ГИДРОТУРБИНА С САМОЗАКРЫВАЮЩИМИСЯ ЛОПАСТЯМИ
HYDRAULIC TURBINE WITH SELF-CLOSING BLADES

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно может быть использовано в качестве гидротурбины электростанции малой, средней мощностей, и даже большой мощности при установке комплекса гидроагрегатов.
Известна гидротурбина с самозакрывающимися лопастями /RU 2010125800 А МПК F03B 17/06, опубликованная 27.12.2011/, содержащая вал, к которому присоединены оси лопастей, при этом к осям лопастей при помощи шарнира присоединены пластины, к верхней и нижней частям пластин присоединены створчатые пластины, соединенные между собой и пластинами, насаженными на ось, при помощи шарниров, к оси лопасти присоединен держатель угла поворота, содержащий рамку, жестко соединенную с осью лопасти, по которой одним концом перемещаются рычаги, соединенные валом, при этом другие концы рычагов присоединены при помощи шарниров к пластинам лопасти, лопасти и вал гидротурбины устанавливаются в потоке жидкости вертикально или горизонтально.
Недостатком данной гидротурбины является высокий износ и деформация деталей и узлов лопасти, вследствие ударных процессов при открывании лопасти.
Задачей изобретения является создание гидротурбины с самозакрывающимися лопастями при осуществлении которой достигается технический результат, заключающийся в уменьшении ударных процессов.
Указанный технический результат достигается тем, что гидротурбина с самозакрывающимися лопастями содержит вал и ряд идентичных между собой лопастей, которые образуют по меньшей мере одно рабочее колесо, указанные лопасти соединены с валом при помощи осей и состоят из ряда пластин и держателя угла поворота, при этом две прямоугольные пластины прикреплены к оси, установленной на валу, при помощи подшипников, к нижней и верхней части прямоугольных пластин лопасти присоединены по две треугольных пластины, которые соединены между собой и прямоугольными пластинами при помощи осей и подшипников, внутри лопасти установлен держатель угла поворота, содержащий рамку, которая жестко присоединена к оси, установленной на валу, по рамке при помощи подшипников одним концом перемещаются рычаги, которые соединены между собой осью, другими концами рычаги присоединены к соответствующим прямоугольным пластинам при помощи шарниров, внутри рамки по углам установлены две пружины.
На фиг.1 изображено «рабочее колесо» гидротурбины, стрелками показано направление движения потока жидкости.
На фиг.2 изображена лопасть гидротурбины, вид спереди.
На фиг.3 изображена лопасть гидротурбины, разрез по А-А, в закрытом состоянии.
На фиг.4 изображена лопасть гидротурбины, вид сверху.
На фиг.5 изображена лопасть гидротурбины, вид снизу, стрелками показано направление движения потока жидкости.
На фиг.6 изображены рычаги держателя угла поворота.
На фиг.7 изображен держатель угла поворота.
Гидротурбина содержит вал 1, на котором при помощи идентичных осей 2 перпендикулярно установлены лопасти 3, 4, 5, 6 (фиг.1). Четыре лопасти 3, 4, 5, 6, установленные на валу 1, образуют «рабочее колесо» (фиг.1). Каждое последующее, установленное «рабочее колесо» сдвинуто по направлению вращения вала 1 на угол относительно первого «рабочего колеса», в зависимости от технических параметров гидротурбины, например плавность хода. Например, на фиг.1 «рабочее колесо» образовано лопастями 3, 4, 5, 6, которые установлены со сдвигом на угол θ=90° в сторону вращения вала 1 (фиг.1), относительно предыдущей лопасти, тем самым обеспечивая поддержание максимальной мощности давления потока жидкости оказываемого на одну лопасть, например лопасть 3.
Лопасти 3, 4, 5 и 6 гидротурбины идентичны, поэтому далее представлено описание конструкции одной из лопастей, например лопасти 3.
Лопасть 3 - сборная конструкция, состоящая из соединенных между собой пластин 7, 8, 9, 10, 11, 12 и держателя 13 угла поворота (фиг.2, 3, 4, 5). Для фиксации лопасти 3 на оси 2, служат шайбы 14 и 15, ограничивающие перемещение лопасти 3 вдоль оси 2 (фиг.3). Пластины 7 и 8, прямоугольной формы, одной стороной прикреплены к оси 2 при помощи подшипников качения или скольжения, для возможности поворота по оси 2 (фиг.3). К нижней части лопасти 3, ближе к валу 1, к пластинам 7 и 8 присоединены треугольные пластины 11 и 12 при помощи подшипников и осей 19, 20 соответственно (фиг.2, 3, 5). Пластины 11 и 12 соединены между собой при помощи подшипников и оси 21 (фиг.2, 5). К верхней части лопасти 3, наиболее отдаленной от вала 1, к пластинам 7 и 8 присоединены треугольные пластины 10 и 9 при помощи подшипников и осей 16, 17 соответственно (фиг.2, 3, 4). Пластины 10 и 9 соединены между собой при помощи подшипников и оси 18 (фиг.2, 4). Таким образом, в открытом состоянии лопасть 3 будет иметь, например, форму ковша, а в закрытом - параллелепипеда.
Для уравновешивания давления на пластины 7 и 8, поступающего от потока жидкости, а также для удержания лопасти 3 перпендикулярно потоку (фиг.5) служит держатель 13 угла поворота (фиг.2, 3). Держатель 13 угла поворота выполнен в виде рамки 22, установленной между пластинами 7, 8 внутри лопасти 3 и жестко соединенной с осью 2 (фиг.3, 7). Внутри рамки 22, при помощи подшипников 23, перемещаются рычаги 24 и 25 (фиг.2, 3, 6, 7), соединенные одним концом между собой осью 26 (фиг.2, 3, 7). Таким образом, перемещение рычагов 24, 25 ограничивается только вдоль рамки 22. Другим концом рычаг 24 соединен с пластиной 7 при помощи шарнира 28 (фиг.2, 3, 6), рычаг 25 соединен с пластиной 8 при помощи шарнира 29 (фиг.2, 6), удерживая лопасть перпендикулярно потоку жидкости (фиг.5). Для уменьшения ударных процессов, возникающих при открытии лопасти 3 гидротурбины, внутри по углам рамки 22 установлены две пружины 27 (фиг.3, 7), являющиеся демпфером.
Гидротурбина с самозакрывающимися лопастями работает следующим образом. Под воздействием течения жидкости, как показано стрелками (фиг.1, 5), на переднюю часть лопасти 3, она начинает открываться (фиг.2). После открытия, лопасть 3 при помощи оси 2, установленной на валу 1 гидротурбины, передает силу давления от внутренних стенок лопасти 3 валу 1, который приходит во вращение.
При открытии лопасти 3, пластины 7, 8, 9, 10, 11, 12 будут препятствовать перемещению потока жидкости, возникает турбулентность. Давление у передней части лопасти 3 будет повышено, а с другой - понижено. Вследствие этого происходит резкий удар жидкости на переднюю часть лопасти 3. Резкое открытие лопасти 3 приводит к ударным процессам в узлах и деталях, увеличивая износ и деформацию. Для уменьшения ударных процессов служат пружины 22 (фиг.3, 7), которые смягчают удар жидкости о переднюю часть лопасти 3, и делают открытие лопасти 3 более плавным.
Так как давление потока жидкости не равномерно давит на пластины 7, 8, 9, 10, 11, 12, из-за не равномерного распределения скорости и плотности жидкости в потоке, для предотвращения проворачивания лопасти 3 по оси 2 служит держатель 13 угла поворота, который удерживает рычагами 24, 25 и рамкой 22 пластины 7, 8.
Лопасть 5, расположенная по другую сторону вала 1 от лопасти 3 (фиг.1), будет испытывать давление потока жидкости на заднюю часть, что обеспечит ее закрывание, тем самым создавая минимальное сопротивление потоку жидкости. Лопасти 4, 6 работают аналогично.