Турбина для преобразования силы потока двух сред в энергию вращения

Турбина для преобразования силы потока двух сред в энергию вращения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к ветро- и гидроэнергетике, в частности к ГЭС и ВЭС автономного и индивидуального использования как, частных и малых хозяйствах, так и на крупных промышленных предприятиях.

Известно большое количество гидро- и ветротурбин, которые работают каждый в своей среде и имеют специфическую конструкцию и внешний вид, соответствующие рабочей среде, например пропеллерные ветроустановки и пропеллерные или винтовые гидротурбинные установки с горизонтальной или вертикальной осью вращения.

Недостатки аналогов: металлоемкие, дорогие в изготовлении и в эксплуатации, КПД до 40%, стоимость энергии приближается к энергии АЭС. Ограничены по месту расположения и условиям эксплуатации. Пропеллерные турбины воспринимают большие перегрузки воды по вертикальной плоскости вращения, особенно при больших диаметрах, начиная с 4 м. Чтобы уменьшить нагрузки приходится создавать дорогостоящие и прочные лопасти для подводного использования, учитывая, что плотность воды больше воздуха в 1000 раз. Известна турбина для преобразования одновременно силы потока двух сред в энергию вращения, содержащая ветротурбину или гидротурбину, установленную на оси вращения (RU 92001720 А, 10.02.1995, F03D 9/00.

Наиболее близким аналогом по техническим признакам и назначению, принятым в качестве прототипа, является ветродвигатель, включающий генератор, кинематически связанный с ветроколесом, снабженным ограничителями в виде гибких связей, раскладными прямоугольными лопастями (RU №2059877, 1991 г.). Недостаток основного аналога в кинематической сложности связей, во-первых, много гибких связей на каждую лопатку, они не всегда надежны, много крепежных стоек, которые тоже увеличивают возможность поломок, особенно при попадании плавающих пределов. Недостатки прототипа: низкий кпд, конструктивная сложность, низкая надежность, малая мощность на единицу затрат и малый диапазон ветровых скоростей начиная с 7 м/сек, до 17 м/сек.

Предлагаемое устройство турбины имеет один тип кинематической связи с жесткой лопаткой, то есть ось на крепеже и опора у лопатки. Эластичный карман по трем сторонам жестко закреплен с турбиной и подвижных связей не имеет.

Задачей изобретения является устранение отмеченных недостатков прототипа и аналогов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что турбина для преобразования, одновременно или по отдельности, силы потока двух сред в энергию вращения, содержащая ветротурбину и гидротурбину, установленные на оси вращения и выполненные объемными, например, в виде цилиндра с рабочими лопастями, например в виде эластичных карманов или откидных жестких лопаток, размещенных по внешней поверхности цилиндра в поперечный ряд или в шахматном порядке против потока среды в нишах со сменными элементами рабочих лопастей, при этом рабочие лопасти, в виде лопаток или эластичных карманов, выполнены с возможностью самонаполнения потоком среды, причем во внутренней стенке цилиндра ветротурбины размещены постоянные магниты, создающие индукцию электрического тока, а в центре установлен неподвижный блок обмотки.

Изобретение поясняется чертежами

Фиг.1 - примерный вид комбинированного энергокомплекса, подводная ГЭС на морском течении, установленная на опорах, и ВЭС, размещенные на верхней платформе.

Фиг.2 - модель барабанного ветродвигателя.

Фиг.3 - модель барабанного ветродвигателя, вид сверху, с эластичными карманами.

Фиг.4 - вариант ветродвигателя с горизонтальной осью вращения и с внешним отбором мощности вращения.

Фиг.5 - вариант барабанной мини-ГЭС с горизонтальной осью вращения, работающей в канале-быстротоке.

Фиг.6 - вариант каскада барабанных мини-ГЭС, работающих в канале-быстротоке, вид сверху.

Турбина работает следующим образом: на оси 6 (фиг.1, 2, 4, 5, 6) закреплены, например, в данном случае, цилиндрической формы турбины 1, по внешней плоскости которой установлены какие-либо лопасти, например в виде лопаток 2 или эластичных карманов, активно снимающие энергию потока среды, например ветра (фиг.1, 2.) или воды (фиг.1, 4, 5, 6). Поток, в зависимости от своей силы, воздействует на эти самонаполняющие многочисленные подвижные лопатки 2 и создает момент сил, вращая всю турбину, с которой снимается эта энергия, внешне через редукцию 4 и передается к генератору тока 7 (фиг.2, 3, 4, 5, 6). Подобная схема турбины с предлагаемыми лопатками способна работать при любом наклоне (вертикально или горизонтально) оси вращения, а главное в любой среде (в воде или ветре), все зависит только от материала, применяемого при изготовлении устройств (фиг.1, 3, 6). При соединении этих турбин в энергетические блоки или комплексы они могут работать в реках (фиг.4, 5), в искусственных каналах, под водой в морях и на морских платформах, на горах, возвышенностях, в ущельях и на крышах домов и т.д. Универсальность очевидна. Совмещение осей ветротурбины и гидротурбины не обязательно, у них могут быть разные генераторы. Конфигурация рабочей турбины и ее размеры, (например цилиндр или др. формы) тоже могут быть различны в зависимости от назначения ГЭС, ВЭС или гидро-ВЭС, ее расположения в природном или городском ландшафте. Для внешнего отбора мощности служит обод 3 (фиг.2, 3, 4, 5, 6), который через привод редуктора 4 передает энергию вращения на генератор 7. Гидротурбина заключена в боковые опорные конструкции 5, в частности, борта канала. Для ветротурбины своя опорная конструкция 5. (фиг.2.)

В искусственный канал-быстроток 10 (фиг.4, 5) горизонтально помещены турбины 1, в виде барабанов, с лопастями в виде эластичных карманов 2, раскрывающиеся от напора верхнего уровня потока, наиболее быстрого и сильного, после порога 9, корпус которого размещен перед барабаном, в начале канала-быстротока 10, который регулирует высоту потока, его силу и скорость в канале. Комбинированная схема Гидро-ВЭС, объяснена фиг.1, для использования энергосистемы в открытом море, где турбины 1 помещены в донное течение, а ветродвигатели размещены на платформе и используют морской ветер, наиболее постоянный и активный.

Турбина для преобразования силы потока среды в энергию вращения работает и как ветрогенератор (фиг.2, 3), и как гидрогенератор (фиг.4, 5, 6), и комбинированный вариант, как гидро-ВЭС, больших мощностей работает одновременно или по отдельности. Кроме того, форма вращения рабочего барабана и его размеры (в виде цилиндров, конусов или изменяемых форм вращения) тоже могут быть различны и зависят от условий эксплуатации в средах или даже от требуемого дизайна, т.к. станции могут устанавливаться и в море, и на реках, и в искусственных каналах, а как ВЭС - в горах, на крышах малых и высотных домов, на высотных мачтах и размещаться в стратосфере, и отличаются только материалами, из которых изготовлены установки, соответствующие своим средам.

Эластичные (тканевые) карманы или жесткие откидные лопатки, под воздействием потока любой среды (водной или воздушной), получают силу вращения вокруг своей оси, причем с любого направления, не прибегая к механизмам ориентации (флюгерному оперению) и механизмам, изменяющим положение лопаток в «теневой» зоне или в зоне противотока. Конструкция карманов и их распределение на внешней плоскости цилиндра (или другой какой-либо формы турбины) позволяет вращаться турбине вокруг своей оси, почти при любой скорости и направлении потока среды, поэтому достаточно внешне снять эту энергию и передать ее через редукцию на генератор тока или генератор поместить внутрь цилиндра.

Технический результат, получаемый от изобретения, состоит в том, что предлагаемые мини-электроустановки просты в исполнении, даже в небольших мастерских, достаточно иметь соответствующий генератор тока и техническую смекалку. Окупаемость малых ГЭС и ВЭС, данной схемы, для частников составит не более года. Есть возможность создания плавающих гидро-ВЭС, размещая их на списанных и переделанных баржах, установленных затем на реках, в непосредственной близости от потребителя.

Турбина для преобразования одновременно или по отдельности силы потока двух сред в энергию вращения, содержащая ветротурбину и гидротурбину, установленные на оси вращения, отличающаяся тем, что ветротурбина и гидротурбина выполнены объемными, например в виде цилиндра с рабочими лопастями, например в виде эластичных карманов или откидных жестких лопаток, размещенных по внешней поверхности цилиндра в поперечный ряд или в шахматном порядке против потока среды в нишах со сменными элементами рабочих лопастей, при этом рабочие лопасти выполнены с возможностью самонаполнения потоком среды, причем во внутренней стенке цилиндра ветротурбины размещены постоянные магниты, создающие индукцию электрического тока, а в центре установлен неподвижный блок обмотки.