Свободнопоточная гидротурбина Российский патент 2024 года по МПК F03B3/12 F03B7/00 

Изобретение относится к области гидро- и ветроэнергетики, в частности к турбинам, применяемым в качестве привода гидрогенераторов использующих энергию течения рек и других потоков.

Известна гидротурбина (МикроГЭС Красноярск. Енисей 2016 Youtube.com.maxresdefault.jpg) конструкция которой идентична конструкции гребного винта (БСЭ год. изд. 1972 г., т. 7, С. 800, 801), состоящая из ступицы, насаженной на гребной вал, с закрепленными на ней лопастями, расположенными на равных угловых расстояниях одна от другой, под некоторым углом к продольной оси вала.

Основным недостатком такой конструкции является низкий КПД, обусловленный большим отношением ширины лопасти к ее длине, что вызывает повышенное индуктивное сопротивление.

Известна также конструкция по АС СССР 1789419, В63Н 1/16, опубл. 23.01.1993 г., БИ №3, содержащая ступицу с лопастями, концевые части которых соединены с бандажным кольцом, на наружной поверхности которого также установлены периферийные лопасти, связанные с периферийным бандажным кольцом, количество бандажных лопастей в два раза превышает количество лопастей ступицы, углы конусности бандажного и периферийного бандажного колец равны соответственно 1° и 3-5°, а угол атаки периферийных лопастей равен 35-40°.

Недостатком такой конструкции является низкий КПД вследствие больших потерь на трение на бандажных кольцах, смоченная поверхность которых в несколько раз превышает смоченную поверхность лопастей.

Известен двигатель (гидротурбина), содержащий лопасти, установленные на ступицу, плоскости лопастей наклонены по направлению потока и выполнены в форме аэродинамического профиля, (SU 1656147 А1, 15.06.1991, F03B 13/12).

Данная конструкция по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Основным недостатком прототипа является низкий КПД, обусловленный тем, что участок лопасти, который с помощью накладок соединяет ее со ступицей, не создает подъемной силы и оказывает дополнительное гидродинамическое сопротивление. Кроме того, соединение наружной и внутренней частей лопасти с помощью накладок ведет к увеличению веса и снижению надежности по сравнению с лопастью выполненной как единое целое. Дополнительно у лопастных машин, работающих в жидкости, гидродинамические силы превышают инерционные. Поэтому угол наклона лопастей при увеличении скорости вращения должен увеличиваться, так как радиальная составляющая подъемной силы противоположна направлению центробежной силы.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении КПД гидротурбины.

Для достижения указанного технического результата свободнопоточная гидротурбина, содержащая ступицу и расположенные на ней лопасти аэродинамического профиля, наклоненные по направлению потока, каждое поперечное сечение лопастей плоскостями, перпендикулярными оси вращения ступицы, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки α к вектору скорости потока равному геометрической сумме тангенциальной составляющей скорости вращения лопасти в данном сечении и продольной составляющей скорости потока, ребро атаки каждой лопасти отклонено в сторону вращения от образующей конуса прилегающего к внутренним поверхностям лопастей на угол γ>6°, концы лопастей соединены профилированным кольцом, каждое поперечное сечение которого плоскостями, проходящими через ось вращения ступицы, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки β к оси вращения ступицы.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

- выполнение каждого поперечного сечения лопастей плоскостями, перпендикулярными оси вращения ступицы, в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки α к вектору скорости потока равному геометрической сумме тангенциальной составляющей скорости вращения лопасти в данном сечении и продольной составляющей скорости потока,

- отклонение ребра атаки каждой лопасти в сторону вращения от образующей конуса, прилегающего к внутренним поверхностям лопастей на угол γ>6°,

- соединение концов лопастей профилированным кольцом,

- выполнение каждого поперечного сечения профилированного кольца плоскостями, проходящими через ось вращения ступицы в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки β к оси вращения ступицы.

Благодаря наличию этих признаков отличных от прототипа, значительно повышается КПД, за счет установки лопастей и профилированного кольца под оптимальными углами атаки к вектору скорости потока в каждом сечении.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 показан вид свободнопоточной гидротурбины с внешней стороны профилированного кольца.

На фиг. 2 - вид А свободнопоточной гидротурбины.

Свободнопоточная гидротурбина содержит ступицу 1, лопасти 2, профилированное кольцо 3. α, β - углы атаки, γ - угол отклонения ребра атаки каждой лопасти 2, N - подъемная сила.

Предлагаемая гидротурбина работает следующим образом.

При обтекании потоком лопастей 2, каждое поперечное сечение которых выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки α к вектору скорости потока, начинает вращаться ступица 1, на лопастях 2 возникает подъемная сила N, тангенциальная составляющая которой создает крутящий момент. Для увеличения, которого при малой скорости вращения гидротурбины, ребро атаки лопастей 2 отклонено в сторону вращения относительно образующей конуса прилегающего к внутренним поверхностям лопастей 2 на угол γ>6°. Установка профилированного кольца 3 под углом атаки β к направлению потока создает эффект эжекции, что также способствует увеличению КПД гидротурбины. Кроме того профилированное кольцо 3 увеличивает жесткость конструкции.

Предлагаемое устройство может использоваться в качестве движителей судов при соответствующей ориентации профилей лопастей 2 и эффективно в потоках с ограниченной глубиной.

Изобретение относится к области гидро- и ветроэнергетики, в частности к турбинам, применяемым в качестве привода гидрогенераторов, использующих энергию течения рек и других потоков. Свободнопоточная гидротурбина содержит ступицу 1 и расположенные на ней лопасти 2 аэродинамического профиля, наклоненные по направлению потока. Каждое поперечное сечение лопастей 2 плоскостями, перпендикулярными оси вращения ступицы 1, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки к вектору скорости потока, равному геометрической сумме тангенциальной составляющей скорости вращения лопасти 2 в данном сечении и продольной составляющей скорости потока. Ребро атаки каждой лопасти 2 отклонено в сторону вращения от образующей конуса, прилегающего к внутренним поверхностям лопастей 2 на угол, превышающий 6°. Концы лопастей 2 соединены профилированным кольцом 3, каждое поперечное сечение которого плоскостями, проходящими через ось вращения ступицы 1, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки к оси вращения ступицы 1. Изобретение направлено на повышение КПД гидротурбины. 2 ил.

Свободнопоточная гидротурбина, содержащая ступицу 1 и расположенные на ней лопасти 2 аэродинамического профиля, наклоненные по направлению потока, отличающаяся тем, что каждое поперечное сечение лопастей 2 плоскостями, перпендикулярными оси вращения ступицы 1, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки α к вектору скорости потока, равному геометрической сумме тангенциальной составляющей скорости вращения лопасти 2 в данном сечении и продольной составляющей скорости потока, ребро атаки каждой лопасти 2 отклонено в сторону вращения от образующей конуса, прилегающего к внутренним поверхностям лопастей 2 на угол γ>6°, концы лопастей 2 соединены профилированным кольцом 3, каждое поперечное сечение которого плоскостями, проходящими через ось вращения ступицы 1, выполнено в форме аэродинамического профиля, установленного под оптимальным углом атаки β к оси вращения ступицы 1.