Ортогональный энергетический агрегат
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении низконапорных или безнапорных речных энергетических установок, приливных или ветровых электростанций. Ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину с валом и лопастями гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала и вдоль последнего, и электрогенератор. Ортогональная турбина выполнена шестиярусной. Каждый ярус турбины выполнен с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс. Все лопасти выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти. Лопасти ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала турбины, образуя три пары смежных лопастей. В каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала. Лопасти в крайних парах лопастей имеют одинаковую длину, а лопасти в средней паре имеют большую длину. В таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей. В результате достигается повышение кпд ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля и повышение надежности работы ортогональных турбин. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении низконапорных или безнапорных речных энергетических установок, приливных или ветровых электростанций.
Известна гидротурбинная установка, содержащая две горизонтально, соосно установленные в водоводе турбины и один электрогенератор (см. авторское свидетельство SU №1280178, кл. F03В 13/10, 30.12.1986).
В данной энергетической установке соосные валы турбин ориентированы вдоль водовода и связаны мультипликатором, размещенным в герметичной капсуле в центре водовода, с вертикальным валом генератора, установленным вне водовода. Однако это приводит к низкой эффективности использования энергии водного потока, проходящего через сечение водовода. Это обусловлено тем, что турбины, в данном случае пропеллерного типа, работают поочередно в зависимости от направления потока, и тем, что капсула с мультипликатором, размещенная в центре рабочего сечения водовода, частично перекрывает направленный вдоль валов турбин рабочий поток.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является энергетический агрегат, содержащий две соосно установленные ортогональные турбины с лопастями гидродинамического профиля и электрогенератор, при этом валы турбин ориентированы поперек потока среды, лопасти ортогональных турбин ориентированы в противоположном направлении по отношению друг к другу для вращения ортогональных турбин в противоположных, неизменных направлениях, независимо от направления потока через ортогональные турбины, а трехфазный электрогенератор расположен между ортогональными турбинами (см. патент RU №2245456, кл. F03D 3/06, 20.11.2003).
В данном энергоагрегате значительно уменьшены реакционные нагрузки за счет вращения ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля в разных направлениях, но полностью их скомпенсировать невозможно вследствие несовпадения фаз пульсирующих сил, действующих на верхнюю и нижнюю ортогональные турбины. Поскольку нагрузки, действующие на ортогональные турбины не полностью уравновешены, то это вызывает вибрацию, ухудшающую условия его эксплуатации энергетического агрегата и снижающую его надежность. Кроме того, наличие в каждом ярусе ортогональной турбины нескольких гидродинамических профилей приводит к снижению энергетической эффективности.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования энергии текучей среды, например энергии потока воды или энергии ветра, с помощью ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля и устранить дисбаланс при работе однолопастных ортогональных турбин.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение кпд ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля и повышение надежности работы ортогональных турбин.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину с валом и лопастями гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала и вдоль последнего, и электрогенератор, при этом ортогональная турбина выполнена шестиярусной, каждый ярус турбины выполнен с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, причем все лопасти выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти, лопасти ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала турбины, образуя три пары смежных лопастей, в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей имеют одинаковую длину L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L0=L 20.25 каждая, в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей.
Предпочтительно ортогональный энергетический агрегат снабжен дополнительной ортогональной турбиной, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной и выполненной аналогично основной ортогональной турбине, при этом профили лопастей дополнительной ортогональной турбины ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей основной ортогональной турбины, а электрогенератор расположен между турбинами и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами.
Известно, что ортогональные турбины имеют максимальную энергетическую и техническую эффективность, если они выполняются многоярусными, а в каждом ярусе имеется минимальное количество лопастей. Наивысшая энергетическая эффективность (свыше 60% в свободном потоке) отмечена при наличии только одной лопасти (см., например, журнал «Гидротехническое строительство», Москва, НТФ «Энергопрогресс» 1986, №11, стр.33-37). Такая система, однако, требует специальной механической балансировки, например, путем расположения грузов на стороне, противоположной лопасти, усложняет и удорожает турбину, что приводит к отсутствию однолопастных ортогональных турбин в практике.
Выполнение ортогональной турбины шестиярусной в сочетании с выполнением каждого яруса турбины с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, а также выполнение всех лопастей с одинаковой массой в расчете на единицу длины лопасти, равномерное расположение лопастей ярусов в окружном направлении вокруг вала турбины с образованием трех пар смежных лопастей, при условии, что в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей имеют одинаковую длину L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L0=L 20,25 каждая и в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей, позволяет получить оптимальную балансировку ортогональной турбины, что связано с тем, что крайние пары ярусов, в которых лопасти имеют одинаковую длину L, расположены в разных радиальных плоскостях, проходящих через ось вращения вала ортогональной турбины, а средняя пара ярусов расположена в радиальных плоскостях, расположенных между плоскостями крайних ярусов. На каждую пару лопастей в соседних ярусах действует пара центробежных сил. Для того чтобы уравновесить моменты силы, вызываемые этими центробежными силами, длина лопастей в средней паре ярусов L0 должна быть в указанном выше соотношении с длиной L лопастей в крайних парах ярусов.
При этом максимальная энергетическая эффективность данного технического решения достигается тем, что линейная скорость лопастей во всех ярусах одинаковая и величина ее выбирается из условия достижения указанной выше максимальной эффективности преобразования кинетической энергии потока среды, омывающего лопасти при заданной скорости указанной среды потока. Если отойти от этого условия, то механическая балансировка описанной выше ортогональной турбины может быть достигнута и другим путем, например увеличением радиуса вращения лопасти турбины вокруг вала при сохранении их длины лопасти в средней пары лопастей такой же, как в крайних ярусах. Условие балансировки в общем случае записывается в следующем виде:
,
где индекс «О» выделяет параметры средней пары лопастей,
R - радиус вращения лопасти,
L - длина лопасти,
ρ - плотность лопасти,
m - масса лопасти.
Из этого следует наиболее оптимально выполнение средней пары лопастей с длиной, превышающей длину лопастей в крайних парах лопастей в указанном выше соотношении.
Предложение создает условия для максимальной эффективности использования каждой лопасти турбины и упрощения конструкции ортогональной турбины, в которой отсутствуют какие-либо балансировочные грузы, что в конечном итоге позволяет повысить надежность работы ортогональной турбины.
На фиг.1 представлен общий вид ортогональной турбины ортогонального энергетического агрегата.
На фиг.2 схематически представлен вид сбоку на ортогональный энергетический агрегат, выполненный с двумя ортогональными турбинами.
Ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину 1 с валом 2 и лопастями 3 гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала 2 и вдоль последнего, и электрогенератор 4. Ортогональная турбина 1 выполнена шестиярусной. Каждый ярус турбины 1 выполнен с одной лопастью 3, закрепленной на валу 2 посредством траверс 5. Все лопасти 3 выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти 3. Лопасти 3 ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала 2 турбины 1, образуя три пары смежных лопастей 3. В каждой паре лопасти 3 расположены с противоположных сторон относительно вала 2. Лопасти 3 в крайних парах лопастей 3 имеют одинаковую длину L, а лопасти 3 в средней паре имеют большую длину L0=L 20.25 каждая. В таком же соотношении находятся массы траверс 5 средней и крайних пар лопастей 3.
Ортогональный энергетический агрегат снабжен дополнительной ортогональной турбиной 6, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной 1 и выполненной аналогично основной ортогональной турбине 1, при этом профили лопастей 3 дополнительной ортогональной турбины 6 ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей 3 основной ортогональной турбины 1, а электрогенератор 4 расположен между турбинами 1 и 6 и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами.
Ортогональный энергетический агрегат работает следующим образом.
Под действием набегающего на ортогональную турбину 1 или на ортогональные турбины 1 и 6 при выполнении ортогонального энергетического агрегата с двумя ортогональными турбинами 1 и 6 потока среды, например ветра или потока воды, при расположении энергетического агрегата в реке или в приливно-отливном потоке ортогональная турбина 1 начинает вращаться, а ортогональные турбины 1 и 6 начинают вращаться в противоположные стороны. В результате вращения ортогональной турбины 1 или ортогональных турбин 1 и 6 ротор или роторы электрогенератора 4 вращаются относительно статора или статоров электрогенератора 4 и последний начинает вырабатывать электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератора 4 потребителю.
Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергоустановок на реках, в приливно-отливных потоках или ветровых энергоустановок.
1. Ортогональный энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с валом и лопастями гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала и вдоль последнего, и электрогенератор, отличающийся тем, что ортогональная турбина выполнена шестиярусной, причем каждый ярус турбины выполнен с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, при этом все лопасти выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти, лопасти ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала турбины, образуя три пары смежных лопастей, в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей выполнены с одинаковой длиной L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L0=L 20,25 каждая, в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей.
2. Ортогональный энергетический агрегат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной ортогональной турбиной, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной и выполненной аналогично основной ортогональной турбине, при этом профили лопастей дополнительной ортогональной турбины ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей основной ортогональной турбины, а электрогенератор расположен между турбинами и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами.
