ТУРБИНЫ С ОТВОДЯЩИМ ПРОХОДОМ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПОСТОРОННИХ ПРЕДМЕТОВ
TURBINES WITH EXIT CHANNEL FOR REMOVAL OF FOREIGN OBJECTS

Уровень техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к турбинам или силовым установкам, вырабатывающим электричество с использованием потока жидкости, в частности воды, а более конкретно - к таким устройствам, в которых поток жидкости вращает большой ротор типа винта или рабочего колеса, имеющий внешний кольцевой обод, расположенный внутри большого кольцевого корпуса.
Производство электричества с использованием больших турбин хорошо известно. Обычно гидравлические турбины устанавливаются в плотинах таким образом, чтобы управляемый поток жидкости вращал ротор винтового типа или лопатки. Такие условия с относительно быстрым потоком воды называются высоконапорными. Известны также турбины, применяемые в низконапорных условиях, создаваемых, например, приливно-отливным течением в заливе, в устье реки или в открытом море. Такие турбины обычно устанавливают на больших опорных валах.
Хотя большинство турбин имеет центральный вращающийся вал, на котором монтируются лопатки или рабочие колеса турбины, известны также турбины с полым центром, также известные как турбины с лопатками, установленными на ободьях. Такие турбины, в которых лопатки монтируются между внутренним и внешним кольцами, или ободьями, а энергия передается через внешний обод кольцевому корпусу, в котором закреплен ротор, могут быть особенно эффективными в низконапорных условиях, т.е. при более медленных течениях.
Примеры турбин с полым центром и установкой лопаток на ободьях можно найти в патенте США №5,592,816, выданном 14.01.1997 и повторно выданном под номером RE38,336 2.12.2003, в патенте США №6,648,589, выданном 18.11.2003, в патенте США №6,729,840, выданном 4.05.2004, и в заявке на патент США US 2005/0031442, опубликованной 10.02.2005 (серийный номер 10/633,865). Примеры гидроэлектрических турбин, используемых в низконапорных условиях (для приливно-отливных течений) имеются в патенте США №4, 421, 990, выданном Хойссу и др. (Heuss et al.), в патентах США №6, 168, 373 и 6, 406, 251, выданных Вотье (Vauthier), заявке на патент Великобритании №GB 2, 408, 294, зарегистрированной Сасменом и др. (Susman et al.), и в Международной публикации ВОИС WO 03/025385, зарегистрированной Дэвисом и др. (Davis et al.).
Гидравлические турбины рассматриваются как безопасная для окружающей среды замена электростанциям, использующим ископаемое топливо или атомную энергию. При использовании энергии воды для производства электричества в крупных масштабах, достаточного для энергоснабжения промышленных комплексов, небольших и крупных городов и т.п., необходимо большое количество турбин, причем как можно большего размера, чтобы максимизировать количество электричества, производимого каждой турбиной. Длина лопаток роторов этих турбин исчисляется метрами, причем некоторые экспериментальные конструкции имеют лопатки, длина которых превышает 50 метров.
По мере увеличения длины лопаток возникают проблемы конструирования и производства, которые не были свойственны турбинам и генераторам меньших размеров. В случае устанавливаемых на валу турбин трудно добиться, чтобы длинные лопатки были прочными и в то же время легкими. В одном из технических решений лопатки установленной на валу турбины также имеют внешний кольцевой обод, который расположен внутри кольцевого корпуса, лопатки при этом опираются и на вал, и на обод. В альтернативном варианте эта проблема решается за счет турбин, которые не имеют вала и монтируются на ободьях, то есть к кольцевым опорам крепятся как внутренние, так и наружные концы лопаток, причем внешний обод закреплен в корпусе, имеющем кольцевой паз или канал. В обычных электрогенерирующих устройствах по периметру кольцевого обода располагается большое количество магнитов, а по поверхности канала в корпусе статора располагается большое количество катушек. Магнитное поле, создаваемое системой полей ротора, проходит через зазор, разделяющий ротор и статор. Вращение ротора вызывает изменение потока магнитной индукции на катушках, что создает в катушках электродвижущую силу.
Поскольку внешний кольцевой обод ротора находится внутри канала в корпусе статора, приносимые жидкостью посторонние предметы могут задерживаться в этом канале. Значительное скопление посторонних предметов будет мешать вращению ротора и может вызывать повреждения. Скопление посторонних предметов может вызывать наибольшие сложности в низконапорных условиях, например в генераторах, работающих на приливно-отливных течениях, поскольку оседание посторонних предметов в канале более вероятно при относительно медленном течении воды.
Цель настоящего изобретения заключается в обеспечении усовершенствованной конструкции турбины, с расположенным на лопатках рабочего колеса внешним кольцевым ободом, который закреплен внутри имеющегося в корпусе канала, при этом накопление посторонних предметов в канале минимизируется или исключается. Дополнительная цель заключается в обеспечении такой турбины, канал корпуса которой содержит один или более отводящих проходов для удаления посторонних предметов, при этом посторонние предметы, попавшие в канал между внешним ободом ротора и корпусом, будет выпадать или вымываться из турбины.
Сущность изобретения
Изобретение представляет собой усовершенствованную турбину, приводимую в действие жидкостью, предпочтительно водой, в которой лопатки ротора опираются на внешний кольцевой обод, а этот обод закреплен или размещен внутри корпуса, содержащего канал, в котором размещен этот внешний обод. В типичной конструкции турбина представляет собой генератор, в котором магниты расположены на внешнем ободе ротора, а катушки расположены в канале корпуса, или статора, таким образом, что вращение ротора внутри статора вырабатывает электричество. Наибольшие преимущества от усовершенствования достигаются в таких турбинах, которые погружены в водоем, обеспечивающий низконапорные условия, то есть когда скорость потока воды через турбину относительно невелика.
Усовершенствование предусматривает наличие в канале корпуса одного или нескольких отводящих проходов, каналов или отверстий для удаления посторонних предметов, при этом любые посторонние предметы, попавшие между внешним ободом ротора и каналом корпуса, могут выводиться, проходя через эти отводящие проходы либо под действием силы тяжести, либо вымываясь потоком жидкости, проходящей через отводящие проходы для посторонних предметов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1, в проекции, ориентированной по оси, представлена типичная турбина, в данном случае турбина с полым центром и лопатками, установленными на ободьях, содержащая ротор с внешним кольцевым корпусом статора, содержащим канал, вмещающий внешний обод ротора.
На фиг.2 представлен корпус статора в аксонометрии.
На фиг.3 представлен ротор в аксонометрии.
На фиг.4 представлен частичный разрез по линии IV-IV на фиг.1, показывающий отводящий проход для посторонних предметов в корпусе статора.
Подробное раскрытие изобретения
Ниже изобретение в его оптимальном варианте и предпочтительной реализации будет описано подробно со ссылками на чертежи. В наиболее общем смысле, предметом изобретения является турбина для производства электричества. В типичной реализации турбина содержит установленный в корпусе статора ротор с внешним кольцевым ободом, размещенный и закрепленный в кольцевом канале или пазу корпуса статора. Данный электрогенератор может содержать совокупность большого количества магнитов, расположенных на кольцевом ободе ротора, и большого количества катушек, расположенных на внутренней поверхности корпуса статора, предпочтительно внутри канала, вмещающего кольцевой обод ротора, хотя могут использоваться и другие генераторы. В иллюстративных целях турбина на чертежах изображена в виде ротора с полым центром и лопатками, установленными на ободьях, при этом крепление ротора полностью обеспечивается корпусом статора, но следует понимать, что изобретение относится также к турбинам с ротором, который монтируется на валу и имеет внешний кольцевой обод. Следует также иметь в виду, что изобретение применимо к любой турбине, имеющей внешний обод, находящийся внутри корпуса, независимо от типа электрогенератора.
Как в общем показано на фиг.1-3, изобретение представляет собой турбину, или силовую установку, 10, содержащую обычно кольцевой корпус 30. Конфигурация корпуса 30 не ограничивается показанной здесь, то есть возможны и иные конфигурации, при условии, что корпус 30, в числе своих функций, удерживает вращающийся агрегат, или ротор 20, от нежелательного смещения в осевом и радиальном направлениях и обеспечивает вращение ротора 20 вокруг оси вращения. Корпус 30 содержит пару установочных фланцев 31, определяющих канал 32, где размещен и закреплен ротор 20.
Вращающийся агрегат, или ротор 20 содержит внутренний кольцевой обод 23 и внешний кольцевой обод 22, причем ободья 22 и 23 предпочтительно являются относительно тонкими в направлении, перпендикулярном центральной оси вращения. Между внутренним ободом 23 и внешним ободом 22 проходит множество элементов винта или рабочего колеса, или лопаток 21, причем лопатки 21 согласно известным решениям располагаются под таким углом или изогнуты таким образом, что движение жидкости через корпус 30 в осевом направлении вызывает вращение рабочего колеса 20. Конкретное количество, конфигурация и материал совокупности лопаток 21 может быть различным, но предпочтительно лопатки 21 выполнены настолько легкими, насколько это возможно без угрозы структурной целостности конструкции.
В большинстве случаев турбина 10 ориентирована таким образом, что ось ротора 20, в общем, горизонтальна, при этом лопатки 21 вращаются, в общем, в вертикальной плоскости. Таким образом, кольцевой канал 32 в корпусе 30 тоже ориентирован таким образом, что располагается, в общем, в вертикальной плоскости. В результате в канале 32 и особенно в его нижней части скапливаются посторонние предметы, попадающие между ротором 20 и корпусом 30, причем эти посторонние предметы оседают при прохождении жидкости через турбину 10. Эта проблема скапливания посторонних предметов в канале корпуса 32 ощущается особенно остро в гидроэлектрических турбинах 10, которые эксплуатируются при низких напорах, например в турбинах 10, работающих на приливно-отливных течениях. Относительно медленное движение воды наряду с относительно высокой концентрацией посторонних предметов создает условия, в которых между рабочим колесом 20 и корпусом 30 может скопиться значительное количество посторонних предметов. Вращение ротора 20 в неподвижном корпусе 30, а также воздействие силы тяжести приводит к скоплению посторонних предметов в канале 32 и особенно в его нижней части. Если размер скоплений будет значителен как в отношении количества посторонних предметов, так и в отношении размеров отдельных объектов, то это приведет к увеличению трения, что отрицательно скажется на вращении ротора 20, снижая кпд турбины. Кроме того, скопившиеся посторонние предметы могут повредить поверхности ротора 20 и канала 32, что особенно неблагоприятно, если на внешнем ободе 22 и поверхности канала 32 турбины установлены соответственно магниты и катушки.
Для решения проблемы накопления посторонних предметов корпус 30 снабжен одним или несколькими отводящими проходами, каналами или отверстиями 50 для удаления посторонних предметов, как показано на фиг.4, при этом обеспечивается средство отведения или удаления любых посторонних предметов, попавших внутрь канала 32. Предпочтительно отводящие проходы 50 для удаления посторонних предметов в процессе эксплуатации направлены, в общем, вниз, чтобы удалению посторонних предметов способствовала сила тяжести. Особенно предпочтительно, хотя и не обязательно, чтобы по меньшей мере один из отводящих проходов 50 для удаления посторонних предметов был расположен непосредственно в донной или самой нижней части канала 32 корпуса. Поскольку под воздействием вращения турбины 10 посторонние предметы могут в пределах канала 32 перемещаться по окружности, отводящие проходы 50 для удаления посторонних предметов могут располагаться с некоторыми промежутками по всему каналу 32, в том числе и в его верхней относительно горизонтали части. Конкретные размеры, ориентация и конфигурация отводящих проходов 50 для удаления посторонних предметов выбираются на основании различных конструктивных соображений и могут отличаться от показанных на чертеже. Например, несмотря на то, что отводящий проход 50 для удаления посторонних предметов на фиг.4 показан перпендикулярным к оси вращения турбины 10, отводящие проходы 50 для удаления посторонних предметов могут быть ориентированы и в других, неперпендикулярных направлениях. Подобным образом, несмотря на то, что отводящий проход 50 для удаления посторонних предметов на фиг.4 имеет параллельные стенки, отводящие проходы для удаления посторонних предметов могут быть расширяющимися или сужающимися.
Следует иметь в виду, что специалисты в данной области техники могут легко подобрать эквиваленты и заменители для некоторых перечисленных выше элементов, а потому действительные объем и сущность изобретения таковы, какими они изложены в нижеследующей формуле изобретения.