Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w

Wystawca RENEXPO® Poland 2015
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy
Wydział Inżynierii Mechanicznej - Instytut Technik Wytwarzania
Józef Flizikowski1) (30%), Adam Mroziński1) (25%), Andrzej Tomporowski1)
(25%), Robert Niemczewski2) (20%),
1)
Wydział Mechaniczny UTP w Bydgoszczy
2)
AIRON Investment
WYNALAZEK: Pływająca elektrownia z turbiną wodną z łopatą w postaci
linii śrubowej na obwiedni walca
Przedmiotem wynalazku jest pływająca elektrownia z turbiną wodną z łopatą w
postaci linii śrubowej na obwiedni wyporowego walca, służąca do konwersji
energii ruchu postępowego cieku wodnego (np. rzeki) na moment obrotowy na
osi wyporowego walca turbiny.
Turbina wodna (turbina hydrauliczna) - silnik wodny jest to urządzenie
przetwarzające energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika
z łopatkami. Stosowana głównie w elektrowniach wodnych do napędu prądnic.
Zalicza się do: silników hydrokinetycznych, silników przepływowych.
Turbiny wodne dzieli się na: akcyjne (turbina Peltona), w których wirnik z
wklęsłymi łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy, stosowane
przy dużych spadkach; reakcyjne (turbina Francisa) - dla średnich spadków,
(turbina Kaplana, turbina śmigłowa) - dla małych spadków, (turbina Tesli, turbina
talerzowa) - szczególny przypadek turbiny hydraulicznej. Poprzednikiem i
wzorem dla turbin wodnych było koło wodne. Pierwszą turbinę skonstruował B.
Fourneyron w 1827, jednak dopiero późniejsze udoskonalenia pozwoliły na jej
przemysłowe wykorzystanie. W 1849 powstała turbina Francisa, w 1880 turbina
Peltona, a w 1912 turbina Kaplana. Pierwszą elektrownią wodną na ziemiach
polskich była uruchomiona w 1896 roku elektrownia Struga na rzece Słupi.
Wyposażono ją w turbinę Francisa o mocy 250 kW. Oprócz tego przed II wojną
światową zabudowano energetycznie inne rzeki Pomorza: Brdę, Wdę, Radunię,
Słupię, Łupawę, Wierzycę i Wieprzę (WIKIPEDIA, 2011-08-16). Większość tych
urządzeń pracuje do dziś.
W świecie znanych jest wiele rozwiązań tzw. małych turbin wodnych w postaci
np. turbin akcyjnych i reakcyjnych, kół wodnych nasiębiernych, śródsiębiernych i
podsiębiernych. Znane są również urządzenia o zbliżonej genezie działania do
napowietrzania i rozdrabniania zanieczyszczeń cieków wodnych z polskiego
patentu 178268, który charakteryzuje się tym, że składa się z samopływającego
obrotowego walca z łopatami oraz wału. Znane są inne urządzenia
napowietrzające, z polskiego opisu patentowego nr 164365 ze specjalnymi
przewodami oraz z polskiego opisu patentowego nr 152749 znane jest urządzenie
pływające, którego płaszczyzny przechodzące przez górne i dolne krawędzie
pływaków znajdują się w przybliżeniu pod stałym kątem płaszczyzny pionowej
wynoszącym, korzystnie 90o oraz posiada dwa pantografy ułożone w
płaszczyznach w przybliżeniu pionowym łączących wspomniane urządzenie z
elementem stałym względem ziemi, korzystnie ze zbiornikiem.
Tylko niektóre znane rozwiązania, konwersji energii cieku na energię w ruchu
obrotowym, wykonano według idei dającej wyporność, czyli możliwość pływania
na powierzchni lub na pewnej korzystnej głębokości cieku podczas przetwarzania
energii. We wszystkich znanych rozwiązaniach występuje problem niskiej
sprawności działania.
Istota rozwiązania wynalazku, pływającej elektrowni z turbiną wodną z łopatą w
postaci linii śrubowej na obwiedni wyporowego walca, urządzenia składającego
się z obrotowego szczelnego walca z nawiniętymi na jego powierzchni łopatami
wzdłuż linii śrubowej, z wałem napędowym, rozwiązuje problem niskiej
sprawności i charakteryzuje się tym, że układ funkcjonalny (konwersji)
wykonany jako zbiornik wyporowy z możliwością pływania na powierzchni lub
na innej korzystnej głębokości cieku, podczas przetwarzania energii tworzy z
innymi elementami wzdłużny silnik wodny. Układ kinematyczny walca jest
obustronnie ułożyskowany, uwieziony (zakotwiczony) i sprzężony z przekładnią
zwiększającą prędkość obrotową, a zakończony generatorem (prądnicą). Korpus,
obudowę turbiny wodnej, silnika wodnego tworzy nieruchomy cylinder,
wyposażony na wejściu wody (czynnika roboczego) w dyfuzor. Obudowa turbiny
jest unieruchomiona przez łączniki, które linami (cięgnami, łańcuchami) są
połączone z zakotwiczeniem.
Turbina wodna wraz z urządzeniami przetwarzania (konwersji) energii według
wynalazku odznacza się prostą i zwartą konstrukcją. Jej budowa oparta jest o
niewielką liczbę elementów składowych. Konstrukcja systemu, a zwłaszcza z
kratą na wejściu i walec ze śrubowymi łopatami silnika wodnego zabezpieczają
przed niszczeniem żywych organizmów, w tym ryb, narybku i innych zwierząt
wodnych. Rozmieszczenie i ukształtowanie łopaty śrubowej wirnika sprzyja
powstawaniu: wysokiego momentu obrotowego, zgodnie z równaniem Stokesa, a
wielokrotność linii śrubowej z dużym kątem zwoju - niskim oporom ruchu,
zgodnie z zależnością Reynoldsa. Ukształtowanie geometryczne powierzchni
roboczej, zwojów śrubowych wirnika dodatkowo wywołuje efekt Magnusa,
przyczyniając się do podwyższenia sprawności działania.
Pływający walec, ustawiony do poziomu gruntu pod kątem α poprzez śrubową
łopatę osadzoną na obwodzie wyporowego wirnika, zamienia strumień energii
kinetycznej ruchu postępowego cieku na energie kinetyczną ruchu obrotowego.
Ruch obrotowy wykorzystywany jest do napędu generatora energii elektrycznej,
poprzez przekładnię przyspieszającą, przy czym obudowy przekładni i turbiny są
unieruchomione za pomocą zakotwiczenia.
Zasada działania wynalazku pokazana została na rysunku przykładowego
rozwiązania, na którym fig.1 przedstawia zespól roboczy w widoku z boku, a
fig.2 w widoku z góry.
Pływająca turbina wodna ze wzdłużnymi zwojami w postaci łopaty śrubowej na
obwiedni walca, składa się z samowyporowego, pływającego walca (1) szczelnie
wypełnionego powietrzem, w którym w środku obrotu umieszczono wał (2), zaś
na obwodzie walca wzdłuż linii śrubowej umieszczono zwoje tworzące łopatę (3).
Całość obudowana jest perforowanym korpusem (4). Przejmowanie energii cieku
wodnego wzmaga dyfuzor (5). Układ zbierania momentu obrotowego z cieku
wodnego, zbudowany jest tak, że ruch obrotowy z wyporowego walca poprzez
wał przenoszony jest poprzez przekładnię mechaniczną przyspieszającą (6) na
zespół roboczy generatora energii elektrycznej (7), a cały układ funkcjonalny
wzdłużnie i poprzecznie uwięziony jest na cieku wodnym, przez zablokowanie go
po obu stronach linami (8) z zakotwiczeniem. Kierunek obrotów wyporowego
walca (1) z łopatami (3) wynika bezpośrednio z kierunku nawinięcia na nim
zwoju łopaty wirnika. Energia elektryczna, powstająca w generatorze (7)
odprowadzana jest do użytkowników przewodem elektrycznym (9).
Przedmiot wynalazku może znaleźć zastosowanie w ciekach wodnych
przepływowych, w postaci niekonwencjonalnego źródła energii odnawialnej,
szczególnie zaś w miejscach niedoboru i braku dostępu do sieci energetycznej.
Urządzenie to może służyć do napędu maszyn i urządzeń bez stosowania innych
źródeł energii, np. pomp oraz jako zespół napędowy pojazdów wodnych, również
do celów edukacyjnych i popularyzujących procesory energii (energetyki)
wodnej.
Zastrzeżenie patentowe
Pływająca turbina wodna z łopatą w postaci linii śrubowej na obwiedni
wyporowego walca, składająca się z wału i elementów napędu, służących do
konwersji energii ruchu cieku wodnego na moment obrotowy znamienna tym, że
zwoje (3) nawinięte na pływający walec wyporowy (1) w postaci łopaty tworzą
wirnik wzdłużny śrubowej.
Całość urządzenia z przekładnią przenoszącą wytworzony na walcu i wale
moment obrotowy na zespół napędowy z generatorem energii elektrycznej i
dyfuzorem tworzy wysoce sprawną turbinę wodną małej lub średniej mocy.
Układ funkcjonalny uwięziony jest wzdłużnie i poprzecznie na cieku wodnym
poprzez zablokowane, po jego obu stronach, zakotwiczeniem (5).
α
Skrót opisu
Przedmiotem wynalazku jest pływająca turbina wodna z łopatą w postaci linii
śrubowej na obwiedni wyporowego walca, służąca do konwersji energii ruchu
postępowego cieku wodnego (np. rzeki) na moment obrotowy na osi wyporowego
walca turbiny.
Istota rozwiązania wynalazku, pływającej turbiny wodnej z łopatą w postaci linii
śrubowej na obwiedni wyporowego walca, urządzenia składającego się z
obrotowego walca z nawiniętymi na jego powierzchni łopatami wzdłuż linii
śrubowej z wałem napędowym, rozwiązuje problem niskiej sprawności i
charakteryzuje się tym, że układ funkcjonalny (konwersji) tworzy z innymi
elementami wzdłużny silnik wodny. Układ kinematyczny walca jest obustronnie
ułożyskowany, uwieziony (zakotwiczony) i sprzężony z przekładnią zwiększającą
prędkość obrotową, a zakończony generatorem (prądnicą). Korpus, obudowę
turbiny wodnej, silnika wodnego tworzy nieruchomy cylinder, wyposażony na
wejściu wody, czynnika roboczego, dyfuzorem. Obudowa turbiny jest
unieruchomiona przez łączniki, które linami (cięgnami, łańcuchami) są połączone
z zakotwiczeniem.
Turbina wodna wraz z urządzeniami przetwarzania (konwersji) energii według
wynalazku odznacza się prostą i zwartą konstrukcją. Jej budowa oparta jest o
niewielką liczbę elementów składowych. Konstrukcja systemu, a zwłaszcza z
kratą na wejściu i walec ze śrubowymi łopatami silnika wodnego zabezpieczają
przed niszczeniem żywych organizmów, w tym ryb, narybku i innych zwierząt
wodnych. Rozmieszczenie i ukształtowanie łopaty śrubowej wirnika sprzyja
powstawaniu: wysokiego momentu obrotowego, zgodnie z równaniem Stokesa, a
wielokrotność linii śrubowej z dużym kątem zwoju - niskim oporom ruchu,
zgodnie z zależnością Reynoldsa. Ukształtowanie geometryczne powierzchni
roboczej, zwojów śrubowych wirnika dodatkowo wywołuje efekt Magnusa,
przyczyniając się do podwyższenia sprawności działania. Pływający walec,
ustawiony do poziomu gruntu pod kątem α poprzez śrubową łopatę osadzoną na
obwodzie wyporowego wirnika, zamienia strumień energii kinetycznej ruchu
postępowego cieku na energie kinetyczną ruchu obrotowego. Ruch obrotowy
wykorzystywany jest do napędu generatora energii elektrycznej, poprzez
przekładnię przyspieszającą, przy czym obudowy przekładni i turbiny są
unieruchomione za pomocą zakotwiczenia.
Przedmiot wynalazku może znaleźć zastosowanie w ciekach wodnych
przepływowych, w postaci niekonwencjonalnego źródła energii odnawialnej
(OZE, renewable energy sources - RES), szczególnie zaś w miejscach niedoboru
i braku dostępu do sieci energetycznej. Urządzenie to może służyć do napędu
maszyn i urządzeń elektrycznych bez stosowania innych źródeł energii, np. pomp
nawadniających, oświetlenia i innych, również do celów edukacyjnych i
popularyzujących procesory energii wodnej.