Турбіна з коректором

Винахід відноситься до гідро- і вітроенергетики, особисто до турбін низьконапірних гідроелектростанцій. Відомі чисельні конструкції турбін цього класу. До них відносяться поперечно-струйні турбіни типу ротора Дар’є з прямими лопатями. У цього типу турбін лопаті розташовані паралельно до осі обертання поперек потоку і, в основному, по дотичній до колової траєкторії руху. Лопаті турбін жорстко з'єднані з валом при допомозі несучих елементів, це радіальні кронштейни обтічної форми, або встановлені на валу диски. Загальний недолік турбін цього типу полягає в тому, що більш ефективно вони працюють при низьких напорах (до 2м). З підвищенням напору ККД цих турбін понижується. Встановлено, що для часткового усунення цього недоліку, необхідно в процесі обертання турбіни змінювати кут положення її лопатей по відношенню дотичної до кола її обертання, зв’язаного з місцем її положення на коловій траєкторії також зі зміною напору. Відомі багаточисельні способи вирішення цієї проблеми. Так Дареус [патент США №1835018 від 1931р.] запропонував турбіну зі звичайним ексцентричним кільцем та зв’язуючими шатунами для циклічної зміни кута нахилу лопатей. В реактивній поперечно-струйній турбіні з прямими лопатями [патент США №4368392 від 11.01.1983р.] функції несучих елементів виконують радіальні кронштейни хорошої обтічної форми, вони з'єднують лопаті з валом і частково змінюють кут їх нахилу на коловій траєкторії. Найбільш близьким по технічному рішенню до заявленого (прототипом) є турбіна [патент Російської Федерації №2037639 від 19.05.1995p.]. Турбіна має вал, змонтоване на ньому робоче колесо з парною кількістю прямих лопатей аеродинамічного профілю, кожна з них зв'язана з валом несучим елементом, лопаті закріплені на несучих елементах з можливістю повороту навколо своїх поздовжних осей, при цьому ці осі розміщені між носком і задньою крайкою лопатей в межах від 0 до 0,4 довжини хорди лопаті. Турбіна має пружний елемент, який зв'язаний принаймні в одній точці з лопаттю і в др угій точці - з несучим елементом. Ці пружні елементи діють, як торсіони і певною мірою реагують на кут нахилу лопатей їх колових траєкторій, а також на зміну напору. Задача винаходу - підвищення ККД поперечно-струминних турбін гідро-вітроустатк ування. Це досягається тим, що в турбіні, яка має вал і змонтоване на ньому робоче колесо з парною кількістю прямих лопатей аеродинамічного профілю, з'єднаних з валом несучими елементами і закріплених на них з можливістю повороту відносно точки кріплення навколо своїх поздовжних осей, застосовано елемент, котрий корегує кут нахилу лопатей вздовж всієї колової траєкторії обертання робочого колеса, а також реагує на зміну напору (далі - коректор). Коректор має відповідну еліптичну форму із напрямною полосою на краю його площини, він кріпиться до рами турбіни, через його осьовий отвір вільно проходить вал турбіни. Вал з'єднано підшипниками з рамою турбіни. Лопаті турбіни мають по дві поздовжні осі, перша вісь 6 лопаті 5 з'єднана з несучим елементом 4 з можливістю повороту навколо своєї точки кріплення. Точка кріплення цієї осі розміщена між носком і задньою крайкою лопаті на відстані від носка 0-0,1 довжини хорди лопаті, друга вісь 7 з'єднана з лопаттю 5, має на своїх кінцях підшипники 8 і розміщена між першою віссю 6 і задньою крайкою лопаті на відстані від першої осі на 0,2-0,3 довжини хорди лопаті 5. При обертанні робочого колеса підшипники другої осі котяться по напрямній полосі коректора, при цьому друга вісь повертає лопать на першій її осі у відповідну сторону і на заданий кут її нахилу вздовж всієї колової траєкторії обертання, а також визначає відповідну реакцію лопаті на зміну напору. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Ha Фіг.1 зображено вид турбіни спереду - розріз вздовж валу. На Фіг.2 зображена схема взаємозв'язку колових траєкторій першої і другої поздовжних осей лопаті на коловій траєкторії при обертанні робочого колеса турбіни, а також показані кути нахилу лопатей (по хордах) в різних точках колової траєкторії. Ha Фіг.3 показано: а) - вид коректора збоку його напрямної полоси, котра іде по краю його площини; б) зображено розріз коректора по А-Α з підшипниками другої осі лопаті в напрямній полосі коректора. На Фіг.4 показано вид площини несучого елемента турбіни зверху із заглибленнями (варіант) для переміщення по ним другої осі лопаті при зміні її положення на коловій траєкторії. На фіг.1 показано, що вал турбіні 1 з'єднано з її рамою 2 підшипниками 3, на вал жорстко посаджені несучі елементи 4, на яких закріплені лопаті 5 на їх поздовжних осях 6 з можливістю обертання навколо них Кожна лопать має другу поздовжну вісь 7 з підшипником 8 на її кінцях. До рами турбіни 2 кріпиться елемент, який корегує кут нахилу лопатей 5 вздовж всієї колової траси їх обертання - коректор 9, він кріпиться до рами турбіни 2 на болтах 10. Коректор 9 по краю своєї площини має напрямну полосу 11. При обертанні робочого колеса турбіни підшипник 8 осі 6 лопаті 5 котиться по напрямній полосі 11 коректора 9, при цьому повертає лопать 5 на заданий кут на хилу на коловій траєкторії, а також реагує на зміну напору. На фіг.5 показані колові траєкторії першої осі 6 і другої осі 7 лопаті 5, поперечні розрізи лопатей 5, які розміщені на крайніх точках вигнутих і вгнутих, відносно потока, участках кола обертання оci 6. У точках О, О' проходу осей 6 і 7 через хорду лопаті показані лінії векторів гідродинамічних сил, впливаючих на роботу турбіни. Вектор V - абсолютної швидкості потоку, вектор W відносної швидкості обтікання лопаті. З хордою лопаті він утворює кут a=12°. W = V - U, де U - вектор лінійної швидкості центру ваги лопаті і направлений по дотичної до кола обертання лопаті. U=ωR, де ω - к утова швидкість, a R - радіус кола обертання лопаті. Вектор W - рівнодіюча гідродинамічних і аеродинамічних сил, перетинає хорду лопаті в точці О'. Складові цієї рівнодіючої є підйомна сила Ρ та сила лобового опору Q. Ці гідродинамічні вектори (параметри) залежать також від абсолютної швидкості потоку V та кута φ нахилу хорди лопаті відносно дотичної до кола обертання першої осі 6 та/або до лінії площини вертикального зрізу потоку ΝF. Оптимальне значення цього кута j=30°. Потужність і ККД турбіни значною мірою залежить від дотримання в процесі її роботи оптимальних значень кутів α и φ . При оптимальному куті φ досягається зростання тягнучої сили, що збільшує потужність при збільшенні абсолютної швидкості потоку V. При куті атаки α=12° зменшується вплив лобового опору Q відносно тягнучої сили, що сприяє зростанню ККД турбіни. В турбіні-прототипі значення кутів φ и α втримується на незначних відрізках колової траєкторії. Так, наприклад, при застосуванні торсіонів кут φ набуває оптимального значення під впливом потоку, тому необхідно підібрати торсіони в залежності від потоку, та ставити обмежувачі зайвого відхилення лопатей під дією напору. При цьому оптимальне значення кута φ дотримується на незначних відрізках колової траєкторії. Так, на вигнутій та вгн утій до потоку коловій траєкторії він змінюється від нуля до максимуму і знову до н уля . В турбіні з коректором хорда лопаті переміщується під кутом φ = 30° на вигнутій та вгн утій до потоку колової траєкторії, а нульове значення набуває лише при переходах з одної сторони колової траєкторії другої. В залежності від форми овалу напрямної полоси коректора кут φ=30° дотримується на дузі центрального кута у=120-140° на вигнутій до потоку сторони; і на дузі центрального кута z=90-110° на вгнутій до потоку коловій траєкторії. Просовуючись підшипником 8 по напрямній полосі 11 коректора 4, друга вісь 7 забезпечує дотримання оптимального кута φ на вказаних відрізках колової траєкторії і при зміні напору. Відрізки колової траєкторії центральних кутів у, z збільшуються зі зменшенням відстані між першою віссю 6 і другою віссю 7 лопаті, тобто між О і О'. Відцентрові сили заважають досягненню максимального ККД турбіни. Для зменшення впливу ци х сил на момент Μ рівнодіючої гідродинамічних сил відносно точки О осі повороту лопаті 5 в ортогональних турбінах (і прототипі) застосовуються різні засоби з метою зміщення центра ваги лопаті до точки О, в тому числі і тяги, що з'єднують діаметрально протилежні лопаті. Ці тяги мають на кінцях радіальні підшийники з віссю обертання у точці О'. Це і інше збільшує сили шкідливого опору і тим зменшує ККД. Кое фіцієнт корисної дії η залежить від величини рухаючи х сил і від сили шкідливого опору переважно гідродинамічної природи: η = 1 - Ашк /Арух У конструкції турбіни з коректором задача підвищення ККД вирішується шляхом зменшення впливу сил шкідливого опору Ашк та підви щення рухаючи х сил на основі підтримання оптимальних кутів а таки та φ на більшій приблизно на 30% довжині траєкторії руху лопатей порівняно з відповідними характеристиками прототипу, зменшення впливу відцентрових сил, а також необхідної реакції на зміну напору. Це дає змогу на таку ж величину збільшити потужність запропонованої турбіни порівняно з прототипом при однакових розмірах лопаток і діаметру пристроїв і в ти х же зовнішніх умовах. Розмір коректора 9 і його напрямної полоси 11 визначається розмірами несучого елемента 4, відстанями між діаметрально протилежними першими осями 6 лопатей 5. Форма напрямної полоси 11 визначається відстанню меж першою і другою осями 6-7, О-О'. Зі зменшенням цієї відстані форма напрямної полоси коректора наближається до кола при цьому збільшуються дуги центральних кутів у, z на яких витримується оптимальний кут нахилу хорди φ=30° та оптимальний кут атаки α=12°. Виготовлення напрямної полоси коректора здійснюється наступним чином: коло, по якому просувається центр осі 6 лопаті 5 ділиться на невеликі рівні відрізки, наприклад, 2pR/20, 2pR/50. На вигнутій до потоку коловій трасі осі 6 в точці О відкладається пряма під кутом φ=30° до дотичної кола. Ця пряма є хордою лопаті. На ній відкладається положення О' центра другої осі 7 лопаті 5. Подібні прямі (хорди) як дотичні відкладаються під кутами 30° до лінії вертикального зрізу потоку у кожній точці поділу траєкторії. На кожній з них відкладається точка О' другої осі 7. 3'єднання цих точок кривою дає форму і величину напрямної коректора на цих участках. Перехід між ними у вер хній і нижній частинах траєкторії здійснюється плавними кривими за допомогою лекал. Турбіна з коректором відноситься до класу реактивних поперечно-струйних турбін, які у вітроенергетиці застосовуються у вітроагрегатах з вертикальною віссю обертання. Запропонований механізм повороту лопастей забезпечує ефективну роботу ортогональної турбіни при зміні напору. Завдяки запропонованому конструктивному рішенню досягається підвищення ККД турбіни і її потужності у водних і повітряних потоках.