RU88071U1

RU88071U1 - ACTIVE HYDRAULIC TURBINE

Info

Publication number: RU88071U1
Application number: RU2009118900/22U
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Чулков
Original assignee: Илья Николаевич Чулков
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2009-10-27

Abstract

1. Активная гидравлическая турбина, содержащая ротор с горизонтальным валом и выдвигающимися с помощью пружин лопастями, расположенными вокруг него, и устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, отличающаяся тем, что она снабжена пьезоэлементами, установленными в лопастях, и устройством для передачи вырабатываемого ими тока. ! 2. Активная гидравлическая турбина по п.1, отличающаяся тем, что устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, дополнительно содержит электромагнитный элемент, установленный неподвижно на валу с возможностью взаимодействия после выхода из рабочей зоны с электромагнитными защелками, а ротор свободно установлен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг него. ! 3. Активная гидравлическая турбина по п.2, отличающаяся тем, что электромагниты в электромагнитных защелках установлены с возможностью поворота.1. An active hydraulic turbine containing a rotor with a horizontal shaft and blades extending by means of springs, located around it, and a device that retract the blades after leaving the working area, characterized in that it is equipped with piezoelements installed in the blades and a device for transferring the generated them current. ! 2. An active hydraulic turbine according to claim 1, characterized in that the device that slides the blades after leaving the working area further comprises an electromagnetic element mounted fixedly on the shaft with the possibility of interaction after leaving the working area with electromagnetic latches, and the rotor is freely mounted on a fixed shaft with the possibility of rotation around it. ! 3. An active hydraulic turbine according to claim 2, characterized in that the electromagnets in the electromagnetic latches are rotatably mounted.

Description

Полезная модель относится к гидротехнике, а именно к свободноструйным турбинам и может быть использовано в качестве турбогенератора-движителя транспортного средства и турбогенератора в условиях медленного течения рабочей среды.The utility model relates to hydraulic engineering, namely to free-flow turbines and can be used as a turbo-generator-propulsion vehicle and a turbo-generator in a slow flow medium.

Известно Колесо Пельтона (Рыжков К.В. «100 великих изобретений», М.: Вече, 2005, с.210), содержащее колесо, жестко соединенное с горизонтальным валом и лопатками, расположенными вокруг него и устройство для подачи воды сильной струей. Лопатки выполнены вогнутыми с острым ребром посередине для разрезания струи воды.The Pelton Wheel is known (K. Ryzhkov “100 Great Inventions”, Moscow: Veche, 2005, p. 210), containing a wheel rigidly connected to a horizontal shaft and blades located around it and a device for supplying water with a strong jet. The blades are made concave with a sharp rib in the middle for cutting a jet of water.

Устройство было удобно там, где имелась возможность создать сильный напор воды. При этом условии КПД был очень высок и приближался к 85%.The device was convenient where it was possible to create a strong pressure of water. Under this condition, the efficiency was very high and approached 85%.

Недостатком является необходимость дополнительного условия работы - высокого напора воды, что обусловливает необходимость устройства для стабильной подачи воды под напором.The disadvantage is the need for an additional working condition - high water pressure, which necessitates a device for a stable supply of water under pressure.

При сильном напоре воды повышается кавитация, а в условиях медленного течения воды устройство не эффективно.With a strong pressure of water, cavitation increases, and in a slow flow of water the device is not effective.

Устройство энергию рабочей среды использует лишь частично, а именно для вращения турбины, самостоятельно не вырабатывая ток, что снижает КПД.The device uses the energy of the working medium only partially, namely for rotation of the turbine, without generating current on its own, which reduces the efficiency.

Кроме того, устройство невозможно использовать в качестве движителя транспортного средства, т.к. лопатки не задвигаются, после выхода из рабочей зоны, повышая потери энергии на сопротивление встречному потоку, что может вызвать их поломку. Это снижает КПД и сужает эксплуатационные возможности.In addition, the device cannot be used as a vehicle propulsion, because the blades do not retract after leaving the working area, increasing the energy loss on the resistance to the oncoming flow, which can cause them to break. This reduces efficiency and reduces operational capabilities.

Известна также безнапорная активная гидротурбина по заявке на изобретение №2006105932, F03B 1/00, принятая за прототип и содержащая горизонтальный вал и расположенные параллельно оси вала радиальные лопасти. Каждая лопасть содержит несколько лопастных элементов, подвижно соединенных между собой и валом посредством шарниров с возможностью одностороннего отклонения лопастей встречным потоком или копиром в сторону, противоположную вращению турбины, и возвращения лопастей пружинами или копиром в развернутое положение пред входом в рабочую зону. Вал жестко соединен с лопастями и вращается вместе с ними.Non-pressure active hydraulic turbine is also known according to the application for invention No. 2006105932, F03B 1/00, adopted as a prototype and containing a horizontal shaft and radial blades parallel to the axis of the shaft. Each blade contains several blade elements, movably connected to each other and the shaft by means of hinges with the possibility of one-sided deflection of the blades by the oncoming flow or copier in the direction opposite to the rotation of the turbine, and returning the blades by springs or copier to the deployed position before entering the working area. The shaft is rigidly connected to the blades and rotates with them.

Однако устройство использует энергию рабочей среды лишь частично, а именно для вращения турбины, самостоятельно не вырабатывая ток, что снижает КПД.However, the device uses the energy of the working medium only partially, namely for rotation of the turbine, without generating current independently, which reduces the efficiency.

Устройство нельзя использовать в качестве движителя транспортного средства, т.к. лопасти не задвинутся при рабочей скорости (высокой) транспортного средства и турбина, вращаясь навстречу потоку рабочей среды, создаст давление на лопасти вне рабочей зоны почти равное давлению на лопасти в рабочей зоне, что сведет КПД почти к нулю. Это сужает эксплуатационные возможности.The device cannot be used as a vehicle propulsion device, as the blades will not slide in at the operating speed of the (high) vehicle and the turbine, rotating towards the flow of the working medium, will create pressure on the blades outside the working area almost equal to the pressure on the blades in the working area, which will reduce the efficiency to almost zero. This limits the operational capabilities.

Сила упругости пружин, задвигающих лопасти после выхода из рабочей зоны, будет меньше сопротивления рабочей среды и лопасти останутся открытыми, что повысит сопротивление вращению турбины, снижая КПД и создаст встречный вращению движителя паразитный турбулентный поток.The elastic force of the springs retracting the blades after leaving the working area will be less than the resistance of the working medium and the blades will remain open, which will increase the resistance to rotation of the turbine, reducing efficiency and create a parasitic turbulent flow counter to the rotation of the propulsion.

Для применения копира, задвигающего лопасти после выхода из рабочей зоны, необходимо мощное устройство, преодолевающее сопротивление рабочей среды, которое можно установить только вне турбины, что увеличивает ее габариты и загромождает транспортное средство, ограниченное в пространстве, или другое помещение. Такой копир предусматривает большое количество подвижных механических связей и узлов, требующих смазки и усложняющих конструкцию, что снижает надежность и усложняет обслуживание.To use a copier that retracts the blades after leaving the working area, you need a powerful device that overcomes the resistance of the working medium, which can only be installed outside the turbine, which increases its size and clutters the vehicle, limited in space, or another room. Such a copier provides a large number of movable mechanical ties and assemblies requiring lubrication and complicating the design, which reduces reliability and complicates maintenance.

Даже при традиционном использовании турбины, вращающейся потоком рабочей среды, пружины, управляющие лопастями, со временем растягиваются и не могут надежно удерживать их, например, в закрытом положении после выхода из рабочей зоны. Это увеличивает сопротивление потоку рабочей среды, снижая КПД. Использование силы упругости пружин вместе с силой собственного веса лопастей для задвигания последних возможно лишь при низкой угловой скорости турбины.Even with the traditional use of a turbine rotating with a flow of the working medium, the springs controlling the blades stretch over time and cannot reliably hold them, for example, in the closed position after leaving the working area. This increases the resistance to the flow of the working medium, reducing efficiency. The use of the spring force of the springs together with the force of the dead weight of the blades to retract the latter is possible only at a low angular velocity of the turbine.

Задачей полезной модели является повышение КПД и расширение эксплуатационных возможностей.The objective of the utility model is to increase efficiency and expand operational capabilities.

Активная гидравлическая турбина содержит ротор с горизонтальным валом и выдвигающимися с помощью пружин лопастями, расположенными вокруг него, и устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны.An active hydraulic turbine comprises a rotor with a horizontal shaft and blades extending around by springs using springs and a device retracting the blades after leaving the working area.

В отличие от прототипа она снабжена пьезоэлементами, установленными в лопастях, и устройством для передачи вырабатываемого ими тока.Unlike the prototype, it is equipped with piezoelectric elements installed in the blades, and a device for transmitting the current generated by them.

Устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, дополнительно содержит электромагнитный элемент, установленный неподвижно на валу с возможностью взаимодействия после выхода из рабочей зоны с электромагнитными защелками, а ротор свободно установлен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг него.The device retracting the blades after exiting the working area further comprises an electromagnetic element mounted motionless on the shaft with the possibility of interaction after leaving the working area with electromagnetic latches, and the rotor is freely mounted on the fixed shaft with the possibility of rotation around it.

Электромагниты в электромагнитных защелках установлены с возможностью поворота.The electromagnets in the electromagnetic latches are rotatably mounted.

Снабжение каждой лопасти пьезоэлементом обеспечивает выработку тока лопастями. В результате каждая лопасть является генератором тока, что позволяет максимально использовать энергию рабочей среды, повышает КПД. Это позволяет использовать устройство в качестве турбогенератора и турбогенератора-движителя транспортного средства, что расширяет эксплуатационные возможности. При этом в качестве рабочей среды можно использовать воду, воздух и частичное погружение в воду. Турбогенератор можно использовать в качестве тягового винта воздушного транспортного средства.The supply of each blade with a piezoelectric element ensures the generation of current by the blades. As a result, each blade is a current generator, which allows maximum use of the energy of the working medium, increases efficiency. This allows you to use the device as a turbogenerator and a turbogenerator-propulsion vehicle, which extends the operational capabilities. At the same time, water, air and partial immersion in water can be used as a working medium. The turbogenerator can be used as a traction screw for an air vehicle.

Наличие устройства для передачи вырабатываемого лопастями тока позволяет довести его до потребителя.The presence of a device for transmitting the current generated by the blades allows you to bring it to the consumer.

Наличие неподвижного вала, на котором установлен ротор с возможностью свободного вращения, позволяет закрепить жестко на валу неподвижный электромагнитный элемент устройства, задвигающего лопасти после выхода из рабочей зоны, повышая надежность конструкции.The presence of a fixed shaft, on which the rotor is mounted with the possibility of free rotation, allows you to fix rigidly on the shaft a fixed electromagnetic element of the device that retracts the blades after leaving the working area, increasing the reliability of the structure.

Наличие неподвижного вала позволяет выполнить в нем каналы для подведения охлаждающей среды внутрь пустотелого ротора и вывести наружу с другого конца вала нагретый охладитель. Это позволяет использовать в качестве рабочей среды утилизируемый горячий пар и газ, который ранее выбрасывался в атмосферу, что расширяет эксплуатационные возможности устройства.The presence of a fixed shaft makes it possible to make channels in it for supplying a cooling medium into the hollow rotor and to bring out the heated cooler from the other end of the shaft. This allows the use of utilized hot steam and gas that was previously released into the atmosphere as a working medium, which expands the operational capabilities of the device.

Электромагнитное устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, позволяет надежно закрыть лопасти и удержать в этом положении после выхода из рабочей зоны даже при сильном давлении рабочей среды, действующей навстречу вращению турбины, если использовать ее в качестве движителя транспортного средства. При этом сопротивление рабочей среде минимально после выхода из рабочей зоны, что повышает скорость движения транспортного средства. Часть электроэнергии, вырабатываемой лопастями, используют для работы электромагнитного устройства, что удобно и экономично.An electromagnetic device that retracts the blades after leaving the working area allows you to reliably close the blades and hold in this position after leaving the working area even with a strong pressure of the working medium acting against the rotation of the turbine, if you use it as a vehicle propulsion. In this case, the resistance to the working environment is minimal after leaving the working area, which increases the speed of the vehicle. Part of the electricity generated by the blades is used to operate an electromagnetic device, which is convenient and economical.

Установка электромагнитов в защелках с возможностью поворота позволяет поворачиваться электромагнитам встречно магнитному потоку электромагнитного элемента. Это ускоряет реагирование электромагнитов в защелках, увеличивая скорость закрытия лопасти после выхода из рабочей зоны, а также снижает ток, текущий по обмотке электромагнитных защелок, за счет использования магнитного потока с максимально короткими магнитными силовыми линиями.The installation of electromagnets in the latches with the possibility of rotation allows the electromagnets to rotate counter to the magnetic flux of the electromagnetic element. This accelerates the response of electromagnets in the latches, increasing the speed of closing the blade after leaving the working area, and also reduces the current flowing through the winding of the electromagnetic latches due to the use of magnetic flux with the shortest magnetic field lines.

Устройство представлено на чертежах.The device is shown in the drawings.

Фиг.1 Гидравлическая турбина. Общий вид.Figure 1 Hydraulic turbine. General form.

Фиг.2 Гидравлическая турбина с выдвинутой лопастью.Figure 2 Hydraulic turbine with extended blade.

Фиг.3 Сечение А-А на Фиг.1, увеличено.Figure 3 Cross-section aa in figure 1, enlarged.

Фиг.4 Сечение В-В на Фиг.1, увеличено.Figure 4 Section BB in Figure 1 is enlarged.

Фиг.5 Сечение С-С на Фиг.1Figure 5 Section CC in Figure 1

Фиг.6 Сечение D-D на Фиг.1, увеличено.Fig.6 Cross-section D-D in Fig.1, enlarged.

Фиг.7 Лопасть в разрезе, увеличено.Fig.7. The blade in section, enlarged.

Фиг.8 Фрагмент лопасти на Фиг.7, увеличено.Fig. 8 A fragment of the blade in Fig. 7 is enlarged.

Фиг.9 Электромагнитный элемент с валом, уменьшено.Fig.9 Electromagnetic element with a shaft, reduced.

Фиг.10 Вид А на фиг.9.Figure 10 View a in figure 9.

Гидравлическая турбина содержит герметичный пустотелый ротор 1, установленный на неподвижном горизонтальном валу 2 с возможностью вращения вокруг него. На роторе 1 радиально по окружности закреплены выдвигающиеся лопасти 3 с помощью шарниров 4, Фиг.1-5. Каждая лопасть 3 содержит основание 5, например, из кованого титана, на котором послойно плотно уложены: асбестовая прокладка 6, внутренний электроконтакт 7, пьезокерамический элемент 8, внешний электроконтакт 9, асбестовая прокладка 10 и подвижная (прогибающаяся под давлением рабочей среды) мембрана 11, например из бериллиевой бронзы, которая прижимает вышеуказанные слои к основанию 5 винтами 12. Герметичность внутри лопасти 3 обеспечивает уплотнительная прокладка 13, например, из алюминия, Фиг.7, 8. Электроконтакты 7 и 9 выполнены, например, из электролитической меди или бериллиевой бронзы и подключены к гибкому двухжильному электропроводу, не показано.The hydraulic turbine contains a sealed hollow rotor 1 mounted on a stationary horizontal shaft 2 with the possibility of rotation around it. Retractable blades 3 are mounted radially around the rotor 1 with the help of hinges 4, Figs. 1-5. Each blade 3 contains a base 5, for example, of forged titanium, on which the asbestos gasket 6, the internal electrical contact 7, the piezoceramic element 8, the external electrical contact 9, the asbestos gasket 10 and the movable (bending under pressure of the working medium) membrane 11 for example, from beryllium bronze, which presses the above layers to the base 5 with screws 12. The tightness inside the blade 3 is provided by a gasket 13, for example, from aluminum, Figs. 7, 8. Electrical contacts 7 and 9 are made, for example, from ele troliticheskoy copper or beryllium copper and is connected to a flexible two-wire electric wire, not shown.

Ротор 1 свободно установлен на валу 2 с помощью двух втулок 14 и 15, на которых закреплены коллекторы соответственно 16 и 17 со щеточными парами соответственно 18 и 19, удерживаемые в щеткодержателях соответственно 20 и 21, закрепленных на рычагах соответственно 22 и 23, Фиг.5-6.The rotor 1 is freely mounted on the shaft 2 using two bushings 14 and 15, on which the collectors 16 and 17, respectively, with brush pairs 18 and 19, respectively, are held in the brush holders 20 and 21, respectively, mounted on the levers 22 and 23, respectively, FIG. 5 -6.

Момент силы от ротора 1 через зубчатые колеса 24 передается электрогенератору (не показано) при варианте работы турбины в качестве турбогенератора. При варианте работы турбины в качестве движителя-турбогенератора для транспортного средства момент силы от одного или двух двигателей (не показано) к ротору 1 также передается через зубчатые колеса 24.The moment of force from the rotor 1 through the gears 24 is transmitted to an electric generator (not shown) when the turbine is operated as a turbogenerator. In the case of a turbine operating as a propulsion turbine generator for a vehicle, a moment of force from one or two engines (not shown) to the rotor 1 is also transmitted through gears 24.

Устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны содержит электромагнитный элемент 25, установленный на валу 2 с возможностью взаимодействия после выхода из рабочей зоны с подпружиненными электромагнитными защелками 26, установленными в лопастях 3, пружины 27 которых установлены в роторе 1 с возможностью взаимодействия с лопастями 3. Электромагнитные защелки 26, поворачиваются на угол 55°. Каждая лопасть 3 содержит по две пружины 27, работающие на сжатие (без нагрузки пружины 27 растянуты). Пружина 27 с одной стороны упирается в лопасть, а с другой - в стопор 28, фиг 3, 4, 6, 7. Электромагнитный элемент 25 выполнен в форме полукруга и жестко закреплен в средней части неподвижного вала 2, фиг 3, 9, 10. Пружина 27 установлена таким образом, что в свободном состоянии обеспечивает открытие лопасти 3 примерно на 5°.The device retracting the blades after exiting the working area contains an electromagnetic element 25 mounted on the shaft 2 with the possibility of interaction after exiting the working area with spring-loaded electromagnetic latches 26 installed in the blades 3, the springs 27 of which are installed in the rotor 1 with the ability to interact with the blades 3 The electromagnetic latches 26 are rotated through an angle of 55 °. Each blade 3 contains two springs 27, working in compression (without load, the springs 27 are stretched). The spring 27 on one side abuts against the blade, and on the other, into the stopper 28, Figs. 3, 4, 6, 7. The electromagnetic element 25 is made in the form of a semicircle and is rigidly fixed in the middle part of the fixed shaft 2, Figs. 3, 9, 10. The spring 27 is installed in such a way that in the free state provides the opening of the blade 3 by about 5 °.

На фиг.1 пунктирной линией 29 показана наружная стенка водного или воздушного транспортного средства или гидроэлектрического помещения, а пунктирной линией 30 показан уровень рабочей среды.1, the dashed line 29 shows the outer wall of a water or airborne vehicle or hydroelectric room, and the dashed line 30 shows the level of the medium.

Каждая электромагнитная защелка 26 имеет по две пружины 31 с каналом для проводов, подводящих питание к электромагнитным защелкам 26.Each electromagnetic latch 26 has two springs 31 with a channel for wires supplying power to the electromagnetic latches 26.

Все электроузлы устройства связаны в общую электрическую цепь (не показано).All electrical nodes of the device are connected to a common electrical circuit (not shown).

При использовании в качестве рабочей среды горячего пара и газа для охлаждения устройства подают охлаждающую среду через каналы, выполненные в валу (не показано).When using hot steam and gas as a working medium for cooling the device, a cooling medium is supplied through channels made in the shaft (not shown).

Устройство работает в двух режимах: турбогенератора-движителя для транспортного средства и турбогенератора.The device operates in two modes: a turbo-generator-propulsion device for a vehicle and a turbo-generator.

При работе турбины в качестве турбогенератора-движителя, например для водного транспортного средства вал турбины располагают перпендикулярно направлению движения транспортного средства. Ротор является ведущим по отношению к рабочей среде.When the turbine operates as a turbogenerator-propulsion, for example, for a water vehicle, the turbine shaft is perpendicular to the direction of travel of the vehicle. The rotor is leading in relation to the working environment.

Один или два двигателя (не показано) передают вращение ротору 1, который, захватывая лопастями воду, перемещает транспортное средство, выполняя функцию гребного колеса. При выходе лопасти 3 из рабочей зоны ее электромагнитные защелки 26, взаимодействуя с магнитным полем неподвижного электромагнитного элемента 25, начинают притягиваться к нему и задвигаются. При непосредственном подходе лопасти 3 к электромагнитному элементу 25 магнитное поле усиливается, суммируя силовые линии электромагнитов защелки 26 и элемента 25. Лопасть 3 полностью прижимается к ротору 1 (задвигается), преодолевая силу воздействия пружин 27 и рабочей среды, в зоне сильного воздействия электромагнитного элемента 25, фиг.3. По мере прохождения верхнего полукруга (электромагнитного элемента 25) лопастью 3 сила взаимодействия магнитных полей защелок 26 и электромагнитного элемента 25 постепенно ослабевает. Лопасть 3 начинает выдвигаться силою воздействия пружин 27, напором воды и собственным своим весом сначала на 5-10°, максимально выдвигаясь в нижней точке на 90°. При взаимодействии магнитных полей защелки 26 и элемента 25 электромагнит защелки 26 поворачивается встречно магнитному потоку электромагнитного элемента 25, увеличивая скорость закрытия лопасти 3. При выходе лопасти 3 из зоны взаимодействия магнитных полей, пружины 31 возвращают электромагнит защелки 26 в исходное положение.One or two engines (not shown) transmit the rotation to the rotor 1, which, capturing the blades of water, moves the vehicle, acting as a paddle wheel. When the blade 3 leaves the working area, its electromagnetic latches 26, interacting with the magnetic field of the stationary electromagnetic element 25, begin to be attracted to it and retracted. With the direct approach of the blade 3 to the electromagnetic element 25, the magnetic field is amplified by summing the lines of force of the electromagnets of the latch 26 and the element 25. The blade 3 is fully pressed against the rotor 1 (retracts), overcoming the force of the springs 27 and the working medium, in the zone of strong influence of the electromagnetic element 25 figure 3. As the upper semicircle (electromagnetic element 25) passes through the blade 3, the interaction force of the magnetic fields of the latches 26 and the electromagnetic element 25 gradually weakens. The blade 3 begins to be advanced by the force of the springs 27, the pressure of the water and its own weight, first by 5-10 °, maximally moving forward at the bottom point by 90 °. When the magnetic fields of the latch 26 and the element 25 interact, the electromagnet of the latch 26 rotates counter to the magnetic flux of the electromagnetic element 25, increasing the closing speed of the blade 3. When the blade 3 leaves the zone of interaction of the magnetic fields, the springs 31 return the electromagnet of the latch 26 to its original position.

При вращении лопастей 3 под действием рабочей среды периодически прогибаются мембраны 11, воздействующие на пьезоэлементы 8, которые вырабатывают электрический ток. Через коллекторы 16, 17 и щеточные пары 18, 19 электрический ток поступает потребителю.When the blades 3 rotate under the influence of the working medium, membranes 11 periodically bend, acting on the piezoelectric elements 8, which generate an electric current. Through the collectors 16, 17 and brush pairs 18, 19, electric current is supplied to the consumer.

Работа турбины в качестве турбогенератора аналогична вышеописанной, но ротор 1 является ведомым по отношению к рабочей среде, и вращается в направлении ее движения.The operation of the turbine as a turbogenerator is similar to the above, but the rotor 1 is driven in relation to the working medium, and rotates in the direction of its movement.

Claims

1. An active hydraulic turbine containing a rotor with a horizontal shaft and blades extending around by springs located around it, and a device retracting the blades after leaving the working area, characterized in that it is equipped with piezoelectric elements installed in the blades, and a device for transmitting the generated them current.

2. The active hydraulic turbine according to claim 1, characterized in that the device retracting the blades after leaving the working area further comprises an electromagnetic element mounted motionless on the shaft with the possibility of interaction after leaving the working area with electromagnetic latches, and the rotor is freely mounted on motionless shaft with the possibility of rotation around it.

3. The active hydraulic turbine according to claim 2, characterized in that the electromagnets in the electromagnetic latches are mounted for rotation.