АКТИВНАЯ КОНУСНАЯ ТУРБИНА
ACTIVE CONE TURBINE

Изобретение относится к гидростроительству и может быть применено при строительстве гидроэлектростанций.
Известны активные ковшовые турбины системы Пельтона.
Ковш активной ковшовой турбины его системы имеет сплошное дно, выполненное в виде ковша, и глухие торцы. Суммарный вектор сил давления от потока в этих турбинах сосредоточен в центре ковша. Это является недостатком такого рода турбин, так как часть отраженного от лопасти турбины потока отработанной воды обязательно встречается с основным потоком и ослабляет его. Этот же недостаток приводит к тому, что при увеличении объема воды, подаваемого на лопасти турбины, выше расчетных турбина не успевает освободиться от отработанной воды и «захлебывается». Этому способствуют еще два момента. Максимум энергетического потенциала поток воды отдает лопастям турбины (любой системы) в момент, когда скорость лопасти в потоке равна половине скорости потока. Торможение потока требует наличия около турбины пространства - «рабочей камеры» и немедленного удаления из нее отработанной воды. Сил гравитации для этих целей оказывается недостаточно. С тем чтобы уменьшить потери напора на преодоление препятствий потоку отработанной воды, рабочую камеру турбины соединяют с водосливом непосредственно. В процессе работы турбины в рабочей камере создается вакуум. Поток воздуха устремляется в рабочую камеру через водослив, препятствуя движению воды. Все существующие типы ковшовых турбин работают в сплошной водной среде. Это является причиной того, что все изменения в нагрузке на генератор тока от его потребителей полностью передаются напорному водоводу, вызывая в нем гидравлические удары. По этой причине стенки напорного водовода необходимо проектировать на максимально возможную силу гидроудара, что делает водоводы металлоемкими и дорогостоящими. В совокупности с потерями напора от гашения потока встречным закрученным потоком, потерями в подводящем поток воды, тракте, существующие типы ковшовых турбин имеют к.п.д. ниже, чем реактивные.
Автором статьи, в 2001 г., для наплавной, свободнопоточной ГЭС, «НПС-02», были разработаны и испытаны на действующей ГЭС две турбины подводная (подледная) (патент №21608948 C1 RU) (Ж-л «ЭЛЕКТРО», №4, 2003 г. «Активная подводная турбина для Мини-ГЭС» стр.47) и ковшовая навесная турбина, системы Пельтона. Достаточно было автору турбин при их испытаниях и доводке выполнить стенки ковша навесной ковшовой турбины системы Пельтона в виде оконных жалюзи (проекция ковша на плоскость - сплошная), мощность турбины при тех же параметрах потока увеличилась на 20%. После того как были убраны глухие боковые торцы ковша, мощность турбины увеличилась еще на 7%.
Эти испытания показали - нельзя сосредотачивать вектор сил от потока воды, действующего на лопасть турбины, в центре ковша и отработанная вода должна немедленно удаляться из рабочей зоны лопасти и колеса турбины.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Малая ГЭС с активной турбиной». Заявка №2005140717/20 (045344). Патент №2305793.
По этому изобретению - «.. активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи…». Выполнение ковша в виде улитки решает поставленную задачу, однако внешние стенки ковшей одной лопасти после передачи от потока лопасти силового импульса слишком долго (по меркам процесса) задерживают поток воды в турбине, на что тратится определенная часть его энергии.
Задача изобретения - создать активную турбину для гидроэлектростанций с высоким коэффициентом полезного действия и экономным расходованием энергоносителя.
Поставленная задача решается тем, что активная конусная турбина, включающая диск, жестко закрепленный на валу турбины, подшипниковые узлы которого установлены на кожухе, закрывающем рабочее колесо турбины, закрытом крышкой, создающем совместно рабочую камеру турбины, лопасти турбины и сопло для подачи воды к ним, отличающаяся тем, что диск закреплен жестко на валу через ступицу и выполняет роль делителя потока воды, разрезая струю воды, поступающую из сопла на турбину, на две части, с обеих сторон диска к нему прикреплены два усеченных конуса, например цельных, образующая которых выполнена, например, по кривой, вершиной каждый конус закреплен на ступице, на расстоянии от диска, достаточном для отклонения своей части струи отработанной воды более чем на половину ширины потока воды из сопла, лопасти турбины выполнены плоскими, в плоскости продольной оси вала турбины и по кривой к радиусу колеса, так чтобы каждая часть струй отработанной воды из сопла закручивалась на 180°, у лопастей отсутствуют боковые стенки, суммарный вектор сил от потока на лопасти турбины распределяется ближе к боковым граням лопастей, подшипниковые узлы вала турбины вынесены на внешнюю сторону кожуха турбины, в котором со стороны сопла выполнены воздушные каналы, позволяющие потоку воздуха свободно поступать в рабочую камеру турбины, а с противоположной от сопла стороны - водослив.
На Фиг.1 показан разрез турбины и подводящего тракта по линии поступления воды к турбине.
На Фиг.2 показан разрез турбины по линии вала.
Активная конусная турбина состоит из вала - 1, на котором через ступицу - 2 и шпонку - 3 жестко закреплен диск-делитель потока - 4. С обеих сторон диска - 4 к нему приварены два усеченных конуса - 5, образующая которых может быть выполнена по расчетной кривой и которые могут быть цельными, штампованными или разрезаны на части по количеству лопастей турбины. Вершина конусов закреплена на ступице - 2 на расстоянии, обеспечивающем отклонение своей части потока струи от основной.
К диску - 4, конусам и ступице прикреплены лопасти турбины - 7, выполненные плоскими, в плоскости продольной оси вала турбины и по кривой к радиусу колеса турбины. Для придания жесткости лопастям концы их могут быть соединены обечайками - 8. Вал турбины через муфту соединен с приводом генераторов тока - 9. Колесо турбины закрыто кожухом - 10 с крышкой - 11. Подшипниковые узлы турбины - 12 вынесены на внешнюю сторону кожуха. Кожух совместно с крышкой - 11 образуют рабочую камеру турбины - 13. Сопло - 6, через которое на турбину подается поток воды из напорного водовода - 14, через задвижку - 15, может быть выполнено с возможностью изменения площади сечения его выходного отверстия во время работы турбины. Выходное отверстие сопла может быть круглым или квадратной формы. При круглой форме площадь его выходного сечения может изменяться по принципу брандспойта. При квадратной форме выходного отверстия сопла оно представляет собой конусный лоток с подвижной верхней крышкой - 16. Положением крышки - 16 управляет специальный механизм, позволяющий изменять площадь поперечного сечения выходного отверстия сопла в ручном - 17 или автоматическом режимах - 18 в процессе работы турбины. С тем чтобы в рабочей камере турбины не создавался вакуум и воздух не препятствовал свободному выходу из рабочей камеры отработанной воды, через водослив - 21, в кожухе, со стороны сопла, выполнены каналы - 19, закрытые решеткой - 20, через которые воздушный поток свободно проникает в рабочую камеру турбины, причем векторы потоков, воды и воздушного, в этом случае совпадают.
Работает турбина следующим образом
Поток воды под давлением через сопло - 6 поступает на лопасти - 7 турбины. Диск - 4, делитель потока, делит поток на две части, каждая из которых конусом - 5 и лопастью - 7, после того как она отдала лопасти свой энергетический потенциал, отклоняется от основной струи и закручивается так, чтобы отработанная вода не касалась основного потока воды, не гасила его и без затрат дополнительной энергии быстро и полностью покидала рабочую зону турбины. У такой конструкции турбины в сочетании с воздушными каналами коэффициент полезного действия выше турбин, выполненных без воздушных каналов.
Такие турбины более экономно расходуют воду на выработку киловатта электроэнергии и это в сочетании с их высоким к.п.д. позволяет работать ГЭС, оснащенным такого рода турбинами, на «бытовом» стоке реки.