PL208206B1 - Kompaktowa dwustopniowa turbina przepływowa - Google Patents

Abstract

Kompaktowa dwustopniowa turbina przepływowa charakteryzuje się tym, że kierownica (2) i wirnik turbiny posiada dowolną liczbę segmentów wieńców łopatek (4), łączonych z tarczami (5), które korzystnie mogą mieć kształt prostokątów. Co drugi wieniec łopatek (4) jest przesunięty poosiowo o połowę modułu (skoku łopatek) co umożliwia podwójna ilość wyciętych otworów w wewnętrznych tarczach wirnika i kierownicy turbiny (2). Łopatki wirnika są dodatkowo ukosowane według wzdłużnej osi turbiny w taki sposób, że przy występujących czterech segmentach turbiny, poosiowy skręt następnej tarczy wirnika z końcami łopatek poprzedniego wieńca i początkami łopatek kolejnego wieńca wynosi 1/4 modułu, przekręcając dwa kolejne segmenty wirnika w jedną i dwa następne w przeciwną stronę. Zarysy kształtów poprzecznego przekroju łopatek kierownicy i wirnika turbiny są korzystnie wycinkiem koła, o korzystnym ze względu na wysoką sprawność, stosunku promienia wygięcia tych łopatek, odniesionym do zewnętrznego promienia danego wieńca łopatek, wynoszącym korzystnie 0,26 dla wirnika, oraz 0,43 dla kierownicy z dopuszczalnymi odchyłkami mieszczącymi się w granicach +-10%. Stosunek szerokości łopatek wirnika do szerokości łopatek kierownicy stanowi, korzystnie 0,76 z odchyłkami w granicach +-20%, przy czym korzystne jest by zaczynając od pierwszego stopnia turbiny, powierzchnie wejścia łopatek kierownicy zaczynały się prostopadle do osi turbiny, a powierzchnie wyjścia tych łopatek były tak dobrane, by były korzystnie, prawie równoległe do powierzchni wejściowych łopatek wirnika, natomiast wyjście powierzchni tych łopatek do środka wirnika, było prostopadłe do osi turbiny. Przy wyjściu ze środka, w drugim stopniu turbiny, zależności te są powtórzeniem w odwrotnej kolejności.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zbudowana w postaci „Kompaktu, dwustopniowa turbina przepływowa, z osią turbiny położoną w poziomie lub pionie.

Znane są ze stanu techniki światowej, siłownie wiatrowe o osi pionowej, takie jak np. wirniki Darrieusa i Sawoniusa. Ograniczeniem tych rozwiązań jest praca połową poprzecznego przekroju. Ograniczeniem zaś siłowni wiatrowych z osią poziomą jest ich duża szybkobieżność, konieczność nastawiania na wiatr, uciążliwa hałaśliwość i zagrożenie dla ptaków.

Ze zgłoszenia patentowego PI 177181, znane jest rozwiązanie „Wiatrak panelowy który ma zbliżoną konstrukcję, jednak zewnętrzne kierownice strumieni opasują mniej niż połowę obwodu wirnika i muszą być ustawiane do wiatru.

Znane są też rożne konwertery energii fal, pływów i prądów morskich, takich jak np. kaczki Saltera, tratwy Cockerella, konwertery Pelamis, PowerBuoy czy Wave Rotor. Urządzenia te cechuje duży tonaż i duże koszty inwestycyjne.

Ze zgłoszenia patentowego P 251710, znane jest rozwiązanie „Dwustopniowa Turbina Przepływowa, której ograniczeniem była trudność wykonania i montażu detali, oraz uzyskania odpowiedniej sztywności konstrukcji przy niskich kosztach, z wykorzystaniem ówcześnie dostępnych środków technicznych.

Nowa konstrukcja turbiny kompaktowej według wynalazku pozwoli usunąć większość wyżej wymienionych wad i ograniczeń konstrukcyjnych dotychczasowych rozwiązań.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku w przykładzie wykonania, w którym fig. 1 przedstawia złożoną turbinę w rzucie perspektywicznym, a fig. 2 pokazuje główne elementy złożeniowe. Kompaktowa Turbina według patentu, jest zbudowana z zespolonej kierownicy (2) oraz zespolonego wirnika (1), posiadającego wał z dwustronnym wyjściem. Z obydwu stron turbina może być wyposażona w hermetyczne komory wyporowe (3), mieszczące generatory oraz urządzenia zabezpieczające pracę turbiny. Łopatki (4) kierownicy turbiny otaczają na całym obwodzie wirnik (1) i są pogrupowane w wiele segmentów.

Kompaktowa turbina pracuje całym poprzecznym przekrojem, niezależnie od kierunku napływającego czynnika. W pierwszym stopniu turbiny napływający czynnik jest przyspieszany i kierowany pod korzystnym kątem na łopatki wirnika. Opuszczając wnętrze turbiny pracujący czynnik napiera na drugi stopień turbiny, oddając pozostałą część energii. Ze względu na redukcję kosztów i techniczną możliwość wykonania, zwłaszcza w wykonaniu wodnym (morskim), zdecydowano się na połączenie elementów turbiny w jeden zespół (kompakt) wraz z odchudzonym o konstrukcję obudowy generatorem wolnoobrotowym.

Kompaktową turbinę wg. nowego zgłoszenia cechuje pełna uniwersalność. Turbina może pracować w pozycji poziomej lub pionowej. Przepływający w środku turbiny strumień wody lub powietrza dwukrotnie przyspiesza. W wersji wodnej, kompaktowa konstrukcja umożliwia stawianie turbin na stopniach wodnych o niewielkich spadach wody, montowanie turbin w ciekach wodnych bez budowy kosztownych stopni wodnych, oraz montowanie takich obiektów w elektrowniach pływowych, gdzie pracowały by dwukierunkowo. W wersji morskiej, turbiny według patentu pracują jako konwertery energii fal i z dużą sprawnością przetwarzają niemal całe widmo falowania. Jakikolwiek ruch wody (falowy czy postępowy) zamieniają w energię użytkową na wale turbiny.

W wersji wiatrowej turbiny pracuj ą niezależ nie od zmieniają cego się kierunku wieją cego wiatru. Posiadają małą szybkobieżność więc przy odpowiedniej konstrukcji są w stanie wytrzymać napór najszybszych wiatrów.

Ze względu na pracę w ciężkich warunkach zaleca się wykonanie turbin z najlepszych materiałów nierdzewnych (stale nierdzewne, odpowiednie stopy aluminium lub super wytrzymałe tworzywa sztuczne) wycinane komputerowo laserem lub wodą.

W celu uzyskania odpowiedniej sztywnoś ci konstrukcji, uł atwienia montaż u, maksymalnego zredukowania ciężaru oraz kosztów budowy, turbina została podzielona na dużą ilość segmentów (zbliżenie do konstrukcji plastra miodu). Zastosowano przesunięcie wieńców łopatek w co drugiej sekcji kierownicy (2) i wirnika (1) wokół osi turbiny o połowę modułu, a takie rozwiązanie umożliwia wygodny dostęp przy spawaniu łopatek (4) do tarcz bocznych turbiny (5). W celu maksymalnego wyciszenia pracy turbiny oraz usunięcia drgań i wibracji, przy wspawywaniu łopatek wirnika turbiny zastosowano według patentu ukosowanie względem wzdłużnej osi turbiny, stosując zasadę, że co drugi segment jest przesunięty o ½ modułu (skoku łopatek), a drugi koniec każdej łopatki jest odpowiednio

PL 208 206 B1 przekręcony wokół osi turbiny. I np.: przy czterech segmentach turbiny, jest stosowany skręt ¼ modułu skoku łopatek danego wieńca turbiny. Uzyskuje się dzięki temu płynny, stały kontakt zbliżeniowy pojedynczych punktów łopatek kierownicy i wirnika, podczas pełnego obrotu turbiny. Ponieważ druga połowa łopatek ma zadany skręt przeciwny, uzyskuje się korzystny efekt równoważenia przeciwnych momentów poosiowych. Dwustronny odbiór mocy z turbiny odciąża konstrukcję i daje znaczne oszczędności materiałowe. Ponieważ kompakt ma pracować zanurzony w wodzie, jako stopień rzeczny lub konwerter energii fal, turbinę wyposażono w dwie hermetyczne komory (3) na obydwu końcach osi turbiny. W komorach tych są zamocowane i sprzężone z turbiną dwa generatory wolnoobrotowe. Wnętrze tych hermetycznych komór w których mieszczą się kosztowne generatory, wspólne łożyska turbiny i generatora, zabezpieczono wstawiając najnowocześniejsze, dwustopniowe uszczelnienia magnetyczne o dużym, między remontowym czasie pracy. Zastosowano też system pochłaniaczy wilgoci i w pewnych sytuacjach podwyższenie ciśnienia wewnętrznego, które dodatkowo zabezpiecza wnętrze przed nieszczelnościami, oraz daje optyczny sygnał (bąbelkowanie), o pojawiającym się przecieku. Niezależnie od tego zastosowano monitorowanie w postaci alarmów, temperatury generatora, obniżenia ciśnienia wewnętrznego, oraz pojawienia się wody w urządzeniu. Realizując możliwość samoobsługi urządzenia pracującego swobodnie w wodzie, przewiduje się konieczność zaopatrzenia kompaktu, w dwie dodatkowe komory balastowe z automatyką regulującą poziom zanurzenia, a poś rednio stałą moc pracują cej turbiny. Kompaktowe turbiny pracujące jako konwertery energii fal morskich, zamocowane na brzegu morza w systemie pchanym, zaopatrzone są w odpowiednio długie, samo pływające wysięgniki rurowe. Jednymi końcami zamocowane na sztywno do turbin, a drugimi końcami zakotwione trwale na brzegu. Konstrukcja kotwienia umożliwia powolną zmianę położenia kompaktu (przypływy morza). Wyposażona jest też w hydrauliczne amortyzatory dużej mocy, w których czynnikiem pracującym może być woda morska, a które zmuszają turbiny do nurzania się w nadpływających falach morskich. Kompaktowe turbiny wg. zgłoszenia w wykonaniu wodnym posiadają boczne tarcze kierownic w kształcie, najkorzystniej prostokąta. W narożnikach posiadają wzmocnienia ze wspawanych rur. Taka konstrukcja ułatwia transport i dodatkowo usztywnia całość. Ułatwia montaż segmentów kierownicy w całość i posadowienie turbin na stanowisku (stopniu wodnym). Brzegi łopatek (4) zaopatrzone są w dwie lub więcej wypustek, które metodą zaginania spęczniania lub spawania są połączone z bocznymi tarczami wirnika i kierownicy turbiny, zapewniając dużą sztywność i stabilność całej konstrukcji. Przy pracy kompaktowej turbiny na stopniu wodnym, lub jako konwertera energii fal, zalecana jest praca turbiny w pozycji poziomej. Turbina powinna być tak ustawiona do kierunku napływającej wody lub fal morskich, by przy wlocie wody, pierwszy stopień turbiny wymuszał ruch łopatek wirnika skierowany na dół, a drugi stopień, gdy woda opuszcza wnętrze turbiny, wymuszał ruch łopatek skierowany w górę. Wybranie takiej opcji, zapewnia optymalną pracę turbiny.

Claims (3)

1. Kompaktowa Dwustopniowa Turbina Przepływowa posiadająca kierownicę (2) i wirnik turbiny (1) z dowolną liczbą segmentów wieńców łopatek, znamienna tym, że łopatki (4) kierownicy oraz wirnika są połączone z wewnętrznymi bocznymi tarczami (5), mającymi podwójną ilość wyciętych otworów, wsuwając łopatki w co drugi wycięty otwór, co skutkuje obrotowym przesunięciem względem siebie kolejnych segmentów o połowę skoku łopatek, nadto łopatki wirnika są dodatkowo ukosowane według wzdłużnej osi turbiny, skręcając każdą kolejno przyspawywaną do wału tarczę wirnika o ¼ skoku łopatek, przekręcając dwa kolejne segmenty wirnika w jedną i dwa następne w przeciwną stronę, przy czym zarysy kształtu łopatek mają w odniesieniu do zewnętrznego promienia danego wieńca, korzystnie wartość 0,26 dla wirnika, oraz 0,43 dla kierownicy z dopuszczalnymi odchyłkami mieszczącymi się w granicach +-10%, a stosunek szerokości łopatek wirnika do szerokości łopatek kierownicy stanowi korzystnie wartość 0,76 z odchyłkami w granicach +-20% i korzystne jest by: zaczynając od pierwszego stopnia turbiny, powierzchnie wejścia łopatek kierownicy zaczynały się prostopadle do osi turbiny, powierzchnie wyjścia tych łopatek były tak dobrane by były korzystnie prawie równoległe do powierzchni wejściowych łopatek wirnika, z kolei wyjście powierzchni tych łopatek do środka wirnika było prostopadłe do osi turbiny natomiast przy wyjściu ze środka, w drugim stopniu turbiny, te zależności się powtarzają w odwrotnej kolejności.

2. Kompaktowa turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wał turbiny posiada dwa wyjścia mocy, oraz dwa gniazda łożyskowe z podwójnymi łożyskami wspólnymi dla turbiny i generatora, które

PL 208 206 B1 są zabezpieczone podwójnymi umieszczonymi w odpowiednich miejscach magnetycznymi uszczelnieniami, a wszystkie te elementy znajdują się w mających odpowiednią wyporność hermetycznych komorach, umocowanych na obydwu końcach turbiny.

3. Kompaktowa turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że w wersji konwertera energii fal morskich posiada najkorzystniej w systemie pchanym, samo pływające wysięgniki rurowe, które jedną stroną są sztywno zamocowane do samo pływającej turbiny, a drugimi końcami są zakotwione na brzegu morskim, z układem amortyzatorów uniemożliwiających wykonywanie szybkich ruchów pionowych turbiny, lub w systemie podwieszonym do dna jest sztywno zakotwiona do dna morskiego silnymi, odpowiedniej konstrukcji amortyzatorami, które umożliwiają powolne zmiany położenia samo pływającej turbiny w cykl przypływów morza.