UA122434C2 - Пристрій для безперервного та вибіркового позиціонування кожної лопаті гідравлічних турбін по вертикальній осі - Google Patents

Abstract

Пристрій для безперервного позиціонування кожної лопаті гідравлічних турбін вільного потоку по вертикальній осі з миттєвим встановленням завжди оптимального кутового положення для будь-якої з різних швидкостей течії. Пристрій утворює два компланарних плаваючих диски, з'єднаних із системою важелів, що керується трьома окремими кроковими електродвигунами. При зміні швидкості течії води лопаті проходять спеціальні шляхи вздовж орбітального шляху барабана, що обертається. Лопаті розташовані на рівновіддаленій відстані на краю барабана, що обертається, при цьому крокові електродвигуни прикріплені до зовнішньої рами гідравлічної турбіни.

Description

Опис застосовного у промисловості виробу під назвою: "Пристрій для безперервного та вибіркового позиціонування кожної лопаті гідравлічних турбін по вертикальній осі»

Гідравлічні турбіни вільного потоку у безпосередньому контакті з течіями (річковими або морськими) являють собою діючу систему перетворення кінетичної енергії води. Турбіна

Мегдапі Роуег Ца., встановлена у протоці Іст-Рівер у Нью-Йорку в 2008 р., являє собою перший приклад такої техніки.

Трилопатевий ротор турбін на горизонтальній осі являє собою класичну конфігурацію, похідну від застосування для вітру, яке, попри відносну простоту і надійність, приносить дещо помірний прибуток стосовно гідродинамічної ефективності.

Рішення застосувати турбіну з лопатями, розташованими вертикально, може бути альтернативним рішенням як для підвищення гідродинамічної ефективності, так і для спрощення конструкції турбіни більших розмірів, оскільки річкова течія в один бік не потребує застосування пристроїв для модифікації кута обертання у горизонтальній площині, а також для розміщення сідлово-зчіпного пристрою між нерухомими та рухомими частинами, як це необхідно у турбіні для вітряних генераторів. Це дозволяє застосовувати вузли помірних розмірів, полегшує доставку та складання безпосередньо у місцях установлення.

Гідродинамічна ефективність рішення з турбіною з вертикальною віссю, з дисками та опорними важелями (подібно до турбін Дар'є і Кобольда, як приклади турбін із вертикальною віссю), може бути значно покращена завдяки застосуванню технологічної системи миттєвого та правильного орієнтування лопатей для можливості безперешкодного проходження потоку, долаючи, таким чином, обмеження існуючих турбін, що мають поперечну перетинальну хрестовину, яка не є достатньо вільною.

Недоліки застосовуваних на сьогодні рішень можна подолати із застосуванням системи вузла лопатей, розташованих у вигляді консолі на барабані, що обертається, з різними ступенями орієнтації для кожної лопаті, дозволяючи таким чином здійснювати безперервну зміну у міру проходження по орбітальному шляху.

Кінетична енергія поперечного перетинального потоку ефективно перетворюється на механічну енергію, оскільки застосування турбіни з вертикальною віссю великого діаметра

Зо дозволяє отримувати користь ще і від геодезичної енергії, що визначається різницею у квоті на двох протилежних кінцях нахиленого барабана, що несе лопаті, чого неможливо досягти у турбінах із горизонтальною віссю.

Важлива умова для отримання гідродинамічної ефективності полягає у безперервному орієнтуванні миттєвого кута падіння, що може бути досягнуто за допомогою відповідного оперативного керування положенням лопатей.

Комп'ютеризовані системи вже з успіхом застосовують у значній кількості двигунів із вертикальною віссю, але гідравлічні турбіни потребують надзвичайної надійності та повної відсутності технічного обслуговування. Ці умови можуть бути досягнуті майже виключно або, у будь-якому випадку, з більшою вірогідністю, за допомогою застосування дуже надійних механічних систем, які не мають спеціальних електронних пристроїв керування. Таким чином, увага сфокусована на системах із дуже надійним кінематичним керуванням при електричному регулюванні.

Пристрій для безперервного та вибіркового позиціонування кожної лопаті гідравлічних турбін по вертикальній осі, як об'єкт даного промислового винаходу, являє собою реальне рішення, спрямоване на забезпечення надійності і мінімізації проблем із техобслуговуванням (див. фіг. 1, 2, З, 4, 5).

На фіг. 1 показані три крокові електродвигуни (1, 2, 3), з'єднані з їх зубчастими механізмами і встановлені на нерухомому диску (48).

На фіг. 2 показаний кроковий електродвигун (1), з'єднаний за допомогою фланця зі своїм черв'ячним редуктором (46), коронна шестірня (62) якого жорстко з'єднана з кінцем гвинта (4) для маневрування та з'єднання. Вузол (кроковий електродвигун 1; черв'ячний редуктор 46; гвинт 4 для маневрування та з'єднання) виконаний з можливістю обертання на осі (50) на кут ж а відносно опори (49), прикріпленої до диска (48 по фіг. 1), який з'єднаний з гідравлічною турбіною за допомогою опорних стійок (47 по фіг. 1). Гвинт (4) для маневрування та з'єднання приводиться у рух кроковим електродвигуном (1), отримуючи обертальний рух коронною шестірнею (62), тоді як інший кінець гвинта (4) для маневрування та з'єднання перебуває у холостому режимі на опорі, прикріпленій до коробу (64 по фіг. 3). На гвинті (4) для маневрування та з'єднання об'єднані дві окремі внутрішні різі (б по фіг. 1 та фіг. 2; 7 по фіг. 1 та фіг. 5). При заданому обертанні крокового електродвигуна (1) внутрішня різь (б) переміщується бо на певну відстань гх. На внутрішній різі (6) шарнірно закріплений у холостому режимі ролик (5),

який буде переміщатися на таку ж відстань гх. Холостий ролик (5) з'єднаний з нерухомою частиною гідравлічної турбіни і здійснює зміну гх позиції опори (8) корпусу, яка у свою чергу з'єднана з плаваючим диском (40 по фіг. 5).

На кінці опорного диска, закріпленого на рамі гідравлічної турбіни (48 по фіг. 1), прикріплений короб (64 по фіг. 3), який дозволяє гвинту (4) для маневрування та з'єднання здійснювати хитання на кут ж « на осі (50 по фіг. 2). Ступінь нахилу на кут гвинта (4) для маневрування та з'єднання необхідний для вирівнювання помірного відхилення, викликаного обертанням гідравлічної турбіни у напрямку вільного перетинального потоку.

На дальній стороні короба (64 по фіг. 3) прикручена пластина (53 по фіг. 3), що утримує осі з холостими роликами (54 по фіг. 3), які дозволяють переміщення гвинта (4) для маневрування та з'єднання.

Холості ролики (54 по фіг. 3) поставлені зверху на скосах (52) та поставлені знизу на скосах (65), які з'єднані з опорним диском (48 по фіг. 1).

Кроковий електродвигун (2 по фіг. 1) з'єднаний фланцевим з'єднанням із верхньою частиною короба (64 по фіг. 3), який за допомогою з'єднувального вузла приводить до обертання конічну шестірню (55), що входить у зачеплення з відповідною коронною шестірнею (56 по фіг. 3). На коронній шестірні (56) вставлений нескінченний гвинт (57), що входить у зачеплення з коронною шестірнею (58), яка приводить у повільне обертання вал (59), на краю якого встановлена шестірня (60), що входить у зачеплення з коронною шестірнею (65), прикріпленою до опорного диска (48 по фіг. 1).

Завдяки значному зниженню показника обертів за хвилину, що здійснюється за допомогою вала (55) і шестірні (60), кінематичний рух є необоротним, забезпечуючи збереження положення гвинта (4) для маневрування та з'єднання під кутом а в будь-яких робочих умовах гідравлічної турбіни.

На гвинті (4) для маневрування та з'єднання, додатково до внутрішньої різі (б по фіг. 2), вгвинчена ще одна внутрішня різь (7 по фіг. 3), утворена зовні коронною шестірнею, яка входить у зачеплення з нескінченним гвинтом, що приводиться в обертання валом крокового електродвигуна (З по фіг. 1 та фіг. 5).

Короб, що містить нескінченний гвинт із зовнішньою коронною шестірнею (7), виконаний із

Зо можливістю вільного хитання на осі шарніра опорного кільця (35), яке лишається зафіксованим на нерухомій частині гідравлічної турбіни, між якими розташований підшипник з обертовим кільцем (41 по фіг. 5). Нарешті, верхня частина пристрою, яка виконана як єдине ціле з нерухомим опорним диском (48 по фіг. 1), зазначає необоротність положення холостого ролика (5) та його відповідної опори (8 по фіг. 2 та фіг. 5) і кільця (41).

Позиціонування зумовлено заданим показником обертів за хвилину крокових електродвигунів (1, 2, З по фіг. 1).

Стосовно центральної вертикальної осі 7-7 гідравлічної турбіни, холостий ролик (5 по фіг. 5) задає значення ексцентричності плаваючого диска (40 по фіг. 5), тоді як кільце (41 по фіг. 5) задає значення для диска (37 по фіг. 5).

Два диски (40 та 37 по фіг. 5) є компланарними і перпендикулярними вертикальній осі гідравлічної турбіни і передають свої ексцентричні характеристики кінематичним пристроям, розташованим у барабані, що обертається, гідравлічної турбіни.

Вісь (30 по фіг. 5) шарніра виконана як єдине ціле з плаваючим диском (40), ї на неї встановлені важелі (12 по фіг. 4 та фіг. 5) у кількості, рівній кількості їх валів (33), що несуть лопаті.

Важелі (12) шарнірно закріплені у холостому режимі на валу (30). На краю кожного важеля передбачені відповідні з'єднувальні штанги (16 по фіг. 5), які задають величину Ар хитання валів (33), що несуть лопаті, під час обертання барабана, що здійснює циклоїдальну орієнтацію лопатей (28).

На центральній лінії важелів (12 по фіг. 4 та фіг. 5) шарнірно закріплений вал (32), з'єднаний із шарніром (13). Шарнір (23) утворює шарнірне з'єднання зі стрижнями (18) рейок.

З'єднувальна та передавальна штанга (24 по фіг. 4 та фіг. 5), що приймає вхідний імпульс передачі від диска (15), переміщує рейку (18) через стрижні (44), приєднані до нього.

З'єднувальна та передавальна штанга (24 по фіг. 4 та фіг. 5) виконана з можливістю хитання на осі (43 по фіг. 4) шарніра. Диск (15) задає діапазон диференціальних зміщень положення головного керувального кільця (41). Диск (15) та головне керувальне кільце (41) з'єднані за допомогою вертикальних опорних стійок (42 по фіг. 5). Таким чином, зміна положення кільця (41) визначає поправкове коригування величини АБ хитання кожного важеля (12), з'єднаного з валами (33), що несуть лопаті, за допомогою відповідних з'єднувальних штанг (16 по фіг. 5). бо Нижнє кільце (27 по фіг. 5) містить на обох своїх паралельних сторонах напрямні ковзання,

які перпендикулярні одна одній, відповідно з'єднані з диском (15) та рейками (25). Рейки прикріплені до нижньої частини барабана (26).

Система із взаємно перпендикулярними напрямними ковзання дозволяє передавати обертальний рух От від нижньої частини барабана (26) на диск (15), навіть за наявності зміщення відносно центральної осі 2-2.

Усі шарнірно закріплені важелі поміщені між диском верхнього і нижнього кінців (36 та 26 по фіг. 5, відповідно) та зовнішнім циліндричним шаром (31). Барабан, що обертається, таким чином, утворений шаром (31) та дисками (36 та 26, відповідно), на яких встановлені опори (29) валів, що несуть лопаті.

Барабан і лопаті являють собою частину гідравлічної турбіни, що обертається, яка отримує енергію від уповільнення річкових течій або від морських течій, що проходять крізь турбіну.

Пристрій як об'єкт даного промислового винаходу дозволяє створювати циклоїдальний диференційований шлях лопатей, дозволяючи їм отримувати максимальну енергію, що приймається від потоку перетинальної течії незалежно від того, які він має швидкість, нахил і завихрення.

Різні шляхи, дозволені для лопатей із застосуванням пристрою згідно з даним промисловим винаходом, були змодельовані за допомогою багатьох засобів ОГД (обчислювальної гідродинаміки), які показали відмінну продуктивність вертикальної гідравлічної турбіни. у широких діапазонах значень робочих параметрів.

Claims (13)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Пристрій для безперервного та вибіркового позиціонування кожної лопаті гідравлічних турбін по вертикальній осі, який відрізняється тим, що передбачене розташування трьох крокових електродвигунів на одному гвинті для маневрування для здійснення кругового перенесення та хитального переміщення лопатей та із застосуванням двох окремих компланарних плаваючих дисків (37; 40), один з яких розташований всередині іншого та вони обидва розташовані на диску (36) у верхній частині барабана (31), що обертається, що містить: - перший кроковий електродвигун (1), з'єднаний за допомогою фланця зі своїм черв'ячним Зо редуктором (46), що містить першу коронну шестірню (62), яка жорстко з'єднана з кінцем гвинта (4) для маневрування; - вузол, що складається з першого крокового електродвигуна (1), черв'ячного редуктора (46) і гвинта (4) для маневрування, виконаний з можливістю обертання на осі (50) на кут жа відносно опори (49), прикріпленої до опорного диска (48), який з'єднаний з гідравлічною турбіною за допомогою опорних стійок (47); - гвинт (4) для маневрування, виконаний з можливістю приведення у рух першим кроковим електродвигуном (1), отримуючи обертальний рух першою коронною шестірнею (62), тоді як інший кінець гвинта (4) для маневрування перебуває у холостому режимі на опорі, прикріпленій до короба (64); - на гвинті (4) для маневрування виконані два окремі елементи (6; 7) з внутрішньою різзю; при цьому для заданого обертання першого крокового електродвигуна (1) елемент (6) з внутрішньою різзю переміщується на певну відстань гх; - на елементі (б) з внутрішньою різзю шарнірно закріплений у холостому режимі ролик (5), виконаний з можливістю переміщення на таку ж відстань їх; при цьому ролик (5) з'єднаний з нерухомою частиною гідравлічної турбіни і здійснює зміну гх позиції опори (8) корпусу, яка, у свою чергу, з'єднана з плаваючим диском (40); - другий кроковий електродвигун (2), з'єднаний фланцевим з'єднанням із верхньою частиною короба (64), який за допомогою з'єднувального вузла приводить до обертання конічну шестірню (55), що входить у зачеплення з другою коронною шестірнею (56); - на другій коронній шестірні (56) вставлений нескінченний гвинт (57), що входить у зачеплення з третьою коронною шестірнею (58), яка приводить у повільне обертання вал (59), на краю якого встановлена шестірня (60), що входить у зачеплення з зубцями скосу (65), прикріпленого до опорного диска (48); - третій кроковий електродвигун (3), виконаний з можливістю приведення в обертання нескінченного гвинта, з'єднаного з валом третього крокового електродвигуна (3); - при цьому вісь (30) шарнірного з'єднання виконана як єдине ціле з плаваючим диском (40), і на неї встановлені важелі (12) у кількості, рівній кількості їх валів (33), що несуть лопаті; при цьому на краю кожного важеля передбачені відповідні з'єднувальні штанги (16), які задають величину Хр хитання валів (33), що несуть лопаті, під час обертання барабана, що здійснює циклоїдальну бо орієнтацію лопатей (28).

2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що рух кожного з трьох крокових електродвигунів (1; 2; 3), з'єднаних з їх зубчастими механізмами, є необоротним, що є умовою, необхідною для збереження положення, навіть у випадку збою в електропостачанні на крокові електродвигуни.

З. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що система маневрування, яка складається з крокових електродвигунів (1; 2; 3), зубчастих механізмів і гвинта, прикріплена до одного опорного диска, з'єднаного із зовнішньою рамою, що підтримує гідравлічну турбіну.

4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що прикріплення внутрішнього плаваючого диска (40) до осі (30) шарнірного з'єднання з важелями (12) у холостому режимі є співвісним.

5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що передбачене стосове та послідовне компонування на центральній осі (30) шарнірного з'єднання, що утримує важелі у холостому режимі.

6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що застосовуються дві шарнірно з'єднані штанги для кожного вала, що несе лопаті, одна з яких шарнірно закріплена на осі шарнірного з'єднання, а друга шарнірно закріплена між центральною лінією першої та стрижнем напрямної рейки.

7. Пристрій за п. б, який відрізняється тим, що застосовуються лінійні напрямні скоси (52 та 54), опора яких з'єднана з нижньою частиною корпусу (8), що обертається, який несе вісь шарнірного з'єднання другої штанги і має на кінці напрямну петлю для керування ковзним рухом осі шарнірного з'єднання.

8. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що застосовується важіль, закріплений на осі шарнірного з'єднання, з'єднаній з нижньою частиною корпусу (8), що обертається, при цьому на одному кінці всередині петлі напрямної рейки (18) передбачена вісь шарнірного з'єднання, а на іншому кінці передбачена напрямна петля для керування ковзним рухом осі (44) шарнірного з'єднання.

9. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що застосовується плаваючий диск (15), на якому розташовані спиці, при цьому диск (15) має осі шарнірних з'єднань для керування рухом важелів, і спиці з'єднані із зовнішнім плаваючим диском (37) за допомогою опорних стійок.

10. Пристрій за п. б, який відрізняється тим, що застосовуються перпендикулярні напрямні рейки, з розташованим на півдорозі між ними опорним диском, при цьому одна рейка з'єднана з нижньою частиною барабана, що обертається, а друга з'єднана з плаваючим диском (15), на Зо якому розташовані спиці.

11. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що застосовуються з'єднувальні штанги між важелями (12), шарнірно закріпленими на осі шарнірного з'єднання, та валами, що несуть лопаті.

12. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що застосовується кріплення з блокуванням гвинта на валах, що несуть лопаті, з'єднаних зі штангами.

13. Пристрій за п. 6, який відрізняється тим, що передбачений вузол валів, що несуть лопаті, на двох кінцевих підшипниках, один з яких з'єднаний з нижньою частиною, а інший - з кришкою корпусу (8), що обертається.

що БОБ-- в: прин а р: 5 ЧИ 0 я- ЩО; ШИНИ що п - че пра: ШИ ше ! ун А ека ЕН нн М ШИ и А НИ Чу шрот ПО нн чи о -( " ч р, Я І ї Шо : 0 Ох шу іч пониви ци 7 - ра т | їщ- ек - ри й ж ай о Ше ка ! в Кк ! - о ра і й ля ро /й днини чі Ше ІЙ рай ! Ше х т і во ! Мч пон,

й . ту : ТУ й А ву ! пе І НИ, х ши : - ; їх з ша Я Ше - ЗЕ сов Мою | Шк ї ії шк І те Гоа ак Ї 4 фиттриття і Етриє ши ше и Мн у : а є; ТАБ ЕЕ У ПОД у і. ща їх, роя Кен А ї -(5) ення нн нання Н Шк) 5. ї ! х Н -к Н вх з ще рн, х Шен Біяе Ше я х | шо я - ; ки Ії : ку що в Я я р М | Шан та за й - даже

ФГ. нн п он Ж. чі, е-- Ин - : ї ; / Кк 53 ГІ МО (26) 5 ГЕ щи І ви й . о сік Ф- се г яв ам Я : сти г й ' че х Т-й Ср Мини и их пив нання не ШАНИ пня чо ше - 0 ря ЧК А | с З ШДе не пе ОК пе Її» Ой ша дит ж (5 М (5/7 неавоено, те ше ще щи п ЗА. ин А --- шани о, о ОХ З й І і з и - Й й 65 У (5 г я в НА Я Ия

Фіг.

чи Он ни пи п ДН і неї кі тя ш Же Ше і -х я В я В рота жі ав ПУХ ше її ШІ: п. й ан є З ше я ми ший іо ла. 1 й, й св шешн шо! - --(м) ОО ще віжки и Я я т в. ЩІ: А раї р І; у ї Ї Б Н ще 5 в «В - вини , ї ще Н КО : (3) с) В Дня ри о ш-Е Ї сту - ІЙ КЕ. і ВЕ Ти УТА Ожяя КОХ Я ЧО | я ря г 000 ке іш со ра -69 Н щі ння КУ шт 65) ЩО у -- ЕС НЕ НЕ Я Вер тоя ; пий

Ше. вк т оса С: х по Переріз х-їх ЩО я с ше

Фк. З ши хо ше КЕ : : х х з Ко д-- 2 у КА сю | вк У Й АХ Го | Ї : | ке и сну рах ще буннНнН В с ли ге В п сб р жк х а и й и хх ! ИН проена ф с-ще вв КА ше ї о ШИ А м) КУ Ки че рай тео и ів хан ЕН ще 53 ши шу. ери ву хх рт нт ре шик АКА левеня я НЕ ше й І-Ш а йон; и Я -- Й зх «б об свв й - ях / тА О й Еш /рртнн--(х) ю в в в о 8) ше я СО шршш -АЕ ' Фіг4