РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБАПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,

ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(51) МПКF03B 13/10 (2006.01)F03B 3/12 (2006.01)F03B 17/06 (2006.01)

(19) RU (11) 2 432 490(13) C2

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21)(22) Заявка: 2009104161/06, 13.07.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 13.07.2007

Приоритет(ы):(30) Конвенционный приоритет:

14.07.2006 EP 06014668.5

(43) Дата публикации заявки: 27.08.2010 Бюл. № 24

(45) Опубликовано: 27.10.2011 Бюл. № 30

(56) Список документов, цитированных в отчете опоиске: WO 2006029496 A1, 23.03.2006. US

2003/0193198 A1, 16.10.2003. US 4205943 A,03.06.1980. US 3986787 A, 19.10.1976. RU2242634 C1, 20.12.2004.

(85) Дата начала рассмотрения заявки PCT нанациональной фазе: 16.02.2009

(86) Заявка PCT:EP 2007/006234 (13.07.2007)

(87) Публикация заявки РСТ:WO 2008/006601 (17.01.2008)

Адрес для переписки:191002, Санкт-Петербург, а/я 5, "Ляпунов ипартнеры", пат.пов. Е.Г.Ильмер, рег.№ 1144

(72) Автор(ы):УИЛЬЯМС Герберт (US)

(73) Патентообладатель(и):ОУПЕНХАЙДРОУ ГРУП ЛИМИТЕД (IE)

(54) ПОГРУЖНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТУРБИНА С КАМЕРАМИ ПЛАВУЧЕСТИ(57) Реферат:

Изобретение относится в целом к турбинеили электрогенератору, производящемуэлектричество из энергии потока воды.Гидравлическая турбина погружного типасодержит ротор 20, корпус-статор, в которыйзаключен ротор 20, и средства для выработки

электричества. Ротор 20 имеет внешнийобод 22, охватывающий лопасти 21. Вовнешнем ободе расположены одна или болеекамер 60 плавучести. Изобретение направленона уменьшение веса ротора 20 для обретенияплавучести. 9 з.п.ф-лы, 6 ил.

Ñòð.: 1

ru

RU

2432490

C2

2C

09

42

34

2U

R

Ñòð.: 2

RU

2432490

C2

2C

09

42

34

2U

R

RUSSIAN FEDERATION

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY,PATENTS AND TRADEMARKS

(51) Int. Cl.F03B 13/10 (2006.01)F03B 3/12 (2006.01)F03B 17/06 (2006.01)

(19) RU (11) 2 432 490(13) C2

(12) ABSTRACT OF INVENTION

(21)(22) Application: 2009104161/06, 13.07.2007

(24) Effective date for property rights: 13.07.2007

Priority:(30) Priority:

14.07.2006 EP 06014668.5

(43) Application published: 27.08.2010 Bull. 24

(45) Date of publication: 27.10.2011 Bull. 30

(85) Commencement of national phase: 16.02.2009

(86) PCT application:EP 2007/006234 (13.07.2007)

(87) PCT publication:WO 2008/006601 (17.01.2008)

Mail address:191002, Sankt-Peterburg, a/ja 5, "Ljapunov ipartnery", pat.pov. E.G.Il'mer, reg.№ 1144

(72) Inventor(s): UIL'JaMS Gerbert (US)

(73) Proprietor(s): OUPENKhAJDROU GRUP LIMITED (IE)

(54) IMMERSION HYDRO-ENERGY TURBINE WITH FLOATING CHAMBERS(57) Abstract:

FIELD: power industry.SUBSTANCE: hydraulic turbine of immersion

type includes rotor 20, housing-stator that isintegrated into rotor 20 and electricity generatingmeans. Rotor 20 has outer rim 22 that encircles theblades 21. There is one or more floating chambers 60located in outer rim.

EFFECT: rotor weight reduction for floatingobtaining.

6 dwg

Ñòð.: 3

en

RU

2432490

C2

2C

09

42

34

2U

R

RU 2 432 490 C2

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИНастоящее изобретение относится в целом к турбине или электрогенератору,

производящему электричество из энергии потока воды, независимо от того, являетсяли поток однонаправленным, как в речных и океанических течениях, или жедвунаправленным, как в приливных течениях, и относится, в частности, к такомуустройству, в котором поток жидкости приводит во вращение большой роторпропеллерного типа с внешним кольцевым ободом, расположенным в большомкольцевом корпусе. Более конкретно изобретение относится к такому устройству, вкотором турбина полностью погружена в воду.

Получение электричества с помощью гидротурбин хорошо известно. Обычнотурбины устанавливают в плотинах так, что управляемый поток жидкости приводитво вращение ротор пропеллерного типа или крыльчатку. Такие условия сотносительно быстрым потоком воды называются высоконапорными. Существуеттакже практика применения турбин в низконапорных условиях, которые создаютсяприливным течением в заливе, при установке в устье реки или в открытом море.

Хотя в большинстве турбин имеется центральный вращающийся вал, на которыйустанавливают лопасти или лопатки, известны также турбины с полым центром, иначеназываемые турбинами с кольцевым подвесом. Такие турбины, в которых лопастиустановлены между внутренним и внешним кольцевыми ободами, а энергияпередается кольцевому корпусу, удерживающему ротор, через внешний обод, могутбыть особенно эффективны в условиях низкого напора, т.е. в сравнительномедленных течениях.

Примеры турбин с полым центром и кольцевым подвесом лопастей имеются впатенте США №5592816, выданном 14.01.1997 и перевыданном под номером RE 38336от 02.12.2003, в патенте США №6648589 от 18.11.2003, в патенте США №6729840от 04.05.2004 и в заявке на патент США US 2005/0031442, опубликованной 10.02.2005(серийный номер 10/633865). Примеры гидроэнергетических турбин, используемых принизком напоре (для приливных течений), имеются в патенте США №4421990,выданном Хойссу и др. (Heuss et al.), в патентах США №6168373 и №6406251,выданных Вотье (Vauthier), в заявке на патент Великобритании № GB 2408294,зарегистрированной Сасменом и др. (Susman et al.), и в Международной публикацииВОИС WO 03/025385, зарегистрированной Дэвисом и др. (Davis et al.).

Гидротурбины рассматриваются как экологически чистая заменаэлектрогенераторам, использующим ископаемое топливо или атомную энергию. Прииспользовании энергии ветра или воды в крупных масштабах, когда производимогопри этом электричества должно быть достаточно для снабжения промышленныхкомплексов, больших и малых городов и т.п., требуется множество турбин, причемкак можно большего размера, чтобы максимизировать количество электричества,производимого каждой турбиной. Длина лопастей на крыльчатках этих турбиндостигает нескольких метров, в некоторых экспериментальных конструкцияхпредусмотрены лопасти длиной более 50 метров.

С ростом длины лопастей появляются проблемы конструирования и производства,которые не встречались при меньших размерах турбин и генераторов. Для турбин сосевым подвесом трудно добиться, чтобы длинные лопасти были одновременнопрочными и легкими. Эта проблема решается в случае турбин с кольцевым подвесом,поскольку там оба конца лопастей крепятся к кольцевым опорам, причем внешнийобод удерживается в корпусе, имеющем кольцевую канавку или канал. Для выработкиэлектроэнергии по периметру внешнего обода располагается большое количество

Ñòð.: 4

DE

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 432 490 C2

магнитов, а по поверхности канала в корпусе (играющем роль статора) располагаетсябольшое количество обмоток. Магнитное поле, образованное системой полей ротора,перекрывает зазор между ротором и статором. При вращении ротора переменноемагнитное поле действует на обмотки, что создает в обмотках электродвижущую силу.

В турбинах с кольцевым подвесом вес ротора воспринимается нижней частьюкорпуса, поскольку отсутствует центральный вал, который мог бы служить опорой.Для больших турбин эта нагрузка и результирующее трение могут бытьзначительными как в момент запуска ротора, так и с точки зрения общейэффективности турбины после выхода на рабочий режим. Больший вес ротора влечетповышенное сопротивления вращению, то есть для преодоления сил инерции и трениятребуется больший поток жидкости. Эта проблема особенно остро стоит для турбин,работающих при низком напоре.

Цель настоящего изобретения - предложить усовершенствованную конструкциюгидроэнергетической турбины, в которой вес ротора уменьшен так, что он обретаетплавучесть. Еще одна цель состоит в том, чтобы предложить турбину, в которойснижение веса достигается за счет наличия в роторе камер плавучести, благодаря чемуу турбин, погруженных в воду, отрицательный эффект, обусловленный большимвесом ротора, уменьшается или преодолевается за счет увеличенной плавучестиротора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯИзобретение представляет собой усовершенствование гидротурбины такого типа, в

котором лопасти ротора опираются на внешний обод, а обод заключен в корпусе скольцевым каналом, в который помещен этот внешний обод. В типичном исполнениитурбина представляет собой генератор, в котором на внешнем ободе роторарасполагаются магниты, а в канале на внутренней поверхности корпуса или статорарасполагаются обмотки, и при вращении ротора внутри статора вырабатываетсяэлектричество. Турбина, в частности, такого типа, который погружается в воду.

Усовершенствование предлагает размещение в корпусе плавучего ротора. Впредпочтительной реализации ротор турбины снабжен одной или более камерамиплавучести, которые расположены во внешнем и/или внутреннем кольцевом ободеи/или лопастях, благодаря чему общий вес ротора уменьшается и, кроме того,плавучесть ротора увеличивается. Камеры могут быть заполнены воздухом, другимигазами, жидкостями, пеной, твердым или любым иным материалом с удельным весомне более 1. Для большей конструкционной целостности и жесткости рабочего колесакамеры плавучести могут быть заполнены полимерной пеной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙНа Фиг.1 в осевой проекции показана типичная турбина с полым центром и

кольцевым подвесом лопастей, включающая ротор с внешним ободом и корпус-статор с каналом, в который помещен внешний обод ротора.

На Фиг.2 представлен вид корпуса-статора в аксонометрии.На Фиг.3 представлен вид ротора в аксонометрии.На Фиг.4 представлен частичный разрез внешнего кольцевого обода ротора.На Фиг.5 представлен частичный разрез корпуса-статора.На Фиг.6 представлен частичный разрез внутреннего кольцевого обода ротора.ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯНиже изобретение в его оптимальном варианте и предпочтительной реализации

будет описано подробно с обращением к чертежам. В самом общем смыслеизобретение представляет собой гидроэнергетическую турбину погружного типа с

Ñòð.: 5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 432 490 C2

ротором, размещенным в корпусе, выполняющем функцию статора, причем роторимеет внешний кольцевой обод, который помещен и удерживается в кольцевом каналеили канавке в корпусе, а конструкция рабочего колеса обеспечивает ему плавучесть.Представленный здесь генератор содержит совокупность большого количествамагнитов на кольцевом ободе ротора и большого количества обмоток на внутреннейповерхности корпуса-статора, предпочтительно внутри канала, в который помещенкольцевой обод рабочего колеса, хотя могут использоваться и другие генерирующиеустройства. В иллюстративных целях турбина на чертежах изображена с роторомкольцевого подвеса и полым центром, так что вес ротора полностью воспринимаетсякорпусом, но подразумевается, что изобретение относится также к турбинам сротором осевого подвеса с внешним кольцевым ободом. В данном документе термин«плавучесть» означает, что соответствующий объект не тонет в той воде, в которуюон погружен, что может относиться к пресной или морской воде. Упомянутое вданном документе научное определение плавучести, которое соотносит это понятие судельным весом, не превышающим единицу, следует понимать расширительно,включая ситуации, когда фактическая плотность воды отличается от плотностичистой воды.

Как в целом показано на Фиг.1-3, изобретение представляет собой турбину илиэлектрогенератор 10, который содержит имеющий в общем случае форму кольцакорпус 30, выполняющий функцию статора. Конфигурация корпуса 30 неограничивается показанной здесь, то есть возможны и иные конфигурации приусловии, что корпус 30 выполняет, среди прочих, функции удержания вращающейсясборки ротора 20 от нежелательного смещения в обоих направлениях по оси иобеспечивает вращение ротора 20 относительно своей оси. Корпус 30 имеет паруустановочных фланцев 31, которые образуют канал 32 корпуса, где помещен иудерживается ротор 20.

Вращающаяся сборка или ротор 20 имеет внутренний кольцевой обод 23 и внешнийкольцевой обод 22. Между внутренним ободом 23 и внешним ободом 22 находитсясовокупность стоек, лопаток или лопастей 21, причем лопасти 21, согласно известнымрешениям, расположены под таким углом или изогнуты таким образом, что движениежидкости через корпус 30 в осевом направлении вызывает вращение ротора 20.Количество, конфигурация и материал лопастей 21 могут быть различными, ножелательно, чтобы лопасти 21 были настолько легкими, насколько это возможно безугрозы структурной целостности конструкции.

Корпус 30 и ротор 20, вместе взятые, составляют электрогенератор. Это можетбыть достигнуто помещением совокупности магнитов 41 на внешней поверхностивнешнего обода 22 и совокупности обмоток 42 на внутренней поверхности 34корпуса 30 или канала 32 в корпусе, так что корпус 30 превратится в статоргенератора. При вращении ротора 20 магниты 41 движутся мимо обмоток 42, чтоприводит к вырабатыванию электричества известным способом.

Из-за больших размеров турбины 10 желательно, чтобы она была изготовлена изотносительно легких, но прочных материалов. С этой точки зрения целесообразно приизготовлении турбины использовать в качестве первичных структурных компонентовротора 20 и корпуса 30 полимеры, эпоксидные смолы, смолы, армирующие волокнаили аналогичные материалы. В типичном случае ротор 20 может быть в основномизготовлен из легких материалов, перечисленных выше, так что в них могут бытьвстроены магниты 41 и другие компоненты. При изготовлении ротора 20 следуетобеспечить его плавучесть при погружении в воду.

Ñòð.: 6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 432 490 C2

В одной из реализаций в роторе 20, например, внутри внешнего кольцевогообода 22 выполнены одна или более камер 60 плавучести, как показано на Фиг.4. Впредпочтительной реализации по всему внешнему кольцевому ободу 22 проходит однакольцевая камера 60, но может также использоваться несколько камер 60,располагающихся друг за другом в осевом или радиальном направлении. Еслииспользуется несколько камер, их расположение по окружности должно бытьсбалансировано, чтобы не оказывать неблагоприятное влияние на вращениеротора 20. Внутри камер 60 плавучести для увеличения жесткости внешнегокольцевого обода 22 могут быть расположены не показанные здесь структурныеэлементы, например ребра жесткости. Камеры 60 плавучести могут быть заполненывоздухом или другим газом, жидкостью или легкими жесткими элементами изматериала, имеющего удельный вес, не превышающий единицу, но наиболеепредпочтительно заполнять камеры 60 плавучим материалом 61, обладающимполезными конструкционными характеристиками, например, пенополимером.Пенополимеры, например полиуретановые, предварительно формуют и помещают вкамеру 60 плавучести или же инжектируют в камеру 60, причем предпочтительно этотматериал должен сцепляться с внутренней поверхностью камеры 60 послеотверждения. Жесткость пеноматериала и сила его сцепления со стенками камеры 60плавучести положительно влияют на общую жесткость и структурную целостностьротора 20. Размеры камер 60 плавучести и плавучесть материала 61 выбирают так,чтобы обеспечить желаемую степень плавучести в данных конкретных условиях.Например, при определенных обстоятельствах может быть желательным простоуменьшить вес ротора 20, тогда как при других обстоятельствах может бытьпредпочтительным уменьшить вес ротора 20 до такой степени, чтобы он приобрелнулевую плавучесть, а при совершенно иных обстоятельствах может бытьпредпочтительным уменьшить вес ротора 20 до такой степени, чтобы он обладалположительной плавучестью в воде, причем он будет всплывать в канале 32 статора ивсе трение будет происходить в верхней части канала 32.

Вместо камер 60 плавучести в кольцевом внешнем ободе 22 или наряду с нимианалогичные камеры 60 плавучести могут располагаться во внутреннем кольцевомободе 23 и/или лопастях 21, как показано на Фиг.6. Как указывалось выше, камеры 60плавучести внутреннего кольцевого обода 23 и лопастей 21 могут быть заполненывоздухом или другим газом, жидкостью или легкими жесткими элементами изматериала с удельным весом, не превышающим единицу, но наиболеепредпочтительно заполнять камеры 60 плавучим материалом 61, обладающимположительными структурными характеристиками, например пенополимером.

Благодаря этому отрицательный эффект трения, наблюдающегося междуротором 20 и корпусом 30 вследствие значительного веса ротора 20, уменьшается илиустраняется, так что запуск ротора выполняется с меньшими усилиями и повышаетсяэффективность вращения.

При определенных обстоятельствах может быть также желательным уменьшить вескорпуса 30, например, когда турбина должна быть плавучей. Как показано на Фиг.5, вкорпусе 30 может размещаться одна или более камер 60 плавучести, которыезаполняются плавучим материалом-заполнителем 61, например, отверждаемым вместе нанесения пенополимером или любым другим материалом из описанных выше,предпочтительно таким, который обеспечивает жесткость и структурную целостностькорпуса 60. Поскольку корпус-статор 30 является неподвижным элементомтурбины 10, камеры плавучести 60 наиболее предпочтительно располагать в верхней

Ñòð.: 7

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 432 490 C2

части корпуса-статора 30, чтобы повысить устойчивость турбины 10 в воде.Следует иметь в виду, что специалисты в данной области техники могут легко

подобрать эквиваленты и заменители для некоторых элементов, перечисленных выше,а потому действительные объем и формула изобретения таковы, какими они изложеныв нижеследующих пунктах.

Формула изобретения1. Гидравлическая турбина погружного типа, содержащая ротор, корпус-статор, в

который заключен указанный ротор, и средства для выработки электричества, причемуказанный ротор имеет внешний обод, охватывающий лопасти, отличающаяся тем,что в указанном внешнем ободе расположены одна или более камер плавучести.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что в указанных лопастях расположены однаили более камер плавучести.

3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что указанный ротор включает внутреннийобод, расположенный на указанных лопастях, и причем в указанном внутреннемободе расположены одна или более камер плавучести.

4. Турбина по п.1, содержащая также плавучий материал-заполнитель, которыйрасполагается в указанных одной или более камерах плавучести.

5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что указанный плавучий материал-заполнитель имеет удельный вес, не превышающий единицу.

6. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что указанный плавучий материал-заполнитель содержит газ, предпочтительно воздух.

7. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что указанный плавучий материал-заполнитель содержит пенополимер.

8. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что указанные одна или более камерплавучести проходят по всему указанному ротору.

9. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что указанные одна или более камерплавучести включают несколько камер, расположенных сторона к стороне.

10. Турбина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что указанные одна или болеекамер плавучести включают несколько камер, расположенных торец к торцу.

Ñòð.: 8

CL

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

RU 2 432 490 C2

Ñòð.: 9

DR

RU 2 432 490 C2

Ñòð.: 10

RU 2 432 490 C2

Ñòð.: 11

RU 2 432 490 C2

Ñòð.: 12

RU 2 432 490 C2

Ñòð.: 13