Низконапорная ортогональная гидротурбина

Техническое решение относится к гидроэнергетике, в частности к гидравлическим машинам с роторами, не снабженными проточной камерой, и может быть использовано на приливных электростанциях (ПЭС), низконапорных речных гидроэлектростанциях (ГЭС) не требующих строительства плотины и напорной проточной камеры турбины. Решаемой технической задачей является - упрощение конструкции и снижение трудоемкости изготовления и обслуживания путем ликвидации проточной камеры, а также повышение КПД гидротурбины, за счет ликвидации холостых струй при работе гидротурбины. Решаемая техническая задача в низконапорной ортогональной гидротурбине, содержащей фундамент с жестко под прямым углом к нему установленным валом, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями крыловидного профиля, достигается тем, что ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице посаженной на вал с возможностью ее вращения на валу, на которых установлены с возможностью поворота на 90° лопасти крыловидного профиля, причем штанги имеют подкосы, жестко закрепленные на второй ступице выше нижней части лопастей, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей, установленного неподвижно относительно вала на третьей ступице и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей, вторая ступица посажана на вал также с возможностью ее вращения на валу, как и первая ступица. 2 илл.

Техническое решение относится к гидроэнергетике, в частности к гидравлическим машинам с роторами, не снабженными проточной камерой, и может быть использовано на приливных электростанциях (ПЭС), низконапорных речных гидроэлектростанциях (ГЭС) не требующих строительства плотины и напорной проточной камеры турбины.

Классические схемы гидравлических турбин - осевые, радиально осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные, диагональные и ковшовые, используемые в гидроэнергетике, имеют ряд недостатков, таких как, низкая удельная мощность, малые обороты вращения, необходимость подъема уровня водохранилища с целью увеличения мощности и выработки электроэнергии, низкий КПД использования воды водохранилища - источника потенциальной энергии, сложность конструкции и обслуживания, высокие массоразмерные характеристики.

Низконапорные ортогональные турбины относятся к реактивным поперечно - струйным типам, имеющим ротор, размещенный в потоке воды внутри напорной проточной камеры, имеющей водоподводящую и водоотводящую части, и изолирующие ротор турбины от общей массы потока приливно - отливной или речной воды. Проточная камера ограничивает размеры ротора, является сложной по конструкции, и для обслуживания не является функционально необходимым элементом турбины.

Известна гидротурбинная установка, содержащая подводящий и отводящий водоводы, турбину с турбинной камерой, соединяющей водоводы, и ротором типа ротора Дарье с валом и лопастями, причем камера выполнена с пересекающимися стенками и по меньшей мере на одной из ее стенок, расположенных вдоль вала ротора, выполнен выступ с острым или прямым углом при вершине, а лопасти выполнены аэродинамического профиля, параллельными валу, вершина выступа направлена к лопастям и смещена относительно поперечной оси камеры поворотом на острый центральный угол с возможностью образования зазора с поверхностью, ометаемой лопастями. На другой стенке камеры, расположенной вдоль вала, выполнен дополнительный выступ, вершина которого смещена относительно поперечной оси камеры в направлении вращения лопастей, по меньшей мере на одной из указанных стенок выполнены дополнительные выступы в виде расположенных вдоль лопастей секций, вершины которых смещены относительно поперечной оси камеры на различные центральные углы. В установке вершины выступов расположены с возможностью образования непрерывной поверхности, в водоводах установлены направляющие элементы. (Патент РФ на изобретение 2044155, опубл. 20.09.1995 г).

Известна также выбранная в качестве прототипа ортогональная турбина, (патент на полезную модель РФ 83545, опубл. 10.06.2008 г.) содержащая ротор в виде рамы, с лопастями крыловидного профиля, жестко установленные соосно с вертикальным валом. Ротор установлен внутри проточной камеры, имеющей водоподводящий и водоотводящий раструбы, направляющие потока к лопастям дифлекторы и вогнутые выступы, верхней частью примыкающие к поверхности цилиндра, ометаемого лопастями отклоняющие пристеночные слои потока с целью интенсификации взаимодействия с лопастями ротора. Все эти элементы: ротор, дефлектор, выступы и сама проточная камера погружены в поток текущей воды. Обтекание крыловидного профиля потоком, организованном внутри проточной камеры потоком создает силу, вращающую ротор, при этом, скорость вращения лопастей в несколько раз превышает скорость набегающего на них потока воды. Отличительная особенность работы ортогональной турбины заключается еще в том, что за каждый оборот ротора происходит двухкратное изменение направления обтекания потока профиля лопасти, но направление вращения ротора ортогональной турбины не зависит от направления потока - ротор всегда вращается в сторону тупого носка крыловидного профиля лопасти. Эта особенность делает целесообразным применение ортогональных турбин в низконапорных потоках, периодически изменяющих направление течения, например, на приливных электростанциях, но в этом случае, выступы и дефлекторы проточной камеры в сечении, перпендикулярном оси ротора, должны быть выполнены с соблюдением центральной симметрии относительно оси ротора. Эффективность (КПД) работы ортогональной турбины определяется не только конструкцией ротора и лопастей, но и, в значительной степени, конфигурацией выступов проточной камеры и положением и количеством дефлекторов. Описанная выше форма выступов и дефлекторов позволяет, варьируя параметрами, оптимизировать угол атаки пристеночной части потока, набегающего на лопасти, увеличивать вращающий момент ротора. Эта часть потока совершает полезную работу, но в центральной части проточной камеры формируются более мощные холостые струи, проходящие мимо лопастей ротора и не выполняющие полезной работы. Холостые струи уносят большую часть энергии потока протекающего через проточную камеру турбины и, тем самым снижают КПД турбины. По данным Канадских исследователей, проводивших испытание модели ортогональной турбины с подобной проточной камерой, максимальный КПД турбины не превышает 37%. Однако возможности по отклонению пристеночного потока с целью увеличения КПД ортогональной турбины, использованные в прототипе, оказались не эффективными.

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создание такой гидротурбины, которая была бы компактной и могла бы быть установлена (могла бы работать) непосредственно в любой точке пространства при наличие потока среды (воды, воздуха). Решаемой технической задачей в предлагаемой низконапорной ортогональной гидротурбине, является упрощение ее конструкции и снижение трудоемкости ее изготовления и обслуживания за счет ликвидации проточной камеры, а также повышение КПД гидротурбины за счет отсутствия холостых струй, которые имеются в. прототипе.

Решаемая техническая задача в низконапорной ортогональной гидротурбине, содержащей фундамент с жестко под прямым углом к нему становленным валом, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями крыловидного профиля, достигается тем, что ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице посаженной на вал с возможностью ее вращения на валу, на которых установлены с возможностью поворота на 90° лопасти, крыловидного профиля, причем штанги имеют подкосы, жестко закрепленные на второй ступице выше нижней части лопастей, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей, установленного неподвижно относительно вала на третьей ступице и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей, вторая ступица посажана на вал также с возможностью ее вращения на валу, как и первая ступица.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена низконапорная ортогональная гидротурбина, ее вид спереди, в разрезе в стационарном состоянии, когда плоскости всех лопастей имеют вертикальное положение. На фиг.2 изображена низконапорная ортогональная гидротурбина, ее вид сверху, когда все плоскости лопастей имеют горизонтальное положение.

Низконапорная ортогональная гидротурбина (фиг. 1, 2) содержит фундамент 1 с жестко под прямым углом к нему установленным валом 2, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями 3: 3₁, 3₂, 3₃, 3₄, крыловидного профиля, ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги 4, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице 5 посаженной на вал 2 с возможностью ее вращения на валу 2, причем на штангах 4 установлены с возможностью поворота на 90° лопасти 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ крыловидного профиля, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка 6, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей 3₁, 3₂ , 3₃, 3₄, установленного неподвижно относительно вала 2 на третьей ступице 7, и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей 3₁, 3₂, 3₃ , 3₄. Штанги 4 имеют подкосы 8, жестко закрепленные на второй ступице 9 выше нижней части лопастей 3₁, 3₂, 3₃, 3₄. Вторая ступица 9 посажена на вал 2 также с возможностью ее вращения на валу 2, как и первая ступица 5.

Рассмотрим предлагаемую низконапорную ортогональную гидротурбину в работе. До установки гидротурбины, кулачек 6 на валу 2 закрепляют таким образом, чтобы лопасть 3₃ занимала горизонтальное положение. Далее на дне реки устанавливают якорный из бетона фундамент 1. Лопасти 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ самостоятельно ориентируются в зависимости от направления течения потока воды. Когда устройство находится в потоке воды, то плоскости двух радиально противоположных лопастей из лопастей 3₁, 3₂ , 3₃, 3₄ принимают вертикальное положение относительно вектора скорости потока воды, например, лопасть 3₁ и лопасть 3₃. Как видно из фиг. 1 лопасть 3₁, в правой стороне чертежа (фиг. 2), под напором потока воды не может поворачиваться относительно штанги 4, ибо подкос 8 штанги 4 удерживает ее вертикальное положение, а для другой лопасти 3₃ такой же подкос 8 штанги 4 находится впереди лопасти 3₃ и она может вращаться вокруг штанги 4. Под напором потока воды сила F₃ сопротивления лопасти 3₃ становится меньше, чем сила F₁ сопротивления лопасти 3₁, и ротор начинает вращательное движение. Далее лопасть 3₃ скользит по поверхности кулачка 6, а поток воды способствует повороту лопасти 3₃ и она занимает горизонтальное положение. Встречный поток воды и кулачек 6 обеспечивают горизонтальное положение лопасти 3₃ , когда лопасть 3₁, вращаясь, занимает положение лопасти 3₂, и т.д. т.е. реализуются периодические переходы 3₁, далее 3₂, далее 3₃, далее 3₄, далее 3₁ и непрерывное вращение ротора гидротурбины.

Кулачек 6 выполнен из трубы, имеет пространственную форму - вогнут с радиусом не больше ширины лопастей 3₁, 3₂, 3₃, 3₄, и находится неподвижно относительно вала 2. В примере конкретной реализации кулачек 6 выполнен в форме изогнутой трубы, в виде окружности, с радиусом не превышающем ширину лопастей 3₁ , 3₂, 3₃, 3₄. Все лопасти 3 ₁, 3₂, 3₃, 3₄ имеют одинаковую ширину и высоту.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция низконапорной гидротурбины проще по конструкции и проще в обслуживании, так как в ней нет проточной камеры, а также нет водоотклоняющих элементов, находящихся под водой, что и упрощает конструкцию предлагаемой гидротурбины, упрощает ее обслуживание в процессе эксплуатации и ремонте. Отсутствие холостых струй, имеющихся при работе турбины по прототипу, приводит к повышению КПД предлагаемой гидротурбины. Гидротурбина целиком и полностью сооружается на заводе. До установки гидротурбины на рабочее место, кулачок 6 должен быть установлен и закреплен на валу 2 таким образом, чтобы лопасть 3₃ занимала горизонтальное положение, положение кулачка 6, при этом, фиксируется относительно вала 2. и после незначительного демонтажа гидротурбина отправляется на место эксплуатации, где устанавливается над уже сооруженном фундаментом 1 и доводится до рабочего состояния.

Низконапорная ортогональная гидротурбина, содержащая фундамент с жестко под прямым углом к нему установленным валом, на котором расположен ротор с прямоугольными лопастями крыловидного профиля, отличающаяся тем, что ротор содержит четыре радиальные цилиндрические штанги, угол между которыми составляет 90°, жестко закрепленные к первой ступице, посаженной на вал с возможностью ее вращения на валу, на которых установлены с возможностью поворота на 90° лопасти крыловидного профиля, причем штанги имеют подкосы, жестко закрепленные на второй ступице выше нижней части лопастей, положение и поворот которых регулируется с помощью профилированного кулачка, вогнутого с радиусом не больше ширины лопастей, установленного неподвижно относительно вала на третьей ступице, и не превышающего по высоте горизонтального положения лопастей, вторая ступица посажена на вал также с возможностью ее вращения на валу, как и первая ступица.

РИСУНКИ