СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГИДРОПОТОКА И ВИХРЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
HYDRAULIC FLOW ENERGY CONVERSION METHOD AND VORTEX HYDRAULIC TURBINE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потоков рек, каналов, сбрасываемой воды в природных и техногенных системах в механическую или электрическую энергию.
Известен способ преобразования энергии потоков в механическую или электрическую энергию и русловая гидроустановка, реализующая его, принятые за прототип (см. патент RU №2084692, F03B 3/00, 13/00, 20.07.97 г.). Преобразование энергии руслового потока в механическую или электрическую энергию осуществляется путем изменения поступательного потока во вращательное движение жидкости и преобразователя энергии гидроустановки, причем данное изменение движения осуществляют образованием двух вихрей противоположного направления вращения, при глубине потока, не превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают совпадение скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей, а при глубине потока, превышающей трехкратно линейные размеры гидроустановки, обеспечивают противоположное направление скоростей вихрей и потока с внешних боковых сторон вихрей.
В русловой гидроустановке, содержащей каркас с двумя вертикально расположенными полыми телами вращения, выполненными в виде полых цилиндров, и размещенные в последних валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, при этом валы установлены с возможностью вращения в противоположных направлениях, каждый цилиндр снабжен внутренней стенкой, выполненной в виде трубы переменного сечения, закрепленной с образованием сужающегося кверху канала, валы выполнены трубчатыми и закреплены на внутренних осях, связанных с каркасом, лопасти верхних и нижних турбин расположены симметрично оси вращения и прикреплены к наружным боковым поверхностям валов и цилиндров соответственно, причем к последним прикреплены под острым углом, при этом стенки цилиндра, трубы и вала жестко связаны между собой с образованием единой системы ротора, а для обеспечения противоположного вращения роторов лопасти их турбин ориентированы в разные стороны.
Недостатками прототипа являются сложность и большие габаритные размеры конструкции, недостаточно эффективное использование динамического напора набегающего гидропотока за счет высоких энергетических потерь и низкой способности к рекуперации кинетической энергии потока и, как следствие, низкий КПД.
Предлагаемым изобретением решается задача: повышение эффективности преобразования энергии гидропотока, упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров турбины, повышение КПД устройства.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в создании эффективной вихревой гидротурбины, реализующей предлагаемый способ за счет формирования рекуперативного вихревого потока при снижении габаритных размеров гидротурбины.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе преобразования энергии гидропотока, заключающемся в том, что преобразование осуществляется путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и ротора гидротурбины, причем данное изменение движения осуществляется образованием двух вихрей противоположного направления вращения, новым является то, что преобразование осуществляется путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и ротора гидротурбины в ограниченном от основного потока объеме, на первом этапе - за счет отсечения потока воды к турбине и постепенного сужения водовода с целью увеличения скорости поступательного движения, на втором этапе - за счет организации вращения воды одновременно вокруг двух осей, лежащих в перпендикулярных плоскостях: вращения вокруг оси ротора гидротурбины, и вихревого процесса торообразной формы в основании ограниченного объема, на третьем этапе - за счет формирования ускоренного восходящего вращательно-поступательного потока, направленного на раскручивание ротора и выполняющего рекуперативную функцию.
Кроме того, преобразование может быть осуществлено с возможностью формирования вращения в виде множества дополнительных радиальных вихревых потоков, приводящих к эффективному перераспределению гидропотока.
Этот способ преобразования энергии гидропотока реализуется в вихревой гидротурбине, содержащей каркас с вертикально расположенной полой емкостью, в которой размещены валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, соосными оси вращения, и внутренняя стенка, выполненная в виде трубы переменного сечения с образованием сужающегося кверху канала, в которой новым является то, что вертикальная полая емкость установлена неподвижно и выполнена в виде стакана с формой дна в виде полуторовой поверхности, образующей в дне осевое сквозное отверстие, в верхней части стакана, на его периферии, установлен сопловый ввод с входным раструбом, параллельным направлению движения основного гидропотока, первая лопастная турбина, расположенная на одном уровне с сопловым вводом, выполнена радиальной, вторая лопастная турбина выполнена осевой.
Лопасти первой турбины могут быть оснащены вихреобразующими поверхностями, а противолежащая поверхность стакана - отражающим кольцевым поясом.
Стенка вертикального стакана может быть выполнена с переменным сечением с образованием конфузорной, узкой цилиндрической и диффузорной частей.
Осуществление преобразования путем изменения поступательного движения потока во вращательное движение жидкости и ротора гидротурбины в ограниченном от основного потока объеме в виде вертикального стакана, установленного неподвижно на каркасе, позволяет:
- во-первых, усилить динамические процессы при преобразовании энергии гидропотока за счет ограничения границ вихревых потоков и направленного их формирования и перераспределения;
- во-вторых, снизить потери гидравлической энергии поступающего и полученных потоков жидкости;
- в-третьих, легко придавать потоку жидкости вращательный характер движения;
- в-четвертых, упростить конструкцию и габаритные размеры гидротурбины.
Отсечение на первом этапе преобразования потока воды, движущегося к турбине, постепенное сужение водовода и выполнение для этого в верхней части стакана, на его периферии, соплового ввода с входным раструбом, параллельным направлению основного гидропотока, позволяет:
- во-первых, отсечь при помощи входного раструба необходимый слой гидропотока, обеспечивающий раскручивание ротора гидротурбины и обладающий наиболее высокими динамическими характеристиками в сечении общего потока;
- во-вторых, увеличить скорость движения поступающего в стакан потока;
- в-третьих, обеспечить форму поступающего потока, близкую к форме естественно сжимающейся струи, что поддерживает безотрывность течения внутри сопла и параллельноструйность в выходном сечении;
- в-четвертых, обеспечить ввод жидкости с малыми потерями и устойчивый режим истечения без кавитации;
- в-пятых, получить за счет периферийного ввода жидкости по направлению движения основного гидропотока (тангенциального или близкого к тангенциальному) закручивающий эффект в потоке, способствующий эффективному раскручиванию ротора и переходу ко второму этапу преобразования.
Организация на втором этапе преобразования вращения жидкости и ротора гидротурбины и выполнение для этого первой лопастной турбины, расположенной на одном уровне с сопловым вводом, радиальной позволяет:
- во-первых, получить вращающийся вертикальный столб жидкости по всей высоте полого стакана;
- во-вторых, осуществлять раскручивание ротора от набегающего потока при поддержке центробежных сил, действующих на него;
- в-третьих, использовать накопленную при прохождении через сопловый ввод кинетическую энергию с высокой эффективностью;
- в-четвертых, получать на турбине значительную полезную мощность без использования напора, равного расстоянию между рабочим колесом гидротурбины и нижним уровнем гидростанции.
Формирование вихревого процесса торообразной формы в основании ограниченного объема и выполнение с этой целью объема в виде стакана с формой дна в виде полуторовой поверхности, образующей осевое сквозное отверстие в дне, позволяет:
- во-первых, сформировать в зоне полуторовой поверхности круговое вращательное течение за счет разности скоростей верхнего и нижнего слоев водяного столба в стакане, обусловленной различными условиями движения этих слоев: нижние слои, находящиеся под большим давлением, испытывают трение при контакте о дно стакана и вращаются медленнее, верхние слои вращаются свободно, контактируя только с атмосферным воздухом над зеркалом гидропотока, что и приводит к появлению вращательного торового потока;
- во-вторых, получить за счет вышеизложенного двойное вращение воды вокруг осей, лежащих в перпендикулярных плоскостях;
- в-третьих, подготовить условия для перехода к следующему этапу преобразования - формированию центрального ускоренного восходящего вращательно-поступательного потока, на который дополнительно воздействует расположенный ниже сквозного отверстия в дне стакана слой гидропотока, слабо подверженный вихревому движению и имеющий более высокое давление;
- в-четвертых, активизировать в целом динамические процессы в потоке жидкости, воздействующей на ротор гидротурбины.
Формирование ускоренного восходящего вращательно-поступательного потока, направленного на раскручивание ротора, и выполнение второй лопастной турбины осевой позволяет:
- во-первых, сформировать за счет неравномерности условий вращения нижних и верхних слоев столба жидкости в стакане поток-вихрь вдоль центральной оси ротора, обладающий ускорением поступательного движения;
- во-вторых, направить часть внутренней энергии вихревого потока на преобразование в кинетическую энергию его поступательного движения вдоль оси вихря (ротора);
- в-третьих, использовать ускоренное вращательно-поступательное движение восходящего потока - вихря для дополнительного раскручивания ротора посредством лопастей осевой турбины;
- в-четвертых, таким образом, реализовать рекуперативную функцию восходящего потока, что приводит к повышению КПД гидротурбины.
Формирование дополнительных радиальных вихревых потоков и оснащение для этого лопастей верхней турбины вихреобразующими поверхностями, а противолежащей поверхности стакана - отражающим кольцевым поясом, позволяет:
- во-первых, повысить коэффициент использования энергии напора набегающего потока, в том числе энергии слабых потоков;
- во-вторых, усилить использование действия центробежных сил за счет формирования реактивных радиальных вихревых жгутов, взаимодействующих с отражающим кольцевым поясом;
- в-третьих, стимулировать эффективное перераспределение полной энергии набегающего гидропотока;
- в-четвертых, сформировать третью область вращения в виде дополнительных ускоренных радиальных вихревых потоков, совпадающих по количеству с количеством лопастей первой турбины и способствующих раскручиванию гидротурбины;
- в-пятых, увеличить кинетическую энергию поступательного и вращательного движения центрального восходящего потока и «прокачать» большее количество жидкости через центральную трубу переменного сечения, а соответственно, и рекуперативную способность турбины и ее КПД.
Выполнение стенки вертикального стакана с переменным сечением с образованием конфузорной, узкой цилиндрической и диффузорной частей позволяет:
- во-первых, сформировать скачкообразный по скорости и давлению режим вращательно-поступательного перемещения жидкости внутри вертикального стакана;
- во-вторых, активизировать процесс образования вращательного движения в зоне полуторовой поверхности.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема вихревой гидротурбины; на фиг.2 - схема установки соплового ввода и входного раструба; на фиг.3 - схема размещения на лопастях первой турбины вихреобразующих поверхностей и противолежащего отражающего кольцевого пояса; на фиг.4 - схема взаимодействия вихревого потока и поверхностей отражающего кольцевого пояса; на фиг.5 - схема, поясняющая принцип реализации способа; на фиг.6 - схема выполнения стенки вертикального стакана с переменным сечением.
Вихревая гидротурбина для реализации данного способа преобразования энергии гидропотока состоит из неподвижной вертикальной полой емкости, установленной на каркасе, который закреплен на стационарной или наплавной платформе (на чертежах не показаны), и выполненной в виде стакана 1 с формой дна в виде полуторовой поверхности 2, образующей в дне осевое сквозное отверстие 3. Причем стакан 1 может быть установлен как на уровне зеркала основного потока, так и ниже в зависимости от динамики течения слоев воды в общем потоке. В верхней части стакана 1, на его периферии, установлен сопловый ввод 4 с входным раструбом 5, параллельным направлению движения основного гидропотока. На одном уровне с сопловым вводом 4 установлена первая лопастная турбина 6, выполненная радиальной и оснащенная рабочими лопастями 7. По центру турбины 6 располагается жестко соединенный с ней цилиндрический стакан 8, внутри которого помещена вторая лопастная турбина 9, выполненная осевой и установленная на валу 10, который в свою очередь жестко связан посредством радиальных перемычек 11 со стаканом 8. Турбины 6 и 9, стакан 8, вал 10 образуют единую жесткую систему ротора. Вал 10 связан с генератором электрической энергии (на чертежах не показан). Ниже цилиндрического стакана 8, соосно с ним, с гарантированным зазором «а» на радиальных перемычках 12, связанных со стенкой стакана 1 размещена внутренняя стенка 13, выполненная в виде трубы переменного сечения с образованием сужающегося кверху канала 14.
Лопасти 7 первой турбины 6 могут быть оснащены вихреобразующими поверхностями 15, а противолежащая поверхность стакана 1 - отражающим кольцевым поясом 16. Отражающий кольцевой пояс 16 в данном случае располагается в кольцевой выемке 17, выполненной в верхней части стакана 1, и представляет собой ступенчатую кольцевую поверхность 18 с неравными размерами ступенчатых поверхностей, расположенных под различными углами к радиусу стенки вертикального стакана 1.
Стенка вертикального стакана 1 может быть выполнена в виде поверхности переменного сечения, содержащей конфузорную 19, узкую цилиндрическую 20 и диффузорную 21 части.
1
2
Способ преобразования энергии гидропотока реализуется в вихревой гидротурбине следующим образом. Вихревая гидротурбина устанавливается в гидропотоке на стационарной или наплавной платформе (на чертежах не показаны) таким образом, чтобы сопловый ввод 4 с входным раструбом 5 были параллельны направлению основного течения. Причем расположение по глубине вихревой гидротурбины определяется исходя из структуры и мощности гидропотока в конкретном сечении русла. Набегающий поступательно движущийся гидропоток отсекается раструбом 5 и приобретает дополнительную кинетическую энергию в сопловом вводе 4. Активизированный гидропоток приводит во вращение радиальную гидротурбину 6 с рабочими лопастями 7. Одновременно с ней начинает вращаться вторая осевая турбина 9, связанная с первой турбиной 6 посредством стакана 8 и радиальных перемычек 11. Поток, поступающий через периферийно расположенный сопловый ввод 4 (тангенциальный или близко к тангенциальному), получает при поступлении внутрь вертикального стакана 1 дополнительную вращательную составляющую. Во вращательное движение вовлекается весь столб жидкости, находящийся между стенкой стакана 1 и внутренней стенкой 13, размещенной на радиальных перемычках 12, и на который действует центробежная сила. Однако слои воды, находящиеся внизу и вверху вертикального стакана 1, находятся в различных условиях. Нижние слои, находящиеся под давлением, испытывают трение при контакте о дно стакана 1 и вращаются медленнее. Верхние слои вращаются свободно, контактируя с верхним слоем воды или же напрямую с атмосферой. Таким образом, верхний слой вращается быстрее, испытывая более значительную центробежную силу. Поэтому в столбе воды, в нижней его части появляется круговое движение, окончательно сформированное формой полуторовой поверхности 2. Таким образом, формируется двойное вращение W и W вокруг разных осей.
1
2
2
Проследим за жидкостью, двигающейся по траектории АВСД при участии ее одновременно в 2-х вращениях. Участвуя во вращении W, в точке А жидкость приобретает линейную скорость V. На эту же жидкость действует вращение W. Следовательно, вращающаяся масса жидкости, продвигаясь мимо точки В, подходит к точке С. При этом происходит ускорение угловой скорости вращения. В итоге мгновенные линейные скорости движения жидкости в точке С и в точке А будут равны и будут отличаться только направлением. Далее, двигаясь по спирали, мимо точки D, вода возвращается в точку А и имеет линейную скорость V с добавкой ΔV, возникающей за счет вращения W. Вода, совершив цикл по АВСD, вернувшись в А, получает постоянную добавку ΔV. Таким образом, по оси гидротурбины формируется восходящий вращающийся ускоренный поток жидкости, движение которого вверх поддерживается давлением нижнего слоя воды, которое распространяется через центральное отверстие 3, и напором нижних слоев вихревого столба, образующегося в сужающемся канале внутренней стенки 13. Движение водяного потока становится упорядоченным, и поступательное движение осуществляется только вдоль единственной оси координат - оси ротора, дополнительно раскручивая осевую турбину 9. Таким образом, реализуется рекуперативный режим циркуляции потока воды внутри гидротурбины.
При оснащении лопастей 7 первой турбины 6 вихреобразующими поверхностями 15, а противолежащей поверхности стакана 1 отражающим кольцевым поясом 16, располагающимся в кольцевой выемке 17, формируются дополнительные радиальные вихревые потоки жидкости. Часть потока, воздействующая на лопасти 7, «срывается», ускоряется и закручивается, подвергаясь действию центробежной силы, вихреобразующими поверхностями 15. Таким образом, формируется множество ускоряющихся мини-вихревых потоков по числу лопастей, которые реактивно взаимодействуют с противолежащей поверхностью стакана 1 - отражающим кольцевым поясом 16, располагающимся в кольцевой выемке 17, выполненной в верхней части стакана 1. Мини-вихри одновременно вращаются вокруг оси ротора, «катясь» по ступенчатой кольцевой поверхности 18 с неравными размерами ступенчатых поверхностей. Таким образом, появляется дополнительная реактивная составляющая движения, способствующая раскручиванию ротора. Лопасти 7 турбины 6, вращаясь, постоянно подпитывают эти мини-вихри и вовлекают в движение внутри стакана 1 новые порции жидкости снаружи, увеличивая расход при создающемся на входе в стакан 1 разрежении. Причем наличие разности давления между внешней средой и во внутреннем вращающемся потоке в стакане 1 эту рекуперативную функцию поддерживает.
Если стенка вертикального стакана 1 выполнена в виде поверхности переменного сечения, то при поступлении вращающейся жидкости в конфузорную часть 19 и узкую цилиндрическую часть 20 происходит ускорение ее движения при снижении давления. На выходе из цилиндрической части 20 поток достигает максимальной скорости. Далее при условии возрастающего давления более активно начинает формироваться круговое движение в области полуторовой поверхности 2.
Таким образом, в вихревой гидротурбине, реализующей предлагаемый способ, осуществляется эффективное преобразование энергии гидропотока за счет формирования рекуперативного вихревого потока при снижении габаритных размеров гидротурбины.