Вихревая гидротурбина Российский патент 2018 года по МПК F03B3/02 

Описание патента на изобретение RU2659837C1

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии на реках с большим перепадом уровня по руслу, а также на естественных либо искусственных водоемах, расположенных выше прилегающих окрестностей. Основными объектами для установки вихревых гидротурбин являются малые гидроэлектростанции и - в первую очередь - микро-ГЭС.

Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса, вместе взятых. (Научный журнал «Национальные приоритеты России» №1(1) 2009). Микро-ГЭС надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач. Наиболее перспективными в экономическом плане являются бесплотинные электростанции и, в частности, малые ГЭС с напорной подачей воды. Разработано много способов создания недорогих рукавных, деривационных мини- и микро-ГЭС с напорным водоводом. Однако, главный их компонент - гидроагрегат - даже при всей своей сложности не обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии водного потока.

Как известно, к.п.д. гидротурбины зависит от потерь энергии на преодоление сил трения при прохождении водоводов, направляющих аппаратов, обтекании лопастей турбины, при всякой турбулентности потока, где его кинетическая энергия частично преобразуется в теплоту, и, наконец, от потери энергии на удаление потока с его остаточной скоростью. По этим показателям все известные гидротурбины (и радиальные, и осевые, и радиально-осевые, в частности, вертикальная гидротурбина Френсис) далеки от совершенства.

Из всего многообразия турбин сложно подобрать аналоги заявляемой гидромашины. Можно назвать энергетическую установку для преобразования энергии текучей среды в механическую (патент WO 2014031038 А2), а также вихревую гидротурбину по патенту РФ №2424444, МКП F03B 13/00; F03B 3/00 (2006.01). Однако прототипом заявляемого устройства можно считать турбину ветротеплового преобразователя-накопителя (патент РФ №2623637, 2017 г.). Ее корпус и ротор, повернутые на 180° относительно горизонтальной оси, являются базовой конструкцией заявляемой вихревой гидротурбины. В ней только конфузор другого исполнения и отсутствует отходящий раструб. Зато появляется потребность в системе поддержания частоты вращения ротора, если он связан с электрогенератором. Естественно, сама конструкция такой турбины должна быть рассчитана на гидравлические параметры новой рабочей среды.

Задачей изобретения и было найти гидротурбину такой конструкции, которая в самом упрощенном виде имела бы минимальные потери энергии и стабильные обороты даже при резких перепадах нагрузки, могла бы работать в широком диапазоне параметров водного потока, позволила бы создать целый типоразмерный ряд (по мощности и частоте вращения), обладала бы пригодностью к использованию и надежностью работы в разных условиях и даже в самой труднодоступной местности.

Решением этой проблемы стала выявленная возможность использования ныне известной конструкции ветроустановки, но уже в другой области возобновляемой энергетики, а именно - в гидравлических электростанциях. В результате заявлена вихревая гидротурбина, имеющая конфузор, корпус и конусообразный ротор с желобчатыми лопастями, у которой - согласно изобретению - стенка корпуса в горизонтальном сечении имеет вид "спирали Архимеда" (около одного витка), нижний кольцеобразный фланец ротора расположен в проеме днища корпуса, а входной канал оснащен регулирующим затвором с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора.

Описание заявляемой гидротурбины поясняется общим видом в плане (с сечением над нижнем фланцем ротора) - фиг.1, и осевым разрезом по "А-А" - фиг.2.

Устройство турбины предельно простое: в корпусе 1, боковая стенка которого выполнена в виде неполного витка спирали Архимеда (r=aϕ, где: r - радиус в полярных координатах, ϕ - угол, a - постоянная), верхняя стенка закрытая, а нижняя - с круглым отверстием, установлен ротор 2, имеющий два фланца: верхний (меньший по диаметру) - сплошной - 3 и нижний (больший по диаметру) - кольцеобразный - 4 с расположенными между ними по кругу желобчатыми лопастями 5. К корпусу 1 (см. фиг. 1) примыкает конфузор 6, являющийся продолжением входного напорного канала 7.

Турбины, предназначенные для привода электрогенератора 8, оснащаются затвором 9 для регулирования потока, связанным с устройствами контроля частоты вращения ротора: центробежным механизмом, магнитной муфтой либо простейшей гидравлической системой. Последний вариант показан на фиг. 1. Регулирующий затвор 9 кинематически связан с подвижным сектором 10, оснащенным лопатками 11 (см. фиг. 2) и задающим устройством 12 (например, пружинным).

Пуск турбины производится подачей потока из входного напорного канала 7. Этот поток, сжатый и ускоренный конфузором 6, закручивается стенкой корпуса 1 в сжимающийся вихрь и воздействует на все лопасти 5, каждая из которых срезает свой - одинаковый для всех лопастей - слой потока, который, обтекая ее внутреннюю поверхность, создает на ней вращающий момент, как в любой реактивной турбине.

Если лопасть в сечении не намного меньше полуокружности, то при оптимальном соотношении угловой скорости ротора и потока (около 1:2) отработавшие потоки покидают лопасти с их же скоростью, но в противоположном направлении, т.е. с минимальной скоростью относительно корпуса турбины, а это значит - с максимальной отдачей своей энергии. И даже при такой высокой скорости потока как в самой улитке корпуса, так и в желобах лопастей, можно считать его ламинарным.

Отработавший поток через отверстие нижнего фланца 4 ротора 2 свободно падает в отводящий канал.

При обтекании потоком стенки корпуса силы трения снижают тангенциальную скорость v у стенки, однако в сжимающимся вихре угловая скорость потока (ω=ν/r ~ const), практически сохраняется и, если угол α (см. фиг. 1) равен 2π/n, (где n - число лопастей), то все лопасти работают с одинаковой нагрузкой, т.е. каждая лопасть при полном обороте ротора не испытывает колебаний нагрузки, что позволяет облегчить его конструкцию.

Устройство поддержания частоты вращения ротора в простейшем варианте работает так. В исходном положении подпружиненный сектор 10 поддерживается упором, при этом канал на входе потока в конфузор 6 полностью открыт. При работе турбины вода через кольцевую щель между верхней стенкой корпуса 1 и торцом верхнего фланца 3 свободно заходит в пространство над ротором 2 и заполняет конусную емкость, образованную этим фланцем, до уровня переливных отверстий в стенке полого вала с ребрами жесткости, благодаря которым над вращающимся ротором образуется водяной вихрь с его же угловой скоростью. Этот вихрь воздействует на лопатки 11 сектора 10 и с превышением установленной угловой скорости, преодолевая усилие пружины задающего устройства 12, поворачивает сектор 10, а связанный с ним затвор 9 ограничивает поток воды в турбину.

Чувствительность данного устройства обусловлена не только изменением скоростного напора водоворота, но и изменяющимся (под действием центробежной силы) уровнем воды на его периферии, где расположены лопатки 11 сектора 10 (см. фиг. 2).

Таким образом, частота вращения ротора 2, а следовательно, и электрогенератора 8 будет поддерживаться в допустимых пределах даже в режиме его автономной работы.

Низкая стоимость гидротурбины, предельно высокий КПД при ее работе, надежность и удобство в эксплуатации создают перспективу широкого использования ее практически в любых условиях горных районов страны.

Похожие патенты RU2659837C1

название год авторы номер документа
ВЕТРОТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-НАКОПИТЕЛЬ 2015
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2623637C2
Безопасная ветроустановка 2021
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2767434C1
Многороторный ветроагрегат 2019
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2701664C1
Многопоточная вихревая турбина 2021
  • Макаров Артем Александрович
  • Тонконог Владимир Григорьевич
  • Явкин Владимир Борисович
RU2767433C1
Конвейерная ветроустановка 2017
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2667860C1
РУСЛОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2006
  • Безруков Олег Юрьевич
RU2347935C2
УСТРОЙСТВО УСКОРЕНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ВОДНОГО ПОТОКА СВОБОДОПОТОЧНОЙ МИКРОГЭС 2015
  • Доржиев Сергей Содномович
  • Базарова Елена Геннадьевна
  • Базарова Лариса Сергеевна
RU2592953C1
Речная гидроветроэлектростанция (ГВЭС) 2015
  • Седых Николай Артёмович
RU2612499C2
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКОВ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И РУСЛОВАЯ ГИДРОУСТАНОВКА, РЕАЛИЗУЮЩАЯ ЕГО 1993
  • Егоркин Юрий Яковлевич
RU2084692C1
ДЕРИВАЦИОННАЯ СКВАЖИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2010
  • Елисеев Александр Дмитриевич
  • Нескоромных Вячеслав Васильевич
  • Павлюкова Елена Николаевна
RU2431015C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 659 837 C1

Реферат патента 2018 года Вихревая гидротурбина

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии на реках с большим перепадом уровня по руслу, а также на естественных либо искусственных водоемах, расположенных выше прилегающих окрестностей. Вихревая гидротурбина содержит конфузор 6, корпус 1 и конусообразный ротор 2 с желобчатыми лопастями 5. Боковая стенка корпуса 1 в горизонтальном сечении имеет вид неполного витка спирали Архимеда. Нижний кольцеобразный фланец ротора 2 расположен в проеме днища корпуса 1. Входной канал 7 оснащен регулирующим затвором 9 с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора 2. Изобретение направлено на обеспечение минимальных потерь энергии и стабильных оборотов при резких перепадах нагрузки, работы в широком диапазоне параметров водного потока, надежности работы. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 659 837 C1

Вихревая гидротурбина, имеющая конфузор, корпус и конусообразный ротор с желобчатыми лопастями, отличающаяся тем, что боковая стенка ее корпуса в горизонтальном сечении имеет вид неполного витка спирали Архимеда

где r - радиус в полярных координатах,

ϕ - угол,

a - постоянная;

нижний кольцеобразный фланец ротора расположен в проеме днища корпуса турбины, а входной канал оснащен регулирующим затвором с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2659837C1

ВЕТРОТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ-НАКОПИТЕЛЬ 2015
  • Ясаков Николай Васильевич
RU2623637C2
ГИДРОСИЛОВАЯ ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА 2000
  • Цораев У.М.
  • Цораев Р.У.
RU2186243C2
МОСТОВАЯ ВИХРЕВАЯ ГЭС ФОМИНА 1989
  • Фомин Александр Андреевич
RU2012825C1
Приспособление для остановки поезда при закрытом семафоре 1929
  • Пилипчук Л.С.
SU21232A1
US 4382746 A1, 10.05.1983
ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 1995
  • Жан-Поль Лявьевилль
  • Оливье Бету
  • Филипп Каррер
  • Тьерри Мейнар
RU2137285C1

RU 2 659 837 C1

Авторы

Ясаков Николай Васильевич

Даты

2018-07-04Публикация

2017-07-18Подача