ГИДРОСИЛОВАЯ ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к области гидросиловых турбинных установок применительно к бурным потокам рек со значительным естественным уклоном русла.

Известна гидросиловая турбинная установка (см. патент СССР 10441, МПК7 F 03 В 13/00, 31.07.1929 г.), действие которой состоит в том, что вода, протекающая по суживающемуся коридору, образуемому вертикальными стенками, вступая в спиральную камеру, производит воронкообразный водоворот, поднимаясь выше уровня реки, тем приводит во вращение поставленную здесь турбину.

При этом: 1) вода, поднимаясь выше уровня реки, теряет часть кинетической энергии, следовательно, площадь поперечного сечения потока через турбину не может уменьшаться, что, в свою очередь, не позволяет уменьшить вес и габаритные размеры рабочих поверхностей турбины; 2) с гидродинамической точки зрения не полностью реализуется энергетический потенциал потока, а реализуется только количество движения массы воды потока, а не момент количества его движения, т.к. спиральная камера с турбиной над ней практически размещены в створе сужающегося коридора с незначительным смещением на некоторую долю радиуса воронкообразного водоворота; 3) рабочие части турбины подвергаются абразивному износу от взвеси, находящейся в речном потоке, т.к. не предусмотрено ее отделение перед турбиной.

Задачами предлагаемого изобретения являются:
1) полное использование потенциальных гидродинамических энергетических возможностей единичной массы (или каждого кубического метра) воды, протекающей через турбину;
2) обеспечение наименьших размеров рабочих поверхностей турбины при конкретном произвольно заданном расходе воды;
3) обеспечение наибольшей абразивной износостойкости рабочих поверхностей турбины.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что установка содержит криволинейный сужающийся желоб для подвода речного потока воды к цилиндру, внутри которого помещена турбина с выходным валом, желоб выполнен П-образным, повернутым на 90^o так, что внешняя вертикальная стенка его расположена между горизонтальными полками, а цилиндр расположен вне русла реки.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 схематически изображена гидросиловая турбинная установка; на фиг.2 - вид на нее сверху; на фиг.3 - сечение К-К фиг.2; а на фиг.4 - сечение А-А фиг.2.

Гидросиловая турбинная установка состоит из турбины 1 с вертикальным выходным валом 4, которая помещена в расположенный вне русла реки цилиндр 3, криволинейного П-образного сужающегося желоба 2 для подвода речного потока к цилиндру 3. Сечение желоба 2 поворачивается вокруг своей оси на 90^o. На боковой поверхности цилиндра 3 выполнена вертикальная щель 5. Имеется наклонный участок русла с твердой П-образной поверхностью 6 и опоры 7, поддерживающие криволинейный П-образный желоб 2 в горизонтальной плоскости, возвратное русло 8, необходимый перепад уровня для сброса воды из турбины 1, сброс воды 10 из турбины 1, валуны 11.

Действие гидросиловой установки и решение поставленных задач осуществляется следующим образом.

На участке 6 наклонного русла с гладкой и твердой поверхностью скорость потока воды увеличивается, т.к.

V_o=C_oVR_oi_o (см. уравнение VI.2, с. 125. Гидравлика. А.Н. Богомолов, К.А. Михайлов. Москва, 1972 г. ), где V_o - скорость равномерного течения, R_o - гидравлический радиус русла, i_o - уклон русла, С_о - коэффициент Шези.

Коэффициент Шези С_о непосредственно зависит в обратной пропорциональности от коэффициента шероховатости "n" (см. VI. 11 и др. в п. 48, с. 125 в указанной книге).

Коэффициент шероховатости n для валунных русел (см. табл. Х2, категория VII, с. 191, там же) равен 0,1.

Коэффициент шероховатости n для гладких твердых покрытий (см. табл. VI. 1, с. 127, там же) равен 0,013, что более, чем в 7 раз меньше по сравнению с коэффициентом для валунных русел. Следовательно, замена поверхности русла с валунного на твердую гладкую приведет к увеличению скорости потока в таком же соотношении, т. е. до 7 раз при прочих равных условиях. При неизменном расходе воды в русле площадь поперечного сечения потока уменьшится в обратной пропорции увеличению скорости.

Мощность единичной массы расхода воды 1 т или 1 м² (при постоянной плотности) в кубической зависимости от средней по сечению скорости потока (см. уравнение 11.80, с. 79, там же).

Э_ср.ск.=0,5рV₃w; где Э_ср.ск. - энергия, р - плотность, V - скорость, w - площадь поперечного сечения потока.

Например: увеличение скорости потока с 2 м/с до 6 м/с и соответствующее уменьшение его поперечного сечения в 3 раза приведет к увеличению мощности одной и той же массы воды в 9 раз. Далее поток воды с наклонного участка русла с твердой поверхностью 6 (см. фиг.1) входит в криволинейный П-образный желоб 2 с начальным радиусом кривизны R, величина которого зависит от скорости потока на входе в желоб 2 (см. фиг.2).

Величина R определяется из условия прижатия потока к вертикальной стенке желоба (см. фиг. 2, 4, сеч. А-А) под действием центробежных сил, вызванных центробежным ускорением V₂/R; где V - скорость потока, R - расстояние цилиндра 3 от потока реки, величина R определяется из соотношения g=V₂/R, где g - ускорение свободного падения (см. п. 122, с. 236. Элементарный учебник физики, том 1. Под редакцией академика Г.С. Лансберга. 1985 г.), т.е. для того, чтобы вода не выливалась из П-образного криволинейного сужающегося желоба, величина R должна быть меньше или равна V₂/g.

Кривизна желоба по внутренней поверхности вертикальной стенки плавно уменьшается с R до радиуса цилиндра 3 по внутренней его поверхности (плавное уменьшение кривизны может быть построено по локально обведенным точкам или по закону спирали Архимеда по угловому шагу поворота радиуса вектора и его уменьшения). В процессе движения воды вдоль желоба с уменьшением радиуса его вокруг оси турбины происходит увеличение скорости частиц воды, в том числе внутри цилиндра 3. Это увеличение скорости частиц воды при их движении от R до r происходит в соответствии с законом постоянства момента количества движения тел вокруг неподвижной точки под действием центральной силы, при этом роль центральной силы играет реакция вертикальной стенки желоба центробежным силам потока воды (см. п. 27, п. 28, с. 55, 56. Краткий справочник по физике. Н.И. Корякин, К.Н. Быстров, П.С. Киреев. 1969 г.). Увеличение скорости потока в R/r раз приводит к соответствующему уменьшению площади поперечного сечения потока и увеличению его мощности.

Из-за значительной разницы между плотностью воды и плотностью твердой взвеси под действием центробежных сил взвесь выносится из полости цилиндра 3 через вертикальную щель в его стенке.

Таким образом, перечисленные конструктивные факторы предлагаемой гидросиловой турбинной установки позволяют преобразовать теоретический энергетический потенциал потока воды в валунном русле с уклоном в крутящий момент вертикального вала 4 турбины 1, в соответствии с известными законами кинематики и динамики движения жидкости, обеспечивая при этом наименьшую необходимость в площади рабочих поверхностей турбины и их работу без абразивного износа от взвеси.

Турбинная установка предназначена для преобразования энергии речного потока в механическую энергию вращения вала турбины. Установка содержит криволинейный сужающийся желоб для подвода воды к цилиндру, внутри которого помещена турбина с выходным валом. Желоб выполнен П-образным, повернутым на 90^o так, что внешняя вертикальная стенка его расположена между горизонтальными полками, а цилиндр расположен вне русла реки. Конструкция установки позволяет обеспечить работу турбины без абразивного износа от взвеси. 4 ил.

Турбинная установка, содержащая криволинейный сужающийся желоб для подвода речного потока воды к цилиндру, внутри которого помещена турбина с выходным валом, отличающаяся тем, что желоб выполнен П-образным, повернутым на 90^o так, что внешняя вертикальная стенка его расположена между горизонтальными полками, а цилиндр расположен вне русла реки.