НИЗКОНАПОРНАЯ ОРТОГОНАЛЬНАЯ ГИДРОТУРБИНА

Техническое решение относится к гидроэнергетике, в частности к гидравлическим машинам с роторами, не снабженными проточной камерой, и может быть использовано на приливных электростанциях (ПЭС), низконапорных речных гидроэлектростанциях (ГЭС) не требующих строительства плотины и напорной проточной камеры турбины.
Классические схемы гидравлических турбин - осевые, радиально осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные, диагональные и ковшовые, используемые в гидроэнергетике, имеют ряд недостатков, таких как, низкая удельная мощность, малые обороты вращения, необходимость подъема уровня водохранилища с целью увеличения мощности и выработки электроэнергии, низкий КПД использования воды водохранилища - источника потенциальной энергии, сложность конструкции и обслуживания, высокие массоразмерные характеристики.
Низконапорные ортогональные турбины относятся к реактивным поперечно - струйным типам, имеющим ротор, размещенный в потоке воды внутри напорной проточной камеры, имеющей водоподводящую и водоотводящую части, и изолирующие ротор турбины от общей массы потока приливно - отливной или речной воды. Проточная камера ограничивает размеры ротора, является сложной по конструкции, и для обслуживания не является функционально необходимым элементом турбины.
Известна гидротурбинная установка, содержащая подводящий и отводящий водоводы, турбину с турбинной камерой, соединяющей водоводы, и ротором типа ротора Дарье с валом и лопастями, причем камера выполнена с пересекающимися стенками и по меньшей мере на одной из ее стенок, расположенных вдоль вала ротора, выполнен выступ с острым или прямым углом при вершине, а лопасти выполнены аэродинамического профиля, параллельными валу, вершина выступа направлена к лопастям и смещена относительно поперечной оси камеры поворотом на острый центральный угол с возможностью образования зазора с поверхностью, ометаемой лопастями. На другой стенке камеры, расположенной вдоль вала, выполнен дополнительный выступ, вершина которого смещена относительно поперечной оси камеры в направлении вращения лопастей, по меньшей мере на одной из указанных стенок выполнены дополнительные выступы в виде расположенных вдоль лопастей секций, вершины которых смещены относительно поперечной оси камеры на различные центральные углы. В установке вершины выступов расположены с возможностью образования непрерывной поверхности, в водоводах установлены направляющие элементы. (Патент РФ на изобретение №2044155, опубл. 20.09.1995 г).
Известна также выбранная в качестве прототипа ортогональная турбина, (патент на полезную модель РФ №83545, опубл. 10.06.2008 г.) содержащая ротор в виде рамы, с лопастями крыловидного профиля, жестко установленные соосно с вертикальным валом. Ротор установлен внутри проточной камеры, имеющей водоподводящий и водоотводящий раструбы, направляющие потока к лопастям дифлекторы и вогнутые выступы, верхней частью примыкающие к поверхности цилиндра, ометаемого лопастями отклоняющие пристеночные слои потока с целью интенсификации взаимодействия с лопастями ротора. Все эти элементы: ротор, дефлектор, выступы и сама проточная камера погружены в поток текущей воды. Обтекание крыловидного профиля потоком, организованном внутри проточной камеры потоком создает силу, вращающую ротор, при этом, скорость вращения лопастей в несколько раз превышает скорость набегающего на них потока воды. Отличительная особенность работы ортогональной турбины заключается еще в том, что за каждый оборот ротора происходит двухкратное изменение направления обтекания потока профиля лопасти, но направление вращения ротора ортогональной турбины не зависит от направления потока - ротор всегда вращается в сторону тупого носка крыловидного профиля лопасти. Эта особенность делает целесообразным применение ортогональных турбин в низконапорных потоках, периодически изменяющих направление течения, например, на приливных электростанциях, но в этом случае, выступы и дефлекторы проточной камеры в сечении, перпендикулярном оси ротора, должны быть выполнены с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора. Эффективность (КПД) работы ортогональной турбины определяется не только конструкцией ротора и лопастей, но и, в значительной степени, конфигурацией выступов проточной камеры и положением и количеством дефлекторов. Описанная выше форма выступов и дефлекторов позволяет, варьируя параметрами, оптимизировать угол атаки пристеночной части потока, набегающего на лопасти, увеличивать вращающий момент ротора. Эта часть потока совершает полезную работу, но в центральной части проточной камеры формируются более мощные холостые струи, проходящие мимо лопастей ротора и не выполняющие полезной работы. Холостые струи уносят большую часть энергии потока протекающего через проточную камеру турбины и, тем самым снижают КПД турбины. По данным Канадских исследователей, проводивших испытание модели ортогональной турбины с подобной проточной камерой, максимальный КПД турбины не превышает 37%. Однако возможности по отклонению пристеночного потока с целью увеличения КПД ортогональной турбины, использованные в прототипе, оказались не эффективными.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создание такой гидротурбины, которая была бы компактной и могла бы быть установлена (могла бы работать) непосредственно в любой точке пространства при наличие потока среды (воды, воздуха). Решаемой технической задачей в предлагаемой низконапорной ортогональной гидротурбине, является упрощение ее конструкции и снижение трудоемкости ее изготовления и обслуживания за счет ликвидации проточной камеры, а также повышение КПД гидротурбины за счет отсутствия холостых струй, которые имеются в. прототипе.
Решаемая техническая задача в низконапорной ортогональной гидротурбине, содержащей фундамент с жестко под прямым углом к нему становленным валом, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями крыловидного профиля, достигается тем, что ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице посаженной на вал с возможностью ее вращения на валу, на которых установлены с возможностью поворота на 90° лопасти, крыловидного профиля, причем штанги имеют подкосы, жестко закрепленные на второй ступице выше нижней части лопастей, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей, установленного неподвижно относительно вала на третьей ступице и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей, вторая ступица посажана на вал также с возможностью ее вращения на валу, как и первая ступица.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена низконапорная ортогональная гидротурбина, ее вид спереди, в разрезе в стационарном состоянии, когда плоскости всех лопастей имеют вертикальное положение. На фиг.2 изображена низконапорная ортогональная гидротурбина, ее вид сверху, когда все плоскости лопастей имеют горизонтальное положение.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Низконапорная ортогональная гидротурбина (фиг. 1, 2) содержит фундамент 1 с жестко под прямым углом к нему установленным валом 2, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями 3: 3, 3, 3, 3, крыловидного профиля, ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги 4, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице 5 посаженной на вал 2 с возможностью ее вращения на валу 2, причем на штангах 4 установлены с возможностью поворота на 90° лопасти 3, 3, 3, 3 крыловидного профиля, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка 6, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей 3, 3, 3, 3, установленного неподвижно относительно вала 2 на третьей ступице 7, и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей 3, 3, 3, 3. Штанги 4 имеют подкосы 8, жестко закрепленные на второй ступице 9 выше нижней части лопастей 3, 3, 3, 3. Вторая ступица 9 посажена на вал 2 также с возможностью ее вращения на валу 2, как и первая ступица 5.
3
1
2
3
4
1
2
3
4
1
3
1
3
3
3
3
1
1
3
3
3
1
2
1
2
3
4
1
Рассмотрим предлагаемую низконапорную ортогональную гидротурбину в работе. До установки гидротурбины, кулачек 6 на валу 2 закрепляют таким образом, чтобы лопасть 3 занимала горизонтальное положение. Далее на дне реки устанавливают якорный из бетона фундамент 1. Лопасти 3, 3, 3, 3 самостоятельно ориентируются в зависимости от направления течения потока воды. Когда устройство находится в потоке воды, то плоскости двух радиально противоположных лопастей из лопастей 3, 3, 3, 3 принимают вертикальное положение относительно вектора скорости потока воды, например, лопасть 3 и лопасть 3. Как видно из фиг. 1 лопасть 3, в правой стороне чертежа (фиг. 2), под напором потока воды не может поворачиваться относительно штанги 4, ибо подкос 8 штанги 4 удерживает ее вертикальное положение, а для другой лопасти 3 такой же подкос 8 штанги 4 находится впереди лопасти 3 и она может вращаться вокруг штанги 4. Под напором потока воды сила F сопротивления лопасти 3 становится меньше, чем сила F сопротивления лопасти 3, и ротор начинает вращательное движение. Далее лопасть 3 скользит по поверхности кулачка 6, а поток воды способствует повороту лопасти 3 и она занимает горизонтальное положение. Встречный поток воды и кулачек 6 обеспечивают горизонтальное положение лопасти 3, когда лопасть 3, вращаясь, занимает положение лопасти 3, и т.д. т.е. реализуются периодические переходы 3, далее 3, далее 3, далее 3, далее 3 и непрерывное вращение ротора гидротурбины.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Кулачек 6 выполнен из трубы, имеет пространственную форму - вогнут с радиусом не больше ширины лопастей 3, 3, 3, 3, и находится неподвижно относительно вала 2. В примере конкретной реализации кулачек 6 выполнен в форме изогнутой трубы, в виде окружности, с радиусом не превышающем ширину лопастей 3, 3, 3, 3. Все лопасти 3, 3, 3, 3 имеют одинаковую ширину и высоту.
3
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция низконапорной гидротурбины проще по конструкции и проще в обслуживании, так как в ней нет проточной камеры, а также нет водоотклоняющих элементов, находящихся под водой, что и упрощает конструкцию предлагаемой гидротурбины, упрощает ее обслуживание в процессе эксплуатации и ремонте. Отсутствие холостых струй, имеющихся при работе турбины по прототипу, приводит к повышению КПД предлагаемой гидротурбины. Гидротурбина целиком и полностью сооружается на заводе. До установки гидротурбины на рабочее место, кулачок 6 должен быть установлен и закреплен на валу 2 таким образом, чтобы лопасть 3 занимала горизонтальное положение, положение кулачка 6, при этом, фиксируется относительно вала 2. и после незначительного демонтажа гидротурбина отправляется на место эксплуатации, где устанавливается над уже сооруженном фундаментом 1 и доводится до рабочего состояния.