РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ПРОПЕЛЛЕРНОЙ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F03B3/12 

Предлагаемое изобретение относится к гидромашиностроению, а именно к конструкциям пропеллерных гидротурбин, и может быть использовано в гидротурбинах малых ГЭС, эксплуатируемых в условиях сезонных изменений напора и расхода воды.

Известно рабочее колесо пропеллерной гидротурбины Днепрогэс II, содержащее цилиндрический корпус с центральным посадочным отверстием, шесть лопастей с фланцами, прикрепленными к корпусу при помощи болтов и гаек, при этом каждая лопасть дополнительно снабжена шпонкой, расположенной во фланце, a в корпусе выполнены пазы, в которых размещены клиновые устройства для дополнительной фиксации углового положения каждой лопасти относительно корпуса [1].

Недостатком такой конструкции рабочего колеса является то, что она не может обеспечить работу гидротурбины с высоким КПД при изменениях параметров водотока (напора, расхода вследствие невозможности в этом случае регулирования угла поворота лопастей.

Это обусловлено тем, что клиновое устройство такого пропеллерного колеса, предназначенное для регулировки угла поворота лопастей в очень малых пределах ±2^o, используется исключительно для компенсации погрешностей гидродинамических расчетов. Таким образом, лопасти такого рабочего колеса после определения их оптимального положения жестко закреплены относительно корпуса. В реальных условиях работы гидротурбины при изменении параметров водотока (расход, напор) целесообразно для получения наибольшего КПД и, следовательно, максимальной мощности, иметь рабочие колеса с различным фиксированным углом поворота лопастей относительно корпуса. В этом случае надо иметь в комплекте несколько колес такой конструкции и заменять их в зависимости от изменяющихся параметров водотока.

Изготовление дополнительных колес приводит к резкому удорожанию оборудования и, следовательно, к увеличению стоимости кВт/час электроэнергии.

Известно также выбранное в качестве прототипа заявленного рабочего колеса пропеллерной гидротурбины пропеллерное колесо лопастной гидромашины, содержащее корпус, установленный на валу с помощью гайки растяжения, обтекатель, соединенный с корпусом посредством стяжного болта, и лопасти, закрепленные на корпусе и снабженные хвостовиками и фланцами с посадочными поверхностями (поясками), при этом в корпусе и хвостовиках выполнены соосные отверстия, в которых размещены стяжные элементы, например в виде шпилек с резьбовыми концами, на которых расположены гайки растяжения, хвостовики лопастей выполнены коническими, а на торцах корпуса и обтекателя выполнены проточки и последний снабжен отверстием для размещения стяжного болта, соединенного с валом [2].

Данная конструкция пропеллерного колеса лопастной гидротурбины по сравнению с вышеописанным аналогом позволяет регулировать угол поворота лопастей относительно корпуса в зависимости от режимов работы гидротурбины за счет стягивания лопастей стяжными элементами (стяжным болтом, шпильками и гайками растяжения).

Однако такая конструкция пропеллерного колеса лопастной гидромашины не позволяет обеспечить необходимую точность позиционирования всех лопастей относительно корпуса под одинаковым углом, вследствие отсутствия в ней контролирующих этот угол устройств, что обуславливает увеличение времени переналадки рабочего колеса и, следовательно, приводит к недовыработке электроэнергии. Кроме того, разные углы установки каждой из лопастей рабочего колеса приводят к появлению вибрации и нарушению плавности вращения вала гидротурбины из-за различных усилий, действующих на каждую лопасть, и затяжка лопастей стяжными элементами, в случае многократной переустановки лопастей, может привести к смятию посадочных поясков и конических частей хвостовиков лопастей.

Все это приводит к снижению надежности фиксации лопастей относительно корпуса рабочего колеса гидротурбины и к уменьшению его срока службы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергетических потерь за счет сокращения времени переналадки рабочего колеса при изменении параметров водотока, а также повышение надежности крепления лопастей к корпусу рабочего колеса гидротурбины и увеличение его срока службы за счет устранения деформаций посадочных поясков фланцев и хвостовиков лопастей и уменьшения вибрации ротора (вращающихся деталей) гидротурбины, вызванных погрешностями установки лопастей относительно корпуса.

Технический результат достигается тем, что в рабочем колесе пропеллерной гидротурбины, содержащем ступицу и лопасти, равномерно установленные в радиальных отверстиях ступицы при помощи примыкающего к ее наружной боковой поверхности упорных фланцев и хвостовиков, и закрепленные на ступице гайками со стороны внутренней боковой поверхности ступицы, согласно изобретению, примыкающие к внутренней боковой поверхности ступицы части хвостовиков лопастей выполнены в виде правильных многогранников, на каждой из которых между ступицей и гайкой установлено кольцо с отверстием, идентичным по форме этой части хвостовика и с выполненными по перифирии кольца радиальными пазами, при этом ось симметрии одного из пазов совпадает с осью симметрии одной из граней хвостовика, остальные пазы смещены относительно осей симметрии соответствующих им граней на угол, равный углу установки лопастей, а в ступице жестко закреплен фиксирующий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с одним из пазов кольца.

Кроме того, примыкающая к внутренней боковой поверхности ступицы часть хвостовика каждой пропасти выполнена в виде правильного шестигранника.

Выполнение примыкающей к внутренней боковой поверхности ступицы части хвостовиков лопастей в виде правильных многогранников и размещение на ней кольца указанной конструкции позволяет в зависимости от изменения параметров водотока изменять угол поворота каждой лопасти относительно корпуса рабочего колеса гидротурбины и одновременно обеспечить фиксацию требуемого положения лопастей, что снижает время переналадки рабочего колеса в зависимости от изменения режима работы и, следовательно, потери электроэнергии по сравнению с прототипом. Выполнение установочного кольца указанным образом, наличие и указанное расположение фиксирующих элементов позволяет зафиксировать заданный угол поворота для всех лопастей без проведения сложных измерений и наличия элементов растяжения, что снижает вероятность возникновения вибраций и нарушений плавности вращения ротора (рабочего колеса и вала), а также исключает деформацию посадочных поясков фланцев и хвостовиков лопастей и приводит к повышению надежности и увеличению срока службы гидротурбины по сравнению с прототипом.

Выполнение части поверхности хвостовика и центрального отверстия кольца в виде правильного шестигранника позволяет обеспечить ступенчатую перестановку каждой лопасти дополнительно в пять положений по углу поворота относительно корпуса "на закрытие" и "открытие", что является достаточным для обеспечения дискретного изменения угла поворота лопастей от нулевого положения до max и позволяет обеспечить регулирование рабочих колес в широком диапазоне изменения параметров водотока (напоров и расходов).

Сравнение заявленного изобретения с прототипом показало, что его признаки не являются идентичными содержащимся в предложенной формуле изобретения признакам. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ отличительных признаков заявленного изобретения показал, что такие или сходные с ними признаки с проявлением тех же свойств, которые они проявляют в заявленной совокупности в известных решениях, не обнаружены, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного устройства критерию "изобретательский уровень".

Применение предлагаемого устройства в гидротурбинах малых ГЭС обеспечивает ему соответствие критерию "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид рабочего колеса пропеллерной гидротурбины (в диаметральном разрезе); на фиг. 2 - конструкция кольца для регулировки угла поворота лопастей; на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 1 - взаимное расположение кольца на шестигранной поверхности части хвостовика лопасти, соответствующее начальному углу установки лопасти относительно корпуса; на фиг. 4 - процесс регулирования угла поворота лопастей рабочего колеса пропеллерной гидротурбины в случае: а) изменение угла поворота лопасти относительно нулевого начального положения в сторону увеличения проходного сечения между лопастями (сторона установочного кольца с маркировкой "ОТКР.") б) изменение угла поворота лопасти относительно нулевого начального положения в сторону уменьшения проходного сечения между лопастями (сторона установочного кольца с маркировкой "ЗАКР.")
Рабочее колесо пропеллерной гидротурбины содержит ступицу 1 (корпус), лопасти 2, кольца 3 для регулировку угла поворота лопастей, штифт 4 и гайки 5. Ступица 1 имеет центральное отверстие 6 для центрирования и установки рабочего колеса на валу гидротурбины и соосную с ним внутреннюю полость 7, радиальные цилиндрические отверстия 8 и соосные им равномерно расположенные по периферии ступицы 1 в полости, перпендикулярной оси центрального отверстия 8 для установки лопастей 2 рабочего колеса.

Каждая лопасть 2 снабжена фланцем 10 с посадочным пояском 11 и хвостовиком с резьбовым концом 12. Лопасти 2 прикреплены к корпусу 1 посредством гаек 5, размещенных на резьбовых концах 12 хвостовиков (фиг. 1).

Примыкающая к внутренней боковой поверхности ступицы 1 части 13 хвостовиков 12 каждой лопасти 2 выполнены в виде правильных многогранников, например, шестигранников.

Хвостовик 12 каждой лопасти выполнен с поверхностью 13 в виде правильного многогранника, например, шестигранника, на которой между ступицей 1 и гайкой 2 размещено кольцо 3 для регулировки угла поворота лопастей 5. Кольцо 3 выполнено с центральным многогранным отверстием 14 идентичным по форме посадочной поверхности хвостовика, т.е., например, в виде шестигранника, и с равномерно расположенными по периферии кольца пазами 15. Кольцо 3 имеет две рабочие проградуированные поверхности, одна из которых имеет маркировку в виде надписи "ОТКР.", а другая - "ЗАКР." (фиг. 2-4). При этом пазы 15 расположены таким образом, что ось 16 одного из них перпендикулярна грани многогранного отверстия кольца 3 и совпадает с нормалью 17 к ней (фиг. 2 и 3 α₁= 0), а каждая ось 16 остальных пазов смещена относительно нормали 17 соответствующей грани шестигранного отверстия на заданный угол поворота лопасти α₂,α₃ и т. д. (фиг. 2 и 3) В ступице 1 над кольцом 3 жестко закреплен фиксирующий элемент 4, например, штифт. Для этого в ступице 1 выполнено отверстие 19 для штифта 4, устанавливаемого в нем параллельно оси посадочной поверхности 13 хвостовика лопасти 2. Количество штифтов 4 определяется числом лопастей 2. Каждый штифт 4 жестко связан со ступицей 1, а ось его параллельна оси поверхности части 13 хвостовика лопасти 2. Грани шестигранника поверхности части 13 хвостовика лопасти 2 сориентированы относительно пера лопасти 2 таким образом, чтобы одна из граней (на фиг.3 грань 20) соответствовала нулевому начальному положению (в сборке α₁= 0). ). Для удобства установки углового положения лопастей положение этой грани 20 маркируется с наружной стороны фланца 10 каждой лопасти 2.

Поверхность части 13 хвостовика лопасти 2 и центральное отверстие установочного кольца выполнены в виде шестигранника, с целью обеспечения пяти положений каждой лопасти 2 по углу поворота относительно ступицы на "закрытие" или "открытие". При этом эти пять положений обеспечивают плавное дискретное изменение угла поворота от нулевого положения до max. Обычно суммарный угол поворота составляет ±(5-12)^o, а шаг поворота лопасти составляет, например, 1^o; 2^o; 2,5^o и пр.

Выполнение части 13 хвостовика лопасти 2 и центрального отверстия кольца 3 в виде четырех- или трехгранника неприемлемо, т.к. приводит к резкому уменьшению сечения хвостовика и, следовательно, снижению прочности.

Выполнение части 13 хвостовика и центрального отверстия установочного кольца с большим числом граней, например, в виде семи- или восьмигранника и т.д, нецелесообразно, т.к. реально исходя из указанного суммарного угла поворота ±(5-12)^o для регулировки достаточно иметь по 5 положений лопастей на "ОТКР." и "ЗАКР."
Сборку предлагаемого рабочего колеса осуществляют следующим образом.

Со стороны внутренней полости 7 кольцо 3 разворачивают в определенное положение, соответствующее заданному углу установки: α₁,α₂,α₃ и т.д. посредством совмещения соответствующего паза 15 со штифтом 4. Затем разворачивают лопасть 2 и вставляют часть 13 хвостовика в центральное отверстие 14 установочного кольца 3 таким образом, чтобы грань 20 шестигранника хвостовика лопасти 2 (соответствующая ее начальному положению) совместилась с гранью шестигранного отверстия установочного кольца 3, соответствующей заданному углу α, т.е. α₁ или α₂ или α₃ и т.д. (фиг. 3).

После этого, завинчивая гайку 5, притягивают лопасть 2 к ступице 1 рабочего колеса.

Эти же операции производят со всеми лопастями 2 рабочего колеса гидротурбины.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При работе пропеллерной гидротурбины в номинальном режиме (при определенных значениях напора и расхода воды) под действием энергии воды рабочее колесо вращается и передает крутящий момент на ротор генератора, который вырабатывает электрическую энергию, соответствующую номинальной мощности.

В случае изменения параметров водотока, например расхода, изменяется его мощность. Для использования этой мощности с минимальными потерями необходима регулировка положения лопастей 2 относительно ступицы 1 рабочего колеса, то есть изменение угла поворота каждой лопасти 2.

В номинальном режиме работы гидротурбины маркированную грань 20 поверхности части 13 хвостовика лопасти 2 совмещают с гранью центрального отверстия 14 кольца 3, соответствующей пазу 15 с нулевым углом установки α₁= 0 (фиг. 3).

При увеличении расхода водотока каждую лопасть 2 поворачивают относительно ступицы 1 таким образом, чтобы проходное сечение (межполостное пространство) увеличилось (фиг. 4а). Это приводит к увеличению пропускной способности гидротурбины и, следовательно, выдаваемой мощности. При уменьшении расхода водотока каждую лопасть 2 рабочего колеса разворачивают относительно ступицы 1 так, чтобы уменьшить межлопастное пространство (фиг. 4б). В обоих случаях рабочее колесо снимают с вала гидротурбины и разбирают. Для установки заданного угла наклона лопастей 2 отвинчивают гайки 5 и извлекают лопасти 2. Затем со стороны внутренней полости 7 устанавливают кольцо 3 таким образом, чтобы один из его пазов 15, соответствующий требуемому углу установки α, вошел в сопряжение со штифтом 4, запрессованным в отверстие 18 корпуса 1. Далее вставляют лопасть, совмещая ее маркированную грань 20 многогранника 13 хвостовика 12 с той гранью многогранного отверстия 14 установочного кольца 3, которая соответствует пазу 15 кольца 3, совмещенному со штифтом 4 (фиг. 3, 4).

При необходимости увеличения проходного сечения рабочего колеса от нулевого положения лопасть 2 разворачивают по стрелке 21 (фиг. 4а). Для этого кольцо 3 располагают на поверхности части 13 хвостовика лопасти 2 стороной, обращенной в сторону внутренней полости с надписью "ОТКР.", указывающей, что кольцо 3 установлено на увеличение проходного сечения рабочего колеса или увеличение угла α между осью 16 каждого паза 15 и нормалью 17 к соответствующей грани шестигранного отверстия кольца (фиг. 4а).

В случае необходимости уменьшения проходного сечения рабочего колеса от нулевого положения лопасть 2 поворачивают по стрелке 21 (фиг. 4б). Для этого снимают кольцо 3, располагают его на поверхности части 13 хвостовика лопасти 2 стороной, обращенной в сторону внутренней полости на надписью "ЗАКР.", указывающей, что кольцо 3 установлено на уменьшение проходного сечения рабочего колеса. При этом увеличение угла α между осью 16 каждого паза 15 и нормалью 17 приводит к изменению направления поворота лопастей 2 относительно нулевого положения α = 0 противоположное (фиг. 4б).

Поворачивая кольцо 3 паз 15, соответствующий заданному углу α-α₁ или α₂ или ...α₆ - поворота лопасти, устанавливают на штифт 4. При этом ось 16 этого паза смещается относительно нормали 17 грани отверстия 14 на заданный угол, соответственно α₁ или α₂ или α₆, равный углу установки лопастей 2 относительно корпуса 1.

Затем промаркированную грань 20 поверхности части 13 хвостовика лопасти 2, соответствующую начальному положению лопасти 2 совмещают с гранью многогранного отверстия кольца 3, соответствующей зафиксированному штифтом 4 пазу 15, ось 16 которого образует с нормалью 17 грани угол α, равный заданному углу поворота лопасти.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом, благодаря указанной конструкции узлов регулирования и фиксации углов поворота лопастей позволяет снизить энергетические потери за счет снижения времени переналадки лопастей при изменении режимов работы гидротурбины, а также повышение надежности крепления лопастей к корпусу гидротурбины и ее срока службы за счет снижения деформаций лопастей и вибраций вала и рабочего колеса гидротурбины.

Источники информации
1. Справочник по гидротурбинам/ Под общей ред. Н.Н. Ковалева.-Л.: Машиностроение, Лен. отд., 1984 - Стр. 154, 155.

2. Авт. свидетельство СССР N 1795143 кл. F 03 B 3/12, 1993 г., БИ N 6 - Прототип.

Колесо может быть использовано в гидротурбинных малых ГЭС, эксплуатируемых в условиях сезонных изменений напора и расхода воды. Лопасти 2 равномерно установлены в радиальных отверстиях 8 ступицы 1 при помощи примыкающих к ее наружной боковой поверхности упорных фланцев 10 и хвостовиков 12. Лопасти 2 закреплены на ступице 1 гайками 5 со стороны внутренней боковой поверхности ступицы 1. Примыкающие к внутренней боковой поверхности ступицы 1 части 13 хвостовиков 12 лопастей 2 выполнены в виде правильных многогранников. На каждой части 13 между ступицей и гайкой установлено кольцо с отверстием, идентичным по форме этой части хвостовика и с выполненными по периферии кольца радиальными пазами. Ось симметрии одного из пазов совпадает с осью симметрии одной из граней хвостовика, остальные пазы смещены относительно осей симметрии соответствующих им граней на угол, равный углу установки лопастей. В ступице жестко закреплен фиксирующий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с одним из пазов кольца. Позволяет снизить энергетические потери за счет снижения времени переналадки лопастей при изменении параметров водотока, а также повышает надежность крепления лопастей к корпусу рабочего колеса гидротрубины и увеличивает срок ее службы за счет снижения деформации посадочных поверхностей лопастей и вибраций вала гидротурбины. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее колесо пропеллерной гидротурбины, содержащее ступицу и лопасти, равномерно установленные в радиальных отверстиях ступицы при помощи примыкающих к ее наружной боковой поверхности упорных фланцев и хвостовиков и закрепленные на ступице гайками со стороны внутренней боковой поверхности ступицы, отличающееся тем, что примыкающие к внутренней боковой поверхности ступицы части хвостовиков лопастей выполнены в виде правильных многогранников, на каждой из которых между ступицей и гайкой установлено кольцо с отверстием, идентичным по форме этой части хвостовика и с выполненными по периферии кольца радиальными пазами, при этом ось симметрии одного из пазов совпадает с осью симметрии одной из граней хвостовика, остальные пазы смещены относительно осей симметрии соответствующих им граней на угол, равный углу установки лопастей, а в ступице жестко закреплен фиксирующий элемент, установленный с возможностью взаимодействия с одним из пазов кольца. 2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что примыкающая к внутренней боковой поверхности ступицы часть хвостовика каждой лопасти выполнена в виде правильного шестигранника.