RU150863U1

RU150863U1 - LOW-PRESSURE ORTHOGONAL HYDROTURBINE

Info

Publication number: RU150863U1
Application number: RU2014121484/06U
Authority: RU
Inventors: Хаммат Миннахметович Шавалиев; Марат Фарихович Ахатов; Рушан Рашитович Каюмов
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-02-27

Abstract

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.A low-pressure orthogonal hydraulic turbine containing a foundation with a rigidly installed shaft at right angles to it, on which a rotor with rectangular blades of a wing-shaped profile is located, characterized in that the rotor contains four radial cylindrical rods, the angle between which is 90 °, rigidly fixed to the first hub, planted on the shaft with the possibility of its rotation on the shaft, on which the blades of the wing-shaped profile are installed with the possibility of rotation by 90 °, and the rods have struts rigidly fixed to the second hub above the lower part of the blades, the position and rotation of which is adjusted using a profiled cam concave with with a radius not greater than the width of the blades, mounted motionlessly relative to the shaft on the third hub, and not exceeding the horizontal position of the blades in height, the second hub is mounted on the shaft also with the possibility of its rotation on the shaft, like the first hub.

Description

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.The technical solution relates to hydropower, in particular to hydraulic machines with rotors that are not equipped with a flow chamber, and can be used in tidal power plants (PES), low-pressure river hydropower plants (HPPs) that do not require the construction of a dam and a pressure head flow chamber of the turbine.

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.The classic hydraulic turbine designs — axial, radially axial, propeller, rotary lobe, diagonal and bucket used in hydropower, have a number of disadvantages, such as low specific power, low rotation speed, the need to raise the reservoir level in order to increase power and generate electricity , low efficiency of water use of the reservoir as a source of potential energy, complexity of design and maintenance, high mass and size characteristics.

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.Low-pressure orthogonal turbines are reactive transverse-jet types having a rotor located in a water stream inside a pressure flow chamber having a water supply and water discharge parts, and isolating the turbine rotor from the total mass of the flow of tidal or river water. The flow chamber limits the size of the rotor, is complex in design, and is not a functionally necessary element of the turbine for maintenance.

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).Known hydraulic turbine installation containing inlet and outlet conduits, a turbine with a turbine chamber connecting the conduits, and a Darrier rotor type rotor with a shaft and blades, the chamber is made with intersecting walls and at least one of its walls located along the rotor shaft is made a protrusion with an acute or right angle at the apex, and the blades are made of an aerodynamic profile parallel to the shaft, the apex of the protrusion is directed to the blades and offset relative to the transverse axis of the chamber by a sharp central finish to form a gap with the surface of the sweeping blades. An additional protrusion is made on another chamber wall located along the shaft, the apex of which is offset relative to the transverse axis of the chamber in the direction of rotation of the blades, at least one of these walls has additional protrusions in the form of sections located along the blades, whose vertices are offset relative to the transverse axis of the chamber to various central angles. In the installation, the tops of the protrusions are arranged with the possibility of forming a continuous surface, guide elements are installed in the water conduits. (RF patent for the invention No. 2044155, publ. 09/20/1995 g).

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.Also known is the orthogonal turbine selected as a prototype (patent for a utility model of the Russian Federation No. 83545, published on June 10, 2008) containing a rotor in the form of a frame with wing-shaped blades rigidly mounted coaxially with a vertical shaft. The rotor is installed inside the flow chamber, which has water inlet and water outlet sockets, difflectors and concave protrusions directing the flow to the blades, the upper part adjacent to the surface of the cylinder swept by the blades deflecting the wall layers of the flow in order to intensify the interaction with the rotor blades. All these elements: the rotor, deflector, protrusions and the flow chamber itself are immersed in the flow of flowing water. The flow around the wing-shaped profile by a stream organized inside the flow chamber creates a force that rotates the rotor, while the speed of rotation of the blades is several times higher than the speed of the flow of water incident on them. A distinctive feature of the operation of an orthogonal turbine lies in the fact that for each revolution of the rotor there is a twofold change in the direction of flow around the blade profile flow, but the direction of rotation of the rotor of the orthogonal turbine does not depend on the flow direction - the rotor always rotates towards the blunt nose of the wing-shaped profile of the blade. This feature makes it advisable to use orthogonal turbines in low-pressure flows, periodically changing the direction of the flow, for example, at tidal power plants, but in this case, the protrusions and deflectors of the flow chamber in a section perpendicular to the axis of the rotor should be made in compliance with central symmetry relative to the axis of the rotor. The efficiency (efficiency) of the operation of an orthogonal turbine is determined not only by the design of the rotor and blades, but also, to a large extent, by the configuration of the protrusions of the flow chamber and the position and number of deflectors. The shape of the protrusions and deflectors described above allows, by varying parameters, to optimize the angle of attack of the near-wall part of the flow running on the blades, to increase the rotor torque. This part of the flow performs useful work, but in the central part of the flow chamber more powerful idle jets are formed, passing by the rotor blades and not performing useful work. Single jets carry away most of the energy of the flow flowing through the turbine flow chamber and, thereby, reduce the turbine's efficiency. According to Canadian researchers who tested a model of an orthogonal turbine with a similar flow chamber, the maximum turbine efficiency does not exceed 37%. However, the ability to deflect the near-wall flow in order to increase the efficiency of the orthogonal turbine used in the prototype was not effective.

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.The basis of the proposed technical solution is the task of creating such a hydraulic turbine that would be compact and could be installed (could work) directly at any point in space in the presence of a flow of medium (water, air). The technical problem to be solved in the proposed low-pressure orthogonal hydraulic turbine is to simplify its design and reduce the complexity of its manufacture and maintenance by eliminating the flow chamber, as well as increasing the efficiency of the hydraulic turbine due to the absence of idle jets that are available in. prototype.

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.The technical problem to be solved in a low-pressure orthogonal hydraulic turbine containing a foundation with a rigid shaft fixed at right angles to it, on which a rotor with rectangular wing-shaped blades is located, is achieved by the fact that the rotor contains four radial cylindrical rods, the angle between which is 90 °, rigidly fixed to the first hub mounted on the shaft with the possibility of its rotation on the shaft, on which the blades are installed, rotatable 90 °, with a pterygoid profile, the rods having struts, w firmly fixed on the second hub above the lower part of the blades, the position and rotation of which is regulated by a profiled cam, concave with a radius of not more than the width of the blades, mounted motionless relative to the shaft on the third hub and not exceeding the horizontal position of the blades in height, the second hub is also mounted on the shaft with the possibility of its rotation on the shaft, like the first hub.

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.The proposed utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows a low-pressure orthogonal hydraulic turbine, its front view, in a section in a stationary state, when the planes of all blades have a vertical position. Figure 2 shows a low-pressure orthogonal hydraulic turbine, its top view, when all the planes of the blades have a horizontal position.

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.The low-pressure orthogonal hydraulic turbine (Fig. 1, 2) contains a foundation 1 with a shaft 2 rigidly mounted at right angles to it, on which a rotor with rectangular blades 3: 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ , has a wing-shaped profile, the rotor contains four radial cylindrical rods 4, the angle between which is 90 °, rigidly fixed to the first hub 5 mounted on the shaft 2 with the possibility of its rotation on the shaft 2, and on the rods 4 mounted blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 rotatable 90 ° ₃ , 3 ₄ wing-shaped profiles, the position and rotation of which is regulated is profiled using a profiled cam 6, concave with a radius of not more than the width of the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ , mounted motionless relative to the shaft 2 on the third hub 7, and not exceeding the height of the horizontal position of the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ . The rods 4 have struts 8, rigidly mounted on the second hub 9 above the lower part of the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ . The second hub 9 is mounted on the shaft 2 also with the possibility of rotation on the shaft 2, as well as the first hub 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.Consider the proposed low-pressure orthogonal hydraulic turbine in operation. Before installing the turbine, the cam 6 on the shaft 2 is fixed so that the blade 3 ₃ occupied a horizontal position. Next, at the bottom of the river, an anchor foundation of concrete is installed 1. The blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ independently orient themselves depending on the direction of the flow of water. When the device is in a stream of water, the planes of two radially opposite blades from the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ take a vertical position relative to the velocity vector of the water flow, for example, the blade 3 ₁ and the blade 3 ₃ . As can be seen from FIG. 1 blade 3 ₁ , on the right side of the drawing (Fig. 2), under the pressure of the water flow cannot rotate relative to the rod 4, because the strut 8 of the rod 4 holds its vertical position, and for the other blade 3 ₃ the same strut 8 of the rod 4 is in front the blades 3 ₃ and it can rotate around the rod 4. Under the pressure of the water flow, the force F _{3 of the} resistance of the blade 3 ₃ becomes less than the force F _{1 of the} resistance of the blade 3 ₁ , and the rotor begins to rotate. Next, the blade 3 ₃ slides on the surface of the cam 6, and the flow of water contributes to the rotation of the blade 3 ₃ and it occupies a horizontal position. The oncoming flow of water and cams 6 provide a horizontal position of the blade 3 ₃ when the blade 3 ₁ , rotating, takes the position of the blade 3 ₂ , etc. those. Periodic transitions 3 ₁ , then 3 ₂ , then 3 ₃ , then 3 ₄ , then 3 ₁ and continuous rotation of the turbine rotor are realized.

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 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ имеют одинаковую ширину и высоту.The fist 6 is made of a pipe, has a spatial shape - it is concave with a radius of not more than the width of the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ , and is stationary relative to the shaft 2. In the example of a specific implementation of the fist 6 is made in the form of a curved pipe, in the form a circle with a radius not exceeding the width of the blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ . All blades 3 ₁ , 3 ₂ , 3 ₃ , 3 ₄ have the same width and height.

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.Thus, in comparison with the prototype, the proposed design of a low-pressure hydraulic turbine is simpler in design and easier to maintain, since it has no flow chamber, and there are no water-deflecting elements under water, which simplifies the design of the proposed hydraulic turbine and simplifies its maintenance in the process operation and repair. The lack of idle jets available during the operation of the turbine of the prototype, leads to increased efficiency of the proposed hydraulic turbine. The hydroturbine is built entirely at the plant. Before installing the turbine in the workplace, cam 6 must be installed and fixed on the shaft 2 so that the blade 3 _{3 is} horizontal, the position of cam 6 is fixed relative to shaft 2. and after a slight dismantling, the turbine is sent to the place of operation, where it is installed above the already constructed foundation 1 and brought to working condition.

Claims

A low-pressure orthogonal hydraulic turbine containing a foundation with a shaft fixed rigidly at right angles to it, on which a rotor with rectangular wing-shaped blades is located, characterized in that the rotor contains four radial cylindrical rods, the angle between which is 90 °, rigidly fixed to the first hub, planted on the shaft with the possibility of rotation on the shaft, on which the wing-shaped blades are mounted rotatably 90 °, and the rods have struts, rigidly fixed to the second the hub is higher than the lower part of the blades, the position and rotation of which is regulated with the help of a profiled cam, concave with a radius of not more than the width of the blades, mounted motionless relative to the shaft on the third hub, and not exceeding the horizontal position of the blades in height, the second hub is also mounted on the shaft with the possibility of rotation on the shaft, like the first hub.