ОСЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА
AXIAL HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к малой 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 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. Учебное пособие для энерг. и политехнич. вузов. - М.: Высшая школа, 1969. - С. 35).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является осевая гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом резьбовыми соединениями с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе посредством резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, причем камера рабочего колеса соединена одним из торцов с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленным на валу, который расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме и соединен с электрогенератором, а также водоотводящую часть. При этом камера рабочего колеса соединена одним торцом с водоотводящей частью, а в качестве электродвигателя может быть использован асинхронный двигатель (патент RU №2371602, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, опубл. 2009).
Недостатком описанных гидротурбин является низкий кпд, обусловленный повышенными гидравлическими потерями вследствие наличия закрученного выхода потока воды из камеры рабочего колеса.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения кпд.
Для достижения указанного результата осевая гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом резьбовыми соединениями с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе посредством резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, причем камера рабочего колеса соединена одним из торцов с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, установленном на валу, который расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса, размещен посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, и соединен с электрогенератором, а также водоотводящую часть, и снабжена струевыравнивающей частью, выполненной из соосно расположенных внешнего и внутреннего в виде втулки корпусов и лопаток изогнутой формы, одними концами закрепленных на втулке, а другими - соединенных с внешним корпусом резьбовыми соединениями, при этом передние части лопаток направлены против вращения рабочего колеса, а задние части расположены параллельно оси вала, причем струевыравнивающая часть одним торцом внешнего корпуса соединена с камерой рабочего колеса, вблизи корпуса которого размещена одним торцом втулка с жестко закрепленным на другом торце обтекателем каплевидной формы, а другим торцом внешнего корпуса соединена с водоотводящей частью.
Повышение кпд осевой гидротурбины обеспечивается превращением остающейся кинетической энергии воды в потенциальную после прохождения рабочего колеса и достигается тем, что она снабжена струевыравнивающей частью, выполненной из соосно расположенных внешнего и внутреннего в виде втулки корпусов и лопаток изогнутой формы, одними концами закрепленных на втулке, а другими - соединенных с внешним корпусом резьбовыми соединениями, при этом передние части лопаток направлены против вращения рабочего колеса, а задние части расположены параллельно оси вала, причем струевыравнивающая часть одним торцом внешнего корпуса соединена с камерой рабочего колеса, вблизи корпуса которого размещена одним торцом втулка с жестко закрепленным на другом торце обтекателем каплевидной формы, а другим торцом внешнего корпуса соединена с водоотводящей частью.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, 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, общий вид; на фиг. 5 - рабочее колесо осевой гидротурбины, продольный разрез; на фиг. 6 - лопасть рабочего колеса, вид В; на фиг. 7 - струевыравнивающая часть осевой гидротурбины, разрез Г-Г; на фиг. 8 - лопатка струевыравнивающей части осевой гидротурбины, разрез Д-Д.
Кроме того, на фиг. 3, 6 и 8 изображено:
φ - угол установки лопаток направляющего аппарата осевой гидротурбины;
1
φ - угол установки лопастей рабочего колеса осевой гидротурбины;
2
φ - угол установки лопаток струевыравнивающей части осевой гидротурбины.
1
1
2
2
2
Осевая гидротурбина содержит направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего 1, внутреннего 2, например, в виде втулки корпусов и лопаток 3 изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса и равномерно одними концами закрепленных на внутреннем 2 корпусе, а другими - соединенных с внешним 1 корпусом резьбовыми соединениями 4, например, болтами, с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток 3 направляющего аппарата (фиг. 3). 5 В камере 6 размещено рабочее колесо с лопастями 7 криволинейной формы, закрепленными на корпусе 8 посредством резьбовых соединений 9, например болтов, с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей 7 рабочего колеса 5 (фиг. 6). При этом угол установки φ (фиг. 3) каждой из лопаток 3 направляющего аппарата образован осью лопатки 3 и осью вала 11, также угол установки φ (фиг. 6) каждой из лопастей 7 рабочего колеса 5 образован осью лопасти 7 рабочего колеса 5 и осью вала 11. Отсчет вышеуказанных углов производится по периферийному профилю лопаток 3 и лопастей 7 от φ и φ, соответствующих расчетным положениям углов установки лопаток 3 направляющего аппарата и лопастей 7 рабочего колеса 5, которые соответствуют оптимальному кпд при определенных напорах и расходах воды. На фиг. 3 и фиг. 6 показан случай, когда каждое из расчетных положений обоих углов установки равно нулю. Возможность поворота лопаток 3 направляющего аппарата и лопастей 7 рабочего колеса 5 в указанных пределах является оптимальной согласно данным, приведенным в патенте RU №2371602, и осуществляется вручную. Камера 6 рабочего колеса 5 соединена одним из торцов с внешним 1 корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей 10 части изогнутой формы, которая выполнена из конфузора и стального трубного элемента, соединенных сваркой. Корпус 8 рабочего колеса 5 соединен с внутренним 2 корпусом направляющего аппарата, установленным на валу 11, который расположен горизонтально относительно плоскости вращения рабочего колеса 5 и размещен посредством подшипниковых узлов 12 на опорах 13, закрепленных в раме 14 из сварных металлических конструкций. В водоподводящей 10 части выполнено отверстие для вала 11, сваркой соединенное с сальниковыми уплотнениями 15, связанными с подшипниковыми узлами 12. Вал 11 соединен с валом электрогенератора 16. В качестве последнего может быть использован трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного использования, предназначенный для соединения с любой системой автоматического управления (не показана). Водоотводящая 17 часть выполнена в виде диффузора для уменьшения потерь энергии в гидротурбине и увеличения пропускной способности. При этом внешний 1 корпус направляющего аппарата, камера 6 рабочего колеса 5, внешний 18 корпус струевыравнивающей части, водоподводящая 10 и водоотводящая 17 части выполнены из стандартных трубных элементов, изготовленных на определенное давление. Струевыравнивающая часть выполнена из соосно расположенных внешнего 18 и внутреннего 19 в виде втулки корпусов и лопаток 20 изогнутой формы, одними концами закрепленных на втулке 19, а другими - соединенных с внешним 18 корпусом резьбовыми соединениями 21, например болтами. При этом угол установки φ (фиг. 8) каждой из лопаток 20 струевыравнивающей части образован осью лопатки 20 и осью вала 11 и устанавливается вручную для конкретных условий работы осевой гидротурбины экспериментально в зависимости от напора и расхода воды в диапазоне от -20° до +20° от расчетного положения угла установки φ лопаток 20 струевыравнивающей части. На фиг. 8 показан случай, когда расчетное положение угла установки φ равно нулю. Передние части (фиг. 8) лопаток 20 направлены против вращения рабочего колеса 5, а задние части расположены параллельно оси вала 11. Причем струевыравнивающая часть одним торцом внешнего 18 корпуса соединена с камерой 6 рабочего колеса 5, вблизи корпуса 8 которого размещена одним торцом втулка 19 с жестко закрепленным на другом торце обтекателем 22 каплевидной формы, а другим торцом внешнего 18 корпуса соединена с водоотводящей 17 частью. Суммарный вектор скорости потока воды за рабочим колесом 5 равняется углу установки передних частей лопаток 20 струевыравнивающей части, что приводит к образованию безударного выхода потока воды и, как следствие, к повышению надежности работы. Установка задних частей лопаток 20 струевыравнивающей части параллельно оси вала 11 приводит к превращению остающейся кинетической энергии воды после прохождения рабочего колеса 5 в потенциальную, таким образом, увеличивая гидравлический и общий кпд. Кроме того, в незакрученном потоке воды после струевыравнивающей части создается меньшие сопротивление и потери энергии на трение. Обтекатель 22 каплевидной формы обеспечивает плавное расширение потока воды без образования вихревых зон, что также способствует уменьшению гидравлического сопротивления осевой турбины и потери энергии на трение. Внешний корпус 1 направляющего аппарата, камера 6 рабочего колеса 5, внешний корпус 18 струевыравнивающей части, а также водоподводящая 10 и водоотводящая 17 части соединены между собой герметично посредством фланцев 23.
Осевая гидротурбина работает следующим образом.
Поток воды с определенным напором и расходом по водоподводящей 10 части подается через лопатки 3 направляющего аппарата на лопасти 7 рабочего колеса 5, создавая на валу 11 вращающий момент. Ротор электрогенератора 16, вращаясь, вырабатывает электрический ток. Поток воды, проходя через струевыравнивающую часть, плавно расширяется за обтекателем 22 без образования вихрей, а затем поступает в водоотводящую 17 часть осевой гидротурбины.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения приводит к повышению кпд и надежности работы.