Турбина гидроэлектростанции

Техническое решение относится к области гидроэнергетики, в частности к гидротурбине, и предназначено для преобразования кинетической энергии потока воды; в электрическую энергию.
Из уровня техники известно решение, представляющее собой свободно-поточную поперечно-осевую турбину, содержащую несущую раму, на которой размещены ротор с закрепленными на его валу лопастями крыловидного профиля, подключенный к генератору. Турбина содержит концентратор потока воды в виде двух перегородок проема, торцы которых примыкают с зазором к цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями при вращении ротора. Патент RU на изобретение №2642717, МПК F03B 3/00; F03B 13/00; F03B 17/06, опубликован 25.01.2018.
Общими признаками заявляемого решения и известного аналога являются:
- рама, включающая верхнюю и нижнюю платформы, соединенные между собой;
- между платформами закреплено рабочее колесо с вертикально ориентированной осью;
- рабочее колесо выполнено с возможностью подключения к электрогенератору;
- на раме закреплен концентратор потока воды;
рабочее колесо выполнено в виде ротора с лопастями, установленного на ось, закрепленную на раме с возможностью вращения.
Отличительными признаками заявляемого решения являются:
- концентратор выполнен из щитов, установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса;
- на раме закреплен экран;
- рабочее колесо выполнено в виде неподвижной оси, установленной на раме, с закрепленным на ней с возможностью вращения ротора с лопастями.
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность установки, поскольку концентратор, выполненный в виде двух перегородок проема не достаточно усиливает напор воды. Кроме того, в турбине отсутствуют средства преодоления сопротивления потока воды.
Известно техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой гидроэнергетическую установку, содержащую корпус, включающий верхнюю и нижнюю стенки в виде платформ, на которых закреплены оси роторов с лопастями и боковые стенки в виде рам, соединяющих платформы. Роторы, подключены к генераторам и перпендикулярны относительно направления потока воды. Вход корпуса выполнен коническим, в виде воронки, для усиления напора воды. Также к корпусу закреплены ограничители, покрывающие части роторов с лопастями, выполняющие функцию экранов, регулирующих поток воды внутри канала и предотвращающих вращение роторов в обратную сторону. Патент СА на изобретение №2683450, МПК F03B 17/06; F03B 7/00, опубликован 23.10.2008.
Общими признаками заявляемого решения и известного аналога являются:
- рама, включающая верхнюю и нижнюю платформы, соединенные между собой;
- между платформами закреплено рабочее колесо с вертикально ориентированной осью;
- рабочее колесо выполнено с возможностью подключения к электрогенератору;
- на раме закреплен концентратор потока воды;
- на раме закреплен экран;
рабочее колесо выполнено в виде ротора с лопастями, установленного на ось, закрепленную на раме с возможностью вращения.
Отличительными признаками заявляемого решения являются:
- концентратор выполнен из щитов, установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса;
- рабочее колесо выполнено в виде неподвижной; оси, установленной на раме, с закрепленным на ней с возможностью вращения ротора с лопастями.
В известном техническом решении концентратор выполнен в виде сужающегося в сторону роторов конуса. Такое сужение недостаточно усиливает напор воды и, следовательно, имеет низкую эффективность.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении эффективности, устройства. турбины электростанции.
Технический результат достигается тем, что в турбине гидроэлектростанции, содержащей раму, включающую верхнюю и нижнюю платформы, соединенные между собой, с закрепленным между ними рабочим колесом с вертикально ориентированной осью, выполненным с возможностью подключения к электрогенератору, при этом на раме с одной стороны закреплен концентратор потока воды, а с другой стороны экран, согласно заявляемому решению концентратор выполнен из щитов, установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса. Рабочее колесо может быть выполнено в виде неподвижной оси, установленной на раме, с закрепленным на ней с возможностью вращения ротора с лопастями или в виде ротора с лопастями, установленного на ось, закрепленную на раме с возможностью вращения. Экран может быть выполнен в виде цельной конструкции с рамой или в виде самостоятельного элемента.
Концентратор, выполненный из щитов, установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса, способствует направлению и усилению напора воды в суженных тангенциальных каналах, образованных щитами, за счет увеличения ее давления и оптимизации угла атаки лопастей ротора. Таким образом ускоряется вращение рабочего колеса и, в следствии чего, мощность электрогенератора. Благодаря такой конструкции концентратора, турбина может быть установлена даже в водоемах со слабым течением, осуществляя при этом эффективную работу.
Рама турбины гидроэлектростанции включает верхнюю и нижнюю платформы и служит для их соединения, а также для крепления на ней концентратора и экрана. Платформы при этом являются опорным и крепежным основанием оси рабочего колеса.
Рабочее колесо предназначено для преобразования кинетической энергии потока воды во вращательное движение с последующим преобразованием его в электрическую энергию посредством подключенного к нему электрогенератора. Рабочее колесо может быть выполнено в виде неподвижной оси, установленной на раме, с закрепленным на ней с возможностью вращения ротора с лопастями или в виде ротора с лопастями, установленного на ось, закрепленную на раме с возможностью вращения. Лопасти при этом создают вращающий момент рабочего колеса под действием напора воды.
Экран также способствует увеличению мощности турбины, за счет исключения торможения обратным потоком воды набегающих «нерабочих» лопастей, то есть снижает сопротивление вращению рабочего колеса.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с Помощью фигур, на которых условно представлен один из возможных вариантов исполнения турбины гидроэлектростанции.
На фиг. 1 представлен вид сверху турбины.
На фиг. 2 представлен боковой вид Турбины.
На фиг. 1-2 изображена турбина (1) гидроэлектростанции, содержащая раму (2), верхнюю и нижнюю платформы (3), рабочее колесо (4) с вертикально ориентиров энной осью (9), с лопастями (5), концентратор (6) потока воды, выполненный из щитов (7), экран (8).
Далее со ссылками на фигуры описана конструкция турбины (1) гидроэлектростанции.
Турбина (1) содержит раму (2), соединяющую верхнюю и нижнюю платформы (3). Между платформами (3) закреплено рабочее колесо (4) с вертикально ориентированной осью (9).
Рабочее колесо (4) выполнено с возможностью подключения к электрогенератору и может быть выполнено в виде неподвижной оси (9), установленной на раме (2), с закрепленным на ней с возможностью вращения ротора с лопастями (5) или в виде ротора с лопастями (5), установленного на ось (9), закрепленную на раме (2) с возможностью вращения. Параметры лопастей (5), например, их площадь, конфигурация, могут быть рассчитаны исходя из мощности и размеров электрогенератора.
На раме (2) с одной стороны закреплен концентратор (6) потока воды, а с другой стороны экран (8). При этом, концентратор (6) выполнен из щитов (7), установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса (4), образуя таким образом тангенциальные щели или каналы, в которых поток уплотняется, повышается его давление и за счет этого увеличивается скорость потока.
Экран (8) может быть выполнен в виде отдельного элемента, в частности, в виде изогнутого элемента, закрепленного на раме, или выполненного в виде единой конструкции с рамой (2).
Турбина (1) может быть погружена в воду полностью или частично. В конструкции могут быть предусмотрены приспособления для поддержания турбины (1) на плаву, выполненные с заданными параметрами погружения, исходя из вида и способа погружения. Для увеличения полезной мощности, на одной оси (8) могут быть установлены несколько рабочих колес (4), либо на одной раме (2) может быть установлено несколько рабочих колес (4) с концентратором для каждого из них.
Один из предпочтительных вариантов использования заявленной турбины (1) гидроэлектростанции продемонстрирован далее на примере.
Турбина (1) гидроэлектростанции погружается в водоем, например, в реку или морской акваторий, и может закрепляться к опорным конструкциям, объектам естественного происхождения, например, дну, объектам береговой линии любым известным способом. Турбина (1) осью (9) рабочего колеса (4) ориентируется вертикально, так, чтобы поток воды был направлен в концентратор (6).
Поток воды непрерывно проходит через концентратор (6), где его давление увеличивается за счет каналов между щитами (7) и поступает на лопасти (5) рабочего колеса (4), которые, вращаясь, под действием напора воды, создают крутящий момент. Кинетическая энергия вращательного движения рабочего колеса (4) при этом преобразуется в электрическую энергию электрогенератора, который может быть подключен к рабочему колесу.
При этом направление обратного потока воды, который может привести к вращению рабочего колеса (4) в другую сторону, ограничено экраном (8).
Представленные фигуры, описание конструкции и использования турбины гидроэлектростанции не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. В зависимости от назначения, турбина гидроэлектростанции может быть изготовлена разных размеров, цветов и конфигураций.
Турбина гидроэлектростанции характеризуется высокой эффективностью за счет увеличения крутящего момента рабочего колеса под воздействием усиленного напора воды посредством его прохождения между щитов, установленных под углом к окружности вращения рабочего колеса, из которых выполнен концентратор.