Торционная гидротурбина

Использование: мини и микроэнергетические установки, получение механической энергии, например, для насосов. Сущность модели: Торционная роторная гидротурбина, ось которой располагается вдоль потока, состоит из нескольких подвижных на своих осях лопастей, размещаемых между передними опорными стойками и дном - диском турбины. Лопасти турбины подпружинены и установлены на заданную величину истечения радиального потока между соседними лопастями. При увеличении скорости потока и, соответственно, давления воды внутри ротора турбины, подпружиненные лопасти раздвигаются, увеличивая размеры щелей истечения радиального потока, что приводит к замедлению угловой скорости вращения гидротурбины. Конструкция позволяет увеличивать число лопастей, создавая при этом симметричность изделия относительно оси вращения, что уменьшает удары, вибрации и упрощает крепление гидротурбин на центральном тросе в составе гирляндных ГЭС. Такого рода торционные гирляндные ГЭС позволяют суммировать энергию потока воды на его протяженном участке.

Предлагаемая полезная модель относится к энергетическим установкам и может быть использована для получения электрической или механической энергии.

Известны русловые гидроагрегаты аналогичного назначения, преобразующие энергию потока воды во вращательное движение [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Такого рода установки состоят из роторных гидротурбин, разных конструкций, закрепленных на валу или тросе, и располагающихся в потоке воды.

Однако, такого рода устройства плохо используют энергию потока, поскольку геометрия их лопастей (профиль турбины) не меняется, в зависимости от скорости потока.

Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является плоскопараллельная торцовая гидротурбина Новикова Ю.М. движение [7], рис.2б, на стр.82, текст на стр.84, содержащая лопасти из двух полуцилиндров, смещенных по диаметру, и прикрепленных с одной стороны с диску, а с другой стороны - к диаметральной стойке. Вдоль центральной оси данной конструкции пропущен трос, закрепленный к стойке. Несколько аналогичных гидротурбин крепится на тросе, располагаемом вдоль течения, что позволяет суммировать энергию потока на его значительном расстоянии.

Однако прототипу присущ тот же недостаток. Энергия потока пропорциональна кубу его скорости и малейшие изменения параметров

потока существенно сказываются на выходных характеристиках, например, электрического генератора, нагруженного на торционную гидротурбину. Поскольку лопасти (полуцилиндры) в прототипе жестко прикреплены к диску и передней диаметральной стойке, то данная конструкция не отслеживает возможные изменения скорости потока.

Недостатком также является тот факт, что конструкция из двух полуцилиндров является ассиметричной, поэтому вращается с ударами и вибрациями. Для их уменьшения подобные торцовые гидротурбины приходится устанавливать парами со смещением на 90° и использовать специальные крепления.

Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:

- Лопасти выполнены подвижными и, как следствие, может изменяться геометрия (профиль) торционной гидротурбины в зависимости от скорости потока.

- Конструкция позволяет увеличивать число лопастей - частей цилиндра и стоек для крепления лопастей, симметрично располагая их по окружности гидротурбины, что уменьшает вибрации и упрощает крепление турбин на тросе.

Эти технические преимущества дают возможность управлять мощностью гидротурбины в зависимости от скорости потока, обеспечить более равномерное, без ударов, вращение гирлянды подобных турбин и упростить их крепление на центральном тросе.

Совокупность указанных технических преимуществ и создают положительный эффект заявляемого объекта.

На фиг.1 показана торционная гидротурбина (вид спереди, со стороны троса), на фиг.2 - ее фронтальный разрез по А-А, на фиг.3 - вариант исполнения для трехлопастной турбины.

Торционная гидротурбина имеет лопасти 1, 2 или более, расположенные между диском 3 и передними опорными стойками 4 на своих осях 5. По центру турбины проходит несущий трос 6, прикрепленный к передним стойкам и свободно пропущенный через отверстие в диске. Между лопастями и их осями установлены на закручивание пружины 7.

Торционная гидротурбина работает следующим образом. Поток воды, проходя по оси турбины вдоль троса, на который нанизаны турбины, минует стойки 4 и упирается в дно-диск 3. 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 фиг.1 вытекающий поток показан пунктирной линией, а направление вращения турбины - стрелкой из сплошной линии «». Поскольку стойка 4 прикреплена к тросу 6, усилие вращения турбины передается тросу, который суммирует мощности от всех турбин гирлянды и передает их, например, на генератор.

Скорость вращения и мощность, передаваемая от турбины тросу, зависит от размеров щели истечения потока между соседними лопастями. Первоначально размер щели устанавливается для минимальной скорости потока, например, в межень реки для летнего периода. В случае увеличения скорости потока (весенний период, или, например, дождь - осадки в летний период), давление внутри ротора турбины возрастает и лопасти 1, 2, преодолевая усилия своих пружин 7, поворачиваются на осях 5, при этом увеличивается размер щели истечения потока (показан пунктирной линией) и скорость вращения «» турбины замедляется, что и обеспечивает ее регулирование в заданных пределах.

Данная конструкция позволяет увеличивать число лопастей - частей цилиндра более двух. На фиг.3 показана гидротурбина с тремя лопастями, что обеспечивает симметричность конструкции турбины и равномерность

расположения лопастей по ее окружности. Это устраняет вибрацию и упрощает крепление турбин к тросу.

Пружины 7 могут быть выполнены как цилиндрическими (см. фиг.2), так и - в спиральном исполнении и крепиться на осях либо около диска, или - около передних опорных стоек.

С целью упрощения конструкции и исключения пружин, роль последних могут выполнять оси 5 выполненные в виде торсионов-пружин на закручивание. В этом случае ось-торсион 5, крепится жестко, например, в диске 3, а другой ее конец прикрепляется к лопасти и свободно пропускается в отверстие стойки 4 (на фиг. не показано). Роль торсионов-осей могут выполнять отрезки стальных тросов.

Для увеличения жесткости конструкции может быть введено в торцевую часть гидротурбины дополнительное кольцо, на которое установлены оси лопастей, передние опорные стойки (на фиг. не показано) и, при необходимости, - дополнительные опорные стойки. Дополнительное торцевое кольцо либо развальцовывается, либо выполняется с входным раструбом большего диаметра, чем диаметр гидротурбины. Это увеличивает давление внутри ротора турбины, а значит и его мощность при одних и тех же исходных параметрах потока.

Предварительные лабораторные испытания макетов торционных гидротурбин подтвердили работоспособность предложенных технических решений.

По мнению автора подобные роторные турбины могут быть использованы в различных конструкциях мини и микроГЭС индивидуального пользования.

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» (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 авторскому свидетельству Блинова Б.С., №153883, «Свободнопоточная гидросиловая установка» (аналог).

4. Описание изобретения к авторскому свидетельству Блинова Б.С., №175906, «Свободнопоточная гидросиловая установка» (аналог).

5. Описание изобретения к авторскому свидетельству Новикова Ю.М., №181553, «Роторная линия гирляндной ГЭС» (аналог).

6. Описание изобретения к авторскому свидетельству Блинова В.В. и др., №2187691, «Русловой гидроагрегат» (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).

1. Торционная гидротурбина содержащая лопасти, установленные между диском и передней опорной стойкой, по центру которой закреплен трос, свободно пропущенный через диск, отличающаяся тем, что лопасти выполнены подвижными и размещены на своих дополнительно введенных осях, закрепленных между диском и передними стойками, причем лопасти и их оси соединены пружинами.

2. Торционная гидротурбина по п.1, отличающаяся тем, что число лопастей-частей цилиндра и число стоек для их крепления составляет не менее трех штук на одну конструкцию и они симметрично распределены по окружности гидротурбины.

3. Торционная гидротурбина по п.1, отличающаяся тем, что оси лопастей выполнены в виде торсионов, одни концы которых закреплены в диске, а другие присоединены к лопастям вблизи передних стоек.

4. Торционная гидротурбина по п.1, отличающаяся тем, что оси лопастей и опорные стойки установлены с торца на дополнительном кольце, соединенным с диском дополнительными опорами жесткости.

5. Торционная гидротурбина по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что дополнительное торцевое кольцо выполнено с входным раструбом.