РЕАКТИВНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА Российский патент 1999 года по МПК F03B7/00 

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в основном относится к реактивным гидротурбинам, используемым для преобразования энергии потока в механическую энергию вращения вала и в особенности к усовершенствованию формы лопастей таких турбин для эффективного снижения гидравлического сопротивления, действующего на лопасти турбины при их входе в воду и выходе из нее, с увеличением таким образом рабочего к.п.д. реактивных гидротурбин.

Уровень техники
В отличие от гравитационных водяных колес и активных гидротурбин реактивные турбины почти не используют гравитационный напор воды, а преобразуют энергию потока, например приливного или речного, в механическую энергию вращения вала. Реактивные гидротурбины монтируются таким образом, что нижняя часть рабочего колеса погружена в воду так, что рабочее колесо вращается в направлении течения с использованием энергии потока.

К.п.д. типовых гидротурбин может быть повышен благодаря увеличению вращающей силы вала или увеличению расхода воды, поступающей на лопасти. В этом случае вращающая сила вала может быть увеличена путем увеличения радиального расстояния между краем рабочего колеса и его валом, а количество воды, поступающей на лопасти, может быть увеличено путем увеличения площади вертикального пересечения каждой лопасти или путем увеличения ширины рабочего колеса. В типовых реактивных гидротурбинах лопасти радиально прикреплены к ободу колеса. Поэтому речной или приливной поток в нижней части находящегося в воде рабочего колеса пересекается с лопастями под прямым углом, так что энергия потока может эффективно воздействовать на лопасти. Однако энергия потока не воздействует на лопасти рабочего колеса там, где оно входит в воду или выходит из нее. Когда лопасти входят в воду или выходят из нее, они параллельны поверхности воды, так что на них действует высокое гидравлическое сопротивление. К сожалению, на гидравлическое сопротивление, действующее на лопасти, находящиеся в указанном выше положении, уходит часть эффективной гидравлической энергии, полученной лопастями, расположенными в нижней части рабочего колеса. Таким образом, типовые реактивные гидротурбины имеют пониженный рабочий к.п.д.

Сущность изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание такой реактивной гидравлической турбины, в которой указанные недостатки преодолены и в которой конструкция лопастей усовершенствована, так что лопасти выполнены с возможностью эффективного снижения гидравлического сопротивления, действующего на них при их входе в воду или выходе из нее, с увеличением таким образом рабочего к.п.д. реактивных гидротурбин.

Для достижения этой цели реактивная гидротурбина, выполненная в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения данного изобретения, содержит протяженный по длине герметичный цилиндр, который имеет по бокам противоположные боковые панели круговой формы, который снабжен дополнительной панелью круговой формы, установленной поперечно в средней части цилиндра, и отношение радиуса которого к радиусу каждой боковой панели составляет 4:5, а также лопасти, которые размещены с равномерными промежутками, которые прикреплены к внешней поверхности цилиндра в осевом направлении и каждая из которых имеет криволинейную внутреннюю поверхность в форме полукруга, заданного диаметром, равным разности радиусов каждой боковой панели и цилиндра, и внешнюю криволинейную поверхность обтекаемой формы, проходящую от конца каждой лопасти на описанной окружности каждой боковой панели до вписанной окружности цилиндра в пределах расстояния, равного шагу лопастей.

Краткое описание чертежей
Эта и другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, где
на фиг. 1 изображен вид в аксонометрической проекции реактивной гидротурбины, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения;
на фиг. 2 изображен поперечный разрез реактивной гидротурбины, представленной на фиг. 1; и
на фиг. 3 изображен поперечный разрез, иллюстрирующий работу реактивной гидротурбины, представленной на фиг. 1.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
На фиг. 1-3 изображена предлагаемая реактивная гидротурбина в предпочтительном варианте выполнения. Как и описанная известная турбина, предлагаемая реактивная гидротурбина также используется для преобразования энергии текущего потока, например приливного или речного, в механическую энергию вращения вала.

Как представлено на фиг. 1-3, реактивная гидротурбина 1 содержит протяженный по длине герметичный цилиндр 1а, имеющий по бокам круговые боковые панели 1'. В средней части цилиндра 1a поперечно установлена круговая панель 1'', так что все три панели 1' и 1'' параллельны друг другу. Соотношение радиуса CP цилиндра 1a указанной турбины 1 и радиуса CA каждой боковой панели 1' предпочтительно составляет 4:5 - 4:6. К внешней поверхности цилиндра 1a прикреплены в осевом направлении лопасти 2, размещенные с правильными промежутками. Поперечное сечение взаимодействующей с водой или внутренней поверхности 3 каждой лопасти 2 имеет форму полукруга, заданного диаметром PA, равным разности радиусов CA каждой боковой панели 1' и CP цилиндра 1a. Внешняя поверхность 3' каждой лопасти 2 выполнена обтекаемой и проходит по кривой от конца лопасти 2, расположенного на описанной окружности A боковой панели 1', до вписанной окружности B цилиндра 1a в пределах расстояния PP', равного шагу лопастей 2.

На чертежах представлены вал 4 турбины, подшипник 5 вала, опорная стойка 6, балансировочный груз 7, трос 7', протянутый от груза к подшипнику, направляющая стойка 8 для направления груза, плавучее основание 9, якорь 10, якорный трос 11.

Результат, достигаемый при работе указанной реактивной гидротурбины, описан ниже.

Как изображено на фиг. 3, турбина 1 установлена над плавучим основанием 9 путем установки вала 4 турбины 1 на подшипниках 5, удерживаемых опорными стойками 6. Глубина погружения турбины 1 в воду может регулироваться в зависимости от уровня воды. Иными словами, турбина 1 с подшипниками 5 установлена с возможностью вертикального перемещения по отношению к стойкам 6 основания 9 при изменении веса грузов 7. Основание 9 удерживается якорями 10 на тросах 11, сброшенными в воду с основания 9 и предотвращающими таким образом перемещение основания 9. В описанном положении турбина 1 вращается под воздействием потока воды струи, преобразуя энергию потока в механическую энергию вращения вала 4. Как описано выше, внутренняя поверхность 3 каждой лопасти 2 имеет форму полукруга, тогда как внешняя ее поверхность 3' выполнена криволинейной и обтекаемой. Благодаря описанному выполнению поверхностей 3 и 3' каждой лопасти 2 последняя в месте RW плавно погружается в воду нижней частью внешней поверхности 3', которая входит в воду раньше, чем верхняя часть этой поверхности. Поэтому при погружении лопастей 2 в воду в месте RW гидравлическое сопротивление, действующее на их внешнюю поверхность 3', пренебрежимо мало. С другой стороны, при выходе лопастей 2 из воды в месте LW их внутренняя поверхность 3 направлена вниз, и нижняя часть внешней поверхности 3' выходит из воды также раньше, чем верхняя ее часть. Поэтому при выходе лопастей 2 из воды в месте LW гидравлическое сопротивление, действующее на них, также пренебрежимо мало.

В добавление к вышесказанному, цилиндр 1a турбины 1 выполнен герметичным, поэтому вода не поступает в него при вращении турбины 1 под воздействием потока. Таким образом, на турбину 1 не действует гидравлическое сопротивление, вызванное поступлением воды во внутреннюю полость цилиндра 1а. В нижней части турбины 1, находящейся в воде, внутренняя поверхность 3 каждой лопасти 2 пересекается с потоком под прямым углом, так что энергия потока эффективно концентрируется на криволинейной внутренней поверхности 3, в результате чего вращающая сила турбины 1 увеличивается.

Как описано выше, настоящее изобретение предлагает реактивную гидротурбину усовершенствованной конструкции, предпочтительно используемую для преобразования энергии потока, например, приливного или речного, в механическую энергию вращения вала. Лопасти указанной турбины имеют специальную конфигурацию, способствующую не только уменьшению гидравлического сопротивления, действующего на лопасти, но и концентрации энергии потока на лопастях. Более конкретно, внутренняя поверхность каждой лопасти имеет участок в форме полукруга, направленного вверх при погружении лопастей в воду и вниз при их выходе из нее. Внешняя поверхность каждой лопасти имеет обтекаемый участок, который плавно входит в воду или выходит из нее, при этом почти не испытывая воздействия гидравлического сопротивления при входе лопастей в воду или их выходе из нее. Между тем, в нижней части турбины, находящейся в воде, энергия падающей струи эффективно концентрируется на криволинейной внутренней поверхности каждой лопасти. Пренебрежимо малое гидравлическое сопротивление, действующее на лопасти, не влияет на энергию, получаемую лопастями высокий рабочий к.п.д. и предпочтительно используется в качестве эффективного источника энергии. Другим преимуществом указанной турбины является то, что конструкционная прочность ее лопастей выше прочности известных лопастей, так что расчетный срок службы турбины значительно продлен.

Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения описаны выше для примера, однако для специалистов очевидно, что возможны различные модификации, добавления и замены, в пределах объема изобретения, как описано в прилагаемой формуле изобретения.

Турбина предназначена для преобразования энергии потока в механическую энергию вращения вала. Лопасти турбины имеют специальную конфигурацию, способствующую не только снижению гидравлического сопротивления, но и концентрации на них энергии потока. Внутренняя поверхность каждой лопасти имеет полукруглый криволинейный участок, а внешняя ее поверхность имеет обтекаемый участок, плавно входящий в воду и выходящий из нее, почти не испытывая гидравлического сопротивления. В нижней части турбины энергия потока эффективно концентрируется на криволинейной внутренней поверхности каждой лопасти, что позволяет повысить КПД. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Реактивная гидравлическая турбина, содержащая протяженный по длине цилиндр, выполненный герметичным и имеющий радиус, среднюю часть, два конца и внешнюю и внутреннюю поверхности, две боковые панели круговой формы, каждая из которых прикреплена к соответствующему концу цилиндра и радиус каждой из которых больше радиуса цилиндра, и лопасти, размещенные с равномерными промежутками и прикрепленные к внешней поверхности цилиндра, при этом каждая лопасть имеет внутреннюю криволинейную поверхность в форме полуцилиндра, заданного диаметром, равным разности радиуса боковых панелей и радиуса цилиндра, внешнюю криволинейную поверхность обтекаемой формы, проходящую от внутренней поверхности этой лопасти к внутренней поверхности следующей лопасти. 2. Реактивная гидравлическая турбина по п.1, в которой отношение радиуса цилиндра к радиусу боковой панели составляет 4:5 - 4:6. 3. Реактивная гидравлическая турбина по п.1, в которой цилиндр содержит дополнительную панель круговой формы, установленную поперечно в средней части цилиндра.