ГИДРОТУРБИНА ДЛЯ РУСЛОВОЙ ГЭС Российский патент 1999 года по МПК F03B17/06 F03B7/00 

Изобретение относится к области экологически чистой энергетики и может быть использовано в русловых гидроэлектростанциях (ГЭС).

Известны гидротурбины для русловых ГЭС, к примеру: "Гидротурбина Рождественского", "Гирляндская гидротурбина Блинова", "Вингроторы" и др. (см. ж. "Изобретатель и рационализатор", 1970-1973).

Такие гидротурбины маломощны и имеют низкий КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой гидротурбине является Патент СССР N 1174 от 7.06 1924 г. на ветродвигатель, содержащий, установленный в опоре с возможностью свободного вращения, вал; прямоугольные лопасти, установленные на равном расстоянии от вала, с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала. Такое устройство является довольно громоздким и обладает малым КПД.

Целью данного изобретения является повышение эффективности и КПД и использование его в качестве гидротурбины для русловой ГЭС.

Поставленная цель достигается тем, что гидротурбина состоит из двух противостоящих лопастей, ширина каждой из них равна удвоенному расстоянию от оси их вращения до кромки вала, который расположен горизонтально на передней и задней опорах; причем лопасти кинематически связаны с валом так, что плоскость лопасти, находящейся над валом, имеет возможность совпадать с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена гидротурбина и русловая ГЭС в целом; на фиг. 2 - разрез А-А; на фиг. 3 - разрез А-А, повернутый на 90^o; на фиг. 4 - разрез Б-Б.

Гидротурбина состоит из горизонтально расположенного вала 1, установленного на передней 2 и задней 3 опорах, которые закреплены на корпусе 4 (фиг. 1). Две прямоугольные плоские лопасти 5 удобообтекаемого профиля установлены своими полуосями 6 и 7 на концах водил 8 и 9, закрепленных на валу. Ширина d лопасти равна удвоенному расстоянию d' от кромки вала до оси вращения лопасти, т.е. d=2d'. Это позволяет получить максимальную площадь рабочей поверхности лопасти (фиг. 4). Лопасти связаны с приводным механизмом, состоящим из цилиндрических шестерен: ведущей 10, закрепленной на корпусе 4 неподвижно, двух ведомых 11, закрепленных на полуосях 6, и двух промежуточных 12, сидящих на осях 13, которые закреплены на водилах 8. Шестерни 12 связывают кинематически ведомые шестерни с ведущей. Число зубьев шестерни 11 в два раза больше чем у шестерни 10. Лопасти выставлены таким образом, что над валом их плоскости совпадают с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала (фиг. 2). Корпус 4 гидротурбины соединен со зданием 14 русловой ГЭС, в котором могут быть расположены: электрогенератор 15, мультипликатор 16 и другое оборудование. Вал гидротурбины, полностью погруженной в воду, соединен с электрогенератором через муфту 17 и мультипликатор. Выработанная электроэнергия доставляется к потребителю по проводам ЛЭП, имеющей опоры 18 (фиг. 1). Угол между плоскостями лопастей составляет 90^o.

Гидротурбина работает следующим образом.

Под воздействием течения реки на лопасти, как показано стрелками (фиг. 2 и 3), гидротурбина, расположенная перпендикулярно течению, будет вращаться, вращая через приводной механизм лопасти с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную валу. Это придает лопастям свойство парусности, благодаря которому они воспринимают и передают на вал энергию течения во всех точках окружности с радиусом R (фиг. 2 и 3), кроме точки "K", в которой лопасти принимают положение параллельное течению, оказывая незначительное сопротивление вращению ввиду удобообтекаемого профиля. Для определения мощности на валу гидротурбины составлен график изменения мощности, передаваемой лопастями на вал за один оборот гидротурбины. В начале оборота, когда лопасть перпендикулярна течению (фиг. 2, точка "H"), она воспринимает и передает на вал всю энергию прямого удара водяного потока сечением, равным рабочей площади лопасти, т.е. максимальную мощность N_м, равную
кВт,
где C - коэффициент передачи мощности лопастью на вал (теоретически он равен C = sin²α , где α - угол поворота лопасти к течению); γ - объемный вес воды в кг/м³; F - рабочая площадь лопасти в м²; v - скорость течения в м/сек; g = 9,81.

Когда лопасть перпендикулярна течению коэф. C=1. Под другими углами лопасти к течению коэф. C уменьшается и при повороте гидротурбины на 180^oC коэф. C= 0 (фиг. 2 и 3, точка "K"). Пропорционально коэф. C изменяется и мощность, передаваемая лопастью на вал. Кривая 1 показывает (см. график) изменение мощности, передаваемой на вал одной лопастью за один оборот гидротурбины. Кривая 2 показывает изменение мощности, передаваемой на вал другой лопастью. Суммарная мощность, передаваемая на вал двумя лопастями (см. график) за один оборот гидротурбины, является постоянной мощностью N на валу гидротурбины, т.е.

кВт.

Потеря мощности на вращение лопастей здесь будет незначительной и в расчет не берется, т.к. при вращении гидротурбины лопасти способны сами вращаться вокруг своей оси в желаемую сторону под воздействием окружающей их водной среды. Число оборотов вала под нагрузкой равно:
об/сек.

При определении КПД данной гидротурбины нужно учесть, что площадь наибольшего сечения гидротурбины, перпендикулярного течению (миделево сечение), равна 1,5 площади лопасти (см. выше), без учета площади продольного сечения вала и водил. Но данная гидротурбина полностью улавливает энергию водяного потока сечением, равным площади лопасти. Тогда отношение площади лопасти к площади миделевого сечения гидротурбины дает КПД, т.е. 1/1,5=0,666... Округляя данное число с учетом площади продольного сечения вала и водил, получим КПД не менее 0,62. При использовании в данной гидротурбине трех подобных лопастей ее КПД можно повысить до 0,8.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что лопасти обладают свойством парусности и имеют максимальную площадь рабочей поверхности, достигаемую максимальной шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти.

Преимуществом предлагаемой конструкции является простота устройства и повышенный КПД.

Гидротурбина предназначена для преобразования энергии русловых потоков, например, в электрическую энергию. Гидротурбина содержит установленный на двух опорах горизонтальный вал и две противостоящие прямоугольные лопасти. Последние размещены на равном расстоянии от вала с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей, параллельных валу, с угловой скоростью в два раза меньшей угловой скорости вращения вала и в сторону, противоположную его вращению. Ширина каждой лопасти равна удвоенному расстоянию от оси их вращения до кромки вала. Плоскость лопасти, находящейся над валом, совпадает с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала. Угол между плоскостями лопастей составляет 90^o. Конструкция гидротурбины позволяет повысить КПД преобразования. 4 ил.

Гидротурбина для русловой гидроэлектростанции, содержащая установленный в опоре с возможностью свободного вращения вал, прямоугольные лопасти, размещенные на равном расстоянии от вала с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей, параллельных валу, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала, отличающаяся тем, что гидротурбина состоит из двух противостоящих лопастей, ширина каждой из которых равна удвоенному расстоянию от оси их вращения до кромки вала, расположенного горизонтально на передней и задней опорах, причем лопасти кинематически связаны с валом так, что плоскости лопасти, находящейся над валом, имеет возможность совпадать с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала, а угол между плоскостями лопастей составляет 90^o.