RU2426911C1

RU2426911C1 - Orthogonal generating unit

Info

Publication number: RU2426911C1
Application number: RU2009142826/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Лятхер (RU); Виктор Михайлович Лятхер
Original assignee: Виктор Михайлович Лятхер
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-08-20
Also published as: RU2009142826A

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: orthogonal generating unit consists of orthogonal turbine with shaft and blades of hydro-dynamic profile secured around shaft and along latter and of electric generator. Orthogonal turbine is made six-tiered. Each tier of turbine is made with one blade secured on the shaft by means of cross-bars. All blades are equal in terms of weight per length unit of the blade. The blades of turbine tiers are arranged uniformly in circumferential direction around the shaft of the turbine forming three pairs of adjacent blades. In each pair the blades are positioned on opposite sides relative to the shaft. The blades in end pairs of blades have equal length, while the blades in a middle pair have bigger length. Weights of cross bars of the middle and end pairs of the blades are in the same correlation. ^ EFFECT: raised efficiency of orthogonal turbines with blades of hydro-dynamic profile and raised reliability of orthogonal turbines operation. ^ 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при сооружении низконапорных или безнапорных речных энергетических установок, приливных или ветровых электростанций.The invention relates to the field of power engineering and can be used in the construction of low-pressure or non-pressure river power plants, tidal or wind power plants.

Известна гидротурбинная установка, содержащая две горизонтально, соосно установленные в водоводе турбины и один электрогенератор (см. авторское свидетельство SU №1280178, кл. F03В 13/10, 30.12.1986).Known hydraulic turbine installation, containing two horizontally coaxially mounted turbine in the water conduit and one electric generator (see copyright certificate SU No. 1280178, class F03B 13/10, 12/30/1986).

В данной энергетической установке соосные валы турбин ориентированы вдоль водовода и связаны мультипликатором, размещенным в герметичной капсуле в центре водовода, с вертикальным валом генератора, установленным вне водовода. Однако это приводит к низкой эффективности использования энергии водного потока, проходящего через сечение водовода. Это обусловлено тем, что турбины, в данном случае пропеллерного типа, работают поочередно в зависимости от направления потока, и тем, что капсула с мультипликатором, размещенная в центре рабочего сечения водовода, частично перекрывает направленный вдоль валов турбин рабочий поток.In this power plant, the coaxial shafts of the turbines are oriented along the conduit and are connected by a multiplier located in a sealed capsule in the center of the conduit to a vertical shaft of the generator installed outside the conduit. However, this leads to low energy efficiency of the water flow passing through the cross section of the conduit. This is due to the fact that the turbines, in this case the propeller type, operate alternately depending on the direction of flow, and because the capsule with the multiplier, located in the center of the working section of the water conduit, partially blocks the working stream directed along the turbine shafts.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является энергетический агрегат, содержащий две соосно установленные ортогональные турбины с лопастями гидродинамического профиля и электрогенератор, при этом валы турбин ориентированы поперек потока среды, лопасти ортогональных турбин ориентированы в противоположном направлении по отношению друг к другу для вращения ортогональных турбин в противоположных, неизменных направлениях, независимо от направления потока через ортогональные турбины, а трехфазный электрогенератор расположен между ортогональными турбинами (см. патент RU №2245456, кл. F03D 3/06, 20.11.2003).The closest to the invention in technical essence and the achieved result is an energy unit containing two coaxially mounted orthogonal turbines with hydrodynamic profile blades and an electric generator, while the turbine shafts are oriented across the medium flow, the orthogonal turbine blades are oriented in the opposite direction relative to each other for rotation orthogonal turbines in opposite, constant directions, regardless of the direction of flow through orthogonal turbines, and three azny generator is located between the orthogonal turbines (See. Patent RU №2245456, cl. F03D 3/06, 20.11.2003).

В данном энергоагрегате значительно уменьшены реакционные нагрузки за счет вращения ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля в разных направлениях, но полностью их скомпенсировать невозможно вследствие несовпадения фаз пульсирующих сил, действующих на верхнюю и нижнюю ортогональные турбины. Поскольку нагрузки, действующие на ортогональные турбины не полностью уравновешены, то это вызывает вибрацию, ухудшающую условия его эксплуатации энергетического агрегата и снижающую его надежность. Кроме того, наличие в каждом ярусе ортогональной турбины нескольких гидродинамических профилей приводит к снижению энергетической эффективности.In this power unit, reaction loads are significantly reduced due to the rotation of orthogonal turbines with hydrodynamic profile vanes in different directions, but it is impossible to fully compensate them due to the mismatch of the phases of the pulsating forces acting on the upper and lower orthogonal turbines. Since the loads acting on the orthogonal turbines are not completely balanced, this causes vibration, which worsens the conditions of its operation of the power unit and reduces its reliability. In addition, the presence in each tier of the orthogonal turbine of several hydrodynamic profiles leads to a decrease in energy efficiency.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности преобразования энергии текучей среды, например энергии потока воды или энергии ветра, с помощью ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля и устранить дисбаланс при работе однолопастных ортогональных турбин.The problem to which the present invention is directed, is to increase the efficiency of converting the energy of a fluid, for example, the energy of a water stream or wind energy, using orthogonal turbines with hydrodynamic blades and to eliminate the imbalance in the operation of single-vane orthogonal turbines.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение кпд ортогональных турбин с лопастями гидродинамического профиля и повышение надежности работы ортогональных турбин.The technical result consists in the fact that an increase in the efficiency of orthogonal turbines with blades of a hydrodynamic profile and an increase in the reliability of orthogonal turbines are achieved.

Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину с валом и лопастями гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала и вдоль последнего, и электрогенератор, при этом ортогональная турбина выполнена шестиярусной, каждый ярус турбины выполнен с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, причем все лопасти выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти, лопасти ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала турбины, образуя три пары смежных лопастей, в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей имеют одинаковую длину L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L₀=L 2^0.25 каждая, в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the orthogonal power unit contains an orthogonal turbine with a shaft and hydrodynamic profile blades fixed around the shaft and along the latter, and an electric generator, while the orthogonal turbine is six-tiered, each turbine tier is made with one blade mounted on the shaft by means of a traverse, and all the blades are made of the same mass per unit length of the blades, the blades of the tiers of the turbine are evenly spaced in a circular direction around the turbine shaft, forming three pairs of adjacent blades, in each pair of blades are located on opposite sides relative to the shaft, the blades in the extreme pairs of blades have the same length L, and the blades in the middle pair have a long length L ₀ = L 2 ^0.25 each, in the same ratio are the masses of traverses of the middle and extreme pairs of blades.

Предпочтительно ортогональный энергетический агрегат снабжен дополнительной ортогональной турбиной, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной и выполненной аналогично основной ортогональной турбине, при этом профили лопастей дополнительной ортогональной турбины ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей основной ортогональной турбины, а электрогенератор расположен между турбинами и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами.Preferably, the orthogonal power unit is equipped with an additional orthogonal turbine located coaxially and symmetrically with the main orthogonal turbine and made similarly to the main orthogonal turbine, while the profiles of the blades of the additional orthogonal turbine are oriented opposite to the profiles of the blades of the main orthogonal turbine, and the generator is located between the turbines and made with two rotors rotating in opposite directions.

Известно, что ортогональные турбины имеют максимальную энергетическую и техническую эффективность, если они выполняются многоярусными, а в каждом ярусе имеется минимальное количество лопастей. Наивысшая энергетическая эффективность (свыше 60% в свободном потоке) отмечена при наличии только одной лопасти (см., например, журнал «Гидротехническое строительство», Москва, НТФ «Энергопрогресс» 1986, №11, стр.33-37). Такая система, однако, требует специальной механической балансировки, например, путем расположения грузов на стороне, противоположной лопасти, усложняет и удорожает турбину, что приводит к отсутствию однолопастных ортогональных турбин в практике.It is known that orthogonal turbines have maximum energy and technical efficiency if they are multi-tiered, and each tier has a minimum number of blades. The highest energy efficiency (over 60% in free flow) was noted when there was only one blade (see, for example, the journal "Hydrotechnical Construction", Moscow, NTF "Energoprogress" 1986, No. 11, pp. 33-37). Such a system, however, requires special mechanical balancing, for example, by positioning the weights on the side opposite the blade, complicates and increases the cost of the turbine, which leads to the absence of single-blade orthogonal turbines in practice.

Выполнение ортогональной турбины шестиярусной в сочетании с выполнением каждого яруса турбины с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, а также выполнение всех лопастей с одинаковой массой в расчете на единицу длины лопасти, равномерное расположение лопастей ярусов в окружном направлении вокруг вала турбины с образованием трех пар смежных лопастей, при условии, что в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей имеют одинаковую длину L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L₀=L 2^0,25 каждая и в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей, позволяет получить оптимальную балансировку ортогональной турбины, что связано с тем, что крайние пары ярусов, в которых лопасти имеют одинаковую длину L, расположены в разных радиальных плоскостях, проходящих через ось вращения вала ортогональной турбины, а средняя пара ярусов расположена в радиальных плоскостях, расположенных между плоскостями крайних ярусов. На каждую пару лопастей в соседних ярусах действует пара центробежных сил. Для того чтобы уравновесить моменты силы, вызываемые этими центробежными силами, длина лопастей в средней паре ярусов L₀ должна быть в указанном выше соотношении с длиной L лопастей в крайних парах ярусов.Execution of a six-tier orthogonal turbine in combination with the execution of each tier of the turbine with one blade fixed to the shaft by means of traverses, as well as the execution of all blades with the same mass per unit length of the blade, uniform arrangement of tier blades in the circumferential direction around the turbine shaft with the formation of three pairs adjacent blades, provided that in each pair of blades are located on opposite sides relative to the shaft, the blades in the extreme pairs of blades have the same length L, and the blades in the middle the first pair have a large length L ₀ = L 2 ^0.25 each and in the same ratio are the masses of the traverses of the middle and extreme pairs of blades, which allows optimal balancing of the orthogonal turbine, due to the fact that the extreme pairs of tiers in which the blades have the same length L, are located in different radial planes passing through the axis of rotation of the shaft of the orthogonal turbine, and the middle pair of tiers is located in radial planes located between the planes of the extreme tiers. For each pair of blades in adjacent tiers, a pair of centrifugal forces acts. In order to balance the moments of force caused by these centrifugal forces, the length of the blades in the middle pair of tiers L ₀ should be in the above ratio with the length L of the blades in the extreme pairs of tiers.

При этом максимальная энергетическая эффективность данного технического решения достигается тем, что линейная скорость лопастей во всех ярусах одинаковая и величина ее выбирается из условия достижения указанной выше максимальной эффективности преобразования кинетической энергии потока среды, омывающего лопасти при заданной скорости указанной среды потока. Если отойти от этого условия, то механическая балансировка описанной выше ортогональной турбины может быть достигнута и другим путем, например увеличением радиуса вращения лопасти турбины вокруг вала при сохранении их длины лопасти в средней пары лопастей такой же, как в крайних ярусах. Условие балансировки в общем случае записывается в следующем виде:Moreover, the maximum energy efficiency of this technical solution is achieved by the fact that the linear speed of the blades in all tiers is the same and its value is selected from the condition that the above maximum conversion efficiency of the kinetic energy of the flow of the medium washing the blades at a given speed of the specified flow medium is achieved. If we depart from this condition, the mechanical balancing of the orthogonal turbine described above can be achieved in another way, for example, by increasing the radius of rotation of the turbine blade around the shaft while maintaining their blade length in the middle pair of blades the same as in the extreme tiers. The balancing condition is generally written as follows:

,

где индекс «О» выделяет параметры средней пары лопастей,where the index "O" highlights the parameters of the middle pair of blades,

R - радиус вращения лопасти,R is the radius of rotation of the blade,

L - длина лопасти,L is the length of the blade,

ρ - плотность лопасти,ρ is the density of the blade,

m - масса лопасти.m is the mass of the blade.

Из этого следует наиболее оптимально выполнение средней пары лопастей с длиной, превышающей длину лопастей в крайних парах лопастей в указанном выше соотношении.From this follows the most optimal implementation of the middle pair of blades with a length exceeding the length of the blades in the extreme pairs of blades in the above ratio.

Предложение создает условия для максимальной эффективности использования каждой лопасти турбины и упрощения конструкции ортогональной турбины, в которой отсутствуют какие-либо балансировочные грузы, что в конечном итоге позволяет повысить надежность работы ортогональной турбины.The proposal creates conditions for maximum efficiency of use of each turbine blade and simplification of the design of the orthogonal turbine, in which there are no balancing weights, which ultimately improves the reliability of the orthogonal turbine.

На фиг.1 представлен общий вид ортогональной турбины ортогонального энергетического агрегата.Figure 1 presents a General view of an orthogonal turbine of an orthogonal power unit.

На фиг.2 схематически представлен вид сбоку на ортогональный энергетический агрегат, выполненный с двумя ортогональными турбинами.Figure 2 schematically shows a side view of an orthogonal power unit made with two orthogonal turbines.

Ортогональный энергетический агрегат содержит ортогональную турбину 1 с валом 2 и лопастями 3 гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала 2 и вдоль последнего, и электрогенератор 4. Ортогональная турбина 1 выполнена шестиярусной. Каждый ярус турбины 1 выполнен с одной лопастью 3, закрепленной на валу 2 посредством траверс 5. Все лопасти 3 выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти 3. Лопасти 3 ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала 2 турбины 1, образуя три пары смежных лопастей 3. В каждой паре лопасти 3 расположены с противоположных сторон относительно вала 2. Лопасти 3 в крайних парах лопастей 3 имеют одинаковую длину L, а лопасти 3 в средней паре имеют большую длину L₀=L 2^0.25 каждая. В таком же соотношении находятся массы траверс 5 средней и крайних пар лопастей 3.The orthogonal power unit comprises an orthogonal turbine 1 with a shaft 2 and hydrodynamic profile blades 3 fixed around the shaft 2 and along the latter, and an electric generator 4. The orthogonal turbine 1 is made six-tiered. Each tier of the turbine 1 is made with one blade 3, mounted on the shaft 2 by means of a traverse 5. All blades 3 are made of the same mass per unit length of the blade 3. The blades 3 of the tiers of the turbine are arranged uniformly in the circumferential direction around the shaft 2 of the turbine 1, forming three pairs adjacent blades 3. In each pair, the blades 3 are located on opposite sides relative to the shaft 2. The blades 3 in the extreme pairs of blades 3 have the same length L, and the blades 3 in the middle pair have a long length L ₀ = L 2 ^0.25 each. The masses of traverses 5 of the middle and extreme pairs of blades 3 are in the same ratio.

Ортогональный энергетический агрегат снабжен дополнительной ортогональной турбиной 6, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной 1 и выполненной аналогично основной ортогональной турбине 1, при этом профили лопастей 3 дополнительной ортогональной турбины 6 ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей 3 основной ортогональной турбины 1, а электрогенератор 4 расположен между турбинами 1 и 6 и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами.The orthogonal power unit is equipped with an additional orthogonal turbine 6 located coaxially and symmetrically with the main orthogonal turbine 1 and made similarly to the main orthogonal turbine 1, while the profiles of the blades 3 of the additional orthogonal turbine 6 are oriented opposite to the profiles of the blades 3 of the main orthogonal turbine 1, and an electric generator 4 is located between the turbines 1 and 6 and is made with two rotors rotating in opposite directions.

Ортогональный энергетический агрегат работает следующим образом.Orthogonal energy unit operates as follows.

Под действием набегающего на ортогональную турбину 1 или на ортогональные турбины 1 и 6 при выполнении ортогонального энергетического агрегата с двумя ортогональными турбинами 1 и 6 потока среды, например ветра или потока воды, при расположении энергетического агрегата в реке или в приливно-отливном потоке ортогональная турбина 1 начинает вращаться, а ортогональные турбины 1 и 6 начинают вращаться в противоположные стороны. В результате вращения ортогональной турбины 1 или ортогональных турбин 1 и 6 ротор или роторы электрогенератора 4 вращаются относительно статора или статоров электрогенератора 4 и последний начинает вырабатывать электрическую энергию, которая по кабелю (не показан) передается от электрогенератора 4 потребителю.Under the action of an orthogonal turbine 1 or orthogonal turbine 1 and 6 running when performing an orthogonal power unit with two orthogonal turbines 1 and 6, a flow of medium, such as wind or water stream, when the power unit is located in a river or in a tidal stream, an orthogonal turbine 1 starts to rotate, and orthogonal turbines 1 and 6 begin to rotate in opposite directions. As a result of rotation of the orthogonal turbine 1 or orthogonal turbines 1 and 6, the rotor or rotors of the electric generator 4 rotate relative to the stator or stators of the electric generator 4 and the latter starts to generate electrical energy, which is transmitted through a cable (not shown) from the electric generator 4 to the consumer.

Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергоустановок на реках, в приливно-отливных потоках или ветровых энергоустановок.The present invention can be used to create environmentally friendly power plants on rivers, in tidal streams or wind power plants.

Claims

1. Ортогональный энергетический агрегат, содержащий ортогональную турбину с валом и лопастями гидродинамического профиля, закрепленными вокруг вала и вдоль последнего, и электрогенератор, отличающийся тем, что ортогональная турбина выполнена шестиярусной, причем каждый ярус турбины выполнен с одной лопастью, закрепленной на валу посредством траверс, при этом все лопасти выполнены одинаковой массы в расчете на единицу длины лопасти, лопасти ярусов турбины расположены равномерно в окружном направлении вокруг вала турбины, образуя три пары смежных лопастей, в каждой паре лопасти расположены с противоположных сторон относительно вала, лопасти в крайних парах лопастей выполнены с одинаковой длиной L, а лопасти в средней паре имеют большую длину L₀=L 2^0,25 каждая, в таком же соотношении находятся массы траверс средней и крайних пар лопастей.1. An orthogonal power unit comprising an orthogonal turbine with a shaft and hydrodynamic profile blades fixed around the shaft and along the latter, and an electric generator, characterized in that the orthogonal turbine is six-tiered, and each tier of the turbine is made with one blade fixed to the shaft by means of a traverse, wherein all the blades are made of the same mass per unit length of the blades, the blades of the turbine tiers are uniformly in the circumferential direction around the turbine shaft, forming three ry adjacent blades in each pair of blades are arranged on opposite sides of the shaft, the blades in the outer pairs of blades are made of equal length L, and the blades in the central pair have a greater length L ₀ = L 2 ^0.25 each, in the same weight ratio are traverse of the middle and extreme pairs of blades.

2. Ортогональный энергетический агрегат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной ортогональной турбиной, расположенной соосно и симметрично с основной ортогональной турбиной и выполненной аналогично основной ортогональной турбине, при этом профили лопастей дополнительной ортогональной турбины ориентированы противоположным образом по отношению к профилям лопастей основной ортогональной турбины, а электрогенератор расположен между турбинами и выполнен с двумя вращающимися в противоположных направлениях роторами. 2. The orthogonal power unit according to claim 1, characterized in that it is provided with an additional orthogonal turbine located coaxially and symmetrically with the main orthogonal turbine and made similarly to the main orthogonal turbine, while the blade profiles of the additional orthogonal turbine are oriented in the opposite way with respect to the blade profiles the main orthogonal turbine, and the electric generator is located between the turbines and is made with two rotors rotating in opposite directions.