, которые уменьшали бы контакт и трение между внешним ободом и кольцевыми установочными фланцами как на входе, так и на выходе потока. В предпочтительной реализации для минимизации трения вращения между поверхностями внешнего обода и установочных фланцев корпуса используют вкладыши и опоры, предназначенные для эксплуатации в воде, предпочтительно смазываемые водой. В наиболее предпочтительной реализации опоры и/или вкладыши, ограничивающие движение вдоль оси, имеют увеличенную толщину, так что устройство остается пригодным для эксплуатации в течение более длительного периода времени, по мере того, как эти опоры/вкладыши изнашиваются, за счет того, что ротор может смещаться в осевом направлении под воздействием потока воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 гидроэлектрическая турбина показана в проекции, ориентированной по оси.
На Фиг.2 гидроэлектрическая турбина показана в проекции, перпендикулярной ее оси.
На Фиг.3 предпочтительная реализация показана в частичном разрезе, так что видны вкладыши и опоры для эксплуатации в воде, представляющие собой антифрикционные средства.
На Фиг.4 в том же виде, что и Фиг.3, представлена альтернативная реализация, где антифрикционные средства включают отталкивающие магниты.
На Фиг.5 в том же виде, что и Фиг.3, представлена еще одна альтернативная реализация, где антифрикционные средства включают колеса привода, передающего энергию вращению генераторам.
На Фиг.6 в частичном разрезе представлена более предпочтительная реализация, где опоры, ограничивающие движение вдоль оси, имеют увеличенную толщину.
На Фиг.7 представлен частичный разрез, как и на Фиг.6, но в ситуации после износа опор и со смещением ротора в направлении потока воды.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже изобретение в его оптимальном варианте и предпочтительной реализации будет описано подробно с обращением к чертежам. В наиболее общем смысле предметом изобретения является устройство для производства электричества, обозначаемое в целом «гидроэлектрическая турбина» или «гидроэнергетический блок», из энергии низконапорного двунаправленного или меняющего направление течения воды, в особенности и в первую очередь двунаправленного водяного потока в условиях приливно-отливного течения, т.е. циклически повторяющегося движения воды от прилива к отливу и обратно.
Как в целом показано на Фиг.1 и 2, предпочтительная реализация изобретения представляет собой гидроэлектрическую турбину 10 с полым центром, включающую корпус 21, который имеет в общем случае форму кольца. Конфигурация корпуса 21 не ограничивается показанной здесь, т.е. возможны и иные конфигурации, при условии, что корпус 21 выполняет, среди прочих, функции концентрического удержания поворотного блока или ротора 31, допуская, в то же время, ограниченное осевое смещение ротора 31, и допуская, кроме того, вращение ротора 31 относительно своей оси в обоих направлениях, а также передачу от него энергии вращения механически приводимому генератору 42 или же его собственное участие в производстве электричества, например, с помощью совокупности магнитов 51 и катушек 52. Корпус 21 содержит первый установочный фланец 22 и второй установочный фланец 23, располагающиеся по сторонам внутренней поверхности 24, которые вместе составляют ограничивающее или удерживающее средство, размеры которого допускают ограниченное движение ротора 31 в любом направлении по оси, причем эти фланцы 22 и 23 предпочтительно имеют форму колец, и каждый из них имеет внутреннюю плоскую поверхность, направленную к одной из боковых поверхностей ротора 31. В альтернативном варианте установочным фланцам 22 и 23 нет необходимости быть сплошными.
Минимальное расстояние между фланцами 22 и 23 определяется протяженностью внешнего обода 33 вдоль оси, с учетом всех антифрикционных средств, например вкладышей 71 или опор 72, расположенных на роторе 31 и корпусе 21, чтобы внешний обод 33 ротора мог войти в канал корпуса 21. В реализациях, показанных на Фиг.3-5, внутреннее расстояние между установочными фланцами 22 и 23, которое определяет максимальный ход ротора 31 в осевом направлении, лишь незначительно больше протяженности внешнего кольцевого обода 33 вдоль оси, так что осевое смещение ротора 31 допускается, но остается относительно ограниченным. Напротив, в реализации, показанной на Фиг.6 и 7, расстояние между фланцами 22 и 23 в осевом направлении значительно больше минимального расстояния, необходимого для размещения внешнего кольцевого обода 33, так что допускается большее смещение ротора 31 по оси.
Поворотный блок или ротор 31 содержит внутренний кольцевой обод 32 и внешний кольцевой обод 33. Между внутренним ободом 32 и внешним ободом 33 находится совокупность лопаток или лопастей 34, причем лопасти 34, согласно известным решениям, располагаются под таким углом или изогнуты таким образом, что движение жидкости в осевом направлении 99 в обе стороны, как при приливе, так и при отливе, вызывает вращение ротора 31. Количество, конфигурация и материал лопастей 34 могут быть различными, но в предпочтительном варианте лопасти 34 должны быть настолько легкими, насколько это возможно без угрозы структурной целостности конструкции.
Внутренний обод 32 образует сравнительно большой полый центр 35, что повышает эффективность гидроэлектрической турбины 10 в условиях низкого напора, поскольку опора ротора 31 приходится на поверхность внешнего обода 33 и не сосредотачивается в центральном вале. Благодаря этому корпус 21 и ротор 31 могут быть изготовлены значительно большего диаметра, чем в случае ротора, установленного на валу, что позволяет значительно увеличить общую площадь поверхности лопастей 34, а это, в свою очередь, обеспечивает эффективное функционирование гидроэлектрической турбины 10 в условиях низкого напора.
В предпочтительной реализации, показанной на Фиг.3, корпус 21 и ротор 31 вместе взятые составляют генератор для производства электроэнергии. Эта функция может быть обеспечена, если поместить совокупность магнитов 51 на внешней поверхности внешнего обода 33 и совокупность катушек 52 на внутренней поверхности 24 корпуса 21 или канала 21 в корпусе, так что в результате корпус 21 превратится в статор генератора. При вращении ротора 31 магниты 51 проходят мимо катушек 52, что приводит к вырабатыванию электричества известным способом.
При этом важно также для минимизации сопротивления трения между ротором 31 и корпусом 21 предусмотреть антифрикционные средства помимо смазки, которая обеспечивается самой водой. В предпочтительной реализации это достигается с помощью совокупности вкладышей 71 и опор 72, например, опор, предназначенных для эксплуатации в воде и смазываемых водой, как показано на Фиг.3. За счет расположения опорных элементов на внешнем ободе ротора опорная поверхность увеличивается и давление на единицу ее площади уменьшается до такой степени, что может использоваться водяная смазка.
Показано, что вкладыши 71 смонтированы на боковых поверхностях, входной и выходной, внешнего обода 33, а опоры 72 - на внутренней поверхности корпуса 21 и на установочных фланцах 22 и 23, но расположение этих элементов может быть и противоположным. Следует понимать, что термины «входной» и «выходной» в настоящей заявке применяются в относительном смысле, и точное значение зависит от направления течения воды через турбину 10, являющегося по своей природе двунаправленным. Та же степень относительности очевидным образом присутствует в употреблении таких терминов, как «вверх по течению» и «вниз по течению» и им подобных. Осевые вкладыши 71а соответствуют осевым или упорным опорам 72а и вместе с ними контролируют движение ротора 31 в осевом направлении. Радиальные вкладыши 71b и радиальные опоры 72b вместе контролируют движение в радиальном направлении. Вкладыши 71 изготовлены из материала с относительно низким коэффициентом трения, например нержавеющей стали и т.п., опоры 72 для эксплуатации в воде также изготовлены из материала с относительно низким коэффициентом трения, например из полимера, в частности тефлона, керамики и т.п. Эти элементы, а также все детали устройства должны быть устойчивыми к соленой воде и другим агрессивным воздействиям среды, поскольку применение изобретения в типичном случае предполагает наличие таких воздействий на элементы конструкции, в особенности с учетом того, что приливно-отливные течения обычно состоят из морской воды или воды с содержанием соли. Вкладыши 71 и опоры 72 для эксплуатации в воде вместе уменьшают трение и сопротивление в радиальном направлении и в обоих осевых направлениях, так что вращение ротора 31 относительно корпуса 21 затрудняется минимальным образом.
Поскольку допускается осевое смещение ротора 31, направленное вверх по течению, под воздействием приливно-отливного течения в любом направлении, антифрикционные средства на поверхности турбины 10 ни с чем не соприкасаются в осевом направлении, а потому не подвергаются износу во время того периода работы турбины, когда приливно-отливное течение направлено таким образом. Как только направление приливно-отливного течения меняется, ротор 31 смещается по своей оси, упираясь в то, что ранее представляло собой направленную вверх по течению сторону корпуса 21, так что ни с чем не будут соприкасаться и, следовательно, не будут подвергаться износу антифрикционные средства на той стороне турбины 10, которая теперь ориентирована вверх по течению. Такая конструкция обеспечивает износ антифрикционных средств только с одной стороны турбины 10 в любой конкретный момент времени, что уменьшает полный износ антифрикционных средств.
В более предпочтительной реализации, показанной на Фиг.6 и 7, опоры 82а, которые ограничивают движение ротора 31 вдоль оси, первоначально имеют увеличенную толщину, так что внутреннее расстояние между первым и вторым установочными фланцами 22 и 23 значительно больше минимального расстояния, необходимого, чтобы удерживать ротор 31 в определенных пределах в осевом направлении. При этом образуется короткая цилиндрическая дорожка 80, направленная вдоль оси, по которой ротор 31 может перемещаться аксиально, подобно тому, как поршень перемещается по цилиндру. Когда приливно-отливное течение 99 направлено в первом направлении, ротор 31 смещается с водяным потоком, причем смещение ротора 31 в этом направлении ограничивают воспринимающие осевые опоры 82а с низким коэффициентом трения, расположенные «вниз по течению», в сочетании с осевыми вкладышами 81а. Когда приливно-отливное течение 99 меняет направление на противоположное, ротор 31 смещается в противоположную сторону, так что смещение ротора 31 в этом втором направлении ограничивают опоры 82а с низким коэффициентом трения с противоположной стороны, которая теперь оказывается «вниз по течению». Это смещение ротора 31 относительно корпуса 21 может осуществляться легче, когда ротор 31 имеет полый центр, так что все удерживающие усилия прикладываются к внешнему ободу 33, в отличие от турбин, в которых ротор устанавливается на центральный вал или ось, хотя следует отметить, что такое же осевое перемещение может быть реализовано и в турбинах, смонтированных на валу. Через некоторое время опоры 82а увеличенных размеров под воздействием трения изнашиваются. На Фиг.7 показана турбина 10, которая эксплуатировалась длительное время, так что опоры 82а значительно износились. Когда приливно-отливное течение 99 направлено по чертежу вправо, ротор 31 смещается вправо. Когда приливно-отливное течение 99 меняет направление на противоположное, как показано штриховой линией, ротор 31 смещается влево. Поскольку размеры корпуса 21 и опор 82а позволяют ротору 31 смещаться вдоль оси и поскольку опоры 82а имеют увеличенную толщину, что продлевает их срок службы, промежутки времени между необходимыми процедурами обслуживания и ремонта, связанными с необходимостью заменить опоры 82а, значительно продлеваются. Таким образом, конструкция опор 82а обеспечивает возможность их эффективной эксплуатации даже после значительного износа в осевом направлении. В частности, предпочтительно, чтобы турбина 10 могла эксплуатироваться даже при износе опор 82а в осевом направлении до толщины, составляющей от 100% до 10%, более предпочтительно от 100% до 30%, и наиболее предпочтительно от 100% до 50% от первоначальной толщины. Чтобы учесть осевые смещения ротора 31 в обоих направлениях, предпочтительно использование радиальных опор 82b, имеющих большую длину или увеличенные размеры в осевом направлении по сравнению с осевыми вкладышами 81b. Размеры взаимодействующих между собой магнитов 51 и катушек 52 также должны учитывать это осевое смещение, не допуская, чтобы оно вызывало существенные потери мощности. Дополнительная особенность осевого смещения ротора 31 относительно корпуса 21 состоит в том, что посторонние предметы, оказавшиеся между ротором 31 и корпусом 21, легче вымываются из устройства приливно-отливными течениями, поскольку более широкий промежуток между фланцем 22 или 23 вверх по течению и плоской поверхностью внешнего кольцевого обода 33 способствует усилению течения в этом промежутке. Еще одна положительная особенность состоит в том, что для приведения ротора 31 во вращение из неподвижного состояния требуется меньше энергии, поскольку вращение успевает начаться до момента соприкосновения между антифрикционными средствами вниз по течению и внешним ободом 33.
В альтернативном варианте антифрикционные средства могут включать отталкивающие магниты 61, как показано на Фиг.4. Отталкивающие магниты 61 устанавливаются попарно на внешнем ободе 33 и внутренней поверхности 24 корпуса 21 и установочных фланцев 22 и 23, причем в каждой паре друг к другу направляют противоположные полюса, так что сила магнитного отталкивания предотвращает контакт между внешним ободом 33 и корпусом 21 с установочными фланцами 22 и 23. В еще одной альтернативной реализации, показанной на Фиг.5, в качестве антифрикционных средств можно использовать механическое приспособление, например роликоподшипники или иные подшипники качения. В представленной на чертеже реализации антифрикционные средства включают колеса 41, которые через валы 43 приводят в движение генератор 42, так что вращение ротора 31 непосредственно передается на генератор 42, вырабатывая электричество. Это последняя реализация наименее желательна, поскольку трудно будет достичь необходимой степени уплотнения этих компонентов, чтобы защитить их от загрязнения и ухудшения эксплуатационных характеристик по прошествии времени.
Для выработки электричества из энергии приливно-отливного течения одна или более турбин 10 погружаются в воду или располагаются на глубине там, где на них воздействуют приливы, предпочтительно на открытой воде, так что вода будет протекать через ротор 31 в одном направлении во время повышения уровня или прилива и вслед за этим будет протекать через ротор 31 в противоположном направлении во время снижения уровня или отлива. Во время прилива ротор 31 вращается в одном направлении, вырабатывая электричество описанным образом. Во время отлива вода течет в обратном направлении, и ротор 31 вращается в противоположную сторону, тоже вырабатывая электричество. Благодаря конструкции с полым центром, относительно большой поверхности лопастей и рассредоточению опорных усилий от ротора 31 по корпусу 21 и установочным фланцам 22 и 23, ротор 31 может вращаться в условиях низкого напора, то есть приливно-отливного течения оказывается достаточно для производства электроэнергии.
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.