Вихревая гидротурбина

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии на реках с большим перепадом уровня по руслу, а также на естественных либо искусственных водоемах, расположенных выше прилегающих окрестностей. Основными объектами для установки вихревых гидротурбин являются малые гидроэлектростанции и - в первую очередь - микро-ГЭС.

Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса, вместе взятых. (Научный журнал «Национальные приоритеты России» №1(1) 2009). Микро-ГЭС надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач. Наиболее перспективными в экономическом плане являются бесплотинные электростанции и, в частности, малые ГЭС с напорной подачей воды. Разработано много способов создания недорогих рукавных, деривационных мини- и микро-ГЭС с напорным водоводом. Однако, главный их компонент - гидроагрегат - даже при всей своей сложности не обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии водного потока.

Как известно, к.п.д. гидротурбины зависит от потерь энергии на преодоление сил трения при прохождении водоводов, направляющих аппаратов, обтекании лопастей турбины, при всякой турбулентности потока, где его кинетическая энергия частично преобразуется в теплоту, и, наконец, от потери энергии на удаление потока с его остаточной скоростью. По этим показателям все известные гидротурбины (и радиальные, и осевые, и радиально-осевые, в частности, вертикальная гидротурбина Френсис) далеки от совершенства.

Из всего многообразия турбин сложно подобрать аналоги заявляемой гидромашины. Можно назвать энергетическую установку для преобразования энергии текучей среды в механическую (патент WO 2014031038 А2), а также вихревую гидротурбину по патенту РФ №2424444, МКП F03B 13/00; F03B 3/00 (2006.01). Однако прототипом заявляемого устройства можно считать турбину ветротеплового преобразователя-накопителя (патент РФ №2623637, 2017 г.). Ее корпус и ротор, повернутые на 180° относительно горизонтальной оси, являются базовой конструкцией заявляемой вихревой гидротурбины. В ней только конфузор другого исполнения и отсутствует отходящий раструб. Зато появляется потребность в системе поддержания частоты вращения ротора, если он связан с электрогенератором. Естественно, сама конструкция такой турбины должна быть рассчитана на гидравлические параметры новой рабочей среды.

Задачей изобретения и было найти гидротурбину такой конструкции, которая в самом упрощенном виде имела бы минимальные потери энергии и стабильные обороты даже при резких перепадах нагрузки, могла бы работать в широком диапазоне параметров водного потока, позволила бы создать целый типоразмерный ряд (по мощности и частоте вращения), обладала бы пригодностью к использованию и надежностью работы в разных условиях и даже в самой труднодоступной местности.

Решением этой проблемы стала выявленная возможность использования ныне известной конструкции ветроустановки, но уже в другой области возобновляемой энергетики, а именно - в гидравлических электростанциях. В результате заявлена вихревая гидротурбина, имеющая конфузор, корпус и конусообразный ротор с желобчатыми лопастями, у которой - согласно изобретению - стенка корпуса в горизонтальном сечении имеет вид "спирали Архимеда" (около одного витка), нижний кольцеобразный фланец ротора расположен в проеме днища корпуса, а входной канал оснащен регулирующим затвором с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора.

Описание заявляемой гидротурбины поясняется общим видом в плане (с сечением над нижнем фланцем ротора) - фиг.1, и осевым разрезом по "А-А" - фиг.2.

Устройство турбины предельно простое: в корпусе 1, боковая стенка которого выполнена в виде неполного витка спирали Архимеда (r=aϕ, где: r - радиус в полярных координатах, ϕ - угол, a - постоянная), верхняя стенка закрытая, а нижняя - с круглым отверстием, установлен ротор 2, имеющий два фланца: верхний (меньший по диаметру) - сплошной - 3 и нижний (больший по диаметру) - кольцеобразный - 4 с расположенными между ними по кругу желобчатыми лопастями 5. К корпусу 1 (см. фиг. 1) примыкает конфузор 6, являющийся продолжением входного напорного канала 7.

Турбины, предназначенные для привода электрогенератора 8, оснащаются затвором 9 для регулирования потока, связанным с устройствами контроля частоты вращения ротора: центробежным механизмом, магнитной муфтой либо простейшей гидравлической системой. Последний вариант показан на фиг. 1. Регулирующий затвор 9 кинематически связан с подвижным сектором 10, оснащенным лопатками 11 (см. фиг. 2) и задающим устройством 12 (например, пружинным).

Пуск турбины производится подачей потока из входного напорного канала 7. Этот поток, сжатый и ускоренный конфузором 6, закручивается стенкой корпуса 1 в сжимающийся вихрь и воздействует на все лопасти 5, каждая из которых срезает свой - одинаковый для всех лопастей - слой потока, который, обтекая ее внутреннюю поверхность, создает на ней вращающий момент, как в любой реактивной турбине.

Если лопасть в сечении не намного меньше полуокружности, то при оптимальном соотношении угловой скорости ротора и потока (около 1:2) отработавшие потоки покидают лопасти с их же скоростью, но в противоположном направлении, т.е. с минимальной скоростью относительно корпуса турбины, а это значит - с максимальной отдачей своей энергии. И даже при такой высокой скорости потока как в самой улитке корпуса, так и в желобах лопастей, можно считать его ламинарным.

Отработавший поток через отверстие нижнего фланца 4 ротора 2 свободно падает в отводящий канал.

При обтекании потоком стенки корпуса силы трения снижают тангенциальную скорость v у стенки, однако в сжимающимся вихре угловая скорость потока (ω=ν/r ~ const), практически сохраняется и, если угол α (см. фиг. 1) равен 2π/n, (где n - число лопастей), то все лопасти работают с одинаковой нагрузкой, т.е. каждая лопасть при полном обороте ротора не испытывает колебаний нагрузки, что позволяет облегчить его конструкцию.

Устройство поддержания частоты вращения ротора в простейшем варианте работает так. В исходном положении подпружиненный сектор 10 поддерживается упором, при этом канал на входе потока в конфузор 6 полностью открыт. При работе турбины вода через кольцевую щель между верхней стенкой корпуса 1 и торцом верхнего фланца 3 свободно заходит в пространство над ротором 2 и заполняет конусную емкость, образованную этим фланцем, до уровня переливных отверстий в стенке полого вала с ребрами жесткости, благодаря которым над вращающимся ротором образуется водяной вихрь с его же угловой скоростью. Этот вихрь воздействует на лопатки 11 сектора 10 и с превышением установленной угловой скорости, преодолевая усилие пружины задающего устройства 12, поворачивает сектор 10, а связанный с ним затвор 9 ограничивает поток воды в турбину.

Чувствительность данного устройства обусловлена не только изменением скоростного напора водоворота, но и изменяющимся (под действием центробежной силы) уровнем воды на его периферии, где расположены лопатки 11 сектора 10 (см. фиг. 2).

Таким образом, частота вращения ротора 2, а следовательно, и электрогенератора 8 будет поддерживаться в допустимых пределах даже в режиме его автономной работы.

Низкая стоимость гидротурбины, предельно высокий КПД при ее работе, надежность и удобство в эксплуатации создают перспективу широкого использования ее практически в любых условиях горных районов страны.