EE01415U1 - Turbiin voolava keskkonna voolu kineetilise energia muundamiseks turbiini rootori pöörlemiseks - Google Patents

Abstract

Käesolev leiutis käsitleb turbiini voolava keskkonna voolu (1) kineetilise energia muundamiseks turbiini rootori (2) pöörlemiseks. Turbiini korpus sisaldab kahe paralleelse otskatte (8) vahele kinnitatud kolme moodulit (5, 6, 7), mille abil on moodustatud voolava keskkonna voolule (1) kaks sisendkanalit (9, 10) ja üks väljundkanal (11). Keskmine moodul (7) on paigutatud kahe äärmise mooduli (5, 6) vahele, millega on moodustatud turbiini korpusesse kaks sisendkanalit (9, 10) voolava keskkonna voolu (1) juhtimiseks rootorile (2), kus mõlema sisendkanali (9, 10) ristlõige väheneb sujuvalt vastava sisendkanali (9, 10) sisendavast selle väljundava poole. Voolava keskkonna voolu (1) juhtimiseks turbiinist välja on äärmiste moodulite (5, 6) vahele moodustatud üks ühine väljundkanal (11).

Description

TEHNIKAVALDKOND

Leiutis on ette nähtud teisendama voolava keskkonna voolu (st õhu- või veevoolu) kineetilist energiat mehaaniliseks energiaks, st turbiini rootori pöörlemiseks, et käitada turbiini abil elektrigeneraatorit ja/või muud seadet. Turbiini saab kasutada tuulegeneraatorina, hüdroelektrijaamas, see võib olla paigaldatud siseveekogude alustele või merealustele või jahtidele. Turbiini võimaldab saada ökoloogiliselt puhast energiat. Turbiini paigaldamisel veealusele (nt laevale), käitatakse turbiiniga generaatorit, millelt saadakse elektrienergiat, millega muuhulgas laetakse akut ja kust saadud elektrienergiaga käitatakse elektrimootorit, mis käitab aluse sõukruvi.

TEHNIKA TASE

Ameerika Ühendriikide patendist US4279569 (publitseeritud 21.07.1981) on tuntud tuuleturbiin, mis sisaldab kahe paralleelse otskatte vahele kinnitatud kahte moodulit, millede vahele on juhtlabadega (jaotuselementidega) moodustatud voolava keskkonna voolule mitu sisendkanalit. Turbiin sisaldab mitut rootorilaba, mille pikkus rootori raadiuse sihis on suhteliselt väike.

Selle tehnilise lahenduse üheks puuduseks on see, et suhteliselt lühikeste sisendkanalite ja suhteliselt suure ristlõikega väljundkanali korral tekib keeriseline õhuvool, mis pidurdab õhuvoolu turbiini sees, mille tulemusena väheneb turbiini efektiivsus. Samuti on puuduseks see, et rootoris on liiga palju rootorilabasid ja nende ulatus rootori raadiuse sihis on väike, mistõttu pidurdub oluliselt rootorile suunatud õhuvoolu kiirus, mis samuti vähendab ka turbiini efektiivsust.

Ameerika Ühendriikide patendist US6981839 (publitseeritud 03.01.2006) on tuntud tuuleturbiin, mis sisaldab kahe paralleelse otskatte vahele kinnitatud kahte moodulit, millede vahele on jaotuselemendiga moodustatud voolava keskkonna voolule kaks sisendkanalit. Rootoris ulatuvad rootorilabad rootori raadiuse sihis rootori võllini.

Selle tehnilise lahenduse puuduseks on asjaolu, et korpusesse sisenevas õhuvoolus olev keskmine kiilukujuline jaotuselement tekitab korpuses suuri keeriseid, mis vähendavad turbiini efektiivsust. Samuti on puuduseks see et, valitud võimalikult laiade rootorilabade korral puudub rootorilabade ja rootori pöörlemistelje vahel pilu õhuvoolu jaoks, mistõttu rootori koormamine käitatava mehhanismiga (nt generaatoriga) põhjustab rootori pöörlemiskiiruse järk-järgulise vähenemise ja lõpuks selle seiskumise.

Käesolevale leiutisele kõige lähedasemaks tuntud lahenduseks on Vene Föderatsiooni patendis RU2445508C2 (publitseeritud 20.03.2012) esitatud turbiin, milles on kaks vastastikku paigutatud ja turbiini korpuse otskatete vahele kinnitatud tiivaprofiiliga moodulit, kus ühes moodulis on teostatud kogu mooduli pikkusel otskatete vahel poolringse ristlõikega süvend, mis ümbritseb rootorit, st rootor asetseb poole oma ümbermõõdu ulatuses selles süvendis. Nende kahe mooduliga on kujundatud nii turbiini sisend- kui ka väljundkanal.

Rootor sisaldab kahte kettakujulist otsaseina ja nende vahele kinnitatud rootorilabasid ja rootori pöörlemistelge või pooltelgi. Rootorilabad on teostatud mittesümmeetrilise ristlõikega tiibadena, millede kumer profiiliosa on suunatud rootori pöörlemissuunda ning kus rootorilabad on paigutatud radiaalsuunaliselt rootori otsaseinte vahele otsaseinte perimeetri lähedusse.

LEIUTISE OLEMUS

Käesoleva leiutise põhiliseks erinevuseks võrreldes eespool mainitud lahendusega dokumendist RU2445508C2 on see, et käesoleva leiutise kohases lahenduses on voolava keskkonna voolu (st õhuvoolu või veevoolu) jaoks moodustatud kaks sisendkanalit.

Leiutisekohane turbiin on kasutatav nii vertikaalse kui horisontaalse turbiinina.

Turbiini konstruktsioon võimaldab sel töötada mistahes asendis, sealhulgas nii vertikaalselt kui horisontaalselt paigaldatuna, samuti mistahes nurga all vertikaali või horisontaali suhtes, samuti on see suhteliselt väikeste gabariitidega, see on võimeline töötama suhteliselt väikeste tuulekiirustega 2 kuni 5 meetrit sekundis ning veevoolu kiirustega 3 kuni 5 kilomeetrit tunnis, mis võimaldab saavutada märkimisväärset efekti energia muundamisel.

Käesoleva leiutisega on pakutud välja turbiin voolava keskkonna (õhk või vesi) voolu kineetilise energia muundamiseks turbiini rootori pöörlemiseks, milles turbiini korpus sisaldab kahe paralleelse otskatte vahele kinnitatud kolme profiilset moodulit, mille abil on moodustatud voolava keskkonna voolule kaks sisendkanalit voolava keskkonna voolu suunamiseks rootorile ja üks väljundkanal. Turbiini rootor asetseb kahe äärmise profiilse mooduli vahel ning rootori pöörlemistelg või poolteljed asetsevad otskatete suhtes risti ja on kinnitatud pöörlemisvõimeliselt otskatete külge.

Ühes äärmises moodulis on nõgus süvend, kus selle süvendi ja rootori vahel on minimaalne pilu, kus nõgus süvend ümbritseb rootorit selle ümbermõõdul enimalt 180 kraadi ulatuses. Ehk teisisõnu rootor asetseb kuni poole oma ümbermõõdu ulatuses selles süvendis.

Rootor sisaldab kahe kettakujulise otsaseina vahele kinnitatud rootorilabasid ja otsaseinte külge kinnitatud rootori pöörlemistelge või pooltelgi ning kus rootorilabad on teostatud mittesümmeetrilise ristlõikega tiibadena, millede kumer profiiliosa on suunatud rootori pöörlemissuunda ning kus rootorilabad on paigutatud radiaalsuunaliselt rootori otsaseinte vahele otsaseinte perimeetri lähedusse.

Äärmiste moodulitega on moodustatud kummalegi poole keskmist moodulit üks sisendkanal (üks sisendkanal ühe äärmise mooduli poolel ja teine sisendkanal teise äärmise mooduli poolel) ning äärmiste moodulite vahele on moodustatud üks ühine väljundkanal.

Kahe äärmise mooduli vahele on nendega samasuunaliselt kinnitatud keskmine moodul, millega on moodustatud turbiini korpusesse kaks sisendkanalit voolava keskkonna voolu juhtimiseks rootorile, kus mõlema sisendkanali ristlõige aheneb sujuvalt vastava sisendkanali sisendavast selle väljundava poole.

Voolava keskkonna voolu juhtimiseks turbiinist välja on äärmiste moodulite vahele moodustatud üks ühine väljundkanal.

Eelistatavalt on väljundkanal moodustatud selliselt, et see on ühe sisendkanali pikenduseks.

Keskmine moodul jagab turbiini korpuse kaheks ristkülikulise ristlõikega sisendkanaliks. Keskmisel moodulil on voolu suunas selline kuju, et iga sisendkanali ristlõige aheneb sujuvalt korpuse sisendavast väljundava poole.

Eelistatavalt aheneb iga sisendkanali ristlõige vastava sisendkanali sisendavast väljundava poole kaks kuni viis korda. Kõige eelistatavamas teostuses aheneb sisendkanali ristlõige vastava sisendkanali sisendavast väljundava poole ligikaudu kolm korda.

Sisendkanali ahenemine valitakse sõltuvalt voolava keskkonna iseloomust (st kas vesi või õhk).

Ahenevate sisendkanalite geomeetriline kuju voolava keskkonna voolamise suunas on teostatud sujuvate käänakutega, millega voolava keskkonna voolu kisendatakse ja suunatakse rootorile.

Eelistatavalt läheb üks sisendkanalitest üle väljundkanaliks. Eelistatavamalt läheb pikem sisendkanal üle väljundkanaliks, mis ei lase voolava keskkonna voolul oluliselt aeglustuda. Võrreldes varasema tuntud lahendusega (st tuntud lahendus RU2445508C2) on käesoleva lahenduses oluliselt muudetud väljundkanali kuju ja suurust, mis võimaldab voolava keskkonna voolu pidurdada oluliselt vähem.

Eelistatavalt väljundkanali ristlõige rootori poolel (st väljundava sisendis) on võrdne 0,5 - kuni kolmekordse sisendkanalite summaarse ristlõikega rootori poolel (st ristlõikega nende väljundavades).

Rootorilabad on käesolevas lahenduses eelistatavalt teostatud nõguskumera profiiliga. Rootorilabade nõguskumer profiil võrreldes lamekumera profiiliga võimaldab voolava keskkonna voolul piki profiili kõõlu tekitada rootorilabal suurema tõstejõu.

Eelistatavalt on rootoris minimaalselt kuus rootorilaba. Kõige eelistatavamalt on rootoris maksimaalselt kaksteist rootorilaba.

Eelistatavalt iga sisendkanali ja väljundkanali pikkus on vahemikus, mis on võrdne 0,5 - kuni kolmekordse (kaasa arvatud) rootori läbimõõduga. See valitakse sõltuvalt voolava keskkonna iseloomust (st kas vesi või õhk) ning voolava keskkonna voolu kiirusest. Kanalite pikkust mõõdetakse nende sisend- ja väljundavade ristlõigete keskelt.

Arusaadavalt saab kasutada käesoleva lahenduses ka teistsuguse profiiliga rootorilabasid.

Eelistatavalt on äärmiste moodulite välispind samuti sujuva profiiliga (st sujuvate käänakutega), mis algab vastavate sisendkanalite servadest ja lõpeb väljundkanali servas.

Käesolev leiutis võimaldab turbiini rootori samade mõõtmete juures võrreldes ühe sisendkanaliga turbiiniga saavutada ligi kaks korda suuremat võimsust ning suurendada rootorile suunatud voolava keskkonna kiirust ligi kolm korda, mis võimaldab kasutada rootorit kiiremakäigulisema ja seega odavama generaatori käitamiseks, kusjuures investeeringud sellise turbiini ehitamiseks oluliselt ei tõuse.

Käesoleva leiutisega saavutatav tehniline tulemus väljendub selles, et turbiini korpuse muutmisega on suurendatud voolava keskkonna kiirust turbiini sees tänu sisendkanalite ristlõike ahenemisele enne rootorit, mis võimaldab rootorit kiiremini pöörlema panna võrreldes korpusest väljapoole jääva voolava keskkonna voolu kiirusega, kus turbiini sees ja turbiini korpusest väljaspool on voolava keskkonna voolamise kiiruste vahe kuni kolmekordne.

Võrreldes ühe sisendkanaliga lahendusega, suunatakse käesoleva leiutise kohases kahe sisendkanaliga lahenduses voolava keskkonna vool rootorilabadele kahest kohast (st kahest sisendkanalist) ning seetõttu voolava keskkonna vool mõjub suuremale hulgale rootorilabadele ja rootorilabadele ka erineva nurga all, mis suurendab turbiini kasutegurit.

Käesoleva leiutise kohase turbiini eripäradeks on seega:

1. Turbiini korpus sisaldab kolme moodulit, mis on kinnitatud kahe paralleelse otskatte vahele, kus ühes äärmises moodulis (nt esimeses moodulis) on süvend, mis ümbritseb rootorit minimaalse piluga rootori ja mooduli süvendi vahel. Keskmise mooduliga on korpusesse sisenev voolava keskkonna vool jagatud kaheks, st keskmise mooduliga on moodustatud kaks sisendkanalit. Esimene sisendkanal on moodustatud esimese mooduli ja keskmise mooduli vahele. Kolmanda mooduliga on moodustatud teine sisendkanal keskmise mooduli ja kolmanda mooduli vahele ning esimese mooduli ja kolmanda mooduli vahele on moodustatud väljundkanal.

2. Keskmisel moodulil on selline kuju, et sisendkanalite ristlõige sisendavast korpusesse rootori suunas aheneb sujuvalt ning sisendkanalite ristlõige vastava sisendkanali sisendavas ja väljundavas enne rootorit erineb kuni kolm korda.

3. Sisendkanalite geomeetriline kuju voolava keskkonna voolamise suunas on sujuvate käänakutega, millede abil voolava keskkonna voolu kiirendatakse ja suunatakse rootorile selle pöörlemise suunas. Üks, pikem sisendkanal läheb üle väljundkanaliks.

4. Rootorilabad on teostatud tõstejõu suurendamiseks nõguskumera profiiliga.

ILLUSTRATSIOONIDE LÜHIKIRJELDUS

Järgnevalt on leiutist kirjeldatud viitega juuresolevatele skemaatilistele joonistele, kus:

joonisel fig 1 on kujutatud turbiini lõikes risti rootori pöörlemisteljega piki lõikejoont A-A joonisel fig 2; ning

joonisel fig 2 on kujutatud turbiini pealtvaates.

TEOSTUSNÄITE KIRJELDUS

Joonistel on kasutusel järgmised viitenumbrid: voolava keskkonna vool 1, turbiini rootor 2, rootorilabad 3, rootori pöörlemistelg 4, turbiini korpuse äärmised moodulid 5 ja 6, keskmine moodul 7, otskatted 8, sisendkanalid 9 ja 10, väljundkanal 11.

Turbiini korpus sisaldab kolme moodulit 5, 6 ja 7, mis on kinnitatud paralleelsete otskatete 8 vahele. Moodulis 5 on poolringikujuline süvend, millega see ümbritseb turbiini rootorit 2 minimaalse piluga rootori ja süvendi seina vahel.

Mooduli 5 poolringikujuline süvend ümbritseb rootorit selle perimeetril kuni 180 kraadi ulatuses ehk enimalt rootori poole ümbermõõdu ulatuses. Keskmine moodul 7 on profiiliga, mille abil ahendatakse sisendkanalite 9 ja 10 ristlõiget nende sisendavast nende väljundava poole enne rootorit 2. Esimese äärmise mooduli 5 ja keskmise mooduli 7 vahele on moodustatud esimene sisendkanal 9, mis teisel pool rootorit läheb üle väljundkanaliks 11, mis on moodustatud esimese äärmise mooduli 5 ja teise äärmise mooduli 6 vahele. Teise äärmise mooduli 6 ja keskmise mooduli 7 vahele on moodustatud teine sisendkanal 10.

Nagu jooniselt fig 1 on näha, läheb pikem sisendkanal 10 üle väljundkanaliks 11.

Eelistatavalt on äärmiste moodulite 5 ja 6 välispind samuti sujuva profiiliga (st sujuvate käänakutega), mis algab vastavate sisendkanalite servadest ja lõpeb väljundkanali servas.

Rootor 2 sisaldab kahte otsmist kettakujulist otsaseina, millede vahele on kinnitatud rootorilabad 3. Rootori 2 pöörlemistelg on joonistel tähistatud viitenumbriga 4. Pöörlemistelg 4 pöörleb turbiini otskattes 8 olevatel laagritel (pole näidatud). Pöörlemistelje kaudu toimub pöörlemise ülekandmine näiteks elektrigeneraatorile.

Rootori 2 rootorilabad 3 asetsevad rootori perimeetri läheduses. Rootorilabade 3 arv, suurus ja profiil valitakse vastavalt turbiini kasutusotstarbele. Voolava keskkonna vool 1 siseneb sisendkanalitesse 9 ja 10, tänu nende sisendkanalite 9 ja 10 ahenemisele see vool kiireneb ja suunatakse sisendkanalitest 9 ja 10 rootori 2 rootorilabadele 3.

Eelistatavalt on rootori 2 rootorilabad 3 mittesümmeetrilise profiiliga. Joonisel fig 1 kujutatud teostuses on rootorilabadel 3 nõguskumer profiil. Rootorilabade 2 kumerus on suunatud rootori 2 pöörlemise suunda.

Kahest sisendkanalist 9 ja 10 sisenev vool 1 suunatakse rootori 2 rootorilabadele 3 erinevatest kohtadest ja erinevate nurkade all.

Claims (7)

1. 1. Turbiin voolava keskkonna voolu (1) kineetilise energia muundamiseks turbiini rootori (2) pöörlemiseks, milles turbiini korpus sisaldab kahe paralleelse otskatte (8) vahele kinnitatud äärmisi profiilseid mooduleid (5, 6), turbiini rootor (2) asetseb äärmiste profiilsete moodulite (5, 6) vahel ning rootori (2) pöörlemistelg (4) või poolteljed asetsevad otskatete (8) suhtes risti ja on kinnitatud pöörlemisvõimeliselt otskatete (8) külge, äärmiste profiilsete moodulite (5, 6) vahele on voolava keskkonna voolule (1) enne rootorit (2) moodustatud vähemalt üks sisendkanal ja pärast rootorit (2) üks väljundkanal (11), ühes äärmises moodulis (5) on nõgus süvend, mis ümbritseb rootorit (2) enimalt poole rootori (2) ümbermõõdu ulatuses nii, et nõgusa süvendi ja rootori (2) vahel on minimaalne pilu, rootor (2) sisaldab kahte kettakujulist otsaseina, mille vahele on kinnitatud rootorilabad (3) ja mille külge on kinnitatud rootori (2) pöörlemistelg (4) või poolteljed, rootorilabad (3) on teostatud mittesümmeetrilise ristlõikega tiibadena, mille kumer profiiliosa on suunatud rootori (2) pöörlemissuunda, ning rootorilabad (3) on paigutatud radiaalsuunaliselt rootori (2) otsaseinte vahele otsaseinte perimeetri lähedusse, mis erineb selle poolest, et otskatete (8) vahele ja äärmiste moodulite (5, 6) vahele on moodulitega (5, 6) samasuunaliselt enne rootorit (2) kinnitatud kolmas, keskmine moodul (7), millega on voolava keskkonna voolule (1) äärmiste moodulite (5, 6) ja keskmise mooduli (7) vahele moodustatud kaks sisendkanalit (9, 10) nii, et mõlema sisendkanali (9, 10) ristlõige aheneb sujuvalt sisendkanali (9, 10) sisendavast väljundava poole, ja väljundkanal (11) on moodustatud ühe sisendkanali (10) pikendusena.
2. 2. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile, mis erineb selle poolest, et väljundkanali (11) ristlõige rootori (2) poolel on võrdne 0,5 - kuni kolmekordse sisendkanalite (9, 10) summaarse ristlõikega rootori (2) poolel.
3. 3. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile, mis erineb selle poolest, et rootori (2) rootorilabad (3) on nõguskumera profiiliga.
4. 4. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile, mis erineb selle poolest, et iga sisendkanali (9, 10) ristlõige aheneb vastava sisendkanali sisendavast väljundava poole kaks kuni viis korda.
5. 5. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile, mis erineb selle poolest, et iga sisendkanali (9, 10) ja väljundkanali (11) pikkus on vahemikus, mis on võrdne 0,5 - kuni kolmekordse rootori (2) läbimõõduga.
6. 6. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile, mis erineb selle poolest, et rootoris (2) on minimaalselt kuus rootorilaba (3).
7. 7. Turbiin vastavalt mistahes eelnevale nõudluspunktile 1 kuni 5, mis erineb selle poolest, et rootoris (2) on maksimaalselt kaksteist rootorilaba (3).