MD4235C1 - Turbină hidraulică - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la hidroenergetică, în special la o staţie hidraulică ce conţine o turbină hidraulică de putere mică, destinată producerii energiei electrice sau mecanice în gospodăriile individuale, săteşti, pentru irigaţie în zonele din vecinătatea râurilor, folosind energia cinetică a apei curgătoare a râurilor.Turbina hidraulică conţine o platformă fixată pe o bază de ţărm prin intermediul unei structuri de rezistenţă cu posibilitatea reglării poziţiei platformei faţă de nivelul fluxului de apă curgătoare. Pe platformă sunt amplasaţi un generator sau o pompă hidraulică şi un multiplicator, cu care este legat un ax vertical, la capătul căruia este montat un rotor, care include bare orizontale radiale (11), pe care, la rândul său, sunt instalate palete cu profil hidrodinamic. Fiecare paletă este constituită din module flotante (12) cu profil hidrodinamic, formate din corpuri cu nervuri (13). Între module (12) şi pe părţile inferioară şi superioară ale paletelor sunt amplasate orizontal ecrane (18) pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă, distanţate unul faţă de altul. Conturul periferic al ecranelor (18) este echidistant faţă de profilul paletelor. Modulele (12) sunt asamblate prin intermediul unor elemente de fixare (16) pe o osie comună (10) şi fixate mobil de capătul barelor orizontale radiale (11) ale rotorului. Lungimea osiei (10) este selectată în funcţie de adâncimea râului. Capetele libere ale modulelor (12) sunt legate între ele cu o tijă comună (17).

Description

Invenţia se referă la hidroenergetică, în special la o staţie hidraulică ce conţine o turbină hidraulică de putere mică, destinată producerii energiei electrice sau mecanice în gospodăriile individuale, săteşti, pentru irigaţie în zonele din vecinătatea râurilor, folosind energia cinetică a apei curgătoare a râurilor.

Este cunoscută o staţie hidraulică, care include o platformă montată pe corpuri flotante şi fixată pe o culee prin intermediul unei structuri metalice cu posibilitatea reglării poziţiei faţă de nivelul apei, un generator şi un multiplicator cinematic, legate cu axul unei turbine verticale cu palete având profil hidrodinamic [1].

Având construcţie relativ simplă, staţia hidraulică analizată posedă o eficienţă de conversie redusă.

Se cunoaşte, de asemenea, o turbină hidraulică, care include o platformă instalată pe corpuri plutitoare şi fixată de ţărm cu posibilitatea reglării poziţiei sale faţă de nivelul apei curgătoare, pe care sunt amplasate un generator şi un multiplicator, cu arborele condus al căruia este legat axul vertical al rotorului cu palete cu profil hidrodinamic, fiecare dintre ele fiind legată cinematic cu un mecanism de orientare faţă de curenţii de apă. Platforma este legată de ţărm cu ajutorul unui cadru metalic şi a două cabluri de tensionare [2].

Dezavantajul acestei soluţii tehnice constă în apariţia efectelor sporite de turbulenţă a apei în spatele paletei, datorate vitezei diferite de curgere a apei în funcţie de adâncimea imersării paletei, ce conduce la reducerea eficienţei de conversie a energiei cinetice a apei.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenţia este majorarea eficienţei de conversie şi extinderea posibilităţilor funcţionale.

Turbina hidraulică, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine o platformă fixată pe o bază de ţărm prin intermediul unei structuri de rezistenţă cu posibilitatea reglării poziţiei platformei faţă de nivelul fluxului de apă curgătoare. Pe platformă sunt amplasate un generator sau o pompă hidraulică şi un multiplicator, cu care este legat un ax vertical, la capătul căruia este montat un rotor, care include bare orizontale radiale, pe care, la rândul său, sunt instalate palete cu profil hidrodinamic. Fiecare paletă este constituită din module flotante cu profil hidrodinamic, formate din corpuri cu nervuri, totodată între module şi pe părţile inferioară şi superioară ale paletelor sunt amplasate orizontal ecrane pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă, distanţate unul faţă de altul la distanţa , unde v este viteza de curgere a fluxului de apă, iar conturul periferic al ecranelor este echidistant faţă de profilul paletelor cu proeminenţa e = (0,02…0,06)l, unde l este lungimea coardei paletei. Modulele sunt asamblate prin intermediul unor elemente de fixare pe o osie comună şi fixate mobil de capătul barelor orizontale radiale ale rotorului. Lungimea osiei este selectată în funcţie de adâncimea râului, cu posibilitatea varierii unghiului de atac - unghiul dintre coarda paletei şi vectorul vitezei relative a fluxului de apă în funcţie de sectorul circular în care se plasează, şi a unghiului de poziţionare, care este unghiul dintre bara orizontală şi dreapta ortogonală direcţiei de curgere a fluxului. Capetele libere ale modulelor sunt legate între ele cu o tijă comună.

Turbina hidraulică conform invenţiei asigură următoarele avantaje:

- dotarea paletei cu profil hidrodinamic cu ecrane pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă, amplasate orizontal şi distanţate unul faţă de altul la distanţa , asigură majorarea eficienţei de conversie a energiei cinetice a apei prin divizarea stratului limită al fluxului de apă;

- montarea paletelor în rotor cu posibilitatea varierii unghiului de atac - unghiul dintre coarda paletei şi vectorul vitezei relative a fluxului de apă în funcţie de sectorul circular în care se plasează, şi a unghiului de poziţionare, care este unghiul dintre bara orizontală şi dreapta ortogonală direcţiei de curgere a fluxului, conduce la sporirea eficienţei de conversie;

- elaborarea paletei din module flotante separate între ele cu ecrane şi asamblate pe o osie comună, lungimea căreia se alege în funcţie de adâncimea râului, asigură simplificarea construcţiei şi lărgirea posibilităţilor funcţionale.

Invenţia se explică prin fig. 1-6, care reprezintă:

- fig. 1, schema generală a turbinei hidraulice;

- fig. 2, vederea frontală a paletei cu ecrane;

- fig. 3, vederea A din fig. 2;

- fig. 4, vederea B din fig. 2;

- fig. 5, vederea 3D a paletei;

- fig. 6, schema orientării paletelor.

Turbina hidraulică (fig. 1) conţine baza 1, platforma 2, legată articulat de baza 1 cu structura de rezistenţă 3 şi instalată pe corpurile plutitoare 4. Pe platforma 2 sunt amplasate generatorul electric 5 şi multiplicatorul 6, arborele conducător al căruia este legat rigid cu axul vertical 7, la capătul căruia este montat rotorul 8. Ultimul include palete 9 cu profil hidrodinamic (fig. 2), instalată fiecare pe o osie comună 10, fixată fiecare pe capătul liber al unei bare orizontale radiale 11. Fiecare paletă 9 (fig. 2, 3) este constituită din module flotante 12 cu profil hidrodinamic, formate din corpuri cu nervuri 13, spaţiul din interiorul cărora este umplut cu material expandat 14, şi învelişul 15 (fig. 4). Între modulele 12 şi pe părţile inferioară şi superioară ale paletelor sunt amplasate orizontal ecrane 18 pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă, distanţate unul faţă de altul la distanţa , unde v este viteza de curgere a fluxului de apă, iar conturul periferic al ecranelor 18 este echidistant profilului paletelor cu proeminenţa e = (0,02…0,06)l, unde l este lungimea coardei paletei. Modulele 12 sunt fixate rigid pe osiile 10 prin intermediul unor elemente de fixare 16, de exemplu, pene inelare cu proeminenţe laterale şi, suplimentar, pe o tijă comună 17. Modulele flotante 12 sunt montate în rotor cu posibilitatea varierii unghiului de atac α - unghiul dintre coarda paletei 9 şi vectorul vitezei relative a fluxului de apă în funcţie de sectorul circular în care se plasează, şi a unghiului de poziţionare, care este unghiul dintre bara orizontală 11 şi dreapta ortogonală direcţiei de curgere a fluxului.

Turbina hidraulică funcţionează în modul următor.

La curgerea apei curenţii acţionează asupra suprafeţei paletelor, aflate de o parte a rotorului 8, antrenându-le în mişcare de rotaţie în jurul axului 7 al rotorului 8. Orientarea paletelor 9 faţă de fluxurile de apă în poziţii optime din punct de vedere atât al presiunii exercitate de fluxurile de apă asupra suprafeţei paletelor 9, cât şi generării efectului hidrodinamic optim, asigură eficienţa majoră de conversie a energiei cinetice a fluxurilor de apă. Componentele forţei F care acţionează asupra paletei sunt date de formulele:

unde: ρ este densitatea apei;

v - viteza liniară a fluxului de apă;

S - aria paletei,

iar Cx, Cy sunt coeficienţii de portanţă şi de rezistenţă ai profilului paletei. Coeficienţii Cx şi Cy depind de unghiul de atac α al paletei (unghiul dintre coarda paletei 9 şi vectorul vitezei relative a fluxului de apă) şi forma profilului, şi se determină fie experimental, fie prin calcule numerice. Momentul de torsiune dezvoltat de o paletă este dat de formula:

unde Fτ este proiecţia forţei F pe tangenta la traiectoria de mişcare a osiei 10.

Puterea sumară a rotorului se compune din puterile generate de fiecare paletă în parte. Momentan doar una din palete nu va genera moment pozitiv (ea va genera un moment negativ - de rezistenţă).

Datorită curgerii neuniforme a stratului limită la diferite adâncimi ale apei (pe înălţimea paletei) eficienţa de conversie este redusă din cauza apariţiei turbulenţei sporite a stratului limită al fluxului de apă în spatele paletei. În scopul direcţionării optime a curgerii stratului limită al fluxului de apă pe lungimea paletei sunt prevăzute ecrane, distanţate unul faţă de altul la distanţa , fapt ce asigură majorarea eficienţei de conversie. Asamblarea paletelor 9 din module 12 permite realizarea paletelor cu înălţimi diferite în funcţie de adâncimea râului în locaţia aleasă.

Astfel, puterea generată de staţia hidraulică cu palete cu ecrane pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă va fi esenţial mai mare decât cea produsă de paletele cu profil hidrodinamic existente la aceiaşi parametri geometrici (dimensiuni ale paletelor) şi cinematici ai apei. Turbina hidraulică propusă permite transformarea energiei cinetice a apei curgătoare în energie mecanică sau electrică cu un coeficient sporit de utilizare a energiei apei. De asemenea, instalarea ecranelor la distanţele stabilite va reduce esenţial efectele de turbulenţă a fluxurilor de apă în spatele paletei 9 pe direcţia curgerii fluxurilor de apă, fapt ce va permite instalarea turbinelor hidraulice în serie la distanţe relativ mici una de alta.

1. MD 2981 G2 2006.02.28

2. MD 2993 G2 2006.02.28

Claims (1)

1. Turbină hidraulică, care conţine o platformă fixată pe o bază de ţărm prin intermediul unei structuri de rezistenţă cu posibilitatea reglării poziţiei platformei faţă de nivelul fluxului de apă curgătoare, pe platformă sunt amplasaţi un generator sau o pompă hidraulică şi un multiplicator, cu care este legat un ax vertical, la capătul căruia este montat un rotor, care include bare orizontale radiale, pe care, la rândul său, sunt instalate palete cu profil hidrodinamic, caracterizată prin aceea că fiecare paletă este constituită din module flotante cu profil hidrodinamic, formate din corpuri cu nervuri, totodată între module şi pe părţile inferioară şi superioară ale paletelor sunt amplasate orizontal ecrane pentru direcţionarea curgerii stratului limită al fluxului de apă, distanţate unul faţă de altul la distanţa

   , unde v este viteza de curgere a fluxului de apă, iar conturul periferic al ecranelor este echidistant faţă de profilul paletelor cu proeminenţa e = (0,02…0,06)l, unde l este lungimea coardei paletei; modulele sunt asamblate prin intermediul unor elemente de fixare pe o osie comună şi fixate mobil de capătul barelor orizontale radiale ale rotorului; lungimea osiei este selectată în funcţie de adâncimea râului, cu posibilitatea varierii unghiului de atac - unghiul dintre coarda paletei şi vectorul vitezei relative a fluxului de apă în funcţie de sectorul circular în care se plasează, şi a unghiului de poziţionare, care este unghiul dintre bara orizontală şi dreapta ortogonală direcţiei de curgere a fluxului; capetele libere ale modulelor sunt legate între ele cu o tijă comună.