Гидравлическая низконапорная пропеллерная турбина

Полезная модель относится к области гидроэнергетики и может использоваться при создании низконапорных малых и микроГЭС на равнинных водотоках и гидротехнических сооружениях.
Эффективность низконапорных ГЭС в большой степени зависит от гидравлических потерь в проточном тракте напорных водоводов и в самой турбине. В связи с этим при создании гидравлических турбин для низконапорных ГЭС чаще используют осевые типы турбин. Для малых ГЭС и особенно для микроГЭС конструктивно трудно реализовать турбины Каплана (турбины осевого типа) в классическом виде. Поэтому на практике часто ограничиваются конструктивным вариантом с нерегулируемым входным направляющим аппаратом и нерегулируемым рабочим колесом. Более того, часто именно в низконапорных осевых турбинах отказываются от установки входных лопастных направляющих аппаратов, которые хоть и увеличивают удельную полезную работу рабочего колеса, но одновременно снижают и реализуемый в нем напор, то есть снижают абсолютную полезную работу.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является известная низконапорная пропеллерная турбина (патент CZ №292197, публ. 14.08.2002, МПК F3B 3/12, F3B 3/04), содержащая статор, в камере которого расположен ротор, соединенный с цилиндрическим корпусом рабочего колеса, закрепленным на валу, выведенном за пределы проточной части. На цилиндрическом корпусе рабочего колеса установлен лопастной аппарат, содержащий, по меньшей мере, две одинаковых рабочих лопасти с центральным углом раскрытия α в проекции на плоскостьвращения ротора не более 125°, равномерно размещенных по окружности с углом установки β менее 25°.
Недостатком настоящего технического решения является низкая удельная работа пропеллерной турбины, определяющаяся окружной составляющей скорости потока на выходе из лопастного аппарата.
Технической задачей заявляемой полезной модели является увеличение разности окружной составляющей абсолютной скорости на входе и выходе из лопастного аппарата пропеллерной турбины.
Технический результат заключается в повышении удельной работы гидравлической низконапорной пропеллерной турбины и соответственно ее мощности и КПД.
d
L
d
Это достигается тем, что известная гидравлическая низконапорная пропеллерная турбина, содержащая статор, в камере которого расположен ротор, соединенный с цилиндрическим корпусом рабочего колеса, выполненным диаметром  и закрепленным на валу, выведенном за пределы проточной части, при этом на цилиндрическом корпусе рабочего колеса установлен лопастной аппарат, содержащий, по меньшей мере, две идентичных рабочих лопасти с центральным углом раскрытия α в проекции на плоскость вращения ротора не более 125°, равномерно размещенных по окружности с углом установки β менее 25°, при этом цилиндрический корпус рабочего колеса выполнен с осевым удлинением  в направлении от лопастного аппарата, равным, по меньшей мере, диаметру  цилиндрического корпуса рабочего колеса.
v1
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена гидравлическая низконапорная пропеллерная турбина с видом ее лопастного аппарата по направлению движения потока рабочей среды, на фиг. 2 представлено векторное поле скорости потока на входе в лопастной аппарат, на фиг. 3 показана эпюра распределения окружной составляющей скорости  по радиусу рабочего колеса в плоскости входа в лопастной аппарат пропеллерной турбины, выполненной традиционно, а на фиг. 4 - пропеллерной турбины, выполненной с удлиненным цилиндрическим корпусом рабочего колеса.
d
L
d
Гидравлическая низконапорная пропеллерная турбина содержит статор 1, в камере которого расположен ротор 2, соединенный с цилиндрическим корпусом рабочего колеса 3, выполненным диаметром  и закрепленным на валу 4, выведенном за пределы проточной части 5. На цилиндрическом корпусе рабочего колеса 3 установлен лопастной аппарат 6, содержащий, по меньшей мере, две идентичных рабочих лопасти 7 с центральным углом раскрытия α в проекции на плоскость вращения ротора 2 не более 125°, равномерно размещенных по окружности с углом установки β менее 25°. При этом цилиндрический корпус рабочего колеса 3 выполнен с осевым удлинением  в направлении от лопастного аппарата 6, равным, по меньшей мере, диаметру  цилиндрического корпуса рабочего колеса 3, но не превышающего длины проточной части 5 гидравлической низконапорной пропеллерной турбины.
Гидравлическая низконапорная пропеллерная турбина работает следующим образом.
Цилиндрический корпус рабочего колеса 3 вращается вместе с ротором 2 с частотой ω. Известно, что удельная работа пропеллерной турбины, характеризующая полезную удельную энергию, получаемую от ее лопастного аппарата, выражается уравнением Эйлера, имеющим в интегральной форме следующий вид:
HT
r
RD
Rd
v
v
1
u
2
u
где  - удельная работа пропеллерной турбины;  - произвольный радиус лопастного аппарата;  - внешний радиус лопастного аппарата;  - внутренний радиус лопастного аппарата; ω - частота вращения ротора;  - окружная составляющая абсолютной скорости рабочей среды на входе в лопастной аппарат;  - окружная составляющая абсолютной скорости рабочей среды на выходе из лопастного аппарата.
v
HT
1
u
Для известной низконапорной пропеллерной турбины (по прототипу) поток на входе в ее лопастной аппарат имеет осевое направление, то есть вектор абсолютной скорости направлен по нормали к плоскости вращения колеса. Из этого следует, что окружная составляющая абсолютной скорости рабочей среды на входе в лопастной аппарат  равна нулю, а величина удельной работы  такой турбины выражается интегралом
2u
определяющимся лишь величиной окружной составляющей скорости v потока на выходе из лопастного аппарата.
1u
За счет удлинения цилиндрического корпуса рабочего колеса 3 предлагаемой полезной модели действие сил вязкого трения со стороны поверхности цилиндрического корпуса рабочего колеса 3 на поток, движущийся ранее строго в осевом направлении, вызывает его отклонение перед входом в лопастной аппарат 6. Благодаря данному влиянию обеспечивается сообщение потоку окружной составляющей скорости v, и перед входом в лопастной аппарат 6 поток приобретает винтовой характер течения.
v1
v1u
v2u
Абсолютная скорость на входе в лопастной аппарат 6  приобретает окружную составляющую , противоположную по направлению скорости , и, как следствие этого, удельная работа предлагаемой гидравлической низконапорной пропеллерной турбины определяется уже не уравнением (2), а уравнением (1) и имеет величину, превышающую удельную работу турбины без удлинения цилиндрического корпуса рабочего колеса.
3D
FlowVision
v1u
Графическое представление векторного поля течения потока рабочей среды на входе в лопастной аппарат 6 (фиг. 2), полученное авторами полезной модели посредством численного -моделирования в среде программного комплекса , наглядно демонстрирует приобретение потоком окружной составляющей скорости .
v1
б
В
1
1
Экспериментально установлено приращение удельной работы предлагаемой гидравлической низконапорной пропеллерной турбины. Это подтверждают эпюры распределения окружной составляющей скорости  по радиусу лопастного аппарата в плоскости входа в лопастной аппарат пропеллерной турбины на фиг. 3, 4. Причем на фиг. 3 эпюра а отражает распределение окружной составляющей скорости v в пропеллерной турбине, выполненной традиционно, а на фиг. 4 эпюра  отражает распределение окружной составляющей скорости v в пропеллерной турбине, выполненной с удлиненным корпусом рабочего колеса. Численное сравнение эпюр, представленных на фиг. 3 и 4, демонстрирует приращение скорости потока в области  вблизи цилиндрического корпуса.
v1u
v2u
Использование полезной модели позволяет повысить удельную работу гидравлической низконапорной пропеллерной турбины на 10,0-10,6% за счет увеличения разности окружной составляющей абсолютной скорости  на входе и  на выходе из лопастного аппарата пропеллерной турбины.