АКТИВНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА
ACTION HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к свободноструйным турбинам, и может быть использовано в качестве турбогенератора-движителя транспортного средства и турбогенератора в условиях медленного течения рабочей среды.
Известно Колесо Пельтона (Рыжков К.В. 100 великих изобретений. М.: Вече, 2005, с.210), содержащее колесо, жестко соединенное с горизонтальным валом и лопатками, расположенными вокруг него и устройство для подачи воды сильной струей. Лопатки выполнены вогнутыми с острым ребром посередине для разрезания струи воды.
Устройство было удобно там, где имелась возможность создать сильный напор воды. При этом условии КПД был очень высок и приближался к 85%.
Недостатком является необходимость дополнительного условия работы - высокого напора воды, что обусловливает необходимость устройства для стабильной подачи воды под напором.
При сильном напоре воды повышается кавитация, а в условиях медленного течения воды устройство не эффективно.
Устройство энергию рабочей среды использует лишь частично, а именно для вращения турбины, самостоятельно не вырабатывая ток, что снижает КПД.
Кроме того, устройство невозможно использовать в качестве движителя транспортного средства, т.к. лопатки не задвигаются, после выхода из рабочей зоны, повышая потери энергии на сопротивление встречному потоку, что может вызвать их поломку. Это снижает КПД и сужает эксплуатационные возможности.
Известна также безнапорная активная гидротурбина по заявке на изобретение №2006105932, F03B 1/00, принятая за прототип и содержащая горизонтальный вал и расположенные параллельно оси вала радиальные лопасти. Каждая лопасть содержит несколько лопастных элементов, подвижно соединенных между собой и валом посредством шарниров с возможностью одностороннего отклонения лопастей встречным потоком или копиром в сторону, противоположную вращению турбины, и возвращения лопастей пружинами или копиром в развернутое положение пред входом в рабочую зону. Вал жестко соединен с лопастями и вращается вместе с ними.
Однако устройство использует энергию рабочей среды лишь частично, а именно для вращения турбины, самостоятельно не вырабатывая ток, что снижает КПД.
Устройство нельзя использовать в качестве движителя транспортного средства, т.к. лопасти не задвинутся при рабочей скорости (высокой) транспортного средства и турбина, вращаясь навстречу потоку рабочей среды, создаст давление на лопасти вне рабочей зоны, почти равное давлению на лопасти в рабочей зоне, что сведет КПД почти к нулю. Это сужает эксплуатационные возможности.
Сила упругости пружин, задвигающих лопасти после выхода из рабочей зоны, будет меньше сопротивления рабочей среды, и лопасти останутся открытыми, что повысит сопротивление вращению турбины, снижая КПД, и создаст встречный вращению движителя паразитный турбулентный поток.
Для применения копира, задвигающего лопасти после выхода из рабочей зоны, необходимо мощное устройство, преодолевающее сопротивление рабочей среды, которое можно установить только вне турбины, что увеличивает ее габариты и загромождает транспортное средство, ограниченное в пространстве, или другое помещение. Такой копир предусматривает большое количество подвижных механических связей и узлов, требующих смазки и усложняющих конструкцию, что снижает надежность и усложняет обслуживание.
Даже при традиционном использовании турбины, вращающейся потоком рабочей среды, пружины, управляющие лопастями, со временем растягиваются и не могут надежно удерживать их, например, в закрытом положении после выхода из рабочей зоны. Это увеличивает сопротивление потоку, рабочей среды, снижая КПД. Использование силы упругости пружин вместе с силой собственного веса лопастей для задвигания последних возможно лишь при низкой угловой скорости турбины.
Задачей полезной модели является повышение КПД и расширение эксплуатационных возможностей.
Активная гидравлическая турбина содержит ротор с горизонтальным валом и выдвигающимися с помощью пружин лопастями, расположенными вокруг него, и устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны.
В отличие от прототипа она снабжена установленными в лопастях электромагнитными защелками и пьезоэлементами, устройством для передачи вырабатываемого лопастями тока, а устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, содержит электромагнитный элемент, установленный неподвижно на валу с возможностью взаимодействия после выхода из рабочей зоны с подпружиненными электромагнитными защелками, пружины которых установлены в роторе с возможностью взаимодействия с лопастями, при этом ротор свободно установлен на неподвижном валу с возможностью вращения вокруг него.
Электромагниты в электромагнитных защелках установлены с возможностью поворота.
Снабжение каждой лопасти пьезоэлементом обеспечивает выработку тока лопастями. В результате каждая лопасть является генератором тока, что позволяет максимально использовать энергию рабочей среды, повышает КПД. Это позволяет использовать устройство в качестве турбогенератора и турбогенератора-движителя транспортного средства, что расширяет эксплуатационные возможности. При этом в качестве рабочей среды можно использовать воду, воздух и частичное погружение в воду. Турбогенератор можно использовать в качестве тягового винта воздушного транспортного средства.
Наличие устройства для передачи вырабатываемого лопастями тока позволяет довести его до потребителя.
Наличие неподвижного вала, на котором установлен ротор с возможностью свободного вращения, позволяет закрепить жестко на валу неподвижный электромагнитный элемент устройства, задвигающего лопасти после выхода из рабочей зоны, повышая надежность конструкции.
Наличие неподвижного вала позволяет выполнить в нем каналы для подведения охлаждающей среды внутрь пустотелого ротора и вывести наружу с другого конца вала нагретый охладитель. Это позволяет использовать в качестве рабочей среды утилизируемый горячий пар и газ, который ранее выбрасывался в атмосферу, что расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Электромагнитное устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны, позволяет надежно закрыть лопасти и удержать в этом положении после выхода из рабочей зоны даже при сильном давлении рабочей среды, действующей навстречу вращению турбины, если использовать ее в качестве движителя транспортного средства. При этом сопротивление рабочей среде минимально после выхода из рабочей зоны, что повышает скорость движения транспортного средства. Часть электроэнергии, вырабатываемой лопастями, используют для работы электромагнитного устройства, что удобно и экономично.
Наличие подпружиненных электромагнитных защелок, пружины которых установлены в роторе с возможностью взаимодействия с лопастями, обеспечивают работоспособность турбины.
Установка электромагнитов в защелках с возможностью поворота позволяет поворачиваться электромагнитам встречно магнитному потоку электромагнитного элемента. Это ускоряет реагирование электромагнитов в защелках, увеличивая скорость закрытия лопасти после выхода из рабочей зоны, а также снижает ток, текущий по обмотке электромагнитных защелок, за счет использования магнитного потока с максимально короткими магнитными силовыми линиями.
Устройство представлено на чертежах.
Фиг.1. Гидравлическая турбина. Общий вид.
Фиг.2. Гидравлическая турбина с выдвинутой лопастью.
Фиг.3. Сечение А-А на Фиг.1, увеличено.
Фиг.4. Сечение В-В на Фиг.1, увеличено.
Фиг.5. Сечение С-С на Фиг.1
Фиг.6. Сечение D-D на Фиг.1, увеличено.
Фиг.7. Лопасть в разрезе, увеличено.
Фиг.8. Фрагмент лопасти на Фиг.7, увеличено.
Фиг.9. Электромагнитный элемент с валом, уменьшено.
Фиг.10. Вид А на фиг.9.
Гидравлическая турбина содержит герметичный пустотелый ротор 1, установленный на неподвижном горизонтальном валу 2 с возможностью вращения вокруг него. На роторе 1 радиально по окружности закреплены выдвигающиеся лопасти 3 с помощью шарниров 4, фиг.1-5. Каждая лопасть 3 содержит основание 5, например, из кованого титана, на котором послойно плотно уложены: асбестовая прокладка 6, внутренний электроконтакт 7, пьезокерамический элемент 8, внешний электроконтакт 9, асбестовая прокладка 10 и подвижная (прогибающаяся под давлением рабочей среды) мембрана 11, например из бериллиевой бронзы, которая прижимает вышеуказанные слои к основанию 5 винтами 12. Герметичность внутри лопасти 3 обеспечивает уплотнительная прокладка 13, например, из алюминия, фиг.7, 8. Электроконтакты 7 и 9 выполнены, например, из электролитической меди или бериллиевой бронзы и подключены к гибкому двухжильному электропроводу, не показано.
Ротор 1 свободно установлен на валу 2 с помощью двух втулок 14 и 15. Устройство для передачи вырабатываемого тока выполнено, например, в виде коллекторов (пластин) 16 и 17, закрепленных соответственно на втулках 14 и 15, и щеточных пар 18 и 19, контактирующих с коллекторами соответственно 16, 17, фиг.1, 2, 5. К пьезоэлементам 8 присоединены провода (не показано), проходящие внутри лопастей 3 к валу 2 и далее соединенные с коллекторными пластинами 16, 17.
Щеточные пары 18 и 19 удерживаются в щеткодержателях соответственно 20 и 21, закрепленных на рычагах соответственно 22 и 23, фиг.5-6.
Момент силы от ротора 1 через зубчатые колеса 24 передается электрогенератору (не показано) при варианте работы турбины в качестве турбогенератора. При варианте работы турбины в качестве движителя-турбогенератора для транспортного средства момент силы от одного или двух двигателей (не показано) к ротору 1 также передается через зубчатые колеса 24.
Устройство, задвигающее лопасти после выхода из рабочей зоны содержит электромагнитный элемент 25, установленный на валу 2 с возможностью взаимодействия после выхода из рабочей зоны с подпружиненными электромагнитными защелками 26, установленными в лопастях 3, пружины 27 которых установлены в роторе 1 с возможностью взаимодействия с лопастями 3. Электромагнитные защелки 26, поворачиваются на угол 55°. Каждая лопасть 3 содержит по две пружины 27, работающие на сжатие (без нагрузки пружины 27 растянуты). Пружина 27 с одной стороны упирается в лопасть, а с другой - в стопор 28, фиг 3, 4, 6, 7. Электромагнитный элемент 25 выполнен в форме полукруга и жестко закреплен в средней части неподвижного вала 2, фиг 3, 9, 10. Пружина 27 установлена таким образом, что в свободном состоянии обеспечивает открытие лопасти 3 примерно на 5°.
На фиг.1 пунктирной линией 29 показана наружная стенка водного или воздушного транспортного средства или гидроэлектрического помещения, а пунктирной линией 30 показан уровень рабочей среды.
Каждая электромагнитная защелка 26 имеет по две пружины 31 с каналом для проводов, подводящих питание к электромагнитным защелкам 26.
Все электроузлы устройства связаны в общую электрическую цепь (не показано).
При использовании в качестве рабочей среды горячего пара и газа для охлаждения устройства подают охлаждающую среду через каналы, выполненные в валу (не показано).
Устройство работает в двух режимах: турбогенератора-движителя для транспортного средства и турбогенератора.
При работе турбины в качестве турбогенератора-движителя, например, для водного транспортного средства вал турбины располагают перпендикулярно направлению движения транспортного средства. Ротор является ведущим по отношению к рабочей среде.
Один или два двигателя (не показано) передают вращение ротору 1, который, захватывая лопастями воду, перемещает транспортное средство, выполняя функцию гребного колеса. При выходе лопасти 3 из рабочей зоны ее электромагнитные защелки 26, взаимодействуя с магнитным полем неподвижного электромагнитного элемента 25, начинают притягиваться к нему и задвигаются. При непосредственном подходе лопасти 3 к электромагнитному элементу 25 магнитное поле усиливается, суммируя силовые линии электромагнитов защелки 26 и элемента 25. Лопасть 3 полностью прижимается к ротору 1 (задвигается), преодолевая силу воздействия пружин 27 и рабочей среды, в зоне сильного воздействия электромагнитного элемента 25, фиг.3. По мере прохождения верхнего полукруга (электромагнитного элемента 25) лопастью 3 сила взаимодействия магнитных полей защелок 26 и электромагнитного элемента 25 постепенно ослабевает. Лопасть 3 начинает выдвигаться силою воздействия пружин 27, напором воды и собственным своим весом сначала на 5-10°, максимально выдвигаясь в нижней точке на 90°. При взаимодействии магнитных полей защелки 26 и элемента 25 электромагнит защелки 26 поворачивается встречно магнитному потоку электромагнитного элемента 25, увеличивая скорость закрытия лопасти 3. При выходе лопасти 3 из зоны взаимодействия магнитных полей, пружины 31 возвращают электромагнит защелки 26 в исходное положение.
При вращении лопастей 3 под действием рабочей среды периодически прогибаются мембраны 11, воздействующие на пьезоэлементы 8, которые вырабатывают электрический ток. Далее электрический ток по проводам через коллекторы 16 и 17 передается щеточным парам соответственно 18 и 19 и через них к потребителю или преобразовывается при необходимости в электроток другого качества.
Работа турбины в качестве турбогенератора аналогична вышеописанной, но ротор 1 является ведомым по отношению к рабочей среде, и вращается в направлении ее движения.