Турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію

Реферат: Турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію містить статор з обмотками, розміщений усередині нього ротор з постійними магнітами та вузол обертання, на якому змонтований ротор. Ротор являє собою набір лопатей, виконаних з можливістю автоматичної зміни кута атаки та одним кінцем жорстко закріплених на зовнішньому ободі, а іншим кінцем - на внутрішньому ободі, що утворює корпус вузла обертання. Кожна лопать містить передній твердий стрижень та задній твердий стрижень, до яких прикріплений лист із еластичного матеріалу. Задній твердий стрижень установлений з можливістю осьового переміщення в пазах, виконаних у зовнішньому та внутрішньому ободах ротора. UA 103531 U (12) UA 103531 U UA 103531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до альтернативних джерел постачання електричної енергії, зокрема до турбогенераторів, що перетворюють енергію рідини, що рухається, в електричну енергію. У наш час широко відомі генератори електричної енергії, що приводяться в обертання гідротурбінами. Подібні конструкції містять турбіну (водяне колесо), занурену у воду, та з'єднаний з нею за допомогою вала електричний генератор (ЕГ) тієї або іншої конструкції. У зазорах між статором та ротором генератора знаходиться повітря для забезпечення електричної ізоляції на струмонесучих частинах генератора. Для цього конструкції описуваного типу передбачають наявність герметичних камер - повітряної камери для ЕГ і водяної камери для турбіни, розділених перегородкою. Крізь перегородку проходить вал, обладнаний сальниками та ущільненнями для забезпечення герметизації. При порушенні герметичності перегородки або сальників, наприклад при аваріях на ГЕС, вода потрапляє в повітряну камеру (машинне відділення), заливає генератор і виводить його з ладу. Також відомі турбогенератори невеликого розміру, повністю занурені у воду, у яких ЕГ поміщений у спеціальний водонепроникний кожух. При цьому вал ЕГ пропущений через сальники, що забезпечують герметичність кожуха. Однак гідростатичний тиск, який може виявитися значним на великих глибинах, рано або пізно викликає просочування води через сальники та вихід з ладу генератора. Сальники є ненадійним вузлом, що схильний до зносу й періодично вимагає заміни. У той же час заміна сальника під водою неможлива й вимагає підйому всього пристрою на поверхню. Через вищевказані недоліки "сухі" ЕГ у герметичних корпусах дуже рідко використаються для підводних пристроїв. Однак досить перспективним напрямком є використання заглибних турбогенераторів як невеликих автономних (альтернативних) джерел електричної енергії, оскільки вони не вимагають будівництва капітальних споруд на дні водойми. Ще однією перешкодою до цього є більша номінальна швидкість обертання стандартних ЕГ (15-20 об/с) у порівнянні зі швидкістю обертання турбін (0,5-3 об/с). Використання ж мультиплікаторів (в основному з зубчастою передачею) для зрівнювання швидкостей обертання турбіни та ЕГ вимагає герметичного кожуха для мультиплікатора, додаткових сполучних муфт, збільшує масу та вартість конструкції, збільшує втрати енергії в мультиплікаторі. Таким чином, залишається актуальним напрямок досліджень для розробки конструкції турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, що буде позбавлена описаних вище недоліків. Ще однією актуальною проблемою в даній області техніки є недостатня ефективність турбогенераторів відомих конструкцій. Подібні пристрої працюють у потоці, що міняє свій напрямок - у морських хвилях або мінливих морських течіях, припливах та відливах океану. На ефективність їх роботи впливають різні фактори, зокрема напрямок обертання ротора при зміні напрямку потоку, а також форма поверхні лопатей ротора турбогенератора. Відома так звана "двоспрямована турбіна", яка працює завдяки тому, що відношення товщини її лопатей до їх хорди (товщини) досить велике, що призводить до збільшення кривизни поверхні лопатей та кутів нахилу передньої та задньої поверхні лопатей до площини обертання турбіни. Асиметрична форма лопатей забезпечує різницю скочувальних сил, які діють під тиском потоку на вузьку передню та більш широку задню частину лопатей. Ця різниця сил може досягати значення до 1/3 сили тиску на лопать та викликає рух лопатей турбіни вбік передньої кромки лопатей. Таким чином, "двоспрямована турбіна" обертається в один і той самий бік при будьякому напрямку потоку. Однак відносно невелика різниця скочувальних сил та опукла форма лопатей зумовлює в сукупності низький ККД перетворення енергії потоку - близько 20 %. Також з рівня техніки відома хвильова турбіна "Устюг", описана в патенті РФ № 2303708 (опубл. 27.07.2007), яка характеризується виконанням задніх кромок лопатей гнучкими, а передніх кромок лопатей твердими. Коли тиск потоку води відхиляє задні кромки лопатей, кут атаки стає відмінним від нуля та з'являється скочувальна сила, що штовхає лопаті убік передньої кромки. При зміні напрямку потоку рідини на протилежний, задні кромки відхиляються тиском води у той самий бік, кут атаки змінюється на протилежний, та з'являється скочувальна сила, яка штовхає лопаті убік передньої кромки. Таким чином, турбіна обертається в один і той самий бік незалежно від напрямку потоку. Недоліком хвильової турбіни "Устюг" є низький ККД близько 20 %, що обумовлено формою поверхні лопаті, оскільки лопать своєю опуклою поверхнею звернена до потоку. Крім цього постійна високоамплітудна знакозмінна деформація лопатей турбіни зумовлює досить високий ступінь їх зносу, що знижує надійність пристрою в цілому. Найбільш близьким аналогом рішення, що заявляється, та вибраним за прототип є турбогенератор, описаний у патенті РФ № 2432490 (опубл. 27.10.2011), який містить статор з обмотками, розміщений усередині нього ротор з постійними магнітами та вузол обертання, на 1 UA 103531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якому змонтований ротор, причому ротор являє собою набір лопатей, одним кінцем жорстко закріплених на зовнішньому ободі, а іншим кінцем - на внутрішньому ободі, що утворює корпус вузла обертання, причому в зазначеному зовнішньому ободі розташовані одна або більше камер плавучості, що дозволяє знизити вагу ротора. До недоліків описаної конструкції належить відсутність можливості регулювання кута атаки лопатей, як примусового, так і автоматичного. Відповідно, у випадку зміни напрямку потоку рідини на протилежний, кут атаки не може бути змінений на протилежний, що зумовлює неможливість роботи пристрою в реверсивному потоці. Перелічені вище фактори значно знижують ефективність описаної конструкції, а також звужують область її застосування. В основу корисної моделі поставлена задача розробити такий турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, конструктивне виконання якого забезпечить досягнення технічного результату, який полягає в підвищенні ефективності роботи турбогенератора, підвищенні терміну його служби, зниженні металоємності конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що розроблено турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, який містить статор з обмотками, розміщений усередині нього ротор з постійними магнітами та вузол обертання, на якому змонтований ротор, при цьому ротор являє собою набір лопатей, виконаних з можливістю автоматичної зміни кута атаки й одним кінцем жорстко закріплених на зовнішньому ободі, а іншим кінцем - на внутрішньому ободі, що утворює корпус вузла обертання, при цьому кожна лопать містить передній твердий стрижень та задній твердий стрижень, до яких прикріплений лист із еластичного матеріалу, при цьому задній твердий стрижень встановлений з можливістю осьового переміщення в пазах, виконаних у зовнішньому та внутрішньому ободах ротора. Під осьовим переміщенням заднього твердого стрижня мається на увазі переміщення вздовж осі обертання ротора. Між зовнішнім краєм листа з еластичного матеріалу кожної лопаті та внутрішньою поверхнею внутрішнього ободу ротора передбачений зазор для забезпечення вільної зміни форми листа з еластичного матеріалу. Переважно зазор складає 1-3 мм. Таке конструктивне виконання турбогенератора сприяє значному підвищенню ефективності його роботи, оскільки реалізація лопатей дозволяє забезпечити їм необхідну ввігнуту назустріч потоку рідини форму поверхні. При цьому кут атаки та кривизна поверхні лопаті змінюються на протилежні за знаком при зміні напрямку потоку. Під дією сили тиску набігаючого потоку листи з еластичного матеріалу кожної лопаті вигинаються, зміщуються та переміщають задній твердий стрижень у пазах, виконаних у зовнішньому та внутрішньому ободах ротора, у крайнє положення за напрямком потоку. При цьому забезпечується такий кут атаки та необхідна від'ємна кривизна лопатей (їх увігнута назустріч потоку форма поверхні), що сприяють виникненню максимально великої скочувальної сили у напрямку передньої кромки кожної лопаті, яка утворена переднім твердим стрижнем, після чогоротор починає обертатися. При зміні напрямку потоку, сила його тиску також впливає на листи з еластичного матеріалу кожної лопаті, що призводить до переміщення задніх твердих стрижнів у згаданих пазах у протилежному напрямку, при цьому кут атаки змінюється на протилежний, а скочувальна сила знову діє в напрямку передньої кромки лопатей, яка утворена переднім твердим стрижнем. Кривизна лопатей також змінюється на протилежну так, що зберігається ввігнута назустріч потоку рідини форма поверхні лопаті. Ротор продовжує обертатися в тому ж напрямку без зупинки. У момент нульової швидкості потоку лопаті ротора характеризуються нульовим кутом атаки та нульовою кривизною і не викликають гальмування ротора. Експериментально встановлено, що описані конструктивні особливості турбогенератора дозволяють забезпечити підвищення його ККД до 70 %. Також лопаті ротора служать для його центрування на осі обертання. Таким чином, скасований вал, що використовується в інших конструкціях для передачі крутного моменту з турбіни на ЕГ, що дозволяє зменшити металоємність конструкції, її масу та вартість, а також підвищити зносостійкість конструкції за рахунок відсутності таких негативних факторів як биття на валу при передачі крутного моменту з турбіни на ЕГ. Застосування для виготовлення лопатей листів з еластичного матеріалу, здатних витримувати високоамплітудну знакозмінну деформацію до десятків мільйонів циклів, дозволяє значно збільшити термін служби турбогенератора. Зазначені листи необхідної форми можуть виготовляти в прес-формах для виготовлення гумотехнічних виробів. Застосування подібних матеріалів та технологій значно здешевлює конструкцію турбогенератора, а також знижує його металоємність. Доцільною є така реалізація турбогенератора, при якій довжини пазів підібрані таким чином, що при крайньому положенні заднього твердого стрижня в пазах кут атаки лопаті біля зовнішнього ободу становить від 5 до 30 градусів, а біля внутрішнього ободу - від 30 до 60 градусів. Наприклад, при діаметрі ободу 500 мм оптимальне відношення довжини внутрішніх 2 UA 103531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пазів до зовнішніх буде 1:1, при діаметрі ободу 1000 мм - 1,5:1, а при діаметрі ободу 2000 мм 2:1. Можливий варіант реалізації пристрою, що заявляється, при якому статор та зовнішній обід ротора виконані у вигляді суцільних кілець - магнітопроводів з магнітом'якого матеріалу, переважно електротехнічної сталі, діаметр яких значно перевищує їх ширину та товщину. Крім цього, для зменшення втрат енергії можливе виконання магнітопроводів складеними у вигляді стопок тонких сталевих кілець, ізольованих лаком. Переважно обмотки статора розміщені в пазах, виконаних на внутрішній стороні статора, та ізольовані за допомогою електроізолюючого водостійкого компаунда, наприклад за допомогою епоксидної смоли. Таким чином, всі струмонесучі елементи статора є електрично ізольованими та можуть функціонувати під водою. Обмотки з'єднані послідовно в групи, а групи підключені до споживача струму по схемах, які звичайно застосовуються в асинхронних генераторах на постійних магнітах, наприклад з'єднання 3-и променевою зіркою для живлення 3-и фазним змінним струмом. Сусідні обмотки намотані витками назустріч одна одній так, що замкнуті силові лінії магнітного поля проходять через сусідні обмотки. Постійні магніти розміщені на зовнішній стороні зовнішнього ободу ротора із чергуванням полярності. Переважно при реалізації корисної моделі, що заявляється, застосовуються феритні або залізо-бор-неодимові постійні магніти. Напрямок полюсів сусідніх магнітів зорієнтовано так, що замкнуті силові лінії магнітного поля сусідніх магнітів проходять через магнітопровід ротора, зазор між ротором та статором, обмотки статора і замикаються через магнітопровід статора. Тобто, якщо північний полюс якого-небудь магніту спрямований до статора, то північні полюси магнітів, що перебувають поруч із ним (праворуч та ліворуч), спрямовані від статора, і навпаки. Розмір магнітів підбирається відповідно до розмірів сердечників обмоток статора, а кількість магнітів на 1-3 менше, ніж кількість обмоток статора. Ротор обертається усередині статора з мінімальним зазором між магнітами й сердечниками обмоток, переважно зазначений зазор становить 1-2 мм. Описана вище схема розміщення постійних магнітів із чергуванням їх полярності забезпечує генерування електроенергії на обмотках статора без витрат останньої на збудження, а також можливість створення багатополюсного ротора з ефективним використанням магнітного потоку та генерування електроенергії при мінімальній швидкості потоку без використання мультиплікатора. Турбогенератор містить раму для встановлення статора й розміщеного всередині нього ротора, яка характеризується фермовою конструкцією. Використання подібної рами дозволяє конструктивно об'єднати статор та ротор у єдиний вузол. Крім цього, застосування полегшеної фермової конструкції замість масивної коробчастої відкриває нові області застосування турбогенератора. Так турбогенератор може працювати у воді, не будучи зафіксованим на фундаменті, а лише перебуваючи на плаву. При розташуванні турбогенератора в горизонтальній площині він приводиться в рух морськими хвилями (вертикальні переміщення води), а при його розташуванні у вертикальній площині - течіями та відпливами-припливами (горизонтальні переміщення води). Описане конструктивне виконання турбогенератора дозволяє освоїти таке перспективне джерело енергії як реверсивні потоки рідини, наприклад, морські хвилі. Пристрій може додатково містити зовнішнє електронне, електромеханічне або гідравлічне устаткування для регулювання електричної напруги та частоти. Корисна модель, що заявляється, пояснюється за допомогою наступних фігур. Фіг. 1 - загальний вигляд турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію. Фіг. 2 - вигляд зверху в розрізі турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію. Фіг. 3 - схематичне зображення частини турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, що ілюструє конструкцію лопатей. Фіг. 4 - схематичне зображення частини магнітної системи турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію. На фіг. 1 представлений загальний вигляд турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, який містить статор 1 з обмотками, розміщений усередині нього ротор 2 з постійними магнітами та вузол обертання 3, на якому змонтований ротор 2, при цьому ротор являє собою набір лопатей 4, виконаних з можливістю зміни кута атаки та одним кінцем жорстко закріплених на зовнішньому ободі 5, а іншим кінцем - на внутрішньому ободі 6, який утворює корпус вузла обертання 3. Турбогенератор також містить раму 7 для установки статора 1 та розміщеного всередині нього ротора 2. На фіг. 2 представлений вигляд зверху в розрізі турбогенератора для перетворення енергії 3 UA 103531 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 рідини, що рухається, в електричну енергію. Елементи конструкції турбогенератора, ідентичні елементам конструкції, зазначеним на фіг. 1, позначені на фіг. 2 відповідним чином. Крім цього на фіг. 2 показаний один з варіантів реалізації вузла обертання 3, переважно у вигляді підшипника ковзання 8 з антифрикційного матеріалу, наприклад капрону або тефлону. Підшипник ковзання 8 запресований у корпус вузла обертання 3, що утворений внутрішнім ободом 6 ротора 2. На фіг. 3 представлене схематичне зображення частини турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, що ілюструє конструкцію лопатей 4. Елементи конструкції турбогенератора, ідентичні елементам конструкції, зазначеним на фіг. 1, позначені на фіг. 3 відповідним чином. Кожна лопать 4 містить передній твердий стрижень 9 та задній твердий стрижень 10, до яких прикріплений лист 11 з еластичного матеріалу (полотно), при цьому задній твердий стрижень 10 установлений з можливістю осьового переміщення в пазах 12, виконаних у зовнішньому 5 та внутрішньому 6 ободах ротора 2. На фіг. 4 представлене схематичне зображення частини магнітної системи турбогенератора для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію. Обмотки 13 статора 1 розміщені в пазах, виконаних на внутрішній стороні статора 1, а постійні магніти 14 розміщені на зовнішній стороні зовнішнього ободу 5 ротора 2 із чергуванням полярності. Корисна модель, що заявляється, працює в такий спосіб. Турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію розміщують належним чином у місці установки з урахуванням умов його наступної експлуатації. При розташуванні турбогенератора в горизонтальній площині він приводиться в рух морськими хвилями (вертикальні переміщення води), а при його розташуванні у вертикальній площині течіями та відпливами-припливами (горизонтальні переміщення води). Під дією сили тиску потоку, що набігає, листи 11 з еластичного матеріалу кожної лопаті 4 вигинаються, зміщуються завдяки наявності зазору між зовнішнім краєм листів 11 з еластичного матеріалу та внутрішньою поверхнею внутрішнього 6 ободу, після чого переміщується задній твердий стрижень 10 у пазах 12, виконаних у зовнішньому 5 та внутрішньому 6 ободах ротора 2, у крайнє положення за напрямком потоку. При цьому забезпечується такий кут та необхідна від'ємна кривизна лопатей 4 (їх увігнута назустріч потоку форма поверхні), які сприяють виникненню максимально великої скочувальної сили у напрямку передньої кромки кожної лопаті 4, що утворена переднім твердим стрижнем 9, після чого ротор 2 починає обертатися. При зміні напрямку потоку сила його тиску також впливає на листи 11 з еластичного матеріалу кожної лопаті 4, що призводить до переміщення задніх твердих стрижнів 10 у згаданих пазах 12 у протилежному напрямку, при цьому кут атаки змінюється на протилежний, а скочувальна сила знову діє в напрямку передньої кромки лопаті 4, що утворена переднім твердим стрижнем 9. Кривизна лопатей також змінюється на протилежну так, що зберігається ввігнута назустріч потоку форма поверхні лопаті 4. Ротор 1 продовжує обертатися в тому ж напрямку без зупинки. У момент нульової швидкості потоку лопаті 4 ротора 1 характеризуються нульовим кутом атаки та нульовою кривизною і не викликають гальмування ротора 1. При крайньому положенні заднього твердого стрижня 10 у пазах 12 кут атаки лопаті 4 біля зовнішнього обода 5 складає від 5 до 30 градусів, а біля внутрішнього обода 6 - від 30 до 60 градусів. При обертанні ротора 2 відносно статора 1 магніти 14 зміщуються відносно обмоток 13 і магнітний потік через кожну обмотку 13 падає до нуля, а потім змінюється на магнітний потік протилежного напрямку за гармонічним законом. При цьому в кожній обмотці 13 наводиться е.р.с. змінного напрямку. При з'єднанні обмоток 13 між собою та підключенні до навантаження (споживача струму) через обмотки 13 та навантаження проходить змінний струм із частотою, пропорційною кількості полюсів та обертів ротора 2. Таким чином, розроблена корисна модель являє собою турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, конструктивне виконання якого забезпечує досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні ефективності роботи турбогенератора, підвищенні терміну його служби, зниженні металоємності конструкції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Турбогенератор для перетворення енергії рідини, що рухається, в електричну енергію, що містить статор з обмотками, розміщений усередині нього ротор з постійними магнітами та вузол обертання, на якому змонтований ротор, причому ротор являє собою набір лопатей, одним кінцем жорстко закріплених на зовнішньому ободі, а іншим кінцем - на внутрішньому ободі, що утворює корпус вузла обертання, який відрізняється тим, що кожна лопать містить передній твердий стрижень та задній твердий стрижень, до яких прикріплений лист із еластичного 4 UA 103531 U 5 10 15 матеріалу, причому задній твердий стрижень установлений з можливістю осьового переміщення в пазах, виконаних у зовнішньому та внутрішньому ободах ротора. 2. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що лопаті виконані з можливістю автоматичної зміни кута атаки. 3. Турбогенератор за п. 2, який відрізняється тим, що довжини пазів підібрані таким чином, що при крайньому положенні заднього твердого стрижня в пазах кут атаки лопаті біля зовнішнього ободу становить від 5 до 30 градусів, а біля внутрішнього ободу - від 30 до 60 градусів. 4. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що між зовнішнім краєм листа з еластичного матеріалу кожної лопаті та внутрішньою поверхнею внутрішнього ободу ротора передбачений зазор, що становить 1-3 мм. 5. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що осьове переміщення заднього твердого стрижня здійснюється вздовж осі обертання ротора. 6. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що обмотки статора розміщені в пазах, виконаних на внутрішній стороні статора, та ізольовані за допомогою електроізолюючого водостійкого компаунда. 7. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що постійні магніти розміщені на зовнішній стороні зовнішнього ободу ротора із чергуванням полярності. 8. Турбогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що містить раму для встановлення статора та розміщеного всередині нього ротора, яка характеризується фермовою конструкцією. 5 UA 103531 U 6 UA 103531 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Українськийінститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7