BG109645A

BG109645A - Безнапорна водна турбина

Info

Publication number: BG109645A
Application number: BG109645A
Authority: BG
Inventors: Георги ТОНЧЕВ
Original assignee: Георги ТОНЧЕВ
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-02-29

Abstract

Безнапорната водна турбина (1) е с една или повече периферно монтирани лопати (2) на общ вал (3). Валът (3) е разположен хоризонтално и е напречно натечението, а всяка лопата (2) наподобява кухо самолетно крило, което е отворено в издължената му част, при което лопатите (2) са хеликално усукани около мислена цилиндрична повърхнина, описвана при въртенето на вътрешната страна на лопатите (3), откъм роторния вал (2) на турбината (1). Турбината (1) може да е съставена от множество отделни коаксиални ротори с различни диаметри, монтирани на един общ вертикален вал (3) или на два коаксиални вала,които да се въртят в еднакви или противоположни посоки, а лопатите (2) на турбината (1) могат да имат променливи ширини и профили по дължината си. Турбините (1) могат да се свързват в обща инсталация и чрез обща трансмисия и мултипликация на оборотите да задвижват един или повече електрогенератора/алтернатора на хидроелектроцентрала на безнапорноводно течение.

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася до безнапорна водна турбина за получаване на механична енергия, чрез преобразуване на кинетичната енергия на морските и океанските приливи и отливи, водните вълни, речните течения, както и на други безнапорни флуидни потоци. Получената механична енергия се използва за производство на електричество, изпомпване на вода, компресиране на газообразни и течни флуиди, за развъртане на маховици и за други устройства за преобразуване и съхранение на енергия.

Предшестващо състояние на техниката

Не е новост използването на кинетичната енергия на естествено движещите се в природата флуиди: течащата вода на реките, морските и речните течения за полезна работа. От хиляди години речните и други водни течения въртят водни колела, които трансформират енергията на потока в механична енергия на вала на колелото. Независимо, че агрегати, задвижвани от водни колела са отдавана познати в практиката, и в наши дни има редица патенти, които усъвършенстват не само самите първични преобразователи на енергия, но и системи и агрегати с включени в тях такива преобразователи.

От патент на Канада № СА20042484293 е известна вертикалноосева турбина за безнапорни водни течения. Тази и всички други вертикалноосеви водни турбини, най-често са разположени под водата близо до повърхността й. Известно е, че водното течение на повърхността е с най-голяма скорост, но тя бързо спада с увеличаване на дълбочината. На дъното скоростта е практически нулева. А хоризонталните сили, които въздействат на лопатите на вертикално осевите турбини са •· •· • ·· • ·· ·· · • « · · • · · · · · • · · · • · • ·

3.

пропорционални на квадрата на скоростта, което означава, че ако в горния край на лопатите на вертикалноосевите турбини скоростта на водата е около 1.4 пъти по-голяма, в сравнение с тази в долната част на лопатата, то хоризонталното натоварване на горния край на лопатите ще бъде около два пъти по-голямо, отколкото върху долния й край. Тази разлика предизвиква силно несиметрични натоварвания в лопатите, което има нежелани механични последици. По принцип всички турбини, чиито валове са вертикално в потока изпитват такива нежелани натоварвания не само на лопатите си, но и на валовете им, както и на цялата конструкция, която поддържа турбината.

В патентна публикация № W02006030190 е предложена вертикално осева Дариус турбина, чиито лопати са периферно разположени по обиколката на ротора и могат да се усукват по време на въртенето. Тази, и всички други видове Дариус машини, се въртят благодарение на аеродинамичната / хидродинамичната сила, образуваща се при обтичането на роторните лопати, които имат напречни профили, наподобяващи самолетни крила.

На същия принцип работят и хеликалните турбини, описани в патент на САЩ № US2001000197.

Недостатъците на турбини, съгласно последните две цитирани публикации, както и на всички други подобни са, че те са неефективни при ниски скорости на потока и затова не се предвиждат да работят на морски вълни, например, където скоростта на водата при повдигане и спускане на вълната е ниска. При това - два пъти за един вълнови период скоростта е нула (в най-горната и най-долната точка).

♦ · ·· ·

Техническа същност на изобретението

Цел на настоящото изобретение е да се създаде безнапорна водна турбина, която да е ефективна при ниски скорости на обтичащия я флуид, да изпитва малки натоварвания на лопатите, вала и цялата поддържаща я конструкция и да бъде с ниска себестойност.

Основната цел е постигната чрез безнапорна водна турбина, с една или повече периферно монтирани лопати на общ вал, характеризираща се с това, че валът е разположен хоризонтално и е напречно на течението, а всяка лопата наподобява кухо самолетно крило, което е отворено в издължената му част, при което лопатите са хеликално усукани около мислена цилиндрична повърхнина, описвана при въртенето на вътрешната страна на лопатите от към роторния вал на турбината.

В едно предпочитано изпълнение, броят на лопатите е нечетен и те са еднакви и симетрично монтирани около вертикалния вал на турбината.

В друго предпочитано изпълнение, броят на лопатите е четен, като диаметрално противоположно на всяка куха лопата симетрично е монтирана плътна лопата, наподобяваща хеликално усукано самолетно крило.

В друго предпочитано изпълнение, турбината може да е съставена от множество отделни коаксиални ротори с различни диаметри, монтирани на един общ вал.

В друго предпочитано изпълнение, турбината може да е съставена от множество отделни коаксиални ротори с различни диаметри, монтирани на два коаксиални вертикални вала.

В друго предпочитано изпълнение лопатите на турбината могат да имат променливи ширини и профили по дължината си.

····· ·· · * « · · • · · · · · ··· • · · · · · · · ···· • · · ···· ···· ··· ·· · · ····

5.

Предимствата на безнапорната водна турбина, съгласно изобретението, се състоят в постигането на висока степен на преобразуване на кинетичната енергия на флуидния поток в полезна механична енергия при ниски скорости на водния поток, при осцилиращи водни течения, като приливи и отливи и морските вълни, ефективната й работата при по-висока турбулентност на течението и възможностите й за изграждане на инсталации с множество такива турбини (модули), разположени, една до друга, една след друга, една под друга в течението, както и с различни комбинации на описаните им разположения. Хоризонтално разположеният вал на турбината, напречно на течението, дава възможност всички усилия върху лопатите, в резултат от съпротивата им на водния поток, да се преобразуват предимно във въртящ момент на вала на турбината и по-малко да натоварват него и самите турбинни лопати. С хоризонталното разположение на вала, силно се намалява несиметричното натоварване на лопатите по дължината им.

Инсталациите с модули от турбини, съгласно изобретението, са със по-ниска себестойност за единица преобразувана мощност, защото мощността на всяка турбина е пропорционална на масата й, следователно приблизително и на себестойността. А турбините с малки диаметри се въртят по-бързо, което намалява загубите при мултипликация на оборотите им, а така също дава възможност да се елиминират мултипликаторите, при което валът на турбината е куплиран директно с ниско оборотен елекгрогенератор / алтернатор.

Ниското челно съпротивление на безнапорна водна турбина, съгласно изобретението, позволява тя да се монтира и на съществуващи опори, като различни видове мостове, кейови стени, понтони и други конструкции и съоръжения и плаващи платформи.

Безнапорната водна турбина, съгласно изобретението, може да намери приложение в рамките на група такива турбини с обща трансмисия ·· · · · · · · · • · · · · · · · · · · · • ·· · · ·· · · · · · · • · · ···· ···· • · · · · · · ·· · ·

6.

и общ електрогенератор/ алтернатор, например. Така допълнително ще се поевтини цената на получавана енергия.

Такава група турбини, свързани с електрогенератори, представлява безнапорна хидроелектроцентрала. Тя има редица екологични предимства, на които тук не се спирам. Само ще отбележа, че ерозията по речните брегове, на малки и големи реки, най-често е предизвикана от бързите течения. За течащите от запад на изток реки в северните ширини, кориолисовите сили допълнително усилват теченията покрай десните им брегове. Такъв е случаят и с дълги участъци от река Дунав, където тя непрекъснато се измества на юг, защото водното течение ерозира южния бряг по-интезивно от северния. Ако по такива, и други подобни, места се направят хидроцентрали, съгласно изобретението, ще могат да се постигнат едновременно две синергични цели:

• да бъде отклонено ерозиращото течение към хидроелектроцентралата и така • част от неговата кинетична енергия ще се оползвотори, вместо да ерозира бреговете, дигите и да се наводняват околоречните площи при високи водни нива.

Инвестиционните вложения за строителните и монтажните работи при инсталирането на водни електроцентрали, с турбини, съгласно изобретението са ниски не само поради ниската себестойност на турбините, но и защото не е нужно да се изграждат, водохващания, бентове или язовирни стени, напорни тръбопроводи и т.н.. Същевременно стова се избягват и редица екологични проблеми.

Ниските капиталови разходи за изграждането на хидроцентрали, с турбини, съгласно изобретението, оперативните им удобства и екологичните им преимущества, ги правят подчертано конкурентна инвестиция за всякакви хидроенергийни обекти, където кинетичната енергия на свободно течащата вода се използва за получаване на електрическа енергия.

·· ·· ·

Кратко пояснение на приложените чертежи

Фигура 1 представлява схематично изображение на една трилопатна безнапорна водна турбина, съгласно изобретението.

Фигура 2 показва понтонна инсталация за хидроелектроцентрала с две турбини, съгласно изобретението.

Примери за изпълнение на изобретението

На фиг.1 и 2 съответно са дадени два примера. На фигура 1 е показана една безнапорна водна турбина 1, съгласно изобретението, монтирана под понтон.

На фигура 2 показана една двутурбинна инсталация, монтирана под понтонна платформа, закотвена с въжета 4 към котвите 5 на дъното.

Използването на турбината съгласно изобретението като конвертор на кинетичната енергия на воден поток може да намери широко проложение в различни устройства, в които се преобразува енергията на воден поток в друг вид полезна енергия.

Еднопосочното въртене на турбината, съгласно изобретението, при осцилиращи водни течение, като например на приливите и отливите и морските вълни, правят турбината сравнително проста и надеждна машина, която може да работи в широк диапазон от скорости на потока и при висока турбуленция в него. Последното позволява турбинните ротори да се монтират недалеч един от друг в рамките на една инсталация. Препоръчителните разстояния между тях са около един роторен диаметър.

Оптималните ъгли на усукване на лопатите на турбината, съгласно изобретението, са дадени в долната таблица:

Брой лопати	2	3	4	5
Ъгли на усукване	0-180°	0 -120°	0-90°	0-70°

·· ·· ·

8.

Основни съотношения на размерите на лопатите на турбината, съгласно изобретението.

Ширина на лопатите		100%	100%	100%
Брой лопати		2	3	5
Най-голяма дебелина на лопатите	ί	23-27%	21-24%	18-21%

Основни съотношения на дебелините на напречните профилите между отворените кухи и плътните лопати при турбини, съгласно изобретението:

Брой лопати		2	3	5
Най-голяма дебелина на отворените лопати	С----	100%	100%	100%
Най-голяма дебелина на крилоподобните лопати		-118%	-115%	-113%

Всеки елемент на турбината е евтин и може да бъде произведен от нескъпи материали и с несложни технологии. Роторните лопати се произвеждат от стъклопласти, фибропласти или метали. В случаите на използване на турбината за производство на електричество, електрогенераторите, куплирани директно към турбината, или през мултипликатор на оборотите, могат да бъдат електромагнитни синхронни машини с регулируемо възбуждане, без четки и контактни колектори и без скъпи постоянни магнити, произвеждани от сплави с редкоземни метали.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

1. Безнапорна водна турбина (1) на Фиг.1, с една или повече периферно монтирани лопати (2) на общ вал (3), характеризираща се с това, че валът (3) е разположен хоризонтално и е напречно на течението, а всяка лопата (2) наподобява кухо самолетно крило, което е отворено в издължената му част, при което лопатите (2) са хеликално усукани около мислена цилиндрична повърхнина, описвана при въртенето на вътрешната страна на лопатите (3) от към роторния вал (2) натурбината(1) .
2. Безнапорна водна турбина (1), съгласно претенция 1, характеризираща се с това че, броят на лопатите (2) е нечетен и те са еднакви и симетрично монтирани около вертикалния вал (3) на турбината (D-
3. Безнапорна водна турбина (1), съгласно претенция 1, характеризираща се с това че, броят на лопатите (2) е четен, като диаметрално противоположно на всяка куха лопата (2) симетрично е монтирана плътна лопата, наподобяваща хеликално усукано самолетно крило.
4. Безнапорна водна турбина (1), съгласно претенции 1, 2 и 3, характеризираща се с това че, турбината(1) е съставена от множество отделни коаксиални ротори с различни диаметри, монтирани на един общ вал (3).
5. Безнапорна водна турбина (1), съгласно претенции 1, 2, 3 и 4, характеризираща се с това че, турбината (1) е съставена от множество отделни коаксиални ротори с различни диаметри, монтирани на два коаксиални вертикални вала.
6. Безнапорна водна турбина (1), съгласно претенции 1, 2, 3, 4 и 5, характеризираща се с това че, лопатите (2), на турбината (1), имат променливи ширини и профили по дължината си.