ДВУКРАТНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА Российский патент 2004 года по МПК F03B3/18 F03B7/00 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при разработке конструкций гидротурбин. Известна конструкция двукратной турбины (Банки), содержащая водоподвод, рабочее колесо с лопастями, выполненными в виде цилиндрических обечаек, и направляющий аппарат. /Д.Я.Соколов. Использование водной энергии. М.: Сельхозгиз, 1953, с.49, рис. 43-6/. При этом последний представляет собой сопло, образованное плоскими поверхностями, с прямоугольным поперечным сечением, обеспечивающее одновременный подвод воды к ≈10-15% лопастей от общего числа лопастей рабочего колеса, а регулирование расхода воды осуществлялось с помощью плоского щитка. Гидротурбина по принципу действия относится к классу активных турбин. Максимальный коэффициент полезного действия турбины не превышал 60-70%.

Из-за низкого кпд, вызванного не эффективной проточной частью и большими потерями энергии в процессе регулирования расходом, использование такого типа турбин не получило широкого распространения.

Известна также конструкция двукратной гидротурбины, разработанная германской фирмой Оссбергер, общее описание которой дано в патенте США 4579506А, МКП 7 F 01 D 1/12 от 01.04.1986 г.

Конструкция содержит водоподвод и рабочее колесо с лопастями, выполненными в виде цилиндрических обечаек. Профилированный водоподвод выполнен в виде аванкамеры, с углом охвата лопастей рабочего колеса напорным фронтом, большим по сравнению с ранее упомянутым аналогом.

В аванкамере расположено устройство, выполненное в виде поворотного крыла с профилированным поперечным сечением, служащее для частичного регулирования расходом воды через турбину.

Одновременно задействованное в рабочем процессе большее число лопастей, конфигурация профиля водоподвода и размещенное в аванкамере крыло позволили увеличить мощность турбины и поднять ее кпд ориентировочно до 84%.

Недостатком указанной конструкции является отсутствие возможности регулирования поворотным крылом расхода воды через турбину от нуля до максимальной величины.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение коэффициента полезного действия двукратной гидротурбины и улучшение ее энергетических и эксплуатационных характеристик.

Технический результат может быть достигнут за счет введения в конструкцию турбины направляющего аппарата для создания оптимальных условий поступления воды на лопасти рабочего колеса и использования в качестве устройства регулирования воды через турбину цилиндрического сегментного затвора, позволяющего регулировать расход воды от нуля до максимальной величины и не нарушающего структуру потока при любом его положении в проточной части.

Изображенная на фиг.1 предлагаемая гидротурбина содержит аванкамеру 1 с фланцем 2 для соединения аванкамеры с водоподводящим устройством 3 и фланцем 4 для установки турбины и закрепления ее в здании гидроэлектростанции, аппарат направляющий 5 с лопатками 6, устройство регулирования расхода воды через турбину 7, привод 8, рабочее колесо 9 с лопастями 10 и подшипниковые узлы 11, с размещенными в них цапфами 12 вала турбины 13. Фиг.2 дает представление об углах установки лопаток направляющего аппарата и диффузорных каналах.

Аванкамера прямоугольной формы с профилированной проточной частью и углом охвата лопастей рабочего колеса напорным фронтом, ориентировочно равным 110 градусов.

Аппарат направляющий выполнен в виде плоских лопаток, установленных под углом 4-12 градусов к касательной окружности, образующей лопасть в месте расположения ее входной кромки, что обеспечивает оптимальные условия входа потока на лопасти рабочего колеса. Устройство для регулирования расхода воды расположено между лопатками направляющими и лопастями рабочего колеса и представляет собой цилиндрический сегментный затвор, ось поворота которого совмещена с осью вращения рабочего колеса. Устройство позволяет регулировать расход воды, проходящий через турбину от нуля до его максимальной величины, с помощью привода, расположенного на одной из боковых стенок аванкамеры.

Колесо рабочее содержит диски и закрепленные на них лопасти, выполненные в виде цилиндрических обечаек. Конфигурация межлопастных каналов, образованная радиусом кривизны лопастей, их количеством и расположением, обеспечивает оптимальные, с точки зрения энергетики, условия протекания жидкости через рабочее колесо. На боковых стенках аванкамеры расположены подшипниковые узлы, в которых размещены цапфы вала рабочего колеса. Максимальный кпд гидротурбины ≈90%.

Рабочий процесс в гидротурбине происходит следующим образом.

Поток воды из подводящего устройства 3 поступает в аванкамеру 1 и далее в направляющий аппарат 5. Направляющие лопатки 6 образуют множество каналов, в которых происходит выравнивание полей скоростей потоков воды по отношению друг к другу перед входом их под строго определенным углом на лопасти 10 рабочего колеса 9. На лопастях происходит преобразование гидравлической энергии потока воды в механическую на валу 13. Вращение рабочего колеса осуществляется в подшипниковых узлах 11 благодаря размещению в них цапф 12 вала турбины 13.

Далее вода следует в нижний бьеф.

Расход воды через турбину от нуля до максимальной величины может регулироваться устройством 7, снабженным приводом 8.

Таким образом, направляющий аппарат формирует оптимально организованный, с точки зрения энергетики, поток воды, который, взаимодействуя с лопастями рабочего колеса, обеспечивает высокие энергетические характеристики турбины, а устройство регулирования может выполнять как регулирующие, так и запорные функции, значительно улучшая эксплуатационные качества турбины.

Устройство предназначено для преобразования энергии потока воды в механическую работу. Турбина содержит водоподвод, направляющий аппарат, устройство регулирования расхода воды и рабочее колесо, лопасти которого выполнены в виде цилиндрических обечаек, закрепленных на дисках. Направляющий аппарат выполнен в виде плоских лопаток, установленных под углом 4-12^o к касательной окружности, образующей лопасть, в месте расположения ее входной кромки. При этом устройство регулирования расхода воды снабжено приводом, обеспечивающим данный расход от нуля до максимальной величины. Конструкция двукратной гидравлической турбины позволяет повысить ее КПД. 2 ил.

Двукратная гидравлическая турбина, содержащая водоподвод, направляющий аппарат, устройство регулирования расхода воды и рабочее колесо, лопасти которого выполнены в виде цилиндрических обечаек, закрепленных на дисках, отличающаяся тем, что направляющий аппарат выполнен в виде плоских лопаток, установленных под углом 4-12° к касательной окружности, образующей лопасть, в месте расположения ее входной кромки, а турбина снабжена устройством регулирования расходом воды от нуля до максимальной величины, снабженным приводом.