РОТОРНАЯ ГИДРОТУРБИНА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к энергетическим установкам и может быть использована для получения механической или электрической энергии.
Известны конструкции аналогичного назначения, преобразующие энергию потока воды во вращательное движение [1, 2, 3, 4, 5, 6].
Такого рода установки состоят из роторных гидротурбин, разных типов, насаженных на вал или трос, и располагающихся поперек потока воды, либо - с небольшим углом к нему.
Однако такого рода устройства плохо используют энергию потока по его длине и для увеличения мощности размещают поперек потока несколько подобных установок.
Кроме того, такие конструкции неэффективны на узких по ширине потоках, когда необходимо суммировать их энергию на протяженных участках реки или горного ручья.
Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является плоскопараллельная гидротурбина Новикова Ю.М. [7], рис.2б, на стр.82, текст на стр.84, содержащая корпус из двух полуцилиндров, смещенных по диаметру, и прикрепленных с одной стороны к диску, а с другой - к диаметральной стойке. Вдоль от данной конструкции пропущен трос, закрепленный к стойке. Несколько таких гидротурбин крепится на
тросе, который располагают вдоль течения, что позволяет отбирать энергию потока на его значительном расстоянии.
Однако прототипу присущи следующие недостатки. Конструкция из двух смещенных в пространстве полуцилиндров является ассиметричной, вращается с ударами и вибрациями. Для их уменьшения гидротурбины приходится устанавливать на тросе парами со смещением каждой относительно стойки соседней турбины на 90°. Кроме того, неэффективно используется энергия истечения потока из щелей по касательной к диаметру, за счет которой и создается реактивная тяга от каждой гидротурбины, закручивающая трос-вал и исполнительное устройство, например, электрический генератор.
Недостатком является также тот факт, что неиспользуется часть осевого потока. Поскольку жидкость, практически, несжимаема, то часть потока, не вышедшая в радиальные щели, упирается в диск и препятствует поступлению новой порции воды в турбину. Эта часть потока обтекает со всех сторон турбину с повышенной скоростью и создает за ее донной частью хаотичные завихрения, ухудшающие работу следующей по порядку закрепления на тросе гидротурбины.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:
- Увеличено до «n» штук число лопастей - частей цилиндра и число стоек для их крепления, что позволило создать симметричную конструкцию, не генерирующую удары и вибрации. Отпала при этом необходимость крепить на тросе соседние турбины попарно и со сдвигом на 90°. Это обеспечивается за счет того, что центр радиуса каждой лопасти смещен относительно центра корпуса (обечайки) гидротурбины по своим стойкам на размер щели истечения потока на заданный угол.
- Лопасти гидротурбины могут быть выполнены в виде параллелограмм, короткие стороны которых прикреплены к диску и стойкам, а длинные стороны будут образовывать щели истечения потока не по
образующей цилиндра, а по винтовой линии, являющейся частью геликоиды на поверхности цилиндра. Таким образом, увеличивается эффективная длина щелей истечения, и большая сила реактивной струи радиального потока.
- Корпус (обечайка) гидротурбины может быть выполнен из сплошного цилиндра, а лопасти образованы вырезами на поверхности цилиндра причем им придается наклон во внутрь, либо наружу цилиндра. Это еще улучшает симметричность конструкции, создает плавность вращения и уменьшает завихрения, т.е. искажение основного потока после его донной части.
- В щелях истечения потока установлены под определенным углом к оси турбины дополнительные закручивающиеся лопасти, что позволяет более эффективно использовать часть энергии радиального потока.
- В диске гидротурбины выполнены фигурные прорези - окна, образующие вспомогательные закручивающие лопасти для части осевого потока, который ранее не использовался и обтекал турбину.
Эти технические преимущества дают возможность увеличить мощность гидротурбины, улучшить равномерность ее вращения в широком диапазоне скоростей потока воды.
Совокупность указанных технических преимуществ и создают положительный эффект заявляемого объекта.
На фиг.1 показана гидротурбина (вид с торца) для трех лопастей (n=3), а на фиг.2 - для четырех лопастей (n=4). На фиг.3 изображена развертка лопасти в виде параллелограмма. На фиг.4 дана развертка цилиндра с лопастями, образованными за счет вырезов на его поверхности. На фиг.5 изображена (вид с торца) турбина из цилиндра с лопастями, образованными вырезами и отогнутыми кверху относительно ее диаметра, а в щели истечения радиального потока установлены дополнительные лопасти. На фиг.6 показаны (вид со стороны диска) дополнительные фигурные прорези (окна) для закручивания части осевого потока.
Роторная гидротурбина имеет лопасти 1, с одной стороны прикрепленные к диску 2, а с другой - к стойкам 3 и образуют ее корпус (обечайку). По оси турбины через отверстия в центре пересечения стоек и через отверстие в диске проходит канат (вал), прикрепленный к стойкам (на рисунках не показан). Центры радиуса (R) каждому из лопастей смещены относительно центра по своим стойкам на заданный размер щелей истечения потока, в которых установлены под углом к оси турбины дополнительные закручивающие лопасти 4 для радиального основного потока. В диске (дне) турбины выполнены прорези (окна) и образованы вспомогательные закручивающие лопасти 5 для осевого потока.
Роторная гидротурбина работает следующим образом. Поток воды, проходя по оси турбины, минует стойки 1 и упирается в дно 2. За счет давления непрерывно поступающей воды, внутри ее создается избыточное давление и вода выходит в щели истечения между соседними лопастями, создавая по касательной к окружности реактивную тягу. На рисунках вытекающий поток показан пунктирной линией, а направление вращения -стрелкой из сплошной линии. Будучи прикрепленной к тросу, турбина вращает трос. По длине троса крепится несколько турбин и их усилия суммируются, передавая вращение, например, на генератор.
Для придания равномерности вращения, в общем случае, число лопастей может быть «n» на фиг.1, n=3; на фиг.2, n=4). Щели истечения потока образуются за счет смещения радиуса (R) лопастей относительно центра вращения обечайки.
Лопасть может быть не прямоугольной, а выполнена в виде параллелограмма. Развертка лопасти показана на фиг.3. Ее короткие стороны прикреплены соответственно к диску и стойкам, а длинные стороны будут образовывать щели истечения потока не по прямой линии - образующей цилиндра, а по - винтовой линии, являющейся частью геликоиды на поверхности цилиндра обечайки. Поскольку эффективная длина щелей истечения увеличивается, то и увеличивается сила реактивной струи.
Обечайка турбины может быть выполнена не из отдельных лопастей, а из сплошного цилиндра (его развертка на фиг.4). Лопасти 1 в этом случае создаются вырезами и отгибанием вырезов цилиндра относительно окружности во внутрь, либо наружу цилиндров под одинаковый угол (фиг.5). Прорези могут быть выполнены как по прямой линии - образующей цилиндрическую поверхность, так и - под заданным углом, образуя параллелограммы.
В щелях истечения любой из предложенных конструкций могут быть установлены дополнительные закручивающие лопасти 4 для радиального потока и для части потока, обтекающего турбину. В отличие от прототипа реактивный поток из щелей турбины выходит не свободно, а упирается в лопасти 4, установленные под углом к оси турбины, причем обтекающая часть потока также создает дополнительный вращающий момент турбине, упираясь с другой стороны. Это увеличивает коэффициент полезного действия турбины от использования энергии радиального потока и части энергии обтекающего потока.
В прототипе часть потока, не вошедшая в турбину, обтекая ее, создавала хаотичные завихрения за диском (за данной частью) турбины, ухудшая динамические условия работы для следующей по порядку турбины. Частично этот эффект устраняется установкой лопастей. Кроме того, по предложению автора в диске выполнены дополнительные фигурные прорези (окна), образующие вспомогательные закручивающие лопасти 5 для осевого потока, часть энергии которого ранее не использовалась. Часть осевого потока, вытекающая вдоль оси турбины через данные окна, также уменьшает хаотичные завихрения за ее донной частью, что улучшает параметры турбины. Лопасти данной части могут быть выполнены как путем отгибания на заданный угол части прорези (окна), так и установкой дополнительных отклоняющих пластин.
Для сравнительных испытаний были изготовлены макет турбины по прототипу из двух полуцилиндров диаметром 120 мм, длиной 240 мм,
зазором в щели истечения 10 мм и - макеты автора с этими же геометрическими размерами. Испытания проводились на скорости потока 1,5 м/сек путем замера угловой скорости вращения на холостых оборотах, без нагрузки.
В результате лабораторных испытаний выяснено, что конструкция автора по п.1 формулы (фиг.1 и фиг.2), дает прирост числа оборотов 8...10%, по п.2 формулы (обечайка из параллелограммов, фиг.3) дает прирост 3...5%, по п.3 формулы без установки дополнительных лопастей 10...12%. Установка дополнительных лопастей в щелях течения в любой из конструкций давала прирост числа оборотов 12...15%, в диске - 5...8%.
Понятно, что для каждой из конструкций должно быть определено индивидуально оптимальное сочетание геометрических размеров гидротурбины, размеры щелей истечения и дополнительных закручивающих лопастей.
Испытания подтвердили, что такого рода гидротурбины могут найти широкое применение при создании микро и мини ГЭС автономного назначения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Б.В.Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под. ред. Берга, вып.57, М., 1950 г., стр.31, роторная турбина системы Кажинского Б.В. (аналог).
2. Б.В.Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под. ред. Берга, вып.57, М., 1950 г., стр.33, роторная турбина системы Угринского. (аналог).
3. Описание изобретения к патенту Попова А.И. №2246634 «Ротор».
(аналог).
4. Описание изобретения на полезную модель Попова А.И. №0031151, «Роторный ветродвигатель», (аналог).
5. Описание изобретения к авторскому свидетельству Блинова Б.С. №153883 «Свободнопоточная гидросиловая установка», (аналог).
6. Описание изобретения к авторскому свидетельству Блинова Б.С. №175906. «Свободнопоточная гидросиловая установка», (аналог).
7. Ю.М. Новиков. Возможности бесплотинных ГЭС. Научно-технический сборник «Энергетика и экология», с.81, Отв. редактор Накореков В.Е., г. Новосибирск, 1988 г. Изд. института теплофизики СО РАН. (прототип).