ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА
HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидравлическим машинам для преобразования кинетической энергии потока движущейся жидкости в электрическую.
Известна турбина, содержащая цилиндрический корпус, расположенный по его периферии тангенциальный впускной патрубок и расположенный по центру осевой выпускной патрубок, а также установленный на валу ротор, выполненный в форме закрытого с одной стороны стакана (см. RU 2263814 С2, 10.11.2005). Тангенциальный впускной патрубок снабжен осевым спиральным направляющим элементом с возможностью тангенциальной подачи рабочего тела на стенку стакана вблизи его открытого торца, а осевой выпускной патрубок размещен своим входным отверстием в полости стакана. Впускной патрубок имеет прямоугольное сечение, а выпускной - круглое сечение.
К недостаткам известной турбины можно отнести ее низкую эффективность в связи с неполной загрузкой рабочего элемента стакана энергией движущейся воды.
Известно, что от особенностей распределителей в значительной мере зависит и эффективность работы турбины. Например, у охватывающего распределителя в отличие от кругового отводы к соплам не лежат в одной плоскости с трубопроводом распределителя, что дает дополнительные потери на поворотах струи (см. Конструкции и расчет гидротурбин. Издание второе. Ленинград, Машиностроение, 1974, с.316). В то же время охватывающий распределитель имеет более свободные размеры в плане при тех же габаритах, что является его положительным свойством. Сумму гидравлических потерь в распределителе составляют потери по длине на прямых или слабо искривленных участках распределителя и местные потери на крутых изгибах.
Известна более совершенная гидравлическая турбина, являющаяся наиболее близким аналогом описываемого изобретения, предназначенная для использования в гидроэлектростанциях малой мощности (см. RU 2244155 С2, 10.01.2005). Гидравлическая турбина содержит корпус с торцевыми крышками, впускным и выпускным патрубками и ротор с лопастями. В корпусе турбины размещены два ротора и обтекаемая направляющая. Роторы изготовлены из труб, имеющих продольный срез и установленных так, чтобы одна часть трубы выполняла роль пластины, а другая - корпуса ротора. Гидравлическая турбина также оснащена системой, включающей насос, распределительное устройство и трубопроводы, которые обеспечивают создание давления воды в последовательно образуемых полостях между пластинами и корпусом. Конструкция турбины позволяет снизить трудозатраты на ее изготовление.
К недостаткам известной турбины можно отнести неполное использование возможностей роторов турбины при воздействии на них потока воды. Так, часть «пластин», около половины, каждого ротора постоянно остается не нагруженной, в работе задействованы только те пластины, на которые воздействует поток воды, поступающий по трубопроводам из распределителя.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение эффективности использования кинетической энергии движущегося потока воды.
Поставленная задача достигается тем, что в гидравлической турбине, содержащей корпус с торцевыми крышками, впускным и выпускным патрубками и ротор с лопастями, в корпусе вертикально смонтирована одна турбина, а в торцевых крышках выполнено, по крайней мере, по два соответственно входных и выходных патрубка, при этом выходные патрубки связаны, по крайней мере, с одним дополнительным отводным трубопроводом.
Входные и выходные патрубки в крышке могут быть смонтированы под углом α к горизонтали от 10 до 50 градусов.
Высота корпуса может быть выполнена равной 0,5-2,0 диаметра турбины.
Отводной дополнительный трубопровод может быть смонтирован с наклоном в сторону отвода воды под углом от 5 до 90 градусов.
Входные и выходные патрубки могут быть распределены по поверхности крышек на равном расстоянии друг от друга, причем патрубки, смонтированные по разные стороны от осевой вертикальной линии, обеспечивают направление воздействия потока воды на лопасти ротора с разных сторон.
Лопасти ротора могут быть выполнены корытообразными.
Длина дуги между входными отверстиями входных патрубков верхней торцевой крышки может быть выполнена от 0,05 до 1,5 диаметра турбины.
Указанные признаки направлены на решение поставленной изобретением задачи. Так, при подаче потока воды на лопасти, например, с одним входным патрубком, часть лопастей турбины остается не нагруженной и в работе не участвует. При подаче потока воды через два входных патрубка нагрузка на лопасти турбины распределяется равномерно и достигается лучшая отдача кинетической энергии движущегося потока воды. При этом при повороте турбины на угол, меньший 180 градусов (при расположении входных патрубков с разных сторон осевой линии), вода успевает опуститься вниз на какое-то расстояние и поток воды, входящий через другой входной патрубок с такой же эффективностью, начинает воздействовать на лопасти гидротурбины. При этом на лопасти гидротурбины как бы воздействует несколько самостоятельных потоков, при которых создаются условия ударного, прерывистого воздействия потока воды на лопасти гидравлической турбины, что, в свою очередь, повышает эффективность его использования. Как только количество входных, а соответственно и выходных патрубков увеличивается до слияния потоков, поступающих на лопасти от каждого входного патрубка, эффективность работы, вследствие отсутствия ударных нагрузок на лопасти, снижается. Наличие, по крайней мере, одного отводного трубопровода, связанного с отводными патрубками, создает дополнительный эффект эжекции (вытяжки) отработанного потока воды от лопастей гидравлической турбины, что также способствует повышению ее эффективности.
Выполнение входных и выходных патрубков в крышках, смонтированных под углом к горизонтали от 10 до 50 градусов, выполнение корпуса по высоте, равной 0,5-2,0 диаметра турбины, монтаж отводного дополнительного трубопровода с наклоном в сторону отвода воды под углом от 5 до 90 градусов и равномерное распределение входных и выходных патрубков по поверхности крышек на равном расстоянии друг от друга, а также выполнение лопастей ротора корытообразными, как и выполнение длины дуги между входными отверстиями входных патрубков верхней торцевой крышки от 0,05 до 1,5 диаметра турбины, являются признаками дополнительными, направленными на конкретизацию выполнения основных признаков, и способствуют достижению поставленной изобретением задачи.
На фиг.1 схематично представлена предлагаемая гидравлическая турбина.
На фиг.2 показаны входные патрубки и окна для входа потока воды.
На фиг.3 показаны корытообразные лопасти ротора.
Гидравлическая турбина состоит из цилиндрического вертикально установленного корпуса 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками. В полости корпуса 1 смонтирован ротор 4 турбины с корытообразными лопастями 5. В верхней крышке 2 под углом α к горизонту, равным, например, 30 градусов (10-50 градусов), по разные стороны от осевой линии турбины смонтировано два входных патрубка 6, при этом входные патрубки 6 обеспечивают подвод воды к ротору 4 турбины с противоположных сторон с таким расчетом, чтобы поток воды через окна 7 воздействовал на корытообразные лопасти 5, обеспечивая вращение ротора 4. Выходные патрубки 8, смонтированные в нижней 3 крышке, смонтированы также как и патрубки верхней 2 крышки под углом, например, в 30 градусов. Количество входных 6 и выходных 8 патрубков может быть и по два, и по три, и более. Выходные патрубки 8 связаны с отводящим трубопроводом 9, который установлен под углом к горизонту от 5 до 90 градусов. При этом каждый выходной патрубок 8 может быть индивидуально связан с одним отводящим трубопроводом. Высота корпуса турбины выполнена в пределах от 0,5 до 2,0 диаметров ротора турбины и зависит от количества смонтированных на крышках входных и выходных патрубков и требуемой мощности турбины.
Предлагаемая гидравлическая турбина работает следующим образом.
Поток воды к ротору 4 турбины по входным, смонтированным под углом в 30 градусов патрубкам 6 через окна 7 поступает к корытообразным лопастям 5 ротора и, воздействуя на них, начинает вращать ротор 4. При этом поток воды, поступивший по одному из входных патрубков верхней крышки при вращении ротора под действием кинетической энергии движения и веса воды, воздействуя на корытообразные лопасти 5, опускается вниз и при подходе, например, ко второму или последующему патрубку поток воды уже опустился на некоторую величину и освободил лопасти 5. При воздействии потока воды от второго или последующего входного патрубка на лопасти 5 поток не встречает сопротивление первого потока воды, а вновь воздействует на свободную от воды поверхность корытообразных лопастей 5, создавая максимальное ударное воздействие и отдачу кинетической энергии. При этом между каждыми двумя подходами потоков воды к ротору через окна 7 (поскольку между ними имеется расстояние L), в полости корпуса 1 турбины создается вакуум, который стремится еще больше раскрутить ротор турбины.
Трубопровод 9, связанный с каждым из выходных патрубков в отдельности (может быть и один общий трубопровод, связывающий все выходные патрубки), установленный под углом, создает вакуум и дополнительно способствует ускорению перемещения (отвода) потока воды через турбину.
В зависимости от особенностей течения водяного потока и от количества входных патрубков, последние можно устанавливать под различными углами α от 10 до 50 градусов. Высота корпуса гидравлической турбины выполнена равной 0,5-2,0 диаметра турбины, позволяет создавать заданное усилие вращения ротора, обеспечивая при этом равномерность его вращения. Выполнение лопастей ротора корытообразными позволяет с наибольшей эффективностью использовать кинетическую энергию потока воды. Выполнение длины дуги между входными отверстиями входных патрубков верхней торцевой крышки от 0,05 до 1,5 диаметра турбины позволяет создавать во время работы гидравлической турбины заданные усилия вращения ротора, за счет, по крайней мере, хотя бы кратковременного прерывания потока воды, поступающей на лопасти ротора.
В настоящее время авторами изготовлена опытная модель предлагаемой гидравлической турбины, которая была установлена на небольшой реке со скоростью течения 5 м/с. Отводящий трубопровод, соединяющий выходные патрубки длиной 6 метров, был установлен под углом к горизонту в 15 градусов. Ротор турбины вращался с хорошей устойчивой скоростью и достаточной для изготовленной по размерам турбины мощностью. Подключенный к ротору турбины велосипедный генератор обеспечивал выработку электроэнергии в 6 вольт в течение всего времени работы гидравлической турбины.
Авторами принято решение изготовить действующий образец гидравлической турбины, обеспечивающий выработку энергии для подсобного хозяйства.