ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1999 года по МПК F03B13/00 F03B7/00 

Предложение относится к гидроэнергетике.

Известна гидросиловая установка с последовательно установленными по направлению потока рабочими колесами с радиальными лопастями (SU, авторское свидетельство, 28158, кл. F 03 В 13/00, 1929).

Известная установка за счет конструкции своих колес не позволяет более полно использовать энергию потока.

Наиболее близким аналогом является гидроагрегат, содержащий водозаборный узел, подводящий водовод и по меньшей мере одну гидравлическую турбину с лопастным рабочим колесом (SU, авторское свидетельство 1728522 A1, кл. F 03 В 13/08).

Известный гидроагрегат имеет сложную конструкцию за счет узлов, обеспечивающих центрирование и устойчивость при работе гидравлической турбины. Кроме того, конструкция лопастей не позволяет более эффективно использовать энергию потока.

Задачей предложения является повышение мощности гидравлической турбины за счет более эффективного использования энергии потока.

Техническое решение поставленной задачи заключается в том, что рабочее колесо гидравлической турбины имеет форму катушечного барабана, а каждая лопасть выполнена составной из боковых фокусирующих пластин, образующих центральный канал, и центральной реактивной пластины, причем пластины закреплены на дисках барабана и образуют оптически непрозрачную систему.

Центральный канал образован кромками боковых фокусирующих пластин, а центральная реактивная пластина установлена с зазором по отношению к фокусирующим пластинам симметрично по оси центрального канала с образованием периферийных каналов.

Площадь проходного сечения центрального канала выполнена не больше суммарной площади проходных сечений периферийных каналов.

Кроме того, боковые фокусирующие пластины установлены под углом к поверхности диска барабана с образованием конфузора по направлению потока. А центральная реактивная пластина может быть выполнена либо вогнутой навстречу потоку, либо П-образной с расположением полок навстречу потоку.

Фокусирующие пластины могут быть выполнены с устройством поворота для регулирования угла между пластиной и поверхностью диска барабана. Регулирование может осуществляться любым известным способом и устройством и в данных материалах не рассматривается.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схематично гидроэлектростанция, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг. 3 - рабочее колесо гидротурбины в разрезе; на фиг.4 - схема работы составной лопасти в гидравлическом потоке; на фиг.5 - вариант выполнения составной лопасти с прямыми пластинами; на фиг.6 - то же, но с расположением фокусирующих пластин под углом и выполнением реактивной пластины вогнутой; на фиг.7 - вариант выполнения реактивной пластины П-образной формы.

Гидроэлектростанция содержит водозаборный узел 1, подводящий водовод 2, проходящий через последовательно расположенный ряд гидротурбин 3, ось вращения которых находится под прямым углом к оси гидравлического потока 4. Гидротурбины 3 герметично сочленены с подводящим водоводом 2, а рабочие колеса их выполнены в форме катушечных барабанов 5, снабженных составными лопастями, каждая из которых состоит из боковых фокусирующих пластин 6 и центральной пластины 7.

Боковые фокусирующие пластины 6 своими кромками образуют центральный канал. Реактивная пластина установлена с зазором 9 по отношению к фокусирующим пластинам 6 и образует периферийные каналы 10, суммарная площадь проходных сечений которых выполняется не меньше площади проходного сечения центрального канала.

Боковые фокусирующие пластины 6 могут быть расположены под углом.

При выполнении фокусирующих пластин 6 под углом к поверхности дисков 11 пластины 6 образуют по направлению потока конфузор.

Центральная реактивная пластина 7 может иметь различную конфигурацию в зависимости от выполнения фокусирующих пластин 6. Пластины 7 могут быть выполнены прямыми, либо вогнутыми навстречу потоку (фиг.6), либо имеют П-образную форму с расположением полок навстречу потоку.

Выполнение лопастей рабочего колеса составными позволяет более эффективно использовать энергию потока за счет использования энергии гидроудара, возникающего при перекрытии потока лопастью рабочего колеса. При этом мощность и продолжительность гидравлического удара составляет гидродинамическую характеристику гидротурбин, которая регулируется конфигурацией и конструктивными параметрами составных лопастей, при этом конфигурация составных лопастей формируется взаимным расположением фокусирующих пластин 6 и реактивных пластин 7, конструктивные параметры - линейными размерами самих пластин 6, 7, а расстояние от водозаборного узла 1 до первой гидротурбины 3 и осями последующих гидротурбин 3 рассчитываются из условия оптимизации гидродинамических характеристик всех гидротурбин 3, при одновременной их работе.

Гидроэлектростанция работает следующим образом. Из водозаборного узла 1 гидравлический поток 4 поступает в подводящий водовод 2 и далее проходит через последовательно расположенный ряд гидротурбин 3, оси вращения которых находятся под прямым углом к оси гидравлического потока 4. При этом гидротурбины 3 герметично сочленены с подводящим водоводом 2. Выполнение рабочих колес в форме катушечных барабанов 5 с составными лопастями обеспечивает работу гидротурбины 3 в комбинированном реактивно-активном режиме. Это происходит вследствие того, что составные лопасти подвергаются кратковременному гидравлическому удару в максимально эффективной рабочей точке. Каждая составная лопасть, состоящая из боковых фокусирующих пластин 6 и реактивной пластины 7, в максимально эффективной рабочей точке перекрывая гидравлический поток 4, не разрывает его, а пропускает через центральный канал 8 и периферийные каналы 10, воспринимая на себя энергию возникающего при этом кратковременного гидравлического удара. Мощность N_гу и продолжительность t_гу гидравлического удара составляют гидродинамическую характеристику гидротурбин 3, которая регулируется конфигурацией и конструктивными параметрами составных лопастей.

Дойдя до составных лопастей турбины 3, гидравлический поток 4 сначала взаимодействует с фокусирующими пластинами 6, вследствие чего происходит фокусирование гидравлического потока 4 за счет передачи части кинетической энергии фокусирующим пластинам 6, которые выполняют роль лопастей реактивной турбины.

Соответственно этому изменяется эпюра распределения скоростей и энергетическая характеристика гидравлического потока.

Пройдя сквозь фокусирующие пластины 6, сфокусированный поток 4 встречает на своем пути реактивную пластину 7, которая полностью перекрывает его сечение, но оставляет свободные периферийные каналы 10 для перетекания сверху и снизу. Суммарная площадь сечения каналов 10 равна или не меньше площади сечения сфокусированного потока 4 (центрального канала).

При обтекании реактивной пластины 7 сфокусированный гидравлический поток 4 распадается на две перпендикулярные струи, что возможно только при полной кратковременной остановке сфокусированного гидравлического потока 4, вследствие чего наступает первая фаза гидравлического удара - остановки и создания ударного давления, которое передается на реактивную пластину 7. Это вызывает ее смещение по ходу движения сфокусированного гидравлического потока 4 и, соответственно, вращение гидравлической турбины.

После первой фазы гидравлического удара, согласно постулату Н.Е.Жуковского, должна наступить вторая фаза - фаза расширения. Но, начиная расширяться, гидравлический поток 4, дойдя до краев реактивной пластины 7, начинает ее обтекать. При этом составная лопасть рабочего колеса смещается по ходу движения, открывая тем самым проход гидравлическому потоку 4. Вследствие этого вторая фаза гидроудара гасится, а третья фаза вообще не наступает, что вызывает наступление четвертой фазы - восстановления движения до состояния, имевшегося перед закрытием, после чего физический процесс повторяется, вновь.

Предложенная конструкция гидроэлектростанции, имеющей рабочие колеса гидротурбины с составными лопастями, позволяет более эффективно использовать энергию потока, за счет чего повышается мощность гидротурбин и КПД.

Гидроэлектростанция используется для получения электрической энергии путем преобразования кинетической энергии потока. Рабочее колесо гидротурбины выполнено с составными радиальными лопастями. Лопасти закреплены на дисках катушечного барабана. Составные лопасти выполнены из боковых фокусирующих пластин и центральной реактивной пластины. Фокусирующие пластины образуют своими кромками центральный канал. Реактивная пластина установлена с зазором по отношению к фокусирующим пластинам и образует периферийные каналы. Реактивная пластина расположена перпендикулярно оси центрального канала. Фокусирующие пластины могут быть расположены под углом к дискам с образованием конфузора по направлению потока. Конфигурация реактивной пластины представлена в нескольких вариантах. Конструкция позволяет более эффективно использовать энергию потока за счет использования энергии гидроудара. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Гидроэлектростанция, содержащая водозаборный узел, подводящий водовод и по меньшей мере одну гидротурбину с лопастным рабочим колесом, отличающаяся тем, что рабочее колесо имеет форму катушечного барабана, а каждая лопасть выполнена составной из боковых фокусирующих пластин, образующих центральный канал, и центральной реактивной пластины, причем пластины закреплены на дисках барабана и образуют оптически непрозрачную систему. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что центральный канал образован кромками боковых фокусирующих пластин, а центральная реактивная пластина установлена с зазором по отношению к фиксирующим пластинам симметрично по оси центрального канала с образованием периферийных каналов. 3. Гидроэлектростанция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что площадь проходного сечения центрального канала выполнена не больше суммарной площади проходных сечений периферийных каналов. 4. Гидроэлектростанция по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что боковые фокусирующие пластины установлены под углом к поверхности диска барабана с образованием конфузора по направлению потока. 5. Гидроэлектростанция по п.4, отличающаяся тем, что боковые фокусирующие пластины снабжены устройством поворота для регулирования угла между пластиной и диском барабана. 6. Гидроэлектростанция по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что центральная реактивная пластина выполнена вогнутой навстречу потоку. 7. Гидроэлектростанция по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что центральная реактивная пластина выполнена навстречу потоку, П-образной, с расположением полок навстречу потоку.