Контрроторный гидроагрегат с реактивным и активным рабочими колесами

“Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 44 Техника, технология ва жиҳозлар Известно, что основная часть существующих рек, каналов и гидравлических источников обладают низким напором. На сегодняшний день практически во всем мире использование этого гидроэнергетического потенциала с целью выработки электроэнергии вызывает особый интерес и считается актуальной задачей в области современной малой гидроэнергетики - экологически чистых источников гидроэнергетики [1]. Основная часть рассмотренных микро-гидроэлектростанций с использованием водяного потока низконапорной турбины в данной работе состоит из частей с ковшом, гребным винтом, крыльчаткой, а их усовершенствование направлено на изменение угла удара воды об лопасти и изменение кривизну поверхности или геометрических форм лопаток, а также определения оптимальных значений их размеров [2-7]. Активным гидротурбинам, предназначенным для работы в низконапорном водотоке характерны положительные и отрицательные показатели. Например, в [8] разработано плавучее гидроустройство катамаранного типа, работающее неустойчиво при измненении расхода воды. В работе [9] лопастные редукторы самостоятельно передают движение через шестерни на вал, установленный вертикально или горизонтально. Это устройство имеет очень большие размеры, а также нестабильно работает при изменении величины расхода воды. Так же, в работах [10-14] разработаны активные гидротурбины, состоящие из водяных колес, работающих при малом расходе воды и низком давлении и при напоре 2-3 метра, а устройства имеют большие размеры. Из-за дороговизны тихоходных, многополюсных генераторов, они мало выпускаются в промышленности [15]. Данное обстоятельство приводит к использованию редукторов или много каскадных шкивов, приводящих к потере энергии. В результате КПД микро-электростанции будет низким. Существующие конструкции струйных гидротурбин (радиально-осевые, пропеллерные, роторно-лопастные, двух перовая) характеризуются тем, что они эффективно работают при напорах более 4-5 м [16-17]. Анализ источников информации по гидротурбинам показывает, что реактивные турбины имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их КПД резко меняется при изменении нагрузки, а зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает КПД реактивных турбин при использовании в системах с дефицитом энергии [18]. При малых напорах КПД этих турбин резко снижается, что дает неудовлетворительный результат при низконапорном водотоке. К настоящему времени созданы различные реактивные турбины, работающие в низконапорных источниках воды. Но и у них есть свои достоинства и недостатки. Например, в работе [19] разработано рабочее колесо, содержащее лопасти и вал, на которые установлены верхние и нижние несущие диски, между которыми установлены трубчатые лопасти, изогнутые в виде колен, а выходы трубчатых лопастей ориентированы горизонтально по касательным к окружности нижнего диска. Лопасти гидротурбины выполнены в виде отрезков труб, входные верхние участки которых расположены вертикально. Конструкция [20] состоит из лопаточного аппарата, статора с отражателями, рабочего колеса, выполненного в виде ступицы с верхним и нижним ободьями. Рабочее колесо снабжено дополнительными отводящими каналами. В проточной части статора выполнены отражатели, а в ободьях – сквозные окна, при этом проточная часть статора размещена коаксиально между ободьями, а отводящие каналы ориентированы выходными отверстиями к отражателям. В конструкции [21] разработано сопловая реактивная гидравлическая турбина, содержащая рабочее колесо с крыльчатками, жестко закрепленные к дну цилиндра, каналы для оттока воды и статор с отражателями. Каналы для оттока воды представляют собой прямоугольные в сечении трубы, расположенные перпендикулярно внутреннему радиусу “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 45 Техника, технология и оборудование рабочего колеса, имеющее выходное сопло, позволяющее перпендикулярно направить выходящего из сопла потока воды на касательную плоскость, вогнутого и вертикально установленного кругло-цилиндрического отражателя. Его эффективность составила 67% в эксперименте, проведенном при напоре воды 2 метра и расходе воды 200 л/с [22]. В работе [23] устранены недостатки работы [21] путем установки внутреннего направляющего устройства в рабочее колесо. Также была усовершенствована сопловая реактивная турбина, эффективно работающая в водо-источниках низкого давления за счет установки внутреннего направляющего устройства. Результаты эксперимента показали, что при напоре воды 2 метра и расходе воды 200 л/с эффективность гидротурбины составила 76,3 %. Когда эти гидротурбины работают в динамическом равновесии под нагрузкой, абсолютная скорость потока воды, выходящего из гидротурбины высокая, но их кинетическая энергия не используется. Для повторного использования кинетической энергии такого потока воды были разработаны контрроторные гидротурбины. В них поток воды, прошедший через первое струйное рабочее колесо типа Каплан, снова направлялся на второе такое же рабочее колесо через отводящее устройство. Например, в работе [24], увеличение коэффициента использования энергии воды осуществляется за счет того, что вода поступающий из первого направляющего лопатка на первую турбину, ударяется и приводит ее во вращение. Далее отраженная от рабочих лопаток вода поступает на вторую направляющую лопатку и приводит во вращение вторую турбину. Выходной вал обеих турбин соединен с входным валом суммирующего редуктора, а выходной вал суммирующего редуктора непосредственно соединен с генератором. В этом гидроагрегате можно показать следующие недостатки: вода теряет большую часть своей энергии, когда вытекает из первой гидротурбины. Кроме того, вытекающий поток воды находится в вихревом режиме, а вода разбрызгивается и поступает в нижнее, второе направляющее устройство под углом. Поскольку восходящее давление создается при переходе от направляющего устройства ко второму рабочему колесу, эффективность верхнего рабочего колеса снижается. Кроме того, использование в конструкции суммирующего редуктора и дополнительных направляющих устройств, приводит к потерям энергии за счет повышение местных сопротивлений. При низких напорах комплекс не дает удовлетворительные результаты, а КПД гидротурбины будет низким. Новый гидроагрегат [25], состоит из контрроторной гидротурбины и гидрогенератора. Контрроторная гидротурбина имеет два соосных рабочих колеса (ротор и контрротор), вращающихся в разные стороны, на которые последовательно поступает поток воды. В контрроторный гидроагрегат ротор гидрогенератора устанавливают на одном валу с ротором гидротурбины, а контрротор с контрротором гидротурбины. Преимущества контрроторного агрегата по сравнению с традиционными гидроагрегатами: − применение на более высоких напорах (из-за распределения напора между двумя рабочими колёсами гидротурбины); − возможность уменьшить размеры и вес гидрогенератора (поскольку ротор и контрротор генератора вращаются в противоположных направлениях, существенно увеличивается частота вращения ротора относительно контрротора). Однако, имеются ряд недостатков. При низких давлениях воды, истечение воды из верхнего рабочего колеса гидротурбины происходит в вихревом режиме. В результате чего наблюдаются большие потери энергии. Этот поток воды поступает во вторую рабочую колесу снизу через второй направляющий аппарат. В этом случае создается восходящее давление. Так же, за счет местных сопротивлениях второго направляющего аппарата и рабочего колеса происходит потери энергии. В результате эффективность этой системы будет низким, и при напорах 2-10 м комплекс не дают желаемого результата. Контрроторный “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 46 Техника, технология ва жиҳозлар гидроагрегат имеет сложную конструкцию и его регулировать, а также проявляет большие трудности в эксплуатации. Поэтому данная конструкция не нашла применения на практике. Как следует из вышеизложенного, проблема создания новых гидротурбин, обеспечивающих получение электрической энергии с высоким КПД для низконапорных потоков воды не решена. Поэтому важны разработки новых конструкций микрогидроэлектрических устройств, эффективно работающих в условиях низкого напора воды. Целью данной работы является разработка новой конструкции контрроторной гидравлической турбины, имеющей реактивную и активную рабочие колеса с устраненными вышесказанными недостатками и работающие эффективно в условиях низконапорного водотока (рис. 1). Предложенный контрроторный гидроагрегат содержит реактивную и активную рабочие колеса, установленные на валы, которые соосно связаны через подшипники. В этом случае в качестве струйной гидротурбины контрроторного гидроагрегата использован представленная в работе [23] струйная гидротурбина с выходным соплом. 11 12 14 15 16 18 19 Рис. 1. Общий схематический вид контрроторного гидравлического агрегата. 1-подводящий канал; 2-внутренний вал; 3-внешний вал; 4-подшипник между валом; 5закрепляющие болты корпуса подшипника; 6-подшипник; 7- сальник; 8- направляющий аппарат; 9-болты; 10-верхний гидроподшипник; 11-внутренный коаксиальный конус; 12направляющие крыльчатки; 13-каучуковий сальник; 14-цилиндр рабочего колеса; 15конфузорная насадка для выхода воды; 16-отводные каналы; 17-дисковая основания; 18опора с патрубками; 19-конусообразный подшипник; 20-диск с цапфой, для закрепления активного рабочего колеса; 21-диск активного рабочего колеса; 22- внутреннее и наружное кольца; 23-лопасти; 24-корпусной подшипник; 25-шкив активного рабочего колеса; 26-шкив реактивного рабочего колеса “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 47 Техника, технология и оборудование Реактивное рабочее колесо, закрепленное к внешнему валу 3 содержит внутренний направляющий аппарат, выполненный в виде цилиндра 8, направляющие лопасти 12, которые закреплены между внутренним коаксиальным конусом 11, обеспечивающие равномерное распределение и сжатие воды по внутреннему периметру цилиндра 8, нижним концом цилиндра имеющий прямоугольный отверстии для направленного оттока воды к входу сопла, рабочее колесо, выполненное в виде цилиндра 14. При этом каналы 16 для оттока воды расположены на одной горизонтальной плоскости с дном рабочего цилиндра, имеющее выходной конфузор 15, позволяющий перпендикулярно направить выходящего из сопла струи потока воды на касательную плоскость, проведенной точке центра дуги вогнутой и вертикально установленной кругло-цилиндрической лопасти 23 активного рабочего колеса, который закреплен на внутренний вал 2 гидроагрегата. Активное рабочее колесо крепится к внутреннему валу диск с цапфой 20, а вал этой рабочей колесо крепится к платформе корпусными подшипниками 24. Над диском активного рабочего колеса вставлен внешний вал реактивного рабочего колеса, через подшипники 4, 19. В гидротурбине относительная скорость струи воды при выходе из сопла увеличивается пропорционально давлению воды. Обычно, для активного рабочего колеса Пельтона, струя воды с такой скоростью создается специальными соплами. В предложенном гидроагрегате струя воды, выходящая из сопла, обладает точно такими же характеристиками, то есть из сопла рабочего колеса, струи воды выбрасывается с большой скоростью. Для использования такой большой кинетической энергии водяной струи была разработана активное рабочее колесо с изогнутыми и вертикально установленными лопастями, где водяные струи ударяется перпендикулярно на поверхность лопастей. Сущность контрроторного гидроагрегата заключается в том, что поток воды с подводящего канала попадает в направляющий аппарат, и при вертикальном движении между внутренними стенками цилиндра и коаксиального конуса равномерно сжимается и распределяется по периметру. При этом из-за стационарности направляющего аппарата вода не вращаясь движется в сторону сопла через направляющие лопасти так, что, струя воды после ударения на внутренние стенки сопло отражается к выходному отверстию сопла, который при выходе создает реактивную силу, от которого возникает крутящий кинетический момент. Струя воды, выходящая из сопла с большой скоростью, ударяется об поверхность лопаток активного рабочего колеса на небольшом расстоянии. При этом лопасти располагаются в той же горизонтальной плоскости, что и сопло. Количество струи воды, равное количеству сопла, попадает на лопатки активного рабочего колеса. В результате под действием парных сил создаются крутящие моменты, заставляющие рабочее колесо вращаться в обратном направлении относительно реактивного рабочего колеса. Скорость воды после ударения почти равняется к нулю и двигается вниз при действии гравитационных сил. Активное рабочее колесо передает вращательное движение отдельно установленному генератору через шкив 25, закрепленный на внутреннем валу. Вращательное движение сопло-струйной гидротурбины передается второму генератору через шкив 26, установленный на внешнем валу (рис. 2). Для расчета реактивной силы FA, создаваемой водой, выходящей из сопла рабочего колеса, определяется изменение количества движения входящей и выходящей воды в нем и сила, действующая на сопло в точке А, выражается следующим образом:  + − +    − + = ; 2 1 1 1 cos 2 6 4    3 2 3 3      S S S NS S S F ; (1)   ( )     Эта расчетная мощность представляет собой мощность, вырабатываемая одним соплом, и общая мощность определяется путем умножения общей реактивной мощности на “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 48 Техника, технология ва жиҳозлар количество сопел [26]. При этом абсолютная скорость струи воды, выходящей из сопла, рассчитывается по следующей формуле [27]:     ; d S 4 1 S 4 d 1 2 1 2 25 ,0 2 1 1 1 d S 4 d S 4 2  −    =  (2)      − +        −  − +      2 6 2 6 3 3 4     3 2 6 2 6   Здесь ) (i 2 ) (i 3 1 2 2 e e  −   −   +   =  . (3) где k d2  = ; 1 2 sin sin d l d l Г       = = ; 1 2 здесь υ3, υ4 – скорость воды при входе в сопло; υ2 – скорость воды при выходе из направляющего аппарата; S3, d6 – соответственно поверхность входа сопла и диаметр выходного отверстия сопла; α1 и α2 – углы входа и выхода воды в направляющем аппарате; l и τ – длина и шаг лопасти, соответственно; β-угол установки направляющих лопаток относительно радиальной направлении. Рис. 2. Активное рабочее колесо. 20-центрального диска с цапфой; 21-большой диск активного рабочего колеса; 22внутренняя и наружная кольца; 23-лопасти; 27-опорные стержни в радиальном направлении. Из формул (1) - (3) видно, что реактивная сила, создаваемая в сопле, определяется скоростью воды, выходящей из сопла, а также зависит от угла установки β направляющего аппарата относительно радиального направления. Геометрическая форма сопла обеспечивает угол удара струи воды об внутренние стенки сопла и направление воды назад к выходному окну сопла, так что направленный поток воды создает реактивную силу за счет плавного поворота в сопло. В соответствии с напором и расходом воды в этих гидротурбинах изменяются геометрические размеры и количество сопел. При расположении вход сопла по периметру рабочего колеса и большом расстоянии между входами сопла наблюдаются потери энергии в результате сопротивления водоприемников и влияния стенок цилиндра рабочего колеса. Используя общую теорему об изменении кинетического момента при движении твердого тела относительно неподвижной системы отсчета, связанной с землей, и подвижной системы отсчета, связанной с центром рабочего колеса, крутящий момент, возникающий на рабочем вал колеса определяется ниже [ 28 ]: rрк ϴ D3 D2 D1 ( ) c z c z r r N M     − − = 4 4 3 ; (4) Используя формулы (1) и (4), находим циклическую частоту ωz рабочего колеса:    +      (5)       +       −      4 2 3 3 r r 2 N Cos S r N Cos S   −     =   ( ) c z 4 4 3 c 3 4 2 3 3 c 3 “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 49 Техника, технология и оборудование α1 u3 α1 β β-α1 υ3 v2 u4 α2 υ4 v4 Рис. 3. Треугольник скоростей течения воды в диверторе и рабочем колесе гидротурбины.    +   −  =  ; (6)      4 2 3 3 Cos S 2 4 z r r   3 c c Угол, образованный нормалью к внутренней стенке сопла с направляющими лопатками струйной гидротурбины обозначим через α1, так как расстояние до рабочего колеса очень мало, можно считать, что поток воды входит в рабочее колесо под этим углом, β-угол установки направляющей лопатки гидротурбины относительно радиального направления, рабочей плоскости угол, образованный рабочей лопаткой на входе. Примем υ3 за абсолютную скорость воды на выходе из дивертора и определим зависимость между линейными скоростями вращения активного и реактивноого рабочего колесо по треугольнику скоростей. Чтобы поток воды от направляющего аппарата ударялся об рабочее колесо и не терял энергии от удара, относительная скорость потока v3 должна совпадать с направлением касательного, прилагаемого на входе в сопло рабочего колеса. Поэтому абсолютная скорость воды υ3 должна быть равна сумме относительной скорости v3 и линейной скорости u3 в рассматриваемой точке рабочего колеса. Исходя из этого можем записать: ( ) ( ) ( )   =  −  =  +  −  −  =  −  sin 180 sin ) ( 180 sin sin u 3 0 3 1 1 0 3 Отсюда ( )   −   = sin sin u 1 3 3 ; (7) Количество воды, протекающее через направляющего устройства, также проходит через сопла рабочего колеса. Если ширина входа воды лопастей дивертора и сопел рабочего колеса одинакова, то ширина выходного отверстия дивертора и входных патрубков будет υ3sinα1, тогда: υ3sinα1= v2 sinα2 , (8) очевидно, что для достижения наименьшей возможной абсолютной скорости воды, выходящей из рабочего колеса, должно быть v2=u3. В таком случае: ( ) 1 ctg ctg sin 1 =  −    (9) В активных турбинах скорость воды, поступающей в рабочее колесо, соответствует полному значению действующего давления, при дальнейшем движении воды скорость не увеличивается, поэтому υ3= v2= u3. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 50 Техника, технология ва жиҳозлар Отсюда следует, что параллелограмм, построенный при скоростях u3 и υ3, образуется двумя равносторонними треугольниками с общим основанием υ3. Тогда получаем β = 2α. Если мы заменим β = 2α в уравнении, полученном выше: sinα2(1+ctg2α1)=2ctgα1 (10) Угол α1 обычно колеблется от 20° до 30°, тогда как для активных турбин β должен составлять 40°-60°. Предположим, что α1=20°, из формулы (10) получаем α2 = 40°. В этом случае абсолютная выходная скорость будет очень большой. Отсюда следует, что части рабочего колеса должны быть одинаковой ширины. Как мы уже упоминали выше, в реактивных турбинах скорость воды, поступающей в рабочее колесо, всегда соответствует только части располагаемого давления, поэтому ее скорость непрерывно увеличивается при движении в секциях рабочего колеса. В результате относительная скорость v4 воды на выходе больше относительной скорости v3 на входе, а так как v2=u3, то относительная скорость v3 меньше u3. При этом форма сопла должна быть такой, чтобы движущийся в них поток воды не был сжат по ширине (по вертикали), выход воды должен иметь на конце прямую часть, а кривизна их не должна быть чрезмерной в других части. Для активной трубы подставим β = 2α1 в формулу (7): ( ) 1 1 1 a 1 1 a 2 sin 2 sin u  −   =  1 1 a 1 1 1 a sin cos sin 2 u   =   1 a 1 1 a cos u 2  =  (11) Из формулы (7) получаем следующий результат для α1 = 25° (7): ua1=0,55υa1=0,55υ4 (12) где υ4-скорость потока воды, выходящего из сопла, т.е. скорость струи перед лопаткой. На основании этих данных для расчета энергии, выделяемой в активном колесе, рассчитывается момент инерции рабочего колеса относительно центра его вала, а также определяется цикловая скорость. Мощность активной гидротурбины определяется выражением: 2 4   = , (13) 2 QN P КПД этой активной гидротурбины колеблется от 0,5 – для небольших турбин и до 0,9 – для больших агрегатов. В реактивных турбинах в зависимости от степени снятия избыточного гидравлического давления υ3 меньше абсолютной скорости воды gh 2 . Например, для α1 = 20° и β=90° u3= 0,94 gh 2 . С учетом потерь на гидравлическое и местное сопротивление получаем u3= 0,56 gh 2 . Видно, что реактивные турбины вращаются быстрее, чем активные турбины. Относительная скорость воды не меняется при прохождении через водопропускные лопатки рабочего колеса, поэтому водяной поток сохраняет свою толщину на всем пути. КПД рассмотренной реактивной гидротурбины составляет 67%-86% в зависимости от напора, а для коэффициента быстроходности при расходе воды 15л/с на напоре 2 метра, в эксперименте получили следующий результат: 2 1 e 2 1 4 3  = об/мин.    e s =   = =         nQ 65 ,3 H H Q Q f n 015 ,0 6, 723 65 ,3 2, 191 2 4 3 4 3 H “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 51 Техника, технология и оборудование “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №5/2025 52 Техника, технология ва жиҳозлар 11. A.L. Yakovenko, I.V. Zhigulenko. Blade for tixohodnyx turbine (varianty). RU 2392488 MPK C2. F03D 3/00, F03D 5/00, F03B 7/00, F03B 9/00. Publ. 20.06.2010 Bull. No. 17 12. A. Sh. Tekhiev. Hydraulic turbine. RU 2398129 MPK C1. F03B 7/00. Publ. 27.08.2010 Bull. No. 24 13. I.N. Chulkov. Active hydraulic turbine. RU 2417329 MPK C2. F03B 17/06, F03B 7/00. Publ. 27.04.2011 Bull. No. 12 14. I.B. Biryulin, A.A. Vetrova, V.A. Belaya, I.B. Bashilov. Plavuchaya power station. RU 2432489 MPK C1. F03B 7/00, F03D 9/00. Publ. 27.10.2011 Bull. No. 30 15. A.P. Akimov, A.G. Vasilev, N.A. Pavlova, A.G. Aleksandrov. Ruslovaya vsesozonnaya hydroenergeticheskaya ustanovka. RU 2445507 MPK C2. F03B 7/00, F03B 17/06. Publ. 20.03.2012 Bull. No. 8 16. Chernyuk A.M., Analysis and optimization of the construction of a small hydroelectric power station for autonomous energy supply of military objects and infrastructure //Collection of scientific studies of the Kharkiv University of Vitry, 9 issue 4(45), 2015, p.p. 124-126. 17. http://weswen.ru/hydro_frensis/. 18. http://weswen.ru/hydro_kaplan/. 19. https://studopedia.ru/4_106730_reaktivnie-gidroturbini.html. 21 .01. 2015. 20. Zhitnikov E.D. Tubular-blade impeller, RU С1 2345243, IPC F03B3/12, publ. 27.01.2009. 21. V.S. Stasov. Reactive hydraulic turbine. Patent, RU 2019729. IPC F03B 3/02. publ. 09.15.1994. 22. R. Aliev, O.O. Bozarov, R.A. Zakhidov, D.B.Kodirov. Reactive hydraulic turbine. Patent, FAP 01287, IPC F 03 B3/02, F 03 B3/12. publ. 20.02.2018. 23. Bozarov O.O., Doctoral thesis on the creation of a micro-hydroelectric unit with a reactive hydroaggregate for agricultural consumers. Andijan branch of Tashkent State Agrarian University, Tashkent, 2020. p.p. 51-52 24. Ergashev S. F., Aliyev R.U., Bozarov O.O., Usarov KH. S., Efficiency of a nozzle jet hydroturbine with internal direction device, 8th - International Conference on Research in Humanities, Applied Sciences and Education Hosted from Berlin, Germany https://conferencea.org Dec. 30th 2022, рр.72-76. 25. Bekbaev A.B., Esyrev P.G., Munsyzbay T. M., Tolemís M. T. Kadırbay Q., Ābdīsh N., hydro turbine "ĀLEMSAQ", Republic of Kazakhstan KZ (13) A4 (11) 25685, (51) F03B 7/00 (2011.01) 26. Semenov V.V. Pryamotochnye hydroaggregate vysokoyi sverx vysokoy bystrokhodnosti, M - L. Gosenergoizdat, №3, 1959. p.p.231 27. Aliev R.U. O. Bozarov, Reactive hydraulic turbine with power up to 100 kw on the basis of loval snip//Intern. Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, Vol. 5, Issue 12,December 2018, p.p 7446-7451 28. Bazarov O. O, Usarov Kh. S. Begmatov E. M., Vzaimosvyaz mejdu parameterami rabochego kolesa s napravlyayushchim apparatom soplovoy reaktivnoy hydroturbiny /"The role of alternative energy sources in the development of the energy industry" Republican scientificpractical conference. Namangan city, April 28-29, 2022. p.р.138-143. 29. Bozorov O.O., Nosirov I.Z. Micro hydroelectric power station with reactive hydraulic turbine. /"Science and high school and innovation data". Ufa: Omega senses. 2018, p.p. 38-42. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №5/2025 53