Волновая турбина

Установки с пневматическим преобразователем [3,4]

Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба.

При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении, или может быть использована турбина Уэлса.

Уже известны по крайней мере два примера коммерческого использования устройств на этом принципе - сигнальные буи, внедренные в Японии Масудой (рис. 5) и в Великобритании сотрудниками Королевского университета Белфаста. Более крупное и впервые включенное в энергосеть устройство построено в Тофтестоллене (Норвегия) фирмой Kvaernor Brug A/S. Основной принцип действия колеблющегося столба показан на рис. 6. В Тофтестоллене он используется в 500-киловатгной установке, построенной на краю отвесной скалы. Кроме того, национальная электрическая лаборатория (NEL) Великобритании предлагает конструкцию, устанавливаемую непосредственно на морском дне.

Рис. 5. Схема установки, в которой используется принцип колеблющегося водного столба (разработана Национальной инженерной лабораторией NEL, Великобритания, размещается непосредственно на грунте, турбина приводится в действие потоком одного направления): 1 - волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - выпуск воздуха; 5 -направление волны; 6 - опускание уровня; 7 - впуск воздуха.

Рис. 6. Схема движения колеблющегося водяного столба и воздушного потока.

Турбины [6,7]

Сегодня широко распространено применение турбины Уэллса. Располагают её в потоке воздуха над осциллирующей водной колонной (рис. 7.)

Рис. 7[6]. Показано расположение турбины Уэллса в воздушном осциллирующем потоке, колебания которого задаются колебаниями столба морской воды.

Основной особенностью этой турбины является то, что и прямой и обратный потоки воздуха приводят турбину в одностороннее вращательное движение. На рис. 8 схематично показано за счет чего это происходит.

В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.Однако опыт Индии [7] показал (рис. 9), что эффективность турбины Уэллса находится в пределах 15-25 %, а эффективность всего сооружения, включающего эту турбину, равна примерно 5 % - это весьма низкие показатели.

Рис. 8[6]. Турбина Уэллса и принцип её действия.

Рис. 9[7]. Зависимость эффективности от энергии волны для различных составляющих сооружения, преобразующего энергию морских волн в электрическую энергию.

Своим большим успехом мирового значения изобретатели Австралии считают создание турбины Дэннисса [8]. Особенность этой турбины заключается в том, что в отличие от турбины Уэллса лопасти турбины Дэннисса выполнены подвижными. Угол атаки лопасти, определяющий эффективность турбины, задается с помощью специальных сенсорных датчиков.

Рис. 10. А - турбина Дэнниса для порта Кэмпбелл. Б - проект прибрежного сооружения, в составе которого находится турбина Дэннисса.

Предполагалось [8] и было объявлено, что в июле 2005 года в порту Кэмпбелл Австралии будет запущено в работу сооружение, основанное на работе турбины Дэннисса. Однако в связи с техническими осложнениями [8] турбина была снята и отправлена на доработку.

По поводу применимости турбин Уэллса и Дэннисса необходимо обратить внимание на следующее.

Известно устройство ветряная мельница или ветряк [9]. В ней на валу вращения в плоскости, перпендикулярной к оси вала вращения, закреплено несколько жестких лопастей, которые под действием ветра приходят в движение, задавая при этом вращательное движение вала вращения.

К недостаткам такого устройства относится: низкий коэффициент полезного действия (КПД): предельный теоретический КПД меньше 60%, реальный - в пределах 15 •*• 25%.

Поскольку и та и другая турбины имеют жесткие лопасти, то их КПД не может быть лучше 60 %. Реальный же КПД может быть не выше 25 %.

В результате наших исследований движителя с помощью метода физического моделирования получено КПД ~ 76%. В аналогичных условиях винт-движитель обладает КПД -45%.

3. Новое применение правила U=0,29 для лопасти турбины

Естественным продолжением наших ранних исследований, изложенных выше, является исследование их применимости для случая, когда сила, воздействующая на вышеуказанное тело, создается за счет энергии, например, морских волн.

В этом случае целью исследования могла быть разработка способа и устройства-турбины, вращательное движение которой возникает под воздействием текучей среды при возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды относительно турбины вдоль оси ее вращения.

Цель достигается применением в качестве лопасти турбины плоского или объемного гидродинамически обтекаемого гибкого упругого тела. Область жесткого захвата этого тела должна удовлетворять правилу U = 0.29, причем в состоянии покоя хорда лопасти располагается в плоскости вращения турбины, перпендикулярной оси её вращения. Сама турбина состоит из п отдельных элементов, закрепленных на валу вращения турбины, каждый из которых составлен из двух и более лопастей, симметрично расположенных относительно вала вращения турбины. Тогда сила тяги лопасти возникает под воздействием текучей среды при возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды относительно турбины вдоль оси ее вращения за счет гибких деформаций лопасти. Деформации подобны деформациям крыла птицы или хвоста рыбы в процессе махового движения.

Применение нашего движителя в варианте лопасти для турбины дает устройство, изначально обладающее высоким КПД и знакопостоянным моментом вращения при знакопеременном направлении падения потока текучей среды на турбину.

На рис. 17 показан элемент турбины, состоящий из двух лопастей 1, закрепленных на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U = 0.29 для лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z приводит к изгибным деформациям 5 лопастей, противоположное движение приводит к изгибным деформациям 6 лопастей. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 - против часовой стрелки. Наращивание числа элементов турбины, последовательно расположенных на одном валу вращения, приводит к пропорциональному возрастанию мощности на валу вращения. Это позволяет наращивать необходимую мощность на одном валу вращения турбины без увеличения поперечных размеров колеса турбины.

Рис.17 Диметрическая проекция вращательного элемента турбины. Лопасти 1 закреплены на поперечмне 2 в области, соответствующей правилу U=0,29 для лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z, приводит к изгибным деформациям лопастей вида 6. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 – против часовой стрелки.

Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.