Гидроэлектрическая/гидрокинетическая турбина и способы ее создания и использования - RU2017130693A
Код документа: RU2017130693A
Формула
1. Однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая:
в целом цилиндрический обод ускорителя, который имеет заданное сечение стенки и который в пределах своего цилиндрического сечения задает область для потока воды,
при этом указанный обод ускорителя содержит расположенную в нем конструкцию, по существу состоящую из выполненного как одно целое гидрокинетического элемента для создания усилия, содержащего: центральную втулку, имеющую профиль гидрокрыла, и множество лопаток, установленных на указанной втулке, а
указанный элемент для создания усилия установлен с возможностью вращения на внутренней поверхности указанного обода ускорителя.
2. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 1, в которой указанный гидрокинетический элемент для создания усилия содержит роторный узел, дополнительно содержащий наружное роторное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах указанного обода ускорителя.
3. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 2, в которой указанная втулка содержит в целом круглый профильный элемент, имеющий открытый центр, который окружают стенки, образующие асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
4. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 3, в которой конструкция указанных лопаток имеет в сечении асимметричную форму гидрокрыла.
5. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 4, в которой указанные лопатки на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на их радиально внутренних концах.
6. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 5, в которой указанные лопатки на своих радиально наружных концах имеют толщину профиля, которая больше, чем толщина профиля на их радиально внутренних концах.
7. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 3, в которой указанная центральная втулка имеет длину, которая проходит по направлению как вперед, так и назад на значительное расстояние за пределы кромок указанных лопаток.
8. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 7, в которой указанная центральная втулка проходит от лопаток по направлению вперед к первому местоположению, находящемуся позади входного конца для воды указанного обода ускорителя, и проходит по направлению назад к местоположению, по меньшей мере соответствующему по удаленности выходному концу для воды указанного обода ускорителя.
9. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 8, в которой указанная центральная втулка проходит полное расстояние, составляющее приблизительно 2/3 длины указанного обода ускорителя.
10. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 3, дополнительно содержащая кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла, причем указанный кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр указанного обода ускорителя и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, а предпочтительно перекрывает его.
11. Обод ускорителя, выполненный с возможностью использования в однонаправленной гидрокинетической турбине, имеющей входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащий:
в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, имеющую в целом S-образный профиль, в котором наружная поверхность имеет передний выпуклый участок и задний вогнутый участок, а внутренняя поверхность имеет задний выпуклый участок и передний участок, имеющий прямую или вогнутую форму.
12. Однонаправленная гидрокинетическая турбина, содержащая:
в целом цилиндрический обод ускорителя по п. 11 в сочетании с роторным узлом, установленным с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину,
причем роторный узел содержит множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины и установленных с возможностью вращения в пределах указанного обода ускорителя.
13. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 12, в которой указанный роторный узел дополнительно содержит центральную втулку, с которой соединены указанные роторные лопатки.
14. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 13, в которой указанная втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий профиль гидрокрыла.
15. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 14, в которой указанная втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
16. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 15, в которой указанный роторный элемент дополнительно содержит наружное роторное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах указанного обода ускорителя.
17. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 12, в которой указанный передний участок внутренней поверхности является вогнутым.
18. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 14, дополнительно содержащая кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла, причем указанный кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр указанного обода ускорителя и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, а предпочтительно перекрывает его.
19. Однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая:
в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла и который задает в пределах своего цилиндрического сечения область для потока, причем форма указанного гидрокрыла служит для ускорения потока воды через обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды,
роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах основного обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий:
в целом удлиненную цилиндрическую центральную втулку, сечение стенки которой имеет форму гидрокрыла,
множество роторных лопаток, прикрепленных к стенке центральной втулки и проходящих от нее в радиальном направлении наружу с обеспечением вращения вместе с указанной стенкой, причем указанные лопатки оканчиваются на роторных кончиках, а конструкция лопаток имеет в сечении асимметричную форму гидрокрыла,
роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах указанного обода ускорителя,
кольцевой диффузор, содержащий в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет асимметричную форму гидрокрыла, причем указанный кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр указанного основного обода ускорителя, и расположен позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, в результате чего форма гидрокрыла у кольцевого диффузора служит для ускорения потока воды через кольцевой диффузор и для создания области отрицательного давления позади кольцевого диффузора, а при взаимодействии с формой гидрокрыла у указанного обода ускорителя, указанной роторной втулки и указанных лопатокслужит для увеличения ускорения потока воды через основной обод ускорителя в месторасположении роторного узла.
20. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 19, в которой конструкция указанных лопаток имеет в сечении асимметричную форму гидрокрыла.
21. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 20, в которой указанные лопатки на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на их радиально внутренних концах.
22. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 21, в которой указанные лопатки на своих радиально наружных концах имеют толщину профиля, которая больше, чем толщина профиля на их радиально внутренних концах.
23. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 19, в которой указанная центральная втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, при этом стенки, окружающие открытый центр, образуют асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
24. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 23. в которой указанная центральная втулка имеет длину, проходящую по направлению как вперед, так и назад на значительное расстояние за пределы кромок указанных лопаток.
25. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 24, в которой указанная центральная втулка проходит от лопаток по направлению вперед к первому местоположению, находящемуся позади входного конца для воды указанного обода ускорителя, и проходит по направлению назад к местоположению, по меньшей мере соответствующему по удаленности выходному концу для воды указанного обода ускорителя.
26. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 25, в которой указанная центральная втулка проходит полное расстояние, составляющее приблизительно 2/3 длины указанного обода ускорителя.
27. Однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая:
в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, и
роторный узел, установленный с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащий множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины, и роторное наружное кольцо, к которому кончики лопатки прикреплены с возможностью вращения в пределах обода ускорителя, при этом конструкция лопаток имеет в сечении асимметричную форму гидрокрыла, а по меньшей мере некоторые из лопаток на своих радиально наружных концах имеют длину хорды, которая больше, чем длина хорды на их радиально внутренних концах, и/или толщину профиля на своих радиально наружных концах, которая больше, чем толщина профиля на их радиально внутренних концах.
28. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 27, в которой роторный узел дополнительно содержит центральную втулку, имеющую в целом круглый профилированный элемент с, профилем гидрокрыла, и роторные лопатки, соединенные со втулкой.
29. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 28, в которой втулка содержит в целом круглый профилированный элемент, имеющий открытый центр, который окружают стеночные элементы, образующие асимметричный профиль гидрокрыла с наружной выпуклой поверхностью, обращенной к наружной стороне турбины, и внутренней вогнутой поверхностью, обращенной к центру втулки.
30. Однонаправленная гидрокинетическая турбина, имеющая входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, и содержащая:
в целом цилиндрический обод ускорителя, сечение стенки которого имеет в целом асимметричную форму гидрокрыла, которая служит для ускорения потока воды через основной обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды, и который в пределах своего цилиндрического сечения задает область для потока воды, и
выполненный как одно целое гидрокинетический элемент для создания усилия, находящийся в указанной области для потока воды и содержащий центральную втулку, имеющую профиль гидрокрыла, и множество лопаток, установленных на втулке,
при этом элемент для создания усилия установлен с возможностью вращения на внутренней поверхности обода ускорителя, а
указанная турбина характеризуется своей способностью увеличивать скорость обтекающего потока воды, попадающей в турбину, до скорости потока в лопатках, которая по меньшей мере в 2 раза больше скорости обтекающего потока воды, предпочтительно по меньшей мере в приблизительно 2,5 раза больше скорости обтекающего потока воды, а наиболее предпочтительно по меньшей мере в приблизительно 3 раза больше скорости обтекающего потока воды.
31. Однонаправленная гидрокинетическая турбина по п. 30, в которой турбина дополнительно характеризуется своей способностью обеспечивать повышение выходной мощности по сравнению с обычными гидрокинетическими турбинами того же диаметра по меньшей мере на приблизительно 25%, предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 50%, а наиболее предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 80%.
32. Ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора для использования в гидрокинетической турбине, содержащее:
конструкцию, имеющую в целом коническую форму и содержащую набор оградительных стержней, проходящих параллельно друг другу и расположенных по существу равномерно на заданном расстоянии по отношению друг к другу вдоль всей своей длины, в результате чего указанное заданное расстояние задает максимальный размер объекта, способного пройти через ограждение.
33. Ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора по п. 32, дополнительно содержащее на своем узком конце кольцевой элемент, к которому прикреплены оградительные стержни, и который имеет диаметр, который не больше, чем указанное заданное расстояние, при этом указанный кольцевой элемент и по меньшей мере некоторые из оградительных стержней имеют в сечении форму гидрокрыла.
34. Ограждение для защиты от представителей живой природы и/или мусора по п. 32 или 33 в сочетании с гидрокинетической турбиной, которая содержит секцию в целом цилиндрического обода ускорителя, задающую в пределах своего цилиндрического сечения область для потока воды, и роторный узел, который: (а) установлен с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и (b) содержит множество роторных лопаток, проходящих в радиальном направлении наружу от центра турбины.
35. Способ проектирования однонаправленной гидрокинетической турбины, имеющей входной конец для воды и выходной конец для воды, задающие направление потока воды через турбину, причем указанный способ включает:
выбор в целом цилиндрического обода ускорителя, сечение стенки которого имеет первоначальную асимметричную форму гидрокрыла и который задает в пределах своего цилиндрического сечения область для потока, при этом форму гидрокрыла выбирают на основании принципов динамики текучей среды для ускорения потока воды через обод ускорителя и создания области отрицательного давления позади обода ускорителя в направлении потока воды,
проектирование роторного узла, устанавливаемого с возможностью вращения в пределах обода ускорителя вокруг оси, которая в целом параллельна направлению потока воды через турбину, и содержащего: (i) в целом удлиненную цилиндрическую центральную втулку, сечение стенки которой имеет первоначальную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, (ii) множество роторных лопаток, прикрепленных к стенке центральной втулки и проходящих в радиальном направлении наружу от стенки центральной втулки с возможностью вращения вместе с указанной стенкой, при этом лопатки оканчиваются на роторных кончиках, а конструкция лопаток имеет в сечении первоначальную асимметричную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, и (iii) роторное наружное кольцо, к которому прикреплены кончики лопаток и которое имеет наружную периферию, выполненную с возможностью вращения в пределах обода ускорителя,
проектирование кольцевого диффузора, содержащего в целом цилиндрический кольцевой элемент, сечение стенки которого имеет первоначальную асимметричную форму гидрокрыла, выбранную на основании принципов динамики текучей среды, причем кольцевой диффузор имеет диаметр, который больше, чем диаметр обода ускорителя, и выполнен с возможностью его размещения позади основного обода ускорителя в направлении потока воды через турбину, предпочтительно с перекрытием указанного обода, и
осуществление модификации первоначальных форм гидрокрыльев у кольцевого ускорителя, центральной втулки, роторных лопаток и кольцевого диффузора в ответ на испытание на основе метода вычислительной гидродинамики (CFD) конструкции турбины, содержащей такие компоненты, таким способом, чтобы придать всем этим компонентам конечные формы гидрокрыльев, которые: (а) по меньшей мере улучшают способность ускорять поток воды через кольцевой диффузор и создавать область отрицательного давления позади кольцевого диффузора, и (b) обеспечивают взаимодействие между конечными формами гидрокрыльев у обода ускорителя, втулки ротора и лопаток с обеспечением по меньшей мере увеличения ускорения потока воды через обод ускорителя в местоположении роторного узла.
