ГИДРОТУРБИНА С ЗАТВОРОМ Российский патент 2002 года по МПК F03B3/04 F03B3/16 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в гидротурбинах.

Известна гидротурбина с проточным трактом, близким к прямоточному, расположенная горизонтально (см. Н. Н. Ковалев. Гидротурбины. Л.: Машгиз, 1971, стр. 84). За счет приближения проточного тракта к прямоточному снижается коэффициент его сопротивления, увеличивается пропускная способность гидротурбины и ее быстроходность.

Спрямленный проточный тракт характеризуется более равномерным по сравнению с радиальным подводом распределением скоростей в проточной части и, в частности, в зоне между статором и рабочим колесом. При этом снижается уровень потерь энергии и увеличивается гидравлический КПД.

Эти достоинства гидротурбины с прямоточным трактом выражаются в увеличении мощности по сравнению с гидротурбиной с радиальным входом при одинаковых диаметрах рабочих колес и напорах.

Но несмотря на все эти достоинства прямоточного тракта, горизонтальное положение рассматриваемой гидротурбины усложняет конструкцию всего гидроагрегата, большинство узлов которого помещаются в специальной капсуле, расположенной под уровнем верхнего бьефа, что подразумевает специфичность таких узлов и создает определенные трудности при их обслуживании. Кроме того, горизонтальная компоновка гидроагрегата допускает применение только отдельно выполненного затвора, что увеличивает длину подводящего водовода.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является решение, заявленное в патенте США 1682966, приоритет от 14.07.1924 "Water Wheel". Конструкция затвора, заявленная в этом патенте, выполнена в виде профильного тела вращения для формирования потока перед рабочим колесом. Затвор через систему рычагов связан с гидроприводом, с помощью которого он может перемещаться вдоль оси гидроагрегата для регулирования расхода воды через турбину, т. е. для регулирования ее мощности. Недостатком такой конструкции является ее система рычагов, которая хотя и уменьшает необходимое усилие для перемещения затвора, но это создается за счет создания значительных размеров этих рычагов, поскольку они крепятся на стенки проточной части здания гидростанции.

При этом данная система рычагов при поднятии затвора смещает его относительно оси гидроагрегата, тем самым нарушая осесимметричность потока, что снижает эффективность работы гидротурбины. Операция по креплению шарниров рычагов на стенках здания гидростанции увеличивает время монтажа оборудования.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание вертикальной гидротурбины с затвором как единого, окончательно изготовленного для установки на ГЭС конструктивного блока.

Технический результат достигается тем, что в гидротурбине, включающей вал, осевое рабочее колесо, статор, обеспечивающий прямоточность ее проточной части, затвор, выполненный с поверхностями, обеспечивающими его прилегание к поверхностям статора, и имеющий возможность перемещения вдоль оси гидротурбины для перекрытия или открытия проточного тракта посредством системы рычагов и привода, на валу установлен кожух с упорами и направляющими для затвора, на корпусе затвора расположены рычаги, взаимодействующие с упорами и направляющими на кожухе вала с целью уменьшения нагрузки на привод затвора и уменьшения скорости перемещения затвора в зоне малых открытий, а также для обеспечения прямолинейности перемещения затвора вдоль оси гидротурбины, также на корпусе затвора расположены регулируемые упоры для обеспечения одновременности касания рычагами затвора упора на кожухе вала, при этом затвор в максимально поднятом положении прижат приводом к упорам на кожухе вала.

На фиг. 1 изображена гидротурбина с затвором, где затвор показан в двух положениях - для открытой проточной части (верхнее положение) и закрытой проточной части (нижнее положение). На фиг.2 показан затвор, прижатый к верхним регулируемым упорам. На фиг.1 и 2 обозначены:
1 - рабочее колесо
2 - статор турбины
3 - затвор
4 - упор верхний
5 - кожух вала
6 - направляющие
7 - привод затвора
8 - рычаг
9 - упор нижний
10 - регулируемый упор
11 - пояс статора наружный
12 - пояс статора внутренний
В предлагаемой конструкции гидротурбины регулирование расхода, т.е. регулирование мощности гидротурбины, осуществляется поворотными лопастями рабочего колеса 1. Затвор 3, имеющий возможность перемещаться вдоль оси блока, только открывает или закрывает проточный тракт. Прямоточность потока для гидротурбины обеспечивается формой статора 2, профилированными колоннами которого являются неподвижные лопатки направляющего аппарата.

Опускание затвора 3 при перекрытии проточного тракта осуществляется за счет веса затвора гидравлическим или электрическим приводом 7, связанным с затвором стальными стропами. Во время работы гидротурбины затвор поднят на определенную величину для устранения его воздействия на водоток и прижат к верхним упорам 4 на кожухе вала 5. Прямолинейность перемещения затвора, который испытывает воздействие потока, обеспечивают рычаги 8 и направляющие 6 на кожухе вала 5. Перед завершением перекрытия проточного тракта нагрузка на затворе 3 вырастает из-за возникновения перепада давления воды. Чтобы избежать перегрузки привода 7, на кожухе вала 5 предусмотрен нижний упор 9, на который опираются рычаги 8, в результате чего происходит перераспределение нагрузки привода 7 на упор 9. С помощью тех же рычагов 8 происходит замедление опускания затвора 3, что снижает действие реакции воды на проточную часть гидротурбины в момент полного перекрытия проточного тракта. Окончательно опущенный затвор перекрывает проточный тракт гидротурбины по наружному 11 и по внутреннему 12 поясам статора 2. При подъеме затвора для открытия проточного тракта гидротурбины используются те же результаты взаимодействия рычагов 8 и упора 9, т.е. снижается нагрузка на привод затвора 7 и замедляется скорость перемещения затвора 3. Во избежание перекоса в положении затвора 3 при его опускании обеспечивается одновременность касания всеми рычагами 8 на затворе 3 упора 9 на кожухе вала 5. С этой целью на затворе имеются регулируемые упоры 10, с помощью которых регулируется угловое положение каждого рычага 8. При подъеме затвора 3 поворот рычагов 8 после прекращения их взаимодействия с упором 9 ограничивается этими же упорами 10.

Благодаря заявляемому решению достигается следующий технико-экономический эффект. Получена возможность изготовления гидротурбины с затвором в виде окончательно изготовленного на заводе блока. Конструкция гидротурбины позволяет сократить объем монтажных работ при установке ее на ГЭС и уменьшить металлоемкость изделия, что снижает ее стоимость.

Гидротурбина предназначена для использования энергии прямоточного потока. Гидротурбина содержит вал, осевое рабочее колесо, статор, обеспечивающий прямоточность ее проточной части, и затвор, выполненный с поверхностями, обеспечивающими его прилегание к поверхностям статора, и имеющий возможность перемещения вдоль оси гидротурбины для перекрытия или открытия проточной части посредством системы рычагов и привода. На валу установлен кожух с упорами и направляющими для затвора. На корпусе затвора установлены рычаги, взаимодействующие с упорами и направляющими на кожухе вала, и регулируемые упоры для рычагов. Затвор в максимально поднятом положении прижат приводом к упорам на кожухе вала. Конструкция устройства обеспечивает создание вертикальной гидротурбины с затвором как единого, окончательно изготовленного блока для установки на ГЭС. 2 ил.

Гидротурбина, включающая вал, осевое рабочее колесо, статор, обеспечивающий прямоточность ее проточной части, и затвор, выполненный с поверхностями, обеспечивающими его прилегание к поверхностям статора, и имеющий возможность перемещения вдоль оси гидротурбины для перекрытия или открытия проточной части посредством системы рычагов и привода, отличающаяся тем, что на валу установлен кожух с упорами и направляющими для затвора, на корпусе затвора установлены рычаги, взаимодействующие с упорами и направляющими на кожухе вала, и регулируемые упоры для рычагов, при этом затвор в максимально поднятом положении прижат приводом к упорам на кожухе вала.