RU2091607C1

RU2091607C1 - Free-flow turbine

Info

Publication number: RU2091607C1
Application number: SU915008609A
Authority: RU
Inventors: Василий Давыдович Черненко
Original assignee: Василий Давыдович Черненко
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1997-09-27

Abstract

FIELD: hydraulic equipment used to convert energy of free flow into other kinds of energy; hydraulic turbines using horizontal free flow to produce electric energy. SUBSTANCE: turbine is fully immersed in water; its dimensions are chosen so that it can be easily placed in transverse profile of river, and all its blades take part in work and those moving against flow do not interfere with rotary motion and create torque force; distribution device reliably holds blades at any point of their movement at which maximum torque force is built up. EFFECT: improved reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к гидротехническому оборудованию для преобразования энергии любого потока в другие виды энергии. The invention relates to hydraulic equipment for converting the energy of any stream into other types of energy.

Преимущественная область использования это гидротурбина для получения электроэнергии на потоке с любым углом падения. The preferred area of use is a hydraulic turbine for generating electricity on a stream with any angle of incidence.

Наиболее близкими техничнсеими решениями к изобретению являются реактивные поворотнолопастные турбины пропеллерного типа различной модификации. Общими свойствами аналогов с изобретением являются
нахождение рабочего колеса полностью в воде;
наличие лопастей воспринимающих силу потока под определенным углом и передающих на вал турбины;
возможность необходимого разворот лопастей по отношению к потоку;
синхронное регулирование поворота лопастей;
вариабельность количества лопастей и их конфигурации в зависимости от требуемого режима работ турбины и гидродинамических характеристик потока.The closest technical solutions to the invention are propeller-type jet turbines of various modifications. General properties of analogues with the invention are
finding the impeller completely in the water;
the presence of blades sensing the flow force at a certain angle and transmitting to the turbine shaft;
the possibility of the necessary turn of the blades in relation to the flow;
synchronous rotation control of the blades;
the variability of the number of blades and their configuration depending on the required mode of operation of the turbine and the hydrodynamic characteristics of the flow.

В качестве прототипа изобретения может рассматриваться поворотнолопастная турбина (турбина В.Каплана). По конструктивному выполнению поворотнолопастные турбины не отличаются от пропеллерных, но у них в процессе работы лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей перпендикулярных оси вала. Поворот лопастей осуществляется сервомотором, расположенном обычно в втулке колеса, и системой механизмов, связанной зависимостью расхода потока проходящего через турбину и нагрузкой, поступающей на генератор мощности. Благодаря применяемому механизму поворота лопастей у этого типа турбины зона высоких КПД значительно расширяется, расход же холостого хода снижается (5-8% вместо 22-45% у пропеллерных). As a prototype of the invention can be considered rotary vane turbine (turbine V. Kaplan). According to the design, the rotary vane turbines do not differ from the propeller ones, but in the process of their operation, the impeller blades can rotate around their axes perpendicular to the shaft axis. The rotation of the blades is carried out by a servo motor, usually located in the wheel hub, and a system of mechanisms related to the dependence of the flow rate passing through the turbine and the load supplied to the power generator. Due to the applied blade rotation mechanism for this type of turbine, the zone of high efficiency is significantly expanded, while the idle flow rate is reduced (5-8% instead of 22-45% for propellers).

К числу наиболее значимых недостатков прототипа относятся следующие:
втулка поворотного механизма снижает полезное сечение рабочего потока и уменьшает размеры лопастей;
поворотный механизм громоздок и сложен в обустройстве и эксплуатации;
хотя диапазон мощности высокого значения КПД в поворотнолопастных турбинах и расширяется в сравнении с пропеллерными, все же он остается ограниченным, причиной чему является малый угол установки лопасти (кривизна лопасти) ввиду отрицательной совокупности ряда характеристик ее вращательного движения и гидродинамических условий потока, свойственным пропеллерным турбинам;
двойная функция лопасти (как лопасти и рычага) снижает эффективность рычага и лопасти рычаг работает практически в полдлины, а значительная часть лопасти находится в менее выгодной зоне вращательного движения;
эффективность работы пропеллерной турбины обусловлена только напорным потоком, а его создание связано со сложными и дорогостоящими гидротехническими обустройствами;
лопасть-рычаг имеют конструктивную соподчиненную зависимость, поэтому лишены возможности варьирования оптимальным отношением площади лопасти и длины рычага;
ввиду жесткой зависимости кривизны и угла установки лопасти от технологического режима турбина лишена возможности в пользу КПД или мощности увеличивать свои габариты в радиальном или осевом направлениях.Among the most significant disadvantages of the prototype include the following:
the sleeve of the rotary mechanism reduces the useful cross section of the working flow and reduces the size of the blades;
the rotary mechanism is cumbersome and complicated in arrangement and operation;
although the power range of high efficiency in rotary vane turbines expands in comparison with propeller turbines, it nevertheless remains limited, the reason for which is the small angle of the blade (curvature of the blade) due to the negative combination of a number of characteristics of its rotational motion and hydrodynamic flow conditions inherent to propeller turbines;
the double function of the blade (like the blade and the lever) reduces the efficiency of the lever and the blade, the lever works almost half the length, and a significant part of the blade is in a less favorable zone of rotational movement;
the efficiency of the propeller turbine is due only to the pressure flow, and its creation is associated with complex and expensive hydraulic equipment;
the blade arm have a constructive subordinate relationship, therefore, they are unable to vary the optimal ratio of the blade area and the length of the lever;
due to the rigid dependence of the curvature and angle of installation of the blade on the technological mode, the turbine is deprived of the opportunity in favor of efficiency or power to increase its dimensions in the radial or axial directions.

Технической задачей изобретения является создание универсального типа турбины, которая бы
максимально устраняла недостатки прототипа;
работала в свободных горизонтальных и напорных потоках, независимо от угла их падения;
использовала энергетический ресурс потока без нарушения экологических, транспортных, рыбо-и водохозяйственных режимов рек;
имела высокий КПД в максимально широком диапазоне мощностей;
не имела ограничений габаритного развития в радиальном и осевом направлении.An object of the invention is to create a universal type of turbine, which would
maximally eliminated the disadvantages of the prototype;
worked in free horizontal and pressure flows, regardless of their angle of incidence;
used the energy resource of the flow without violating the ecological, transport, fish and water management regimes of rivers;
had high efficiency in the widest range of capacities;
had no limitations of overall development in the radial and axial directions.

Сущность изобретения заключается в том, что, разделяя конструктивно лопасть-рычаг прототипа на независимые составляющие в совокупности с применением поворотного механизма лопастей, турбина приобретает технологическую, конструктивную и функциональную совокупности принципиально новых качеств, выражающихся в следующем:
устраняется ряд принципиальных недостатков прототипа;
лопасть может независимо от рычага занимать по отношению к потоку угол от О до 90^o, иметь собственную ось, перпендикулярную рычагу и вращаться вокруг нее на 360^o, иметь максимально возможные размеры и конфигурацию, позволяемые габаритами естественного или организованного потока, иметь конструктивное и материальное разнообразие и исполнение, использоваться всей площадью в наиболее эффективной зоне рабочего колеса турбины, центром тяжести опираться на крайнюю точку, удаленную от центра колеса;
лопасть приобрела поступательно-вращательное движение, что позволило иметь ее установочный усредненный угол до 45 против 10^o у прототипа;
рычаг обладает конструктивной и технологической свободой, что позволяет вращающее усилие приложить на конце, иметь его размеры и материал исполнения независимо от лопасти, использовать его для других конструктивных и функциональных целей;
конструктивная простота поворотного механизма лопастей тем не менее обеспечивает высокую функциональную надежность их синхронного вращения, заключающуюся в том, что угол установки лопасти для каждой точки ее движения четко поддерживается в том положении, когда крутящее усилие от потока является максимальным.The essence of the invention lies in the fact that, structurally dividing the prototype blade-lever into independent components in combination with the use of the rotary mechanism of the blades, the turbine acquires a technological, constructive and functional set of fundamentally new qualities, expressed in the following:
eliminates a number of fundamental disadvantages of the prototype;
regardless of the lever, the blade can occupy an angle from 0 to 90 ^o with respect to the flow, have its own axis perpendicular to the lever and rotate 360 ^o around it, have the maximum possible dimensions and configuration, allowed by the dimensions of the natural or organized flow, have a constructive and material variety and execution, to be used with the entire area in the most efficient area of the turbine impeller, with the center of gravity resting on an extreme point remote from the center of the wheel;
the blade acquired a translational-rotational movement, which allowed to have its installation averaged angle of up to 45 against 10 ^o the prototype;
the lever has constructive and technological freedom, which allows a rotational force to be applied at the end, to have its dimensions and material of execution regardless of the blade, to use it for other structural and functional purposes;
The structural simplicity of the rotary mechanism of the blades nevertheless provides high functional reliability of their synchronous rotation, which consists in the fact that the angle of installation of the blade for each point of its movement is clearly supported in the position when the torque force from the flow is maximum.

На фиг. 1 изображена общая схема турбины, вид сбоку опорно-стоечный вариант; на фиг. 2 то же консольно-подвесной вариант; на фиг. 3 общая схема четырех лопастной турбины, вид сверху, горизонтальная проекция; на фиг. 4 - кинематическая схема фрагмента системы, иллюстрирующая идею поворотного механизма лопастей, как основной сути изобретения. In FIG. 1 shows a general diagram of a turbine, a side view of a support-rack version; in FIG. 2 the same console-hanging option; in FIG. 3 general diagram of four vane turbines, top view, horizontal projection; in FIG. 4 is a kinematic diagram of a fragment of a system illustrating the idea of a rotary mechanism of the blades, as the main essence of the invention.

Примером конкретного выполнения изобретения могут служить фиг. 1-3, где изображается конструктивно-механическая схема, могущая быть универсальным основанием конструирования турбины с любым количеством лопастей, необходимых для конкретных технико-экономических условий. An example of a specific embodiment of the invention is FIG. 1-3, which depicts a structural-mechanical scheme, which could be a universal basis for constructing a turbine with any number of blades necessary for specific technical and economic conditions.

Основным несущим элементом, обеспечивающим турбине функционально-механическую целостность, надежность эксплуатации и связь с вспомогательным инженерным оборудованием является корпус подвески 1, на который крепится плита 4 подвески и ведущая шестерня 5. В корпусе подвески с помощью подшипников 3 устанавливается силовой вал 2. С помощью фланца 7 к силовому валу крепится рычаг 9, на котором устанавливается ось 12 с ведомой шестеренкой 11 и лопастью 10, и механизм поворота лопастей: передающие шестерни 6 и передающий вал 8. The main bearing element providing the turbine with functional and mechanical integrity, reliable operation and communication with auxiliary engineering equipment is the suspension housing 1, on which the suspension plate 4 and the pinion gear 5 are mounted. The power shaft 2 is mounted in the suspension housing using bearings 3. Using the flange 7, a lever 9 is attached to the power shaft, on which the axis 12 with the driven gear 11 and the blade 10 is mounted, and the rotation mechanism of the blades: transmission gears 6 and transmission shaft 8.

Работоспособность турбины возникает под действием потока на лопасти, структура в целом начинает вращаться. Синхронность вращения турбины и лопасти в зависимости от изменения скорости потока или мощности энергоустановки регулируется и поддерживается механизмом поворота лопастей, состоящего из ведущей 5, ведомой 11, передающих 6 шестерен и передаточного вала 8. The turbine operability arises under the influence of flow on the blades, the structure as a whole begins to rotate. The synchronization of rotation of the turbine and the blade, depending on the change in the flow rate or power of the power plant, is regulated and supported by the rotation mechanism of the blades, consisting of a drive 5, driven 11, transmitting 6 gears and a transmission shaft 8.

Изложенный выше пример не единичен в техническом решении, а является лишь иллюстрацией в возможности практического решения как идеи. На практике могут быть использованы и другие варианты как количества лопастей, так и типа поворотного механизма без нарушения основного замысла воплощения. The above example is not unique in the technical solution, but is only an illustration of the possibility of a practical solution as an idea. In practice, other variants of both the number of blades and the type of rotary mechanism can be used without violating the basic concept of the embodiment.

В приведенном примере термины рычаг или корпус подвески не следует понимать сугубо прямолинейно: им следует придавать широкий смысл, охватывающий возможные модификации и технические эквиваленты в зависимости от конкретной обстановки их выполнения. In the given example, the terms lever or suspension housing should not be understood in a strictly straightforward manner: they should be given a broad meaning, covering possible modifications and technical equivalents depending on the specific situation of their implementation.

Технико-экономическую и общественно-социальную эффективность изобретения в полной мере на данном этапе определить очень сложно; однако расчетные данные сравнительных анализов с аналогами, натурные испытания действующих моделей и другие исследовательские работы показывают, что изобретение превосходит существующие аналоги по основным экономическим параметрам более чем в два раза; неизученность некоторых явлений оставляет надежду на еще более высокие показатели. The techno-economic and socio-social effectiveness of the invention in full measure at this stage is very difficult to determine; however, the calculated data of comparative analyzes with analogues, full-scale tests of existing models and other research work show that the invention exceeds the existing analogues in basic economic parameters by more than two times; lack of knowledge of some phenomena leaves hope for even higher rates.

Учитывая, что гидротурбина это базовая единица гидроэнергетического оборудования отрасли, которая поставляет значительную часть энергии народному хозяйству, а также все возрастающее значение экологических проблем, новый тип гидротурбины может стать альтернативным существующим. Given that a hydroturbine is the basic unit of the hydropower equipment of the industry, which supplies a significant part of the energy to the national economy, as well as the growing importance of environmental problems, a new type of hydroturbine can become an alternative to the existing one.

Claims

A free-flow turbine containing a frame with a support heel, in which the output shaft, levers and blades are located, each of which has an axis connected through a gear transmission with the output shaft, characterized in that it is equipped with a hub mounted coaxially with the output shaft and levers in number blades, one end of each lever is rigidly fixed on the hub, and the other is pivotally on the axis of the blade, while between the drive gear of the gear gear mounted on the axis of the blade and the driven gear mounted on the output shaft transmission gears fixed to the ends of the transmission shaft.