ОТСАСЫВАЮЩАЯ ТРУБА ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F03B11/00 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в гидротурбинах и насос-турбинах для повышения их коэффициента полезного действия.

Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для отвода воды от рабочего колеса в заданном направлении и восстановления значительной части кинетической энергии жидкости, выходящей с рабочего колеса.

Известна изогнутая отсасывающая труба гидротурбины, состоящая из трех частей: входного диффузора, колена и выходного диффузора (патент US 1859215, стр. 1-8), выбранная нами за прототип. Поток жидкости после выхода с рабочего колеса попадает во входной диффузор отсасывающей трубы, поворачивает в колене на заданный угол и через выходной диффузор выходит в нижний бьеф. Входной диффузор - участок 20 отсасывающей трубы от сечения I-I до сечения II-II (см. фиг.1 и 2 к указанному патенту) представляет собой прямой усеченный конус, расширяющийся в направлении потока. Расширение поперечного сечения потока приводит к замедлению течения жидкости в трубе и, соответственно, к повышению статического давления. На участке 21 отсасывающей трубы между сечениями II-II и VII-VII, называемом колено, поток жидкости поворачивается на заданный угол. Поворот потока жидкости всегда связан с изменением структуры течения, перераспределением полей скоростей и давлений. На внешней стенке колена растет давление и уменьшается скорость. На внутренней стенке, наоборот, падает давление и растет скорость течения жидкости, что способствует возникновению отрыва потока от внутренней стенки, т.е. появлению возвратных токов и застойных зон, которые сокращают эффективное проходное сечение колена. При этом увеличивается скорость течения, что приводит к росту потерь, снижению давления и ухудшению работы отсасывающей трубы по восстановлению статического давления. Для предотвращения отрыва потока в колене от стенок форму поперечного сечения трубы изменяют от кругового на входе в колено к вытянутому в поперечном направлении на выходе. Это позволяет увеличить радиус кривизны внутренней поверхности колена и снизить таким образом вероятность отрыва потока от внутренней стенки колена. Перечисленные составные части и их назначение являются общими для прототипа и заявляемого технического решения.

Описываемая отсасывающая труба обладает следующим недостатком - в контурах сечений колена имеются углы, в которых, как известно из гидродинамики [1], формируются поперечные токи. В диффузорном течении, которое существует в трубе, интенсивность поперечных течений имеет тенденцию к росту. Рост интенсивности поперечных токов приводит к росту общего уровня скоростей в отсасывающей трубе, а это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности трубы по восстановлению статического давления.

Задачей, решаемой в данном изобретении, является исключение указанного недостатка путем создания соответствующей формы отсасывающей трубы.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности трубы по восстановлению статического давления и, как следствие, повышение коэффициента полезного действия гидротурбины.

Технический результат достигается тем, что в отсасывающей трубе гидротурбины, состоящей из входного диффузора, колена и выходного диффузора, причем поперечные сечения колена представляют собой плоские замкнутые кривые, форма которых от входного сечения колена к его одному сечению постепенно вытягивается в направлении, перпендикулярном плоскости поворота, обтекаемая поверхность колена выполнена как линейчатая поверхность, а указанные замкнутые кривые имеют гладкие контуры, близкие к круглым на входном участке колена и овальные в направлении потока.

В отсасывающей трубе гидротурбины обтекаемая поверхность выходного диффузора также может быть выполнена как линейчатая поверхность.

Поперечные сечения обтекаемой поверхности колена так же могут иметь форму эллипса.

Сущность изобретения поясняется примером его использования, иллюстрируемым фиг.1-3:

фиг.1 - вид отсасывающей трубы сбоку, цифрами I-IX обозначены поперечные сечения;

фиг.2 - вид отсасывающей трубы в плане;

фиг.3 - поперечные сечения колена отсасывающей трубы, обозначенные на фиг.1; горизонтальная ось этих сечений перпендикулярна плоскости поворота колена.

Оболочка изогнутой отсасывающей трубы выполнена как набор линейчатых поверхностей, натянутых между плоскими плавными замкнутыми кривыми (фиг.1 и 2). Участок между сечениями I-I и II-II представляет собой прямой усеченный конус, в котором происходит первичное замедление потока и, следовательно, первый этап восстановления статического давления. Входное сечение I-I отсасывающей трубы - круглое. По мере продвижения вниз по потоку до выходного сечения колена VIII-VIII размер сечений в плоскости поворота постепенно уменьшается, препятствуя возникновению отрывов потока от внутренней стенки колена. Одновременно с этим размер в направлении поперек поворота увеличивается, позволяя потоку жидкости естественным образом расширяться при повороте (фиг.3). При этом на начальном участке колена сохраняется диффузорный характер течения. При приближении к выходному сечению колена VIII-VIII степень диффузорности канала уменьшается. В некоторых случаях на выходе из колена сохраняется незначительная диффузорность канала, в некоторых - на выходе из колена может существовать даже небольшая конфузорность.

В общем случае поперечные сечения колена выполнены в форме овалов, у которых есть прямые участки. Наилучшая форма для этих сечений - эллипс, который обеспечивает не только плавность самого контура, но и непрерывное изменение кривизны вдоль контура.

После выхода из колена в сечении VIII-VIII вода поступает в выходной диффузор, в котором происходит завершающее замедление скорости потока жидкости и восстановление статического давления. Поверхность оболочки выходного диффузора может быть выполнена аналогичным образом, т.е. в виде линейчатой поверхности, натянутой на выходное сечение колена VIII-VIII и выходное сечение отсасывающей трубы IХ-IХ. Причем форма сечения IХ-IХ не имеет ограничений, которые были наложены на сечения колена, т.е. отсутствие углов на контуре сечения. Поэтому форма этого сечения может быть выбрана любой - прямоугольной, прямоугольной со скругленными углами, круглой, овальной или эллиптической.

Заявляемое изобретение соответствует критерию “новизна”, т.к. при проведении патентных исследований не выявлено решение, которому присущи все признаки независимого пункта формулы заявленного изобретения.

Заявляемое изобретение соответствует критерию “изобретательский уровень”, т.к. не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками и направленные на достижение указанного нами технического результата, а также в существующих источниках информации не подтверждена известность влияния заявленных отличительных признаков на достигаемый технический результат: повышение эффективности трубы по восстановлению статического давления и, как следствие, повышение коэффициента полезного действия гидротурбины.

Источник информации

1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975, 559 с.

Устройство относится к гидромашиностроению и может быть использовано в гидротурбинах и насос-турбинах. Отсасывающая труба гидротурбины состоит из входного диффузора, колена и выходного диффузора, причем поперечные сечения колена представляют собой плоские замкнутые кривые, форма которых от входного сечения колена к его выходному сечению постепенно вытягивается в направлении, перпендикулярном плоскости поворота. Обтекаемая поверхность колена выполнена как линейчатая поверхность, а указанные замкнутые кривые имеют гладкие контуры, близкие к круглым на входном участке колена и овальные в направлении потока. В отсасывающей трубе гидротурбины обтекаемая поверхность выходного диффузора также может быть выполнена как линейчатая поверхность. Поперечные сечения обтекаемой поверхности колена также могут иметь форму эллипса. Конструкция отсасывающей трубы позволяет повысить ее эффективность по восстановлению статического давления и, как следствие, повысить коэффициент полезного действия гидротурбины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Отсасывающая труба гидротурбины, состоящая из входного диффузора, колена и выходного диффузора, причем поперечные сечения колена представляют собой плоские замкнутые кривые, форма которых от входного сечения колена к его выходному сечению постепенно вытягивается в направлении, перпендикулярном плоскости поворота, отличающаяся тем, что обтекаемая поверхность колена выполнена как линейчатая поверхность, а указанные замкнутые кривые имеют гладкие контуры, близкие к круглым на входном участке колена и овальные в направлении потока.2. Отсасывающая труба гидротурбины по п.1, отличающаяся тем, что обтекаемая поверхность выходного диффузора выполнена как линейчатая поверхность.3. Отсасывающая труба гидротурбины по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поперечные сечения обтекаемой поверхности колена представляют собой эллипсы.