ПРОТОЧНАЯ БЕСПЛОТИННАЯ ГИДРОТУРБИНА
FLOWING DAMLESS HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к области малой гидроэнергетики, а конкретнее к проточным бесплотинным микрогидроэлектростанциям, предназначенным для преобразования речного потока в электроэнергию при использовании гидротурбин, погруженных в воду мелких рек и ручьев.
Известна русловая бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая установленный в потоке вдоль берега реки водозаборный канал в виде открытого сверху короба, гидроэнергетическую установку в виде лопастной гидротурбины, расположенной на горизонтальной оси и оптимально погруженной в воду, при этом гидроагрегат установлен на двух противоположно расположенных бетонных основаниях или на понтоне. Предохранительное ограждение состоит из бетонных свай, забитых на дно реки (патент РФ №2131993, МПК F03B 13/00, опубл. 20.06.1997 г.).
Однако данная установка характеризуется наличием большого количества строительно-монтажных работ (бетонирование береговой стенки и стенки потока, монтаж стенки-разделителя и т.д.), кроме этого, для производительной работы данной гидроэлектростанции необходим мощный поток воды, что делает невозможным ее использование на малых реках и, тем более, ручьях.
Известна сдвоенная бесплотинная гидротурбина Федчишина В.Г., включающая понтонную платформу, удерживаемую под водой в растяжку тросами, несущую стойку и соосные роторы с лопастями, кинематически связанные коническими шестернями с валом преобразователя энергии и имеющие однонаправленное вращение, при этом роторы с лопастями размещены под водой, а лопасти выполнены сдвоенными. Роторы размещены на консолях обтекаемой формы, расположенных по обе стороны от несущей стойки. Герметизированный подводный генераторный корпус снабжен баллоном со сжатым воздухом и редуктором (патент РФ №2109165, МПК F03B 13/12, опубл. 20.04.1998 г. - прототип).
Однако такие конструктивные решения в виду большого количества кинематических связей усложняют конструкцию и снижают ее надежность. Кроме этого, установка характеризуется наличием большого количества строительно-монтажных работ, необходимостью герметизации вращающихся валов роторов и регулярного контроля механизмов на предмет смазки конических и иных передач и контроля протекания. Следует отметить также то, что полностью погруженные в воду лопастные гидротурбины при одинаковых габаритных размерах имеют меньшую эффективность, чем с частично погруженными водяными колесами, а также не исключают возможности заклинивания поворотных лопаток крупногабаритным мусором. В связи с вышесказанным использование данной гидротурбины на малых реках и ручьях для энергоснабжения индивидуальных потребителей или фермерских хозяйств экономически нецелесообразно.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является упрощение конструкции гидротурбины, уменьшение ее габаритов и обеспечение возможности ее эффективного использования на малых реках и ручьях для энергоснабжения индивидуальных и фермерских хозяйств.
Указанный технический результат достигается тем, что проточная бесплотинная гидротурбина состоит из понтона с несущей стойкой, на которой посредством роликовых опор соосно закреплены парные наклонные роторы, выполненные в виде валов с лопастями. Роторы посредством шарнирных муфт взаимно связаны с валом отбора мощности и через звездочку, жестко закрепленную на нем, с мультипликатором и энергоблоком, причем угол наклона роторов и угол сопряжения боковых кромок лопастей с осью вала ротора равны и находятся в пределах 45-60°. Шарнирные муфты в каждой паре роторов установлены со смещением 90°, а лопасти одного ротора развернуты относительно лопастей другого на ½ угла между лопастями.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами:
- Фиг.1 - схема механизма;
- Фиг.2 - вид на ротор по стрелке А;
- Фиг.3 - вид на ротор по стрелке Б;
- Фиг.4 - вид гидротурбины сверху;
кр
- Фиг.5 - графики изменения крутящего момента (М) и угловой скорости (W) (в процентном отношении) одного четырехлопастного ротора с углом наклона ротора в 45° за поворот лопастей на 180°.
Проточная бесплотинная гидротурбина состоит из герметично выполненного в виде обоюдоострой лодки понтона 1, который при помощи канатов 2, закрепленных ко дну или берегу, фиксируется в требуемом положении. Глубина погружения всей конструкции регулируется песком, засыпаемым в отсеки понтона 1. На понтоне 1 смонтированы несущие стойки 3, в роликовых опорах 4 (или подшипниковых цапфах) которых закреплены наклонные роторы, выполненные в виде валов 5 с лопастями 6. Валы 5 роторов посредством шарнирных муфт 7 соединены с валом отбора мощности 8, с жестко закрепленной на нем звездочкой 9, которая посредством цепной передачи связана с мультипликатором и энергоблоком (на чертеже не показаны). Шарнирные муфты 7 в каждой паре роторов устанавливаются (с целью снижения неравномерности) со смещением на 90°. Оптимальный угол наклона роторов от вертикали (в плоскости перпендикулярной потоку воды) выявлен в ходе экспериментов и составляет 45-60°. Наклонное положение роторов позволяет вывести из-под воздействия воды все кинематические связи роторов, не прибегая к увеличению диаметров окружностей лопастей. Боковые кромки лопастей расположены под углом к оси вала 5 ротора, при этом их угол наклона равен углу наклона ротора и составляет 45-60°. Равенство углов наклона боковых кромок лопастей относительно оси вала 5 ротора и угла наклона ротора обусловлено двумя причинами, а именно, минимальным боковым зазором между боковыми кромками лопасти 6 и бортом понтона 1, что предопределяет использование оптимально короткого вала ротора, в то время как длинный вал характеризуется в процессе работы большим изгибающим моментом, вибрацией и высокой нагрузкой на опоры. Второй причиной является отсутствие сопротивления движению лопастей, находящихся выше уровня воды. Количество лопастей 6 может изменяться в зависимости от степени неравномерности вращения и необходимости увеличения крутящего момента с одной стороны и возможности прохождения мусора между лопастями - с другой. С целью снижения неравномерности вращения вала 8 отбора мощности лопасти 6 в каждой паре роторов смещены друг относительно друга на ½ угла между лопастями, так при четырехлопастном роторе этот угол равен 45°, при шестилопастном - 30°. При увеличении количества лопастей 6, изображенные на Фиг.5 кривые будут сглаживаться, однако уменьшение угла между лопастями 6 (при увеличении их количества) уменьшает межлопастное пространство и может способствовать их забиванию проплывающим мусором до полной остановки гидротурбины.
Предлагаемая гидротурбина работает следующим образом. Поток воды, огибая носовую часть понтона 1, воздействует на погруженные в воду лопасти 6 роторов, последние, вращаясь под действием потока воды, передают посредством шарнирных муфт 7 вращение на вал 8 отбора мощности и через звездочку 9, через цепную передачу на мультипликатор и энергоблок.
Таким образом, конструктивные особенности заявленной гидротурбины (при наличии решений, обеспечивающих равномерность вращения вала отбора мощности) предопределяют упрощение конструкции, ее малые габариты и возможность эффективного использования гидротурбины на малых реках и ручьях для энергоснабжения индивидуальных и фермерских хозяйств.