ЛОПАТКА ДЛЯ ТИХОХОДНЫХ ТУРБИН (ВАРИАНТЫ)
BLADE FOR LOW-SPEED TURBINES (VERSIONS)

Изобретение относится к области тихоходных турбинных механизмов для жидкой или воздушной среды, для получения электрической энергии.
Существуют устройства, где лопатки в основном неподвижно крепятся на осевых втулках или рабочей поверхности вращающегося механизма и передают усилие потока на вал, через который затем сила вращения передается на генератор тока или силовой механизм. Таким устройством были мельничные водяные колеса, воздушные пропеллерные винты ВЭС или водяных насосов, лопасти винтовых гидротурбин и т.д. (FR 537685 А, F03В 9/00, 27.05.1922).
Прототипом заявленных устройств могут служить тканевые лопасти водочерпалок и ветряных мельниц, жесткие лопасти гидротурбин для мини-ГЭС типа Н.И. Линева, патент RU 2166664 С1.
Недостатком жестко закрепленных лопаток является непроизвольное воздействие потока и торможение механизма при попадании лопатки в «теневую» зону или в зону встречного потока, что резко снижает кпд механизма. Поэтому пользовались реверсными механизмами для ориентации лопаток и пропеллерных лопастей как на гидротурбинах, так и на ветряных механизмах, т.е. лопатка принимает такое положение, чтобы полностью использовать силу набегающего потока, а попадая в теневую (не работающую) зону, или складывается, или принимает нейтральное положение к потоку, тем самым увеличивается мощность всего механизма. Но чтобы это все осуществить, требуются особые, специальные и сложные опорные механизмы или целые устройства, или какие-то приспособления, которые хотя и повышают кпд, но намного удорожают в целом изделие, делают его сложным в эксплуатации, ремонте и в обслуживании, снижается надежность. У подвижных лопаток есть опорные устройства, которые также повышают сопротивление в противотоке (DE 19818549 А1, F03B 9/00, 11.11.1999).
Недостаток прототипа в том, что указанные лопатки имеют отдельную опорную планку, вертикально и жестко закрепленную на поверхности турбины, в виде бесконечной ленты, на шарнирном продольном узле, а подвижная лопатка имеет свой поворотный узел, что усложняет систему креплений и утяжеляет весь турбинный механизм. При этом крепления обеих типов лопаток должны быть расположены по всей ширине поверхности вращающейся турбины в виде бесконечной ленты. В заявляемом устройстве лопатки могут быть закреплены в любом порядке, в т.ч. в шахматном, а опорные и поворотные узлы сосредоточены по нижним краям лопаток, причем в сложенном положении почти нет сопротивления в противотоке, т.е. устройство с подобными лопатками можно использовать в погрузочном под воду состоянии. Кроме того, в заявляемом устройстве лопасти, в виде лопаток и карманов, могут крепиться на сменных элементах, а они в свою очередь размещаются на поверхности турбины, в т.ч. и на бесконечной ленте.
Задачей изобретения является увеличение эффективности снятия энергии потока воды и повышение кпд всей энергоустановки.
Сущность изобретения заключается в том, что лопатка для тихоходных турбин, воспринимающая нагрузку от потока среды и передающая ее энергетическим механизмам, выполненная жесткой из двух разновеликих плеч, при этом большое плечо выполнено воспринимающим силовую нагрузку потока, а меньшее плечо выполнено опорным при рабочем положении, и осевой втулки, установленной с возможностью поворота лопатки при давлении на нее потока среды в рабочем положении или автоматического складывания лопатки при снятии давления потока или попадании лопатки в противоток, лопатка снабжена отдельным сменным элементом, к которому прикреплена осевая втулка, и вращающимся эластичным роликом, прикрепленным на оси к внешнему торцу лопатки.
Лопатка для тихоходных турбин, воспринимающая нагрузку от потока среды и передающая ее энергетическим механизмам, выполненная из эластичного материала в виде кармана, открытая сторона которого направлена против потока, лопатка снабжена отдельным сменным элементом, на котором размещен карман, выполненный из ткани, и вращающимся эластичным роликом, прикрепленным на оси к верхнему краю кармана, обеспечивающим его раскрытие.
Изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - вид с боку на жесткую лопатку, прикрепленную к дуге плоскости турбины или к бесконечной ленте.
Фиг.2. - вид рабочего положения жесткой лопатки, например на бесконечной ленте.
Фиг.3. - вид сбоку эластичной лопатки, в виде тканевого кармана, в рабочем положении, прикрепленной к бесконечной ленте.
Фиг.4. - эластичная лопатка, в виде кармана, размещена на сменном элементе.
Фиг.5. - сложенная лопатка в зоне противотока, проходящего сверху.
Крепиться подвижные жесткие и эластичные (тканевые) лопатки могут, например, на турбинах барабанного типа для ГЭС и для ВЭС, ленточных гидротурбинах, горизонтальных лопастных турбинах для глубинных и поверхностных течений морей и рек, а также для воздушного потока, при любом положении оси вращения. Эти турбины, конечно, «тихоходные», но усилия на вал генератора, за счет момента силы, они передают большие, чем их аналоги и не создают вредных для флоры и фауны ультразвуков и вибраций.
Лопатки для тихоходных турбин, меняющие свое положение под действием потока среды, работают следующим образом: рабочая плоскость лопатки 1 (фиг.4, 5), мягкая или жесткая, может представлять отдельный сменный блок (фиг.3, 4, 5), помещенный в свое «гнездо», где работает самостоятельно, адекватно реагируя на условия потока среды, воздуха или воды. При повороте лопатки 1, в виде кармана (фиг.3, 4), рабочей стороной к потоку тканевый карман с помощью вращающего поплавкового эластичного ролика 7, помещенного в передней кромке, раздувается под напором потока среды и через свое крепление воздействует на плоскость механизма, в котором закреплен сменный элемент. Размещаются жесткие лопатки, или в виде карманов на сменных элементах в ряд, поперек рабочей плоскости, или в шахматном порядке, а при размещении на узкой бесконечной ленте друг за другом. После поворота турбины или ленты с лопатками, жесткими или в виде карманов, в теневую зону или в противоток, мягкая (тканевая) лопатка сминается от силы противотока, а жесткая складывается, уменьшая сопротивление потоку до минимума (фиг.1, 5).
Жесткая лопатка 1 представляет рабочую плоскость расчетного размера и необходимого материала согласно предназначению всего изделия и условий эксплуатации, а опорные короткие рычаги 2, размещенные по нижним краям лопаток, вращаются на осях 4, в опорах 5, закрепленных на ленте. Жесткая лопатка свободно вращается на оси 4 (в пределах 80-90° со стороны напора), которая закреплена в опорах 5 на рабочей поверхности турбины 6, причем угол определяется рычагом в виде сегмента 3 короткого рычага 2 с опорной пяткой. Ось 4 закреплена в опорах 5 на рабочей поверхности турбины или бесконечной ленте. На верхнем свободном краю лопатки на оси 8 (фиг.1, 2, 5) помещены вращающиеся поплавковые эластичные ролики 7, если лопасть используется в воде, которые способствуют быстрому раскрытию лопатки, в виде кармана или жесткой лопатки.
Эластичная (тканевая) лопатка 1 в виде кармана (фиг.3, 4) крепится на съемном элементе, а тот в свою очередь установлен на рабочей поверхности турбины 6 в виде цилиндра или бесконечной ленты (фиг.3, 4, 5). Лопатка 1 в виде кармана крепится тремя сторонами, четвертая сторона раскрыта для приема потока среды, при этом, если эластичная лопатка 1 в виде кармана (фиг.3, 4) работает в воде, в край кармана заделывается жесткая нить, переходящая в ось 8, на которой крепится вращающийся поплавковый эластичный ролик 7, не дающий плотно прилегать к рабочей поверхности турбины 6 в противотоке, и способствует быстрому наполнению эластичной лопатки 1, или в виде кармана, потоком воды в рабочей зоне. При работе лопаток, жестких и в виде карманов, в воздушном потоке вращающийся поплавковый эластичный ролик 7 исключается.
Предлагаемые схемы лопаток, и жестких, и эластичных, лишены или почти лишены многих недостатков аналогов. Они не только саморегулируются под силу и направление потока, но и исключают специальные приспособления для ориентации всего изделия или механизма турбины относительно изменения направления и силы потока, а также самостоятельно складываются в теневой зоне или в противопотоке, т.е. кинематические связи упрощены до минимума. Очевидна простота их изготовления, крепления к турбинам, замены при ремонте и работе, получая максимальную силу от потока воды или воздуха, они универсальны по применению в двух средах (почти без переделки) и направлениях потоков. Все эти качества повышают надежность, долговечность рабочего механизма турбин и мощность генераторов тока на единицу площади воздействия потоков на лопатки, и естественно снижается резко стоимость всего агрегата и стоимость единицы вырабатываемой энергии. Основная стоимость микроэнергоустановок (до 100 кВт) с предлагаемыми лопатками приходиться на стоимость электрогенератора, т.е. до 80%, а мини-энергоустановок (от 1000 кВт) до 60%, причем как для ГидроЭС, так и ВетроЭС.
Технический результат, получаемый от изобретения, состоит в том, что лопатки просты в изготовлении, надежны в креплениях, модифицированы, самостоятельно принимают форму и положение от условия потока (пассивное и рабочее положение). Долговечность зависит от выбора материала (вплоть до современных углеродистых тканей). Лопатки универсальны как для гидротурбин, так и для ветродвигателей почти без изменения конструкций или с небольшими изменениями и дополнениями, разве только размеры играют роль при применении их для различной формы и мощности механизмов турбин. От простоты изготовления и формы самих лопаток, соответственно, возможна простота и надежность энергетических установок.