ГИДРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03B1/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в гидротурбинных установках.

Известно техническое решение, а именно гидротурбинная установка, включающая конфузорный напорный водовод, гидротурбину с напорной камерой, диффузорный сливной водовод (отсасывающую трубу), рабочее колесо, установленное в напорной камере, и затворы, размещенные в напорном и сливном водоводах [1]
Недостаток этого технического решения заключается в том, что здесь используется капсульный агрегат, в котором генератор турбины заключен в герметичную капсулу, обтекаемую потоком. Это предъявляет жесткие требования к габаритам генератора, затрудняет его монтаж и техническое обслуживание. Для работы турбины с переменной мощностью используется направляющий аппарат. В результате происходит значительное удорожание гидромеханического оборудования и возникают значительные технические трудности по обеспечению надежной работы установки.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному является гидротурбинная установка, включающая подводящий и отводящий водоводы, сообщенные турбинной камерой, поперечно-струйной турбины с ротором типа ротора Дарье и затворы [2]
Это техническое решение, в сравнении с упомянутым выше, обладает следующими преимуществами: генератор размещен в машзале, легко доступном для монтажа и технического обслуживания; ротор турбины может быть выполнен не только с криволинейными, но и с прямолинейными лопастями, что упрощает его изготовление; проще в изготовлении проточная часть установки.

Однако это техническое решение имеет недостатки. Конструкция турбинной камеры, взаимосвязанная с конструкцией ротора и, в частности, известная геометрическая форма боковых стенок камеры не обеспечивает достаточно высокий КПД гидротурбинной установки, достижимый для турбин рассматриваемого типа. Так, например, не учитываются различные условия взаимодействия лопастей турбины с потоком у боковых стенок камеры, когда у одной из стенок лопасть движется навстречу потоку, создавая для него большое сопротивление, а у противоположной стенки лопасть движется вдоль по потоку, облегчая ему условия протекания. В результате при движении лопасти навстречу потоку возникает ранняя кавитация и торможение лопасти, а при движении по потоку подсос воды и непроизводительные ее потери.

Цель изобретения повышение КПД турбины.

Для достижения цели в гидротурбинной установке, включающей подводящий и отводящий водоводы, сообщенные турбинной камерой, поперечно-струйной турбины с ротором типа ротора Дарье, установленным в турбинной камере, и затворы, турбинная камера выполнена с пересекающимися стенками и снабжена расположенными по меньшей мере на одной из расположенных вдоль вала стенок выступом с острым или прямым углом при вершине. Ротор выполнен с лопастями, расположенными параллельно валу. Вершина выступа направлена к лопастям и вершина выступа смещена относительно поперечной оси камеры поворотом на острый центральный угол, образуя рабочий зазор с цилиндрической поверхностью, ометаемой лопастями. В варианте выполнения установки с целью выравнивания скоростей течения за турбиной, что дает дополнительное увеличение КПД, турбинная камера снабжена дополнительным выступом, расположенным на другой стенке, выполненной вдоль оси вала. Вершины выступов смещены относительно поперечной оси камеры поворотом на центральные углы в направлении движения лопастей. В варианте выполнения установки с целью уменьшения пульсации давления и уменьшения кавитационных эффектов по меньшей мере на одной боковой стенке выполнены дополнительные выступы в виде расположенных вдоль лопастей секций, вершины которых смещены относительно поперечной оси камеры на разные центральные углы. Вершины выступов могут образовывать непрерывную поверхность. В варианте выполнения установки с целью обеспечения оптимальных углов атаки в зонах (местах) сопряжения камеры с водоводами и уменьшения длины расширяющихся участков последних, а также для увеличения КПД установки при работе на неполной мощности в них установлены направляющие элементы, которыми снабжена установка.

Ротор может быть выполнен с неразрезным центральным валом, к которому прямолинейные лопасти крепятся с помощью радиальных кронштейнов хорошо обтекаемой формы. В этом случае, чтобы ослабить потери энергии при обтекании потоком цилиндрического центрального вала на нем, в подшипниковых опорах может быть установлен обтекатель. Ротор может быть выполнен без центральной части вала, когда лопасти крепятся к концевым частям вала, например, с помощью концевых дисков. Поверхность выступов в варианте выполнения может быть покрыта специальным материалом с низким модулем упругости, например пористой резиной, что позволяет улучшить энергетические показатели турбинной установки за счет уменьшения пульсаций давления на выступе.

Благодаря предложенному конструктивному выполнению гидротурбинной установки удается для наиболее простой конструкции рабочего колеса с прямыми лопастями увеличить при прочих равных условиях КПД турбины по сравнению с прототипом приблизительно на 0,15.

С помощью выступа на стенке камеры с острым углом при вершине (в пределе при нулевом угле при вершине выступ на стенке представляет из себя плоскую пластину с закруглением на конце) максимально сокращаются неэффективные участки круговой трассы лопасти, где течение воды направлено вдоль трассы. Смещение вершины выступа боковой стенки от поперечной оси поворотом на центральный угол в пределах 1-89^о (не более чем на 1/4 круга) приводит к уменьшению объемных потерь воды и скоростей течения в рабочем зазоре между вершиной выступа и цилиндрической поверхностью, ометаемой крайними точками лопастей.

Потоку, имеющему достаточно большую скорость течения на подходе к зазору, необходимо резко изменить направление течения, чтобы попасть в указанный зазор, даже если этот зазор весьма большой по своим размерам, т.е. существенно превосходит технически реализуемую минимальную величину. Выполняя таким же образом выступ на противоположной стенке, можно, подбирая соответствующие центральные углы смещения вершин выступов, добиться выравнивания условий протекания потока у противоположных боковых стенок. В результате этого становится практически равномерной эпюра скоростей течения за турбиной, наблюдается более позднее (при более высоких параметрах) проявление кавитационных эффектов и повышается КПД турбины. Наилучший эффект от смещения вершин выступов достигается в том случае, когда оно выполняется поворотом этих вершин на центральный угол в направлении вращения лопастей. Дополнительный положительный эффект получается также тогда, когда образование минимального зазора между вершиной выступа боковой стенки и движущейся лопастью происходит не одновременно по всей длине лопасти (в этом случае возникает сильная пульсация давления), а постепенно. Конструктивно такую "постепенность" можно было бы обеспечить, сдвигая участки профиля одной и той же лопасти друг относительно друга по окружности (поворотом на центральный угол), т.е. придавая лопасти винтовую или ступенчатую форму. При этом, однако, теряется важное свойство турбины простота изготовления ее ротора. Поэтому аналогичный эффект достигается другим путем путем придания ступенчатой или винтовой формы выступам стенки, расположенной вдоль вала, что технически легко реализуемо. Для этого создают дополнительные выступы на одной и той же стенке, вершины которых могут быть смещены относительно поперечной оси турбинной камеры на различные центральные углы. Смещение может быть непрерывным с образованием из вершины выступов винтовой линии (вблизи цилиндрической поверхности, ометаемой лопастями) или дискретным с уступами между выступами и с образованием ломаной линии вблизи указанной поверхности. В результате в момент образования минимального зазора поток имеет возможность отклониться из плоскости течения перпендикулярной оси турбины и перемещаться вдоль лопасти. Это уменьшает пульсацию давления в рабочем зазоре в районе вершины выступа стенки, в результате чего при прочих равных условиях улучшаются энергетические характеристики турбины и в том числе ее КПД.

В дополнение к выступам оптимальные углы атаки лопасти, с потоком дающие максимальный КПД турбины, можно выдержать также благодаря направляющим элементам, устанавливаемым в напорных водоводах и в турбинной камере. Эти элементы могут служить не только для создания оптимальных углов атаки, которые имеют место при радиальном подводе и отводе воды по отношению к круговой трассе движения лопастей, но и для предотвращения отрыва потока на расширяющихся участках водовода или для разбивки потока на секции, перпендикулярные оси турбины, с тем чтобы посекционно открывать и закрывать затворы и более эффективно регулировать мощность турбины.

На фиг. 1 изображена гидротурбинная установка, продольный разрез (разрез дан в плоскости, перпендикулярной валу турбины, и в разрез попадают стенки с выступами и поперечные сечения (профиль) лопастей); на фиг. 2 разрез Б-Б на фиг. 1 (в разрез попадают стенки турбинной камеры, примыкающие к торцам лопастей); на фиг. 3 -5- цилиндрическая поверхность с диаметром турбины D, ометаемая крайними точками лопастей при их вращении и примыкающий к этой поверхности нижний выступ боковой стенки в различных вариантах его исполнения.

Гидротурбинная установка включает подводящий 1 и отводящий 2 водоводы, турбину 3 с турбинной камерой 4, соединяющей водоводы 1, 2, и установленным в ней ротором 5 с валом 6 и лопастями 7 типа ротора Дарье. Установка включает затвор 8, например, жалюзийного типа, установленный в подводящем водоводе 1 (аналогичный затвор может быть установлен и в отводящем водоводе). Камера 4 выполнена прямоугольного сечения. Камера 4 снабжена выступом 9, расположенным по меньшей мере на одной из ее стенок 10, выполненных вдоль вала 6. Выступ 9 выполнен с углом ϕ при вершине А, лежащим в пределах 0-90^о. Выбор такого диапазона изменения угла ϕ при вершине А объясняется следующими соображениями. Предпочтительное направление грани выступа 9, вдоль которого осуществляется подвод воды к лопастям 7 турбины 3 радиальное, т.е. одна из линий, ограничивающих угол ϕ при своем продолжении, может проходить через центр турбины 3. Другая же линия, ограничивающая этот угол, может иметь два крайних положения. Первое крайнее положение когда она направлена параллельно касательной к круговой траектории движения лопасти и тогда угол при вершине А составляет 90^о, а второе крайнее положение когда она параллельна первой линии и отстоит от нее на некотором небольшом расстоянии. Во втором случае вершина выступа А представляет собой плоскую пластину толщиной δ, угол при вершине которой равен 0^о. Наилучший угол ϕ подбирается экспериментально в указанном диапазоне 0-90^о. Отметим также, что на конце вершины А выступа 8 может быть выполнено закругление с небольшим радиусом r, для того чтобы не было острых кромок.

Турбина 3 выполнена с лопастями 7 аэродинамического профиля, лопасти 7 расположены параллельно валу 6 ротора 5 (фиг. 2). Выступ 9 направлен к лопастям 7 турбины 3 и вершина его А смещена относительно поперечной оси турбины поворотом на центральный угол α в пределах 1-89^о, образуя рабочий зазор а с поверхностью, ометаемой крайними точками лопастей 7.

В варианте выполнения установки (фиг. 1) камера 4 снабжена дополнительным выступом 11 с углом при вершине ϕ ^'. Он расположен на другой (противолежащей) боковой стенке 10. Вершины А выступов 9 и 11 смещены относительно поперечной оси турбины 3 поворотом на центральные углы α и α' в направлении движения лопастей 7 (показано на фиг. 1 стрелкой). Общий вид выступов 9 в пространственном изображении приведен на фиг. 3.

Далее, см. фиг. 4 и 5, по меньшей мере на одной боковой стенке 10 выполнены дополнительные выступы 12 в виде расположенных вдоль оси турбины секций В, Г и Д и т.д.

На фиг. 4 показаны центральная секция выступа Г и две крайние секции выступа В и Д. Причем вершина А секции Г повернута относительно поперечной оси турбинной камеры 4 на больший центральный угол α чем вершина секций С и Д, а между секциями имеются уступы (перегородки). Если на фиг. 3 линия вершин А выступа 9 является прямой, параллельной образующей поверхности, ометаемой лопастями 7, то на фиг. 4 линия ломаная (ступенчатая). Она состоит из кусков, параллельных образующей поверхности, ометаемой лопастями 7, соединенных между собой дугами окружности перегородок на стыках секций.

На фиг. 5 показан другой вариант выполнения секций выступов 8, 12, когда секций В, С, Д и т.д. бесконечное множество и они смещены друг относительно друга поворотом на бесконечно малые центральные углы. В этом случае уступов и перегородок между секциями не образуется, а линия, образованная вершинами А различных секций, становится непрерывной винтовой линией. На фиг. 4 изображена такая линия, когда дальние секции повернуты на больший центральный угол α чем ближние секции. В принципе конфигурация такой линии может быть и иной. Например, она может иметь точки перегиба, допустим посередине, если средняя секция повернута на больший угол α, чем крайние секции, и т.д. Вообще говоря, поверхности выступа 9, например, на участке подвода воды к лопастям 7 могут быть плоскостями, т.е. могут иметь форму, удобную для изготовления.

Установка снабжена (как один из вариантов выполнения) направляющими элементами 13 и 14. Они расположены в водоводах 1 и 2, а также в турбинной камере 4. Направляющие элементы 13 и 14 могут быть выполнены, например, в виде утолщений удобообтекаемой формы, в виде плоских разделительных стенок и т.п.

Направляющие элементы вида 13 служат, например, для безотрывного расширения потока в отводящем водоводе 2 или для радиального подвода воды к круговой трассе движения лопастей в подводящем водоводе 1 и т.п. Направляющий элемент вида 14 выполняет функции разделителя потока, в частности, чтобы можно было более эффективно регулировать мощность турбины затворами 8.

Работает установка следующим образом.

Для включения турбины 3 в работу поворачиваются (открываются) лопатки жалюзийного затвора 8 и под действием перепада уровней Н в бьефах возникает течение воды в водоводе 1 и в турбинной камере 4. Благодаря различным сопротивлениям лопастей 7 турбины 3 при обтекании с лобовой стороны и с задней кромки возникает активная текущая сила, которая начинает вращать лопасти 7 (на фиг. 1 вращение в направлении по часовой стрелке). По мере увеличения линейной скорости движения лопастей 7 по окружности возникает реактивная тянущая сила в направлении движения лопастей 7, являющаяся составляющей подъемной силы аэродинамического профиля лопасти 7 на указанное направление, что ускоряет движение лопастей 7. Регулирующее устройство (не показано) меняет степень открытия затвора 8 таким образом, чтобы турбина 3 достигла синхронной частоты вращения, с которой генератор турбины 3 (не показано) включается в сеть. Максимальную мощность гидротурбина развивает и передает ее потребителю при полном открытии лопаток затвора 8. Благодаря предложенной конфигурации проточного тракта и, в частности, турбинной камеры 4 (форма и расположение выступов 9, 11, боковых стенок 10 и т.д.) максимальный КПД гидротурбинной установки по сравнению с известными конструктивными решениями увеличивается. При частичном открытии лопаток затвора 8 гидротурбинная установка передает меньшую мощность. Гидротурбинная установка при частичном открытии затвора 8 будет иметь более высокий КПД, если открытие и закрытие лопаток затвора будет осуществляться посекционно с использованием направляющих элементов типа 14, позволяющих организовать посекционное течение воды через турбину 3.

Сущность изобретения: турбинная камера турбины соединяет подводящий и отводящий водоводы. Камера выполнена с пересекающимися стенками. На стенке, расположенной вдоль вала ротора типа Дарье, выполнен выступ с острым или прямым углом при вершине. Ротор выполнен с лопастями аэродинамического профиля, параллельными валу. Вершина выступа направлена к лопастям и смещена относительно поперечной оси камеры поворотом на острый центральный угол с возможностью образования зазора с поверхностью, ометаемой лопастями. На другой стенке камеры, расположенной вдоль вала, выполнен дополнительный выступ, вершина которого смещена относительно поперечной оси камеры в направлении вращения лопастей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ГИДРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, содержащая подводящий и отводящий водоводы, турбину с турбинной камерой, соединяющей водоводы, и ротором типа ротора Дарье с валом и лопастями, отличающаяся тем, что камера выполнена с пересекающимися стенками и по меньшей мере на одной из ее стенок, расположенных вдоль вала ротора, выполнен выступ с острым или прямым углом при вершине, а лопасти выполнены аэродинамического профиля, параллельными валу, причем вершина выступа направлена к лопастям и смещена относительно поперечной оси камеры поворотом на острый центральный угол с возможностью образования зазора с поверхностью, ометаемой лопастями. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на другой стенке камеры, расположенной вдоль вала, выполнен дополнительный выступ, вершина которого смещена относительно поперечной оси камеры в направлении вращения лопастей. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере на одной из указанных стенок выполнены дополнительные выступы в виде расположенных вдоль лопастей секций, вершины которых смещены относительно поперечной оси камеры на различные центральные углы. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что вершины выступов расположены с возможностью образования непрерывной поверхности. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в водоводах установлены направляющие элементы.