Гидравлическая турбина для производства электроэнергии из сточных вод городской канализации

Полезная модель относится к области гидротехники, в частности к гидравлическим турбинам, преобразующим потенциальную энергию сточных вод в канализационной системе в электрическую.
Известны малогабаритные гидротурбины (Смирнов, И.Н., Гидравлические турбины и насосы: учеб. пособие для энерг. и политехнич. вузов / И.Н. Смирнов. - М.: Высшая школа, 1969. - 400 с.), основным недостатком которых является то, что они могут забиваться посторонними предметами, содержащимися в сточных водах, такими как: опавшие листья, ветки, мусор и отходы жизнедеятельности человека, что может привести к потере ее функциональности. В настоящее время использование этих турбин возможно только при установке фильтра перед гидравлической турбиной. Это позволит удалить из сточных вод посторонние предметы, однако такое оборудование увеличивает стоимость эксплуатации данных турбин.
Указанный недостаток частично устранен в гидротурбине, включающей в себя горизонтальный вал с расположенными вокруг него криволинейными лопастями (патент РФ №2146336 от 10.03.2000, «Гидравлическая турбина с водовводом», МПК F03B 13/00).
Недостатком указанной конструкции является то, что она не в полной мере решает проблему прилипания волокон, содержащихся в сточных водах, к частям турбины. В связи с более широкой ориентацией на использование в энергетике вторичных ресурсов, вода которых сильно загрязнена не только твердыми включениями, но и бытовыми, и пищевыми отходами, применение указанной турбины малоэффективно. Это связано, в частности, с налипанием волокон к лопастям горизонтального вала, содержащихся в бытовых стоках. Вследствие этого может привести к снижению ее производительности.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении надежной работы турбины в экстремальных условиях канализационной системы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что гидравлическая турбина, смонтированная в горизонтально расположенную канализационную трубу, содержит трубу, установленную с возможностью вращения вокруг своей центральной оси между двумя неподвижными трубами, рабочее колесо, установленное в трубу и содержащее лопасти конической формы с закругленной передней кромкой, образующие круглую полость вокруг центральной оси рабочего колеса, при этом в первой неподвижной трубе установлены направляющие лопатки, выполненные в виде лопастей конической формы с закругленной передней кромкой, образующие круглую полость вокруг своей центральной оси, при этом центральные оси трубы, рабочего колеса и неподвижных труб находятся на одной линии, а диаметр направляющих лопаток и диаметр рабочего колеса совпадают.
За счет наличия круглых полостей вокруг центральной оси направляющих лопаток первой неподвижной трубы и рабочего колеса, посторонние предметы, содержащиеся в сточных водах, могут проходить через турбину, не блокируя ее работу. Коническая форма лопастей с закругленной передней кромкой направляющих лопаток и рабочего колеса позволяет предотвратить не только попадание твердых частиц, но и налипание посторонних волокон к элементам турбины.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена конструкция турбины;
на фиг. 2 - развернутый вид лопастей рабочего колеса.
Гидравлическая турбина (фиг. 1) содержит трубу 1, установленную с возможностью вращения вокруг ее центральной оси между двумя неподвижными трубами 2 и 3 так, чтобы их центральные оси находились на одной линии. Труба 1 поддерживается подшипниками 4 таким образом, чтобы труба 1 могла вращаться вокруг центральной оси. Рабочее колесо 5, содержащее лопасти конической формы с закругленной передней кромкой и круглую полость вокруг центральной оси турбины, встроено в трубу 1. Направляющие лопатки 6, выполненные в виде конических лопастей с образованием круглой полости вокруг своей центральной оси, устанавливаются на конце неподвижной трубы 2, прямо перед трубой 1. Лопасти направляющих лопаток 6 имеют такой же диаметр, что и диаметр лопастей рабочего колеса 5. Вращательное движение от трубы 1 передается на генератор через ремень 7.
Предлагаемая гидравлическая турбина работает следующим образом.
Поток сточной воды 8, попадая в неподвижную трубу 2, поступает на направляющие лопатки 6, после которых поток 8 закручивается в сторону рабочего колеса 5. Происходит регулирование скорости потока в предколесном пространстве, расхода и развиваемой мощности турбины.
После прохождения направляющих лопаток 6 закрученный в сторону вращения рабочего колеса 5 поток 8 поступает в трубу 1, где, доходя до рабочего колеса 5, передает ему вращательное движение. Благодаря подшипникам 4, поддерживающим трубу 1, и тому, что рабочее колесо 5 встроено в саму трубу 1, последняя приходит в движение совместно с рабочим колесом 5. Вращательное движение 9 трубы 1 передается на генератор через ремень 7, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Поток сточной воды 8, взаимодействующий с коническими лопастями с закругленной передней кромкой рабочего колеса 5 (см. фиг. 2), воздействует на них таким образом, что ось вращения потока совпадает с осью вращения рабочего колеса 5, образовывая крутящий момент 9 благодаря реакции изменившего направления потока сточных вод 8 и возникшей реакцией втекающего в трубу 1 потока 8, достигающего при указанном изменении направления входного потока и его попадании на лопасти рабочего колеса 5 под углом  наибольшей величины. Угол входа потока на лопасти рабочего колеса 5 может находиться в пределах от 60° до 70°. После прохождения рабочего колеса 5 выходной поток отводится через неподвижную трубу 3. Благодаря приданию потоку 8 закрученного направления и наличию круглой полости вокруг центральной оси направляющих лопаток 6 и рабочего колеса 5, посторонние твердые включения, содержащиеся в сточных водах, концентрируются в центре потока и проходят через турбину, не блокируя ее работу. Коническая форма лопастей сводит вероятность налипания отложений на направляющих лопатках 6 и рабочем колесе 5 к минимуму, что обеспечивает надежную и эффективную работу гидравлической турбины в условиях канализационной системы.
По сравнению с прототипом заявленная гидравлическая турбина в полной мере решает проблему прилипания волокон, содержащихся в сточных водах, к частям турбины.
Предлагаемая полезная модель может быть применена в горизонтально расположенной трубе в точке подключения в хозяйственно-бытовой канализационной системе.