Ортогональный энергетический агрегат
ORTHOGONAL POWER UNIT

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении электростанций на потоках воды или воздуха.
Известен энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с лопастями гидродинамического профиля, установленными посредством траверс вокруг вала вдоль него, и электрогенератор, вал которого соединен с валом ортогональной турбины, а вал турбины и лопасти ориентированы поперек потока воздуха, набегающего на ортогональную турбину (см. патент RU №2362043, кл. F03D 3/06, опубл. 20.07.2009).
Однако конструкция данного энергетического генератора предполагает использование вспомогательного энергетического оборудования для выработки электроэнергии в случае отсутствия потока или его незначительного напора.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ортогональный энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс вокруг вала и вдоль него либо на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен, соответственно, с валом или полувалом ортогональной турбины, при этом ось вала или полувалов ортогональной турбины и лопасти ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, лопасти выполнены полыми и установлены на выполненных полыми установленными с возможностью вращения, соответственно, валу или полувалах турбины посредством полых траверс обтекаемого профиля, перпендикулярных оси вала или полувалов турбины, причем полости лопастей, траверс и вала или полувалов турбины сообщены между собой, а лопасти выполнены с сообщенными со стороны входа с полостью каждой лопасти выходными сопловыми отверстиями для выпуска струй рабочей среды по касательной вдоль поверхности лопасти в направлении ее выходной кромки, при этом выходные сопловые отверстия выведены в зону за точкой максимальной толщины ее профиля с возможностью создания струи соответственно вдоль внешней и/или внутренней относительно оси вала или полувалов турбины поверхности каждой лопасти, а внутри полого вала или полувалов коаксиально ему или им с образованием кольцевого зазора установлен полый газораспределительный трубопровод с выполненными в его стенке и снабженными обратными клапанами отверстиями, посредством которых полость газораспределительного трубопровода сообщена с полостями траверс, причем распределительный трубопровод подключен к источнику непрерывной или импульсной подачи рабочей среды под давлением (см. патент RU №2558491, кл. F03D 3/06, опубл. 10.08.2015).
Данный энергетический агрегат позволяет вырабатывать электрическую энергию как под действием потока, так и при его отсутствии или резком снижении напора. Однако отсутствие средств, которые позволяют регулировать работу сопловых отверстий в лопастях энергетического агрегата приводит к снижению производительности энергетического агрегата и увеличению расхода топлива на привод энергетического агрегата при отсутствии потока.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных выше недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение производительности работы энергетического агрегата и снижение расхода топлива при работе энергетического агрегата в условиях малого напора или его отсутствии.
Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину с одной или несколькими лопастями аэродинамического профиля, установленными посредством траверс вокруг вала и вдоль него либо без траверс и сплошного вала на концевых полувалах, и электрогенератор, вал которого соединен, соответственно, с валом или полувалом ортогональной турбины, при этом, соответственно, ось вала или полувалов ортогональной турбины и лопасти ориентированы поперек потока воздуха, набегающего на ортогональную турбину, лопасти выполнены полыми и установлены на выполненных полыми установленными с возможностью вращения, соответственно, на валу или полувалах турбины посредством полых траверс обтекаемого профиля, перпендикулярных оси, соответственно, вала или полувалов турбины, причем полости лопастей, траверс и, соответственно, вала или полувалов турбины сообщены между собой, а лопасти выполнены с сообщенными со стороны входа с полостью каждой лопасти выходными сопловыми отверстиями для выпуска струй рабочей среды по касательной вдоль поверхности лопасти в направлении ее выходной кромки, при этом выходные сопловые отверстия выведены в зону за точкой максимальной толщины ее профиля с возможностью создания струи вдоль внешней и/или внутренней относительно оси, соответственно, вала или полувалов турбины поверхности каждой лопасти, а внутри, соответственно, полого вала или полувалов коаксиально ему или им с образованием кольцевого зазора установлен полый газораспределительный трубопровод с выполненными в его стенке и снабженными обратными клапанами отверстиями, посредством которых полость газораспределительного трубопровода сообщена с полостями траверс, причем распределительный трубопровод подключен к источнику непрерывной или импульсной подачи рабочей среды под давлением, каждая из лопастей снабжена датчиками давления, установленными на противоположных сторонах каждой лопасти перед сопловыми отверстиями по ходу набегающего на них потока рабочей среды и симметрично относительно продольной оси лопасти, а в каждой лопасти со стороны входа в каждое сопловое отверстие установлены клапаны с возможностью выборочного перекрытия или открытия каждого соплового отверстия по сигналу расположенного на лопасти датчика давления, причем датчики давления подключены к приводам клапанов через блок управления с возможностью подачи рабочей среды в то сопло, которое расположено со стороны каждой лопасти с меньшей величиной давления набегающего на каждую из лопастей потока воздуха.
Сопловые отверстия могут быть выполнены щелевидными.
Лопасти могут быть выполнены по винтовой линии и разделены на изолированные отсеки стенками, перпендикулярными оси вращения турбины, слегка выступающими за поверхность лопастей.
Источник подачи рабочей среды под давлением выполнен в виде источника подачи под давлением через обратные клапаны топливовоздушной смеси, которую подают в полости лопастей для формирования на выходе из последних потока продуктов сгорания, образовавшихся при сгорании топливовоздушной смеси в полости лопастей в момент открытия клапанов сопловых отверстий лопастей.
Лопасти могут быть установлены многоярусно.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что использование полости лопасти для формирования струй по разные ее стороны с применением клапанов, реагирующих на локальный перепад давления по разные стороны лопасти в сочетании с разделением лопасти на изолированные секции позволяет учитывать пространственный характер течений набегающего на лопасти потока воздуха в зоне энергетического агрегата, что повышает эффективность действия истекающих из лопастей струй рабочей среды, которая может быть газообразной или газожидкостной в зависимости от условий использования энергетического агрегата, что позволяет уменьшить расход рабочей среды. Как результат это позволяет повысить экономическую эффективность и надежность работы энергетического агрегата.
На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез ортогональной турбины энергетического агрегата.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез лопасти ортогональной турбины энергетического агрегата для создания струи вдоль внешней и вдоль внутренней относительно вала поверхности каждой лопасти.
На фиг. 3 представлен вариант выполнения энергетического агрегата с многоярусным расположением лопастей на валу ортогональной турбины.
На фиг. 4 представлен вариант выполнения энергетического агрегата с использованием полувалов и выполнением лопасти спиральной по винтовой линии.
На фиг. 5 представлен вариант выполнения энергетического агрегата с использованием одного полувала и выполнение консольной спиральной лопасти по винтовой линии.
Ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину 1 с одной или несколькими лопастями 2 аэродинамического профиля, установленными посредством траверс 3 вокруг вала 4 и вдоль него либо на концевых полувалах 5, и электрогенератор 6, вал 7 которого соединен, соответственно, с валом 4 или одним из полувалов 5 ортогональной турбины 1.
Ось вала 4 или полувалов 5 ортогональной турбины 1 и лопасти 2 ориентированы поперек потока, набегающего на ортогональную турбину 1. Лопасти 2 выполнены полыми и установлены на выполненных полыми установленными с возможностью вращения, соответственно, на валу 4 или полувалах 5 ортогональной турбины 1 посредством выполненных полыми траверс 3 обтекаемого профиля, перпендикулярных оси вала 4 или полувалов 5 ортогональной турбины 1.
Полости 8, 9 и 10 соответственно лопастей 2, траверс 3 и вала 4 или полувалов 5 ортогональной турбины 1 сообщены между собой, а лопасти 2 выполнены с сообщенными со стороны входа с полостью 8 каждой лопасти 2 выходными сопловыми отверстиями 11 для выпуска струй рабочей среды по касательной вдоль поверхности лопасти 2 в направлении ее выходной кромки 12.
Выходные сопловые отверстия 11 выведены в зону за точкой максимальной толщины ее профиля с возможностью создания струи соответственно вдоль внешней и/или внутренней относительно оси вала 4 или полувалов 5 ортогональной турбины 1 поверхности каждой лопасти 2, а внутри полого вала 4 или полувалов 5 коаксиально ему или им с образованием кольцевого зазора установлен полый газораспределительный трубопровод 13 с выполненными в его стенке и снабженными обратными клапанами (не показаны) отверстиями 14, посредством которых полость газораспределительного трубопровода 13 сообщена с полостями 9 траверс 3, причем распределительный трубопровод 13 подключен к источнику непрерывной или импульсной подачи рабочей среды под давлением.
Каждая из лопастей 2 снабжена датчиками давления 15, установленными на противоположных сторонах каждой лопасти 2 перед выходными сопловыми отверстиями 11 по ходу набегающего на них потока рабочей среды и симметрично относительно продольной оси лопасти 2, а в каждой лопасти 2 со стороны входа в каждое выходное сопловое отверстие 11 установлены клапаны 16 с возможностью выборочного перекрытия или открытия каждого выходного соплового отверстия 11 по сигналу расположенного на лопасти 2 датчика давления 15, причем датчики давления 15 подключены к приводам 17 клапанов 16 через блок управления (не показан) с возможностью подачи рабочей среды в то выходное сопловое отверстие 11, которое расположено со стороны каждой лопасти 2 с меньшей величиной давления набегающего на каждую из лопастей 2 потока воздуха.
Выходные сопловые отверстия 11 могут быть выполнены щелевидными.
Лопасти 2 могут быть выполнены по винтовой линии и разделены на изолированные отсеки стенками, перпендикулярными оси вращения ортогональной турбины 1 слегка выступающими за поверхность лопастей 2.
Источник подачи рабочей среды под давлением выполнен в виде источника подачи под давлением через обратные клапаны топливовоздушной смеси, которую подают в полости 8 лопастей 2 для формирования на выходе из последних потока продуктов сгорания, образовавшихся при сгорании топливовоздушной смеси в полости 8 лопастей 2 в момент открытия клапанов 16 выходных сопловых отверстий 11 лопастей 2.
Лопасти 2 могут быть установлены многоярусно.
Ортогональный энергетический агрегат работает следующим образом. Под действием набегающего на ортогональную турбину 1 потока (ветра или воды) ортогональная турбина 1 начинает вращаться и это вращение передается валу 7 электрогенератора 6, который вырабатывает электрическую энергию, а последняя по кабелю (не показан) передается потребителю.
В случае снижения мощности потока в полости 8 лопастей 2 ортогональной турбины 1 подают через распределительный трубопровод 13 и далее через вал 4 или полувалы 5 и траверсы 3 топливовоздушную смесь, которую в полости 8 лопастей 2 поджигают, например, с помощью свечей зажигания. В результате сжигания топливовоздушной смеси образуются продукты сгорания, которые, истекая через выходные сопловые отверстия 8, образуют реактивную струю, вращающую лопасти 2 ортогональной турбины. Возможна также подача в полости 5 лопастей под давлением сжатого газа, например из газогенератора, приводимого в действие двигателем внутреннего сгорания. В этом случае сжатый газ, истекая через выходные сопловые отверстия 8, будет создавать реактивную силу и приводить во вращение ортогональную турбину 1. В зависимости от устройства газогенератора, в частности компрессора, возможна непрерывная или пульсирующая подача сжатого газа в полости 8 лопастей 2.
Выпуск струй рабочей среды контролируется клапанами 16, которые открывают выходные сопловые отверстия 11 в момент, когда давление потока на поверхности лопасти 2 перед местом расположения выходного соплового отверстия 11 в результате несимметричного обтекания лопасти 2 внешним потоком заметно ниже давления в симметричной точке на противоположной стороне лопасти 2.
Этот момент определяется по разности сигналов датчиков давления 15, расположенных на противоположных сторонах лопасти 2. Когда давление в контрольных точках по разные стороны лопасти 2 выравнивается, выходное сопловое отверстие 16 закрывается, что уменьшает расход рабочего газа.
Таким образом, струя выпускается на той стороне лопасти 2, где давление потока минимально. Это увеличивает циркуляцию потока воздуха вокруг лопасти 2 и, следовательно, подъемную и тянущую силы, действующие на лопасти 2 со стороны потока, формируя повышенный крутящий момент. Реакция на импульс струи создает также дополнительный крутящий момент, ускоряющий вращение вала 4 или полувалов 5.
Эксперименты показали, что на больших углах атаки, характерных для участков движения лопастей 2 энергетического агрегата, подача струи увеличивает тянущую силу почти в 3 раза даже при небольших значениях импульса струи.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания автономных энергетических агрегатов.