НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2016 года по МПК F03B13/10 F03B17/06 

Изобретение относится к области малой гидроэнергетики, а именно к погружным свободнопоточным микрогидроэлектростанциям горизонтального исполнения, и может найти применение в качестве устройства для увеличения скорости движения потока воды, направляемого на лопатки рабочего колеса гидротурбины.

Известен направляющий аппарат небольшой гидротурбины, состоящей из статорной секции, образующий аксиальный кольцевой канал. Канал снабжен фиксированными ребрами, которые придают потоку воды спиралеобразное движение, в результате чего поток воды падает на лопатки гидротурбины под оптимальным углом 90°. Недостатком конструкции направляющего аппарата является наличие расположенных в канале спирально направленных ребер, которые создают закручивание потока воды и вызывают удлинение канала, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и, следовательно, к снижению КПД гидротурбины и скорости потока воды (см. заявку US 46299004 (A). Micro-hydroelectric power plant. МПК F03B 13/08; F03B 15/14; (IPC 1-7)).

Известен направляющий аппарат, состоящий из внешнего и внутреннего корпусов и равномерно расположенных неподвижных направляющих, которые создают направленное движение потока воды на лопатки гидротурбины. Недостатком полезной модели является невозможность увеличения скорости потока воды в гидротурбине из-за параллельности стенок направляющего аппарата, из-за чего снижается мощность гидротурбины (см. патент РФ на полезную модель №81773 МПК F03B 13/10, опубл. в 2009 г.).

По технической сущности наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция направляющего аппарата, содержащего две соосно расположенные цилиндрические оболочки, жестко соединенные между собой продольно ориентированным ребрами. Продольно ориентированные ребра формируют направляющие каналы для подачи ускоренных потоков воды на лопатки рабочего колеса гидротурбины. Недостатком конструкции является недостаточное ускорение потока воды через направляющий аппарат вследствие постоянного сечения каналов (см. заявку РФ №2014118289. Микрогидроэлектростанция. МПК F03B 13/00).

Заявленное изобретение решает задачу создания конструкции направляющего аппарата, отличающегося возможностью повышения скорости протекания потока воды через его каналы и увеличения силового воздействия на лопатки рабочего колеса гидротурбины.

Это достигается тем, что в направляющем аппарате микрогидроэлектростанции, образованном совокупностью продольно ориентированных ребер, формирующих совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины и размещенных в кольцевом пространстве между наружной и внутренней оболочками базового корпуса агрегата, концентрически охватывающими мультипликатор и электрогенератор, причем на внутренней оболочке смонтирован обтекатель, согласно изобретению корпус, снабженный конфузором, выполнен в виде усеченного конуса, центральная полость которого образована внутренней цилиндрической оболочкой, направляющие каналы выполнены в виде секторов конуса с переменным поперечным сечением в направлении течения воды, основаниями конуса являются дуги окружностей наружной и внутренней оболочек, а боковыми сторонами - продольные ребра, высота которых уменьшается в сторону выхода потока воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины. Выходные участки направляющих каналов выполнены с плавным разворотом в сторону вращения рабочего колеса гидротурбины с образованием угла между направлениями оси колеса и оси канала в концевом его сечении.

Технический результат заключается в том, что предложенная конструкция направляющего аппарата имеет малые радиальные габариты, уменьшенную материалоемкость, достаточно технологична в изготовлении, удобна в техническом обслуживании.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дан продольный разрез направляющего аппарата, на фиг. 2 показано его входное сечение, на фиг. 3 - вид со стороны выхода канала, а на фиг. 4 - вид на концевой участок канала, где П-П - след срединной плоскости рабочего колеса гидротурбины.

Направляющий аппарат состоит из двух неподвижных соосных оболочек: наружной конусной 1 и внутренней цилиндрической 2, охватывающих блок мультипликатор - электрогенератор (на фиг. 1 не показан) и жестко связанных между собой продольно ориентированными ребрами 3, высота которых уменьшается по направлению течения потока воды. Ребра 3 образуют направляющие каналы 4, выполненные в виде секторов усеченного конуса с уменьшающимся поперечным сечением. Основаниями канала 4 являются дуги окружностей оболочек 1 и 2, а боковыми сторонами - радиальные отрезки ребер 3. С целью уменьшения гидравлического сопротивления движению воды внутренние поверхности каналов имеют антифрикционные покрытия.

На внутренней оболочке 2 установлен обтекатель 5, а к наружной оболочке присоединен конфузор 6. Водный поток через конфузор 6 поступает в каналы 4 направляющего аппарата. Во входном сечении каждого канала создается начальная скорость течения V₁. Дальнейшее увеличение скорости течения воды до значения V₂=k_vV₁, на выходе из канала происходит за счет уменьшения его площади поперечного сечения в направлении потока воды.

Коэффициент k_v - коэффициент увеличения скорости. Он равен отношению площади сечения F₁ на входе струи и площади сечения F₂ на выходе струи

k_v=F₁/F₂,

где D₁ и D₂ - внутренние диаметры наружной оболочки на входе в канал и выходе из него соответственно,

d - наружный диаметр внутренней оболочки,

n - число каналов,

Δ - толщина ребра.

При этом выходные участки каналов выполнены с плавным разворотом в сторону направления окружных скоростей рабочего колеса гидротурбины с образованием угла между направлениями оси колеса и оси канала в концевом его сечении.

Для оценки усилия Р, оказываемого вытекающей из канала струей на лопатку рабочего колеса гидротурбины, используют зависимость (см. статью «Проектирование гидромеханического преобразователя микрогидроэлектростанции для низкоскоростных водных источников», Промышленная энергетика, №2, 2015.):

где ρ - плотность воды,

β₁ - угол между направлениями оси рабочего колеса гидротурбины и оси канала в концевом его сечении,

β₂ - угол между направлением оси рабочего колеса гидротурбины и плоскостью его лопатки.

Окружная P_t и осевая P_o составляющие силы Р определяются зависимостями

P_t=Pcosβ₂, Р_о=Psinβ₂.

Предложенные зависимости позволяют оценивать параметры конструкции направляющего аппарата микрогидроэлектростанции для низкоскоростных водных источников.

Изобретение относится к области малой гидроэнергетики. Направляющий аппарат микрогидроэлектростанции образован совокупностью продольно ориентированных ребер, формирующих совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины и размещенных в кольцевом пространстве между наружной и внутренней оболочками базового корпуса агрегата, концентрически охватывающими мультипликатор и электрогенератор. На внутренней оболочке смонтирован обтекатель. Корпус, снабженный конфузором, выполнен в виде усеченного конуса, центральная полость которого образована внутренней цилиндрической оболочкой. Направляющие каналы выполнены в виде секторов конуса с переменным поперечным сечением в направлении течения воды. Основаниями конуса являются дуги окружностей наружной и внутренней оболочек, а боковыми сторонами - продольные ребра, высота которых уменьшается в сторону выхода потока воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины. Изобретение направлено на уменьшение радиальных габаритов и материалоемкости, на обеспечение технологичности в изготовлении и удобства в техническом обслуживании направляющего аппарата микрогидроэлектростанции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Направляющий аппарат микрогидроэлектростанции, образованный совокупностью продольно ориентированных ребер, формирующих совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины и размещенных в кольцевом пространстве между наружной и внутренней оболочками базового корпуса агрегата, концентрически охватывающими мультипликатор и электрогенератор, причем на внутренней оболочке смонтирован обтекатель, отличающийся тем, что корпус, снабженный конфузором, выполнен в виде усеченного конуса, центральная полость которого образована внутренней цилиндрической оболочкой, направляющие каналы выполнены в виде секторов конуса с переменным поперечным сечением в направлении течения воды, основаниями конуса являются дуги окружностей наружной и внутренней оболочек, а боковыми сторонами - продольные ребра, высота которых уменьшается в сторону выхода потока воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины.

2. Направляющий аппарат по п. 1, отличающийся тем, что выходные участки направляющих каналов выполнены с плавным разворотом в сторону вращения рабочего колеса гидротурбины с образованием угла между направлениями оси колеса и оси канала в концевом его сечении.