RU2037639C1

RU2037639C1 - Turbine

Info

Publication number: RU2037639C1
Application number: RU9393011506A
Authority: RU
Inventors: Борис Львович Историк; Юлий Борисович Шполянский
Original assignee: Борис Львович Историк; Юлий Борисович Шполянский
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1995-06-19

Abstract

FIELD: pneumatic-and-hydraulic power stations. SUBSTANCE: wheel with straight streamlined blades is mounted on the shaft. The wheel is coupled with the shaft through carrying members. Each flexible member is coupled with respective blade at least at one point. The other point of the blade is coupled with the carrying member. Each blade is secured to respective carrying member for permitting rotation about its vertical axis with respect to the fastening point. The fastening point is interposed between the leading edge and trailing edge of the blade at a distance of 0-0.4 of choired length from the end point of the leading edge. The axial space is made in each blade. The flexible members are constructed as torsions and mounted inside the spaces of respective blades. EFFECT: improved design. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике, в частности к турбинам низконапорных гидроэлектростанций, приливных электростанций, а также пневмогидроэлектростанций. The invention relates to hydro and wind energy, in particular to turbines of low-pressure hydroelectric power plants, tidal power plants, as well as pneumohydroelectric power plants.

Известны разнообразные конструкции турбин гидро- и ветроустановок: осевые, радиально-осевые, диагональные и поперечно-струйные. В дальнейшем рассматривается только класс реактивных турбин с прямыми лопастями, имеющими в поперечном сечении крыловидную форму, с хорошим аэродинамическим качеством профиля и без крутки профилей, т.е. турбины с лопастями цилиндрической или конической формы, получаемые с помощью обхода контура профиля прямой образующей. К турбинам этого класса относятся в первую очередь поперечно-струйные турбины типа ротора Дарье с прямыми лопастями. В ветроэнергетике они применяются на ветроагрегатах с вертикальной осью вращения, а в гидроэнергетике это реактивная двукратная поперечно-струйная турбина, получившая название ортогональной турбины (Золотов Л.А. Историк Б.Л. Усачев И.Н. Новая турбина для низконапорных гидротехнических установок. Гидротехническое строительство, 1991, N 1) и используемая в свободно-поточных и низконапорных гидроустановках. У названных турбин лопасти располагаются поперек потока параллельно оси вращения турбины и, как правило, по касательной к окружности, являющейся трассой их движения. Лопасти турбины жестко соединяются с валом с помощью несущих элементов, в качестве которых используются радиальные кронштейны, укрепляемые на ступице вала или устанавливаемые на валу диски. Как правило, этим элементам придается удобнообтекаемая форма. A variety of turbine designs for hydro and wind turbines are known: axial, radial-axial, diagonal and transverse-jet. In the future, only a class of jet turbines with straight blades having a wing-shaped cross section with good aerodynamic profile quality and without twisting profiles is considered, i.e. turbines with cylindrical or conical blades, obtained by bypassing the contour of the straight line profile. Turbines of this class primarily include cross-jet turbines of the Darier rotor type with straight blades. In wind energy, they are used on wind turbines with a vertical axis of rotation, and in hydropower it is a two-stage transverse jet turbine, called the orthogonal turbine (Zolotov L.A. Historian B.L. Usachev I.N. New turbine for low-pressure hydraulic installations. Hydrotechnical construction, 1991, N 1) and used in free-flow and low-pressure hydraulic installations. For the said turbines, the blades are located across the flow parallel to the axis of rotation of the turbine and, as a rule, along the tangent to the circle, which is the path of their movement. The turbine blades are rigidly connected to the shaft with the help of supporting elements, which are used as radial brackets, mounted on the shaft hub or disks mounted on the shaft. As a rule, these elements are given a streamlined shape.

Рассматриваемые турбины работают за счет тянущей силы, являющейся составляющей (проекцией) подъемной силы лопасти на направление ее движения. На этом принципе работает воздушная турбина Wells'а, используемая в пневмогидроустановках (Gorlov A. A New Opportynity for Hydro: Using Air Turbines for Generating Electricity. Hydro Rewiew, September 1992, Volume 11, Number 5). Турбина Wells'a может, как и ортогональная турбина, работать на реверсивном потоке, т.е. потоке, меняющем свое направление на противоположное. Если в ортогональных турбинах инвертность к направлению потока достигается за счет расположения хорды лопасти под нулевым углом по отношению к касательной к окружности, то в турбине Wells'a благодаря нулевому углу установки хорды лопасти по отношению к плоскости, перпендикулярной валу турбины. The turbines under consideration operate due to the pulling force, which is a component (projection) of the lifting force of the blade on the direction of its movement. Wells’s air turbine, used in pneumatic hydraulic installations (Gorlov A. A New Opportynity for Hydro: Using Air Turbines for Generating Electricity. Hydro Rewiew, September 1992, Volume 11, Number 5), runs on this principle. Wells’ turbine can, like an orthogonal turbine, operate on a reverse flow, i.e. a stream reversing its direction. If in orthogonal turbines inverse to the flow direction is achieved due to the location of the chord of the blade at a zero angle with respect to the tangent to the circle, then in the Wells turbine due to the zero angle of the chord of the blade relative to the plane perpendicular to the turbine shaft.

Общий недостаток турбин рассматриваемого типа аналогичен известному недостатку осевых пропеллерных туpбин, который состоит в том, что при фиксированном положении лопасти турбина работает с относительно высоким КПД только в сравнительно узком диапазоне напоров, а при сильном изменении напора воды или скорости ветра КПД турбины быстро снижается. Снижение КПД можно предотвратить либо соответствующим изменением частоты вращения турбины, что значительно удорожает электротехническое оборудование и поэтому не находит широкого применения, либо путем поворота лопастей, что превращает пропеллерные турбины в поворотно-лопастные. Кроме того, у рассматриваемых турбин с практически нулевым углом установки лопастей имеется свой специфический недостаток. Он состоит в том, что, например, при работе на воде по условиям кавитации они могут работать с высоким КПД при высокой быстроходности только при очень низких напорах, до 2 м. С увеличением напоров сверх указанного предела рассматриваемые турбины быстро теряют КПД или мощность (при снижении быстроходности). Этот недостаток у турбин Wells'a ликвидируется изменением начального угла установки лопастей, но при этом они теряют свое свойство работать на реверсивном потоке. У турбин типа ротора Дарье, в том числе и у ортогональных турбин, выбор не равного нулю начального угла установки лопастей допустим только в очень узких пределах (3-5^о). Большие отклонения начального угла установки от нуля приводят к потере работоспособности этих турбин.The general disadvantage of the turbines of this type is similar to the well-known disadvantage of axial propeller turbines, which consists in the fact that with a fixed position of the blade, the turbine operates with a relatively high efficiency only in a relatively narrow head range, and with a strong change in the water head or wind speed, the turbine efficiency decreases rapidly. The reduction in efficiency can be prevented either by a corresponding change in the speed of rotation of the turbine, which significantly increases the cost of electrical equipment and therefore does not find wide application, or by turning the blades, which turns the propeller turbines into rotary vane. In addition, the turbines under consideration with a practically zero blade angle have their own specific drawback. It consists in the fact that, for example, when operating on water under cavitation conditions, they can work with high efficiency at high speed only at very low heads, up to 2 m. With an increase in head above the specified limit, the turbines in question quickly lose efficiency or power (at reduced speed). Wells’s turbines are eliminated by changing the initial angle of installation of the blades, but at the same time they lose their ability to work on a reverse flow. For turbines of the Darier rotor type, including orthogonal turbines, the choice of a non-zero initial angle of installation of the blades is permissible only within very narrow limits (3-5 ^° ). Large deviations of the initial installation angle from zero lead to a loss of operability of these turbines.

Для ликвидации указанного общего, а также специфического частного недостатков ортогональных турбин необходимо в процессе работы турбины менять угол установки ее лопастей по отношению касательной к окружности не только с изменением напора, но и главным образом с изменением местоположения лопасти на круговой трассе движения. In order to eliminate the indicated general as well as specific particular shortcomings of orthogonal turbines, it is necessary during the operation of the turbine to change the angle of installation of its blades relative to the tangent to the circle, not only with a change in pressure, but also mainly with a change in the location of the blade on a circular track.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному является турбина, содержащая вал и смонтированное на валу рабочее колесо, выполненное с прямыми лопастями аэродинамического профиля, соединенными с валом посредством несущих элементов (патент США N 4368392, кл. F 03 B 3/14, опублик. 1983). Это ортогональная турбина, т.е. реактивная поперечно-струйная турбина двойного действия с прямыми лопастями, у которой функции несущих элементов, соединяющих лопасти с валом, выполняют радиальные кронштейны хорошо обтекаемой формы или тонкие диски, расположенные вдоль потока. The closest technical solution (prototype) to the claimed one is a turbine containing a shaft and an impeller mounted on the shaft, made with straight blades of an aerodynamic profile connected to the shaft by means of load-bearing elements (US patent N 4368392, CL F 03 B 3/14, published . 1983). This is an orthogonal turbine, i.e. a double-acting cross-jet turbine with straight blades, in which the functions of the supporting elements connecting the blades to the shaft are performed by well-streamlined radial brackets or thin disks located along the flow.

Цель изобpетения повышение КПД турбины при изменении напора. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the turbine when the pressure changes.

Цель достигается тем, что в турбине, содержащей вал и смонтированное на валу рабочее колесо, выполненное с прямыми лопастями аэродинамического профиля, соединенными с валом посредством несущих элементов, лопасти закреплены на несущем элементе с возможностью поворота вокруг своей продольной оси, причем ось вращения расположена между носком и задней кромкой лопасти на расстоянии от крайней точки носка в пределах от 0 до 0,4 длины хорды лопасти, а турбина снабжена упругим элементом, связанным по меньшей мере в одной точке с лопастью и в другой точке с несущим элементом. The goal is achieved in that in a turbine containing a shaft and an impeller mounted on the shaft, made with straight blades of aerodynamic profile connected to the shaft by means of supporting elements, the blades are mounted on the supporting element with the possibility of rotation around its longitudinal axis, and the axis of rotation is located between the toe and the trailing edge of the blade at a distance from the extreme point of the toe in the range from 0 to 0.4 of the length of the chord of the blade, and the turbine is equipped with an elastic element connected at least at one point with the blade and in another point with the carrier element.

Лопасть выполнена по меньшей мере с одной осевой полостью, причем упругий элемент размещен в полости. Упругий элемент выполнен в виде торсиона. The blade is made with at least one axial cavity, and the elastic element is placed in the cavity. The elastic element is made in the form of a torsion bar.

В варианте выполнения с целью уменьшения влияния центробежных сил линия центров тяжести поперечных сечений лопасти расположена на оси вращения. In an embodiment, in order to reduce the influence of centrifugal forces, the line of centers of gravity of the cross sections of the blade is located on the axis of rotation.

В варианте выполнения также с целью уменьшения влияния центробежных сил турбина выполнена с четным числом лопастей, противолежащие лопасти соединены между собой попарно радиальным связующим элементом, концы которого закреплены на лопастях с возможностью поворота относительно последних. In an embodiment, also in order to reduce the influence of centrifugal forces, the turbine is made with an even number of blades, opposite blades are interconnected in pairs by a radial connecting element, the ends of which are fixed on the blades with the possibility of rotation relative to the latter.

На фиг. 1 изображена турбина, продольный разрез; на фиг. 2 показаны поперечный разрез по лопастям турбины, установленной в напорном водоводе, и характерные положения лопастей на трассе их движения; на фиг. 3 и 4 показаны два характерных положения лопасти турбины на выпуклом и вогнутом участке круговой трассы соответственно, а также гидродинамические (аэродинамические) силы, действующие на лопасть в этих положениях; на фиг. 5 приведен поперечный разрез по осевой турбине, т.е. вариант реализации предложенного технического решения применительно к турбине Wells'a; на фиг. 6 показан вариант выполнения ортогональной турбины с радиальным связующим элементом. In FIG. 1 shows a turbine, a longitudinal section; in FIG. 2 shows a cross-section through the blades of a turbine installed in a pressure head conduit and the characteristic positions of the blades on the path of their movement; in FIG. 3 and 4 show two characteristic positions of the turbine blade on the convex and concave sections of the circular path, respectively, as well as hydrodynamic (aerodynamic) forces acting on the blade in these positions; in FIG. 5 shows a cross section through an axial turbine, i.e. an implementation option of the proposed technical solution in relation to Wells'a turbine; in FIG. 6 shows an embodiment of an orthogonal turbine with a radial coupling element.

Поскольку речь идет о турбинах, работающих в сплошных средах газа или жидкости, то термины с приставками аэро и гидро равноправны и взаимозаменяемы. Since we are talking about turbines operating in continuous media of gas or liquid, the terms with the prefixes aero and hydro are equal and interchangeable.

Турбина содержит вал 1 и смонтированное на нем рабочее колесо с прямыми лопастями 2 аэродинамического профиля. Несущими элементами являются диски 3 (фиг. 1) или трубы 4 (фиг. 5), закрепленные в диске-ступице 5. В диске 3 (фиг. 1) смонтированы короткие полуоси (бобышки), на которых установлены подшипники 6 скольжения, выполненные из материала, хорошо работающего в воде и без смазки на воздухе с достаточно низким коэффициентом трения f ≈ 0,02-0,03. На фиг. 5 радиальные подшипники 6 скольжения установлены непосредственно на трубе 4, кроме них может присутствовать еще упорный подшипник скольжения, установленный на конце трубы 4. Подшипники установлены так, что ось 7 вращения лопасти 2 расположена вдоль нее. Внутри лопасти 2 выполнена по меньшей мере одна полость 8, где расположен упругий элемент, выполненный в виде торсиона 9. Ось торсиона 9 совпадает с осью 7 вращения лопасти 2. Один конец торсиона 9 (фиг. 1) зажат в бобышке диска 3, а на фиг. 5 в диске-ступице 5. Другой конец торсиона 9 с помощью пальца 10 соединен с лопастью 2. На фиг. 5 для соединения пальца 10 с лопастью 2 в трубе 4 выполнены окна. The turbine contains a shaft 1 and an impeller mounted on it with straight blades 2 of an aerodynamic profile. Bearing elements are discs 3 (Fig. 1) or pipes 4 (Fig. 5), mounted in a hub-hub 5. In the disc 3 (Fig. 1) short half shafts (bosses) are mounted on which sliding bearings 6 made of material that works well in water and without lubrication in air with a fairly low coefficient of friction f ≈ 0.02-0.03. In FIG. 5 radial bearings 6 are mounted directly on the pipe 4, in addition to them there may still be a persistent sliding bearing mounted on the end of the pipe 4. The bearings are mounted so that the axis of rotation 7 of the blade 2 is located along it. At least one cavity 8 is made inside the blade 2, where the elastic element is made in the form of a torsion 9. The axis of the torsion 9 coincides with the axis of rotation of the blade 2. One end of the torsion 9 (Fig. 1) is clamped in the boss of the disk 3, and FIG. 5 in the hub disk 5. The other end of the torsion bar 9 is connected to the blade 2 by a finger 10. In FIG. 5 to connect the finger 10 with the blade 2 in the pipe 4 made windows.

Фиксация дисков 3 (фиг. 1) на валу 1 осуществляется с помощью распорной втулки 11 и поджимной гайки 12. Возможен другой вариант фиксации дисков 3. Например, диски 3 можно было бы соединить тонкостенной трубой, пропущенной через полость 8 лопасти 2. В этом случае подшипники скольжения устанавливаются не на бобышках, а на упомянутой трубе, и для соединения одного конца торсиона 9 с лопастью 2 в трубе предусматриваются окна для пропуска пальца 10 аналогично тому, как это выполнено на фиг. 5. The disks 3 (Fig. 1) are fixed on the shaft 1 using the spacer sleeve 11 and the pinch nut 12. Another option is possible to fix the disks 3. For example, the disks 3 could be connected with a thin-walled pipe passed through the cavity 8 of the blade 2. In this case sliding bearings are mounted not on the bosses, but on the said pipe, and for connecting one end of the torsion 9 with the blade 2 in the pipe, windows for passing the finger 10 are provided in the same way as in FIG. 5.

На фиг. 2 показаны характерные положения лопасти 2 на круговой трассе движения лопастей. Турбина вращается с угловой скоростью против часовой стрелки. Радиус окружности равен R. Линейная скорость центра тяжести лопасти U ωR. Эта скорость направлена по касательной к окружности. Абсолютная скорость потока обозначена через V. На фиг. 2 показаны четыре положения лопасти. В верхнем положении вектора

и

приблизительно параллельны и направлены навстречу друг другу. В положении лопасти слева на выпуклом по отношению к потоку участке трассы вектор

скорости потока относительно лопасти ((

)) составляет с хордой лопасти угол атаки α около 12^о. Хвост лопасти при этом расположен внутри круга радиуса R, а хорда лопасти составляет с касательной к окружности угол φ около 30^о со знаком "-" (торсион закручивается по часовой стрелке). В нижнем положении лопасти, как и в верхнем положении, векторы

и

приблизительно параллельны, но направлены в одну и ту же сторону. В верхнем и нижнем положениях α ≈ φ ≈ 0. В положении лопасти справа на вогнутом участке трассы по отношению к абсолютной скорости потока V лопасть также обтекается с относительной скоростью

под углом атаки α, но уже не с наружной, а с внутренней стороны лопасти. При этом хвост лопасти отклонился за пределы круга радиуса R и хорда лопасти образует с касательной к окружности угол φ около 30^о со знаком "-" (торсион закручивается против часовой стрелки).In FIG. 2 shows the characteristic positions of the blades 2 on a circular path of movement of the blades. The turbine rotates at an angular speed counterclockwise. The radius of the circle is R. The linear velocity of the center of gravity of the blade is U ωR. This speed is tangential to the circle. The absolute flow rate is denoted by V. FIG. 2 shows four blade positions. In the up position of the vector

and

approximately parallel and directed towards each other. In the position of the blade to the left on the convex section of the path relative to the flow, the vector

flow velocity relative to the blade ((

)) makes an angle of attack α of about 12 ^about with the chord of the blade. The tail of the blade is located inside a circle of radius R, and the chord of the blade makes an angle φ of about 30 ^about with a tangent to the circle with a “-" sign (the torsion is twisted clockwise). In the lower position of the blade, as in the upper position, the vectors

and

approximately parallel, but directed in the same direction. In the upper and lower positions, α ≈ φ ≈ 0. In the position of the blade on the right on the concave section of the path with respect to the absolute flow velocity V, the blade also flows around with a relative speed

at an angle of attack α, but not from the outside, but from the inside of the blade. The tail of the blade deviated beyond the circle of radius R and the chord of the blade forms an angle φ of about 30 ^about with a tangent to the circle with a “-" sign (the torsion is twisted counterclockwise).

В более крупном масштабе лопасть 2 в положении слева (фиг. 2) показана на фиг. 3, а в положении справа на фиг. 4. На фиг. 3 и 4 буквой О' обозначена точка пересечения равнодействующей гидродинамических (аэродинамических) сил с хордой лопасти. Обычно для симметричных профилей при углах атаки α ≅ 12^о она отстоит от носка лопасти примерно на 0,22b, где b длина хорды. Вместо равнодействующей на фиг. 3 и 4 показаны ее составляющие, а именно подъемная сила крыла Р и сила лобового сопротивления Q. Поскольку Р >> Q и угол α < 15^о момент М равнодействующей гидродинамических сил относительно точки О оси поворота лопасти примерно равен М

Р ˙ ОО', где OO' расстояние между точками О и О'. Для того, чтобы исключить влияние на момент М центробежных сил (они мешают получению максимальных КПД), необходимо, чтобы точка О приблизительно совпадала c центром тяжести поперечного сечения лопасти 2. Поскольку для поворота в нужную сторону точка О должна располагаться между носком лопасти 2 и точкой О', необходимо соответствующим образом перераспределить массы внутри ее поперечного сечения, в том числе с использованием материалов разной плотности. С этой целью лопасть 2 может быть выполнена с дополнительной полостью 13 (по меньшей мере одной), кроме того, вблизи носка лопасти 2 можно расположить материал с большой плотностью ρ и т.д.On a larger scale, the blade 2 in the left position (FIG. 2) is shown in FIG. 3, and in the position on the right in FIG. 4. In FIG. 3 and 4, the letter O 'denotes the intersection of the resultant hydrodynamic (aerodynamic) forces with the chord of the blade. Typically, for symmetrical profiles at angles of attack ^of α ≅ 12 is spaced from the toe of the blade about 0,22b, wherein the chord length b. Instead of the resultant in FIG. Figures 3 and 4 show its components, namely, the wing lift P and the drag force Q. Since P >> Q and the angle α <15 ^{about the} moment M, the resultant hydrodynamic forces relative to the point O of the axis of rotation of the blade are approximately equal to M

P ˙ OO ', where OO' is the distance between points O and O '. In order to exclude the influence of centrifugal forces at the moment M (they prevent obtaining maximum efficiency), it is necessary that the point O approximately coincides with the center of gravity of the cross section of the blade 2. Since, for rotation in the right direction, the point O should be located between the nose of the blade 2 and the point O ', it is necessary to appropriately redistribute the masses inside its cross section, including using materials of different densities. To this end, the blade 2 can be made with an additional cavity 13 (at least one), in addition, material with a high density ρ, etc., can be placed near the nose of the blade 2.

Если конструктивно не удается решить проблемы смещения центра тяжести поперечного сечения в точку О поворота лопасти, а момент центробежных сил относительно точки О сравним по величине с моментом гидродинамических сил относительно той же точки, то, как показано на фиг. 6, в турбине используется четное число лопастей, расположенных симметрично относительно оси вращения турбины (в рассматриваемом случае лопасти). Эти лопасти связаны между собой соединительным элементом (тягой 14), снабженным на концах шарнирами (радиальными подшипниками скольжения) 15 с осью вращения в точке О''. Тяга 14 прямолинейна, работает на растяжение (в варианте выполнения может быть использована серьга, охватывающая вал) и пропущена через отверстие, выполненное в валу. Для того, чтобы тяга 14 при вращении не вызывала дополнительные потери энергии, ее можно расположить в полости (в пазу), выполненной в диске 3. До поворота лопасти точка О'' расположена на расстоянии R от оси вращения турбины, таком же, как и точка О оси поворота лопасти, т.е. длина тяги равна 2R. Точка О'' расположена между точкой О и задней кромкой лопасти 2. If structurally unable to solve the problem of shifting the center of gravity of the cross section to the point of rotation of the blade, and the moment of centrifugal forces relative to point O is comparable in magnitude with the moment of hydrodynamic forces relative to the same point, then, as shown in FIG. 6, the turbine uses an even number of blades located symmetrically with respect to the axis of rotation of the turbine (in this case, the blades). These blades are interconnected by a connecting element (rod 14), provided at the ends with hinges (radial plain bearings) 15 with the axis of rotation at the point O ''. The rod 14 is straightforward, works in tension (in the embodiment, an earring covering the shaft can be used) and passed through an opening made in the shaft. In order that the rod 14 during rotation does not cause additional energy losses, it can be located in the cavity (in the groove) made in the disk 3. Before the blade rotates, the point О '' is located at a distance R from the axis of rotation of the turbine, the same as point About the axis of rotation of the blade, i.e. traction length is 2R. Point O '' is located between point O and the trailing edge of the blade 2.

В подтверждение практической целесообразности использования торсиона 9 приведем некоторые количественные оценки для момента М и размеров торсиона 9 применительно к модели ортогональной турбины мощностью в несколько киловатт. Примем следующие размеры турбины: R 0,125 м, D 2R 0,25 м, длина лопасти l 0,2 м, длина хорды лопасти b 0,05 м. Допустим, что турбина работает на воде с постоянной частотой вращения, равной 10 об/с (ω= 62,8). Тогдa U ωR

8 м/с м/с. Сила Р определяется по формуле
P ζ

lb где ρ плотность воды; а при ζ угле атаки α= 12^о равен приблизительно 1,2. Предположим, что скорость потока V вблизи лопасти равна примерно 6 м/с и перпендикулярна вектору

, тогда W 10 м/с, а Р

60 кГс. Если принять плечо силы Р (расстояние ОО') равным 0,4 см 0,004 м, то М 0,26 кГм 26 кГсм. Если в качестве торсиона 9 взять круглый пруток диаметром 0,35 см и длиной 20 см, то под действием этого момента конец торсиона, связанный с лопастью 2, поворачивается на угол

25^о, а максимальное касательное напряжения τ не превышает при этом 31 кГ/см². При максимальной толщине лопасти 1,2 см (например, для профиля NACA 0024) размещение такого торсиона внутри лопасти не вызывает каких-либо затруднений. При переходе от модели к натуре (с увеличением диаметра турбины) размеры торсиона растут пропорционально увеличению линейных размеров турбины (пропорционально масштабу), а уровень максимальных напряжений и максимальных углов закрутки не меняется. Для достижения при прочих равных условиях минимального значения касательных напряжений τ_mах cледует стремиться к увеличению соотношения l/D (при увеличении l/D, например, в два раза, во столько же раз уменьшается <τ_mах).In support of the practical feasibility of using torsion 9, we present some quantitative estimates for moment M and the dimensions of torsion 9 as applied to the model of an orthogonal turbine with a power of several kilowatts. Let us take the following turbine sizes: R 0.125 m, D 2R 0.25 m, blade length l 0.2 m, blade chord length b 0.05 m. Assume that the turbine operates on water with a constant speed of 10 r / s (ω = 62.8). Then U ωR

8 m / s m / s. The force P is determined by the formula
P ζ

lb where ρ is the density of water; and when ζ angle of attack ^of α = 12 is approximately 1.2. Assume that the flow velocity V near the blade is approximately 6 m / s and is perpendicular to the vector

then W 10 m / s, and P

60 kG. If we take the shoulder of the force P (distance ОО ') equal to 0.4 cm 0.004 m, then M 0.26 kgf 26 kgf. If as a torsion 9 take a round bar with a diameter of 0.35 cm and a length of 20 cm, then under the influence of this moment the end of the torsion bar connected with the blade 2 is rotated by an angle

25 ^about , and the maximum tangential stress τ does not exceed 31 kg / cm ² . With a maximum blade thickness of 1.2 cm (for example, for the NACA 0024 profile), the placement of such a torsion bar inside the blade does not cause any difficulties. In the transition from model to nature (with an increase in the diameter of the turbine), the torsion bar dimensions increase in proportion to the increase in the linear dimensions of the turbine (in proportion to the scale), and the level of maximum stresses and maximum twist angles does not change. To achieve, ceteris paribus, the minimum value of the tangential stresses τ _{max, one} should strive to increase the ratio l / D (with an increase in l / D, for example, twice, <τ _max decreases by the same amount).

Работает турбина следующим образом. The turbine operates as follows.

При помещении турбины в поток воды или воздуха, например, при открывании регулирующего затвора в напорном водоводе прямоугольного поперечного сечения (фиг. 2) лопасти турбины приходят в движение в направлении, показанном на фиг. 2 стрелкой, и начинают вращать вал 1. Движение лопастей по стрелке возникнет вследствие неодинакового сопротивления лопасти 2 при обтекании ее с носка и с хвоста (в положениях вверху и внизу), а также вследствие отклонения лопасти 2 на угол φ со знаком "-" (слева) и на угол φ со знаком "+" (справа). Пока лопасть 2 не набрала расчетной линейной скорости вращения

, вектор

меньше расчетного значения и ближе по напpавлению к вектору

. Тем не менее и в этом случае возникает подъемная сила Р, которая создает крутящий момент и поворачивает лопасть 2 на угол φ (фиг. 3 и 4). Проекция подъемной силы на касательную к окружности за вычетом проекции силы лобового сопротивления Q на ту же касательную дает тянущую силу, направленную в сторону движения лопасти как на фиг. 3, так и на фиг. 4. Турбина под действием тянущей силы разгоняется. По мере увеличения

увеличиваются W, P, M, угол φ на фиг. 3 и 4 и тянущая сила. По достижении расчетной скорости

включается в работу соединенный с валом 1 генератор (не показан), отбирая мощность от турбины и сохраняя постоянной частоту ее вращения. Так турбина входит в нормальный режим работы. При перемещении лопасти по круговой трассе угол φ поворота лопасти изменяется от нуля до максимального значения со знаком "-" и опять до нуля на выпуклом участке трассы, а затем от нуля до максимума со знаком "+" и опять до нуля на вогнутом участке трассы. В положениях на фиг. 3 и 4 момент М равнодействующей гидродинамических сил (момент центробежных сил относительно точки О благодаря совмещению ее с центром тяжести примерно равен нулю) уравновешивается противоположным по знаку моментом упругих сил торсиона 9. В положениях вверху и внизу (фиг. 2) момент М 0, а силы упругости торсиона 9 возвращают лопасть в исходное положение, при котором хорда лопасти располагается по касательной к окружности. Таким образом, за один оборот лопасти торсион закручивается сначала в одном, а затем в другом направлении. Как видно из фиг. 3 и 4, благодаря повороту лопасти потоком на угол φ угол атаки α сохраняется в пределах допустимого α ≅ 13^о, несмотря на то, что отношение модулей скоростей

находится вблизи единицы. У ортогональных турбин с жестко закрепленной лопастью это отношение при α ≈13^о равно примерно четырем. Отсюда видно, что при повороте лопасти скорость V может быть по абсолютной величине сравнима со скоростью U, в то время как без поворота с учетом указанного соотношения она по условиям кавитации не должна превышать 3 м/с.When a turbine is placed in a stream of water or air, for example, when the control shutter is opened in a pressure cross-section of a rectangular cross-section (Fig. 2), the turbine blades move in the direction shown in FIG. 2 by the arrow, and the shaft 1 begins to rotate. The movement of the blades in the direction of the arrow will occur due to the unequal resistance of the blade 2 when it flows from the nose and tail (in the positions above and below), as well as due to the deviation of the blade 2 by an angle φ with a “-" sign ( left) and angle φ with the plus sign (right). Until blade 2 has gained a calculated linear rotational speed

, vector

less than the calculated value and closer in direction to the vector

. Nevertheless, in this case, a lifting force P arises, which creates a torque and rotates the blade 2 by an angle φ (Figs. 3 and 4). The projection of the lifting force onto the tangent to the circle minus the projection of the drag force Q onto the same tangent gives a pulling force directed to the direction of motion of the blade as in FIG. 3 and in FIG. 4. The turbine accelerates under the pulling force. As you increase

increase W, P, M, the angle φ in FIG. 3 and 4 and pulling force. Upon reaching design speed

a generator (not shown) connected to the shaft 1 is turned on, taking power from the turbine and keeping its rotation frequency constant. So the turbine enters normal operation. When moving the blade along a circular path, the angle of rotation of the blade changes from zero to a maximum value with a “-” sign and again to zero on a convex section of the track, and then from zero to a maximum with a “+” sign and again to zero on a concave section of the track. In the provisions of FIG. 3 and 4, the moment M of the resultant hydrodynamic forces (the moment of centrifugal forces relative to the point O due to its combination with the center of gravity is approximately equal to zero) is balanced by the opposite in sign moment of the elastic forces of torsion 9. In the positions above and below (Fig. 2), the moment is M 0, and the elastic forces of torsion 9 return the blade to its original position, in which the chord of the blade is tangent to the circle. Thus, in one revolution of the blade, the torsion is twisted first in one and then in the other direction. As can be seen from FIG. 3 and 4, due to the rotation of the blade by the flow at an angle φ, the angle of attack α is kept within the allowable α ≅ 13 ^о , despite the fact that the ratio of the velocity moduli

is close to one. Y orthogonal turbine blade is rigidly fixed ratio of the α ≈13 ^about equal to about four. This shows that when the blade rotates, the speed V can be in absolute value comparable with the speed U, while without rotation, taking into account the indicated ratio, it should not exceed 3 m / s under cavitation conditions.

Рост скоростей течения V означает при высоких КПД рост мощности турбины. Действительно на фиг. 3 и 4 видно, что проекция силы Р на касательную к окружности больше, а проекция силы Q меньше, чем проекция этих же сил на хорду лопасти. Таким образом, тянущая сила лопасти при повороте ее на угол φ (фиг. 3 и 4) увеличивается по сравнению с тем, как если бы лопасть была закреплена жестко и ее хорда совпадала с касательной. Это приводит к увеличению мощности турбины при росте скорости V. Одновременно увеличивается КПД турбины, поскольку улучшается (увеличивается) отношение проекции силы Р на касательную к проекции на ту же касательную силы Q при оптимальном угле атаки α. КПД турбины растет, поскольку уменьшается относительное влияние сил лобового сопротивления по сравнению с тянущей силой. Отметим, что лопасть 2 под действием гидродинамических сил и сил упругости торсиона 9 автоматически отклоняется на предельный угол φ, различный на различных участках трассы. Выбор предельного (максимального) угла отклонения, соответствующей жесткости торсиона и положения точки поворота О определяется условиями нормальной работы турбины на расчетном напоре. При уменьшении напора на турбине сохраняется линейная скорость лопасти U, например, при поддержании постоянной частоты вращения генератора с помощью сети или регулятора, управляющего затвором. Скорость потока V уменьшается. Соответственно уменьшается момент М силы Р и максимальный угол отклонения φ. В пределе при скорости V << U угол φ становится близким к нулю. Характеристика торсиона линейна, а закон изменения момента М с изменением напора близок к линейной зависимости. Поэтому всегда можно подобрать такие параметры торсиона и расстояние ОО' либо предусмотреть ограничение угла φ на максимальном напоре, например, с помощью ограничителя, устанавливаемого на диске 3, чтобы практически во всем диапазоне изменения напоров угол атаки α оставался в оптимальных пределах, 8-13^о, следовательно, во всем диапазоне изменения напоров турбина работает с максимальным КПД. Заметим, что при V << U и φ ->> 0 получается предельный случай ортогональной турбины с жесткой установкой лопастей, способной работать только на низких напорах. Следовательно, благодаря предложенному конструктивному решению достигается поставленная цель увеличение КПД турбины при изменении напоров и, кроме того, увеличивается мощность турбины. Быстроходная ортогональная турбина с предложенным механизмом поворота лопастей может теперь эффективно работать и при напорах, существенно превышающих 2 м.An increase in flow velocities V means, at high efficiency, an increase in turbine power. Indeed in FIG. 3 and 4 it is seen that the projection of the force P on the tangent to the circle is larger, and the projection of the force Q is less than the projection of the same forces on the chord of the blade. Thus, the pulling force of the blade when it is rotated through an angle φ (Figs. 3 and 4) increases compared to the same as if the blade was fixed rigidly and its chord coincided with the tangent. This leads to an increase in turbine power with an increase in speed V. At the same time, the turbine efficiency increases, since the ratio of the projection of the force P onto the tangent to the projection onto the same tangent force Q improves (increases) at an optimal angle of attack α. The efficiency of the turbine increases, since the relative influence of the drag forces is reduced compared to the pulling force. Note that the blade 2 under the influence of hydrodynamic forces and elastic forces of the torsion 9 is automatically deflected by a limiting angle φ, different in different sections of the route. The choice of the maximum (maximum) deflection angle, the corresponding torsion stiffness and the position of the turning point O is determined by the conditions of normal operation of the turbine at the design pressure. When the pressure decreases on the turbine, the linear speed of the blade U is maintained, for example, while maintaining a constant generator speed using a network or a regulator that controls the shutter. The flow rate V decreases. Accordingly, the moment M of force P and the maximum deflection angle φ decrease. In the limit, at a speed of V << U, the angle φ becomes close to zero. The characteristic of the torsion is linear, and the law of change in moment M with a change in pressure is close to a linear dependence. Therefore it is always possible to choose parameters such torsion and the distance OO 'or provide limitation of the angle φ at maximum head, e.g., via the limiter mounted on the disk 3, to almost the entire range of angle of attack pressures α remained in the optimal range, ^about 8-13 therefore, over the entire range of pressure changes, the turbine works with maximum efficiency. Note that for V << U and φ - >> 0, we get the limiting case of an orthogonal turbine with a rigid installation of blades, capable of working only at low heads. Therefore, thanks to the proposed structural solution, the goal is achieved to increase the efficiency of the turbine when the pressure changes and, in addition, the turbine power increases. The high-speed orthogonal turbine with the proposed mechanism for turning the blades can now work effectively even with pressures significantly exceeding 2 m.

Работа ортогональной турбины на фиг. 6 принципиально не отличается от ее работы в варианте исполнения, показанном на фиг. 2, 3 и 4. Разница состоит лишь в том, что если центр тяжести лопасти не совпадает с точкой О на фиг. 3, а смещен в сторону задней кромки лопасти, то возникает существенный момент центробежных сил относительно точки О. При отсутствии тяги 14 он препятствует повороту лопасти на угол ± φ в положениях лопасти на фиг. 3 и 4, т. е. мешает нормальной работе турбины. При наличии тяги 14 моменты от центробежных сил, действующие на противолежащие лопасти, взаимно уравновешиваются, вызывая в тяге 14 растягивающие напряжения. Отметим, что при повороте лопастей относительно точки О на одинаковые углы ± φ расстояние между осями крепления концов тяги (точки О'' на противолежащих лопастях) не меняется благодаря тому, что при φ 0 оно равнялось 2R, т.е. расстояние между центрами поворота противолежащих лопастей ноль. Следовательно, тяга 14 не препятствует повороту лопастей на необходимый угол φ и в то же время исключает из работы (попарно уравновешивает) центробежные силы. Небольшие моменты от центробежных сил, которые не удается компенсировать и которые связаны с изменением расстояния центра тяжести лопасти от оси вращения турбины при ее повороте на угол ± φ, невелики и практически не оказывают влияния на работу ортогональной турбины. Выполненные количественные оценки величины инерционных сил при повороте лопастей вокруг оси О на угол ± φ показывают, что для реально существующих конструкций лопасть успевает повернуться на требуемый угол на достаточно коротком участке трассы по сравнению с ее общей длиной. The operation of the orthogonal turbine in FIG. 6 does not fundamentally differ from its operation in the embodiment shown in FIG. 2, 3 and 4. The only difference is that if the center of gravity of the blade does not coincide with point O in FIG. 3, and is shifted toward the trailing edge of the blade, a significant moment of centrifugal forces arises with respect to point O. In the absence of traction 14, it prevents the blade from rotating through an angle ± φ in the blade positions in FIG. 3 and 4, i.e., interferes with the normal operation of the turbine. In the presence of traction 14, moments from centrifugal forces acting on opposing blades are mutually balanced, causing tensile stresses in traction 14. Note that when the blades rotate relative to the point О by the same angles ± φ, the distance between the axes of attachment of the ends of the thrust (points О '' on opposite blades) does not change due to the fact that at φ 0 it was 2R, i.e. the distance between the centers of rotation of the opposing blades is zero. Therefore, the thrust 14 does not prevent the rotation of the blades at the required angle φ and at the same time excludes from the work (in pairs balances) centrifugal forces. Small moments from centrifugal forces, which cannot be compensated and which are associated with a change in the distance of the center of gravity of the blade from the axis of rotation of the turbine when it is rotated through an angle ± φ, are small and practically do not affect the operation of the orthogonal turbine. The quantitative estimates of the value of the inertial forces when the blades rotate around the O axis by an angle ± φ show that for really existing structures the blade manages to rotate by the required angle on a fairly short section of the route compared to its total length.

Работа осевой турбины в варианте исполнения на фиг. 5 отличается от работы ортогональной турбины только тем, что угол поворота лопастей φ не меняется по трассе движения лопасти. Он меняется только при изменении напора на турбине и при изменении направления потока воды (воздуха). The operation of the axial turbine in the embodiment of FIG. 5 differs from the operation of an orthogonal turbine only in that the angle of rotation of the blades φ does not change along the path of the blade. It changes only when the pressure on the turbine changes and when the direction of the flow of water (air) changes.

Для воздушных турбин с вертикальной осью (ветроагрегатов) использование предложенного технического решения позволяет существенно увеличить КПД турбины при изменении скорости ветра и постоянной частоте вращения турбины. Линейная скорость вращения лопастей воздушных турбин может быть при этом уменьшена практически вдвое без ущерба для выработки энергии, что очень важно с точки зрения экологии. For air turbines with a vertical axis (wind turbines), the use of the proposed technical solution can significantly increase the efficiency of the turbine when the wind speed changes and the turbine speed is constant. The linear speed of rotation of the blades of air turbines can be reduced by almost half without compromising energy production, which is very important from an environmental point of view.

Claims

1. A TURBINE, comprising a shaft, an impeller mounted on the shaft with straight blades of an aerodynamic profile, connected to the shaft by means of supporting elements, and elastic elements, each of which is connected at least at one point with a corresponding blade, and at the other with a bearing element, wherein each blade is mounted on the corresponding supporting element with the possibility of rotation relative to the attachment point around its longitudinal axis, characterized in that the attachment point of each blade is located between its toe and rear Romka at a distance from the tip of the sock in the range 0 0.4 times the chord length of the blade, the axial cavity formed in each blade, and the elastic elements are designed as torsion bars and are installed in cavities of the respective blades.

2. The turbine according to claim 1, characterized in that the line of centers of gravity in the cross section of each blade passes through the attachment point.

3. The turbine according to claim 1, characterized in that it is made with an even number of blades, diametrically opposed blades are interconnected by radial connecting elements, the ends of which are mounted on the blades with the possibility of rotation relative to the latter.