ОРТОГОНАЛЬНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКОВ ВОДЫ ИЛИ ВОЗДУХА
ORTHOGONAL POWER GENERATING UNIT TO CONVERT ENERGY OF WATER OR AIR FLOWS

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении низконапорных или безнапорных речных энергетических установок, приливных или ветровых электростанций.
Известен ортогональный энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с лопастями гидродинамического профиля, закрепленными между плоскими кольцами, и электрогенератор, при этом ортогональная турбина выполнена двухъярусной, причем каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от вертикали в противоположном к лопастям соседнего яруса ортогональной турбины направлении, на кольце, расположенном между смежными ярусам, закреплены концы лопастей обоих ярусов ортогональной турбины (см. патент RU 2380566, кл. F03B 13/10, 27.01.2010).
В данном ортогональном энергетическом агрегате достигается резкое уменьшение реакционных нагрузок, возникающих при работе ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля, что позволяет достигнуть повышения надежности работы и эффективности агрегата. Однако в данном агрегате не в полной мере используется энергия набегающей движущей среды - воздуха или воды, что снижает эффективность использования энергии водного или воздушного потока.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является энергетический агрегат, содержащий вертикальную башню с выполненным в боковой стенке струенаправляющим лопастным устройством для формирования внутри башни закрученного вихреобразного движения набегающего на башню потока движущейся среды, а со стороны одного из торцов башни в осевую область последней введен выходной участок, по крайней мере, одного канала, для усиления вращения, причем в канале установлена турбина, вал которой соединен с электрогенератором (см. патент US 4070131, кл. F03D 7/00, 24.01.1978).
В данном энергетическом агрегате в большей мере используется энергия набегающего потока. Однако подвод каналов в осевую область вертикальной башни в осевом направлении приводит к увеличению гидравлических потерь и, как следствие, к снижению эффективности работы энергетического агрегата.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение гидравлических потерь при преобразовании энергии набегающего потока воды или воздуха при его протекании через энергетический агрегат.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности энергетического агрегата за счет увеличения коэффициента использования кинетической энергии набегающего потока воды или воздуха
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ортогональный энергетический агрегат содержит вертикальную башню с выполненным в боковой стенке струенаправляющим лопастным устройством для формирования внутри башни закрученного вихреобразного движения набегающего на башню потока движущейся среды, а со стороны одного из торцов башни в осевую область последней введен выходной участок, по крайней мере, одного канала, причем в канале установлена турбина, вал которой соединен с электрогенератором, выходной участок, по крайней мере, одного канала, для усиления вращения введен в осевую область башни в направлении движения вращающейся внутри башни среды, канал на участке от входа до турбины выполнен сужающимся, турбина выполнена ортогональной многоярусной, каждый ярус турбины выполнен с лопастями стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от места сопряжения лопастей смежных ярусов в виде острия стрелы в противоположном к лопастям соседнего яруса ортогональной турбины направлении, на кольце, расположенном между смежными ярусами, закреплены концы лопастей соседних ярусов ортогональной турбины, выходной участок канала выполнен с осью, параллельной направлению вихревого течения внутри башни, причем ось выходного участка канала расположена от оси вертикальной башни на расстоянии, составляющем от 0,3 до 0,6 величины радиуса башни в поперечном сечении, проходящем через выходное сечение канала.
Поперечное сечение канала выполнено, предпочтительно, прямоугольным, а ось выходного участка канала может быть расположена в горизонтальной плоскости поперечного сечения вертикальной башни.
Лопасти струенаправляющего устройства, предпочтительно, расположены вертикально по окружности вокруг оси вертикальной башни с возможностью поворота, на выступающем конце каждой лопасти закреплены вертикальные пластины, образующие совместно с лопастями в поперечном сечении лопасти плавно обтекаемую Г-образную форму
Лопасти струенаправляющего устройства могут быть выполнены полыми с возможностью использования их в качестве пневмоаккумулятора.
Полости лопастей могут быть подключены к компрессору.
Со стороны торца вертикальной башни противоположного торцу, где расположен, по крайней мере, один канал, может быть установлен дефлектор, выполненный в виде вогнутой в направлении торца вертикальной башни пластины с формированием последней с торцом башни плавно сужающейся в направлении вертикальной оси вертикальной башни проточной части.
Канал может быть выполнен с несколькими выходными участками, расположенными на разных уровнях по высоте вертикальной башни.
В ходе проведенного исследования была выявлена возможность создания ортогонального энергетического агрегата, который позволяет обеспечить такое преобразование энергии ветра или потока воды, при котором набегающий на вертикальную башню поток превращается внутри вертикальной башни в вихрь, обеспечивающий понижение давления в центре вихря на 7-10 скоростных напоров набегающего свободного потока. При этом канал, выходной участок которого введен в башню в направлении вращения вихря, выполнен преимущественно прямоугольного сечения, и ось выходного участка канала расположена от оси вертикальной башни на расстоянии, составляющем от 0,3 до 0,6 величины радиуса башни в поперечном сечении, проходящем через выходное сечение канала, что позволяет забирать, в случае использования энергии ветра, воздух из нижних прогретых слоев атмосферы за пределами вертикальной башни и направляет его внутри башни по касательной к вихрю, вращающемуся внутри башни в указанную выше зону максимального понижения давления, что повышает устойчивость вихря в вертикальной башне и позволяет понизить относительную ее высоту и повысить эффективность агрегата. При расположении выходного участка ближе чем 0,3 от величины радиуса башни не удается в полной мере использовать область пониженного давления в силу увеличения турбулизации потока в зоне выходного участка с образованием встречных потоков. При расположении далее чем 06 от величины радиуса башни рост давления вдоль внутренних стенок вертикальной башни не позволяет создать сколько-нибудь существенный перепад давления, который позволил бы повысить эффективность работы агрегата. В результате установленные в каналах многоярусные турбины ортогонального типа со стреловидными лопастями могут приводить в действие стандартные, безредукторные и безколлекторные электрогенераторы с частотой вращения от 375 до 3000 об/мин (для разных мощностей и модификаций), причем описанные многоярусные ортогональные турбины обеспечивают при любом положении турбины практически постоянное по времени суммарное сопротивление потоку, а балансировка турбины достигается использованием стреловидных лопастей, что обеспечивает не только постоянство крутящего момента, но и постоянство сил опорных реакций, причем применение сбалансированных турбин со стреловидными лопастями и малым затенением в каналах позволяет отказаться от мультипликаторов и применить стандартные высокооборотные и высокоэффективные генераторы.
Таким образом, ортогональный энергетический агрегат позволяет вырабатывать электроэнергию для электрификации автономных объектов в отдаленных и труднодоступных регионах страны, а также для мощных электрических систем, включающих гидроэлектростанции как объекты аккумулирования и резервирования мощности.
Лопасти струенаправляющего лопаточного устройства могут быть выполнены полыми с возможностью использования их в качестве пневмоаккумулятора, что позволяет аккумулировать воздух с высоким давлением в условиях изменчивой энергии ветряка или обеспечения плавучести ортогонального энергетического агрегата при использовании его в качестве гидросистемы.
Выполнение ортогонального энергетического агрегата с дефлектором позволяет использовать последний как для обеспечения дополнительного понижения давления в центре вертикальной башни (эжекция), так и для предотвращения раскрутки вихря за пределами башни.
На фиг.1 представлен ортогональный энергетический агрегат для использования энергии ветра с условно прозрачными передними лопатками струенаправляющего лопаточного устройства.
На фиг.2 условно показана развертка канала с ортогональной турбиной ортогонального энергетического агрегата для использования энергии ветра.
На фиг.3 представлен ортогональный энергетический агрегат для использования энергии потока воды с условно прозрачными передними лопатками струенаправляющего лопаточного устройства.
На фиг.4 условно показана развертка канала с ортогональной турбиной ортогонального энергетического агрегата для использования энергии потока воды.
На фиг.5 показана ортогональная многоярусная турбина.
На фиг.6 представлена фотография участка канала с закрепленным на нем электрогенератором.
На фиг.7 условно показан ортогональный энергетический агрегат с дефлектором.
Ортогональный энергетический агрегат содержит вертикальную башню 1 с выполненным в боковой стенке струенаправляющим лопастным устройством 2 для формирования внутри вертикальной башни 1 закрученного вихреобразного движения набегающего на вертикальную башню 1 потока движущейся среды, а со стороны одного из торцов вертикальной башни 1 в осевую область последней для усиления вращения введен в направлении движения вращающейся внутри башни среды выходной участок 3 канала 4. В агрегате может быть выполнено несколько таких каналов. В канале 4 на выходе его сужающегося участка 5 установлена турбина 6, вал 7 которой соединен с электрогенератором 8. Выходной участок 3 канала 4, на участке от входа до турбины 6 выполнен сужающимся. Турбина 6 выполнена ортогональной многоярусной. Каждый ярус 9 турбины 4 выполнен с лопастями 10 стреловидной формы, изогнутыми по винтовым линиям и симметрично наклоненными от места сопряжения 11 лопастей 10 смежных ярусов 9 в виде острия стрелы 12 в противоположном к лопастям 10 соседнего яруса 9 ортогональной турбины направлении. Концы лопастей 10 соседних ярусов 9 ортогональной турбины 4 закреплены на кольце 13, расположенном между смежными ярусами 9. Выходной участок 3 канала 4 выполнен с осью, параллельной направлению вихревого течения внутри вертикальной башни 1, причем ось выходного участка 3 канала 4 расположена от оси вертикальной башни 1 на расстоянии, составляющем от 0,3 до 0,6 величины внутреннего радиуса вертикальной башни 1 в поперечном сечении, проходящем через выходное сечение 3 канала 4.
Поперечное сечение каждого из каналов 4 выполнено прямоугольным, а ось выходного участка 3 каждого канала 4 расположена в горизонтальной плоскости поперечного сечения вертикальной башни 1.
Лопасти 14 струенаправляющего лопастного устройства 2, предпочтительно, расположены вертикально по окружности вокруг оси вертикальной башни 1 с возможностью поворота. На выступающем конце 15 каждой лопасти 14 закреплены вертикальные пластины 15, образующие совместно с лопастями 14 в поперечном сечении лопасти 14 плавно обтекаемую Г-образную форму.
Лопасти 14 струенаправляющего лопастного устройства 2 могут быть выполнены полыми с возможностью использования их в качестве пневмоаккумулятора или в качестве поплавка при расположении агрегата под водой.
Лопасти 14 струенаправляющего лопастного устройства 2 могут быть выполнены полыми с возможностью использования их в качестве поплавка при расположении агрегата под водой.
Полости лопастей 14 могут быть подключены к компрессору (не показан на чертежах).
Со стороны торца вертикальной башни 1, противоположного торцу, где расположен канал 4, может быть установлен дефлектор 16, выполненный в виде вогнутой в направлении торца вертикальной башни пластины с формированием последней с торцом вертикальной башни 1 плавно сужающейся в направлении вертикальной оси вертикальной башни 1 проточной части.
Канал 4 может быть выполнен с несколькими выходными участками 3, расположенными на разных уровнях по высоте вертикальной башни 1.
Энергетический агрегат работает следующим образом.
Набегающий на вертикальную башню 1 поток воздуха или воды закручивается лопатками 14 струенаправляющего лопастного устройства 2, причем закрепленные на выступающем конце каждой лопасти 14 вертикальные пластины 15, образующие совместно с лопастями 14 в поперечном сечении лопасти 14 плавно обтекаемую Г-образную форму, способствуют однонаправленному движению потока воздуха или воды на входе в вертикальную башню 1. Закрученный внутри вертикальной башни 1 поток воздуха или воды формирует в приосевой области вертикальной башни 1 область пониженного давления.
Одновременно поток воздуха или воды поступает в каналы 4. Под действием сужающегося участка канала 4 поток ускоряется и набегает на расположенную в канале 4 ортогональную турбину 6, если канал 4 один, или на ортогональные турбины 6, если каналов 4 несколько, ортогональная турбина 6 начинает вращаться, или ортогональные турбины 6 начинают вращаться. В результате вращения ортогональной турбины 6 или ортогональных турбин 6 электрогенератор 8 вырабатывает электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератора 8 потребителю.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергетических агрегатов на реках и в приливно-отливных потоках или ветровых энергоустановок.