Винтовая турбина Горлова ( GHT ) — это водяная турбина, разработанная на основе турбины Дарье путем ее модификации с целью получения винтовых лопастей/фольг. Водяные турбины принимают кинетическую энергию и преобразуют ее в электричество. Она была запатентована в серии патентов с 19 сентября 1995 года [1] по 3 июля 2001 года [2] и выиграла в 2001 году ASME Thomas A. Edison . GHT была изобретена Александром М. Горловым , профессором Северо-Восточного университета .
Физические принципы работы GHT [3] такие же, как и у ее основного прототипа, турбины Дарье, и у семейства подобных ветровых турбин с вертикальной осью , которое включает также ветряные турбины Turby , Aerotecture, Quietrevolution и т. д. GHT, Turby и Quietrevolution решили проблемы пульсирующего крутящего момента , используя винтовую закрутку лопастей.
Винтовая турбина (патент Германии DE2948060A1, 1979) была первоначально изобретена Ульрихом Штампой (Бремен, Германия), инженером, автором и изобретателем.
Термин «фольга» используется для описания формы поперечного сечения лопасти в заданной точке, без различия для типа жидкости (таким образом, ссылаясь либо на « аэродинамический профиль », либо на « гидрокрыло »). В винтовой конструкции лопасти изгибаются вокруг оси, что приводит к равномерному распределению секций лопасти по всему циклу вращения, поэтому всегда есть секция лопасти при каждом возможном угле атаки . Таким образом, сумма подъемной силы и силы сопротивления на каждой лопасти не изменяются резко с углом вращения. Турбина создает более плавную кривую крутящего момента, поэтому вибрации и шума намного меньше, чем в конструкции Дарье. Она также минимизирует пиковые напряжения в конструкции и материалах и облегчает самозапуск турбины. В испытательных условиях было обнаружено, что GHT имеет до 35% эффективности захвата энергии, о которой сообщают несколько групп. [4] [5] [6] «Среди других систем турбин с вертикальной осью вращения турбина Davis Hydro, турбина EnCurrent и турбина Gorlov Helical прошли масштабные испытания в лабораторных условиях или на море. В целом, эти технологии представляют собой современную норму развития приливных течений». [7]
Главное отличие винтовой турбины Горлова от обычных турбин заключается в ориентации оси относительно потока тока. GHT — это турбина с вертикальной осью , что означает, что ось расположена перпендикулярно потоку тока, тогда как традиционные турбины — это турбины с горизонтальной осью , что означает, что ось расположена параллельно потоку тока. Потоки жидкости, такие как ветер, естественным образом будут менять направление, однако они по-прежнему будут оставаться параллельными земле. Таким образом, во всех турбинах с вертикальной осью поток остается перпендикулярным оси, независимо от направления потока, и турбины всегда вращаются в одном и том же направлении. Это одно из главных преимуществ турбин с вертикальной осью.
Если направление потока воды фиксировано, то ось турбины Горлова может быть вертикальной или горизонтальной, единственным требованием является ортогональность к потоку. [8]
GHT — это однонаправленная турбина, работающая по концепции, основанной на подъемной силе (см. аэродинамический профиль ), которая обеспечивает вращение в постоянном направлении от двунаправленных или обратимых потоков жидкости. GHT работает по тому же принципу, что и турбина Дарье; то есть, она полагается на движение крыльев, чтобы изменить кажущееся направление потока относительно крыльев, и таким образом изменить (кажущийся) «угол атаки» крыльев.
GHT предлагается [8] для микрогидроустановок с низким напором , когда строительство плотины нежелательно . GHT является примером технологии гидроэлектростанций без плотины . Технология может потенциально предложить преимущества по стоимости и экологии по сравнению с микрогидросистемами на основе плотины.
Некоторые преимущества безплотинной ГЭС заключаются в том, что она исключает возможность разрушения плотины, что повышает общественную безопасность. Она также исключает первоначальные затраты на проектирование, строительство и обслуживание плотины, снижает экологические осложнения и потенциально упрощает нормативные вопросы, установленные в законодательстве специально для смягчения проблем с плотинами.
В целом, основной экологической проблемой гидроэнергетических установок является их фактический и предполагаемый риск для водной флоры и фауны. Утверждается, что GHT вращается достаточно медленно, чтобы рыбы могли заметить его достаточно быстро и проплыть вокруг него. [9] [10] По предварительным испытаниям в 2001 году было заявлено, что если рыба проплывет между медленно движущимися лопастями турбины, она не пострадает. Кроме того, рыбе будет сложно застрять или застрять в турбине, потому что открытые пространства между лопастями больше, чем даже самая большая рыба, живущая в небольшой реке. Рыба также не будет кувыркаться в водовороте , потому что GHT не создает большой турбулентности, поэтому мелкие предметы будут безвредно унесены течением.
В этом примере направление потока жидкости — влево.
Поскольку турбина вращается, в данном случае по часовой стрелке, движение фольги через жидкость изменяет кажущуюся скорость и угол атаки (скорость и направление) жидкости относительно системы отсчета фольги. Совместный эффект этих двух компонентов потока (т. е. векторная сумма) дает чистую общую «кажущуюся скорость потока», как показано на следующем рисунке.
Действие этого кажущегося потока на каждую секцию крыла создает как подъемную силу , так и силу сопротивления , сумма которых показана на рисунке выше под названием «Векторы чистой силы». Каждый из этих векторов чистой силы можно разделить на два ортогональных вектора: радиальный компонент и тангенциальный компонент, показанные здесь как «Нормальная сила» и «Аксиальная сила» соответственно. Нормальным силам противостоит жесткость конструкции турбины, и они не передают турбине никакой вращательной силы или энергии. Оставшийся компонент силы движет турбину по часовой стрелке, и именно из этого крутящего момента можно извлечь энергию.
[Что касается рисунка «Кажущаяся скорость потока...», Lucid Energy Technologies, владелец патента на Горловскую винтовую турбину, отмечает, что эта диаграмма, без кажущейся скорости при азимутальном угле 180 градусов (лопасть в точке вращения, где она мгновенно движется в направлении вниз по потоку), может быть неправильно истолкована. Это связано с тем, что нулевая кажущаяся скорость потока может возникнуть только при коэффициенте скорости конца лопасти, равном единице (т. е. TSR=1, где ток, вызванный вращением, равен току). GHT обычно работает при TSR, существенно большем единицы.]
(Диаграммы «Векторы чистой силы» и «Векторы нормальной силы» частично неверны. Сегменты по ветру должны показывать векторы за пределами кругов. В противном случае не было бы чистой боковой нагрузки на турбину.) M Koester 2015.
Винтовые турбины в потоке воды генерируют механическую мощность независимо от направления потока воды. Затем электрогенераторы, собранные на общем валу, преобразуют мощность в электричество для коммерческого использования.