RU2131994C1

RU2131994C1 - Hydraulic turbine for river-channel hydroelectric power plant

Info

Publication number: RU2131994C1
Application number: RU97112364/06A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Чудиков
Original assignee: Пятигорская государственная фармацевтическая академия
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-06-20

Abstract

FIELD: hydroelectric power engineering. SUBSTANCE: hydraulic turbine has horizontal shaft mounted on two supports and two opposing rectangular blades. The latter are equally spaced from shaft for forced turning about their axes parallel to shaft at angular velocity twice as low as that of shaft in direction opposing sense of shaft rotation. Blade width equals two distances from axis of its rotation to shaft edge. Blade surface above shaft is aligned with vertical plane crossing shaft axis. Planes of blades are spaced 90 deg. apart. EFFECT: improved efficiency of turbine. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области экологически чистой энергетики и может быть использовано в русловых гидроэлектростанциях (ГЭС). The invention relates to the field of clean energy and can be used in channel hydroelectric power plants (HPPs).

Известны гидротурбины для русловых ГЭС, к примеру: "Гидротурбина Рождественского", "Гирляндская гидротурбина Блинова", "Вингроторы" и др. (см. ж. "Изобретатель и рационализатор", 1970-1973). Hydroturbines are known for riverbed hydropower plants, for example: Rozhdestvensky Hydroturbine, Blinova Garland Hydroturbine, Wingrotors, etc. (see. Inventor and Rationalizer, 1970-1973).

Такие гидротурбины маломощны и имеют низкий КПД. Such hydraulic turbines are low-power and have low efficiency.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой гидротурбине является Патент СССР N 1174 от 7.06 1924 г. на ветродвигатель, содержащий, установленный в опоре с возможностью свободного вращения, вал; прямоугольные лопасти, установленные на равном расстоянии от вала, с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала. Такое устройство является довольно громоздким и обладает малым КПД. The closest in technical essence to the proposed hydraulic turbine is USSR Patent N 1174 dated June 7, 1924 for a wind turbine comprising a shaft mounted in a support with the possibility of free rotation; rectangular blades installed at an equal distance from the shaft, with the possibility of forced rotation around its axes parallel to the axis of the shaft, with an angular velocity half the angular velocity of rotation of the shaft, and in the direction opposite to the rotation of the shaft. Such a device is rather bulky and has low efficiency.

Целью данного изобретения является повышение эффективности и КПД и использование его в качестве гидротурбины для русловой ГЭС. The aim of this invention is to increase the efficiency and efficiency and its use as a hydraulic turbine for a river hydroelectric station.

Поставленная цель достигается тем, что гидротурбина состоит из двух противостоящих лопастей, ширина каждой из них равна удвоенному расстоянию от оси их вращения до кромки вала, который расположен горизонтально на передней и задней опорах; причем лопасти кинематически связаны с валом так, что плоскость лопасти, находящейся над валом, имеет возможность совпадать с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала. The goal is achieved in that the turbine consists of two opposing blades, the width of each of them is equal to twice the distance from the axis of rotation to the edge of the shaft, which is located horizontally on the front and rear bearings; moreover, the blades are kinematically connected with the shaft so that the plane of the blade located above the shaft has the ability to coincide with the vertical plane passing through the axis of the shaft.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена гидротурбина и русловая ГЭС в целом; на фиг. 2 - разрез А-А; на фиг. 3 - разрез А-А, повернутый на 90^o; на фиг. 4 - разрез Б-Б.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a hydroturbine and a channel hydroelectric power station as a whole; in FIG. 2 - section aa; in FIG. 3 - section aa, rotated 90 ^o ; in FIG. 4 - section BB.

Гидротурбина состоит из горизонтально расположенного вала 1, установленного на передней 2 и задней 3 опорах, которые закреплены на корпусе 4 (фиг. 1). Две прямоугольные плоские лопасти 5 удобообтекаемого профиля установлены своими полуосями 6 и 7 на концах водил 8 и 9, закрепленных на валу. Ширина d лопасти равна удвоенному расстоянию d' от кромки вала до оси вращения лопасти, т.е. d=2d'. Это позволяет получить максимальную площадь рабочей поверхности лопасти (фиг. 4). Лопасти связаны с приводным механизмом, состоящим из цилиндрических шестерен: ведущей 10, закрепленной на корпусе 4 неподвижно, двух ведомых 11, закрепленных на полуосях 6, и двух промежуточных 12, сидящих на осях 13, которые закреплены на водилах 8. Шестерни 12 связывают кинематически ведомые шестерни с ведущей. Число зубьев шестерни 11 в два раза больше чем у шестерни 10. Лопасти выставлены таким образом, что над валом их плоскости совпадают с вертикальной плоскостью, проходящей через ось вала (фиг. 2). Корпус 4 гидротурбины соединен со зданием 14 русловой ГЭС, в котором могут быть расположены: электрогенератор 15, мультипликатор 16 и другое оборудование. Вал гидротурбины, полностью погруженной в воду, соединен с электрогенератором через муфту 17 и мультипликатор. Выработанная электроэнергия доставляется к потребителю по проводам ЛЭП, имеющей опоры 18 (фиг. 1). Угол между плоскостями лопастей составляет 90^o.The hydraulic turbine consists of a horizontal shaft 1 mounted on the front 2 and rear 3 bearings, which are mounted on the housing 4 (Fig. 1). Two rectangular flat blades 5 of a streamlined profile are mounted with their half shafts 6 and 7 at the ends of the carriers 8 and 9, mounted on the shaft. The blade width d is equal to twice the distance d 'from the shaft edge to the axis of rotation of the blade, i.e. d = 2d '. This allows you to get the maximum area of the working surface of the blade (Fig. 4). The blades are connected with a drive mechanism consisting of cylindrical gears: a drive 10 fixed on the housing 4 motionless, two driven 11 mounted on the axles 6, and two intermediate 12 sitting on the axles 13, which are mounted on the carriers 8. The gears 12 are connected kinematically driven gears with a leading gear. The number of teeth of gear 11 is twice as large as that of gear 10. The blades are set so that their planes above the shaft coincide with the vertical plane passing through the shaft axis (Fig. 2). The body 4 of the turbine is connected to the building 14 of the channel hydroelectric power station, in which the following can be located: electric generator 15, multiplier 16 and other equipment. The shaft of the turbine, completely immersed in water, is connected to the electric generator through the coupling 17 and the multiplier. The generated electricity is delivered to the consumer through the wires of a power transmission line having supports 18 (Fig. 1). The angle between the planes of the blades is 90 ^o .

Гидротурбина работает следующим образом. Hydroturbine works as follows.

Под воздействием течения реки на лопасти, как показано стрелками (фиг. 2 и 3), гидротурбина, расположенная перпендикулярно течению, будет вращаться, вращая через приводной механизм лопасти с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную валу. Это придает лопастям свойство парусности, благодаря которому они воспринимают и передают на вал энергию течения во всех точках окружности с радиусом R (фиг. 2 и 3), кроме точки "K", в которой лопасти принимают положение параллельное течению, оказывая незначительное сопротивление вращению ввиду удобообтекаемого профиля. Для определения мощности на валу гидротурбины составлен график изменения мощности, передаваемой лопастями на вал за один оборот гидротурбины. В начале оборота, когда лопасть перпендикулярна течению (фиг. 2, точка "H"), она воспринимает и передает на вал всю энергию прямого удара водяного потока сечением, равным рабочей площади лопасти, т.е. максимальную мощность N_м, равную

кВт,
где C - коэффициент передачи мощности лопастью на вал (теоретически он равен C = sin²α , где α - угол поворота лопасти к течению); γ - объемный вес воды в кг/м³; F - рабочая площадь лопасти в м²; v - скорость течения в м/сек; g = 9,81.Under the influence of the river flow on the blades, as shown by arrows (Figs. 2 and 3), the turbine located perpendicular to the flow will rotate, rotating through the drive mechanism of the blade with an angular velocity half the angular velocity of rotation of the shaft, and in the direction opposite shaft. This gives the blades a sailing property, due to which they perceive and transfer to the shaft the flow energy at all points of the circle with radius R (Figs. 2 and 3), except for the "K" point, at which the blades assume a position parallel to the flow, providing little resistance to rotation due to streamlined profile. To determine the power on the shaft of the turbine, a schedule has been drawn up for the change in the power transmitted by the blades to the shaft per revolution of the turbine. At the beginning of the turn, when the blade is perpendicular to the flow (Fig. 2, point "H"), it senses and transfers to the shaft all the energy of direct impact of the water flow with a cross section equal to the working area of the blade, i.e. maximum power N _m equal to

kW
where C is the coefficient of power transfer by the blade to the shaft (theoretically it is C = sin ² α, where α is the angle of rotation of the blade towards the stream); γ is the volumetric weight of water in kg / m ³ ; F is the working area of the blade in m ² ; v is the flow velocity in m / s; g = 9.81.

Когда лопасть перпендикулярна течению коэф. C=1. Под другими углами лопасти к течению коэф. C уменьшается и при повороте гидротурбины на 180^oC коэф. C= 0 (фиг. 2 и 3, точка "K"). Пропорционально коэф. C изменяется и мощность, передаваемая лопастью на вал. Кривая 1 показывает (см. график) изменение мощности, передаваемой на вал одной лопастью за один оборот гидротурбины. Кривая 2 показывает изменение мощности, передаваемой на вал другой лопастью. Суммарная мощность, передаваемая на вал двумя лопастями (см. график) за один оборот гидротурбины, является постоянной мощностью N на валу гидротурбины, т.е.When the blade is perpendicular to the flow coefficient. C = 1. At other angles of the blade, the flow coefficient is flowing. C decreases and when turning the turbine 180 ^o C coefficient. C = 0 (Fig. 2 and 3, point "K"). In proportion to the coefficient. C changes and the power transmitted by the blade to the shaft. Curve 1 shows (see the graph) the change in power transmitted to the shaft by one blade per revolution of the turbine. Curve 2 shows the change in power transmitted to the shaft by another blade. The total power transmitted to the shaft by two blades (see graph) for one revolution of the turbine is a constant power N on the turbine shaft, i.e.

кВт.

kW

Потеря мощности на вращение лопастей здесь будет незначительной и в расчет не берется, т.к. при вращении гидротурбины лопасти способны сами вращаться вокруг своей оси в желаемую сторону под воздействием окружающей их водной среды. Число оборотов вала под нагрузкой равно:

об/сек.The power loss due to the rotation of the blades here will be insignificant and will not be taken into account, since during rotation of the hydraulic turbine, the blades themselves are able to rotate around their axis in the desired direction under the influence of the surrounding aqueous medium. The number of revolutions of the shaft under load is equal to:

rpm

При определении КПД данной гидротурбины нужно учесть, что площадь наибольшего сечения гидротурбины, перпендикулярного течению (миделево сечение), равна 1,5 площади лопасти (см. выше), без учета площади продольного сечения вала и водил. Но данная гидротурбина полностью улавливает энергию водяного потока сечением, равным площади лопасти. Тогда отношение площади лопасти к площади миделевого сечения гидротурбины дает КПД, т.е. 1/1,5=0,666... Округляя данное число с учетом площади продольного сечения вала и водил, получим КПД не менее 0,62. При использовании в данной гидротурбине трех подобных лопастей ее КПД можно повысить до 0,8. When determining the efficiency of a given hydraulic turbine, it is necessary to take into account that the area of the largest cross section of a hydraulic turbine perpendicular to the flow (mid-section) is equal to 1.5 of the blade area (see above), without taking into account the longitudinal section of the shaft and carrier. But this hydraulic turbine completely captures the energy of the water stream with a cross section equal to the area of the blade. Then the ratio of the area of the blade to the area of the mid-section of the hydraulic turbine gives an efficiency, i.e. 1 / 1.5 = 0.666 ... Rounding this number taking into account the longitudinal sectional area of the shaft and carrier, we obtain an efficiency of at least 0.62. When using three similar blades in a given hydraulic turbine, its efficiency can be increased to 0.8.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что лопасти обладают свойством парусности и имеют максимальную площадь рабочей поверхности, достигаемую максимальной шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти. An essential distinguishing feature of the invention is that the blades have a sailing property and have a maximum working surface area achieved by a maximum width equal to twice the distance from the shaft edge to the axis of rotation of the blade.

Преимуществом предлагаемой конструкции является простота устройства и повышенный КПД. The advantage of the proposed design is the simplicity of the device and increased efficiency.

Claims

A hydraulic turbine for a channel hydroelectric power station, comprising a shaft mounted in a support with the possibility of free rotation, rectangular blades placed at an equal distance from the shaft with the possibility of forced rotation around its axes parallel to the shaft, with an angular velocity half the angular velocity of rotation of the shaft, and the side opposite to the rotation of the shaft, characterized in that the turbine consists of two opposing blades, the width of each of which is equal to twice the distance from the axis of rotation to the edge of the shaft located horizontally on the front and rear bearings, and the blades are kinematically connected with the shaft so that the plane of the blade located above the shaft has the ability to coincide with the vertical plane passing through the axis of the shaft, and the angle between the planes of the blades is 90 ^o .