ГИДРОТУРБИНА
HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к области производства электрической энергии.
Известное устройство по патенту RU 2162914 наиболее близко подходит к предлагаемому решению.
Известное устройство включает напорный водовод с водозабором в реке и затвором. Напорный водовод имеет уклон, меньший уклона дна реки, и соединяет водозабор с промежуточным резервуаром, из которого берет начало напорный водовод активной турбины, связанной с валом генератора. В промежуточном резервуаре между вводом напорного водовода и входом в водовод турбины установлен успокоитель потока, выполненный в виде стенки с отверстиями. Каждый ковш рабочего колеса турбины выполнен в виде двух расходящихся под углом гнутых желобов и закреплен на рабочем колесе с возможностью поворота вокруг оси своего крепления. Известное устройство позволяет уменьшить емкость промежуточного уравнительного резервуара без нарушения процессов его наполнения и опорожнения и повысить эффективность активных ковшовых турбин при их использовании для получения электроэнергии от малых рек.
Недостатками известного устройства являются наличие промежуточного уравнительного резервуара, наличие сопловой системы подачи воды и успокоителя потока, в котором перемещаются ковши, преодолевая сопротивление воды.
Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и разработка конструкции проточного тракта турбины, и рабочего колеса турбины и ковшей с привязкой к проточному тракту.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что гидротурбина включает водовод, соединенный с верхним и нижним кожухами, внутри которых расположено рабочее колесо, с установленными равномерно на диске ковшами, выполненными из неразъемно-соединенных друг с другом двух одинаковых металлических листов с образованием между ними угла меньше 180° и ребра жесткости с противоположной стороны, причем в центре каждого листа выполнено сквозное отверстие, а вал рабочего колеса турбины расположен на правой и левой скрепленных между собой железобетонных опорах колонн статора, уплотнительные стенки которого, внутренние поверхности кожухов и кольца, закрепленные на колоннах статора и закрывающие диск колеса, формируют канал прямоугольного сечения тороида.
Устройство иллюстрируется следующими чертежами:
фиг.1 - схема гидротурбинной установки;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
фиг.3 - схема соединения ковшей с рабочим колесом;
фиг.4 - вид Б на фиг.2;
фиг.5 - вид В на фиг.2.
Заявляемое устройство состоит из следующих элементов:
На фиг.1-2 представлены: 1 - водовод, 2 - рабочее колесо турбины, 3 - верхний кожух рабочего колеса, 4 - ковш, 5 - вал рабочего колеса, 6 - нижний кожух, 7 - левая колона статора, 8 - правая колона статора, 9 - уплотняющая стенка, 10 - ограждение водосброса, 11 - кольцо.
На фиг.3-5 представлены: 12 - соединительная шпилька.
Устройство работает следующим образом. Вода из верхнего бьефа по водоводу 1 подводится к рабочему колесу турбины и из него выпускается в нижний бьеф.
В рабочем колесе 2 (фиг.1-2) турбины энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения вала рабочего колеса 5, от которого приводится во вращение ротор электрогенератора, преобразующий механическую энергию в электрическую (на фигуре не приведен).
Основными элементами турбинной установки являются рабочее колесо турбины 2, насаженное на вал рабочего колеса 5 и вращающееся между кожухами 3 и 6, закрывающими рабочее колесо с наружной стороны, и кольцами 11 с внутренней стороны, которые закрывают поверхности диска рабочего колеса. Рабочее колесо 2 устанавливается выше уровня воды в нижнем бьефе.
Рабочее колесо 2 (фиг.1-2) состоит из диска с ковшами 4. Рабочая поверхность ковша 4 (см. фиг.3-5) выполнена из двух одинаковых листов, соединенных под углом меньше 180°, с образованием в месте соединения ребра жесткости. Для соединения ковша с рабочим колесом служит шпилька 12, приваренная с краю в месте соединения листов, перпендикулярно их кромке. Ковши устанавливаются равномерно по окружности колеса.
Между кожухами 3 и 6, уплотнительными стенками 9 и кольцами 11, прикрепленными к колоннам статора, образуется канал прямоугольного сечения для прохождения ковшей 4. При натекании струи на рабочую поверхность ковша 4 происходит преобразование энергии воды в механическую энергию вращения рабочего колеса 2 турбины. Вода, попадая из водовода на рабочую поверхность ковша, перемещается вместе с ним к водосбросу.
Для отвода излишней воды в ковшах предусмотрены сквозные отверстия, расположенные в центральной части образующих его листов. При выталкивании воды к водосбросу ребро жесткости ковша 4 рассекает поток воды, снижая вероятность возникновения гидроударов. Ковши 4, освободившись от воды, перемещаются по каналу прямоугольного сечения, но уже в свободном пространстве без воды. Таким образом, образуется непрерывный тороидальный канал прямоугольного сечения для прохождения ковшей 4 рабочего колеса 2. Кольца 11 закрывают пространство канала прямоугольного сечения от излишней воды, которая может поступать к плоскости диска рабочего колеса 2.
Ковши 4 крепятся к краю диска рабочего колеса 2 с помощью шпилек 12, приваренных к ковшам.
Основание гидротурбины состоит из левой и правой железобетонных колонн статора 7 и 8. На опорах этих конструкций монтируется вал рабочего колеса турбины с выходом на электрогенератор. Между колоннами 7 и 8 монтируется канал прямоугольного сечения, сформированный уплотнительными стенками 9, кольцами 11 и кожухами 3 и 6. Железобетонные колонны соединены между собой и с кожухами гидротурбины болтовыми соединениями.
Таким образом, достоинством предлагаемого устройства является компактность гидротурбины в связи с тем, что используется канал прямоугольного сечения. Для устранения гидравлических ударов по ковшу о струю воды предусмотрены отверстия и ребро жесткости, образованное поверхностями ковша.
Предполагаемая гидротурбина по сравнению с существующими конструктивно проста и дешева в изготовлении и эксплуатации и предназначена для мини-ГЭС. В результате повышается мощность гидротурбины за счет более полного использования энергии воды в предлагаемом цилиндрическом канале с прямоугольным сечением.
Для вращения рабочего колеса используются следующие виды энергии воды:
<mrow><mfrac><mi>p</mi><mrow><mi>ρ</mi><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
1) энергия давления
, где p - давление воды, ρ - удельная плотность воды, g - ускорение свободного падения;
1
2
1
2
2) потенциальной энергии z=z-z, где z - уровень верхнего бьефа воды, z - уровень нижнего бьефа воды;
<mrow><mfrac><mrow><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
3) кинетической энергии
, где ν - скорость движения воды.
Турбина обеспечивает превращение энергии воды в энергию вращения вала при низких и средних напорах и предназначена для привода электрогенератора ГЭС и других машин и механизмов.
Технический результат использования изобретения заключается в следующем:
1. Увеличение мощности ввиду более полного использования энергии потока воды из-за конструктивных особенностей ковша и канала прямоугольного сечения тороидальной формы.
2. Простота конструкций и компактность ввиду исключения узлов: промежуточного уравнительного резервуара, сопловой системы подачи воды и успокоителя потока.
3. Повышение долговечности гидротурбины ввиду отсутствия при работе гидроударов.