EA007080B1

EA007080B1 - Турбинное устройство с винтовой лопастью

Info

Publication number: EA007080B1
Application number: EA200501124A
Authority: EA
Inventors: Йан Инге Эйелсен
Original assignee: Флукон Ас
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2006-06-30
Also published as: EA200501124A1; KR20050103477A; EP1592885A1; WO2004067957A1; AU2004208073A1; NO20030464L; OA13096A; NO20030464D0; CN1745246A; US20060257241A1; JP2006516698A; CA2514965A1

Abstract

Винтовая турбина (1) содержит по меньшей мере одну спиральную лопасть (4), вращаемую вокруг оси (6), причем поперечное сечение лопасти имеет форму профиля (15) крыла самолета. Профиль (15) в виде крыла самолета проходит от внешнего радиального конца лопасти (4) внутрь винтовой турбины (1) до ее вала (2).

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к турбинам, более конкретно, к винтовым турбинам, используемым как в движущихся жидкостях, так и газах.

Предшествующий уровень техники

Известно использование ветродвигателей для отбора энергии от движущегося воздуха. Аналогично, существует большой выбор турбин, сконструированных для использования кинетической энергии движущейся воды, используемых, в частности, на электростанциях, где имеется перепад высот между резервуаром и турбиной.

Ветродвигатели, используемые на больших ветряных электростанциях, создают сильный шум, кроме того, по мнению многих, портят ландшафт. Однако, их надежность находится на удовлетворительном уровне.

В патентном документе СВ 2057584 описана ветротурбина, содержащая сборку спиральных роторов. В одном из вариантов турбинные лопасти имеют практически форму Дарье, включающую профиль крыла самолета, расположенный на расстоянии от оси вращения турбины. В международной публикации \νϋ 01/48374 описана турбина, в которой основные турбинные лопасти, имеющие форму крыла самолета и расположенные на расстоянии от оси вращения турбины, снабжены дополнительными второстепенными турбинными лопастями в форме крыла самолета. Продольные оси второстепенных турбинных лопастей ориентированы под углом к продольным осям основных турбинных лопастей.

Известны сложности, связанные с отбором кинетической энергии от морских течений и движения волн. Причина заключается в определении размеров установки, чтобы она могла противостоять воздействию больших усилий, особенно в плохую погоду.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих известным решениям.

Согласно изобретению эта задача решается за счет признаков, изложенных в описании и формуле изобретения.

Достижение относительно высокого кпд обусловлено размещением винтовой турбины, имеющей подходящую геометрию винта, в потоке текучей среды.

Винтовая турбина образована навитым на ось винтовым профилем, причем действующий профиль отходит в радиальном направлении от оси, имея относительно небольшую толщину в поперечном сечении. Винтовой профиль может иметь одинаковый или изменяемый шаг вдоль оси.

Если поток текучей среды проходит через винтовую турбину практически под тем же углом относительно центральной оси турбины, что и угол шага винта, текучая среда протекает через турбину по существу параллельно виткам лопасти с одной стороны от центральной оси, в то время как на противоположной стороне от центральной оси поток текучей жидкости сталкивается с участками витков лопасти, которые представляют собой рабочую поверхность лопасти или поверхность, на которую оказывает давление поток текучей среды. Это вызывает вращение винтовой турбины вокруг своей собственной оси.

Согласно изобретению геометрия поперечного сечения лопасти подобна крылу самолета. Таким образом, поперечное сечение участков винтовой лопасти, параллельных направлению потока текучей среды, будет определять профиль, подобный крылу самолета, отходящий от центральной оси.

В известных решениях крутящий момент турбины большей частью обусловлен воздействием текучей среды на рабочую поверхность лопасти, находящуюся под углом относительно направления потока и на расстоянии от оси вращения. В винтовой турбине согласно изобретению на участок турбинной лопасти, повернутый в верхнее по ходу потока положение, который может быть назван поверхностью потока, оказывается тангенциальное усилие до того момента, пока он не повернется на угол против направления потока. Таким образом, поток текучей среды в то время, когда он проходит по существу параллельно указанному участку с профилем в виде крыла самолета, также создает крутящий момент.

Рабочая поверхность и поверхность потока перемещаются вдоль винтовой турбины в процессе ее вращения. В результате использования описанной геометрии профиля повышается КПД облопачивания.

Винтовая турбина может быть ориентирована любым образом, при условии, что направление потока текучей среды относительно центральной оси турбины остается, по существу, тем же, что и угол шага винта.

В некоторых областях применения, например, когда винтовая турбина погружена в воду, она может быть снабжена вращаемой опорой. В этом случае конструкция турбины предусматривает наличие элементов плавучести, вызывающих подъем турбины, при этом течение воды поворачивает ось турбины в положение, благоприятное относительно направления потока. Турбина может быть подвешена на соответствующей подвешивающей конструкции, например, под заякоренным ростверком.

Геометрия турбинной лопасти должна быть установлена для конкретной вязкости и плотности текучей среды в каждом случае применения.

Вал винтовой турбины может быть известным образом связан с генератором, предназначенным для производства электроэнергии, или другим устройством, потребляющим энергию, например насосом.

- 1 007080

Перечень фигур чертежей

Далее описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, где на фиг. 1 схематически показана винтовая турбина с напорной стороны потока текучей среды;

на фиг. 2 схематически показан вариант осуществления изобретения, в котором винтовая турбина установлена в потоке текучей среды;

на фиг. 3 показано сечение ΙΙ-ΙΙ турбины по фиг. 2 и на фиг. 4 схематически показан вариант осуществления изобретения, в котором турбина установлена с возможностью вращения под водой.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На чертежах позицией 1 обозначена винтовая турбина, содержащая вал 2, который удерживается с возможностью вращения в подшипниках 3, и спиральную лопасть 4.

На фиг. 1 винтовая турбина 1 показана со стороны входа потока текучей среды, протекающей через или мимо винтовой турбины 1. Для достижения удовлетворительного КПД турбины поток должен быть направлен относительно центральной оси 6 винтовой турбины 1 под углом, приблизительно равным углу 8 шага турбинной лопасти 4, фиг. 2. Как показано на фиг. 1, поток протекает с нижней стороны центральной оси 6 через проходы 10 между расположенными по нисходящей участками турбинной лопасти 4, которые обозначены позицией 12 на фиг. 1.

Участок 14 турбинной лопасти, отходящий вверх от центральной оси 6, представляет собой препятствие для потока, и поэтому на него оказывается давление со стороны текучей среды, которая сталкивается с участком 14 лопасти.

Это вызывает вращение винтовой турбины вокруг своей собственной центральной оси 6.

Было доказано, что геометрия поперечного сечения турбинной лопасти 4 обеспечивает существенное влияние на гидравлический КПД турбины. Наибольший КПД достигается, когда поперечное сечение турбинной лопасти 4, проведенное в направлении потока, имеет профиль 15, наподобие крыла самолета, фиг. 3

Поток текучей среды, сталкиваясь с турбинной лопастью 4 в области верхней по потоку кромки 16, разделяется на части, и текучая среда, протекающая вдоль верхней поверхности профиля 15, должна увеличивать свою скорость, что само по себе известно. В результате статическое давление падает, и имеет место разность давлений на верхней и нижней поверхностях профиля 15. Разность давлений вызывает подъемное усилие, действующее на участки турбинной лопасти 4, которые выступают вверх относительно направления потока текучей среды, в результате чего создается дополнительный крутящий момент вокруг оси 2.

На фиг. 2 винтовая турбина 1 показана установленной в потоке воды. Вал 2 винтовой турбины 1 установлен обоими концами в подшипниках 3 и соединен с генератором 18. Подшипники 3 связаны с конструкцией 17. Вода, текущая навстречу винтовой турбине 1, вызывает ее вращение, за счет чего генератор 18 вырабатывает электрическую энергию. Направление потока показано стрелками на фиг. 2.

В следующем варианте, фиг. 4, винтовая турбина 1 расположена под водой. Вал 2 винтовой турбины 1 соединен с генератором 18 через подшипники 3. Винтовая турбина 1 и генератор 18 соединены с возможностью вращения с основанием 20 на морском дне 22. В этом варианте турбинная лопасть 4 выполнена таким образом, что она имеет достаточную плавучесть. Выталкивающая сила стремится поднять винтовую турбину 1 в направлении вертикального положения, в то время как усилие со стороны текущей жидкости поворачивает винтовую турбину 1 в направлении потока, пока турбина не будет ориентирована благоприятным образом относительно направления потока, которое показано на фиг. 4 стрелками.

В дальнейших вариантах винтовая турбина может быть подвешена на подвешивающей конструкции или может являться частью ряда турбин.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Винтовая турбина (1), содержащая по меньшей мере одну спиральную лопасть (4), вращаемую вокруг оси (6), причем поперечное сечение лопасти (4) имеет форму профиля (15) крыла самолета, отличающаяся тем, что профиль (15) в виде крыла самолета проходит от внешнего радиального конца лопасти (4) внутрь винтовой турбины (1) до ее вала (2).
2. Винтовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что ось (6) турбины (1) ориентирована относительно протекающей текучей среды под углом, по существу соответствующим углу (8) шага турбинной лопасти.
3. Винтовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что она прикреплена к подвешивающей конструкции с возможностью вращения вокруг оси, не совпадающей с центральной осью (6) турбины.
4. Винтовая турбина по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что шаг спиральной лопасти (4) изменяется вдоль центральной оси (6).