ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА
HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидротехнике, в частности к гидравлическим турбинам, преобразующим потенциальную энергию сточных вод в канализационной системе многоэтажных зданий в электрическую.
Известны гидротурбины активного действия (водяные мельницы), ротор которых установлен на горизонтальном валу в виде колеса с несколькими лопастями, закрепленными вокруг него (см. Твайделл Дж., Уэйр А. "Возобновляемые источники энергии", Энергоатомиздат, 1990, с.181). Основным недостатком указанных турбин является то, что они приводятся в работу тихим течением с малой объемной мощностью воды, текущей по лотку с речных плотин. В настоящее время возможности строительства таких плотин исчерпаны, так как при этом затапливаются все более дефицитные земли сельскохозяйственного назначения.
Указанный недостаток частично устранен в гидротурбине, ротор которой выполнен из дисков с размещенными между ними лопастями, образующими ковши (патент РФ №2146336, МПК F03B 1/00). Недостатком указанной конструкции является то, что она не решает проблему дефицита воды, необходимой для выработки электроэнергии, хотя и имеет более высокий коэффициент полезного действия. В связи с более широкой ориентацией на использование в энергетике вторичных ресурсов, вода которых сильно загрязнена твердыми включениями (в частности, потенциальной энергии сточных вод в многоэтажных зданиях), применение указанной турбины малоэффективно. Это связано, в частности, с отложением внутри ковшей твердых компонентов, содержащихся в бытовых стоках. Вследствие этого может произойти разбалансировка турбины и сбой в ее работе.
Задача изобретения - эффективное использование энергии сточных вод.
Данная задача решена в гидравлической турбине, смонтированной внутри вертикального водовода, содержащей ротор с горизонтальным валом и лопастями, расположенными вокруг него, согласно изобретению, водовод представляет собой часть канализационного стояка с большим и малым локальными карманами, расположенными в плоскости вращения лопастей турбины, причем половина лопастей находится внутри большого кармана, при этом оппозитная по отношению к оси вращения стенка большого кармана представляет собой дугу окружности, переходящую в нижней части в наклонную прямую, а в верхней - в козырек с отрицательными углами наклона поверхности, обращенной к турбине, лопасти которой имеют криволинейный профиль и сориентированы за пределами большого кармана выпуклостью вверх.
Устойчивость работы в экстремальных условиях сточного коллектора обеспечивается за счет того, что при взаимодействии с козырьком поток меняет свое направление и воздействует на лопасть под углом, не позволяющим твердым включениям откладываться на лопастях вблизи оси вращения и попадать внутрь кармана. Форма лопастей и центробежная сила позволяют элементам турбины самоочищаться в процессе работы.
Таким образом, именно совокупность признаков изобретения, отличающих его от прототипа, обеспечивает достижение технического результата - надежную работу турбины в экстремальных условиях канализационного коллектора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая компоновка устройства, на фиг.2 - конструкция турбины и карманов, на фиг.3 - взаимодействие потока воды, отражающегося от козырька, с лопастью турбины.
Гидравлическая турбина (фиг.1, 2) включает канализационную трубу 1, в поперечном сечении которой выполнены большой карман 2 и малый карман 3. Внутрь большого кармана 2 входит вал турбины 4, на котором смонтированы лопасти 5, имеющие криволинейную форму и сориентированные в рабочей зоне (внутри канализационной трубы) выпуклостью вверх. Оппозитная по отношению к валу 4 стенка кармана 6 выполнена в виде дуги окружности и переходит в нижней части в наклонную поверхность 7, угол наклона которой больше предельного угла сцепления твердых включений, содержащихся в сточных водах, с ее материалом. В верхней части она переходит в козырек 8, выходящий за пределы большого кармана 2 внутрь трубы 1. Оппозитная по отношению к оси вращения стенка малого кармана 3 выполнена в виде дуги окружности. Вал турбины 4 соединен с генератором 9 (Фиг.1).
Предлагаемая гидравлическая турбина работает следующим образом. Поток сточной воды 10, падая на лопасти 5, сообщает вращательные движения валу 4 турбины по стрелке 11. Вал 4 вращает ротор генератора 9, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Поток сточной воды 10, взаимодействующий с периферийной частью лопастей 5, воздействует на них под углом, близким к 90°. В связи с этим достигается максимальный крутящий момент на валу 4. Кроме того, сводится к минимуму вероятность отложения осадков вблизи вала 4, поскольку центробежная сила и сила тяжести способствуют самоочищению лопастей 5 в нижней части траектории их движения. В связи с высокой степенью вязкости твердых включений, входящих в состав сточных вод, самоочищение лопастей 5 может продолжаться и после входа их внутрь большого кармана 2. При этом падающие с лопастей фрагменты твердых включений попадают на наклонную поверхность 7 стенки 6 большого кармана 2 и сползают по ней в нижнюю часть трубы 1. Часть потока сточной воды 12, движущаяся вблизи диаметрально противоположной по отношению к потоку 10 стенки трубы 1, взаимодействуя с козырьком 8, изменяет направление (по стрелке 13, Фиг.3). В связи с этим взаимодействие потока с лопастью 5 происходит под острым углом α к нормали 14, проведенной к верхней поверхности лопасти. Поэтому отраженный от лопасти поток 15 направляется на стенку трубы 1 в области малого кармана 3, по поверхности которого стекает в нижнюю часть трубы 1 или взаимодействует повторно с лопастями 5. Таким образом, зона вблизи вала 4 надежно защищена от отложения твердых включений, содержащихся в сточных водах, что обеспечивает надежную и эффективную работу гидравлической турбины.