АКТИВНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2001 года по МПК F03B17/06 

Изобретение относится к бесплотинной гидроэнергетике и может быть применено в любом регионе России для получения электроэнергии от рек 1-6 порядка, используя в качестве энергоносителя скоростной напор свободного течения реки.

Скоростной напор свободного течения реки характеризуется изменчивостью как в пределах самой реки, так и во времени. Кроме того его энергетические возможности, даже на бурных перекатах рек, невелики, и конструкции турбин, в чью задачу входит перевод энергии свободного течения реки в механическое движение своего ротора, должны учитывать как изменчивость энергоносителя во времени и пространстве реки, так и его ограниченные возможности, т.е. турбины должны иметь высокий гидравлический КПД.

Из теории реактивных турбин известно, что их гидравлический коэффициент полезного действия не может быть более 0,5, тогда как у активных, при определенных условиях, он может достигать единицы.

Из активных турбин наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Гидросиловая установка", а. св. N 28168 F 03 B 13/00, кл. 88.B.4/ автор: М.О.Филатов.

Гидроустановка по этому изобретению состоит из ряда спаренных водяных колес /активных турбин/, попарно установленных поперек течения реки. Каждая последующая пара колес, для более полного использования энергии течения реки, по мнению автора, должна вращаться в противоположную сторону. Колеса работают полностью погруженными в воду. Их вращение в одновекторном пространстве потока реки достигается разностью давлений потока на верхнюю и нижнюю часть колеса турбины, а это, в свою очередь, достигается тем, что каждая лопасть колеса выполнена в виде ковша с глухими станками, соединенными рамками, на которых шарнирно закреплены шторки, в одном положении потоком реки прижатыми к своим рамкам и образующими в этот момент глухое днище ковша, воспринимающее на себя давление потока реки, а в момент перехода рамок из рабочего в холостое движение открывающих днище для свободного прохождения через него потока реки.

Гидравлический КПД турбины по а.св. 28168 несомненно выше, чем у любой реактивной турбины, установленной в этот же поток реки, однако рамки ковша сами являются тормозом, при движении их против потока реки, а установка второго ряда колес непосредственно за первым рядом не даст ожидаемого эффекта. В момент закрытия днища ковша каждая уложенная в рамку шторка находится под углом к потоку, и он, ударяясь о с нее реактивной силой, возникающей на поверхности шторки, отбрасывается в зону холостого движения шторок, создавая в этой зоне вихри и пульсацию, резко уменьшающих скоростной напор, предназначенный второму ряду колес. Восстанавливается скоростной напор после прохождения колес первого ряда, на расстоянии 6-8 диаметров первого ряда колес, т.е. второй ряд колес по а.с. 28168 должен быть отодвинут от первого ряда на 8 диаметров колес, что делает установку громоздкой.

Цель изобретения - повышение гидротехнических характеристик активной турбины, работающей в свободном потоке реки.

Поставленная цель достигается тем, что турбина по предлагаемому изобретению, включающая рабочее колесо, закрытое сверху кожухом, выполненное в виде закрепленных в ряд на одном валу ковшей с глухими внешними образующими, смонтированное на подстилающей балке, днища которых набрано из шторок, открывающих или закрывающих днище самим потоком реки, отличающаяся тем, что каждая шторка шарнирно закреплена на внешних образующих ковша, а поворот которых вокруг своей оси ограничен с одной стороны упорами, закрепленными на внешних образующих ковша, с другой стороны - следующим рядом шторок, рабочая поверхность каждой шторки, на которую воздействует речной поток, выполнена выпуклой или вогнутой в поперечном сечении, оставаясь прямолинейной в продольном, кожух, закрывающий сверху рабочее колесо, закрывает его до половины колеса и совместно с подстилающей балкой и боковыми стенками, представляющими стационарное продолжение вращающихся крайних образующих всего ряда ковшей одного рабочего колеса, образуют перед рабочей зоной и за рабочей зоной колеса раструбы, причем первый по ходу потока выполнен расходящимся от колеса к периферии с суммарным углом расхождения его образующих, не превышающим 60^o, а второй - 20^o, подстилающая балка выполнена в виде рамы, в которой на коротких образующих закреплены стойки с подшипниками рабочего колеса турбины и проем которой в рабочей зоне колеса закрыт рядом поплавков, одним концом шарнирно закрепленных на внутренней продольной образующей рамы, а вторым прижатые, например, силой гидростатического давления, к упорам, закрепленным на подстилающей балке, причем верхние образующие поплавков выполнены под конфигурацию раструбов.

Таким образом, заявляемое решение имеет отличительные признаки от прототипа, следовательно, оно соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 показана предлагаемая турбина в трех проекциях. На фиг. 2 показан поперечный разрез турбины по сечению "А-А".

Турбина на фиг. 1 и фиг. 2 состоит из оси-1, подшипники которой закреплены в стойках-4. На оси жестко закреплены глухие внешние образующие ковшей-2. Стойки-4, в свою очередь, закреплены на подстилающей балке /раме/-3. Стойки-4, пантографом-5, соединены с плавучим основанием станции, а ось турбины-1 редуктором, например, цепным-11 с приводом генератора, размещенным на плавучем основании станции. С помощью грузовых скоб-6 и несущей балки-7 турбина подвешивается на мосту плавучего основания и при работе станции опускается в речной поток.

На глухих образующих ковшей-2 шарнирно закреплены шторки-8, которые при воздействии на них речного потока поворачиваются в своих осях и образуют дно ковша турбины, выполненное по конфигурации лопасти рабочего колеса. Поворот шторок на определенный угол ограничен упорами-17. Упоры-17 ограничивают поворот шторок не более чем на 90^o, предотвращая тем самым опрокидывание шторок при входе их в рабочую зону, в которой на них начинает воздействовать речной поток.

Верх турбины закрыт плотным кожухом-10, имеющим впереди подзор, направляющий речной поток в рабочую зону колеса. Кожух-10, в свою очередь, состоит из передней направляющей части-12 и задней части кожуха-16. Если передняя часть кожуха, совместно со стационарными частями внешних образующих турбины и подстилающей балки-3, образуют раструб, в задачу которого входит направлять и усилить речной поток в рабочей зоне колеса, то задняя часть кожуха, совместно со стационарными частями внешних образующих ковшей-2 и подстилающей балкой-3, образуют задний раструб, угол расхождения образующих которого от колеса к периферии подобран таким образом, что к мощности потока, передающегося турбине, прибавляется мощность от пресса атмосферного давления. Передняя направляющая часть кожуха-12 в боковых образующих имеет пазы, в которых перемещается щит-13, открывающий или полностью закрывающий речной поток в рабочей зоне турбины.

В реальном речном потоке могут быть твердые предметы, которые с потоком могут попасть в турбину. Для защиты колеса турбины от посторонних твердых предметов передний раструб турбины имеет решетку-19, выполненную в виде тонких пластин, развернутых ребром к потоку. Для защиты задней части турбины в заднем раструбе установлены ребра-15. С тем чтобы прошедшие сквозь решетку твердые предметы не заклинили рабочее колесо, подстилающая балка выполнена в виде рамы, на внутренней задней части которой шарнирно закреплен ряд поплавков-14. Архимедова сила каждого поплавка определяет силу, с какой он прижимается к своим упорам, при опускании турбины в речной поток. При попадании твердого предмета между лопастью турбины и поплавком они отклоняются вниз и пропускают твердый предмет за турбину. Верхняя часть поплавков выполнена по конфигурации переднего и заднего раструбов. Это позволяет поплавкам, кроме защитной роли, выполнять роль раструбов. С тем чтобы была возможность варьировать мощностью турбины, при постоянной мощности потока реки, рабочее колесо выполнено из нескольких секций-18. Дополнительные секции-18 могут по мере необходимости присоединяться к рабочему колесу. Щит-13 связан с приводом подъема щита-20, установленного на плавучем основании станции. Поднимая или опуская щит, можно варьировать мощностью турбины в границах энергетических возможностей реки и турбины.

Работает турбина следующим образом.

Рабочее колесо-1 на пантографе-5 с плавучего основания станции опускается в речной поток. Передний раструб, состоящий из кокуха-10, передней направляющей-12 и подстилающей балки-3, направляет поток на шторки-8 ковшей рабочего колеса. Под воздействием потока шторки ложатся друг на друга, образуя лопасть турбины, та, в свою очередь, под действием потока реки, через цепной привод поворачивает вал редуктора и через него вал генератора, размещенных на плавучем основании станции.

Выходя из рабочей зоны турбины, шторки-8 под действием силы тяжести и потока поворачиваются в своих цапфах и становятся ребром к потоку, уменьшая тем самым энергии на сопротивление лопасти рабочего колеса в потоке. При выходе шторок в рабочую зону поток укладывает их на дно ковша и цикл повторяется.

Изобретение предназначено для использования в наплавных и стационарных гидроэлектростанциях для круглогодичного получения электроэнергии от свободного течения рек без строительства на них гидросооружений. Турбина представляет собой ковшовую турбину, ось которой вращается в подшипниках, закрепленных в стойках. Ковши турбины имеют глухие внешние образующие и дно, которое выполнено в виде изогнутой лопасти, набранной из отдельных шторок, ось симметрии которых не совпадает с продольной осью их симметрии, и упоров, ограничивающих поворот шторок на угол, не превышающий 90^o. При воздействии речного потока шторки ложатся друг на друга и образуют плотное дно ковша. Верх турбины закрыт до половины кожухом, имеющим спереди и сзади раструбы. Углы расхождения от центра к периферии составляют соответственно: переднего раструба - 60^o, заднего - 20^o. Разворот и укладку шторок на упоры осуществляет сам рабочий поток. Турбина с плавучим основанием станции соединена приводом и пантографом. Конструкция турбины позволяет обеспечить ее работу как в полупогруженном, так и в полностью погруженном состоянии. 2 ил.

Активная турбина, включающая рабочее колесо, закрытое сверху кожухом, выполненное в виде закрепленных в ряд на одном валу ковшей с глухими внешними образующими, смонтированное на подстилающей балке, днища которых выбраны из шторок, открывающих или закрывающих днище самим потоком реки, отличающаяся тем, что каждая шторка шарнирно закреплена на внешних образующих ковша и поворот которых вокруг своей оси ограничен с одной стороны упорами, закрепленными на внешних образующих ковша, с другой стороны - следующим рядом шторок, рабочая поверхность каждой шторки, на которую воздействует речной поток, выполнена выпуклой или вогнутой в поперечном сечении, оставаясь прямолинейной в продольном, кожух, закрывающий сверху рабочее колесо, закрывает его до половины колеса и совместно с подстилающей балкой и боковыми стенками, представляющими стационарное продолжение вращающихся крайних образующих всего ряда ковшей одного рабочего колеса, образуют перед рабочей зоной и за рабочей зоной колеса раструбы, причем первый по ходу потока раструб выполнен расходящимся от колеса к периферии с суммарным углом расхождения его образующих, не превышающим 60^o, а второй - 20^o, подстилающая балка выполнена в виде рамы, в которой на коротких образующих закреплены стойки с подшипниками рабочего колеса турбины и проем которой в рабочей зоне колеса закрыт рядом поплавков, одним концом шарнирно закрепленных на внутренней продольной образующей рамы, а вторым прижатых, например, силой гидростатического давления к упорам, закрепленным на подстилающей балке, причем верхние образующие поплавков выполнены под конфигурацию раструбов.