РЕАКТИВНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА Российский патент 1994 года по МПК F03B3/02 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано при проектировании гидротурбин.

Известна радиально-осевая гидротурбина, используемая при низких напорах, которая состоит из статора, выполненного из верхнего и нижнего кольцевых поясов, соединенных колоннами, направляющего аппарата, выполненного в виде лопаток, установленных между кольцами с возможностью поворота, рабочего колеса, состоящего из конической ступицы, нижнего обода и лопастей, закрепленных между ними.

Недостатком турбины является низкая эффективность использования энергии воды.

Известно рабочее колесо радиально-осевой гидромашины, содержащее верхнее и нижнее ободья, между которыми размещены лопасти, а в них выполнены полости, соответствующие по профилю контуру периферийной части лопасти, а в обоих ободьях выполнены пазы, для установки в них при радиальном перемещении периферийной части лопасти.

Недостатком устройства является низкая надежность подвижной конструкции.

Наиболее близкой по своим конструктивным признакам является радиально-осевая гидротурбина, содержащая спиральную камеру, лопаточный направляющий аппарат, рабочее колесо, снабженное ступицей с лопастями и ободом и жестко соединенной с ней с образованием перепускного канала лжеступицей и подвижный кольцевой затвор с отверстиями, сообщающими спиральную камеру с перепускным каналом при закрытом положении затвора. Устройство предназначено для аварийного сброса потока воды мимо лопастей по перепускному каналу, а при нормальной эксплуатации для него характерны низкие кавитационные свойства низкая эффективность использования энергии воды, в частности, не используется кинетическая энергия потока, увеличивающаяся при падении под влиянием силы тяжести воды.

Целью изобретения является повышение эффективности использования энергии воды и улучшение кавитационных свойств турбины.

Поставленная цель достигается тем, то в известной гидравлической турбине, содержащей лопаточный направляющий аппарат, статор, рабочее колесо, выполненное в виде ступицы с каналом, с лопастями и нижним ободом, охватывающим их, рабочее колесо снабжено дополнительным нижним ободом, а нижняя проточная часть статора-отражателями и коаксиально размещена между нижними ободьями, которые имеют сквозные окна для выхода отработавшей воды, а перепускные каналы выполнены от каждой поверхности лопасти и ориентированы своим выходным отверстием к отражателям статора в обратном входу направлении и сопряжены с полостями между отражателями, при этом замкнутая система состоит из двух частей: неподвижной-отражатели статора и подвижной, состоящей из ободьев, горизонтальных перемычек между каналами.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом, позволяет сделать выводы о соответствии его критерию "новизна", т.к. предлагаемое устройство характеризуется наличием новых элементов - дополнительный обод со сквозными окнами и отражатели, закрытые сверху перемычками и сопряженные полостями между ними с каналами. Наличие новых элементов обуславливает и новые связи.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и другими техническими решениями в данной и смежной областях техники не позволило выявить техническое решение, содержащее признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого объекта. Поэтому можно сделать вывод о соответствии его критерию "существенные отличия".

Сущность решения заключается в том, что в заявляемом решении поток воды с рабочих лопастей попадает в канал, изменяя направление движения по каналу на обратное входу на лопасти рабочего колеса, и создавая давление на них, от которого возникает крутящий момент. При наталкивании потока воды на отражатели статора скорость его понижается до нуля, а кинетическая энергия потока преобразуется в силу реакции, которая на валу рабочего колеса тоже образует крутящий момент, направленный в ту же сторону, что и первый. От воздействия силы потока на рабочие лопасти и от силы реакции рабочее колесо с каналами приходит в движение и движется со скоростью, равной скорости движения потока внутри канала, но в обратном направлении.

В процессе движения рабочего колеса, ободья перемещаются и окна в них подходят к лопастям между отражателями статора, оттуда отработавшая вода, находившаяся в замкнутой системе, выходит из турбины.

На фиг.1 схематично изображен общий вид с разрезами по осям каналов, на фиг. 2 - вид сверху; на фиг.3 - развертка канала и нижней части статора с ободьями рабочего колеса; на фиг.4 - вид сверху развертки статора; на фиг.5 - разрез статора и ободьев по окнам; на фиг.6 - разрез статора и ободьев по глухой части ободьев; на фиг.7 - разновидность исполнения отражателей.

Реактивная гидравлическая турбина состоит из направляющего аппарата, выполненного в виде поворотных лопаток 1, установленных между кольцами 2, 3, рабочего колеса, выполненного в виде ступицы 4, насаженной на валу 5, с лопастями 6, переходящими в каналы 7 от отверстий 8 в поверхности лопасти, статора с проточной частью 9, на которой выполнены радиальные отражатели 10, полости между которыми сопряжены с подвижными каналами 7 ступицы. Неподвижные отражатели 10 статора 9 коаксиально размещены между наружным ободом 11 и дополнительным (внутренним) ободом 12, в которых выполнены сквозные окна 13, а в горизонтальной плоскости ободья 11, 12 соединены вместе с каналами 7 перемычками 14, перекрывающими полости между отражателями и образующие вместе с глухой частью ободьев и с отражателями замкнутую систему, при этом элементы статора - неподвижная часть системы, а элементы рабочего колеса (ободья, перемычки) - подвижная часть замкнутой системы.

Реактивная гидравлическая турбина действует следующим образом.

Вода, проходя между направляющими лопатками 1, поступает на рабочие лопасти 6 и далее в каналы 7, которые изогнуты в обратном направлении относительно входа воды на лопасти. Изменяя таким образом направление движения, вода при повороте оказывает давление на рабочие лопасти 6, от которого возникает крутящий момент на валу 5. В каналах 7 под влиянием остаточного напора потока и силы тяжести скорость потока увеличивается, а вместе с этим увеличивается кинетическая энергия этого потока. На выходе из каналов 7 рабочего колеса поток наталкивается на отражатели 10 статора 9, где скорость его понижается до нуля и кинетическая энергия преобразуется в силу реакции, которая на валу 5 рабочего колеса образует дополнительный крутящий момент. При вращении рабочего колеса подвижная часть замкнутой системы перемещается и к отражателям 10, находившимся в замкнутой системе подходят окна 13 и отработавшая вода выходит из турбины.

Таким образом, посредством окон в ободьях осуществляется связь каналов между отражателями в замкнутой системе, с атмосферой, обеспечивающая свободный выход работавшей воды из турбины. Наличие изогнутых каналов от каждой лопасти и их связь с отражателями статора посредством ободьев с окнами позволяют эффективнее использовать энергию потока воды, обеспечивается возможность для получения максимального количества работы от силы, создающейся в процессе перехода потока воды с рабочих лопастей в каналы рабочего колеса и от кинетической энергии скорости потока воды, преобразованной на отражателях статора в замкнутой системе в силу реакции. Одновременно с этим, организация индивидуального протока воды от каждой лопасти, выход потока воды с меньшей энергией улучшают кавитационные свойства турбины и срок ее службы.

Сущность изобретения: рабочее колесо выполнено в виде ступицы с охватывающим лопасти нижним ободом и отводящим каналом. Колесо снабжено дополнительным нижним ободом и дополнительными отводящими каналами. В проточной части статора выполнены отражатели, в ободьях - сквозные окна. Проточная часть статора размещена коаксиально между ободьями. Отводящие каналы ориентированы выходными отверстиями к отражателям в направлении, противоположном направлению вращения турбины и соединены в горизонтальной плоскости перемычками, образующими между отражателями и глухой частью ободьев замкнутую систему. 7 ил.

РЕАКТИВНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА, содержащая лопаточный аппарат, статор, рабочее колесо, выполненное в виде ступицы с охватывающим лопасти нижним ободом и отводящим каналом, отличающаяся тем, что, с целью улучшения кавитационных качеств, рабочее колесо снабжено дополнительным нижним ободом и 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 направлении, противоположном направлению вращения турбины, и соединены в горизонтальной плоскости перемычками, образующими между отражателями и глухой частью ободьев замкнутую систему.