PL204721B1 - Reakcyjny wirnik turbiny wodnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reakcyjny wirnik turbiny wodnej, którego zadaniem jest wykonywanie ruchu obrotowego pod wpływem przepływającej wody z wyższego poziomu na niższy z możliwością regulacji prędkości obrotowej.

W angielskim opisie patentowym GB nr 17587 przedstawiony jest wirnik turbiny wodnej o duż ej prędkości zaopatrzony w serie obrotowo umocowanych łopatek wirnika, które mogą być wyregulowane tak, aby zredukować przejścia wlotowe i wylotowe oraz ich kąty wlotowe i wylotowe odpowiednio do zredukowanego dopływu wody i odpowiednio do natychmiast oddawanej mocy. Łopatki wirnika są zaopatrzone przy wewnętrznych końcach w czop, który jest obrotowo zamocowany w piaście wirnika. Czop jest zaopatrzony w dźwignię, która jest uruchamiana popychaczem. Przy operowaniu popychaczem dźwignia obraca się razem z czopem i łopatką. Łopatki mogą być regulowane gdy turbina pracuje, jak i wtedy, gdy została zatrzymana. W pierwszym przypadku popychacze są połączone z osiowo poruszającą się tuleją w skrajnym przypadku są nastawiane i umocowywane w danym położeniu ręcznie. Łopatki mogą być także, jeśli wirnik jest zaopatrzony w zewnętrzny wieniec, zamocowane na tym wieńcu. Do tego celu łopatka może być zaopatrzona w zewnętrzny czop, który jest mocowany na wieńcu i jest przystosowany do obracania się za pomocą dźwigni razem z łopatką. Łopatka może posiadać zarówno czop wewnętrzny jak i czop zewnętrzny tak, że łopatka jest montowana nie tylko na piaście ale równocześnie na wieńcu, czyli z obu końców.

Łopatka może być obracana za pomocą dźwigni mocowanej bądź do czopa zewnętrznego, bądź do wewnętrznego. Regulacja łopatek wirnika może się też dokonywać automatycznie przez użycie zmiany prędkości przepływu wody, albo przez zmianę prędkości wirnika, albo przez zmianę momentu obrotowego, które to zmiany mogą być wywołane zmianą ilości dopływającej wody oraz za pomocą znanych urządzeń do regulowania łopatek kierujących. Wreszcie regulacja łopatek wirnika może być również połączona z regulacją łopatek kierujących w taki sposób, że za pomocą wspólnego urządzenia nastawiającego dokonuje się ustawienia łopatek kierujących, która to nastawa jest wykorzystywana do nastawiania położenia łopatek wirnika.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US nr 4996840 aparat do generowania ruchu obrotowego pod wpływem wznosząco - opadającego ruchu fal. Składa się on: z zewnętrznej drążonej tulei, pływaka szczelnie umocowanego w górnej części tej drążonej tulei tak, że tworzy zamkniętą z jednej strony przestrzeń, zapobiegając w ten sposób wejściu wody do tej przestrzeni i dostarczając tulei zewnętrznej wystarczającej siły wyporu hydrostatycznego tak, aby mogła ona pływając odwzorowywać ruch fal w górę i w dół, wewnętrznej drążonej tulei, umocowanej teleskopowo wewnątrz tulei zewnętrznej, urządzenia kotwiącego połączonego z tuleją wewnętrzną które ogranicza ruch tulei wewnętrznej w czasie, gdy tuleja zewnętrzna i pływak odwzorowują ruch fal w górę i w dół.

Tuleja zewnętrzna ślizgowo porusza się w górę i w dół w stosunku do tulei wewnętrznej, a ponieważ odwzorowuje ona ruch fal w górę i w dół, odpowiednio powoduje ruch wody do góry i ruch wody w dół wewnątrz tulei wewnętrznej. Aparat zawiera ponadto mechanizm wytwarzający ruch obrotowy, zamontowany poprzecznie wewnątrz tulei wewnętrznej, wykorzystujący ruch wody przez tuleję wewnętrzną. Mechanizm ten składa się z wału i wirnika turbiny zamocowanego na wale tak, aby wywoływać ruch obrotowy tego wału. Wirnik ma zestaw przegubowo umocowanych łopatek, które są zawiasowo odwracalne w ich odchylonej pozycji w odpowiedzi na zmianę kierunku przepływu wody w górę i w dół wewnątrz tulei wewnę trznej, co zapewnia, że mimo zmiany kierunku przepływu wody wewnątrz tulei wewnętrznej wirnik turbiny obraca się w jednym i tym samym kierunku. Rozwiązanie to wykorzystywane jest do uzyskiwania energii pod wpływem wznosząco - opadającego ruchu fal.

Celem wynalazku jest wirnik turbiny wodnej, umożliwiający wykorzystanie regulacji pneumatycznej do sterowania obrotów wirnika turbiny wodnej przez regulację natężenia przepływu wody płynącej przez wirnik.

Wirnik według wynalazku ma zewnętrzny wieniec i stałe łopatki połączone nierozłącznie z piastą oraz ma ruchome łopatki, wychylnie zamocowane za pomocą osi w zawiasach, które to zawiasy są przykręcone śrubami do stałych łopatek. Między stałymi łopatkami i ruchomymi łopatkami są zamontowane elastyczne, szczelne powłoki, połączone, za pośrednictwem powietrznych przewodów, z wydrążonym wałem turbiny. Zewnętrzny wieniec wirnika posiada kształt części obwodowej czaszy kulistej połączonej z powierzchnią cylindryczną. Podobny kształt posiada piasta wirnika. Środek czaszy kulistej zewnętrznego wieńca pokrywa się ze środkiem czaszy kulistej piasty.

PL 204 721 B1

W obszarze połączeń z powierzchniami cylindrycznymi stałe łopatki posiadają zarys zewnętrzny składający się z elips i odcinka prostego. Zarys zewnętrzny stałych łopatek i ruchomych łopatek w obszarze współ pracy z powierzchniami czasz kulistych zewnę trznego wieńca oraz piasty skł ada się z łuków okręgów i odcinka prostego. Gdy oś obrotu ruchomej łopatki pokrywa się z promieniem powierzchni czaszy kulistej, to przy wychylaniu ruchomej łopatki łuk o większym promieniu przylega cały czas do czaszy kulistej wieńca zewnętrznego, a łuk o mniejszym promieniu przylega do czaszy kulistej piasty, natomiast odcinek prosty można tak dopasować, że po maksymalnym wychyleniu łopatki ruchomej przylega do sąsiedniej łopatki stałej. Gdy wychylenia ruchomych łopatek są maksymalne, to przepływ wody zostaje całkowicie zahamowany. Ponieważ oś zawiasu leży na promieniu czaszy, natomiast stała łopatka i ruchoma łopatka są przesunięte równolegle względem promienia czaszy, to promienie łuków zarysów łopatek różnią się trochę od promieni wieńca zewnętrznego i piasty. Zawiasy przykręcone do stałych łopatek za pomocą śrub umożliwiają montaż i wymianę elastycznych, szczelnych powłok w postaci dętek. Powietrze napełniające elastyczne, szczelne powłoki doprowadzane jest z ukł adu sterowania pneumatycznego przez wydr ążony wał turbiny oraz przewody powietrzne. Wytrzymałość elastycznych, szczelnych powłok powinna być odpowiednio duża, ponieważ ciśnienie powietrza wewnątrz elastycznych, szczelnych powłok musi być większe od ciśnienia wody. Ruchome łopatki są połączone z stałymi łopatkami za pomocą zawiasów przez co mogą się odchylać wokół osi mocującej je w zawiasach. Osie zawiasów oraz zawiasy są wykonane z materiałów odpornych na ścieranie, nadających się do pracy w środowisku wodnym. Płynąca przez wirnik woda dociska ruchome łopatki do stałych łopatek. Natomiast między stałymi łopatkami i ruchomymi łopatkami znajdują się elastyczne, szczelne powłoki w postaci dętek, które po napełnieniu powietrzem przeciwstawiają się sile nacisku wody. Stałe łopatki oraz ruchome łopatki tworzą na wylocie wody z wirnika zbieżne dysze, w których ciśnienie powoduje wzrost prędkości wody względem wirnika oraz działanie sił reakcji. Wielkości sił reakcji powstałych na skutek wypływu strug wody z wirnika można regulować przez zmianę wychyleń ruchomych łopatek. Regulację obrotów wirnika turbiny dokonuje się za pomocą napełnianych powietrzem elastycznych, szczelnych powłok zamontowanych między stałymi i ruchomymi łopatkami. Wielkości wychyleń ruchomych łopatek są sterowane ciśnieniem powietrza w elastycznych, szczelnych powłokach. Wychylenia ruchomych ł opatek wywołują zmiany natężenia przepływu wypływających z wirnika strug wody, co powoduje zmiany wielkości sił reakcji i obrotów wirnika. Zmiana sił reakcji powoduje zmianę momentu obrotowego oraz prędkości obrotowej wirnika, przez co wirnik jest reakcyjny.

Wirnik według wynalazku może być stosowany do budowy małych turbin wodnych, pracujących w pionie, przeznaczonych dla małych spadów wody. Ponieważ łopatki ruchome mogą zamknąć całkowicie przepływ wody przez wirnik i zatrzymać turbinę, to istnieje możliwość, że turbiny z reakcyjnym wirnikiem turbiny wodnej będą mogły być sterowane wyłącznie za pomocą łopatek ruchomych wirnika.

W zwią zku z tendencjami do większego wykorzystania odnawialnych ź ródeł energii reakcyjny wirnik turbiny wodnej może być zastosowany do wykorzystania energii wodnej małych rzek o niedużych spadach. Powietrze stosowane do sterowania obrotów wirnika jest czynnikiem ekologicznym.

Przykład wykonania reakcyjnego wirnika turbiny wodnej przedstawiony jest na rysunku, na którym:

fig. 1 ukazuje wirnik zamontowany w turbinie w widoku bocznym, fig. 2 ukazuje wirnik z maksymalnie wychylonymi ruchomymi łopatkami w widoku bocznym, fig. 3 ukazuje wirnik z maksymalnie wychylonymi ruchomymi łopatkami w przekroju A-A, fig. 4 ukazuje wirnik z maksymalnie wychylonymi ruchomymi łopatkami w przekroju B-B, fig. 5 ukazuje wirnik bez elastycznych, szczelnych powłok i ruchomych łopatek w widoku bocznym, fig. 6 ukazuje wirnik bez elastycznych, szczelnych powłok i ruchomych łopatek w przekroju C-C, fig. 7 ukazuje zewnętrzny wieniec w półprzekroju osiowym, fig. 8 ukazuje piastę wirnika z wałem turbiny w widoku bocznym, fig. 9 ukazuje łopatkę stałą z minimalnie wychyloną ruchomą łopatką elastyczną szczelną powłoką zawiasem i osią zawiasu w widoku bocznym, fig. 10 ukazuje stałą łopatkę z minimalnie wychyloną ruchomą łopatką oraz elastyczną szczelną powłokę, zawias i oś zawiasu w widoku W.

Reakcyjny wirnik turbiny wodnej składa się z zewnętrznego wieńca 1, piasty 2, stałych łopatek 4, ruchomych łopatek 5, elastycznych, szczelnych powłok 6, powietrznych przewodów 7, zawiasów 8, osi 9 zawiasów 8, oraz śrub 10, które zamocowują zawiasy 8 do stałych łopatek 4.

Płaszczyzna v przecina zewnętrzny wieniec 1 i piastę 2 w miejscu połączenia części o kształcie obwodu czaszy kulistej z częścią cylindryczną.

PL 204 721 B1

Zewnętrzny wieniec 1 i stałe łopatki 4 są połączone na stałe z piastą 2. Cały wirnik zamontowany jest na wale 3 turbiny za pośrednictwem piasty 2 i jest umieszczony w ssawnej rurze 11. Ruchome łopatki 5 są mocowane do stałych łopatek 4 za pomocą zawiasów 8, śrub 10, oraz osi 9 zawiasów 8 i mogą się wychylać. Przepływająca przez wirnik woda dociska ruchome łopatki 5 do stałych łopatek 4, a umieszczone między nimi elastyczne, szczelne powłoki 6, połączone, za pośrednictwem powietrznych przewodów 7, z wydrążonym wałem 3 turbiny, są ściskane. Wielkości wychyleń ruchomych łopatek 5 są sterowane ciśnieniem powietrza w elastycznych, szczelnych powłokach 6 zamontowanych między stałymi łopatkami 4 i ruchomymi łopatkami 5. Powietrze doprowadzone jest przez wydrążony wał 3 turbiny i przewody powietrzne 7 do elastycznych, szczelnych powłok 6. Ciśnienie powietrza w elastycznych szczelnych powłokach 6 równoważy nacisk wody na ruchome łopatki 5. Stałe łopatki 4 oraz ruchome łopatki 5 tworzą na wylocie z wirnika zbieżne dysze, z których wypływają do ssawnej rury 11 strugi wody wywołujące działanie sił reakcji powodujących ruch obrotowy wirnika. Zmieniając, za pośrednictwem elastycznych, szczelnych powłok 6 napełnianych powietrzem, wychylenia łopatek ruchomych 5, jest zmieniane natężenie przepływu wypływających z wirnika strug wody, co powoduje zmiany wielkości sił reakcji i obrotów wirnika.

Elastyczne, szczelne powłoki 6 mają postać dętek. Stałe łopatki 4 oraz ruchome łopatki 5 mogą być płaskie, mogą mieć kształt wycinka bocznej powierzchni stożka lub mogą być inne. W przedstawionym rozwiązaniu łopatki są płaskie.

Claims (3)

1. Reakcyjny wirnik turbiny wodnej, znamienny tym, że ma zewnętrzny wieniec (1) i stałe łopatki (4) połączone nierozłącznie z piastą (2) oraz ruchome łopatki (5), wychylnie zamocowane za pomocą osi (9), w przykręconych śrubami (10) do stałych łopatek (4), zawiasach (8).

2. Wirnik według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że między stałymi łopatkami (4) i ruchomymi łopatkami (5) są zamontowane elastyczne, szczelne powłoki (6).

3. Wirnik według zastrzeżeń 1 i 2, znamienny tym, że elastyczne powłoki (6) są połączone za pośrednictwem powietrznych przewodów (7) z wydrążonym wałem (3) turbiny.