СВОБОДНОПОТОЧНАЯ ТУРБИНА Российский патент 1997 года по МПК F03B7/00 

Изобретение относится к гидротехническому оборудованию для преобразования энергии любого потока в другие виды энергии.

Преимущественная область использования это гидротурбина для получения электроэнергии на потоке с любым углом падения.

Наиболее близкими техничнсеими решениями к изобретению являются реактивные поворотнолопастные турбины пропеллерного типа различной модификации. Общими свойствами аналогов с изобретением являются
нахождение рабочего колеса полностью в воде;
наличие лопастей воспринимающих силу потока под определенным углом и передающих на вал турбины;
возможность необходимого разворот лопастей по отношению к потоку;
синхронное регулирование поворота лопастей;
вариабельность количества лопастей и их конфигурации в зависимости от требуемого режима работ турбины и гидродинамических характеристик потока.

В качестве прототипа изобретения может рассматриваться поворотнолопастная турбина (турбина В.Каплана). По конструктивному выполнению поворотнолопастные турбины не отличаются от пропеллерных, но у них в процессе работы лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей перпендикулярных оси вала. Поворот лопастей осуществляется сервомотором, расположенном обычно в втулке колеса, и системой механизмов, связанной зависимостью расхода потока проходящего через турбину и нагрузкой, поступающей на генератор мощности. Благодаря применяемому механизму поворота лопастей у этого типа турбины зона высоких КПД значительно расширяется, расход же холостого хода снижается (5-8% вместо 22-45% у пропеллерных).

К числу наиболее значимых недостатков прототипа относятся следующие:
втулка поворотного механизма снижает полезное сечение рабочего потока и уменьшает размеры лопастей;
поворотный механизм громоздок и сложен в обустройстве и эксплуатации;
хотя диапазон мощности высокого значения КПД в поворотнолопастных турбинах и расширяется в сравнении с пропеллерными, все же он остается ограниченным, причиной чему является малый угол установки лопасти (кривизна лопасти) ввиду отрицательной совокупности ряда характеристик ее вращательного движения и гидродинамических условий потока, свойственным пропеллерным турбинам;
двойная функция лопасти (как лопасти и рычага) снижает эффективность рычага и лопасти рычаг работает практически в полдлины, а значительная часть лопасти находится в менее выгодной зоне вращательного движения;
эффективность работы пропеллерной турбины обусловлена только напорным потоком, а его создание связано со сложными и дорогостоящими гидротехническими обустройствами;
лопасть-рычаг имеют конструктивную соподчиненную зависимость, поэтому лишены возможности варьирования оптимальным отношением площади лопасти и длины рычага;
ввиду жесткой зависимости кривизны и угла установки лопасти от технологического режима турбина лишена возможности в пользу КПД или мощности увеличивать свои габариты в радиальном или осевом направлениях.

Технической задачей изобретения является создание универсального типа турбины, которая бы
максимально устраняла недостатки прототипа;
работала в свободных горизонтальных и напорных потоках, независимо от угла их падения;
использовала энергетический ресурс потока без нарушения экологических, транспортных, рыбо-и водохозяйственных режимов рек;
имела высокий КПД в максимально широком диапазоне мощностей;
не имела ограничений габаритного развития в радиальном и осевом направлении.

Сущность изобретения заключается в том, что, разделяя конструктивно лопасть-рычаг прототипа на независимые составляющие в совокупности с применением поворотного механизма лопастей, турбина приобретает технологическую, конструктивную и функциональную совокупности принципиально новых качеств, выражающихся в следующем:
устраняется ряд принципиальных недостатков прототипа;
лопасть может независимо от рычага занимать по отношению к потоку угол от О до 90^o, иметь собственную ось, перпендикулярную рычагу и вращаться вокруг нее на 360^o, иметь максимально возможные размеры и конфигурацию, позволяемые габаритами естественного или организованного потока, иметь конструктивное и материальное разнообразие и исполнение, использоваться всей площадью в наиболее эффективной зоне рабочего колеса турбины, центром тяжести опираться на крайнюю точку, удаленную от центра колеса;
лопасть приобрела поступательно-вращательное движение, что позволило иметь ее установочный усредненный угол до 45 против 10^o у прототипа;
рычаг обладает конструктивной и технологической свободой, что позволяет вращающее усилие приложить на конце, иметь его размеры и материал исполнения независимо от лопасти, использовать его для других конструктивных и функциональных целей;
конструктивная простота поворотного механизма лопастей тем не менее обеспечивает высокую функциональную надежность их синхронного вращения, заключающуюся в том, что угол установки лопасти для каждой точки ее движения четко поддерживается в том положении, когда крутящее усилие от потока является максимальным.

На фиг. 1 изображена общая схема турбины, вид сбоку опорно-стоечный вариант; на фиг. 2 то же консольно-подвесной вариант; на фиг. 3 общая схема четырех лопастной турбины, вид сверху, горизонтальная проекция; на фиг. 4 - кинематическая схема фрагмента системы, иллюстрирующая идею поворотного механизма лопастей, как основной сути изобретения.

Примером конкретного выполнения изобретения могут служить фиг. 1-3, где изображается конструктивно-механическая схема, могущая быть универсальным основанием конструирования турбины с любым количеством лопастей, необходимых для конкретных технико-экономических условий.

Основным несущим элементом, обеспечивающим турбине функционально-механическую целостность, надежность эксплуатации и связь с вспомогательным инженерным оборудованием является корпус подвески 1, на который крепится плита 4 подвески и ведущая шестерня 5. В корпусе подвески с помощью подшипников 3 устанавливается силовой вал 2. С помощью фланца 7 к силовому валу крепится рычаг 9, на котором устанавливается ось 12 с ведомой шестеренкой 11 и лопастью 10, и механизм поворота лопастей: передающие шестерни 6 и передающий вал 8.

Работоспособность турбины возникает под действием потока на лопасти, структура в целом начинает вращаться. Синхронность вращения турбины и лопасти в зависимости от изменения скорости потока или мощности энергоустановки регулируется и поддерживается механизмом поворота лопастей, состоящего из ведущей 5, ведомой 11, передающих 6 шестерен и передаточного вала 8.

Изложенный выше пример не единичен в техническом решении, а является лишь иллюстрацией в возможности практического решения как идеи. На практике могут быть использованы и другие варианты как количества лопастей, так и типа поворотного механизма без нарушения основного замысла воплощения.

В приведенном примере термины рычаг или корпус подвески не следует понимать сугубо прямолинейно: им следует придавать широкий смысл, охватывающий возможные модификации и технические эквиваленты в зависимости от конкретной обстановки их выполнения.

Технико-экономическую и общественно-социальную эффективность изобретения в полной мере на данном этапе определить очень сложно; однако расчетные данные сравнительных анализов с аналогами, натурные испытания действующих моделей и другие исследовательские работы показывают, что изобретение превосходит существующие аналоги по основным экономическим параметрам более чем в два раза; неизученность некоторых явлений оставляет надежду на еще более высокие показатели.

Учитывая, что гидротурбина это базовая единица гидроэнергетического оборудования отрасли, которая поставляет значительную часть энергии народному хозяйству, а также все возрастающее значение экологических проблем, новый тип гидротурбины может стать альтернативным существующим.

Использование: в гидротехническом оборудовании, позволяющем преобразовать энергию свободного потока в другие виды энергии. Преимущественная область использования - это гидротурбина на свободном горизонтальном потоке для получения электроэнергии. Сущность изобретения: турбина погружена полностью в воду, соотношением габаритных размеров технологично вписывается в поперечный профиль реки и в работе участвуют все лопасти, причем движущиеся против течения, не оказывают сопротивления вращению и создают крутящее усилие, а в любой точке движения лопастей распредустройство четко их удерживает в том положении, при котором достигается максимальное крутящее усилие. 4 ил.

Свободнопоточная турбина, содержащая каркас с опорной пятой, в котором расположен выходной вал, рычаги и лопасти, каждая из которых имеет ось, связанную через зубчатую передачу с выходным валом, отличающаяся тем, что она снабжена ступицей, установленной коаксиально выходному валу, и рычагами по числу лопастей, один конец каждого рычага жестко закреплен на ступице, а другой шарнирно на оси лопасти, при этом между ведущей шестерней зубчатой передачи, закрепленной на оси лопасти, и ведомой шестерней, закрепленной на выходном валу, установлены передающие шестерни, закрепленные на концах передающего вала.