РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F03B3/02 F03B3/12 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для превращения энергии водяного потока реки в электрическую, а именно к рабочему колесу гидротурбины, применяемому в гидроэлектростанциях.

Известны рабочие колеса гидротурбин, содержащие лопасти и состоящие из нескольких частей нижний и верхний ободы, причем части последнего соединены болтами по фланцам и малогабаритным бандажом, а части нижнего обода соединены болтами, без фланцев (см. авторское свидетельство СССР №206422, МПК F 03 В 3/02, 29.01.1968).

Недостатком такого рабочего колеса гидротурбины является неполнота отдачи возможного предела КПД.

Это обусловлено тем, что применение направляющего колеса гидротурбины и расположение большей части каждый лопасти параллельно оси вращения рабочего колеса ведет к снижению КПД в целом.

Это утверждение доказывается тем, что скорость движения массы водяного потока, приобретенная давлением высоты уровня водяного горизонта плотины и наклоном желоба, при контакте водяного потока с направляющим колесом (далее НК) турбины теряется. Только лобовая часть НК, обращенная к водяному потоку, а именно не более 25% всего количества поворотных лопаток НК, без потери скорости направляет массу водяного потока с полной приобретенной кинетической энергией и в нужном направлении на лопасти рабочего колеса гидротурбины, а остальная часть (75%) поворотных лопаток НК направляет массу водяного потока на лопасти рабочего колеса гидротурбины с уменьшенной скоростью, а именно со скоростью, определенной давлением напора высоты уровня водяного горизонта плотины, - это в лучшем случае, а в худшем - высотой всего объема гнезда направляющего колеса, заполненного водой.

Кроме того, весь объем водяной массы, находящейся в вертикально расположенном межлопастном пространстве колеса гидротурбины, опускаясь вниз от верхнего обода до начала кривизны лопасти, равной лоп., реактивной силы не создает, пока не опустится на кривизну лопасти, которая изменяет направление водяного потока на выход в противоположном направлении вращению рабочего колеса гидротурбины, где только и создается реактивная сила, обеспечивающая вращение последнего.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности и, следовательно, КПД рабочего колеса гидротурбины.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном рабочем колесе гидротурбины, содержащем лопасти, расположенные большей частью длины перпендикулярно плоскости верхнего обода и меньшей частью по дуге окружности с возможностью изменения направления водяного потока в противоположном направлении относительно вращения колеса, нижний и верхний ободы, состоящие из нескольких частей, причем части последнего соединены болтами по фланцам и бондажем его внутреннего контура, а части нижнего обода соединены без фланцев болтами, новым является то, что внутренняя полость рабочего колеса гидротурбины снабжена цилиндром, выполняющим функции втулки колеса и зонта, ограждающего от доступа водяной массы к осевой зоне, двумя фланцами, выполняющие функции ступиц колеса и муфты, например жесткого или мягкого, сцепления с валом генератора, спицами жестко связанными с фланцами, ободами и с лопастями, каждая из последних выполнена в виде отрезка ленты, жестко связанной одним концом со спицей верхнего обода, другим - со спицей нижнего обода и расположены под углом, например, 40-50° по отношению плоскостей верхнего и нижнего обода.

Кроме того, с целью повышения устойчивого вращения рабочего колеса и снижения нагрузки грузонесущих подшипников вал рабочего колеса может быть выполнен, например, сквозным или составным и обеспечен нижней точкой опоры, расположенной, например, ниже нижнего обода рабочего колеса.

При этом нижняя точка опоры может быть ограждена устройством, обеспечивающим сухим микроклиматом и возможностью визуального осмотра и проведения профилактических работ или замены подшипника.

На фиг.1 изображено рабочее колесо гидротурбины с частичным разрезом, расположенное в его рабочем гнезде, снабженном нижней точкой опоры и отводным каналом.

На фиг.2 изображен вид сверху для лучшего показа движения водяной массы, поступающей с желоба плотины на лопасти рабочего колеса с завихрением в виде циклона, отдающей всю потенциальную энергию в горизонтальном направлении на каждую лопасть и кинетическую энергию в вертикальном направлении на создание дополнительно реактивной тяги одновременно, указанной на фиг.1.

Рабочее колесо гидротурбины содержит лопасти 1, верхний обод 2 и нижний обод 3, каждый из которых жестко связан спицами 4 с фланцами 5 и 6, выполняющими функцию ступиц, которые в сборе жестко связаны, например, с помощью тяг 7 с торцами цилиндра 8, выполняющего функцию втулки, образуя вид барабана или катушки, и зонта, ограждающего от доступа водяной массы к осевой зоне, сквозной или составной вал 9, муфту 10, например, жесткого сцепления с фланцем 5 нижнего обода 3 с помощью выступов 12, шплинт 11, выполненный в виде прямоугольной формы пластины длиной, равной например, диаметру муфты 10, и снабженной выступами (на чертеже не указаны), выполняющими функцию фиксаторов от возможного его (шплинта) вылета при вращении рабочего колеса, нижнюю опору 13, выполненную в виде толстостенной трубы 14 с увеличенной площадью (на чертеже не указаны) основания, замурованного в грунт 15 так, чтобы верхняя торцевая ее поверхность, снабженная радиальным и упорным подшипниками, была бы выше уровня 16 отработанной водяной массы, стекаемой по каналу 17 в естественный уровень 18 реки, брызговик 19, служащий для предотвращения попадания мелких брызг водяной массы в зону подшипников 20, и колпак 21, служащий для предотвращения попадания водяной массы во внутреннюю полость цилиндра 8, тоннель 22 для прохода в микроклимат.

Работает такое рабочее колесо гидротурбины следующим образом. Масса водяного потока, поступающая с желоба плотины на лобовую часть рабочего колеса гидротурбины, где без потери скорости и приобретенной высотой плотины потенциальной энергии контактирует со всей площадью лопастей - А - Б - В и, набегая по их наклону и дополнительно сверху, заполняет с помощью завихрения с ускорением все межлопастное пространство, увлекая круговоротом циклона с той же скоростью остальное количество лопастей, принимающих водяной поток, сначала пуска с большой потерей своей скорости, пока колесо набирает необходимую частоту вращения, а набрав необходимые обороты, скорость водяного потока возрастает до минимальной ее потери, которая отдает всю свою несущую потенциальную энергию лопастям в горизонтальном направлении, а, опускаясь вниз, масса водяного потока, как бы преследуя убегающие лопасти от напора потенциальной энергии горизонтального направления, заставляет своим весом каждую лопасть выскользнуть из-под нее вперед по ходу вращения колеса.

Тем самым, за счет реактивной силы, образуемой кинетической энергией, и силы от потенциальной энергии от всей площади каждой лопасти создается общая увеличенная мощность рабочего колеса гидротурбины.

Экономическая эффективность такого рабочего колеса гидротурбины состоит не только в увеличении мощности, но и в металлоемкости, так как оно может быть выполнено большей частью из стандартного материала, свободно разборным и общим весом не более 100-150 т, вместо 1500 т существующего. (См. учебн. Физика, часть вторая, 1965 г., автор Перышкин).

Разницу металлоемкости в целях сохранения инерционности системы можно направить на увеличение мощности электрогенератора за счет радиальных габаритов или габаритов его высоты, или этажирования существующих.

Изобретение предназначено для преобразования энергии водяного потока реки в электроэнергию. Рабочее колесо гидротурбины содержит лопасти, верхний и нижний обода. Внутренняя полость рабочего колеса снабжена цилиндром, выполняющим функции втулки колеса и зонта, ограждающего доступ водяного потока к осевой зоне, двумя фланцами, выполняющими функции ступиц колеса, муфтой для сцепления вала генератора с фланцем нижнего обода, спицами, жестко связанными с фланцами и ободами. При этом лопасти выполнены в виде отрезка ленты, жестко связанной одним концом со спицей верхнего обода, а другим - со спицей нижнего обода и расположенной под углом 40-50° по отношению к плоскости верхнего и нижнего ободов. Конструкция колеса позволяет увеличить мощность и КПД гидротурбины и снизить затраты при ремонте. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Рабочее колесо гидротурбины, содержащее лопасти, верхний и нижний ободы, отличающееся тем, что внутренняя полость рабочего колеса снабжена цилиндром, выполняющим функции втулки колеса и зонта, ограждающего доступ водяного потока к осевой зоне, двумя фланцами, выполняющими функции ступиц колеса, муфтой для сцепления вала генератора с фланцем нижнего обода, спицами, жестко связанными с фланцами и ободами, при этом лопасти выполнены в виде отрезка ленты, жестко связанной одним концом со спицей верхнего обода, а другим - со спицей нижнего обода и расположенной под углом 40-50° по отношению к плоскости верхнего и нижнего ободов.2. Колесо по п.1, отличающееся тем, что его вал снабжен нижней точкой опоры, расположенной, например, под нижним ободом.3. Колесо по п.1, отличающееся тем, что нижняя точка опоры ограждена устройством, обеспечивающим возможность визуального осмотра, проведения профилактических работ, замены подшипника опоры и предотвращения попадания воды в зону последнего.