(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 208206 RZECZPOSPOLITA

POLSKA

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

(21) Numer zgłoszenia: 371080 (22) Data zgłoszenia: 08.11.2004

(13) B1 (51) Int.Cl. F03B 3/12 (2006.01)

(54) Kompaktowa dwustopniowa turbina przepływowa

(43) Zgłoszenie ogłoszono:

15.05.2006 BUP 10/06

(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.03.2011 WUP 03/11

(73) Uprawniony z patentu:

PAWLAK ZDZISŁAW, Kalisz, PL

(72) Twórca(y) wynalazku:

ZDZISŁAW PAWLAK, Kalisz, PL

PL 2

0820

6 B

1

PL 208 206 B1 2

Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest zbudowana w postaci „Kompaktu", dwustopniowa turbina przepły-

wowa, z osią turbiny położoną w poziomie lub pionie. Znane są ze stanu techniki światowej, siłownie wiatrowe o osi pionowej, takie jak np. wirniki

Darrieusa i Sawoniusa. Ograniczeniem tych rozwiązań jest praca połową poprzecznego przekroju. Ograniczeniem zaś siłowni wiatrowych z osią poziomą jest ich duża szybkobieżność, konieczność nastawiania na wiatr, uciążliwa hałaśliwość i zagrożenie dla ptaków.

Ze zgłoszenia patentowego PI 177181, znane jest rozwiązanie „Wiatrak panelowy" który ma zbliżoną konstrukcję, jednak zewnętrzne kierownice strumieni opasują mniej niż połowę obwodu wirni-ka i muszą być ustawiane do wiatru.

Znane są też rożne konwertery energii fal, pływów i prądów morskich, takich jak np. kaczki Sal-tera, tratwy Cockerella, konwertery Pelamis, PowerBuoy czy Wave Rotor. Urządzenia te cechuje duży tonaż i duże koszty inwestycyjne.

Ze zgłoszenia patentowego P 251710, znane jest rozwiązanie „Dwustopniowa Turbina Prze-pływowa", której ograniczeniem była trudność wykonania i montażu detali, oraz uzyskania odpowied-niej sztywności konstrukcji przy niskich kosztach, z wykorzystaniem ówcześnie dostępnych środków technicznych.

Nowa konstrukcja turbiny kompaktowej według wynalazku pozwoli usunąć większość wyżej wymienionych wad i ograniczeń konstrukcyjnych dotychczasowych rozwiązań.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku w przykładzie wykonania, w którym fig. 1 przedstawia złożoną turbinę w rzucie perspektywicznym, a fig. 2 pokazuje główne elementy złożenio-we. Kompaktowa Turbina według patentu, jest zbudowana z zespolonej kierownicy (2) oraz zespolo-nego wirnika (1), posiadającego wał z dwustronnym wyjściem. Z obydwu stron turbina może być wy-posażona w hermetyczne komory wyporowe (3), mieszczące generatory oraz urządzenia zabezpie-czające pracę turbiny. Łopatki (4) kierownicy turbiny otaczają na całym obwodzie wirnik (1) i są pogru-powane w wiele segmentów.

Kompaktowa turbina pracuje całym poprzecznym przekrojem, niezależnie od kierunku napływa-jącego czynnika. W pierwszym stopniu turbiny napływający czynnik jest przyspieszany i kierowany pod korzystnym kątem na łopatki wirnika. Opuszczając wnętrze turbiny pracujący czynnik napiera na drugi stopień turbiny, oddając pozostałą część energii. Ze względu na redukcję kosztów i techniczną możliwość wykonania, zwłaszcza w wykonaniu wodnym (morskim), zdecydowano się na połączenie elementów turbiny w jeden zespół (kompakt) wraz z odchudzonym o konstrukcję obudowy generato-rem wolnoobrotowym.

Kompaktową turbinę wg. nowego zgłoszenia cechuje pełna uniwersalność. Turbina może pra-cować w pozycji poziomej lub pionowej. Przepływający w środku turbiny strumień wody lub powietrza dwukrotnie przyspiesza. W wersji wodnej, kompaktowa konstrukcja umożliwia stawianie turbin na stopniach wodnych o niewielkich spadach wody, montowanie turbin w ciekach wodnych bez budowy kosztownych stopni wodnych, oraz montowanie takich obiektów w elektrowniach pływowych, gdzie pracowały by dwukierunkowo. W wersji morskiej, turbiny według patentu pracują jako konwertery energii fal i z dużą sprawnością przetwarzają niemal całe widmo falowania. Jakikolwiek ruch wody (falowy czy postępowy) zamieniają w energię użytkową na wale turbiny.

W wersji wiatrowej turbiny pracują niezależnie od zmieniającego się kierunku wiejącego wiatru. Posiadają małą szybkobieżność więc przy odpowiedniej konstrukcji są w stanie wytrzymać napór naj-szybszych wiatrów.

Ze względu na pracę w ciężkich warunkach zaleca się wykonanie turbin z najlepszych materia-łów nierdzewnych (stale nierdzewne, odpowiednie stopy aluminium lub super wytrzymałe tworzywa sztuczne) wycinane komputerowo laserem lub wodą.

W celu uzyskania odpowiedniej sztywności konstrukcji, ułatwienia montażu, maksymalnego zredukowania ciężaru oraz kosztów budowy, turbina została podzielona na dużą ilość segmentów (zbliżenie do konstrukcji plastra miodu). Zastosowano przesunięcie wieńców łopatek w co drugiej sek-cji kierownicy (2) i wirnika (1) wokół osi turbiny o połowę modułu, a takie rozwiązanie umożliwia wy-godny dostęp przy spawaniu łopatek (4) do tarcz bocznych turbiny (5). W celu maksymalnego wyci-szenia pracy turbiny oraz usunięcia drgań i wibracji, przy wspawywaniu łopatek wirnika turbiny zasto-sowano według patentu ukosowanie względem wzdłużnej osi turbiny, stosując zasadę, że co drugi segment jest przesunięty o ½ modułu (skoku łopatek), a drugi koniec każdej łopatki jest odpowiednio

PL 208 206 B1 3

przekręcony wokół osi turbiny. I np.: przy czterech segmentach turbiny, jest stosowany skręt ¼ modułu skoku łopatek danego wieńca turbiny. Uzyskuje się dzięki temu płynny, stały kontakt zbliżeniowy poje-dynczych punktów łopatek kierownicy i wirnika, podczas pełnego obrotu turbiny. Ponieważ druga po-łowa łopatek ma zadany skręt przeciwny, uzyskuje się korzystny efekt równoważenia przeciwnych momentów poosiowych. Dwustronny odbiór mocy z turbiny odciąża konstrukcję i daje znaczne oszczędności materiałowe. Ponieważ kompakt ma pracować zanurzony w wodzie, jako stopień rzecz-ny lub konwerter energii fal, turbinę wyposażono w dwie hermetyczne komory (3) na obydwu końcach osi turbiny. W komorach tych są zamocowane i sprzężone z turbiną dwa generatory wolnoobrotowe. Wnętrze tych hermetycznych komór w których mieszczą się kosztowne generatory, wspólne łożyska turbiny i generatora, zabezpieczono wstawiając najnowocześniejsze, dwustopniowe uszczelnienia magnetyczne o dużym, między remontowym czasie pracy. Zastosowano też system pochłaniaczy wilgoci i w pewnych sytuacjach podwyższenie ciśnienia wewnętrznego, które dodatkowo zabezpiecza wnętrze przed nieszczelnościami, oraz daje optyczny sygnał (bąbelkowanie), o pojawiającym się przecieku. Niezależnie od tego zastosowano monitorowanie w postaci alarmów, temperatury genera-tora, obniżenia ciśnienia wewnętrznego, oraz pojawienia się wody w urządzeniu. Realizując możli-wość samoobsługi urządzenia pracującego swobodnie w wodzie, przewiduje się konieczność zaopa-trzenia kompaktu, w dwie dodatkowe komory balastowe z automatyką regulującą poziom zanurzenia, a pośrednio stałą moc pracującej turbiny. Kompaktowe turbiny pracujące jako konwertery energii fal morskich, zamocowane na brzegu morza w systemie pchanym, zaopatrzone są w odpowiednio długie, samo pływające wysięgniki rurowe. Jednymi końcami zamocowane na sztywno do turbin, a drugimi końcami zakotwione trwale na brzegu. Konstrukcja kotwienia umożliwia powolną zmianę położenia kompaktu (przypływy morza). Wyposażona jest też w hydrauliczne amortyzatory dużej mocy, w któ-rych czynnikiem pracującym może być woda morska, a które zmuszają turbiny do nurzania się w nad-pływających falach morskich. Kompaktowe turbiny wg. zgłoszenia w wykonaniu wodnym posiadają boczne tarcze kierownic w kształcie, najkorzystniej prostokąta. W narożnikach posiadają wzmocnienia ze wspawanych rur. Taka konstrukcja ułatwia transport i dodatkowo usztywnia całość. Ułatwia montaż segmentów kierownicy w całość i posadowienie turbin na stanowisku (stopniu wodnym). Brzegi łopa-tek (4) zaopatrzone są w dwie lub więcej wypustek, które metodą zaginania spęczniania lub spawania są połączone z bocznymi tarczami wirnika i kierownicy turbiny, zapewniając dużą sztywność i stabil-ność całej konstrukcji. Przy pracy kompaktowej turbiny na stopniu wodnym, lub jako konwertera ener-gii fal, zalecana jest praca turbiny w pozycji poziomej. Turbina powinna być tak ustawiona do kierunku napływającej wody lub fal morskich, by przy wlocie wody, pierwszy stopień turbiny wymuszał ruch łopatek wirnika skierowany na dół, a drugi stopień, gdy woda opuszcza wnętrze turbiny, wymuszał ruch łopatek skierowany w górę. Wybranie takiej opcji, zapewnia optymalną pracę turbiny.

Zastrzeżenia patentowe

1. Kompaktowa Dwustopniowa Turbina Przepływowa posiadająca kierownicę (2) i wirnik turbiny (1) z dowolną liczbą segmentów wieńców łopatek, znamienna tym, że łopatki (4) kierownicy oraz wirnika są połączone z wewnętrznymi bocznymi tarczami (5), mającymi podwójną ilość wyciętych otworów, wsuwając łopatki w co drugi wycięty otwór, co skutkuje obrotowym przesunięciem względem siebie kolejnych segmentów o połowę skoku łopatek, nadto łopatki wirnika są dodatkowo ukosowane według wzdłużnej osi turbiny, skręcając każdą kolejno przyspawywaną do wału tarczę wirnika o ¼ skoku łopatek, przekręcając dwa kolejne segmenty wirnika w jedną i dwa następne w przeciwną stro-nę, przy czym zarysy kształtu łopatek mają w odniesieniu do zewnętrznego promienia danego wieńca, korzystnie wartość 0,26 dla wirnika, oraz 0,43 dla kierownicy z dopuszczalnymi odchyłkami mieszczą-cymi się w granicach +-10%, a stosunek szerokości łopatek wirnika do szerokości łopatek kierownicy stanowi korzystnie wartość 0,76 z odchyłkami w granicach +-20% i korzystne jest by: zaczynając od pierwszego stopnia turbiny, powierzchnie wejścia łopatek kierownicy zaczynały się prostopadle do osi turbiny, powierzchnie wyjścia tych łopatek były tak dobrane by były korzystnie prawie równoległe do powierzchni wejściowych łopatek wirnika, z kolei wyjście powierzchni tych łopatek do środka wirnika było prostopadłe do osi turbiny natomiast przy wyjściu ze środka, w drugim stopniu turbiny, te zależ-ności się powtarzają w odwrotnej kolejności.

2. Kompaktowa turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że wał turbiny posiada dwa wyjścia mocy, oraz dwa gniazda łożyskowe z podwójnymi łożyskami wspólnymi dla turbiny i generatora, które

PL 208 206 B1 4

są zabezpieczone podwójnymi umieszczonymi w odpowiednich miejscach magnetycznymi uszczel-nieniami, a wszystkie te elementy znajdują się w mających odpowiednią wyporność hermetycznych komorach, umocowanych na obydwu końcach turbiny.

3. Kompaktowa turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że w wersji konwertera energii fal morskich posiada najkorzystniej w systemie pchanym, samo pływające wysięgniki rurowe, które jedną stroną są sztywno zamocowane do samo pływającej turbiny, a drugimi końcami są zakotwione na brzegu morskim, z układem amortyzatorów uniemożliwiających wykonywanie szybkich ruchów piono-wych turbiny, lub w systemie podwieszonym do dna jest sztywno zakotwiona do dna morskiego silny-mi, odpowiedniej konstrukcji amortyzatorami, które umożliwiają powolne zmiany położenia samo pły-wającej turbiny w cykl przypływów morza.

PL 208 206 B1 5

Rysunki

PL 208 206 B1 6

Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)