ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 1994 года по МПК F03B13/04 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в системе энергонакопительных гидроэлектростанций (ЭНГЭС).

Известна система накопления и использования накопленной энергии, содержащая электронасосный и турбогенераторный агрегат.

Ее недостаток связан с увеличенными капитальными затратами и сниженным КПД из-за удлиненной цепочки преобразования энергии в системе.

Известен также турбонасосный агрегат, содержащий корпус со спиральным подводом, а также соосно расположенные напорный патрубок насоса и отвод турбины, между которыми имеется втулка, в нижней части которой смонтировано рабочее колесо турбины, а сверху на ее периферийной части - лопасти рабочего колеса насоса, при этом над втулкой размещено центральное тело, жестко прикрепленное посредством выходных направляющих лопаток насоса к корпусу агрегата и взаимодействующее с вращающейся втулкой через подшипники, а между втулкой и центральным телом имеется разгрузочная камера со своими уплотнениями и отводом профильтровавшей воды.

Задача турбонасосного агрегата - преобразование низконапорного потока в зоне русловой плотины в энергию высоконапорного потока, нагнетаемого в высотный бассейн ЭНГЭС. В прототипе имеются резервы для дальнейшего увеличения напора в насосе с приводом от тихоходной турбины, что позволит расширить область использования агрегата и повысить экономичность агрегата и системы в целом.

Цель изобретения - повышение экономичности и расширение области использования турбонасосного агрегата.

Поставленная цель достигается тем, что в прототипе рабочее колесо насоса выполнено многоступенчатым и составлено из двух участков - радиальноцентростремительного и диагональноцентростремительного, при этом насос в агрегата снабжен дополнительным ведущим диском, жестко закрепленным своей периферийной частью на внешних открытых торцах лопастей насоса, на этом диске со стороны оси агрегата смонтированы лопасти ступеней диагональноцентростремительного участка насоса, причем его направляющие лопатки расположены на центральном теле, а лопасти диагональноцентростремительного участка со стороны центрального тела являются открытыми, кроме того направляющий аппарат агрегата выполнен двухъярусным, в верхнем из которых установлены лопатки насосной части направляющего аппарата, а в нижней - лопатки турбинной части, между которыми имеется неподвижный кольцевой делитель потока. Дополнительный диск насоса выполнен в виде перевернутой гидравлической пяты для разгрузки упорных подшипников агрегата и снабжен стационарными уплотнениями со стороны оси агрегата и регулируемыми с периферийной стороны диска, между которыми со стороны корпуса имеется камера с регулируемым давлением посредством периферийных регулируемых уплотнений диска и посредством подключенного к камере водооткачивающего устройства, водовыбросное отверстие которого расположено ниже спирального подвода агрегата. Разгрузочная камера между втулкой и центральным телом выполнена с регулируемым давлением - на отводе профильтровавшей воды установлен регулятор расхода, отвод размещен в выходных направляющих лопатках насоса, а водовыбросное отверстие отвода расположено ниже спирального подвода агрегата.

На чертеже показан предлагаемый агрегат, разрез.

Агрегат содержит корпус 1 со спиральным подводом 2, напорный патрубок насоса 3 и отвод турбины 4, расположенный ниже насоса по вертикали. Между насосом и отводом имеется втулка 5, в нижней части которой смонтировано рабочее колесо турбины 6, а сверху на ее периферийной части - лопатки рабочего колеса насоса 7. Над втулкой размещено центральное тело 8, жестко прикрепленное посредством выходных направляющих лопаток 9 насоса к корпусу агрегата. Втулка с центральным телом взаимодействует через подшипники 10. Между втулкой и центральным телом имеется разгрузочная камера 11 с уплотнениями 12 и отводом профильтровавшей через уплотнения воды 13. Насос агрегата снабжен дополнительным ведущим диском 14, на котором смонтированы лопасти ступеней 15 и 16 диагональноцентростремительного участка рабочего колеса насоса, а его направляющие лопатки 17 и 18 закреплены на центральном теле - на его верхней обтекаемой поверхности. Перед колесами турбонасосного агрегата расположен двухъярусный направляющий аппарат, верхние лопатки 19 которого установлены перед насосом, а нижние лопатки 20 - перед турбиной. Между этими лопатками имеется кольцевой делитель 21 потока. Между дополнительным диском насоса и корпусом между его стационарными 22 и регулируемыми 23 уплотнениями расположена камера 24 с регулируемым давлением, снабженная водооткачивающим устройством 25, водовыбросное отверстие 26 которого расположено ниже спирального подвода агрегата. Между втулкой и центральным телом также расположена разгрузочная камера 11 с регулятором 27 давления на отводе 13 - для более полной разгрузки торцовых подшипников 28 агрегата, при этом водовыбросное отверстие 29 отвода расположено ниже спирального подвода турбонасосного агрегата.

Агрегат работает следующим образом.

Лопатки 19 и 20 двухъярусного направляющего аппарата выполнены с независимым друг от друга управлением и обеспечивают оптимальные режимы подвода потока как к насосной, так и к турбинной частям агрегата. Кольцевой делитель 21 потока в определенных процентных соотношениях разделяют общий поток, поступающий в спиральный подвод 2, на два, один из которых направляется вниз в сторону лопастей турбины 6, а другой - в сторону насоса и далее вверх в направление его напорного патрубка 3. При этом в турбине все происходит по известным схемам, а в насосе процесс приращения давления и разгрузки упорного подшипника осуществляется на новой основе. Первоначально поток насосной части получает первое приращение давления в радиальноцентростремительной ступени 7, после чего последовательно проходит через ступени 15 и 16 диагональноцентростремительного участка насоса с его направляющими лопатками между всеми ступенями, расположенными в криволинейном переточном канале подвода потока к напорному патрубку насоса, чем резко сокращаются размеры и стоимость агрегата в целом, повышается его КПД и развиваемый насосом напор при той же частоте вращения его турбинной части, поскольку переточной канал в этом случае выполняет комплексное назначение - перевода потока из одной зоны в другую с одновременным наращиванием давления. Для осуществления этого колесо составлено из двух конструктивно различных участков - на первом колесе содержит два покрывных диска, а на втором диагональноцентростремительном содержит лишь один диск, что осуществлено для размещения в одноканальном колесе насоса направляющих лопаток между всеми его ступенями, без которых невозможно реализовать многоступенчатую схему в принципе - направляющие лопатки размещены на центральном теле, т.е. на вненасосном элементе, который органически этим приемом, кроме своих прямых функциональных задач, дополнительно начинает выполнять и задачи насосного элемента. Этим в несколько раз увеличивается напорность насоса турбонасосного агрегата при равнозначных характеристиках его турбинной части, что позволяет использовать такой агрегат на ЭНГЭС, у которого напор высотного бассейна более чем на порядок превышает напор на русловой плотине.

Для повышения экономичности и ресурса турбонасосного агрегата дополнительный ведущий диск 14 его насосной части выполнен в виде элемента перевернутой гидравлической пяты, т. е. этот диск наряду с выполнением своих прямых конструктивных функций элемента насоса выполняет еще и функцию разгружающего подшипники агрегата конструктивного элемента. Но эта пята принципиальным образом отличается от существующих, у которых давление в камере 24 должно превосходить давление с обратной стороны поверхности диска. В данной пяте все наоборот - давление на поверхность диска со стороны проточной части насоса должно существенно превосходить давление с обратной стороны, т.е. со стороны камеры давления, как бы выполняющей функцию антидавления по результирующему балансу. Принципиальным образом отличается работа пяты при запуске агрегата, когда давление в насосном тракте еще не создано и решить задачу за счет дросселирования на уплотнениях не представляется возможным. Задача решается включением в схему регулировки давления в камере пяты водооткачивающего устройства 25. Оно включается в работу перед запуском агрегата, чем обеспечивается машинным способом снижение давления на обратную поверхность дополнительного диска насоса по сравнению с давлением на поверхность диска со стороны проточного тракта насоса в отсутствие давления в этом тракте, чем и обеспечивается разгрузка торцовых подшипников 28. После раскрутки агрегата и появления давления по этой причине в насосе водооткачивающее устройство отключается, а регулирование давления в камере 24 осуществляется за счет дросселирования между стационарным уплотнением 22 и регулируемым 23, обеспечивающим изменения давлений в камере в требуемых диапазонах при изменении режимов работы как насосной, так и турбинной частей турбонасосного агрегата. Разгрузочная камера 11 повышает надежность разгрузки торцовых подшипников 28 при изменениях режимов работы агрегата, а для безмашинного изменения давлений в направлении его уменьшения водовыбросное отверстие 26 отвода фильтрата расположено ниже отметки самой разгрузочной камеры 11.

Таким решением обеспечивается подача воды на более высокие отметки по отношению к реке при той же турбине, чем расширяется диапазон использования турбонасосного агрегата, а благодаря сохранение его минимальных размеров снижаются капитальные затраты при строительстве ЭНГЭС.

Сущность изобретения: соосно расположены по обе стороны корпуса с спиральным подводом напорный патрубок насоса и отвод турбины. На нижней части размещенной в корпусе втулки установлено лопастное рабочее колесо турбины, на верхней перифирийной части - лопаточное рабочее колесо насоса. Центральное тело размещено над втулкой, снабжено выходными направляющими лопатками насоса, жестко прикрепленными к корпусу, и установлено на вращающейся втулке в подшипнике с образованием между втулкой и телом разгрузочной камеры. Диск жестко закреплен по периферии на торцах лопаток насоса и имеет на центральной части дополнительные венцы насосных лопаток. Все венцы образуют соответственно радиально и диагонально центростремительные ступени. Направляющие лопатки размещены между ступенями. Направляющий аппарат выполнен двухъярусным, имеющим неподвижный делитель потока, разделяющий лопатки на насосную и турбинную части. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ТУРБОНАСОСНЫЙ АГРЕГАТ, содержащий направляющий аппарат с лопатками, корпус со спиральным подводом и соосно расположенные по обе стороны последнего напорный патрубок насоса и отвод турбины, размещенную в корпусе втулку, на нижней части которой установлено лопастное рабочее колесо турбины, а на верхней периферийной части - лопаточное рабочее колесо насоса и центральное тело, размещенное над втулкой, снабженное выходными направляющими лопатками насоса, жестко прикрепленными к корпусу, и установленное на вращающейся втулке в подшипнике с образованием между втулкой и центральным телом разгрузочной камеры, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, агрегат снабжен диском, жестко закрепленным по периферии на торцах лопаток насоса и имеющим на его центральной части дополнительные венцы насосных лопаток, при этом основной и дополнительные венцы образуют соответственно радиально- и диагонально-центростремительные ступени, причем лопасти последней открыты со стороны центрального тела, а направляющие лопатки насоса размещены между упомянутыми ступенями и направляющий аппарат агрегата выполнен двухъярусным, имеющим кольцевой неподвижный делитель потока, разделяющий лопатки на насосную и турбинную части. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит водооткачивающее устройство, водовыбросное отверстие которого размещено ниже спирального подвода агрегата, а диск снабжен стационарными уплотнениями, размещенными со стороны оси агрегата, и регулируемыми уплотнениями с периферийной стороны диска, образующими между диском и корпусом полость, которая подключена к водооткачивающему устройству для регулирования давления в полости. 3. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в выходных направляющих лопатках насоса выполнены каналы отвода профильтрованной воды, снабженные регулятором расхода для регулирования давления в разгрузочной камере.