Секционный ротор и связанная с ротором электромеханическая система для преобразования энергии потока газа или жидкости в электрическую
SECTIONAL ROTOR AND AN ELECTROMECHANICAL SYSTEM ASSOCIATED WITH THE ROTOR FOR CONVERTING THE ENERGY OF A GAS OR LIQUID FLOW INTO ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к энергетике, а именно к установкам для преобразования энергии потока газа или жидкости в механическую или электрическую.
Известны установки с ротором пропеллерного типа, использующие энергию аксиального потока газа или жидкости, сконцентрированную в пределах ограниченного объема (трубопровода, сопла и т.п.): европейский патент EP3066335B1 (опубл. 27.11.2019), патент СССР SU72439A1 (опубл. 01.01.1948) патенты РФ RU2074976C1 (опубл. 10.03.1997), RU185105U1 (опубл. 21.11.2018 Бюл. №33), RU2453725C2 (опубл. 20.06.2012 Бюл. №17), RU202366U1 (опубл. 15.02.2021 Бюл. №5), RU 2347941 (опубл. 27.02.2009 Бюл. №6) принцип действия которых основан на взаимодействии сконцентрированного потока газа или жидкости с расположенными под углом по отношению к направлению потока конструктивными элементами турбины, пропеллера, шнека, ротора и т.п.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «безвальная прямоточная гидротурбина», описанная в патенте RU2637280C1 (опубл. 01.12.2017), представляющая собой ротор пропеллерного типа, жестко связанный с магнитной системой, являющейся рабочей частью электрогенератора.
Все предлагаемые прежде решения обладали конструктивными ограничениями, вызванными тем, что любая из указанных конструкций представляет собой компромисс между надежностью, эффективностью и стоимостью. В результате каждый ротор оказывается надежным и недорогостоящим применительно к узкому классу рабочих веществ потока и их параметров (плотности, давления, вязкости, скорости) или надежным и универсальным, но дорогостоящим и т.п.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, является возможность адаптации ротора к условиям эксплуатации. Тем самым достигается расширение допустимого пространства разнообразных конструкций роторов-турбин. Благодаря предлагаемому появляется возможность создания конструкций с недостижимыми до сих пор свойствами: например, адаптивный ротор, который в условиях действия слабого потока сможет трансформироваться так, чтобы взаимодействие с потоком было максимально эффективным, а в условиях повышенных нагрузок сможет обеспечить беспрепятственное прохождение большого объема рабочего вещества. Наиболее остро необходимость подобных решений проявляется при использовании нестационарных потоков, в которых характеристики рабочей среды могут изменяться кратно несколько раз в минуту.
Заявляемое решение может быть использовано для создания большого разнообразия конструктивов. Дальнейшие пояснения приводятся на примере наиболее наглядных реализаций.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность адаптации конструкции к разным условиям эксплуатации вследствие нестационарности потока, изменения нагрузки генератора, изменения критичных параметров самого механизма (заклинивание, сбой электроники, деформация лопастей) и пр.
Технический результат достигается тем, что ротор установки для преобразования энергии аксиального потока газа или жидкости, разделен поперечными плоскостями на соосные секции, при этом осуществляется адаптация ротора для разных условий эксплуатации путем изменения с помощью подтормаживающих электромагнитных преобразователей скорости или при равенстве скоростей взаимного положения вращения соосных секций, подтормаживающий электроммагнтный преобразователь, использующий секционный ротор содержащий жестко связанные каждый с отдельной секцией ободья с установленными в пазы по кругу постоянными магнитами, и пояса прочности статора, содержащие обмотки, которые осуществляют электро-магнитное взаимодействие с магнитами ротора под управлением системы совместного контроля вращения каждой секции ротора с точностью до фазы, причем система контроля формирует подтормаживающие воздействия в виде кратковременных импульсных подключений определенных обмоток к полезной нагрузке в соответствующие моменты времени, что позволяет одновременно с отбором энергии вращения ротора осуществлять механические адаптивные воздействия.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:
Фиг.1 - Ротор и статор в сборе. Общий вид с частичным разрезом.
Фиг.2 - Ротор в сборе. Вид со стороны оси вращения.
Фиг.3 - Общий вид регулярного ротора-шнека. Фазы трансформации.
Фиг.4 - Вариант исполнения ротора-шнека с переменным шагом. Фазы трансформации.
Фиг.5 - Развертка фаз регулярного ротора-шнека (проекция на опоясывающую цилиндрическую поверхность) с указанием мест установки постоянных магнитов.
Фиг.6 - Развертка фаз ротора-шнека с переменным шагом с указанием мест установки постоянных магнитов.
Фиг.7 - Развертка турбины с использованием выпрямителя потока и турбин с разнонаправленными лопастями.
Фиг.8 - Функциональная схема системы контроля вращения и отбора механической энергии секции ротора.
Данная задача решается за счет того, что ротор разделен поперечными плоскостями на несколько соосных следующих друг за другом секций, которые могут вращаться независимо друг от друга под контролем электромагнитных преобразователей. За счет каскадирования секций увеличивается эффективная площадь взаимодействия механизма со струей потока. Возможность независимого адаптивного управления позволяет корректировать скорость вращения, а также относительный фазовый сдвиг (если скорость одинаковая) секций ротора в отдельности, например, с целью уменьшения эффективной площади взаимодействия. Для целей управления и отбора энергии по периметру секций установлены постоянные магниты с чередующимися полюсами. Электромагнитные преобразователи - это взаимодействующие с магнитами обмотки статора, подключаемые с помощью быстродействующей импульсной системы контроля к нагрузке в точно выверенные моменты времени. Такой принцип в совокупности с системой отслеживания частоты и фазы позволяет осуществлять подтормаживание каждой секции ротора в отдельности с целью задания скорости вращения или трансформации их положения относительно друг друга. Эти два параметра позволяют варьировать в широких пределах степень сопротивления совокупности секций продвижению потока. Соответственно, эффективность преобразования энергии потока также может изменяться в несколько раз.
Такой принцип регулирования позволяет достичь требуемого результата без дополнительных затрат энергии, поскольку результатами импульсных подтормаживаний являются с одной стороны управляющие воздействия, изменяющие свойства ротора, с другой стороны одновременно отбор энергии вращения в полезную нагрузку.
На фиг 1 и фиг.2 изображены частичный разрез и вид ротора-шнека со стороны наблюдателя на оси вращения. Рисунки поясняют конструкцию сборки ротора, статора и электромагнитной системы. Ротор представляет собой ряд соосных разделенных поперечными сечениями секций 1. На каждой секции установлен по внешнему периметру обод 2. Статор оснащен поясами прочности в форме кольца 3. Каждый обод ротора заключен в просвет между двумя поясами прочности статора. По обе стороны обода ротора в кольцевых бороздках установлены обоймы шариков 4, опирающихся на соответствующие бороздки поясов статора. Таким образом, в совокупности два пояса статора, между ними обод ротора с обоймами шариков с обеих сторон образуют опорный подшипник. Данный конструктив призван позиционировать каждую секцию ротора в рабочем положении и обеспечивать беспрепятственное вращение. Кроме того, на ободе ротора по кругу установлены постоянные магниты 5 с чередующимися через один полюсами, а на поясе статора установлены обмотки (на рисунке не показаны), осуществляющие преобразование энергии вращения в электрическую. Описанная конструкция обеспечивает точное позиционирование магнитов и соответствующих обмоток на минимальном расстоянии с целью обеспечения максимально эффективного преобразования энергии и вместе с тем обеспечивает независимую работу каждой секции ротора. Каждая секция оснащена независимой электромагнитной системой преобразования энергии, и благодаря этому в принципе может иметь отличающуюся от других угловую скорость или фазу, если скорости секций совпадают.
Изображение на фиг.3 демонстрирует некоторые из возможных трансформаций описанного ротора, задаваемых с помощью электромагнитного управления. Здесь предполагается, что скорость вращения секций одинаковая и система управляет только фазой каждой отдельно взятой секции ротора. На изображении слева такое состояние ротора, которое позволяет достичь максимальной эффективности преобразования, секции выстроены в классический шнек. Однако и торможение потока в такой конфигурации также максимальное. При нестационарных параметрах потока (например, волновая, приливная гидроэлектростанция, гейзерная паровая электростанция и т.п.) могут возникать нагрузки, превышающие расчетные допустимые пределы. В таких ситуациях целесообразно пожертвовать КПД преобразователя в целом ради сохранения конструкции в рабочем состоянии. С этой целью с помощью системы индивидуального контроля фазы секций пропускная способность ротора может быть увеличена в несколько раз. Очевидно, что в варианте трансформации, изображенном на правом рисунке, наибольшая часть объема потока проходит через преобразователь, не оказывая существенного механического воздействия на лопасти.
Данный принцип регулирования КПД ротора особенно востребован, если в системе задействованы секции на фиг.4 с переменным углом атаки лопастей. Если они выстроены в исходное положение, то получаем популярную конструкцию шнека с переменным шагом, как показано на рисунке слева. В данном варианте в ряду секций ротора каждая последующая закручивает поток в большей степени чем предыдущие, соответственно оказывает большее по сравнению с предыдущими сопротивление потоку. Это позволяет в нормальном рабочем режиме достичь повышения эффективности преобразователя, но и создает при максимальных нагрузках угрозу механического разрушения. Способ избежать этого - это при превышении допустимого расчетного предела выстроить лопасти секций в один ряд, как показано на рисунке справа. В таком построении те лопасти, которые испытывают максимальную нагрузку будут защищены от разрушения с помощью предыдущих. Разумеется, при каких-то промежуточных параметрах потока возможны соответственно компромиссные трансформации ротора, изображенные на двух рисунках посередине.
Более наглядно принципы взаимодействия компонент преобразователя можно проиллюстрировать на развертках фиг.5 и фиг 6. Здесь указаны расположение и форма лопастей и постоянных магнитов, позволяющих выполнить привязку той или иной секции к необходимому углу фазового сдвига. Магниты в предлагаемом в качестве примера конструктиве расположены с шагом в 15 градусов, соответственно конструкция допускает любые трансформации ротора с относительным смещением секций в 15, 30, 45, 60 и т.д. относительно друг друга. Наиболее типовыми положениями секций, в которых характеристики ротора качественно отличаются от прочих положений, являются относительный сдвиг по фазе 90, 45 и 0 градусов. Относительный сдвиг секций относительно предыдущей на 90(соответствует конструктиву шнека и дает максимальную производительность, но и максимальную механическую нагрузку на компоненты сборки. Сдвиг 0(- все лопасти выстроены в ряд друг за другом, производительность в данном случае минимальная, но и механическая нагрузка самая щадящая. Сдвиг 45(- дает промежуточные значения.
На фиг.6 наглядно показано, по какой причине изображенная здесь конструкция ротора-шнека с переменным шагом более эффективна по сравнению с предыдущей. На верхнем рисунке секции объединены в шнек с переменным шагом. По мере следования рабочего вещества потока (жидкости или газа) от входного портала шнека к выходному сужается поперечное сечение просвета, соответственно скорость потока увеличивается, и за счет действующей на всем протяжении реактивной силы ротор соответственно раскручивается с большей скоростью. Очевидно, что силы, действующие на дальние секции ротора, оказываются б'ольшими, чем в предыдущем примере, и при каких-то критических значениях требуется защищать дальние лопасти ротора от перегрузок. На последующих двух рисунках за счет изменения относительного фазового сдвига секций дальние лопасти размещаются под защитой предыдущих.
На фиг.7 изображены развертки конструктивов разных турбин с использованием подтормаживающих электромагнитных преобразователей, обладающие набором качеств, востребованных в тех или иных обстоятельствах. На верхнем рисунке турбина, использующая известное ранее решение с промежуточными выпрямителями потока. Разница принципиальная в том, что в таком исполнении выпрямители потока могут двигаться и отдавать энергию в полезную нагрузку.
На среднем и нижнем рисунке два варианта ротора с секциями, имеющими разное направление вращения. На обоих рисунках ротор может складываться и освобождать пространство для пропуска мощных потоков, создающих угрозу разрушения.
Все три схемы приведены для демонстрации разнообразия вариантов решений, использующих подтормаживающие электромагнитные преобразователи.
На фиг.8 изображена функциональная схема системы контроля вращения и отбора механической энергии секции ротора. Совместно работающими эквивалентными системами контроля снабжены все секции ротора, поскольку слежение за скоростью вращения и фазой каждой секции осуществляется индивидуально. Контроллер системы управления 6 на основе данных более грубого датчика положения 7 и более точного датчика фазы 8 вырабатывает импульсные кратковременные сигналы подтормаживания. Датчик положения определяет в данной реализации положение секции ротора с точностью до 15°, датчик фазы - более точно в пределах данного углового диапазона. Под действием импульсных сигналов при помощи быстродействующих ключей 9 с гальванической развязкой обмотки статора 10 подключаются кратковременно к нагрузке 11. Путем установки продолжительности и положения во времени импульсов подтормаживания система оптимизирует индивидуально в соответствии с расчетным алгоритмом скорость вращения секций или их фазовый сдвиг, если скорость вращения всех секций одинаковая.