PL227143B1

PL227143B1 - Water turbine

Info

Publication number: PL227143B1
Application number: PL402233A
Authority: PL
Inventors: Janusz Iwan
Original assignee: Janusz Iwan
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2017-11-30
Also published as: PL402233A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest turbina wodna przeznaczona w szczególności do wykorzystania hydrozasobów o piętrzeniach najniższych.The subject of the invention is a water turbine intended in particular for the use of hydro-resources with the lowest damming.

Moc strumienia wodnego przechodząca przez wybrany przekrój zależy od iloczynu wysokości H piętrzenia masy wody i wartości natężenia przepływu Q przez ten przekrój przechodzącego. Wartość Q zależy od przepustowości przekroju przepływowego czyli zdolności przepustowej Q uzyskiwalnej w utworzonych warunkach hydraulicznych.The power of the water stream passing through the selected cross-section depends on the product of the height H of damming the water mass and the value of the flow rate Q through this cross-section. The value of Q depends on the capacity of the flow cross-section, i.e. the capacity Q obtainable in the created hydraulic conditions.

Uzyskanie znaczących mocy turbin lokowanych na piętrzeniach niskich wiąże się z koniecznością przejmowania dużych natężeń przepływów wody co przy niewielkich, osiąganych przy tych piętrzeniach prędkościach przepływu i stosowaniu znanych technologii zagospodarowań energetycznych, zmusza do podwyższającej koszty gabarytowej rozbudowy maszyn i powoduje, że wraz z towarzyszącymi wysokimi kosztami zabudowy hydrotechnicznej wykorzystywanie hydrozasobów zmagazynowanych w piętrzeniach najniższych przy stosowaniu tradycyjnych technologii staje się nieopłacalne a poziom nieopłacalności wzrasta wraz ze zmniejszaniem się piętrzeń.Obtaining significant power of turbines located on low dams is associated with the need to take over large water flow rates, which, with low flow velocities achieved at these dams and the use of known energy management technologies, forces to increase the costs of the overall machine expansion and causes that along with the accompanying high costs When using traditional technologies, the use of hydro-resources stored in the lowest dams becomes unprofitable and the level of unprofitability increases with the reduction of dams.

Znaczna - bo prawie połowa - energii słonecznej zawarta w hydrozasobach o piętrzeniach poniżej 2 m, zachęca do poszukiwania tanich, ekonomicznie skutecznych rozwiązań technologicznych do wykorzystania tej części zasobów.Considerable - because almost half - of solar energy contained in hydropower with dams below 2 m, encourages the search for cheap, economically effective technological solutions to use this part of the resources.

Rekomendowane obecnie do wykorzystywania zasobów niskospadowych rozwiązania zwane śrubami Archimedesa cechuje naturalna - z wymienionych wyżej powodów - niska przepustowość Q. Rozwiązania charakteryzują się więc wydatną rozbudową gabarytów. Te z kolei warunkują niskie prędkości obrotowe wirników, co przy ich wiązaniu do współpracy z generatorami elektrycznymi zmusza do stosowania drogich, pośredniczących przełożeń przyśpieszających, lub tak samo drogich wolnoobrotowych, wielobiegunowych generatorów. Ogranicza to w sumarycznej konsekwencji opłacalność zagospodarowania tym sposobem obiektów niskospadowych.The solutions called Archimedes screws currently recommended for the use of low-fall resources are characterized by a natural - for the above-mentioned reasons - low throughput Q. The solutions are therefore characterized by a significant expansion of dimensions. These, in turn, determine the low rotational speeds of the rotors, which, when connected to cooperation with electric generators, forces to use expensive, intermediate accelerating gears, or the same expensive slow-speed, multipolar generators. Overall, this limits the profitability of developing low-slope facilities in this way.

Nowsze propozycje rozwiązań - w postaci turbogeneratorów nazywanych VLH - także nie wypełniają oczekiwań. Niskie - przy rozbudowanych gabarytach wirnika - prędkości obrotowe, oraz skomplikowana technologicznie konstrukcja podraża ich relatywne koszty zastosowania, nie dając ekonomicznego uzasadnienia do wykorzystywania przy piętrzeniach najniższych.Newer solution proposals - in the form of turbogenerators called VLHs - also fail to meet expectations. Low rotational speeds - with large dimensions of the rotor - and a technologically complicated structure increase their relative application costs, without providing economic justification for use in the lowest dams.

Także tradycyjne rozwiązania z kołami wodnymi, od wieków stosowane do tej części zasobów (przykładowo patenty: CA1167739 A i CN102304911 A), mają w wykonywanych konstrukcjach, z racji swojej zabudowy i warunkujących odbiór energii strumienia prędkości, małą przepustowość Q co powoduje w zastosowaniu konieczność kreowania ich znacznych gabarytów, generując niedogodności o konsekwencjach techniczno-ekonomicznych opisanych wyżej.Also, traditional solutions with water wheels, which have been used for centuries for this part of the resources (for example, patents: CA1167739 A and CN102304911 A), have a small capacity Q in their structures, due to their construction and conditioning the energy reception of the velocity stream, which causes their large dimensions, generating inconvenience with technical and economic consequences described above.

Wad takich nie posiada rozwiązanie turbiny według przedstawionego wynalazku w którym dolna część obwodu (D) jej wirnika jest obniżona względem progu jazu, w zagłębieniu płyty jazu o wysokość (c) w granicach: 0,25h_max<c<0,5h_max, zaś w części przedniej zagłębienia, wzdłuż całej szerokości (B), między płytą jazu a powierzchnią obwodu (D) wirnika utworzony jest odstęp (s) o wymiarze promieniowym w granicach: 0,4h_max<s<0,6h_max, z jednoczesnym zachowaniem wysokości (m) ułopatkowania koła w granicach 0,9h_max<m<1,1_max.The solution of the turbine according to the present invention does not have such disadvantages, in which the lower part of the circumference (D) of its rotor is lowered in relation to the weir sill, in the recess of the weir plate by a height (c) within: 0.25h _max <c <0.5h _max , and in the front part of the cavity, along the entire width (B), between the weir plate and the perimeter surface (D) of the rotor, there is a space (s) with a radial dimension: 0.4h _max <s <0.6h _max , while maintaining the height (m) wheel blading within 0.9h _max <m <1.1 _max .

Jest to turbina z wirnikiem otwartym w postaci koła wodnego umieszczonym w kanale przepływowym o specjalnej geometrii. Turbina składa się z nastawialnej kierownicy, w postaci uprofilowanej szczeliny o wysokości h utworzonej między progiem płyty jazu 1 a krawędzią 2 dolnej części zastawki regulacyjnej 3 oraz wirnika 4, uformowanego w postaci koła wodnego o średnicy D umieszczonego po stronie dolnej wody, z dolną częścią ułopatkowanego obwodu D ulokowaną w obszarze największych prędkości przepływu, w specjalnym obniżeniu 5 płyty jazu. Korzystna szerokość wirnika 4 jest równa szerokości B zastawki. Regulacyjność kierownicy uzyskuje się zmianą wysokości uniesienia h uprofilowanej krawędzi dolnej 2 zastawki 3 nad progiem płyty jazu 1. Zależna od chwilowej zasobności energetycznej rzeki wysokość h zawiera się między minimalnym otwarciem zastawki gwarantującym przepływ biologiczny rzeki a wysokością h_max, która pozwala utrzymać bezpieczny poziom wody górnej na piętrzeniu przy maksymalnych eksploatacyjnie realizowanych natężeniach przepływu. Maksymalną wysokość hmax, różną w zagospodarowywanych obiektach przyjęto jako parametr, określający charakterystyczne wymiary gabarytowe rozwiązania warunkujące uzyskanie jakościowej zmiany jego przepustowości do wartości, której nie można osiągnąć w rozwiązaniach znanych. Wymiarami tymi są:It is a turbine with an open rotor in the form of a water wheel placed in a flow channel with a special geometry. The turbine consists of an adjustable steering wheel, in the form of a profiled gap of height h, formed between the threshold of the weir plate 1 and the edge 2 of the lower part of the control valve 3, and the rotor 4, formed in the form of a water wheel with a diameter D located on the lower water side, with the lower part of the vane circuit D located in the area of the highest flow velocities, in a special lowering 5 of the weir plate. The preferred width of the rotor 4 is equal to the width B of the valve. The steering wheel is adjustable by changing the height h of the profiled lower edge 2 of the valve 3 above the threshold of the weir plate 1. The height h, depending on the instantaneous energy capacity of the river, is between the minimum opening of the valve, which guarantees the biological flow of the river, and the height h _max , which allows to maintain a safe level of the upper water on damming at the maximum flow rates realized in operation. The maximum height hmax, different in the buildings under development, was adopted as a parameter that defines the characteristic dimensions of the solution that determine the qualitative change of its capacity to a value that cannot be achieved with known solutions. These dimensions are:

Wysokość ułopatkowania m koła zawierająca się w granicach: 0,9h_max<m<1,1h_max, wysokość c obniżenia dolnej części obwodu D wirnika względem progu jazu korzystnie w granicach:The height of the blading m of the wheel ranging from: 0.9h _max <m <1.1h _max , the lowering height c of the lower part of the rotor circumference D relative to the weir sill, preferably within:

PL 227 143 B1 c = 0,25h_max^0,5h_max, i wielkość s odsądzenia - utworzonego na wlotowej części obniżonego obwodu wzdłuż całej szerokości B, między ograniczającym przepływ konturem płyty jazu a walcową powierzchnią o średnicy D wirnika - mającego wymiar promieniowy s = 0,4h_max^0,6h_max.PL 227 143 B1 c = 0.25h _max ^ 0.5h _max , and the size s of the shoulder - formed on the inlet part of the lowered circumference along the entire width B, between the weir plate contour limiting the flow and the cylindrical surface of the rotor diameter D - having the radial dimension s = 0.4H 0.6H _max ^ _max.

Przykładowe rozwiązanie według propozycji przedstawiają rysunki: fig. 1, gdzie pokazano osiowy przekrój pionowy rozwiązania w pozycji pracy a fig. 2 - rzut rozwiązania widziany z góry.An exemplary solution according to the proposal is shown in the drawings: Fig. 1, where the axial vertical section of the solution in the working position is shown, and Fig. 2 - a view of the solution seen from above.

Wirnik 4 podnoszony w pionowych prowadnicach 6, podparty obrotowo w oprawach łożyskowych 7, umieszczono za spełniającą rolę kierownicy regulowaną szczeliną wylotową zastawki 3. Dolną część jego ułopatkowanego obwodu ulokowano w obszarze najwyższych prędkości przepływu. Szerokość wirnika jest ograniczona tarczami czołowymi 9 i jest równa szerokości B zastawki. Podnoszenie wirnika ma umożliwić - w razie konieczności - usunięcie go z przekroju przepływu. Możliwość regulacji natężenia przepływu wody przepuszczanej przez przekrój piętrzenia realizuje się poprzez zmianę wysokości h położenia dolnej krawędzi 2 zastawki nad progiem płyty jazu 1. Pokazana na fig. 1, regulacyjna wielkość h może być powiększona do h^_x.The rotor 4, lifted in vertical guides 6, pivotally supported in bearing housings 7, was placed behind the adjustable valve outlet slot 3 acting as a steering wheel. The lower part of its bladed circumference is located in the area of the highest flow velocities. The width of the rotor is limited by the face plates 9 and is equal to the width B of the valve. Lifting the rotor is to enable - if necessary - its removal from the flow section. The possibility of adjusting the flow rate of the water passed through the damming cross-section is realized by changing the height h of the position of the lower edge 2 of the gate above the sill of the weir plate 1. Shown in Fig. 1, the control value h can be increased to h ^ _x .

Wirnik 4 jest obniżony dolną częścią obwodu D względem progu jazu 1 o wysokość c. W części przedniej obniżenia - na całej szerokości B - utworzono między obwodem D wirnika a powierzchnią płyty jazu przestrzenny odstęp o wymiarze promieniowym s. Łopatki wirnika posadowiono skośnie na powierzchni d bębna wirnika. Wynikająca z liczby łopatek wirnika podziałka t na średnicy bębna, nie powinna przekraczać wartości h_max. Zukosowanie łopatki względem tworzących bębna zrealizowano w obrębie łuku jednej podziałki. Wysokość ułopatkowania koła m zawiera się w granicach 0,9h_max<m<1,1h_max. Korzystnie minimalizowany wymiar średnicy bębna d, pozwala w przykładowym rozwiązaniu na umieszczenie wewnątrz bębna wirnika generatora 8, wiążąc jego stojan z wirującym bębnem. Uszczelnienie odwodne przestrzeni wewnętrznej w której osadzono generator wykonano wewnątrz osi 10 koła, którędy także w osiowym drążeniu wyprowadzono przewody elektryczne. W dalszej części trasy wyprowadzenia mocy może być zastosowany zależnie od potrzeby; bądź be zpośredni odbiornik np. w postaci opornika, bądź zespół prostownikowo-falownikowy przekazujący energię do sieci niskonapięciowej. Przez takie skojarzenie wymiarowe uzyskuje się poszukiwane, istotne zwiększenie przepustowości masy wody przez turbinę, dające możliwość równie istotnego zmniejszenia gabarytów konstrukcji z zachowaniem jej wysokiej sztywności oraz zwiększoną prędkość obrotową koła wodnego. Uzyskane cechy wynalazku, dają skompresowane gabaryty utworu z jednoczesnym powiększeniem jego mocy a przy utrzymanej prostej konstrukcji udostępniają tańszą technologię odzysku energii z hydrozasobów niskospadowych.The rotor 4 is lowered by the lower part of the circumference D in relation to the weir sill 1 by the height c. In the front part of the lowering - along the entire width B - a spatial distance of radial dimension s was created between the rotor circumference D and the surface of the weir plate. The rotor blades were placed obliquely on the drum surface d. rotor. The scale t on the drum diameter resulting from the number of rotor blades should not exceed the value h _max . The skew of the blade in relation to the drum members was carried out within the arc of one scale. The wheel blading height m is within 0.9h _max <m <1.1h _max . Preferably, the minimized dimension of the diameter of the drum d, in an exemplary embodiment, allows the rotor of the generator 8 to be placed inside the drum, binding its stator to the rotating drum. The downstream sealing of the internal space in which the generator was seated was made inside the wheel axle, from which electric cables were led out also in axial drilling. Further down the route, the power evacuation can be used as needed; either a direct load, e.g. in the form of a resistor, or a rectifier-inverter set transmitting energy to the low-voltage grid. Such a dimensional association results in the sought-after, significant increase in the water mass throughput through the turbine, which enables an equally significant reduction in the overall dimensions of the structure while maintaining its high stiffness and increased water wheel speed. The obtained features of the invention provide the compressed dimensions of the piece with a simultaneous increase in its power, and while maintaining a simple structure, they provide a cheaper technology of energy recovery from low-fall hydro-resources.

Claims

1. Water turbine consisting of: a guide formed by the sill of the weir plate and the movable edge of the lower part of the control valve, and the rotor - in the form of a water wheel with oblique blades, located in a recess on the lower water side, with the lower part of the vane perimeter located in the highest flow velocities, characterized in that the lower part of the circumference (D) of the rotor (4) is lowered in relation to the weir sill (1) in the recess (5) of the weir plate by a height (c) within: 0.25h _max <c <0, 5 _max , and in the front part of the cavity (5), along the entire width (B), between the weir plate (1) and the perimeter surface (D) of the rotor (4) there is a space (s) with a radial dimension within: 0.4h _max <s <0.6h _max , while maintaining the height (m) of wheel blading within 0.9h _max <m <1.1h _max .