ГИДРОТУРБИНА
HYDROTURBINE

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для преобразования энергии водных потоков рек в электрическую энергию.
Изобретение может быть использовано для преобразования энергии неглубоких от 1 метра водных потоков с небольшими скоростями в электроэнергию для энергоснабжения некоторых объектов предприятий сельского хозяйства и других малых форм хозяйственной деятельности, расположенных вдоль водных потоков, например, малых рек.
Известны гидротурбины гидроэлектростанций, предназначенные для использования в потоках, в которых течение воды происходит с большими скоростями, что предусматривает строительство дорогостоящих платин, которые помимо больших финансовых затрат наносят определенный вред экологии. В России насчитывается свыше 2,5 млн рек. Из них большую часть составляют малые реки с небольшими скоростями течения и с небольшой глубиной, но имеющие достаточную ширину. Большинство населенных пунктов расположено именно вдоль таких равнинных рек. Для развития сельского хозяйства и электроснабжения некоторых объектов, особенно при расположении далеко от источников электроэнергии, но при наличии рек с малыми скоростями возможность использования небольших установок с оптимальным использованием кинетической энергии потока становится наиболее выгодным.
Известно, что для более эффективного отбора энергии от водного потока необходимо иметь возможность менять угол установки лопастей гидротурбины по отношении к потоку. От выбора оптимального угла установки, во многом зависит эффективность гидротурбины [Осевая гидротурбина новой конструкции и стенд для моделирования проточных частей гидротурбин. Иванов В.М., Иванова Т.Ю., Стоян И.А., Пчелинцев С.Г. Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2011. №4. С. 102-106].
Известна гидротурбина в виде рабочего колеса в составе гирляндной гидротурбины в описании полезной модели №117520, которое содержит несущий каркас, выполненный в виде поплавка, образованного двумя полыми конусами, связанными между собой основаниями. На боковой поверхности поплавка равномерно закреплены лопасти.  Внутри поплавка между вершинами конусов установлен трубчатый элемент, в котором пропущен силовой соединительный трос. Для фиксации рабочего колеса на силовом соединительном тросе на концах трубчатого элемента расположены крепежные приспособления. Недостатками такого рабочего колеса является неэффективное воздействие потока на площадь лопасти ввиду воздействия крутящего момента, создаваемого лопастями на сам поток и смещение потока к концам лопасти перетекание потока на концевой кромке лопастей. Для его эффективной работы необходимы достаточно высокие скорости водного потока.
Известно устройство для преобразования кинетической энергии подвижных сред в механическую энергию в описании патента на полезную модель №76991 (F03D 9/00 (2006.01)). Устройство содержит винт с лопастями, механически связанный с подвижным валом, содержит вспомогательный винт, который прикреплен в центре основного винта для увеличения крутящего момента. Лопасти основного и вспомогательного винтов с переменной толщиной - постепенным утолщением к корню установлены под углом 45° к потоку. Этот угол фиксирован и не может быть изменен для более эффективного отбора энергии в случае изменения параметров потока. Этому устройству присущи также недостатки предыдущего устройства.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является гидротурбина, предназначенная для микро гидроэлектростанции (описание к изобретению по патенту RU №2525776, МПК F03B 17/06, F03B 13/12), содержащая изогнутые по конической винтовой линии или по конической логарифмической спирали лопасти, одни концы которых установлены внутри кожуха и установленного внутри кожуха вала в виде втулки с центральным отверстием, а другие концы лопастей - на крестовине, так что каждая пара противолежащих лопастей укреплена на одной из частей крестовины. Гидротурбина может быть связана с валом генератора, установленного, например, на понтоне с якорным шестом, с помощью гибкого вала.
Недостатком данного изобретения является то, что лопасти закреплены неподвижно по отношению друг к другу, что делает невозможным эффективно использовать каждую из лопастей, меняя ее положение относительно потока. Кроме того, конфигурация лопастей достаточно сложна в изготовлении.
Задачей изобретения является разработка мобильной, компактной, эффективной простой в изготовлении гидротурбины для микро гидроэлектростанции.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение изготовления конструкции гидротурбины, повышение эффективности ее работы в руслах малых рек с небольшими скоростями потоков.
Этот технический результат достигается тем, что гидротурбина для микро гидроэлектростанций, включающая закрепленные с двух торцов лопасти, один из которых закреплен на валу, в соответствии с изобретением, содержит две конгруэнтно установленные друг относительно друга кольцевые насадки с разными диаметрами, выбранными из условия вхождения одной части в другую, причем на внутренней поверхности насадки меньшего диаметра жестко закреплены штыри, на каждом из которых шарнирно закреплена с возможностью вращения вокруг своей продольной оси одна из лопастей, установленных на валу, расположенном внутри этой насадки, при этом на каждой из шарнирно закрепленных внутри меньшей насадки лопасти на линии пересечения плоскости торца этой лопасти, противолежащего по отношению к торцу, закрепленному на валу, с плоскостью задней кромки этой же лопасти жестко установлен штырь, соединенный с шарниром, жестко установленным на внутренней поверхности насадки большего диаметра.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 дана схема продольного разреза гидротурбины с подсоединением ее к генератору, на фиг. 2 показан общий вид гидротурбины. Гидротурбина содержит направляющую насадку, состоящую из двух конгруэнтно установленных кольцевых насадок 3, 4. Причем диаметр одной из насадок 4 больше диаметра другой насадки 3, при этом насадка 4 с большим диаметром выполнена с возможностью продольного движения относительно насадки 3 с меньшим диаметром. На внутренней поверхности насадки 3 меньшего диаметра жестко закреплены штыри 2, на каждом их которых шарнирно закреплена с возможностью вращения вокруг оси поворота лопасти 1 одна из лопастей 1 гидротурбины, установленных на валу вращения 6. Таким образом, вал 6 вместе с лопастями 1 расположен внутри насадки 3. Причем, на каждой из шарнирно закрепленных внутри меньшей насадки 3 лопасти 1 на линии пересечения плоскости торца лопасти с плоскостью задней кромки лопасти жестко установлен штырь 5, с которым шарнирно соединена насадка 4 большего диаметра. Гидротурбина установлена в потоке с помощью средства для ее установки, которое может представлять собой опору 8, на которой в подшипниках 9 установлен вал  6 гидротурбины, соединенный с генератором 7.
Гидротурбина работает следующим образом. Гидротурбину устанавливают в водный поток с помощью опоры 8, закрепляют в грунте и ориентируют по направлению к потоку. Поток воды набегает на гидротурбину и, охваченный кольцевой направляющей насадкой, воздействует на лопасти 1 гидротурбины. Лопасти 1, за счет их обтекания потоком воды и расположения их под некоторым углом к набегающему потоку, вместе с направляющей насадкой, состоящей из кольцевых насадок 3 и 4, приходят во вращательное движение относительно оси вращения вала 6 гидротурбины. Величина крутящего момента, создаваемого при этом, зависит от угла установки лопастей 1. Для получения максимального КПД при преобразовании кинетической энергии потока, необходимо повернуть кольцевую часть направляющей насадки 4 и выполнить продольное перемещение кольцевой насадки 4 относительно кольцевой части  направляющей насадки 3, изменяя при этом угол установки  лопастей 1 гидротурбины, отслеживая показатели мощности потока, например измеряя получаемую силу тока и напряжения на генераторе. Таким образом, добиваются получения максимальной мощности, выдаваемой генератором 7, установленным на валу 6 гидротурбины.
Такая конструкция гидротурбины с направляющей насадкой, состоящей из двух конгруэнтно установленных подвижных кольцевых насадок, позволяет добиться получения максимального КПД в водных потоках рек с различными скоростями, путем изменения угла установки лопастей. Таким образом, увеличивается диапазон эксплуатационных характеристик гидротурбины, и при изменении сезонного водного режима, позволяет получать максимальный КПД. Направляющая насадка, закрепленная вместе с лопастями, усиливает конструкцию гидротурбины, придает жесткость и улучшает гидродинамические характеристики. Улучшение гидродинамических характеристик происходит за счет того, что поток воды, перемещаемый центробежной силой к внутренним поверхностям кольцевых частей, ударяется о неподвижную по отношении к лопастям насадку, и о вращающуюся вместе с лопастями насадку, при этом уменьшается торможение вращающему моменту гидротурбины. Поверхность вращающейся вместе с лопастями направляющей насадки при небольших скоростях водного потока оказывает минимальное сопротивление трению воды. Также при небольших скоростях водного потока, присущих потокам небольших рек, направляющая насадка не позволяет перетекать охваченному им водному потоку через кромки лопастей, таким образом, весь поток, охватываемый направляющей насадкой, участвует в передаче энергии от потока к гидротурбине.