ОСЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА
AXIAL HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электроэнергию для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства и малого бизнеса, расположенных в децентрализованных труднодоступных и удаленных районах.
Известна осевая поворотно-лопастная гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, лопатки которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, водоподводящую и водоотводящую части. При этом направляющий аппарат выполнен из верхнего и нижнего колец с размещенными между ними лопатками, установленными с возможностью поворота с помощью механизма поворота из серег, соединенных с лопатками, рычагов и регулирующего кольца, связанного с сервомоторами. На корпусе рабочего колеса закреплены лопасти с возможностью поворота посредством механизма поворота, состоящего из упорных колец, жестко скрепленных с лопастями и шарнирно соединенных с серьгами, связанными с крестовиной рабочего колеса, соединенной с сервомотором. Механизмы поворота лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса соединены кинематической связью и обеспечивают одновременное изменение положения. Вал расположен вертикально относительно плоскости вращения рабочего колеса, а водоподводящая часть выполнена в виде спиральной камеры (Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пос. для энерг. и политехнич. вузов. - М.: Высш. школа, 1969. - С.36).
Недостатками описанной гидротурбины являются сложность конструкции вследствие использования механизмов поворота лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса и сервомоторов, а также трудоемкость изготовления и монтажа, обусловленная применением крупногабаритных спиральной камеры, водоотводящей части и рабочего колеса.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является осевая пропеллерная гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, лопатки которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, водоподводящую и водоотводящую части. При этом направляющий аппарат выполнен из верхнего и нижнего колец с размещенными между ними лопатками, установленными с возможностью поворота с помощью механизма поворота из серег, соединенных с лопатками, рычагов и регулирующего кольца, связанного с сервомоторами. Вал расположен вертикально относительно плоскости вращения рабочего колеса, а водоподводящая часть выполнена в виде спиральной камеры (Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пос. для энерг. и политехнич. вузов. - М.: Высш. школа, 1969. - С.35).
Недостатками описанной гидротурбины являются сложность конструкции вследствие использования механизма поворота для изменения положения лопаток направляющего аппарата, связанного с сервомоторами, ограниченные эксплуатационные возможности гидротурбины, обусловленные работой в условиях незначительных колебаний напора вследствие невозможности регулирования расхода воды при изменении напора жестко закрепленными лопастями рабочего колеса, а также трудоемкость изготовления, обусловленная применением крупногабаритных и металлоемких водоподводящей и водоотводящей частей и рабочего колеса.
Предлагаемым изобретением решается задача упрощения конструкции, расширения эксплуатационных возможностей осевой гидротурбины и снижения трудоемкости изготовления при сохранении высокого к.п.д.
Для достижения указанного результата в осевой гидротурбине, содержащей направляющий аппарат, лопатки которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, водоподводящую и водоотводящую части, направляющий аппарат выполнен из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом с помощью резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, лопасти рабочего колеса закреплены на его корпусе посредством резьбового соединения с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленным на валу, при этом вал расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, и имеет возможность соединения с асинхронным двигателем.
Упрощение конструкции вследствие возможности ручной перенастройки положения лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса, расширение эксплуатационных возможностей за счет работы осевой гидротурбины в условиях изменения напора в широком диапазоне путем осуществления поворота лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса вручную для регулирования расхода воды и снижение трудоемкости изготовления при сохранении высокого к.п.д. осевой гидротурбины достигается за счет того, что направляющий аппарат выполнен из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом с помощью резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, лопасти рабочего колеса закреплены на его корпусе посредством резьбового соединения с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленным на валу, при этом вал расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, и имеет возможность соединения с асинхронным двигателем.
Возможность поворота каждой из лопаток направляющего аппарата от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата и поворота каждой из лопастей рабочего колеса от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса является оптимальной, так как при этом достигается условие безударного входа воды сначала на лопатки направляющего аппарата и далее на лопасти рабочего колеса, что обеспечивает снижение гидравлических потерь.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где изображены: на фиг.1 - осевая гидротурбина, продольный разрез; на фиг.2 - то же, разрез А-А; на фиг.3 - лопатка направляющего аппарата осевой гидротурбины, разрез Б-Б; на фиг.4 - рабочее колесо осевой гидротурбины, продольный разрез; на фиг.5 - лопасть рабочего колеса, разрез В-В.
Кроме того, на фиг.3 и фиг.4 изображено:
φ - угол установки лопаток направляющего аппарата осевой гидротурбины;
1
φ - угол установки лопастей рабочего колеса осевой гидротурбины.
Осевая гидротурбина содержит направляющий аппарат, лопатки 1 которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, равномерно закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере 2, с лопастями 3 криволинейной формы, равномерно закрепленными на корпусе 4, установленном на валу 5, водоподводящую 6 и водоотводящую 7 части. При этом направляющий аппарат выполнен из соосно расположенных внешнего 8 и внутреннего 9 корпусов. Лопатки 1 направляющего аппарата одними концами закреплены на внутреннем 9 корпусе, а другими - соединены с внешним 8 корпусом с помощью резьбового соединения 10, например болтов. При этом нецелесообразно поворачивать лопатки направляющего аппарата (фиг.3) более чем на -20°, так как это приводит к закрытию прохода для воды, и более чем на +20°, так как при этом возрастает расход воды, приводящий к резкому увеличению гидравлического сопротивления настолько, что возникает необходимость определения нового расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата для сохранения высокого к.п.д. Лопасти 3 рабочего колеса закреплены на его корпусе 4 с возможностью поворота посредством резьбового соединения 11, в частности болтов. При этом нецелесообразно поворачивать лопасти рабочего колеса (фиг.5) более чем на -20°, так как это приводит к закрытию прохода для воды, и более чем на +20°, так как при этом возрастает расход воды, приводящий к резкому увеличению гидравлического сопротивления настолько, что наступает необходимость определения нового расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса. При этом угол установки лопаток направляющего аппарата образован осью лопатки 1 и горизонтальной осью вала 5. Угол установки лопасти рабочего колеса образован осью лопасти 3 рабочего колеса и горизонтальной осью вала 5. Расчетные положения углов установки лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса соответствуют оптимальному к.п.д. при определенных напорах и расходах воды. В частности, на фиг.3 и фиг.5 показан случай, когда каждое из расчетных положений обоих углов установки равно 0. Камера 2 рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей 7 частью, а другим - с внешним 8 корпусом направляющего аппарата, соединенного с водоподводящей 7 частью изогнутой формы. Причем указанные соединения герметичны и выполнены посредством фланцев 12. Корпус 4 рабочего колеса соединен с внутренним 9 корпусом направляющего аппарата, установленного на одном из концов вала 5. Последний расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса и размещен посредством подшипниковых узлов 13 на опорах 14, закрепленных в раме 15 из сварных металлических конструкций. Вал 5 имеет возможность соединения с валом 16 асинхронного двигателя 17, в качестве которого может быть использован трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного использования, предназначенный для соединения с любой системой автоматического управления (не показана). Это позволяет стабилизировать амплитуду и частоту вырабатываемого напряжения асинхронного двигателя 17, отклонения которых от номинальных параметров могут быть вызваны изменениями расхода воды и мощности полезной нагрузки. В водоподводящей 6 части выполнено отверстие для вала 5, сваркой соединенное с сальниковыми уплотнениями 18, связанными с подшипниковыми узлами 13. Внутренний 9 корпус направляющего аппарата установлен на валу 5 посредством втулки 19. Водоподводящая 6 часть выполнена изогнутой формы из стальных трубных элементов и конфузоров, соединенных сваркой. Водоотводящая 7 часть в виде диффузора, а также камера 2 рабочего колеса и внешний 8 корпус направляющего аппарата выполнены из стандартных трубных элементов, изготовленных на определенное давление, что гарантирует их прочность.
Осевая гидротурбина работает следующим образом.
Поток воды, проходя через водоподводящую 6 часть, поступает на лопатки 1 направляющего аппарата, а далее - на лопасти 3 рабочего колеса. После чего вода направляется в водоотводящую 7 часть. При значительном изменении напора и расхода для обеспечения высокого к.п.д. осевой турбины осуществляется регулирование расхода воды одновременным изменением вручную положения лопаток 1 направляющего аппарата и лопастей 3 рабочего колеса. При этом энергия воды преобразуется в механическую энергию вала 5, соединенного с валом 16 асинхронного двигателя 17, превращающего механическую энергию в электрическую.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения приводит к упрощению конструкции, расширению эксплуатационных возможностей осевой гидротурбины, снижению трудоемкости изготовления при сохранении высокого к.п.д. осевой гидротурбины, способствует повышению надежности и удобства эксплуатации, не требуя присутствия высококвалифицированного персонала, и позволяет применять осевую гидротурбину для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электрическую энергию.