ОСЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА

Полезная модель относится к малой гидроэнергетике и может быть использована для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электроэнергию для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства и малого бизнеса, расположенных в децентрализованных труднодоступных и удаленных районах.
Известна осевая пропеллерная гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, лопатки которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, водоподводящую и водоотводящую части. При этом направляющий аппарат выполнен из верхнего и нижнего колец с размещенными между ними лопатками, установленными с возможностью поворота с помощью механизма поворота из серег, соединенных с лопатками, рычагов и регулирующего кольца, связанного с сервомоторами. Вал расположен вертикально относительно плоскости вращения рабочего колеса, а водоподводящая часть выполнена в виде спиральной камеры (Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пос. для энерг. и политехнич. вузов. - М.: Высш. школа, 1969. - С.35).
Недостатками описанной гидротурбины являются сложность конструкции вследствие использования механизма поворота лопаток направляющего аппарата, связанного с сервомоторами, и трудоемкость изготовления, обусловленная применением крупногабаритных и металлоемких водоподводящей и водоотводящей частей и рабочего колеса.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является осевая гидротурбина, содержащая направляющий аппарат из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов, между которыми закреплены лопатки, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса на корпусе, соединенного с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленного на валу, водоподводящую изогнутой формы и водоотводящую части, при этом камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части, а вал расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, и имеет возможность соединения с электродвигателем. При этом лопатки направляющего аппарата, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, одними концами закреплены на внутреннем корпусе, а другими - соединены с внешним корпусом с помощью резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата (Патент РФ №2371602, МПК F03B 3/00, опубл. 2009).
Недостатком описанной осевой гидротурбины является низкий КПД, обусловленный ударным входом потока воды на лопатки направляющего аппарата, а также сложность эксплуатации и обслуживания вследствие того, что при необходимости изменения угла установки лопастей рабочего колеса или их замены требуется трудоемкий демонтаж корпуса рабочего колеса.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения КПД и обеспечения удобства эксплуатации и обслуживания.
Для достижения указанного результата в осевой гидротурбине, содержащей направляющий аппарат из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов, между которыми закреплены лопатки, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса на корпусе, соединенного с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленного на валу, водоподводящую изогнутой формы и водоотводящую части, при этом камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части, а вал расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, и имеет возможность соединения с электродвигателем, каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена в виде двух подвижно соединенных частей, первая из которых по ходу движения потока воды часть жестко закреплена между внешним и внутренним корпусами направляющего аппарата параллельно ходу движения потока воды, а вторая часть закреплена между ними с возможностью поворота относительно первой части от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, причем элемент крепления второй части к внешнему корпусу направляющего аппарата размещен вблизи места соединения двух частей лопаток, а рабочее колесо снабжено тремя лопастями, равномерно закрепленными на корпусе с помощью крепежных элементов, проходящих сквозь него и зафиксированных на наружной поверхности корпуса напротив соответствующих им лопастей.
Повышение КПД осевой гидротурбины путем обеспечения безударного входа потока воды на лопатки направляющего аппарата достигается тем, что каждая из лопаток направляющего аппарата выполнена в виде двух подвижно соединенных частей, первая из которых по ходу движения потока воды часть жестко закреплена между внешним и внутренним корпусами направляющего аппарата параллельно ходу движения потока воды, а вторая часть закреплена между ними с возможностью поворота относительно первой части от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, причем элемент крепления второй части к внешнему корпусу направляющего аппарата размещен вблизи места соединения двух частей лопаток.
Обеспечение удобства эксплуатации и обслуживания достигается доступностью и простотой осуществления поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса на корпусе за счет того, что рабочее колесо снабжено тремя лопастями, равномерно закрепленными на корпусе с помощью крепежных элементов, проходящих сквозь него и зафиксированных на наружной поверхности корпуса напротив соответствующих им лопастей.
Возможность поворота второй части каждой из лопаток направляющего аппарата от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата является оптимальной вследствие достижения условия безударного входа воды на лопатки направляющего аппарата и, следовательно, снижения гидравлических потерь.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где изображены на фиг.1 - осевая гидротурбина, продольный разрез; на фиг.2 - то же, разрез А-А; на фиг.3 - лопатка направляющего аппарата осевой гидротурбины, разрез Б-Б; на фиг.4 - рабочее колесо осевой гидротурбины, продольный разрез; на фиг.5 - лопасть рабочего колеса, вид В; на фиг.6 - рабочее колесо осевой гидротурбины, разрез Г-Г.
Кроме того, на фиг.3 и фиг.4 изображено:
φ - угол установки лопаток направляющего аппарата осевой гидротурбины;
Стрелки - направление хода движения потока воды;
1
φ - угол установки лопастей рабочего колеса осевой гидротурбины.
Осевая гидротурбина содержит направляющий аппарат из соосно расположенных внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов, между которыми равномерно закреплены лопатки 3. Рабочее колесо размещено в камере 4 с лопастями 5 криволинейной формы, закрепленными с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса на корпусе 6 (фиг.5), соединенного с внутренним 2 корпусом направляющего аппарата, установленного на валу 7, водоподводящую 8 изогнутой формы и водоотводящую 9 части. При этом камера 4 рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей 9 частью, а другим - с внешним 1 корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей 8 части. Вал 7 расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов 10 на опорах 11, закрепленных в раме 12, например, из сварных металлических конструкций, и имеет возможность соединения с валом 13 электродвигателя 14, предназначенным для соединения с любым блоком автоматического управления (на чертеже не показан). В качестве электродвигателя 14 может быть использован асинхронный двигатель. Каждая из лопаток 3 направляющего аппарата выполнена в виде двух подвижно соединенных любым известным способом частей, первая 15 из которых по ходу движения потока воды часть жестко закреплена между внешним 1 и внутренним 2 корпусами направляющего аппарата параллельно ходу движения потока воды, например, сваркой, а вторая 16 часть закреплена между корпусами с возможностью поворота относительно первой 15 части от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата (фиг.3). При этом осуществление поворота второй 16 части лопатки 3 более чем на -20° нецелесообразно, так как приводит к закрытию прохода для воды, а более чем на +20° - нецелесообразно вследствие возрастания расхода воды и резкого увеличения гидравлического сопротивления. Это может привести к необходимости определения нового расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата для сохранения высокого КПД. Нецелесообразно также поворачивать лопасти 5 рабочего колеса (фиг.5) более чем на -20°, так как это приводит к закрытию прохода для воды, и более чем на +20°, так как при этом возрастает расход воды и происходит резкое увеличение гидравлического сопротивления, приводя к необходимости определения нового расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса. При этом угол установки лопаток направляющего аппарата образован осью второй части 16 лопатки 3 и горизонтальной осью вала 7. Угол установки лопасти рабочего колеса образован осью лопасти 5 рабочего колеса и горизонтальной осью вала 7. Расчетные положения углов установки лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса соответствуют оптимальному КПД при определенных напорах и расходах воды. В частности, на фиг.3 и 5 показаны расчетные положения обоих углов установки, равные 0. Элемент крепления 17, например, болт, второй 16 части каждой из лопаток 3 направляющего аппарата к внешнему 1 корпусу направляющего аппарата размещен вблизи места соединения двух частей лопаток 3 для создания оптимальных условий обтекания лопаток 3 и уменьшения гидравлического сопротивления. Рабочее колесо снабжено тремя лопастями 5, равномерно закрепленными на корпусе 6 с помощью крепежных элементов 18, проходящих сквозь него и зафиксированных на наружной поверхности корпуса, в частности, посредством гаек 19 напротив соответствующих им лопастей 5. При этом соединения камеры 4 рабочего колеса с водоотводящей 9 частью и с внешним 1 корпусом направляющего аппарата, а последнего с водоподводящей 8 частью, выполнены герметично посредством фланцев 20. В водоподводящей 9 части выполнено отверстие для вала 7, сваркой соединенное с сальниковыми уплотнениями 21, связанными с подшипниковыми узлами 10. Внутренний 2 корпус направляющего аппарата установлен на валу 7 посредством втулки 22. Водоподводящая 8 часть выполнена изогнутой формы из стальных трубных элементов и конфузоров, соединенных сваркой. Водоотводящая 9 часть в виде диффузора, а также камера 4 рабочего колеса и внешний 1 корпус направляющего аппарата выполнены из стандартных трубных элементов.
Осевая гидротурбина работает следующим образом.
Через водоподводящую 8 часть поток воды подается сначала на лопатки 3 направляющего аппарата, а далее - на лопасти 5 рабочего колеса. После чего вода направляется в водоотводящую 9 часть. При этом энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения вала 7, соединенного с валом 13 электродвигателя 14, который превращает механическую энергию в электрическую.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели приводит к повышению КПД и обеспечивает удобство эксплуатации и обслуживания.