ГИДРОТУРБИНА Российский патент 2023 года по МПК F03B7/00 F03B13/00 E02B9/00 

Настоящее изобретение относится к активным турбинам поперечного потока, типа турбин Банки-Митчела, а также турбин Оссбергера и может быть использовано для выработки энергии от свободно падающих потоков воды в горах, с плотин или с других искусственных сооружений.

Известен, например, «Направляющий аппарат двукратной гидротурбины» авторов Братчева А.М. и Ивашкина А.В. по авторскому свидетельству СССР №1634810, МПК F03B 1/04. Изобретение относится к гидротурбинам и содержит рабочее колесо типа «Банки», подводящий водовод с соплом, одна из стенок которого выполнена подвижной и кинематически соединенной с сервоприводом для создания возможности обеспечить возвратно-поступательное перемещение вдоль оси рабочего колеса.

В подобных конструкциях малые по площади лопасти расположены на периферии рабочего колеса для того, чтобы часть потока могла войти во внутрь колеса и воздействовать на ниже расположенные лопасти. Наличие малых по площади лопастей не позволяет увеличить вырабатываемую мощность подобными турбинами.

Предлагаемое изобретение использует также признак ковшевых турбин, лопасти которых имеют профиль ковша, корыта или другого похожего профиля, имеющего концевые изгибы в сторону потока и создающие условия удерживания воды на больший отрезок времени, чем просто соскальзывание воды с плоской по профилю лопасти.

В такого рода ковшовых турбинах, например, «Направляющий аппарат активной гидротурбины» авторов Филиппова И.А., Алексеенко В.Н., Колосова А.П. по изобретению СССР №465486, МПК F03B 1/02, управление потоком воды на лопасти производится регулируемой задвижкой сопла. Все подобные ковшовые турбины имеют ограниченный размер лопасти (ковша или чаши), но требуют высоких давлений в сопловых аппаратах.

Производство энергии на ковшовых турбинах происходит в основном только за счет кинетической энергии. В предлагаемом изобретении свободно падающий поток воды за счет ковшеобразного профиля накапливает на верхней части лопастей рабочего колеса больший объем воды и большую кинетическую энергию, которая частично переходит в потенциальную энергию при движении лопастей вниз и суммируется с кинетической частью потока, захваченного внешней дополнительной лопастью, и активно суммарно воздействует на нижнюю часть лопастей, создавая при этом эффект кратности воздействия потока.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является «Двукратная гидравлическая турбина» авторов Астафьева А.В. и Горбаченко В.В. по патенту РФ №2221163, МПК F03B 3/18, F03B 7/00, содержащая водовод, направляющий аппарат, рабочее колесо, лопасти которого закреплены на дисках, и привод, регулирующий расход воды на рабочее колесо.

Недостатком данной турбины является сложность выполнения направляющих лопаток, расположенных под расчетными углами в направляющем аппарате и невозможность эффективно использовать турбину для условий свободно падающего потока, что составляет основное назначение заявляемого изобретения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание гидравлической турбины нового типа для свободно падающего потока воды.

Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является повышение эффективности: мощности и КПД гидротурбины за счет совершенствования ее конструкции.

Технический результат заключается в том, что в гидротурбине, содержащей водоподвод, основание турбины, направляющий аппарат, привод и рабочее колесо, лопасти которого закреплены на дисках, направляющий аппарат выполнен из внешней с криволинейной поверхностью опоры, огибающей рабочее колесо со стороны водоподвода, нижний конец которой оснащен шарниром, размещенным на основании, причем средняя часть криволинейной опоры через другие шарниры и шток соединена с приводом, так же размещенным на основании, а лопасти рабочего колеса выполнены с ковшеобразным профилем.

Предлагаемая «Гидравлическая турбина», изображенная на чертеже, содержит водоподвод 1, основание 2, на котором размещено на своей оси и опорах рабочее колесо 3, направляющий аппарат, состоящий из криволинейной опоры 4, огибающей рабочее колесо со стороны водоподвода, нижний конец которой оснащен шарниром 5, средняя часть криволинейной опоры через шарниры 6, 7 посредством штока 8 соединена с приводом 9, размещенным на основании, а с противоположной стороны рабочего колеса установлена защитная стенка с верхней, отражающей воду крышкой 10 и окном 11 для свободного пропуска воды наружу турбины, причем количество лопастей 12…19 с ковшеобразным профилем определяется расчетным путем.

Предлагаемая «Гидравлическая турбина» работает следующим образом.

Свободно падающий сверху поток V воды из водоподвода 1 направляется в левую часть, равную половине диаметра рабочего колеса и воздействует по-разному на лопасти 12, 13, 14, 15 и 16. В данный конкретный момент времени лопасти 12 и 13 находятся под давлением кинетической энергии и веса падающей воды в ковшеобразных лопастях (на чертеже показано двойными соседними стрелками около этих лопастей), а часть проходной воды, не попавшей на эти лопасти и сохранившей кинетическую энергию, скатываются вниз по криволинейной поверхности опоры 4 (показано на чертеже около опоры пунктирной линией). В этот же момент времени частично или полностью вода сливается с лопастей 14 и 15, при этом вес воды в лопастях уменьшается (показано на чертеже одной стрелкой), но эта вода, сохранившая часть кинетической энергии потока, присоединяется к части проходной воды вдоль криволинейной поверхности опоры 4 и активно воздействует на ниже расположенные лопасти 15 и 16 (показано на чертеже двойной пунктирной линией около этих лопастей).

Таким образом, осуществляется двойной эффект первоначального воздействия кинетической энергии потока на верхнюю часть лопастей рабочего колеса и вторичного воздействия накопленной кинетической энергии на нижнюю часть лопастей. Кроме того, наличие лопастей с ковшеобразным профилем позволяет частично задействовать потенциальную энергию веса воды с момента заполнения лопастей в верхней половине рабочего колеса и до выливания воды с лопастей ближе к их нижнему расположению в колесе при вращении последнего.

После воздействия потока на лопасти 15 и 16 вода выливается V через окно 11 наружу, а лопасти рабочего колеса 17, 18, 19 свободно в этот же момент времени перемещаются в верхнее положение. Воздействуя приводом 9 автоматически или вручную посредством штока 8 на криволинейную опору 4, представляется возможность регулировать зазор между ней и рабочим колесом 3, управляя оборотами рабочего колеса турбины.

Таким образом, в отличие от прототипа, двукратный поток водяного потока в предлагаемом изобретении проходит не через внутреннюю часть турбины, а с ее внешней стороны, что значительно упрощает конструкцию, снимает ограничение на размер лопастей и повышает эффективность работы турбины. Кроме того, во всех турбинах Банки-Митчелла лопасти малых размеров, воспринимающие энергию потока, расположены по краям рабочего колеса с тем, чтобы дать возможность части потока проникнуть внутрь колеса на ниже расположенные лопасти. Известно, что эта внутренняя часть потока увеличивает мощность турбины только на 15…18 процентов (двукратность турбины Банки не означает ее эффективность на 100%).

В предложенной гидротурбине нет внутреннего отраженного потока, поэтому ширина лопасти максимальна: от концевого изгиба до цапфы, крепящей подшипник вала рабочего колеса, а протяженность лопасти определяется размерами потока воды в водоподводе. Такая конструкция лопасти позволит максимально использовать энергию свободно падающего потока. Подобная конструкция проектируется для Белоярской АЭС на выходе из водоподвода диаметром более 1,5 метра мощного потока охлажденной воды после теплообменного оборудования станции и падающего в водохранилище с высоты более трех метров. Создание подобной микроГЭС позволит использовать вырабатываемую энергию для собственных нужд станции.

Изобретение относится к гидротурбинам и может быть использовано для выработки энергии от свободно падающих потоков воды. Гидротурбина содержит водоподвод 1, основание 2, направляющий аппарат, привод 9 и рабочее колесо 3, лопасти 12-19 которого закреплены на дисках. Направляющий аппарат выполнен из внешней с криволинейной поверхностью опоры 4, огибающей колесо 3 со стороны водоподвода 1, нижний конец которой оснащен шарниром 5, размещенным на основании 2. Средняя часть опоры 4 через шарниры 6, 7 и шток 8 соединена с приводом 9, также размещенным на основании 2. Лопасти 12-19 колеса 3 выполнены с ковшеобразным профилем. Изобретение направлено на повышение мощности и КПД гидротурбины. 1 ил.

Гидротурбина, содержащая водоподвод, основание турбины, направляющий аппарат, привод и рабочее колесо, лопасти которого закреплены на дисках, отличающаяся тем, что направляющий аппарат выполнен из внешней с криволинейной поверхностью опоры, огибающей рабочее колесо со стороны водоподвода, нижний конец которой оснащен шарниром, размещенным на основании, причем средняя часть опоры через другие шарниры и шток соединена с приводом, также размещенным на основании, а лопасти рабочего колеса выполнены с ковшеобразным профилем.