Гидротурбинный двигатель

008918 Настоящее изобретение относится к устройствам для преобразования гидроэнергетического потенциала водотока в механическую энергию с возможностью дальнейшего преобразования энергии в другую форму. Известны устройства для преобразования гидроэнергетического потенциала водотока в механическую энергию с возможностью дальнейшего преобразования энергии в другую форму. По конструкции и способу преобразования энергии они разделяются на водяные колса и гидротурбины. Известны водяные колса с нижним, средним (центральным) и верхним приводом. Водяные колса с верхним приводом используют потенциальную энергию воды. По конструктивному исполнению такие колеса являются ковшовыми и располагаются между верхним и нижним уровнями воды. Вода с верхнего уровня поступает в ковши и, вращая колесо, вытекает в нижний уровень. Рабочие условия эксплуатации ковшовых водяных колс: разность высот уровней воды от 3 до 12 м, водопропускная способность от 0,3 до 1,0 м 3/с-1. Водяные колса с центральным и нижним приводом снабжены лопатками. Ось их вращения расположена над нижним уровнем воды. Колеса приводятся во вращение под действием поступающего на лопатки потока воды из верхнего в нижний уровень. Водяные колса с центральным приводом используют частично потенциальную, частично кинетическую энергию воды, поступающей на лопатки колеса примерно на уровне оси его вращения. Представителями такого типа колс являются колеса Sagabien, Zuppinger, Piccard. Водяные колса с нижним приводом используют только кинетическую энергию воды, поступающей тангенциально на лопатки нижней части колеса. Таким представителем является колесо Poncellet. Лопатки такого водяного колеса плоские или слабо выгнуты в плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса. Рабочие условия водяных колс с центральным и нижним приводом следующие: разность высот уровней воды - 0,5-4,0 м, водопропускная способность - 0,5-4,0 м 3/с-1. Коэффициент полезного действия всех колс - 60-70%. Преимуществами водяных колс являются простота и низкая стоимость. Недостатками являются низкий КПД и малые размеры водяных колс. Низкий КПД обусловлен формой лопаток и сопротивлением от расплескивания воды. Небольшой диапазон рабочих условий зависит от соотношения размеров водяного колеса и высоты уровня воды. Гидротурбины по виду используемой энергии воды делятся на активные и реактивные, а по направлению потока воды - на радиальные, аксиальные, радиально-аксиальные, диагональные (винтовые), тангенциальные (ковшовые), турбины с наклонным потоком и двойным расходом. Активные турбины, турбины Pelton и Bnk не используют кинетическую энергию воды. Турбина Pelton является ковшовой. Вода поступает по напорному трубопроводу с соплом на конце,где энергия напора воды преобразуется в кинетическую, а поток воды направлен тангенциально на лопатки турбины, имеющие объемную форму и расположенные на рабочем колесе турбины. Колесо турбины вращается в воздухе над уровнем нижнего бьефа. Ось вращения может быть горизонтальной и вертикальной. Рабочие условия: разность высот уровней воды - 30-900 м, водопропускная способность - 0,021,0 м 3/с-1. КПД варьируется до 91%. Турбина Bnk с двойным радиальным потоком через колесо с лопатками имеет горизонтальную ось вращения. Лопатки колеса используют кинетическую энергию воды, поступающей из регулирующего клапана над колесом турбины. Рабочие условия: разность высот уровней воды - 1,5-50 м, водопропускная способность - 0,02-1,5 м 3/с-1. КПД варьируется до 85%. Основными представителями реактивных турбин являются турбина Kaplan, турбина Francis и различные их модификации, например так называемые пропеллерная и всасывающая турбины. Турбина Kaplan является осевой. Рабочие условия: разность высот уровней воды - 1,5-75 м, водопропускная способность - 0,2-20 м 3/с-1. КПД варьируется от 88 до 95%. Турбина Francis является радиально-осевой. Рабочие условия: разность высот уровней воды - 10400 м, водопропускная способность - 0,05-15 м 3/с-1. КПД варьируется от 88 до 95%. Широкий диапазон рабочих условий и высокий коэффициент полезного действия являются преимуществами гидротурбин. А их недостатки - в сложности устройств и высокой стоимости. Настоящее изобретение - гидротурбинный двигатель для использования гидроэнергетического потенциала потока воды, содержащий сливное приспособление, сточное приспособление, смонтированное на оси вращения колесо с закрепленными на нем лопатками, объединяет преимущества водяного колеса простоту и низкую стоимость с преимуществами гидротурбин - высоким коэффициентом полезного действия и широким диапазоном рабочих условий. Смонтированное на оси вращения колесо имеет такое положение относительно сточного приспособления, чтобы активные лопатки были на большем или нулевом расстоянии над уровнем, который идентичен или ниже и одновременно параллелен уровню, ограничивающему сверху водосодержащий объем сточного приспособления. Ось вращения колеса с активными лопатками может быть вертикальной, горизонтальной или наклонной. Сливное приспособление благодаря своей форме и расположению своей оси против колеса с актив-1 008918 ными лопатками направляет поток воды на активные лопатки, закрепленные на колесе. Активные лопатки воспринимают кинетическую энергию текущей на них воды и преобразуют ее в механическую энергию вращательного движения колеса, на котором они закреплены. Благодаря своей форме, размерам, расположению относительно потока воды, направлению потока и относительной скорости их движения против потока воды, активные лопатки определяют эффективность преобразования кинетической энергии воды в механическую энергию. Конструкция колеса обеспечивает дальнейшую передачу энергии своего вращательного движения,полученной посредством активных лопаток из кинетической энергии воды, другим техническим устройствам. Поток воды, направляемый сливным приспособлением на активные лопатки колеса, продолжая падение, поступает из активных лопаток колеса на уровень воды, расположенный идентично или ниже и одновременно параллельно уровню, который сверху ограничивает водосодержащий и расположенный под колесом объем сточного приспособления. Описанное техническое решение поясняется чертежами. Фиг. 1 - схема технического решения гидротурбинного двигателя; фиг. 2 - гидроэлектростанция с подводящим желобом, напорной шахтой и гидротурбинным двигателем с горизонтальной осью вращения; фиг. 3 - гидроэлектростанция с водоподводящим желобом, напорной шахтой и гидротурбинным двигателем с вертикальной осью вращения; фиг. 4 - гидроэлектростанция с водоподводящим желобом, устройством подачи воды и гидротурбинным двигателем с горизонтальной осью вращения; фиг. 5 - гидроэлектростанция с металлическим шандорным затвором и четырьмя отдельными гидротурбинными двигателями с горизонтальной осью вращения; фиг. 6 - гидроэлектростанция на перекатной дамбе водотока с гидротурбинным двигателем с вертикальной осью вращения; фиг. 7 - оросительная установка на подпирающей перекатной дамбе с гидротурбинным двигателем с горизонтальной осью вращения; фиг. 8 - гидроэлектростанция на сбросе потока воды через металлический шандорный затвор с гидротурбинным двигателем с горизонтальной осью вращения. Предлагаемое на фиг. 2 техническое решение предназначено для создания небольшой гидроэлектростанции типа гидроцентрали с разностью уровней воды 2,8 м, водопропускной способностью от 0,125 до 1,0 м 3/с-1 и установленной мощностью 22 кВт. Устройство по фиг. 2 содержит подводящий желоб верхнего уровня воды 3, напорную шахту 12, регулируемое сливное приспособление 1, поплавковый регулятор 11 приспособления 1, закрепленные на колесе 5 с горизонтальной осью вращения 18 активные лопатки 4, сточное приспособление 6, фрикционную передачу 7, генератор 8, электрическую часть гидроцентрали 9, несущую раму устройства 10. Вода с места сбора по подводящему желобу верхнего уровня 3 поступает в напорную шахту 12, откуда она под давлением водяного столба через сливное приспособление 1 выбрасывается в направлении оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что ведет к возникновению вращающего момента на колесе 5,смонтированном на несущей раме 10 устройства с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 18. С колеса 5 вращающий момент через фрикционную передачу 7 передается на генератор 8. Вода из лопаток 4 сбрасывается на уровень, идентичный уровню 21, который, в свою очередь, идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, который сверху ограничивает водосодержащий объем сточного приспособления 6. Поплавковый регулятор 11, регулируя приспособление 1, поддерживает постоянную высоту верхнего уровня воды 3 без учета поступления воды в подводящий желоб. Предлагаемое на фиг. 3 техническое решение предназначено для создания небольшой гидроэлектростанции типа гидроцентрали с разностью уровней воды 2,0 м, водопропускной способностью от 0,25 до 2,0 м 3/с-1 и установленной мощностью 30 кВт. Устройство по фиг. 3 содержит подводящий желоб верхнего уровня воды 3, напорную шахту 12,регулируемое сливное приспособление 1, поплавковый регулятор 11 приспособления 1 с оптоэлектронным датчиком уровня воды, закрепленные на колесе 5 с вертикальной осью вращения 18 активные лопатки 4, сточное приспособление 6, передаточный механизм 7, генератор 8, электрическую часть гидроцентрали 9, несущую раму устройства 10. Вода с места сбора по подводящему желобу верхнего уровня 3 поступает в напорную шахту 12, откуда под давлением водяного столба через сливное приспособление 1 выбрасывается в направлении оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что ведет к возникновению вращающего момента на колесе 5, установленном на несущей раме 10 устройства с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 18. С колеса 5 вращающий момент через передаточный механизм 7 передается на генератор 8. Вода из лопаток 4 сбрасывается на уровень, идентичный уровню 21, который в свою очередь идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, который сверху ограничивает водосодержащий объем сточного приспособления 6. Электрическая часть 9 гидроцентрали обеспечивает технические параметры, необходимые для подключения генератора 8 к объединенной энергосети. Регулятор 11 сливного приспо-2 008918 собления 1 с оптоэлектронным датчиком уровня воды, регулируя приспособление 1, поддерживает постоянную высоту верхнего уровня воды 3 без учета поступления воды в подводящий желоб. Предлагаемое на фиг. 4 техническое решение предназначено для создания небольшой гидроэлектростанции типа гидроцентрали с разностью высот уровней воды 14,0 м, водопропускной способностью от 0,035 до 0,28 м 3/с-1 и установленной мощностью 37 кВт. Конструкция устройства по фиг. 4 разработана с учетом достигнутой высокой скорости потока воды при выходе на колесо требуемому числу оборотов генератора без использования дополнительного преобразователя. Устройство 4 содержит подводящий желоб верхнего уровня воды 3, линию потока воды 15, сливное приспособление 1, закрепленные на колесе 5 с горизонтальной осью вращения 18 активные лопатки 4, сточное приспособление 6, генератор 8, электрическую часть гидроцентрали 9, несущую конструкцию желоба 13, несущую раму 10 устройства. Вода с места сбора по подводящему желобу верхнего уровня 3 поступает на линию потока воды 15,где гидроэнергетический потенциал под действием силы тяжести падающей на линию 15 воды преобразуется в кинетическую энергию воды, которая выбрасывается через сливное приспособление 1 в направлении его оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что ведет к возникновению вращающего момента на колесе 5, установленном на несущей раме 10 устройства с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 18. С колеса 5 вращающий момент передается непосредственно на генератор 8. Вода из лопаток 4 сбрасывается на уровень, идентичный уровню 21, который в свою очередь идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, который сверху ограничивает водосодержащий объем сточного приспособления 6. Электрическая часть 9 гидроцентрали обеспечивает технические параметры,необходимые для подключения генератора 8 к объединенной энергосети. Предлагаемое на фиг. 5 техническое решение предназначено для создания небольшой гидроэлектростанции с разностью высот уровней воды 4,2 м, водопропускной способностью от 0,375 до 12 м 3/с-1 и установленной мощностью 380 кВт. Устройство по фиг. 5 содержит дамбы для подпора водотока и верхнего уровня воды 3, четыре сливных приспособления 1, их регулятор 11 с оптоэлектронным датчиком уровня воды, четыре колеса 5 с установленными на них активными лопатками 4 и горизонтальной осью вращения 18, сточное приспособление 6, четыре фрикционные передачи 7 а, четыре передаточных механизма 7, четыре генератора 8, электрическую часть 9 гидроцентрали, несущую раму 10 устройства. Под давлением водяного столба, созданного подпором верхнего уровня воды 3, вода через сливные приспособления 1 выбрасывается в направлении их осей 2 на активные лопатки 4 колес 5, что ведет к возникновению вращающего момента на колесах 5, установленных на несущей раме 10 устройства с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 18. Через фрикционные передачи 7 а и затем передаточные механизмы 7 вращающий момент передается на генераторы 8. Вода из лопаток 4 падает на уровень, идентичный уровню 21, который, в свою очередь, идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, который сверху ограничивает водосодержащий объем сточного приспособления 6. Электрическая часть 9 гидроцентрали обеспечивает технические параметры, необходимые для подключения генератора 8 к объединенной энергосети. Регулятор 11 оптоэлектронным датчиком уровня воды, регулируя приспособления 1, поддерживает постоянную высоту верхнего уровня воды 3 независимо от поступления воды к подпорной дамбе. Предлагаемое на фиг. 6 техническое решение предназначено для создания небольшой гидроэлектростанции на перекатной дамбе водотока с разностью высот уровней воды 3,1 м, водопропускной способностью от 0,06 до 0,5 м 3/с-1 и установленной мощностью 11 кВт. Устройство по фиг. 6 содержит линию потока воды 15, сливное приспособление 1, активные лопатки 4, установленные на колесе 5 с вертикальной осью вращения 18, сточное приспособление 6, передаточный механизм 7, генератор 8, электрическую часть 9 гидроцентрали, несущую раму 10 устройства. Перекатная дамба водотока обеспечивает образование подпора верхнего уровня воды 3, перетекающей через кромку дамбы, где гидроэнергетический потенциал падающей на линию 15 воды преобразуется в кинетическую энергию воды, под действием которой вода через сливное приспособление 1 выбрасывается в направлении его оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что обуславливает возникновение вращающего момента на колесе 5, смонтированном на несущей раме 10 устройства с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 18. Через передаточный механизм вращающий момент от колеса 5 передается на генератор 8. Из лопаток 4 вода падает на уровень, идентичный уровню 21, который, в свою очередь, идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, ограничивающему водосодержащий объем сточного приспособления 6. Электрическая часть 9 гидроцентрали обеспечивает технические параметры, необходимые для подключения генератора 8 к объединенной энергосети. Предлагаемое на фиг. 7 техническое решение предназначено для создания оросительной установки на бьефе с разностью высот уровней воды 2,2 м, водопропускной способностью 2,2 м 3/с-1, вытеснением 30 м и производительностью 100 л/с. Устройство по фиг. 7 содержит напорную шахту 12, сливное приспособление 1 с ручным регулятором 11, закрепленные на колесе 5 с горизонтальной осью вращения 18 активные лопатки 4, сточное приспособление 6, центробежный насос 16 с передаточным механизмом 7,всасывающую линию с фильтром 17, вытесняющий трубопровод 14, несущую раму 10 устройства. Бьеф обеспечивает создание подпора верхнего уровня воды 3, сообщающегося с напорной шахтой-3 008918 12, где вода под давлением водяного столба через сливное приспособление 1 выбрасывается в направлении его оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что ведет к возникновению вращающего момента на колесе 5, смонтированном на несущей раме устройства 10 с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 18. Через передаточный механизм 7 вращающий момент с колеса 5 передается на центробежный насос, который закачивает воду по водозабору с фильтром 17 из объема подпертого уровня и подает ее по вытесняющему трубопроводу в оросительную систему. Из лопаток 4 вода падает на уровень, идентичный уровню 21, который, в свою очередь, идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, ограничивающему водосодержащий объем сточного приспособления 6. Производительность установки регулируется ручным регулятором 11 приспособления 1. Предлагаемое на фиг. 8 техническое решение предназначено для создания миниатюрной гидроцентрали на существующей шандорной балке водослива с разностью высот уровней воды 3,0 м, водопропускной способностью от 0,125 до 1,0 м 3/с-1 и установленной мощностью 22,5 кВт. Устройство по фиг. 8 содержит линию направления водотока, выполняющую функцию сливного приспособления 1, активные лопатки 4, установленные на колесе 5 с горизонтальной осью вращения 18, сточное приспособление 6,ременной привод 7, генератор 8, электрическую часть 9 гидроцентрали, подвижную несущую раму 10 устройства. Шандорный затвор водослива обеспечивает подпор верхнего уровня 3 воды, перетекающей через гребень шандорного затвора, где гидроэнергетический потенциал падающей воды преобразуется в кинетическую энергию воды при падении ее по линии направления водотока, выполняющей функцию сливного приспособления 1, в направлении его оси 2 на активные лопатки 4 колеса 5, что ведет к возникновению крутящего момента на колесе 5, установленном на подвижной несущей раме устройства 10 с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 18. Через ременной привод 7 крутящий момент от колеса 5 передается на генератор 8. Из лопаток 4 вода падает на уровень, идентичный уровню 21, который,в свою очередь, идентичен уровню 19 или ниже и одновременно параллелен уровню 19, ограничивающему водосодержащий объем сточного приспособления 6. Электрическая часть 9 гидроцентрали обеспечивает технические параметры, необходимые для подключения генератора 8 к объединенной энергосети. Сопряжение подвижной несущей рамы 10 устройства с шандорным затвором обеспечивает направление водотока по линии 1 независимо от положения шандорного затвора. Предлагаемое техническое решение - гидротурбинный двигатель - применимо в качестве механического привода устройств в местах с наличием гидроэнергетического потенциала воды с широким диапазоном рабочих условий. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гидротурбинный двигатель, содержащий смонтированное на оси (18) с возможностью вращения колесо (5) с лопатками, закрепленными по окружности этого колеса, расположенное перед колесом водоподающее приспособление (1) и расположенное под колесом водосточное приспособление (6), отличающийся тем, что лопатки (4) выполнены активными. 2. Гидротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что все точки колеса (5) и активных лопаток (4) расположены на большем или нулевом удалении над уровнем (21), идентичным уровню (19), или ниже его и одновременно параллельным уровню (19), который сверху ограничивает водопропускной объем водосточного приспособления (6). 3. Гидротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ось (2) водоподающего приспособления (1) направлена на активные лопатки (4). 4. Гидротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что колесо (5) имеет горизонтальную,вертикальную или наклонную ось вращения (18).