008795 Область техники

008795
Область техники
Настоящее изобретение относится к агрегату, который содержит водяную турбину и роторный
электрогенератор, ротор которого соединен с турбиной, которая содержит комплект лопаток по меньшей
мере из трех осевых лопаток.
Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение предназначено в основном, но не исключительно, для использования при
выработке электроэнергии с помощью подводных течений морей и водотоков. Морские течения могут
вызываться приливной водой, разностью температуры или солености, силой Кориолиса, обусловленной
вращением Земли, как, например, Гольфстрим, или разностью уровней, например, на каждой стороне
проливов.
Скорость потока воды в морских течениях обычно довольно умеренная, обычно несколько метров в
секунду, и может доходить максимально до 5 м/с. В нерегулируемых водотоках скорость течения обычно
постоянная, хотя и может повышаться на порогах до 10-15 м/с.
В настоящее время такой источник энергии, как подводные течения, очень мало используется для
выработки электроэнергии. Это, прежде всего, зависит от трудностей разработки экономически конкурентоспособной технологии этого процесса. В этой связи одна из проблем заключается в низкой скорости течения. Для использования энергии таких течений необходимы турбины с низким числом оборотов
и высоким крутящим моментом.
Поэтому подходящим типом турбины будет такая, у которой лопатки имеют осевое направление.
Обычно в такой турбине лопатки соединены с помощью радиальных связей с валом, который, в свою
очередь, соединен с ротором генератора. Там, где необходимо применение турбины относительно больших размеров, нагрузки на конструкцию, несущую лопатки, возрастают. В этом может заключаться риск
деформаций и вибраций в конструкциях, что может привести к ухудшенной геометрии установки лопаток с одновременным снижением эффективности. Это может особенно проявляться там, где поток воды,
приводящий в движение турбину, непостоянный, т.е. где имеют место колебания скорости и направления
потока. Такое может иметь место, например, при определенных типах подводных течений, где движения
волн на поверхности и приливная вода оказывают влияние на поток, который в других отношениях постоянен. Кроме того, необходимая в данном случае несущая конструкция делает турбину сложной и громоздкой.
Цель настоящего изобретения состоит в устранении или, по меньшей мере, уменьшении указанных
проблем.
Сущность изобретения
Поставленная цель достигается тем, что агрегат, охарактеризованный в начальной части п.1 формулы изобретения, имеет характерную особенность, заключающуюся в том, что каждая лопатка отдельно
соединена непосредственно с ротором генератора.
Поскольку лопатки перемещаются непосредственно ротором, отпадает необходимость в использовании для этого специальной несущей конструкции. Ротор, который обычно представляет собой твердое
и прочное тело, является хорошей опорой для лопаток по крайней мере на одном их конце. Вследствие
этого, положение лопаток становится более определенным и устойчивым. Кроме того, общая сложность
агрегата уменьшается в силу того, что несущая конструкция становится проще и состоит, в основном, из
узла, который в любом случае присутствует и по другим причинам. Поэтому агрегат согласно данному
изобретению имеет преимущество там, где требуется агрегат больших размеров и где условия течения не
всегда постоянны.
Согласно предпочтительному примеру осуществления агрегата турбина содержит первый комплект
лопаток, направленных в одном направлении от ротора, и второй комплект лопаток, направленных в противоположном направлении от ротора, причем каждый комплект содержит по меньшей мере три лопатки.
В результате преимуществом всего агрегата является получение симметрии, что благоприятно сказывается при приложении различных видов возникающих усилий. Кроме того, такая двусторонняя установка позволяет выполнить каждую лопатку короче, что повышает устойчивость формы той части каждой лопатки, которая находится на наибольшем удалении от крепления в роторе. В качестве альтернативны может быть предложена турбина с большей общей осевой длиной.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления каждая лопатка в первом комплекте располагается на одной оси с лопаткой второго комплекта. Тем самым дополнительно повышается симметричность агрегата при более стабильных рабочих характеристиках.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления лопатки, которые расположенные соосно, непосредственно соединены друг с другом механически. Таким образом, достигается преимущество, состоящее в том, что лопатки стабилизируют друг друга попарно, поскольку силы изгиба,
действующие на одну из лопаток, гасятся силами изгиба, действующими на другую.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления каждая лопатка дополнительно
закреплена с помощью средства связи. Хотя агрегат согласно настоящему изобретению в принципе не
нуждается в закреплении дополнительно к тому, которое обеспечивается непосредственно ротором, час-1-
008795
то может оказаться желательным дополнительно закрепить лопатки для повышения их устойчивости.
Однако средство связи для этой цели может быть выполнено значительно более простым и слабым, нежели в обычной турбине, где лопатки полностью установлены на конструкции связи. Это достигается
тем, что лопатки в основном перемещаются на роторе и получают от него устойчивость.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления средство связи содержит элементы, соединяющие лопатки между собой. Таким образом, закрепление достигается простым способом.
Согласно предпочтительному примеру осуществления указанные элементы направлены радиально
внутрь от соответствующей лопатки и соединены друг с другом своими радиально направленными концами, занимающими крайнее внутреннее положение. Согласно альтернативному предпочтительному
примеру осуществления агрегата указанные элементы проходят между каждыми смежными лопатками,
расположенными в направлении вдоль окружности.
Оба этих альтернативных примера предполагают, что стабильность крепления достигается с помощью относительно простого конструктивного решения элементов, образующих средство связи.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления каждая лопатка соединена с ротором с помощью соединительного элемента. В результате этого передача вредных изгибающих моментов и крутящего момента на ротор от лопаток может быть ограничена.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления, ротор содержит постоянные
магниты, вследствие чего он становится прочным и нечувствительным к эксплуатационным помехам при
электромагнитной трансформации энергии.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления, статор заключен в водонепроницаемый корпус. Это позволяет рациональным способом приспособить генератор к работе в подводных
условиях.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления ротор располагается радиально
снаружи статора и в той же осевой плоскости, что и статор. Это делает агрегат компактным как в осевом,
так и в радиальном направлении.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления статор намотан из высоковольтного кабеля с жилой из токопроводящего материала, причем первый слой полупроводникового материала окружает токопроводящий материал, слой изоляционного материала окружает первый слой, а второй
слой полупроводникового материала окружает изоляционный материал.
Обмотка подобного рода позволяет управлять индукцией тока очень высокого напряжения, становящейся равномерной благодаря окружающему электрическому полю. В данном случае можно поддерживать низкую величину тока, вследствие чего снижаются потери и тепловыделение.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления статор генератора установлен с
возможностью вращения и подключен к турбине, выполненной с возможностью обеспечения вращения
статора в направлении, обратном вращению ротора.
Электродвижущая сила Е, индуцируемая в катушке определяется по закону Фарадея из отношения
где N - число витков и
ϕ - магнитный поток.
Это означает, что при медленном вращении ротора величина
становится малой, что приводит к
малой величине индуцированной электродвижущей силы. Поскольку статор также вращается, и направление его вращения противоположно направлению вращения ротора, относительное перемещение ротора
и статора будет выражаться суммой их угловых скоростей. Вследствие этого, величина отношения
соответственно увеличится. Таким образом, если статор вращается с той же скоростью, что и ротор, данная величина удваивается, в результате чего индуцированная электродвижущая сила также удваивается
по сравнению с той, которая была при неподвижном статоре.
Согласно еще одному предпочтительному примеру осуществления статор имеет трехфазную обмотку.
Характеристики вышеуказанных предпочтительных примеров осуществления приведены в пунктах
формулы изобретения, зависимых от п.1.
Преимущества предлагаемого агрегата особенно проявляются при его использовании для выработки электроэнергии на подводных течениях.
Следовательно, второй аспект изобретения состоит в использовании предлагаемого агрегата для
выработки электроэнергии на подводных течениях.
Преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из последующего подробного описания наиболее предпочтительных примеров его осуществления, рассматриваемых со ссылками на прилагаемые чертежи.
-2-
008795
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное перспективное изображение первого примера осуществления изобретения;
фиг. 2 - схематичное перспективное изображение второго примера осуществления изобретения;
фиг. 3-5 - схематичные виды сбоку различных примеров осуществления конструкции турбины согласно настоящему изобретению;
фиг. 6 - схематичное перспективное изображение еще одного примера осуществления турбины согласно еще одному примеру осуществления настоящего изобретения;
фиг. 7 - конструктивный элемент еще одного примера осуществления изобретения;
фиг. 8 - схематичное перспективное изображение еще одного примера осуществления изобретения;
фиг. 9 - вид в разрезе, выполненный по кабелю, используемому в статорной обмотке в примере
осуществления изобретения.
Описание предпочтительных примеров осуществления настоящего изобретения
На фиг. 1 схематично представлено перспективное изображение первого примера агрегата согласно
настоящему изобретению. Агрегат состоит из генератора 1 и турбины 2. Генератор 1 имеет внешний статор 3, размещенный в раме 7, которая установлена на дне моря. Соответствующий вал 8 четырех лопаток
5, расположенных в осевом направлении, крепится к внутреннему ротору 4. Лопатки 5 на концах, отдаленных от ротора 4, скрепляются с помощью четырех связей 6, каждая из которых растянута между двумя соседними лопатками 5. Подводное течение А заставляет турбину 2, а следовательно и ротор 4, вращаться, при этом электрический ток индуцируется в обмотках статора. Выходные кабели указывают на
наличие трехфазной сети. В качестве альтернативы лопатки, несомненно, могут быть направлены вниз от
ротора.
В примере осуществления в соответствии с фиг. 2 ротор 4 расположен радиально снаружи статора
3. Статор смонтирован на станине (не показана), которая покоится на дне моря. К ротору крепятся два
комплекта лопаток, 5а и 5б, выставленных по оси в противоположном направлении. Каждая лопатка 5а
первого комплекта установлена на одной оси с лопаткой 5b второго комплекта. Противоположно направленные лопатки в каждой паре, 5а и 5b, соединены друг с другом.
На фиг. 3-5 представлены виды сбоку различных примеров возможного взаимного крепления лопаток концами, отдаленными от ротора. В примере в соответствии с фиг. 3 турбина имеет пять лопаток, а
расположение связей в принципе такое же, как показано на фиг. 1.
На фиг. 4, где представлена турбина с тремя лопатками 5, связи 6 направлены радиально и соединены между собой в центре.
На фиг. 5, где представлена турбина с шестью лопатками 5, связи 6 радиально направлены как на
фиг. 4, но соединены с расположенным в центре кольцеобразным элементом связи 9.
Несомненно, в качестве альтернативы связи 6 могут располагаться на некотором удалении от концов лопаток. Кроме того, может устанавливаться множество распределенных вдоль оси связей. Подобный пример представлен на фиг. 6.
На фиг. 7 представлен узел крепления лопатки 5, вал 8 которой прикреплен к ротору 4 с помощью
соединительного элемента 10.
На фиг. 8 представлен альтернативный предпочтительный пример осуществления, имеющий внешний ротор 4 с тремя лопатками 5 на турбине 2 и внутренний статор 3. В данном случае статор имеет возможность вращения и соединен с турбиной 22, имеющей три лопатки 25. Лопатки 25 статорной турбины
установлены под таким углом, что статор вращается в направлении В, которое противоположно направлению С вращения ротора.
На фиг. 9 представлен предпочтительный пример осуществления обмотки статора генератора. Обмотка статора выполнена из высоковольтного кабеля, и данный рисунок представляет собой его сечение.
Кабель состоит из жилы, включающей один или более медных проводников 31. Жила кабеля окружена
внутренним полупроводниковым слоем 32. Снаружи расположен слой твердого изоляционного материала 33, например, типа РЕХ. Вокруг изоляции располагается внешний полупроводниковый слой 34. Каждый полупроводниковый слой образует поверхность равных потенциалов.
Вышеприведенные чертежи выполнены схематично для облегчения понимания сущности изобретения, поэтому менее важные детали опущены для переноса внимания на специфические аспекты, имеющие существенное значение для изобретения.
Обычно агрегат, изготовленный согласно настоящему изобретению, имеет размер, соответствующий диаметру турбины в 2-10 м. Однако для конкретных местных условий подачи энергии только одному или нескольким потребителям могут рассматриваться и меньшие размеры с диаметрами ротора от 0,5
до 2 м. Для некоторых особых случаев применения, например, в открытом море в условиях течения
Гольфстрим, могут рассматриваться агрегаты очень больших размеров, имеющие диаметр ротора до 100
м.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Агрегат, содержащий водяную турбину (2) и роторный электрогенератор (1), ротор (4) которого
-3-
008795
соединен с турбиной (2), в котором турбина содержит по меньшей мере три осевых лопатки (5), отличающийся тем, что каждая отдельная лопатка (5) соединена с ротором (4) генератора (1).
2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что турбина (2) содержит первый комплект (5а) лопаток,
имеющих одно направление от ротора (4), и второй комплект (5b) лопаток, имеющих противоположное
первому направление от ротора (4), причем каждый комплект имеет по меньшей мере три лопатки (5а,
5b).
3. Агрегат по п.2, отличающийся тем, что каждая лопатка (5а) в первом комплекте установлена на
одной оси с лопаткой (5b) второго комплекта.
4. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что лопатки (5а, 5b), установленные на одной оси, непосредственно механически связаны друг с другом.
5. Агрегат по пп.1-4, отличающийся тем, что каждая лопатка (5) прикреплена средством связи.
6. Агрегат по п.5, отличающийся тем, что средство связи содержит элементы (6), соединяющие лопатки (5) друг с другом.
7. Агрегат по п.6, отличающийся тем, что средство связи включает элемент (6), направленный радиально внутрь от соответствующей лопатки (6), причем концы этого элемента, имеющие самые крайние
внутренние положения, соединены друг с другом.
8. Агрегат по п.6, отличающийся тем, что средство связи содержит элементы, проходящие между
смежными лопатками, расположенными в направлении вдоль окружности.
9. Агрегат по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что каждая лопатка (5) соединена с ротором при
помощи соединительного элемента (10).
10. Агрегат по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что ротор (4) содержит постоянные магниты
(21).
11. Агрегат по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что статор (3) заключен в водонепроницаемый корпус.
12. Агрегат по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что ротор расположен радиально снаружи
статора в одной и той же осевой плоскости, что и статор.
13. Агрегат по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что статор обмотан высоковольтным кабелем, имеющим жилу (31) из токопроводящего материала, причем первый слой (32) полупроводникового
материала окружает токопроводящий материал, слой (33) изоляционного материала окружает первый
слой (32) и второй слой (34) полупроводникового материала окружает изоляционный материал.
14. Агрегат по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что статор (3) генератора выполнен с возможностью вращения и соединен с турбиной (22) с возможностью вращения статора (3) в направлении,
противоположном направлению вращения ротора (4).
15. Агрегат по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что статор (9) имеет трехфазную обмотку.
16. Применение агрегата согласно любому из пп.1-15 для выработки электрического тока с использованием подводных течений.
Фиг. 1
-4-
008795
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
-5-
008795
Фиг. 7
Фиг. 8
Фиг. 9
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
-6-