ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТУРБИНА С ПЛАВАЮЩИМ РОТОРОМ
HYDROELECTRIC TURBINE WITH FLOATING ROTOR

Область техники
Предметом настоящего изобретения является гидроэлектрическая турбина, содержащая статор и установленный в нем с возможностью вращения безваловый ротор, который может совершать внутри статора по существу гипоциклоидальное движение.
Уровень техники
Данное изобретение относится к турбинам, вырабатывающим электричество за счет энергии потока воды. Более конкретно, изобретение относится к устройствам, использующим приливно-отливные течения для приведения во вращение большого ротора лопастного типа, имеющего кольцевой внешний обод, установленный в крупноразмерном кольцевом корпусе.
Большинство известных конструкций турбин предполагает наличие у них центрального вращающегося вала, на котором размещены лопасти или лопатки. Однако из уровня техники известны также турбины с полым центром, называемые еще турбинами, смонтированными на ободе. В условиях слабого напора, т.е. при медленных течениях, эффективны именно такие турбины, оснащенные роторами с полым центром, у которых лопасти закреплены между внутренним и внешним кольцами или ободами, а энергия передается через внешний обод кольцевому корпусу, в котором удерживается ротор.
Примеры указанных турбин с полым центром, смонтированных на ободе, приведены в американском патенте №5592816, выданном 14.01.1997 и выданном повторно 2.12.2003 под номером RE 38336; в американском патенте №6648589, выданном 18.11.2003; в американском патенте №6729840, выданном 4.05.2004; и в американской заявке на изобретение №2005/0031442, опубликованной 10.02.2005 (порядковый номер 10/633865). Примеры гидроэлектрических турбин, используемых в условиях слабого напора (приливные течения) представлены в американском патенте №4421990, выданном на имя Heuss et al.; в американских патентах №№6168373 и 6406251, выданных на имя Vauthier; британской заявке на изобретение №2408294, поданной заявителями Susman et al.; и в публикации WO 03/025385 международной заявки, поданной заявителями Davis etal.
Турбины, приводимые в действие от энергии жидкости, рассматриваются в настоящее время как экологически безопасная замена электростанциям, использующим природное топливо или атомную энергию. При использовании энергии воды для выработки электричества в крупных масштабах, т.е. в объеме, достаточном для питания промышленных комплексов, небольших и крупных городов и т.п., необходимо большое количество турбин, причем эти турбины должны быть как можно большего размера, чтобы максимизировать количество электричества, производимого каждой турбиной. Длина роторных лопастей у этих турбин исчисляется метрами, а в некоторых экспериментальных конструкциях предусмотрены лопасти, длина которых превышает 50 метров.
К сожалению, по мере увеличения длины лопастей возникают проблемы их изготовления, не свойственные турбинам и генераторам меньших размеров. В частности, в случае турбин, установленных на валу, трудно добиться, чтобы длинные лопасти были одновременно и прочными и легкими. Согласно одному из возможных решений, лопасти установленной на валу турбины снабжены внешним кольцевым ободом, размещенным внутри кольцевого корпуса, вследствие чего лопасти опираются как на вал, так и на обод. В альтернативном случае, относящемся к монтируемым на ободе турбинам, которые не имеют вала, указанную проблему можно решить путем выполнения кольцевой опоры на внутреннем и внешнем концах лопасти, причем внешний опорный обод располагают в корпусе, имеющем кольцевое углубление или канал. В обычных средствах выработки электроэнергии вдоль кольцевого опорного обода расположено большое количество магнитов, а вдоль поверхности канала в корпусе статора расположено большое количество катушек. Магнитное поле, создаваемое системой полей ротора, пронизывает зазор между ротором и статором. При вращении ротора происходит изменение сцепления магнитного потока с катушками, что индуцирует в катушках электромагнитную силу.
Поскольку внешний кольцевой обод ротора помещен в канал, проходящий внутри корпуса статора, в этом канале могут задерживаться переносимые жидкостью посторонние предметы. При значительном накоплении посторонних предметов они будут мешать вращению ротора и даже могут вызывать различные повреждения. Накапливание посторонних предметов особенно проблематично в условиях слабого напора, например, в генераторах, работающих от приливно-отливного течения, поскольку оседание посторонних предметов в канале наиболее вероятно при относительно медленном течении воды.
Таким образом задача настоящего изобретения заключается в совершенствовании турбины, на лопастях ротора которой установлен внешний кольцевой обод, удерживаемый внутри образованного в статоре канала. Усовершенствованная турбина должна характеризоваться уменьшенным трением подшипников, возникающим при ее запуске, и обеспечивать возможность чистки и охлаждения указанных подшипников в процессе ее функционирования, что улучшит эксплуатационные характеристики турбины.
Сущность изобретения
Поставленная задача решена путем создания гидроэлектрической турбины, содержащей статор и безваловый ротор, причем статор ограничивает собою проем, в котором с возможностью вращения установлен указанный ротор. Турбина характеризуется тем, что указанный проем благодаря его форме и размеру позволяет ротору вращаться вокруг своей центральной оси и совершать при этом перемещение по окружности проема, двигаясь в направлении, противоположном направлению вращения ротора.
В предпочтительном случае указанный проем благодаря своим форме и размеру позволяет ротору совершать по существу гипоциклоидальное движение.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, турбина содержит установленный на ободе генератор, включающий в себя группу катушек, расположенных на статоре, и соответствующую группу магнитов, расположенных на роторе.
В предпочтительном случае турбина содержит систему подшипников, на которых ротор удерживается внутри статора, причем эти подшипники включают в себя группу подшипниковых узлов, расположенных либо на статоре, либо на роторе, и соответствующий им вкладыш, расположенный на оставшемся элементе из указанной пары статор-ротор.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, подшипниковые узлы в силу их конструкции подвержены износу в ходе эксплуатации.
В предпочтительном случае между любыми смежными подшипниковыми узлами предусмотрен промежуток.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, турбина содержит по меньшей мере один датчик, внедренный в соответствующий по меньшей мере один подшипниковый узел и выполненный с возможностью выдачи сигнала, указывающего на то, что этот подшипниковый узел достиг предварительно заданного порога износа.
В предпочтительном случае указанная система подшипников расположена таким образом, что подвергается воздействию воды во время функционирования турбины.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, ротор по меньшей мере частично выполнен из плавучего материала.
В предпочтительном случае статор имеет кольцевой канал, ограничивающий собою указанный проем, внутри которого с возможностью вращения установлен ротор.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, ротор имеет полый центр.
В предпочтительном случае ротор и статор выполнены таким образом, что ротор способен вращаться в обоих направлениях.
В данной заявке термин «осевое вращение» означает вращение тела, например, ротора гидроэлектрической турбины, вокруг своей продольной оси.
В данной заявке термин «перемещение» означает движение или смещение тела, например, ротора гидроэлектрической турбины, по определенной траектории, например по кривой или окружности.
В данной заявке термин «гипоциклоидальный» означает такое движение вращающегося тела внутри по существу круглого проема, чей диаметр превышает внешний диаметр вращающегося тела, в результате которого вращающееся тело может вращаться вокруг своей центральной оси и одновременно двигаться по периферической поверхности указанного проема.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 в аксонометрии изображает гидроэлектрическую турбину, соответствующую предпочтительному варианту изобретения.
Фиг.2 в аксонометрии изображает статор, являющийся частью показанной на фиг.1 турбины.
Фиг.3 в аксонометрии изображает ротор, являющийся частью показанной на фиг.1 турбины.
Фиг.4 изображает показанную на фиг.1 турбину в сечении сбоку;
Фиг.5 изображает сечение сбоку, аналогичное показанному на фиг.4, но соответствующее случаю, когда ротор турбины переместился вперед относительно своего положения, показанного на фиг.4.
Подробное описание чертежей
На прилагаемых чертежах изображена гидроэлектрическая турбина (в целом обозначена позицией 10), соответствующая предпочтительному варианту изобретения. Предложенная турбина обладает улучшенными эксплуатационными качествами благодаря тому, что ее составные части во время функционирования турбины совершают перемещение по принципиально новой траектории. Турбина 10 включает в себя статор 12, который в ходе использования турбины может быть закреплен, например, на морском дне, и ротор 14, установленный с возможностью вращения внутри статора 12, как более подробно описано ниже.
Ротор 14 (показан на фиг.3) содержит по существу круглый внутренний обод 16, ограничивающий полый центр, по существу круглый внешний обод 18 и группу лопастей 20, закрепленных между внутренним и внешним ободами 16, 18. Следует отметить применительно к последующему описанию работы турбины 10, что конфигурация лопастей 20 и/или их количество, а также наличие внутреннего обода 16, не являются существенными признаками изобретения и поэтому их изменение не повлияет на достигаемые изобретением преимущества.
На фиг.2 показан предпочтительный вариант статора 12, ограничивающего собою проем в форме по существу кольцевого канала 22, в пределах которого в процессе работы располагается внешний обод 18 ротора 14, как показано на фиг.1. Канал 22 имеет такую ширину, которая позволяет поместить в него внешний обод 18, не допуская при этом нежелательных смещений ротора 14 в продольном направлении под воздействием приливно-отливного течения. В канале 22 предпочтительно предусмотрены механические и/или магнитные подшипники (не показаны), удерживающие ротор 14 ориентированным в осевом направлении. Хоть это и не показано на чертежах, турбина 10 снабжена установленным на ободе генератором (не показан), к числу наиболее существенных компонентов которого можно отнести группу катушек (не показаны), расположенных либо на внешнем ободе 18, либо на канале 22, и соответствующую группу магнитов, расположенных на оставшемся элементе из указанной пары внешний обод 18 - канал 22. Когда в процессе работы ротор 14 вращается под воздействием проходящего через него приливно-отливного течения, указанные магниты и катушки движутся относительно друг друга, вследствие чего в каждой катушке вырабатывается ток известным из курса физики образом.
Рассмотрим далее фиг.4. Чтобы уменьшить трение между ротором 14 и статором 12 в радиальном направлении, в турбине предусмотрена система подшипников, представляющая собой группу подшипниковых узлов (не показаны), размещенных внутри канала 22, и вкладыш (не показан), например, из нержавеющей стали или аналогичного материала, охватывающий внешний обод 18. Подшипниковые узлы могут представлять собой обычные опоры качения, ролики или любой другой их функциональный эквивалент. Следует отметить, что отдельные подшипниковые узлы могут быть образованы путем вытачивания канавок через определенные интервалы вдоль непрерывной окружной опоры, которые будут ограничивать собой отдельные подшипниковые узлы или опоры качения. Форма и размер проема, образованного каналом 22, в который помещен внешний обод 18, с учетом расположенных в нем подшипниковых узлов позволяют ротору 14 совершать неконцентрическое вращение в канале 22, как более подробно описано ниже.
Благодаря увеличенному диаметру канала 22 по сравнению с ротором 14, внешний обод 18 или, точнее, вкладыш в каждый момент времени соприкасается лишь с небольшой дугой из подшипниковых узлов, так что остальные подшипниковые узлы открыты воздействию воды, проходящей через турбину 10. Во время запуска турбины вкладыш, благодаря статическому действию веса ротора 14, будет соприкасаться с самыми нижними подшипниковыми узлами на статоре 12. Однако если 14 ротор способен плавать, это может быть и не так. Например, если плавучесть 14 ротора превышает нейтральную плавучесть, он в статическом состоянии будет соприкасаться с самыми верхними подшипниковыми узлами на статоре 12 и прилагать вертикально направленное усилие к статору 12. Однако, независимо от плавучести ротора 14, когда через него будет проходить приливно-отливное течение, ротор 14 начнет вращаться вокруг своей центральной оси. Причем по мере того, как ротор 14 вращается вокруг оси, он будет постепенно смещаться по окружности канала 22, двигаясь в направлении, противоположном направлению своего вращения. Так, например, если приливно-отливный поток приводит ротор 14 во вращение по часовой стрелке относительно его оси, как показано стрелкой А на фиг.4, контакт между вкладышем и подшипниковыми узлами приведет к тому, что ротор 14 начнет передвигаться или смещаться по периферической поверхности канала 22 против часовой стрелки. На фиг.5 показано, как ротор 14 сместился приблизительно на четверть окружности канала 22 относительно начального положения, показанного на фиг.4. Несмотря на значительное проскальзывание между вкладышем и подшипниковыми узлами, результирующее движение ротора 14 больше всего соответствует движению по гипоциклоиде и поэтому оно далее именуется в данной заявке как «по существу гипоциклоидальное движение». Следует отметить, что для совершения этого по существу гипоциклоидального движения наличие полого центра во внутреннем ободе 16 не является принципиальным; важнее тот факт, что ротор 14 не установлен на центральном валу, который фиксировал бы траекторию вращения ротора 14 и не позволял бы ему перемещаться по периферической поверхности канала 22.
Следует также отметить, что при изменении направления приливно-отливного течения ротор 14 будет вращаться относительно своей оси в противоположном направлении. Соответственно, передвигаться или смещаться по периферической поверхности канала 22 он будет также в противоположном направлении. В течение промежутка времени, когда происходит смена приливно-отливного течения, ротор 14 не поворачивается или почти не поворачивается относительно своей оси, поэтому он может снова опуститься на дно канала 22, как показано на фиг.4.
Указанное по существу гипоциклоидальное движение ротора 14 при работе турбины 10 обеспечивает ряд преимуществ. Поскольку ротор 14 в каждый момент времени соприкасается лишь с небольшим количеством подшипниковых узлов, оставшиеся подшипниковые узлы открыты для воздействия приливно-отливного потока, проходящего через турбину 10, что позволяет охлаждать эти подшипниковые узлы проточной водой и очищать их от посторонних предметов, которые могут накапливаться на них или между ними. По мере того как ротор 14 двигается по окружности канала 22, каждый подшипниковый узел последовательно открывается воздействию воды, что позволяет поочередно охлаждать и очищать все подшипниковые узлы. Кроме того, поскольку ротор 14 расположен в канале 22, имеющем больший диаметр, между ротором 14 и каналом 22 образуется зазор, который сужается в направлении зоны соприкосновения ротора 14 и подшипниковых узлов. Вследствие этого в области, расположенной между вкладышем и подшипниковыми узлами, обозначенной на чертеже буквой В (т.е. чуть дальше точки соприкосновения этих элементов в направлении вращения ротора 14), вода в канале 22 будет сжиматься по мере прохождения в указанную зону соприкосновения вкладыша и подшипниковых опор. Это сжатие воды в области соприкосновения, обозначенной В, будет создавать гидродинамический эффект между подшипниковыми узлами и вкладышем, уменьшая трение между ротором 14 и статором 12. Чтобы усилить данный гидродинамический эффект, контактные поверхности каждой подшипниковой опоры можно выполнить профильными или адаптировать иным образом для максимизации гидродинамического эффекта.
Благодаря увеличенному, по сравнению с ротором 14, размеру проема в канале 22, позволяющему ротору совершать описанное выше по существу гипоциклоидальное движение, турбина 10 оказывается устойчивой к тепловому расширению/сжатию и к изгибающим или деформирующим воздействиям приливно-отливных течений. В любом месте эксплуатации турбины 10 могут возникать колебания температуры, приводящие к тепловому расширению/сжатию статора 12 и ротора 14. Кроме того, значительные усилия, воздействующие на турбину 10 со стороны приливно-отливных течений, вызывают некоторый изгиб или деформацию турбины 10, и в частности, ротора 14. Однако вследствие увеличения размера канала 22 по сравнению с ротором 14 тепловое расширение/сжатие и деформация турбины 10 могут происходить, не вызывая стопорения или торможения/замедления ротора 14 внутри статора 12.
Как указано выше, турбина 10 содержит установленный на ободе генератор (не показан), включающий в себя группу катушек и соответствующую группу магнитов, располагающихся, соответственно, на внешнем ободе 18 и в канале 22 или наоборот. При вращении ротора 14 катушки движутся относительно магнитов, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Магнитное поле магнитов (не показаны) пронизывает заполненный водой промежуток между ротором 14 и статором 12, пересекая катушки и наводя в них ток. Поскольку размер указанного промежутка изменяется вдоль периферической поверхности ротора 14 и канала 22, различной будет и напряженность магнитного поля, пересекающего соответствующие катушки. Чем больше величина промежутка, заполненного водой, тем меньше напряженность магнитного поля, пересекающего катушки, а следовательно, меньше ток, индуцируемый в этих катушках. Таким образом, при движении ротора 14 по периферической поверхности канала 22 величина тока, производимого отдельными катушками, расположенными вокруг турбины 10, будет варьироваться. Поэтому целесообразно выпрямлять токи от каждой катушки перед их суммированием, поскольку суммирование постоянных токов осуществлять гораздо легче, чем суммирование различающихся по величине переменных токов. Следовательно, в наиболее предпочтительном варианте турбины 10 каждая катушка (не показаны) оснащена средством выпрямления индуцируемого в ней тока, причем в предпочтительном случае оно выполнено в виде отдельного выпрямителя, располагающегося рядом с соответствующей катушкой.
Поскольку подшипниковые узлы в процессе эксплуатации непрерывно охлаждаются и очищаются, они изнашиваются менее интенсивно. Тем не менее, подшипниковые узлы все же подвергаются некоторому износу. Однако работа турбины 10 устойчива к такому износу, который вызывает лишь небольшое расширение периферической поверхности дорожки, по которой ротор 14 движется вокруг канала 22, но не приводит к разболтанной или неправильной посадке ротора 14, как это случилось бы с обычным, концентрически вращающимся ротором, установленным на традиционных подшипниках. Между тем, турбина 10 может быть также оснащена одним или более датчиками износа (не показаны), встроенными внутрь одного или более подшипниковых узлов на предварительно заданную глубину. Это значит, что когда подшипниковый узел изнашивается до уровня датчика (не показан), этот датчик может подать сигнал, указывающий, что износ подшипниковых узлов достиг той степени, при которой требуются их ремонт или замена.
В завершение отметим, что конструкция турбины 10, согласно которой ротор 14 совершает по существу гипоциклоидальное движение, обладает рядом значительных преимуществ по сравнению с решениями известного уровня техники. Эти преимущества связаны, в частности, с обеспечением возможности охлаждения и чистки подшипников.