Ортогональная турбина с положительной плавучестью
Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к ортогональным турбинам. Ортогональная турбина с положительной плавучестью содержит наплавной блок с двусторонним водоводом 8, состоящим из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб. На месте стыковки труб расположен стыковочный узел в виде стойки, внутри которой на вертикальной оси установлено колесо ортогональной турбины 2. Колесо состоит из полого вала-ступицы и герметично полых дисков 4 и лопастей 3. Вал-ступица связан через подшипник в верхней крышке турбины 2 с приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента турбины 2 через трансмиссию 7 генератору, расположенному в стационарном бункере. Торцы водовода 8 снабжены откидными затворами 9, 10, шарнирно связанными между собой наружными тягами. Изобретение направлено на уменьшение осадки наплавного блока и снижение стоимости ортогональной турбины. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к ортогональным турбинам, используемым как на речных низконапорных, так и на морских приливных электростанциях /ПЭС/. Под ортогональной турбиной /ОТ/ понимается реактивная поперечно-струйная турбина, способная работать в условиях низких напоров, независимо от вертикального или горизонтального положения, при этом не меняется направление вращения вала при изменении направления струи потока, что является важным достоинством в использовании ОТ на ПЭС. ОТ конструктивно проще традиционных осевых турбин в изготовлении, менее металлоемки, их изготовление возможно, практически, на любом металлообрабатывающем предприятии.
Известен способ использования ОТ с диаметром колеса 5 м в составе ортогонального гидроагрегата /ОГА/, вертикально установленного в наплавном энергоблоке /НЭБ/ и буксиром по морю, доставленного от завода-изготовителя до места эксплуатации в Кольском заливе и пристыкованного к Кислогубской ПЭС (см. научно-технический журнал "Малая энергетика" №4, 2008, М., НИИЭС, стр. 7, 10, 73). НЭБ с ОГА выбран в качестве прототипа предложенного решения.
Недостаток этого устройства в том, что ОТ в составе ОГА увеличивает осадку НЭБ, например, под установку опорного подшипника под нижний торец вала ОТ необхдима сварная секция днища весом 63 т. Общий вес НЭБ составляет 2115 т., его осадка около 13 м (см. с. 74, 76), исключает возможность его использования в условиях речного мелководья. К недостаткам относится установленный над турбиной генератор, что усложняет доступ к ОТ и генератору; непригодными в речном варианте и выдвижные затворы водовода из-за возможного их разрушения не только ледоходом, но и водопотоком, когда НЭБ находится в рабочем полузатопленном положении.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в уменьшении осадки НЭБ до уровня, позволяющего его проводку и эксплуатацию в морских или речных течениях с глубиной и энергоресурсом, достаточным для выработки электроэнергии, сравнимой по количеству мощности с прототипом, при непременном снижении ее стоимости.
Настоящее изобретение представляет собой ортогональную турбину с положительной плавучестью, содержащую наплавной блок с двусторонним водоводом, состоящим из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб, на месте стыковки которых расположен стыковочный узел в виде стойки, внутри которой на вертикальной оси установлено колесо ортогональной турбины, состоящее из полого вала-ступицы и герметично полых дисков и лопастей, вал-ступица связан через подшипник в верхней крышке турбины с приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента турбины через трансмиссию генератору, расположенному в стационарном бункере, при этом торцы водовода снабжены откидными затворами, шарнирно связанными между собой наружными тягами. В одном из вариантов реализации изобретения затворы, закрывающие торцы водовода, снабжены кингстонными устройствами, обеспечивающими плавное погружение водовода. В другом варианте реализации лопасти турбины изготовлены из древесины.
Указанный технический результат достигается перестановкой корпусного оборудования НЭБ, в частности перенос и установку генератора в пристыкованное наплавное средство или на отдельных мостках, тогда трехъярусный НЭБ прототипа может быть одноярусным, содержащим конусообразный водовод с ортогональной турбиной в его конической части, торцам водовода вместо выдвижных затворов герметичность обеспечивают откидные затворы (см. "Морской энциклопедический справочник, л. 1987, том 1, с. 255). Корпусом новообразованного НЭБ может служить переоборудованная лихтерная баржа (см. там же стр. 396), при условии использования ортогональной, обладающей положительной плавучестью, турбины (ОТП), что достижимо при использовании всех ее герметично полых составляющих в виде вала, дисков, лопастей, изготавливаемых из листового металла методом гибки, сварки, с последующим заполнением их лопастей пенополимером. При серийном производстве возможен прокатный метод по технологии изготовления тонкостенных сварных труб заданного профиля.
Значительную долю веса ОТ прототипа составляет вал турбины, к тому же его изготовление - высокозатратное мероприятие, требующее особо точного и энергоемкого оборудования, высокой квалификации специалистов. В комплекте вала необходимы опорные спецподшипники, способные работать в агрессивной среде, тогда как у ОТП вал-ступица изготовлена из трубного проката, при этом полный вал позволяет использовать игольчатые или скользящие подшипники, а колесу ОТП - возможность быть посаженным на неподвижную вертикальную ось в днище турбинной камеры, находящейся в конической части водовода. Верхний торец вала ОТП находится в свободном сцеплении с торцом наставного вала, пропущенного через узловые подшипники герметично полой крышки турбинной камеры внешней стороны водовода. На верхнем торце наставного вала находится зубчатое колесо, способное передать крутящий момент ОТП трансмиссии, проложенной к находящемуся вне бортов НЭБ генератору (на чертеже не показано). Вынос генератора за пределы НЭБ имеет ряд преимуществ, в частности оставляя неизменным габариты водовода, при этом снизить высоту НЭБ с 15 м до 5 м (см. с. 7 там же). Упрощается доступ к ОТП без осушения водовода, струя водопотока перекрывается откидными затворами. Для вскрытия крышки турбинной камеры достаточно отвести передаточный узел, состоящий из наставного вала и трансмиссии, при погруженном НЭБ, герметично полая крышка турбинной камеры способна самостоятельно всплыть вместе с ОТП. Мероприятия по замене ОТП можно осуществлять при помощи наплавных средств.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Принципиальные элементы конструкции ортогональной турбины изображены на приложенных чертежах (фиг. 1 - общий вид и фиг. 2 - увеличенное изображение центральной части).
На неподвижно закрепленной на днище НЭБ оси - 1 насажен полый вал-ступица турбины - 2, полые металлические или деревянные лопасти - 3 неподвижно присоединены к полым дискам - 4, причем диски при помощи сварки закреплены на валу турбины - 2, верхний торец этого вала находится в постоянным сцеплении с наставным валом - 5, проходящим через подшипники, установленные в турбинной камере - 6, на торце наставного вала насажена коническая шестерня, способная передать вращательное движение турбины трансмиссии - 7 при открытом коническом водоводе - 8, открытие водовода обеспечивают откидные затворы - 9, 10 - корпус НЭБ.
Ортогональная турбина с положительной плавучестью /ОТП/ в раздвижном или монолитном водоводе состоит из наплавного блока со встроенным внутри водоводом, в центре которого камера с ортогональной турбиной, лопасти которой удерживаются стойками, лучами, отходящими от дисков вала турбины, при этом низкий торец вала насажен на упорный подшипник в днище турбинной камеры, верхний торец вала через подшипниковый узел крыши камеры соединен с приводом генератора, отличается тем, что положительная плавучесть ОТП обеспечивается совокупностью всех ее герметично полых составляющих, изготовленных из тонколистного металла методом штамповки, гибки, сварки с последующим заполнением полостей вспененным полимером или изготовленных из неметаллических плавучих материалов, например из древесины, и затем составляющие армированы полимерами (углеволокном), в том числе полиамидом, что увеличивает механическую прочность и износостойкость ОТП.
В другом варианте реализации на затапливаемом наплавном блоке под установку двустороннего водовода, состоящего из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб, на месте их стыковки находится стыковочный узел в виде надстройки, внутри которой на ось насажена ОТП, а ее вал-ступица находится в сцеплении с проходящим через ее верхнюю крышку приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента ОТП трансмиссии, проложенной к генератору в стационарном бункере или наплавном блоке; к проемам надстройки приштукованы конические горловины двустороннего водовода, до их затопления, герметичность их торцов обеспечивается откидными большими и малыми затворами шарнирно связанными между собою наружными тягами, при этом большие понтонные затворы, закрывающие торцы раструбов, снабжены кингстонными устройствами, обеспечивающими плавное погружение водовода, его открытие или, при необходимости, закрытие.
Еще в одном варианте трубчатый вал ОТП несколько превышает длину лопастей и имеет свободу перемещения по вертикали оси, превышающую высоту элементов сцепления с приводом трансмиссии генератора, что позволяет при экстренной необходимости отключить ОТП от привода методом ее погружения, что обеспечивается находящимися между валом и осью сальником и скользящими вкладышами, используемыми в тихоходных устройствах.
Также вариант реализации предполагает, что конструктивные возможности турбины позволяют затапливаемый наплавной блок возводить с двусторонним водоводом монолитно, при этом необходимость в откидных понтонных затворах отпадает, или же их заменяют одноразовыми откидными затворами.
Плавучесть ортогональной турбины обеспечивается совокупностью всех ее герметично полых составляющих, изготовленных из тонколистового металла методом штамповки, гибки и сварки с последующим заполнением полостей внутри вспененным полимером, а для внешней снаружи для упрочнения всей конструкции и одновременно защиты от коррозии также используют полимер, например полиамид, армированный углеволокном, такой вид покрытия позволит использовать для изготовления лопастей и стоек турбины неметаллические материалы, например древесину. При массовом производстве указанных деталей может быть применен прокатный метод по технологии проката тонкостенных труб заданного профиля. Вал турбины также состоит из трубного проката, что позволяет рабочему колесу вращаться на оси, установленной в турбинной камере затапливаемого наплавного блока, на котором располагается сборный или монолитный с включением турбинной камеры водовод, состоящий из конусообразных прямоугольного сечения труб, плавучесть которых до их затопления поддерживается герметичными откидными затворами, доступ к турбине осуществляется через верхнюю свободно открывающуюся герметичную крышку, в центре которой находится привод, передающий вращательный момент от турбины через трансмиссию к генератору.
Данное предложение может использоваться как экспериментальная база при использовании древесины или армированного пластика в качестве лопастей ОТП, при условии, что ее полые диски способны удержать на плаву вал-ступицу турбины, что позволит крепить лопасти к ребрам дисков, как показано на чертежах. На чертежах показан продольный разрез НЭБ на плаву, его носовая и кормовая части вместе с водоводом герметично закрыты откидными затворами.
1. Ортогональная турбина с положительной плавучестью, содержащая наплавной блок с двусторонним водоводом, состоящим из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб, на месте стыковки которых расположен стыковочный узел в виде стойки, внутри которой на вертикальной оси установлено колесо ортогональной турбины, состоящее из полого вала-ступицы и герметично полых дисков и лопастей, вал-ступица связан через подшипник в верхней крышке турбины с приводом, верхний торец которого содержит шестерню для передачи вращательного момента турбины через трансмиссию генератору, расположенному в стационарном бункере, при этом торцы водовода снабжены откидными затворами, шарнирно связанными между собой наружными тягами.
2. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что затворы, закрывающие торцы водовода, снабжены кингстонными устройствами, обеспечивающими плавное погружение водовода.
3. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти изготовлены из древесины.
