Свободнопоточная оперативная гидроэнергетическая установка

 

Использование: для машин-генераторов, преобразующих энергию твердого тела в энергию любого вида. Сущность: на силовом тросе закреплены торцевые турбины. Динамическая опора выполнена в виде поперечного ротора, соединенного с трубчатым поворотным кожухом. На фронтальной опоре установлен кожух и мультипликатор, состоящий из шестерни и двух зубчатых колес, находящихся в зацеплении с шестерней с противоположных сторон. Трос пропущен через кожухи на фронтальной и конечной опорах и образует петлю с двумя параллельными ветвями. Концы троса закреплены на противоположных цапфах зубчатых колес. Торцевые турбины закреплены на силовом тросе с возможностью вращения в противоположные стороны на разных его ветвях. Шестерня мультипликатора соединена с генератором. 7 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике, может быть использовано как гидродвигатель для других машин-генераторов, преобразующих механическую энергию твердого тела в энергию любого вида.

Предлагаемая упругозамкнутосиловая свободнопрямоточнороторная оперативная ГЭС предназначается для использования энергии свободных потоков рек без нарушения их естественного течения с целью переработки максимума расхода воды данного речного уклона при исключении загромождения потока в русле вспомогательными гидротехническими сооружениями, а также для повышения КПД использования энергии этого гидрорасхода.

Известны устройства, гидравлическая часть которых состоит из множества размещенных на гибком валу малогабаритных турбин, введенных в поток при помощи гибких подвесных систем, через которые выводится на береговые опорные устройства энергия потока, интегрируемая соединенными с общим валом турбинами. Однако, конструкции этих ГЭС построены на принципах проектирования плотинных гидросооружений и весьма слабо учитывают особенности характера свободного руслового течения рек, когда скорости последнего имеют максимум у оси, убывая к берегам за счет относительно большого сопротивления у них.

В соответствии с уравнением Бернулли возникает некоторый перепад уровней, они выше у берегов и ниже в средней части реки. В итоге имеются вторичные течения в виде двух винтовых потоков, где поверхностные скорости направлены от берегов к оси, а донные в обратном направлении. Особенно такая интенсивность винтового движения выражена на горных реках. В поперечной "Гирляндной ГЭС", представляющей собой гибкую нить с нанизанными на нее несбалансированными по угловым скоростям турбинами, при всем том, что одна опора "гирлянды" является свободной, получающей собственный отличный от других участков гибкого вала момент вращения, а передача самого момента от этого свободного конца гирлянды до рабочей опоры на вал генератора находится в зависимости от натяжения гибкого вала, соотнесенного к необходимой осевой силе, передаваемой валом, что зависит от стабильности лобового давления потока на гирлянду совершенно не приняты меры к выравниванию и стабилизации скорости подхода потока к гирлянде за счет отработки кинематики роторной линии с приданием ей конструктивно-гидравлической формы, гарантировавшей бы ей сохранение постоянства радиуса роспуска размещенных на валу гирлянды роторов, когда поток вынужден растекаться между ними равномерно, образуя расширенную изотаху, а вся роторная линия, соответственно скомпонованная по размещению турбин, удерживается такой конструкцией, устанавливается также в зоне образованной изотахи и по глубине. Отсутствие таких или каких-либо других подобных средств стабилизации гидравлически кинематической части гирляндной ГЭС в потоке, не только снижает агрегатное КПД поперечной гирляндной установки, но и делает ее непригодной для получения промышленных гидроэлектроэнергетических мощностей. Перевод Блиновым Б.С. гирлянды с поперечного положения на потоке в продольное (вдоль центральной изотахи) положение не исключает вышеприведенных технических несовершенств, усугубляющихся еще и тем, что торцовые роторы, применяющиеся в этой продольной гирлянде, являются гидравлическими устройствами, прямо перенесенными из области гидравлических движителей или турбин, для работы которых необходимы: высокие давления, получаемые, например, для первых от мощных двигателей, преобразующих энергию любого вида, кроме гидроэнергии, в механическую энергию твердого тела, для вторых от высоконапорных с большими расходами гидролиний, где перегораживание свободного течения воды способствует изменению направления движения струи для получения реактивного момента в точке поворота струи, при создании давления на твердое тело, например, лопатку гидротурбины.

Кроме того в последнем случае поток должен истекать в атмосферу.

При выходе потока в речную гидросреду через щели, образованные смещением друг относительно друга полуцилиндрических поверхностей, например, у торцовой турбины Блинова Б.С. имеющей дно, перегораживающее движение потока по нормали к ее течению, потеря напора и коэффициент сопротивления выхода максимально приближены к h α ζ_max= α где v средняя скорость потока; α- коэффициент кинетической энергии турбулентного режима ≈1 и ζ≈ 1. Разобщенность приведенных параметров не создает целостной силовой схемы, работающей целенаправлено как уравновешенный механизм, двигатель которого использовал бы максимум расхода потока на лопатках ротора турбины, тем более действуя на гирлянде как консервативная сила.

Предлагаемая "Упругозамкнутосиловая свободнопрямоточнороторная оперативная ГЭС" отличается от приведенных и других подобных устройств тем, что его гидросиловая и кинематическая схема привода при использовании троса в виде гибкого вала находятся в такой связи, когда исключаются факторы возникновения консервативных сил, отрицательно действующих на уравновешивание механизма гидроэлектрогенерирования.

Разгрузка кинематических пар от действия этих факторов неуравновешенности при помощи упругой связи позволяет повысить ресурс, надежность, КПД использования энергии свободного потока предлагаемым устройством, краткое название которого УзсспроГЭС, расшифровывающаяся выше.

В основу разгрузки кинематических пар механизма предлагаемого устройства от действия неуравновешенных сил, присутствующих в известных устройствах, рассмотренных выше, положено свойство упругодеформированного тела к накоплению упругой энергии. Трос, используемый как гибкий вал, по его конструкции также относится к таким телам, поскольку он свивается из прядей, состоящих из проволок разного диаметра, а потому при возникновении на нем крутящего момента, он работает как пружина сжатая, что обуславливается изменением взаимного расположения этих проволок.

Работа, производимая силой сжатия f от момента кручения при медленном изменении длины троса на Δl Afdx (1) где х абсолютное изменение длины троса, равное l₁ l_o в процессе деформирования от 0 до Δl, учитывая, что внутреннее напряжение σ (2) где S поверхность, к которой силы f направлены по нормали, а относительное удлинение ε=Δl_o/l_o (3) по закону Гука σ= E˙ S, где E k модуль Юнга находим f kx x тогда A xdx · (4) Преобразуя полученное выражение A Sl_o (5) или A V П (6) где V S˙l объем стержня.

Отметим, что приравнивая работу, производимую сжимающей силой от момента кручения, потенциальной энергии, мы принимаем потенциальную энергию недеформированного троса (т.е. не неподвергнутого, как это делается при подготовке его для работы в "Гирляндной ГЭС", предварительному заневоливанию) равной нулю. Плотность потенциальной энергии деформированного троса пропорциональна квадрату относительной деформации w E ε²/2 (7) Аналогично можно вычислить объемную плотность энергии при упругой деформации сдвига w G γ²/2 (8) Поскольку как при растяжении, так и сжатии тел, одинаково сопровождается изменением их поперечных размеров, то обозначив через d поперечный размер троса, а через Δd его абсолютное изменение в результате сжатия от крутящего момента, получим отношение Δd/d=ε^I, (9) которое будет характеризовать относительное изменение поперечного размера троса, приведенного к рабочему состоянию как вала привода. При сжатии, как это очевидно, εотрицательно, а ε^I положительно, т.е.ε и ε^I всегда имеют разные знаки. Относительное изменение ε^I поперечных размеров троса пропорционально силе, вызывающей растяжение или сжатие, а следовательно, пропорциональное и ε ε=-με^I, (10) где μ- коэффициент Пуассона.

ε^Iсжатия легко определяется в любой точке троса, что касается ε то на тех больших длинах троса, какие он имеет в УзсспроГЭС его измерения имеют значительные погрешности при неудобствах их проведения. При таких обстоятельствах, например, предпочтение отдается объемному способу поперечных измерений по изменению d троса.

Закон Гука не учитывает зависимости деформации тел от времени действия сил, вызывающих их деформацию. В тросах упругая деформация, соответствующая действующим силам, также устанавливается не сразу, а через некоторый промежуток времени, различный для различных конструкций свивки прядей троса и материалов, из которых они изготовлены. При прекращении действия крутящего момента и, таким образом, сжимающей трос по площадке S силы трос также не сразу восстанавливает свои размеры, т.е. деформация троса исчезает не полностью, а часть ее остается, имея тенденцию к медленному спаданию. Это явление играет существенную роль при колебаниях угловой скорости вращения роторов под действием пульсирующей скорости турбулентного течения потока. Так, если при сжатии прядей троса в нем возникают напряжения σто при прекращении действия силы напряжения в тросе исчезают до того, как исчезнет некоторая относительная остаточная деформация, т.е. при σ= 0 трос имеет деформацию ε_o. Если сразу же затем трос разожмется (пульсация крутящего момента), то деформация ε_o исчезает только тогда, когда напряжения в прядях троса достигнут некоторого значения σ_o. Налицо явления упругого гистерезиса. Следовательно, при периодически повторяющихся деформациях графическая зависимость между ε и σ изобразится замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса (фиг.3). Очевидно, что внешние силы при деформации троса от Д до А совершают работу, большую работы, совершаемой внутренними силами при спаде деформации от А до В. Разность этих работ графически равна площади верхней части петли гистерезиса и соответствует той части механической энергии, которая так же как заключенная в нижней части петли гистерезиса, совершающей работу по уравновешиванию всех пульсирующе возникающих на тросе крутящих моментов от соединенных с ним как на гибкозамкнутом валу роторов, и затрачивающейся на возникающий при этом нагрев.

Из приведенного очевидно, что предлагаемое устройство отличается и тем, что роторная линия работает в замкнутом взаимосвязанном силовом цикле, исключающем нарушение стабильной передачи мощности с приводящего на генерирующие узлы устройства, поскольку поддаются расчетным определениям по параметрам всех взаимосвязанных механизмов. Например, в части основных параметров звеньев кинематической цепи: при закручивании троса как замкнутой петли под действием М_к, силы сжатия прядей укорачивает длину троса l₁ l Δl l (1 ε) (11) d₁ d + Δd d (1 + ε^I) По формуле (10) ε^I=με, учитывая ε^I, получаем d₁ d (1 + με). Объем сжатого троса v₁= l₁= l(1-ε)(1+με)² (12) Пренебрегая членами, содержащими ε² и ε³, как весьма малыми, находим V₁≈V[1+(1+2με] (13) По закону Гука σ= Eε где σ mg/S.

В нашем случае, когда ε · , S_ε- сумма площади сечения проволок прядей троса. V₁≈ v[1+(1+2μ) (14) приравнивая mg P Δv ≈ (1+2μ) (15) ε S_n площадь сечения пряди.

Энергия упругой деформации П · V (16).

С приведением параметров троса к пряди объема V₁, состоящего из определенного количества проволок диаметра d, и дальше расчет оптимальных параметров упругого вала, например, можно вести, принимая D свитой пряди по расчету для вала передающего конкретную мощность, и тогда, например, ε n t шаг пряди, n_н число прядей в тросе.

P G модуль упругости при сдвиге, кг/см²; d диаметр пряди; М₂ крутящий момент, кгсм.

Полная величина потенциальной энергии троса-вала П d 1/3D, j_p= 1,57R⁴ Существование определений, позволяющих провести мероприятия по синхронизации звеньев, начиная от исходного прямо связанного с движущей силой звена кинематической цепи ротора, затем вала привода в виде троса, находящимся под синхронизирующим передачу мощности действием упругого гистерезиса и подводящего эту мощность обоими концами гибкого вала, образующего петлю к механизму мультипликации исполнительного звена, что создает замкнутую систему привода, находящегося таким образом в одинаковых условиях механической взаимосвязи, при восприятии движущей силы через ротор турбины, при всем том, что сама движущая сила связана с ротором, конструкция и расчет которого основан на законах гидродинамики при использовании энергии свободного потока преобразующейся в механическую работу на лопатках прямоточного ротора, в отличие от выше приведенных прототипов гидродвигателей, построенных на принципах гидродинамики при напорном движении потока.

Так, например, в предлагаемом случае исходным является такая закономерность, когда (фиг.6,а) струя ударяющая в плоскость, заглубленную в поток перпендикулярно его движению, искривляясь, создает давление, определяющееся по нижеследующему. Так как сила F, действующая на струю со стороны плоскости, равна скорости изменения проекции импульса К струи на ось Y. перпендикулярную к плоскости, а ΔK_у= K·sinα то F за время Δt на плоскость попадает объем жидкости v Sv Δt с массой M ρSv Δt и импульсом K Mv ρSv², где S площадь сечения струи.

Поэтому
F ρSV²sinα
Если плоскость ввести в поток под углом как это показано в формуле, предварительно разделив плоскость S, например, на две равных части по нормали к потому, а затем развести сопряженные в месте раздела концы в противоположные стороны вокруг центральной для них оси, нормально и горизонтально расположенную к потоку под равным углом наклона Sinα то вследствие образования пары сил, плоскость переходит во вращательное движение, описывающее точками ограничивающими плоскость, вращаясь вокруг оси х окружность, через центр которой проходит ось сечения потока, отсекаемого образующей окружностью (фиг. 6,б).

Для исключения растекания потока через каналы, образующиеся между плоскостями, обратив каждую полуплоскость в полуэллипс, представляющий собой аффинное преобразование воображаемого круга, ограниченного приведенной окружностью, полуэллипсы заключаются в объединяющую их обечайку, при сохранении каналов площадь каждого из которых, судя по вышеприведенной формуле, должна быть равна половине площади пространства, через которое проходит поток и равное описанной концами скрещивающихся, как указано выше, лопастей, окружностью. При этом достигается цель пропуска наибольшего расхода воды. И окажется, что l длина ротора (фиг.2,а) будет равна πr²/r π˙r, при единичных параметрах r 0,5 π˙0,5 1,5708.

Следовательно, оптимальный угол установки лопаток
sinα 0,53703 32°30ʹ
Для обеспечения равномерности вращения ротора, включенного в синхронную работу вышеприведенной силовой схемы привода, предусматривается возможное включение маховой массы, в виде, например, концентричной обечайки (фиг.4). Щель между наружной и внутренней поверхностями роторной и маховой обечаек используется как объем (после герметизации), создающий понтонную подвеску ротора в потоке, если скорость потока не создает подъемной силы, погруженной в него массы v⁶ < G, где v скорость потока, G вес турбины.

Увеличение площади внутренних поточно проходных каналов при уменьшении угла наклона лопаток к потоку при увеличении их площади вызывает падение угловой скорости вращения ротора. Следовательно, для сохранения мощности при оптимально выгодной угловой скорости лопатки исходного ротора, приведенного выше, могут быть разделены на любое число меньшего размера и размещены так радикально внутри ротора, ограниченного обечайкой, чтобы они образовывали каналы в сумме составляющие площадь, равную сечению потока отсекаемого окружность поперечного сечения ротора, при сохранении угла α исходного ротора (см. выше).

Ротор, насаженный концентрично на вал, например гибкий (вал-трос) крепится в одной точке, крепящим устройством, обеспечивающим надежность передачи крутящего момента от ротора к валу (тросу).

Установка гидродвигателя в потоке, при обеспечении работы роторов, изотахе, несущей наибольшую мощность, обеспечивается, например, понтонорующими опорами конечной и фронтальной, когда фронтальная опора, крепящаяся, например, к береговым опорам винтами, и несет на себе груз механизмов передачи мощности от вала на мультипликатор и исполнительное звено, а также генератор тока, если последний не выносится на берег, через дополнительный вал (фиг. 1). Конечная опора, например, может быть выполнена в виде гидродинамической подвески, например, используя поперечный ротор, установленный в режиме положительной подъемной силы +Y. В такой вариации стабилизации "УЗССПРОГЭС" в потоке гидродинамическая подвеска может осуществлять под действием лобового давления на нее потока натяжение гибкого вала (троса) в пределах необходимости и поддерживать роторную линию гидродвигателя на нужном уровне в потоке. Синхронизируя работу сил, воздействующих на роторную линию по стабилизации ее в пото- ке v⁶ G; C_xF_Σ C_yF_Σ ; v G, где G вес роторной линии; v скорость.

C_x, C_y коэффициенты лобового давления и подъемной силы;
F_ε- суммированная площадь давления потока (рабочий ротор, ротор подвески и т.п. влияющего на натяжение вала/троса);
v объем пустотелого сосуда понтона.

C другой стороны, в потоках с высокими пульсациями расхода в русле и, таким образом, на изотахе, для обеспечения саморегуляции роторной линии с переходом на струю изотахи, соответствующую скорости, на которую рассчитана ГЭС по вырабатываемой мощности электрического тока, комбинация свободных опор с учетом приведенного набора их конструкций может быть изменена таким образом, что каждая опора будет состоять из понтонной части и поперечного ротора, сопряженных на совместную работу по регуляции положения данной опоры в потоке. В этом случае ротор, например, работает на отрицательной подъемной силе -Y, а понтон на положительную. Будучи взаимноуравновешенными и зарегулированными на определенное положение в изотахе при расчетной скорости. Поскольку на холостом ходу подъемная сила -Y равна 0,85≈0,90. Следовательно, например
Vγ+v⁶
Таким образом, при увеличении скорости потока отрицательная подъемная сила будет стремиться к погружению потока и при том всем, что v˙γ понтонирующая сила не изменяется, роторная линия устанавливается на глубине, где скорость имеет наименьший разброс ранее принятой расчетной скорости, естественно, при расчете подобной стабилизирующей работу УЗССПРОГЭС на конкретном участке, при точном учете всех гидрологических и конструктивных параметров.

На потоках с высокой мутностью целесообразнее устанавливать ротор цилиндроформной конструкции, вход потока в который имеет квадратную форму поперечного сечения ротора, где идет постоянная промывка каналов сумма сечений которых также равна площади входа (фиг.5,а,б).

Отмеченные мной отличительные особенности конструкции ротора, привода, опорных узлов и комбинаций понтонизирующих устройств и гидродинамических роторных стабилизаторов "УЗССПРОГЭС" в намеченной изотахе позволяют удерживать турбины установки в наиболее мощной струе потока, исключить растекание потока на входе в ротор турбины, исключить снижение расхода и скорости потока внутри ротора турбины, максимально приблизившись к оптимуму их использования, при увеличении угловой скорости вращения ротора и тем самым повысить КПД использования энергии потока, уменьшить габариты установки и, снизив удельную массу, создать условия удобства и доступности оперативной привязки "УЗССПРОГЭС" в избранном створе независимо от сложности рельефа местности.

Устройство "Упругозамкнутосиловая свободнопрямоточнороторная оперативная ГЭС" ("УЗССПРОГЭС") содержит (фиг.1) понтономаховомоментную прямоточнороторную турбину, генераторное звено мультипликации, конечную гидророторнодинамическую опору, береговой генератор, преднапряженный трос-вал, понтонную фронтальную опору, вант берегового крепления, гидродвигательное звено мультипликации, вал-трос выходного звена, ветвеповоротнобазовый бронекожух вал-троса, береговую генераторную опору, гидродвигательноповоротнобазовый бронекожух троса-вала.

Турбина (фиг. 2, 4) для потоков нормальной мутности (гидродинамическое обоснование ее конструкции приведено выше), например, в двухлопаточном исполнении ротора, состоящего из обечайки 1 с внутренним диаметром D, в полости которой размещены две перекрещивающиеся полуэллипсоформные лопатки 2, длиной L, дуги которых вписываются во внутренние стенки обечайки при взаимнопротивоположных острых концах, закрепляющихся в диаметральных точках торцов обечайки, t₁-t₂, t₃-t₄, при том что в центре перекрещивания лопаток имеется отверстие 8, через которое пропущен, например, собственно трос 5, проходящий также через центральные втулки стоек 6, расположенные диаметрально на, например, кромках торцов ротора, к которым они отнесены и на которых они закрепляются. При наличии маховой массы, выполненной, например, в виде концентричного обечайке пустотелого цилиндра 7, полость между которым наружной поверхностью обечайки 1 и внутренней цилиндра 7 пространство 3, использующееся при герметизации его по торцовым кромкам обечайки 1 и цилиндра маховой массы 7 как объем, создающий Архимедову силу, понтонирования турбины. Для скрепления ротора с тросом-валом у втулки сбоку имеется резьбовое отверстие под крепежный болт 4. Втулка противоположной стойки 6 ротора (фиг. 2,а и 4) выполняет функцию направляющего подшипника и к тросу не крепится.

На потоках, имеющих высокую мутность, когда гидрослив приближается к пульпе, прямоточный ротор, построенный на основании вышеприведенной гидродинамической закономерности для свободнопоточного режима, имеет прямоугольное сечение (фиг. 5). Лопатки ротора имеют полуцилиндрический профиль с установкой при перекрещивании их в центре по длине L таким образом, что вогнутая сторона полуцилиндров развернута внутрь ротора, когда наружные поверхности лопатки по полуцилидрической образующей от ее начала в точке диаметрального разреза цилиндра Z плотно прилегают по диагонали к параллелограмным противоположно расположенным стенкам параллелепипеда, которым является емкость ротора, когда на входе в емкость конец одной полуцилиндрической лопатки ложится средней точкой "а" выпуклости на кромку нижней стороны квадратного сечения ротора, а другой конец этой лопатки соединяется концами "б-в" дуги полуцилиндра лопатки с верхней стороной противоположного торца квадратного сечения ротора. Другая лопатка, также развернутая вогнутой плоскостью к внутренности ротора, на входе в ротор соединяется средней точкой выпуклости "г" полуцилиндра с параллельной нижней стороне верхней стороной квадрата поперечного сечения цилиндроформного ротора турбины, которая имеет значительную по применимости маховую массу в виде цилиндрической поверхности, которая с внутренней стороны концентрически к обечайке ротора опирается на углы сопряжения стенок параллелепипеда этого ротора.

Этот "цилиндроформный" ротор отличается тем, что создает условия кроме поворотного движения гидросмеси высокой мутности, по каналам между лопатками для прямого основного движения гидросмеси по вогнутости лопаток с выходом через торцовое поперечное сечение лопатки в поток изотахи, без задержки твердых фаз в полостях ротора. Для поддержания скорости движения гидросмеси α в этих условия (не исключается и в условиях нормальной мутности потока) здесь предпринята попытка использовать возможности кумулятивной струи, когда поток жидкости, налетая под углом на вогнутую плоскость, обращается струей, скорость которой превышает скорость набегающего потока (фиг.5). В этот момент струя обладает повышенной кинетической энергией. Обозначив α угол (фиг.6) между фронтом потока и плоскостью, найдем и кумулятивной струи, образующейся при скорости потока v. Точка пересечения фронта потока и плоскости перемещается вдоль плоскости. Обозначим ее скорость С. Если перейти в систему отсчета С, то струя движется так, что ее скорость, направленная под углом к плоскости со скоростью v₁ v C, разбивается на две струи (на каждой плоскости ротора), движущиеся со скоростями, равными по модулю v₁ "вперед" и "назад" вдоль плоскости.

Найдем v₁ и С
C v₁= v ctgα В системе отсчета, в которой плоскость находится, скорость кумулятивной струи равна C + v₁, то есть
u +v ctgα Очевидно, что с уменьшением угла α возможно достижение очень большой скорости U, но при этом ни скорость v, ни расход жидкости не должны изменяться. В условиях же гидродинамической задачи получить максимально возможный крутящий момент ротора, при преобразовании энергии свободного потока в механическую работу, пропуская расход жидкости через ротор, максимальная выгода получается тогда, когда угол α установки лопаток, например, близок 32^о. Следовательно,
u v ctg (м/с) отсюда и ожидаемая возможность получения более высокой плотности энергии в кумулятивной струе, чем в собственно в свободном потоке
ρU²/2 Е.

Например, при V 2 м/с энергия единицы объема жидкости кумулятивной струи в ≈10 раз выше. Это является гарантией того, что все возможные сопротивления ζ движению массы потока внутри ротора не вызовут изменения скорости потока, никакие заторы из твердых фаз жидкости не образуются, а угловая скорость вращения ротора приобретает устойчивость при возможности ее увеличения, поскольку, вращаясь вместе с цилиндром жидкость, будет подвержена не только силе трения и силе тяжести, но и центробежной силе, которая, превысив силу тяжести, будет увлекать жидкость во вращение. Тогда и возникает максимальное или критическое число оборотов. Максимальное число оборотов, синхронизирующее силовое взаимодействие жидкости и массы ротора, определится из условия равенства для каждого элемента жидкости А силы тяжести P_g и центробежной силы Р_ц в верхнем положении, т.е. когда будет равенство
m ω²r m g.

Следовательно, быстроходность ротора при междулопаточных каналах Σf, равная сечению струи на входе в ротор Σf π r², окажется зависимой от скорости v₁, вектор которой перпендикулярен вектору v скорости потока.

Следовательно, имея ввиду описанную выше закономерность взаимодействия силы тяжести и центробежной силы в уравновешивании вращательного движения обечайки и массы, проходящей между лопатками, то, например, принимая в единичных величинах, имеем
ω = и затем применительно к явлению кумулятивной струи получаем, например, в единичных величинах число быстроходности Z
Z ≈ ≈ 3,4793126
Проверочно, число оборотов, например, окажется
n_s= 1,107 об./с
Но тогда, анализируя эту форму с учетом дифференциального уравнения Эйлера равных давлений, применительно к нашему случаю, когда, например
X²+Y = C¹
Представляющее уравнение концентрации окружностей, центр которых лежит на оси Y на расстоянии O-O^I g/ ω² и поэтому возможно, поскольку конструкция представляемых роторов построена на закономерностях приводимых выше, предположив, что
n_s= где 0,8944272 косинус параллелепипеда, единичное поперечное сечение которого при вращении пересечением сторон описывает окружность, пропуская соответствующий максимальный расход через каналы, образованные параллелограмными лопатками, т.е.

cosα 2y/ 0,8944272 или ·cosα т.е. равнодействующей сил, сосредоточенных в струе, площадь которой равна площади поперечного сечения ротора, диаметр которого есть главная координата максимума использования энергии, отсекаемой в потоке струи. Т.е. можно записать
n_s=
В цилиндре, заполненном движущейся массой потока, и приведенном в движение без соблюдения равнозначности сумм Σ сечения каналов ротора с сечением входа, через который поток поступает на лопатки и имеет место Σf > F_с.р., тогда при угловой скорости вращения ротора ω выраженной через частоту вращения n, используя обобщающее дифференциальное уравнение Эйлера равного давления получаем
n_s= / 60 / 60 0,7071
Таким образом, если бы можно было бы заменить ротор круглым цилиндрическим вихрем и принять, что движение происходит по концентрическим окружностям с постоянной скоростью, зависящей от радиуса, то частицы жидкости должны были бы иметь только центростремительное ускорение, равное g_ц U²/r, из уравнения Эйлера в проекции на ось r:
-ρ(U²/r)=-δp/δr или
P P_н- dr Следовательно, наблюдается тенденция падения давления. Более подробное рассмотрение распределений поперечных составляющих скорости и статического давления показывает возможность использования в рамках гомогенизированной модели течения уравнения движения, записанного для продольной оси составляющей скорости
+ ζ Такой перестановки лопаток и изменения их параметров, равно как и параметров обечайки (исключая диаметр), когда исходный ротор построенный по условию
F_c= ρSv²sinα (фиг.6) разделением его лопаток на некоторое их большее число n_л равной конфигурации и меньшей, но равной площади, устанавливаются под тем же углом, что и лопатки исходного ротора радиально и концентрично внутри обечайки равного с исходным ротором по диаметру, но при укорочении его длины с тем, что сумма Σ площади образованных при этом каналов между лопатками равна площади F_n сечения обечайки, образующего вход потока в ротор. Это создает условия для сохранения оптимальной мощности турбины при повышении угловой скорости ее вращения. Такая следующая отличительная от прототипных особенность предлагаемого прямоточного ротора позволяет варьировать динамическими параметрами ротора в зависимости от конкретных условий, позволяющих привести агрегат "УЗССПРОГЭС" к наивысшему общему КПД. Приводится, например, исходный двулопаточный ротор из неизбежно необходимых модификаций, учитывающих крайние показатели мутности потока, прямоточный ротор, например, в варианте "эллипсоформный" (фиг.1) 1; (фиг.2) а, б-1; (фиг. 4) 1 ротор, являясь рабочим органом гидротурбины (фиг.4) 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8 нанизанной вдоль продольной оси на, например, гибкий вал 5 (фиг.1, 2 ав 4), в виде троса, приведенного в состояние упругого гистерезиса (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15), (16), фиг. 3, через, например, отверстия с зажимами (фиг.2, а,в) (фиг.4) 4 в стойках 6 (фиг. 2) а, в; (фиг.4) и отверстие, образованное вырезами под трос в центре перекрещивания лопаток (фиг.2) а, в, (фиг.4). Турбина соединяется с тросом на одной из стоек 6, например, зажимом. Перед закреплением туpбин на валу-тросе, последний приводится в состояние избранной для "УЗССРОГЭС" геометрической формы привода, например, в данном случае являющейся петлей с двумя приводными параллельно расположенными нитями, что обеспечивается протягиванием гибкого вала-троса 5 (фиг.1), сквозь поворотнобазовый бронекожух, выполненный, например, в виде трубы согнутой дугой полуокружности в 180^о (фиг.1) 12, в которую введена труба, например, из резины, выполняющая роль подшипниковой облицовки.

К поворотнобазовому бронекожуху 12, например, шарнирно в вершине дуги крепится рама с поперечным ротором 3 (фиг.1), опирающегося на продольную ось цапфами обеих концов введенная в подшипники, что позволяет ротору вращаться.

Гибкий вал-трос 5 (фиг.1), пропущенный указанным выше образом через поворотный базовый бронекожух 12 (фиг.1) на длину, достаточную для образования параллельных нитей гибкого вала, на каждой из которых может разместиться необходимое для данной расчетной мощности УЗССПРОГЭС роторов 1 турбины (фиг. 4) (фиг. 1) с учетом свободных участков троса, создающих кинематико-восстановительные разрывы потока, и с учетом выходящих на мультипликатор выходного узла 8 (фиг.1) размещенного, например, в понтонофронтальной опоре 6 (на фиг. 1 показано со снятой крышкой герметизации), которая крепится, например, вантами 7 к береговым опорам.

Для придания упругосиловой замкнутости привода охарактеризованной в тексте (1) (16) (фиг. 3) вал-трос одним концом петлевого поворота шарнирно соединен с зубчатым колесом, другой параллельный конец петлевого поворота пропускается через ветвеповоротнобазовый бронекожух вала-троса (фиг.1) подвода его к второму зубчатому колесу мультипликатора (фиг.1), когда оба колеса вращают кинематически соединенную с ними шестерню, передающую повышенную угловую скорость на вал генераторного звена мультипликации (фиг.1), например, генератора, находящегося на берегу, через дополнительный гибкий вал (фиг.1). При этом вращение силового привода происходит в беспрерывной кинематической связке. Подсоединение концов параллельных линий вала-троса гидродвигателя к зубчатым колесам мультипликатора понтонофронтальной опоры 6 (фиг. 1) и, так как это показано на чертеже общего вида без указания номера фигуры в позиции 8, через паразитную шестеренку, что удобно, например, при необходимости иметь конструкцию больших габаритов и вал большого диаметра. Береговый генератор и его мультипликационный узел укрепляются на береговой генераторной опоре 11 (фиг.1).

Упругозамкнутосиловая свободнопрямоточнороторная оперативная ГЭС "УЗССПРОГЭС" после введения ее в речной поток на определенную изотаху и закрепления "УЗССПРОГЭС", например, при помощи вант 7 к береговым опорам при зарегулировании конструкции в потоке так, что она образует параллельные гидролинии из турбин, роторы которых 1 (фиг.1) закреплены на валу-тросе 5 (фиг. 1; фиг.4) на расстояниях друг от друга по оси обеспечивающих восстановление скорости свободного потока, прошедшего через роторы. Смежные роторы, закрепленные каждый на валу своей параллельной линии, например, также размещаются параллельно друг другу (фиг.1).

Упругозамкнутосиловая свободнопрямоточнороторная оперативная ГЭС ("УЗССПРОГЭС") действует следующим образом.

После введения "УЗССПРОГЭС" на понтонирующих опорах (фиг.1) в расчетную продольную изотаху потока и закрепления ее, например, при помощи вант (фиг. 1) на береговых опорах в предусмотренном пространстве живого сечения данной изотахи, на гидролинии привода (фиг.1) (1, 3, 5, 6, 8, 10) устанавливается полунапорный режим движения потока, когда на оси участков гидролинии, свободных от турбин, имеет место безнапорное движение, на котором устанавливается скорость подхода к входному углу лопаток в отверстии ротора при последующей деформации потока кумулятивно воздействующей на плоскости лопаток, составляющих звено пары сил (фиг.2, фиг.4, фиг.5, фиг.6) переводящей через обечайку ротора (фиг.4), с которой лопатки скреплены, во вращательное движение турбину, несущую в виде внешнего цилиндра (фиг.4) 7, (фиг.5) 7 маховую массу, с образованием махового момента, создающего крутящий момент на гибком валу (фиг. 1) )фиг.4), (фиг.5) соединенным с множеством рассредоточенных на нем турбин, каждая в одной точке зажимом 4 в стойке (фиг.4, фиг.5). Гибкий вал, вращаясь в подшипнике гидродвигательноповоротнобазового бронекожуха трос-вала (фиг.1), затем одной ветвью, параллельной ветви (фиг.1), вращается в ветвеповоротнобазовом кожухе (фиг. 1) и передает вращательный момент на соответственное ему зубчатое колесо звена мультипликатора (фиг.1) и через шестерню на колесо, к которому прямо подсоединена другая ветвь гибкого вала-троса (фиг.1), когда на всей линии привода образуется тороподобное вращение гибкого вала (фиг. 1). В системе гибкого вала-троса возникает упругий гистерезис (фиг. 3, поддерживающий под действием махового момента турбин их синхронную угловую скорость, с установлением однозначного образованного из суммы всех крутящих моментов крутящего момента вала-троса привода. При этом тороподобная система вала-троса (фиг.1), скручиваясь и уплотняя пряди троса, сжимается, встречая сопротивление, например, конечной гидророторнодинамической опоры (фиг.1), и понтоннофронтально опоры (фиг.1), что исключает возможности образования узлов на ветвях гибкого вала-троса, а возникающий эффект нерастяжимости троса, используемого как гибкий вал, на котором размещены роторы, создающие весовое нагружение Р_н, поэтому заранее определимый распор Н_р с учетом того, что турбина также понтонирует под архимедовой силой, обеспечивающейся загерметизированным пространством 3 (фиг.4), образующимся между внешней поверхностью обечайки 1 (фиг.4) и внутренней поверхностью цилиндра маховой массы 7 (фиг.4, фиг.5) позволяет довести провис f_о вала-троса при длине L до уровня, не выходящего за предел половины глубины используемой изотахи потока, поскольку
H_p= · При том, что Н_р поддерживается натяжением создаваемым конечной гидророторнодинамической опоры (фиг.1). При создаваемой этой опорой силами Y и Х подъемной и лобового давления соответственно
C_x,y где F площадь ротора гидродинамич. опоры.

Вследствие синхронного срабатывания на гидроприводе приведенных сил, крутящий момент, передаваемый валом-тросом (фиг.1) на звено мультипликатора (фиг.1), остается стабильным сравнимо с жестким валом.

После мультипликации угловой скорости крутящий момент может, например, быть передан на генератор тока через вал-трос выходного звена (фиг.1) на береговой опоре (фиг.1).

Комбинация устройства опор зависит от параметра а для морфометрически однородного участка реки, имея целью удержания установки в потоке, соответствующей расчетной скорости. При превалирующей высокой мутности потока используется "цилиндроформный" ротор (фиг.5), имеющий большую промываемость, при нормальной мутности лучше использовать менее материалоемкий "эллисоформный" ротор (фиг.2, 4).

Формула изобретения

1. СВОБОДНОПОТОЧНАЯ ОПЕРАТИВНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, включающая силовой трос, закрепленные на нем торцевые турбины, береговые опоры и генератор, отличающаяся тем, что она снабжена фронтальной понтонной опорой и конечной динамической опорой в виде поперечного ротора, соединенного с трубчатым поворотным кожухом, на фронтальной опоре установлены трубчатый поворотный кожух и мультипликатор, состоящий из шестерни и двух зубчатых колес, находящихся в зацеплении с шестерней с противоположных сторон, силовой трос пропущен через трубчатые поворотные кожухи на фронтальной и конечной опорах и образует петлю с двумя параллельными ветвями, причем концы силового троса закреплены на противоположных цапфах зубчатых колес, торцевые турбины закреплены на силовом тросе с возможностью вращения в противоположные стороны на разных его ветвях, а шестерня мультипликатора соединена с генератором.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что фронтальная опора соединена вантами с береговыми опорами.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что конечная опора снабжена поперечным ротором.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что фронтальная опора содержит понтонную часть.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждая торцевая турбина включает цилиндрическую обечайку, внутри которой установлены лобовая и задняя стойки с втулками в центре и перекрещивающиеся лопатки, силовой трос пропущен через втулки и прикреплен к одной из них зажимом, лопатки проходят на всю длину обечайки по разные стороны от силового троса и под углом к нему, а в месте пересечения лопаток оставлено отверстие для прохода троса.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что лопатки выполнены плоскими и наружной кромкой эллиптической формы примыкают к внутренней поверхности обечайки.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что обечайка турбины коаксиально размещена в пустотелом цилиндре, а пространство между обечайкой и цилиндром герметизировано.

8. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что внутри обечайки находится призматический кожух квадратного сечения, пространство между обечайкой и кожухом герметизировано, а лопатки имеют форму цилиндрических желобов и расположены в кожухе вогнутой стороной внутрь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6