RU2161731C1

RU2161731C1 - Impulse turbine

Info

Publication number: RU2161731C1
Application number: RU99122429/06A
Authority: RU
Inventors: Г.Г. Ушаков
Original assignee: Ушаков Григорий Германович
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2001-01-10

Abstract

FIELD: floating and stationary hydroelectric power plants. SUBSTANCE: proposed Pelton turbine has its shaft mounted in bearings fixed in supports. Turbine buckets have blind external element and bottom made in the form of curved blade built up of separate shutters whose symmetry axes are not in alignment with their longitudinal center line and stops functioning to prevent turning of shutters through angle exceeding 90 deg. Shutters are piled up under action of river stream and form tight bottom of bucket. Turbine top is half-closed with hood provided with front and rear cones. Cone angle from center to periphery is 60 and 20 deg. for front and rear cones, respectively. Shutters are turned and piled up on supports by means of working stream of river. Floating-plant turbine is coupled with drive and pantograph. Turbine is designed for operation in half-submerged and fully submerged condition. EFFECT: provision for round-the-year power generation from river water without building hydraulic structures. 2 dwg

Description

Изобретение относится к бесплотинной гидроэнергетике и может быть применено в любом регионе России для получения электроэнергии от рек 1-6 порядка, используя в качестве энергоносителя скоростной напор свободного течения реки. The invention relates to damless hydropower and can be applied in any region of Russia to receive electricity from rivers of order 1-6, using as the energy source the pressure head of the free flow of the river.

Скоростной напор свободного течения реки характеризуется изменчивостью как в пределах самой реки, так и во времени. Кроме того его энергетические возможности, даже на бурных перекатах рек, невелики, и конструкции турбин, в чью задачу входит перевод энергии свободного течения реки в механическое движение своего ротора, должны учитывать как изменчивость энергоносителя во времени и пространстве реки, так и его ограниченные возможности, т.е. турбины должны иметь высокий гидравлический КПД. The velocity head of the free flow of the river is characterized by variability both within the river itself and in time. In addition, its energy capabilities, even on turbulent river rifts, are small, and turbine designs, whose task is to convert the energy of the free flow of the river into the mechanical movement of its rotor, should take into account both the variability of the energy carrier in time and space of the river, and its limited capabilities, those. turbines must have high hydraulic efficiency.

Из теории реактивных турбин известно, что их гидравлический коэффициент полезного действия не может быть более 0,5, тогда как у активных, при определенных условиях, он может достигать единицы. From the theory of jet turbines it is known that their hydraulic efficiency cannot be more than 0.5, while for active, under certain conditions, it can reach unity.

Из активных турбин наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Гидросиловая установка", а. св. N 28168 F 03 B 13/00, кл. 88.B.4/ автор: М.О.Филатов. Of the active turbines closest in technical essence to the proposed invention is the "Hydro power installation", and. St. N 28168 F 03 B 13/00, CL 88.B.4 / author: M.O. Filatov.

Гидроустановка по этому изобретению состоит из ряда спаренных водяных колес /активных турбин/, попарно установленных поперек течения реки. Каждая последующая пара колес, для более полного использования энергии течения реки, по мнению автора, должна вращаться в противоположную сторону. Колеса работают полностью погруженными в воду. Их вращение в одновекторном пространстве потока реки достигается разностью давлений потока на верхнюю и нижнюю часть колеса турбины, а это, в свою очередь, достигается тем, что каждая лопасть колеса выполнена в виде ковша с глухими станками, соединенными рамками, на которых шарнирно закреплены шторки, в одном положении потоком реки прижатыми к своим рамкам и образующими в этот момент глухое днище ковша, воспринимающее на себя давление потока реки, а в момент перехода рамок из рабочего в холостое движение открывающих днище для свободного прохождения через него потока реки. The hydraulic installation according to this invention consists of a series of twin water wheels / active turbines /, installed in pairs across the river. Each subsequent pair of wheels, for a more complete use of the energy of the river, according to the author, should rotate in the opposite direction. The wheels work completely submerged in water. Their rotation in the one-vector space of the river flow is achieved by the difference in the flow pressures on the upper and lower parts of the turbine wheel, and this, in turn, is achieved by the fact that each wheel blade is made in the form of a bucket with blind machines connected by frames on which the shutters are hinged, in one position, the stream of the river is pressed to its frames and forming at this moment a deaf bottom of the bucket, which receives pressure from the river flow, and at the moment of the transition of the frame from the worker to idle, opening the bottom for free ohozhdeniya through river flow.

Гидравлический КПД турбины по а.св. 28168 несомненно выше, чем у любой реактивной турбины, установленной в этот же поток реки, однако рамки ковша сами являются тормозом, при движении их против потока реки, а установка второго ряда колес непосредственно за первым рядом не даст ожидаемого эффекта. В момент закрытия днища ковша каждая уложенная в рамку шторка находится под углом к потоку, и он, ударяясь о с нее реактивной силой, возникающей на поверхности шторки, отбрасывается в зону холостого движения шторок, создавая в этой зоне вихри и пульсацию, резко уменьшающих скоростной напор, предназначенный второму ряду колес. Восстанавливается скоростной напор после прохождения колес первого ряда, на расстоянии 6-8 диаметров первого ряда колес, т.е. второй ряд колес по а.с. 28168 должен быть отодвинут от первого ряда на 8 диаметров колес, что делает установку громоздкой. Hydraulic efficiency of a turbine according to A.S. 28168 is undoubtedly higher than that of any jet turbine installed in the same stream of the river, however, the bucket frames themselves are a brake when they move against the stream of the river, and the installation of the second row of wheels immediately after the first row will not give the expected effect. At the moment of closing the bottom of the bucket, each curtain placed in the frame is at an angle to the flow, and it striking against it with the reactive force arising on the surface of the curtain, is thrown into the idle movement zone of the curtains, creating vortices and pulsations in this zone, which sharply reduce the pressure head designed for the second row of wheels. The pressure head is restored after passing the wheels of the first row, at a distance of 6-8 diameters of the first row of wheels, i.e. second row of wheels by A.S. 28168 should be moved away from the first row by 8 diameters of the wheels, which makes the installation cumbersome.

Цель изобретения - повышение гидротехнических характеристик активной турбины, работающей в свободном потоке реки. The purpose of the invention is to increase the hydraulic characteristics of an active turbine operating in a free stream of a river.

Поставленная цель достигается тем, что турбина по предлагаемому изобретению, включающая рабочее колесо, закрытое сверху кожухом, выполненное в виде закрепленных в ряд на одном валу ковшей с глухими внешними образующими, смонтированное на подстилающей балке, днища которых набрано из шторок, открывающих или закрывающих днище самим потоком реки, отличающаяся тем, что каждая шторка шарнирно закреплена на внешних образующих ковша, а поворот которых вокруг своей оси ограничен с одной стороны упорами, закрепленными на внешних образующих ковша, с другой стороны - следующим рядом шторок, рабочая поверхность каждой шторки, на которую воздействует речной поток, выполнена выпуклой или вогнутой в поперечном сечении, оставаясь прямолинейной в продольном, кожух, закрывающий сверху рабочее колесо, закрывает его до половины колеса и совместно с подстилающей балкой и боковыми стенками, представляющими стационарное продолжение вращающихся крайних образующих всего ряда ковшей одного рабочего колеса, образуют перед рабочей зоной и за рабочей зоной колеса раструбы, причем первый по ходу потока выполнен расходящимся от колеса к периферии с суммарным углом расхождения его образующих, не превышающим 60^o, а второй - 20^o, подстилающая балка выполнена в виде рамы, в которой на коротких образующих закреплены стойки с подшипниками рабочего колеса турбины и проем которой в рабочей зоне колеса закрыт рядом поплавков, одним концом шарнирно закрепленных на внутренней продольной образующей рамы, а вторым прижатые, например, силой гидростатического давления, к упорам, закрепленным на подстилающей балке, причем верхние образующие поплавков выполнены под конфигурацию раструбов.This goal is achieved in that the turbine according to the invention, including the impeller, closed on top by a casing, made in the form of buckets fixed in a row on one shaft with dull external components, mounted on the underlying beam, the bottoms of which are drawn from curtains that open or close the bottom themselves river flow, characterized in that each curtain is pivotally mounted on the external generators of the bucket, and the rotation of which around its axis is limited on one side by stops fixed to the external generators of the bucket on the other hand, by the next row of blinds, the working surface of each curtain, which is influenced by the river flow, is convex or concave in cross section, remaining straight in the longitudinal, the casing covering the impeller from above covers it to half the wheel and together with the underlying beam and side walls representing a stationary continuation of the rotating extreme generators of the entire row of buckets of one impeller, form in front of the working area and behind the working area of the wheel, the first along the outflow is made diverging from the wheel to the periphery with a total angle of divergence of its generators not exceeding 60 ^o , and the second - 20 ^o , the underlying beam is made in the form of a frame in which racks with bearings of the turbine impeller are fixed on short generators and the opening of which is in the working area the wheels are closed by a series of floats, one end pivotally mounted on the inner longitudinal generatrix of the frame, and the second pressed, for example, by hydrostatic pressure, to the stops fixed on the underlying beam, the upper forming float Cove performed under the configuration of sockets.

Таким образом, заявляемое решение имеет отличительные признаки от прототипа, следовательно, оно соответствует критерию "новизна". Thus, the claimed solution has distinctive features from the prototype, therefore, it meets the criterion of "novelty."

На фиг. 1 показана предлагаемая турбина в трех проекциях. На фиг. 2 показан поперечный разрез турбины по сечению "А-А". In FIG. 1 shows the proposed turbine in three projections. In FIG. 2 shows a cross section through a turbine section AA.

Турбина на фиг. 1 и фиг. 2 состоит из оси-1, подшипники которой закреплены в стойках-4. На оси жестко закреплены глухие внешние образующие ковшей-2. Стойки-4, в свою очередь, закреплены на подстилающей балке /раме/-3. Стойки-4, пантографом-5, соединены с плавучим основанием станции, а ось турбины-1 редуктором, например, цепным-11 с приводом генератора, размещенным на плавучем основании станции. С помощью грузовых скоб-6 и несущей балки-7 турбина подвешивается на мосту плавучего основания и при работе станции опускается в речной поток. The turbine of FIG. 1 and FIG. 2 consists of an axis-1, the bearings of which are mounted in racks-4. On the axis, the deaf external forming parts of the buckets-2 are rigidly fixed. Racks-4, in turn, are fixed on the underlying beam / frame / -3. Stands-4, pantograph-5, are connected to the floating base of the station, and the axis of the turbine-1 is a gearbox, for example, chain-11 with a generator drive, located on the floating base of the station. Using cargo brackets-6 and a supporting beam-7, the turbine is suspended on the bridge of the floating base and when the station is in operation, it is lowered into the river stream.

На глухих образующих ковшей-2 шарнирно закреплены шторки-8, которые при воздействии на них речного потока поворачиваются в своих осях и образуют дно ковша турбины, выполненное по конфигурации лопасти рабочего колеса. Поворот шторок на определенный угол ограничен упорами-17. Упоры-17 ограничивают поворот шторок не более чем на 90^o, предотвращая тем самым опрокидывание шторок при входе их в рабочую зону, в которой на них начинает воздействовать речной поток.The blind-8 buckets are pivotally fixed to the blind forming buckets-2, which, when exposed to the river flow, turn in their axes and form the bottom of the turbine bucket, made by the configuration of the impeller blade. The rotation of the curtains by a certain angle is limited by stops-17. Stops-17 limit the rotation of the curtains by no more than 90 ^o , thereby preventing the curtains from tipping over when they enter the working area in which the river flow begins to affect them.

Верх турбины закрыт плотным кожухом-10, имеющим впереди подзор, направляющий речной поток в рабочую зону колеса. Кожух-10, в свою очередь, состоит из передней направляющей части-12 и задней части кожуха-16. Если передняя часть кожуха, совместно со стационарными частями внешних образующих турбины и подстилающей балки-3, образуют раструб, в задачу которого входит направлять и усилить речной поток в рабочей зоне колеса, то задняя часть кожуха, совместно со стационарными частями внешних образующих ковшей-2 и подстилающей балкой-3, образуют задний раструб, угол расхождения образующих которого от колеса к периферии подобран таким образом, что к мощности потока, передающегося турбине, прибавляется мощность от пресса атмосферного давления. Передняя направляющая часть кожуха-12 в боковых образующих имеет пазы, в которых перемещается щит-13, открывающий или полностью закрывающий речной поток в рабочей зоне турбины. The top of the turbine is closed by a tight casing-10, which has a gap in front that directs river flow into the working zone of the wheel. The casing-10, in turn, consists of a front guide part-12 and a rear part of the casing-16. If the front part of the casing, together with the stationary parts of the external components of the turbine and the underlying beam-3, form a bell, the task of which is to direct and strengthen the river flow in the working area of the wheel, then the back of the casing, together with the stationary parts of the external forming buckets-2 and the underlying beam-3, form a rear bell, the angle of divergence of the generators of which from the wheel to the periphery is selected in such a way that the power from the atmospheric pressure press is added to the power of the flow transmitted to the turbine. The front guide part of the casing-12 in the side generators has grooves in which the shield-13 moves, opening or completely closing the river flow in the working area of the turbine.

В реальном речном потоке могут быть твердые предметы, которые с потоком могут попасть в турбину. Для защиты колеса турбины от посторонних твердых предметов передний раструб турбины имеет решетку-19, выполненную в виде тонких пластин, развернутых ребром к потоку. Для защиты задней части турбины в заднем раструбе установлены ребра-15. С тем чтобы прошедшие сквозь решетку твердые предметы не заклинили рабочее колесо, подстилающая балка выполнена в виде рамы, на внутренней задней части которой шарнирно закреплен ряд поплавков-14. Архимедова сила каждого поплавка определяет силу, с какой он прижимается к своим упорам, при опускании турбины в речной поток. При попадании твердого предмета между лопастью турбины и поплавком они отклоняются вниз и пропускают твердый предмет за турбину. Верхняя часть поплавков выполнена по конфигурации переднего и заднего раструбов. Это позволяет поплавкам, кроме защитной роли, выполнять роль раструбов. С тем чтобы была возможность варьировать мощностью турбины, при постоянной мощности потока реки, рабочее колесо выполнено из нескольких секций-18. Дополнительные секции-18 могут по мере необходимости присоединяться к рабочему колесу. Щит-13 связан с приводом подъема щита-20, установленного на плавучем основании станции. Поднимая или опуская щит, можно варьировать мощностью турбины в границах энергетических возможностей реки и турбины. There can be solid objects in a real river stream that can enter a turbine with the stream. To protect the turbine wheel from foreign solid objects, the front bell of the turbine has a lattice-19, made in the form of thin plates, deployed rib to stream. To protect the rear of the turbine, ribs-15 are installed in the rear bell. So that solid objects passing through the grating do not jam the impeller, the underlying beam is made in the form of a frame, on the inner back of which a series of floats-14 are articulated. The Archimedean force of each float determines the force with which it is pressed against its stops when the turbine is lowered into the river flow. When a solid object gets between the turbine blade and the float, they deviate down and pass a solid object behind the turbine. The upper part of the floats is made according to the configuration of the front and rear sockets. This allows the floats, in addition to a protective role, to play the role of sockets. In order to be able to vary the power of the turbine, at a constant power flow of the river, the impeller is made of several sections-18. Additional sections-18 can be attached to the impeller as necessary. Shield-13 is connected with a hoist drive for shield-20 installed on the floating base of the station. Raising or lowering the shield, you can vary the power of the turbine within the energy potential of the river and the turbine.

Работает турбина следующим образом. The turbine operates as follows.

Рабочее колесо-1 на пантографе-5 с плавучего основания станции опускается в речной поток. Передний раструб, состоящий из кокуха-10, передней направляющей-12 и подстилающей балки-3, направляет поток на шторки-8 ковшей рабочего колеса. Под воздействием потока шторки ложатся друг на друга, образуя лопасть турбины, та, в свою очередь, под действием потока реки, через цепной привод поворачивает вал редуктора и через него вал генератора, размещенных на плавучем основании станции. The impeller-1 on the pantograph-5 from the floating base of the station is lowered into the river stream. The front bell, consisting of a cuckoo-10, the front guide-12 and the underlying beam-3, directs the flow to the curtain-8 of the impeller buckets. Under the influence of the flow, the shutters fall on each other, forming a turbine blade, which, in turn, under the influence of the river flow, rotates the gearbox shaft through a chain drive and through it the generator shaft located on the floating base of the station.

Выходя из рабочей зоны турбины, шторки-8 под действием силы тяжести и потока поворачиваются в своих цапфах и становятся ребром к потоку, уменьшая тем самым энергии на сопротивление лопасти рабочего колеса в потоке. При выходе шторок в рабочую зону поток укладывает их на дно ковша и цикл повторяется. Leaving the turbine working area, the shutters-8, under the action of gravity and flow, rotate in their pins and become an edge to the flow, thereby reducing energy by the resistance of the impeller blades in the flow. When the shutters exit to the working area, the stream puts them on the bottom of the bucket and the cycle repeats.

Claims

An active turbine, including an impeller, closed by a casing on top, made in the form of buckets fixed in a row on one shaft with dull external generators, mounted on the underlying beam, the bottoms of which are selected from curtains that open or close the bottom by the river flow, characterized in that each the shutter is pivotally mounted on the external generators of the bucket and the rotation of which around its axis is limited on one side by stops fixed to the external generators of the bucket, on the other hand, by the next row of shutters, the working surface each curtain, which is affected by the river flow, is convex or concave in cross section, remaining rectilinear in the longitudinal, the casing covering the top of the impeller, covers it to half the wheel and together with the underlying beam and side walls, which are a stationary extension of the rotating extreme generators the entire row of buckets of one impeller, form in front of the working area and behind the working area of the wheel, and the first bell in the direction of flow is made diverging from the wheel to the periphery with the total angle of divergence of its generators, not exceeding 60 ^o , and the second - 20 ^o , the underlying beam is made in the form of a frame in which racks with bearings of the turbine impeller are fixed on the short generators and the opening of which in the working zone of the wheel is closed by a number of floats, with one end pivotally fixed on the inner longitudinal generatrix of the frame, and the second pressed, for example, by hydrostatic pressure to the stops fixed on the underlying beam, and the upper generators of the floats are made under the configuration of the sockets.