Струминно-турбінний енергоперетворювач /степ/

1. Струминно-турбінний енергоперетворювач, що містить турбіну, яка має ротор з лопатями та валом, встановленим з можливістю обертання у підшипниках, закріплених нерухомо відносно корпусу турбіни, причому вал турбіни кінематично зв'язаний з валом генератора електричної чи інших видів енергії, корпус турбіни має на вході струменя до нього конфузор та вхідний пристрій, нерухомий відносно корпусу, якщо вісь турбіни паралельна струменю, і встановлений з можливістю обертання навколо осі, паралельній осі турбіни, і повертаючий струмінь на 90°, якщо вісь турбіни перпендикулярна до струменя, а на виході струменя з корпусу турбіни встановлено ежектор та дифузор, який відрізняється тим, що сопла ежектора встановлені по периметру дифузора, а на вході струменю до них є конфузор, який відокремлений двома стінками - зовнішньою та внутрі шньою, причому внутрішня стінка цього конфузора співпадає з зовнішньою стінкою корпусу турбіни, її конфузора та дифузора, а зовнішня стінка конфузора сопел ежектора разом з корпусом змішувальної камери ежектора та вхідним пристроєм утворюють зовнішній корпус енергоперетворювача. 2. Перетворювач по п. 1, який відрізняється тим, що його вхідний пристрій має на вході струменя конфузор, а по периметру його вихідного перерізу встановлені сопла додаткового ежектора, які мають на своєму вході окремий конфузор, зовнішня стінка котрого разом з корпусом змішувальної' камери додаткового ежектора та вхідним пристроєм додаткового ежектора утворюють ЗОВНІШНІЙ корпус двоконтурного енергоперетворювача. 3. Перетворювач по пп. 1 та 2, який відрізняється тим, що його вхідний пристрій, встановлений з можливістю обертання навколо осі, паралельній осі турбіни, має на виході струменя з цього пристрою одне чи кілька сопел з конфузором, котрі разом з конфузором на вході струменя у корпус перетворювача та зазором між цим конфузором та означеними соплами утворюють ущільнюючий ежектор. СТЕП належить до галузі енергетики, зокрема до енергетики відновлюваних джерела гідроенергетики та вітроенергетики. Відома вітроенергетична установка за А.С. №1523710, що вміщує повітряну турбіну у вигляді гнучкої' безкінцевоґ стрічки з лопатями, яка охоплює шківи, вісі котрих перпендикулярні напрямку струменя повітря і одна з них кінематичне пов'язана з електрогенератором. З підвітряного боку турбіну охоплює кожух, який на виході струменя з нього має ежектор. Ежектор містить вхідний конфузор, сопло та дифузор і зв'язаний з кожухом трубо-проводом. Кожух та ежектор мають повітрязбірники, що можуть бути спрямовані у напрямку повітряного струменя за допомогою їх повороту (сумісно з усією установкою) навколо однієї з осей. Недоліками цієї конструкції перетворювача енергії струменя є те, що лопаті на гнучкій стрічці мають малу ефективність, а неущільнений кожух має великі об'ємні втрати струменя і через це ежектор не має змоги створити необхідне розряджен ня за турбіною. Додаткові втрати енергії' струменя зв'язані з поворотом струменя у повітрязбірниках та трубопроводі, що з'єднує ежектор і кожух. Велика площа силуету поворотної частини цієї вітроустановки впоперек струменя веде до появи значного згинального моменту у його рамі і тему до великої металоємності всієї конструкції Як турбіна на безкінцевій стрічці, так і поворотна частина перетворювача за А.С. №1523710 мають велику інерційність. При різкій зміні швидкості та напрямку струменя повітря (поривах вітру) частина його енергії втрачається. Недоліком є й те, що турбіна на безкінцевій стрічці ефективно діє за умовою малих обертів її валів і, якщо вони кінематично пов'язані з генератором електричної енергії, це потребує встановлення додаткового пристрою для підвищення обертів (мультиплікатора). Є звісним струминно-турбінний перетворювач енергії у вигляді гідроелектростанції за А.С. №4770123 (найближчий аналог), що містить осьову турбіну, яка має ротор та статор з лопатями й CO О) CO Ої рО ^ ^Г ^ 5Г ^ 9693 валами встановленими з можливістю обертання у підшипниках, закріплених нерухомо відносно засновки, а вали кінематичне пов'язані з валом електрогенератора. Турбіна має на вході струменя у неї нерухомий конфузор, тому що вісь турбіни паралельна напрямку струменя рідини, а на виході вона ж має ежектор та дифузор, причому активне сопло ежектора зв'язано з боковими водозбірниками конфузорними змієвидними патрубками. Недоліками струминно-турбін ного перетворювача енергії за А.С., №4770123 є те, що велика втрата швидкості струменя у змієвидних патрубках не дає змоги створити необхідне розрядження у камері за турбіною. Тому турбіна має малу потужність, великий діаметр, великий момент інерції ротора, малі оберти валу. Великі розміри турбіни і всього перетворювача ведуть до появи значних зусиль у його заснові та великої' металоємності всієї конструкції, велика інерційність ротора турбіни призводить до втрати долі енергії струменя при різкій зміні його швидкості або напрямку. Малі оберти турбіни потребують встановлення мультиплікатора для підвищення обертів генератора електроенерції. Задачею корисної моделі є створення такого струминно-турбінного енергоперетворювача, який має підвищену ефективність (високий коефіцієнт використання енергії струменя), спрощену конструкцію, знижену металоємність, малі розміри турбіни. Ця задача вирішується за рахунок того, що у відомому струминно-турбінному енергоперетворювачі, який містить турбіну з ротором та лопатями і валом, встановленним з можливістю обертання у підшипниках, закріплених нерухомо відносно корпусу турбіни перетворювача, причому вал турбіни кінематичне пов'язаний з валом генератора електричної енергії, корпус турбіни має на вході струменя до нього конфузор чи (та) вхідний пристрій, а на виході струменя з корпусу турбіни ежектор з дифузором. Згідно з корисною моделлю, сопла ежектора встановлені по периметру найбільшого перерізу дифузора, а конфузор на вході струменя до цих сопел відокремлений двома стінками: зовнішньою та внутрішньою. Внутрішня стінка цього конфузора співпадає з зовнішньою стінкою корпуса турбіни, її конфузора та дифузора, а зовнішня стінка конфузора сопел разом з корпусом змішувальної камери ежектора та вхідним пристроєм становлять ЗОВНІШНІЙ корпус прямотічного енергоперетворювача. Якщо до прямотичного енергоперетворювача додати другий контур, можна ще більше зменшити розміри турбіни та її інерційність, підвищити її оберти. Двоконтурний струминно-турбінний перетворювач енергії містить енергоперетворювач першого контуру, котрий на вході струменя у його зовнішній корпус має додатковий конфузор, а по периметру його вихідного перерізу встановлені сопла додаткового ежектора. Ці сопла мають на своєму вході окремий конфузор, зовнішня стінка якого разом з корпусом змішувальної' камери додаткового ежектора та вхідним пристроєм додаткового ежектора становлять зовнішній корпус двоконтурного перетворювача енергії. З метою зменшення втрат струменя у вхідному пристрої', що повертає струм на 90°, спрямовуючи його у вхідний отвір корпусу енергоперетворовача, і який встановлений з можливістю обертання навколо осі, паралельній осі турбіни, цей вхідний пристрій має на виході струменя з нього (1 на вході в енергоперетворювач) по периметру вихідного перерізу одне чи кілька сопел з конфузорами. Ці сопла разом з конфузором на вході в перетворювач енергії і зазором між ними становлять ежектор, що підсмоктує рідину чи повітря з довкілля і не перешкоджає обертанню вхідного пристрою. На Фіг.1 зображено розріз струминнотурбінного енергоперетворювача вздовж його осі. На Фіг.2 зображено розріз двоконтурного енергопвретворювача вздовж його осі. На Фіг.З зображено вид А. На Фіг.4 зображено вид Б. На Фіг.5 зображен енергоперетворювач, вісь якого перпендикулярна напрямку струменя, встановлений на башті. На Фіг.6 зображено розріз по В-В. Струминно-турбінний енергоперетворювач (СТЕП) містить турбіну і, що має ротор 2 з лопатями 3. Вал 4 ротора 2 має можливість обертання у підшипниках 5 й кінематичне пов'язаний, наприклад за допомогою ремінної передачі 6, електрогенаратором 7. Підшипники 5 встановлені у втулці 8, що закріплена нерухомо відносно конфузора 9 за допомогою розтяжек 10. Конфузор 9, у свою чергу, закріплен на корпусі її турбіни і на вході струменя до нього. На виході струменя з корпусу її турбіни і закріплено дифузор 12. По найбільшому перерізу дифузора 12 встановлені сопла 13 ежектора 14. На вході струменя до сопел 13 розміщено конфузор 15, внутрішня стінка якого 16 є також зовнішньою стінкою корпусу її турбіни і, її конфузора 9 та дифузора 12. Зовнішня стінка 17 конфузора 15 сопел 13 разом з корпусом 18 змішувальної камери 19 ежектора 14 та вхідним пристроєм 20 становлять зовнішній корпус 21 прямотічного енергоперетворювача 22 . Двоконтурний енергоперетворювач має як перший контур прямотічний енергоперетворювач 22, на вході струменя до якого закріплено конфузор 23, а по периметру його вихідного перерізу встановлені сопла 24 додаткового ежектора 25. Ежектор 25 має на вході струменя до сопел 24 конфузор 26, зовнішня стінка 27 котрого разом зі стінкою 28 додаткової змішувальної камери 29 та вхідним пристроєм ЗО додаткового ежектора 25 становлять зовнішній корпус 31 двоконтурного перетворювача енергії струменя 32. Енергоперетворювач першого контуру 22 закріплено в корпусі 31 за допомогою розтяжек 33, а вал 4 його турбіни і кінематичне пов'язаний з вадом електрогенератора 7 за допомогою ремінної' передачі 6. Струминно-турбінний енергоперетворювач 22 чи 32, вісь якого перпендикулярна напрямку струменя, закріплено у башті 34 й має вхідний пристрій 35 , встановлений з можливістю обертання навколо осі, паралельній осі перетворювача. Пристрій 35 має на виході струменя з нього одне чи кілька сопел 36 з конфузором 37. Сопла 36 та конфузор 9693 38 на вході у перетворювач 22 чи 32 спільно з зазором 39 становлять ущільнюючий ежектор 40. На башті 34 встановлено погон 41, з яким взаємодіють колеса 42, що закріплені на вхідному пристрої 35. Щогла 43 встановлена нерухомо по осі обертання вхідного пристрою 35 й на ній закріплено датчик 44 напрямку та швидкості струменя котрий взаємодіє з механізмом обертання вхідного пристрою 35 та апаратурою регулювання електричного струменя генератора 7. Струминно-турбінний енергоперетворювач (СТЕП) діє слідуючим чином. Вісь перетворювача 22 спрямовують паралельно напрямку струменя рідини чи газу. Струмень надходить у вхідний пристрій 20. Далі вхідна кромка конфузора 9 розділяє струм на дві частини : зовнішню 45 та внутрішню 46. Внутрішній струм 46 через конфузор 9 надходить до лопатей 3 турбіни і, що призводить до обертання ротора 2, який через вал 4, за допомогою передачі 6, приводить у обертання ротор генератора 7 и. появи електричного струменя, зовнішній струм 45 через конфузор 15, де він підвищує свою швидкість, та сопла 13 надходить до змішувальної камери 19 й створює розрядження за дифузором 12. Дифузор 12 ще більше знижує тиск рідини чи газу за турбіною і у порівнянні з довкіллям. Перепад тиску на турбіні і зростає. Зростає й її потужність. Це дозволяє значно знизити зовнішній діаметр турбіни в порівнянні з зовнішнім діаметром гвинтового репелера (майже у три рази) й зовнішній діаметр всього перетворювача тієї ж потужності. Двоконтурний енергоперетворювач діє аналогічним чином. Струмень рідини чи газу надходить у вхідний пристрій ЗО. Вхідна кромка конфузора 23 розділяє струм на дві частини: зовнішню 47 та внутрішню 48. Внутрішній струм 48 через конфузор 23 потрапляє у перетворювач 22, обертає його турб(ну та, за допомогою передачі 6 -генератор 7, що призводить до появи електричного струменя. Зовнішній струм 47 через конфузор 26 та сопла 24 надходить з підвищеною швидкістю до змішувальної камери 29 другого контуру, де створює розрядження за перетворювачем 22. Перепад тиску на вході до перетворювача 22 та на виході струменя з нього зростає, зростає й його потужність. Це до Фіг. 1 зволяв ще більше зменшити діаметр турбіни першого контуру, її інерційність та збільшити з'єм потужності з енергоперетворювача. Струминно-турбінний перетворювач 22 чи 32 з вхідним пристроєм 35 (Фіг.5 та 6) діє слідуючим чином. Механізм обертання спрямовує вхідний отвір пристрою 35 по сигналам датчика 44 У напрямку струшу. Вхідний пристрій 35 повертає струм на 90° з мінімальною втратою його швидкості та спрямовує до входу у перетворювач 22 чи 32 й конфузор 37 сопел 36 ущільнюючого ежектора 40. Цей струмінь призводить до дії енергоперетворювач 22 чи 32 та ущільнюючий ежектор 40. При оптимальному співвідношенні геометричних та аерогідродінамічних параметрів СТЕП, його коефіцієнт використання енергії струменя (КВЕС), тобто відношення потужності турбіни до потужності струменя, що поступає у перетворювач, щільно наближається до одиниці. Це дозволяє значно, майже у двічі, зменшити площу вхідного отвору енергоперетворювача СТЕП відносно площі 9 що ометає гвинтовий репелер тієї ж потужності. Зменшення площі вхідного отвору призводить до зменшення зусилля тисну рідини або газу на енергоперетворювач, а тому й до зменшення його матеріалоємності. Те ж саме дозволяє зменшити зовнішній: діаметр ротора турбіни та його інерційність, збільшити оберти його та загальний з'єм енергії з енергоперетворювача, наприклад з перетворювача енергії вітру, що віє поривами. Високообертова турбіна може взаємодіяти з генератором електричної енергії за допомогою спрощеної передачі, наприклад ремінної. Загальний КВЕС (з врахуванням ККД електрогенератора) у перетворювача СТЕП майже у 2, 4 рази більший, ніж у діючих гвинтових енергоперетворювачів. Джерела інформації 1. Коробквв В.А. Преобразование енергии океана. -Л.:Судостроение, 1986г. -с.111-131. 2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динаиика.-М.;"Наука",1969г.-с.436-450. 3. Установки ветроелектрические. Общие технические требования. ГОСТ Р 51991 - 2002,- М.; Издательство стандартов, 2003г. Фіг. З Фіг. 4 10 ФІГ. 6 Комп'ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освгти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601