ПРЯМОТОЧНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2005 года по МПК F03B9/00 F03B13/08 

Изобретение относится к области энерготурбиностроения и предназначено для использования в мощных энергетических установках сверхмегаваттного класса с прямым использованием кинетической энергии текучих сред, в том числе ветра, рек и океанов.

Известны энергетические установки с прямоточной турбиной для непосредственного преобразования энергии движения текучих сред пропеллерного (крыльчатого) типа с рабочим органом (колесом) открытого исполнения (см. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Аналитический альбом /Под ред. А.И.Гриценко. - М: ВНИИ ПГ и ГТ, НКАО - Энергосбережение, АО Азиатиздат, 1996. - 220, стр.116, 130).

Однако такие решения имеют низкое значение коэффициента использования кинетической энергии потока С_р, который для открытых рабочих органов находится в диапазоне С_р=0,3÷ 0,4 и С_p=0,5÷ 0,6 - при наличии специально спрофилированного наружного бандажа, а также чрезмерно большие габариты.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является прямоточная турбина, обладающая высокими энергетическими качествами С_р=0,7÷ 0,85 (см. Малая гидроэнергетика /Л.П.Михайлов, Б.Н.Фельдман, Т.К.Марканова и др.; под ред. Л.П.Михайлова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 184, стр.160, 164). Турбина с внешним и внутренним обводами содержит турбинную камеру, статор с решеткой колонн, направляющий аппарат с решеткой поворотных лопаток, рабочий орган (вращающееся рабочее колесо) с решеткой лопастей, установленных на фланцах, и приводным валом, направленным по течению и соединенным с повышающим мультипликатором электрогенератора, камеру рабочего органа и диффузорную отсасывающую трубу (прямоосную или S-образную).

Недостатками такой турбины при сверхмегаваттной единичной мощности являются большие габариты по высоте ее силовых узлов, обусловленные большими диаметрами рабочего колеса D₁, что усложняет изготовление и последующую эксплуатацию таких крупномасштабных турбин.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение коэффициента использования кинетической энергии потоков жидкостей и газов в сверхмегаваттных энергетических установках и уменьшение габаритов турбины, обусловленное уменьшением диаметра рабочего органа (колеса).

Достижение технической задачи обеспечивается тем, что известная прямоточная турбина с внешним и внутренним обводами, содержащая конфузорную турбинную камеру, статор с решеткой колонн, направляющий аппарат с решеткой поворотных лопаток, рабочий орган с решеткой лопастей, установленных на фланцах, и приводным валом, направленным по течению и соединенным с мультипликатором электрогенератора, камеру рабочего органа и диффузорную отсасывающую трубу, снабжена выправляющим аппаратом с решеткой лопаток, расположенных за рабочим органом, механической цепной передачей, содержащей приводную и ведомые звездочки и валики, внешний и внутренний обводы в поперечных сечениях выполнены в виде вытянутых вдоль горизонтальной оси симметрии этих сечений овалов, решетка лопастей рабочего органа выполнена в виде периодической овалообразной решетки гусеничного типа, при этом лопасти рабочего органа имеют цилиндрическую форму и шарнирно объединены механической цепной передачей, приводная звездочка которой соединена с приводным валом, а крайние звездочки цепной передачи являются замыкателями, рабочего органа, так что в его активной зоне решетка лопастей сверху и снизу способна перемещаться поступательно в противоположных направлениях, фланцы лопастей рабочего органа выполнены с опорными роликами, установленными в неподвижных направляющих, и соединены с валиками механической цепной передачи на расстояниях двух соседних лопастей рабочего органа, при этом направляющие выполнены в виде овальных поясков, соединенных с внутренним обводом турбины в зонах их примыкания к торцам фланцев решетки цилиндрических лопастей рабочего органа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана левая (симметричная правой) половина продольного разреза прямоточной турбины в горизонтальном варианте исполнения ее активной части; на фиг.2 изображен разрез В-В по вертикальной оси левого замыкателя; на фиг.3 представлен план турбины с фрагментом сечения А-А проточной части, показанным вырезом в интервале активной части вышеуказанных решеток; на фиг.4 изображено в увеличенном масштабе место М верхней области левого замыкателя рабочего органа турбины.

Прямоточная турбина содержит конфузорную турбинную камеру 1, образованную внешним 2 и внутренним 3 обводами на входе в турбину, статор 4, включающий внешний 5, внутренний 6 обводы и решетку колонн 7, например цилиндрические, направляющий аппарат 8 с решеткой поворотных лопаток 9, внешним обводом 10 и внутренним обводом 11 с направляющим пояском 12 на левом его торце, камеру 13 с установленным на ней электрогенератором 14. Выправляющий аппарат 15 содержит решетку лопаток 16, внешний обвод 17 и внутренний обвод 18 с направляющим пояском 19 на его правом торце, отсасывающую трубу 20 с внешним 21 и внутренним 22 обводами, продольными (по потоку) ребрами жесткости 23 и с герметизированными прорезями 24 (по две на каждом из обводов 21 и 22), расположенными симметрично продольной оси симметрии электрогенератора 14.

Рабочий орган 25 расположен в камере 13 и имеет решетку лопастей 26, установленных на фланцах 27 с опорными роликами 28, 29 каждая, механическую цепную передачу 30 с валиками 31 и соединительными звеньями 32, шпонками 33 крепления фланцев 27 на отдельных валиках 31, расположенных на расстояниях двух соседних лопастей 26 рабочего органа 25, ведомыми звездочками 34, установленными в своих несиловых валах 35, приводной звездочкой 36 с зубьями 37, являющейся одновременно одной из двух крайних звездочек - замыкателей. В активной зоне (вне замыкателей) рабочего органа 25 решетка лопастей 26 образует перемещающиеся поступательно в противоположных направлениях верхний и нижний ряды лопастей. Приводной вал 38 с опорными узлами 39, 40, расположенными во внутренних обводах 11, 22, шпонкой 41 крепления на нем приводной звездочки 36 и с силовым циклическим (круговым) элементом зацепления 42, например звездочкой, шестерней, шкивом и др., ленточного механического привода 43, например цепь, зубчатая лента, ремень и др., первой ступени передачи мультипликатора 44.

Внешние обводы 2, 5, 10, 21 и камеры 13 рабочего органа 25 образуют внешний обвод турбины, закрепленный с помощью опор 45 на фундаментной плите 46.

Внутренние обводы 3, 6, 11, 18, 22 и фланцы 27 лопастей 26 рабочего органа 25 образуют внутренний обвод прямоточной турбины. Обводы турбины в сечениях, поперечных направлению меридионального потока, имеют овальную, вытянутую в горизонтальном направлении форму.

Пространство между обводами турбины, а также межлопаточными и межлопастными каналами решеток колонн 7, лопаток 9, 16 и лопастей 26 образуют проточную часть турбины.

Турбина работает следующим образом.

Поток рабочего тела (жидкости или газа, обычно речной воды, морской воды океанического течения, воздуха и др.) поступает со средней меридиональной скоростью ν ₁ в конфузорный канал турбинной камеры 1, обтекая поверхности ее внешнего 2 и внутреннего 3 обводов.

Затем рабочее тело направляется в статор 4, омывая его обводы 5, 6 и цилиндрические колонны 7. Статор воспринимает поперечные силовые нагрузки, действующие на входные элементы проточной части турбины, и создает осевое течение перед направляющим аппаратом 8. Поворотные относительно своих вертикальных осей лопатки 9 направляющего аппарата 8 создают необходимую для работы турбины закрутку потока на входе в рабочий орган 25. Изменение положений лопаток 9 позволяет регулировать расход рабочего тела и срабатываемую турбиной часть скоростного напора, т.е. менять режим ее работы при фиксированной угловой скорости вращения ω приводной звездочки 36 и приводного вала 38. Возможность поворота лопаток 9 обеспечивается специальной формой их торцевых поверхностей и внутренних поверхностей обводов 10, 11, которые в активной зоне лежат в плоскостях, параллельных осям О-О и O₁-O₁ турбины, а в зоне замыкателей являются полуцилиндрами с диаметрами, близкими к D₁ и D₀. Решетки лопаток 9 и их привод обеспечивают полное закрытие направляющего аппарата 8 как в его активной части, так и в зоне замыкателей, при необходимости остановки турбины.

Далее рабочее тело поступает в рабочий орган 25, в котором при обтекании потоком образованных решеткой лопастей 26, их фланцами 27 и камерой 13 возникает подъемная сила, циркуляционная составляющая которой Р_k, т.е. составляющая, расположенная в плоскости, перпендикулярной оси О-О, и нормальная к образующей цилиндрических лопастей 26, создает вращающий момент на приводной звездочке 36 и приводит в движение решетку лопастей 26 с поступательной скоростью ν =ω r₀ в активной части рабочего органа 25, где r₀ - радиус делительной окружности зубьев 37 приводной звездочки 36. При этом верхний ряд лопастей 26 двигается, например, справа - налево, а нижний - в противоположном направлении.

Перемещение цепной передачи 30 и соответственно вращающий момент на приводном валу 38 с опорными узлами 39, 40 достигается передачей силовых воздействий от решетки лопастей 26 к их фланцам 27, далее от фланцев 27 через шпонки 33 к валикам 31 и соединительным звеньям 32 и затем посредством зацепления валиков 31 с зубьями 37 от приводной звездочки 36 через шпонку 41 к приводному валу 38. При реверсе опорные ролики 28, 29, перемещающиеся в направляющих поясках 12, 19, воспринимают возникающие в силовом поле опрокидывающие моменты, осевые силы и инерционные нагрузки на них на участках полуокружностей замыкателей. Эти усилия, совместно с общим лобовым сопротивлением турбины набегающему со скоростью ν ₁ потоку рабочего тела, через опоры 45 замыкаются на фундаментную плиту 46.

Вращающий момент на валу 38 посредством силового циклического элемента зацепления 42 ленточного механического привода 43, пропущенного через герметизированные прорези 24 в обводах 21, 22, передается на повышающий мультипликатор 44, а от него - на ротор электрогенератора 14, угловая скорость вращения которого обычно в несколько раз превышает ω .

Из рабочего органа 25 поток поступает в выправляющий аппарат 15, который стабилизирует течение, выходящее из рабочего органа 25 при высоком разрежении рабочего тела, и устраняет его остаточную закрутку в направлении скорости v, что уменьшает гидравлические и циркуляционные потери на выходе потока из турбины. Обводы 17, 18 выполнены аналогично обводам 10, 11, а лопатки 16 создают осевой (вдоль O-O) вход рабочего тела в отсасывающую трубу 20.

В отсасывающей трубе 20 происходит восстановление давления в рабочем теле до уровня, близкого к давлению в окружающей среде, за счет уменьшения в нем скорости потока, принимающей на выходе из турбины значение ν ₂<<ν ₁. Обводы 21, 22 образуют расширяющийся к выходу канал с соответствующим углом его раскрытия и продольным размером турбины, т.е. ее длиной L.

Высота Н установки турбины определяется параметрами потока рабочего тела, конкретными условия заложения, технико-экономическими расчетами.

Теоретическая N_T и полезная N мощности, развиваемые предлагаемой турбиной, определяются следующими соотношениями:

T=2(B+π r₀)/ω r₀,

C_p=μ η ,

где τ - время; Т - временной период одного цикла движения лопасти 26; В - ширина активной части верхней и нижней решеток лопастей 26; υ _k и n - скорость k-й лопасти 26 на плече l_k действия силы Р_k и их число; F, D₁, D₀ и l - площадь проходного сечения рабочего органа 25, без учета стеснения потока лопастями 26, высота и расстояние по высоте между внутренними торцами лопастей 26 и их вылет соответственно, ρ - плотность рабочего тела; Сρ , μ и η - коэффициенты использования кинетической энергии потока, расхода и полезного действия турбины соответственно.

Параметры μ , η , а следовательно, и Сρ оцениваются по их значениям, полученным из экспериментальных и эксплуатационных данных для натурных прямоточных гидротурбин. Статистическая обработка этих материалов показывает, что для предлагаемого технического решения ожидаемые в среднем значения параметров энергетической эффективности составляют η =0,84, μ =0,86, Сρ =0,72. Полученное значение коэффициента Сρ примерно в два раза превосходит аналогичный показатель энергоустановок с рабочими органами открытого типа. При этом изменением ширины В рабочего органа 25 его высота D₁, а следовательно, и вылет лопастей 26 могут быть получены в несколько раз меньшими диаметра рабочего колеса и вылета лопастей энергетических установок известных решений при одной и той же установленной мощности и при технологически вполне приемлемых габаритных показателях турбины.

Так, для океанического течения с расчетными параметрами υ ₁=2,25 м/с, N=60 МВт для предлагаемой турбины имеем высоту и ширину активной части рабочего органа. D₁≈_{50 м, В≈ 325 м.}

Использование предлагаемого изобретения позволит повысить в энергетических установках сверхмегаваттного класса коэффициент использования энергии потоков жидкостей и газов и уменьшить их габариты.

Турбина предназначена для использования кинетической энергии потока жидкости. Турбина содержит турбинную камеру, статор с решеткой колонн, направляющий аппарат с решеткой поворотных лопаток, рабочий орган (РО) с решеткой лопастей (РЛ), установленных на фланцах, и приводным валом, соединенным с мультипликатором электрогенератора, камеру РО и отсасывающую трубу. Также она снабжена выправляющим аппаратом с решеткой лопаток, цепной передачей (ЦП), содержащей звездочки (З) и валики, внешний и внутренний обводы в поперечных сечениях выполнены в виде овалов. РЛ выполнена в виде решетки гусеничного типа. Лопасти РО имеют цилиндрическую форму и шарнирно объединены ЦП, приводная З которой соединена с приводным валом. Фланцы лопастей РО выполнены с опорными роликами, установленными в неподвижных направляющих, и соединены с валиками ЦП на расстояниях двух соседних лопастей РО, при этом направляющие выполнены в виде овальных поясков, соединенных с внутренним обводом турбины в зонах их примыкания к торцам фланцев лопастей РО. Конструкция турбины позволяет повысить КПД. 4 ил.

Прямоточная турбина с внешним и внутренним обводами, содержащая конфузорную турбинную камеру, статор с решеткой колонн, направляющий аппарат с решеткой поворотных лопаток, рабочий орган с решеткой лопастей, установленных на фланцах, и приводным валом, направленным по течению и соединенным с мультипликатором ротора электрогенератора, камеру рабочего органа и диффузорную отсасывающую трубу, отличающаяся тем, что она снабжена выправляющим аппаратом с решеткой лопаток, расположенных за рабочим органом, механической цепной передачей, содержащей приводную и ведомые звездочки и валики, внешний и внутренний обводы в поперечных сечениях выполнены в виде вытянутых вдоль горизонтальной оси симметрии этих сечений овалов, а решетка лопастей рабочего органа выполнена в виде периодической овалообразной решетки гусеничного типа, при этом лопасти рабочего органа имеют цилиндрическую форму и шарнирно объединены механической цепной передачей, приводная звездочка которой соединена с приводным валом, а крайние звездочки цепной передачи являются замыкателями рабочего органа так, что в его активной зоне решетка лопастей сверху и снизу способна перемещаться поступательно в противоположных направлениях, фланцы лопастей рабочего органа выполнены с опорными роликами, установленными в неподвижных направляющих, и соединены с валиками механической цепной передачи на расстояниях двух соседних лопастей рабочего органа, при этом направляющие выполнены в виде овальных поясков, соединенных с внутренним обводом турбины в зонах их примыкания к торцам фланцев решетки лопастей рабочего органа.