Свободно-поточная турбина с концентратором энергии потока и гидроагрегат с такой турбиной
FREE-STREAM TURBINE WITH FLOW ENERGY CONCENTRATOR AND HYDRAULIC UNIT WITH SUCH TURBINE

Область техники
Группа изобретений относится к гидроэнергетике и может использоваться в гидроэнергетических установках, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды без сооружения напорного тракта.
Уровень техники
Предлагаемая турбина относится к поперечно-осевым турбинам, т.е. к турбинам, валы которых располагают поперек потока (как правило, вертикально или горизонтально), а конкретно - к реактивным турбинам с лопастями крыловидного профиля. Такие турбины с прямолинейными лопастями, параллельными валу, называют ортогональными, а с лопастями в виде цилиндрических спиралей, охватывающих вал, - геликоидными. Инвариантность направления вращения вала этих турбин к направлению водного потока позволяет устанавливать их как в однонаправленных, так и в реверсивных потоках, например, на приливных гидроэлектростанциях (ПЭС) для двусторонней работы, как на приливе, так и на отливе.
η
η
Основное достоинство этого типа турбин - малая материалоемкость и дешевизна в связи с отсутствием напорного тракта, основной недостаток - относительно низкий коэффициент η использования кинетической энергии потока. Для повышения коэффициента η применяют различного вида концентраторы, увеличивающие величину η в k раз, где k - эффективность концентратора.
Известна свободно-поточная поперечно-осевая турбина, содержащая несущую раму, на которой размещен ротор с закрепленными на его валу лопастями крыловидного профиля, установленный с возможностью вращения в подшипниковых опорах [RU 2247859]. Турбина снабжена концентратором энергии потока, выполненным в виде двух щитов, закрепленных на несущей раме по торцам вала турбины с образованием конфузора и диффузора на входе и выходе потока соответственно.
Известна также, выбранная в качестве прототипа, свободно-поточная поперечно-осевая турбина, содержащая несущую раму, на которой размещены ротор с закрепленными на его валу лопастями крыловидного профиля, установленный с возможностью вращения, и концентратор энергии потока [RU 105949]. В этой турбине концентратор выполнен в виде двухступенчатых конфузора и диффузора, закрепленных на концах несущей рамы по торцам ротора турбины, и более эффективен, чем используемый в рассмотренном выше аналоге.
Основной недостаток вышеприведенных аналогов - низкий коэффициент η использования кинетической энергии водного потока из-за малой эффективности используемого концентратора.
Двухступенчатость конфузора и диффузора у прототипа не устраняет этого недостатка, поскольку концентратор из конфузора и диффузора, установленных на торцах турбины, слабо влияет на гидродинамику обтекания потоком крыловидных лопастей, создающих вращающий момент на валу ротора. При этом введение конфузора и диффузора, особенно двухступенчатых, увеличивает материалоемкость, усложняет конструкцию и монтаж турбины, в значительной степени лишая ее основного преимущества свободно-поточных турбин перед турбинами с напорным трактом - низкой материалоемкости и дешевизны.
Сущность изобретения
Технический результат группы изобретений - увеличение коэффициента η свободно-поточной реактивной турбины с лопастями крыловидного профиля, снабженной концентратором, и повышение эффективности затрат материала на концентрацию энергии свободного потока.
Предметом изобретения является свободно-поточная поперечно-осевая турбина, содержащая несущую раму, на которой размещены ротор с закрепленными на его валу лопастями крыловидного профиля, установленный с возможностью вращения, и концентратор энергии потока, отличающаяся тем, что ротор установлен в проеме несущей рамы, а концентратор энергии потока выполнен в виде двух перегородок проема, торцы которых примыкают с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями при вращении ротора, при этом в перегородках вдоль указанных торцов выполнены, по меньшей мере, с одной стороны проема, желоба скругленного профиля.
Изобретение имеет уточняющие развития, состоящие в том, что:
- на несущей раме могут быть закреплены щиты, прикрывающие торцы ротора турбины;
- вдоль желобов на несущей раме могут быть закреплены, по меньшей мере, по одной направляющей лопатке;
- лопасти крыловидного профиля могут быть выполнены либо прямолинейными и закреплены параллельно валу ротора, либо в виде цилиндрических спиралей, охватывающих вал ротора;
- несущая рама, ротор и концентратор могут быть выполнены секционированными, при этом секции ротора и концентратора установлены в проемах секций рамы.
Еще одним изобретением, образующим предлагаемую группу, является гидроагрегат, содержащий, по меньшей мере, одну турбину и генератор, роторы которых кинематически связаны, отличающийся тем, что каждая турбина гидроагрегата выполнена так, как описано выше.
Осуществление группы изобретений с учетом его развитий
Пример выполнения и использования предлагаемой турбины иллюстрируют фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен общий вид гидроагрегата с турбиной, погруженного в свободный поток воды, на фиг. 2 - поперечный разрез турбины, на фиг. 3 - общий вид гидроустановки с двумя гидроагрегатами, каждый из которых содержит генератор и две секционированные турбины.
На фигурах показаны элементы конструкции турбины:
1 - несущая рама, в данном примере выполненная из труб и имеющая прямоугольную форму;
2 - вал ротора, установленный в проеме рамы 1 на подшипниковых опорах 3, обеспечивающих возможность вращения ротора;
4 - лопасти крыловидного профиля, закрепленные на валу 2, например, с помощью кронштейнов 5 со ступицами, имеющих обтекаемый профиль;
6 - две перегородки, установленные в проеме рамы 1 по обе стороны ротора, включающего вал 2 с кронштейнами 5 и лопастями 4;
7 - торцы перегородок 6, примыкающие с зазором 8 к цилиндрической поверхности 9, ометаемой лопастями 4 при вращении ротора;
10 - желоба скругленного профиля, выполненные в перегородках 6 вдоль их торцов 7.
На раме 1 могут быть дополнительно закреплены не показанные на фигурах щиты (например, в форме дисков), прикрывающие торцы ротора. Вдоль желобов 10 могут быть закреплены, по меньшей мере, по одной направляющей лопатке, образующей с поверхностью желоба струенаправляющий канал.
На фиг. 1 и 2 показан пример выполнения перегородок 6 с желобами 10 в турбине, предназначенной для однонаправленного потока воды. В турбинах, предназначенных для работы с реверсивным потоком воды на ПЭС, перегородки 6 имеют желоба 10 (вдоль которых, могут быть закреплены направляющие лопатки) с обеих сторон проема рамы 1.
На фиг. 1 помимо элементов предлагаемой турбины показан корпус 11, относящийся к гидроагрегату, в составе которого используется предлагаемая турбина. В корпусе 11, размещен электрический генератор и средства кинематической связи его ротора с ротором турбины (например, соединительные муфты, мультипликатор) и, возможно, другое оборудование необходимое гидроагрегату (например, стояночный тормоз, микронасос для периодического удаления протечек воды из корпуса 11 и т.п.). Вал 2 ротора турбины герметично пропущен через стенку корпуса 11, где он с помощью муфт кинематически соединяется (через мультипликатор, используемый, если требуется увеличить частоту вращения генератора по сравнению с частотой вращения турбины) с валом генератора. Гидроагрегат размещен на опорной конструкции, включающей бетонный фундамент 12, установленный на дне 13 и средства 14 крепления рамы 1 и корпуса 11 к фундаменту 12.
В примере на фиг. 1-2 представлена компоновка гидроагрегата с горизонтальным расположением вала 2 и герметичным исполнением корпуса 11, установленного ниже уровня поверхности 15 потока воды.
На фиг. 3 показан другой пример использования предлагаемой турбины - в прибрежной гидроустановке с двумя гидроагрегатами, валы которых установлены вертикально в глубоком потоке воды. Корпуса 11 в этих гидроагрегатах расположены выше уровня поверхности 15 потока воды, негерметичны и к размещенному внутри них оборудованию имеется свободный доступ по мосту 16.
В гидроагрегатах, показанных на фиг. 3, применены двухсекционные турбины, в каждой из которых рама 1, ротор и концентратор выполнены секционированными так, что секции ротора и концентратора установлены в проемах секций рамы 1.
Гидроагрегаты с предлагаемыми турбинами могут устанавливаться в потоке воды не только на дне, но и на заякоренных или пришвартованных плавающих средствах, например, понтонах, баржах и т.п.
Предлагаемая турбина работает следующим образом.
Поток воды, направленный поперек лопастей 4, обтекает их крыловидный профиль, создавая подъемную силу, которая тем больше, чем выше скорость обтекания потоком лопасти 4. Тангенциальные составляющие этих сил, воздействующих на лопасти 4, направлены по касательной к цилиндрической поверхности 9 и создают результирующий крутящий момент в направлении тупых носков крыловидных профилей лопастей 4. При некоторой минимальной скорости водного потока, например 1,5 м/с, стояночный тормоз (не показан на фигурах) снимается и ротор приходит во вращение с ускорением. Ускорение при запуске турбины возникает вследствие увеличения крутящего момента при возрастании скорости движения лопастей 4 относительно набегающего на них потока. При недостаточной скорости потока или малой начальной скорости вращения ротора может быть применен принудительный разгон ротора с кратковременным переводом генератора, связанного с валом 2 ротора турбины, в двигательный режим. После достижения определенной частоты вращения ротора к генератору подключают нагрузку, и гидроустановка переходит в режим выработки электроэнергии.
Перегородки 6 с желобами 10 отражают поступающие на них части водного потока, разворачивая их в направлении торцов 7, и, тем самым, концентрируя энергию водного потока у лопастей 4. При этом оптимизируются углы атаки крыловидных лопастей 4 в набегающем на них потоке воды, особенно на участках круговой трассы их движения по поверхности 9 вблизи зазоров 8. В результате существенно увеличивается коэффициент η использования кинетической энергии потока, проходящего через турбину.
η
η
Как показали численные эксперименты, проведенные на многократно тестированной математической модели, концентратор энергии потока в предлагаемом виде обеспечивает эффективность k равную 1,8±0,2 раза, в то время как аналогично рассчитанная для прототипа эффективность k составила 1,2±0,2 раза и быстро уменьшалось при увеличении длины ротора.
Указанные эксперименты были проведены для ортогональной турбины с прямолинейными лопастями 4, параллельными валу 2, и для геликоидной турбины с лопастями 4 в виде цилиндрических спиралей, охватывающих вал 2.
Проведенные расчеты и эксперименты подтвердили, что перегородки 6 с желобами 10 выполняют функцию эффективного концентратора кинетической энергии водного потока, а щиты (или диски) и направляющие лопатки дополняют эту функцию, способствуя дополнительному повышению л.
η
m
m
η
η
Для корректного сопоставления эффективности конструкций прототипа и предлагаемой турбины по затратам материала были рассчитаны отношения k/k, где k - коэффициент увеличения материалоемкости (массы турбины) при введении концентратора. Для предлагаемой турбины это отношение лежит в пределах 1,2±0,1, а для турбины-прототипа - в пределах 0,8±0,1 (расчеты огранивались случаями, когда k≥1,1, исходя из того, что при k,<1,1, эффект концентрации энергии потока практически не проявляется).
Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает приблизительно полуторакратное повышение эффективности затрат материала на концентрацию энергии свободного потока.