РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГИДРОТУРБИНЫ ДВОЙНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК F03B3/14 

Изобретение относится к области гидротурбостроения и предназначено для применения на гидроэлектростанциях с вертикальными реактивными гидротурбинами, а также на гидроаккумулирующих электростанциях при использовании гидротурбины в качестве обратимой гидромашины.

Известно рабочее колесо реактивной гидротурбины радиально-осевой системы с жестким закреплением лопастей рабочего колеса на его ободьях, применяемое на гидроэлектростанциях в большом диапазоне напоров Н=10-500 м и характризующееся повышенными антикавитацинными качествами, а также кпд, но последнее - в узкой зоне оптимальных режимов работы (см. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. - Л.: Машиностроение, 1971, с.7, 37, 38).

Недостатками гидротурбины с таким рабочим колесом являются низкие значения кпд и виброакустические показатели при отклонениях мощности нагрузки N на гидроэлектрогенераторе от зоны оптимальных режимов работы и срыв мощности при форсированных расходах через рабочее колесо, а в интервалах низких и средних напоров, при одних и тех же расчетных параметров режима, она уступает по быстроходности и, как следствие, по габаритам реактивным гидротурбинам других систем.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования, описанное в книге Ковалев Н.Н., Квятковский B.C. Гидротурбиностроение в СССР. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1957 г., с.26, 27 и содержащее верхний обод в виде радиального кольца с неподвижно соединенным с ним обтекателем, периодическую радиальную решетку поворотных лопастей с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой поворотной лопасти, установленные на верхнем ободе, крышку, закрепленную на этом ободе и фланце вала гидротурбины.

Лопасти рабочего колеса установлены с небольшим осевым зазором между их периферийными (нижними) торцами и неподвижной камерой рабочего колеса. За счет взаимосогласованного поворота лопаток радиального направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса в установившемся режиме поддерживается синхронная угловая скорость ω_с вращения рабочего колеса вместе с валом гидротурбины, а также обеспечивается оптимизированное значение кпд при изменениях напора Н на гидроэлектростанции, либо мощности N на гидроэлектрогенераторе. Лопасти рабочего колеса могут иметь цилиндрическую форму. Механизм поворота лопастей размещается на крышке рабочего колеса, что позволяет использовать надежную и экологически безопасную систему их электрогидромеханического регулирования, подобную системе изменения положений лопаток направляющего аппарата.

Однако ввиду относительно малого значения диаметра D₃ горловины входа потока в отсасывающую трубу такой гидротурбины, т.е. параметра , где D₁ - диаметр расположения осей поворота лопастей рабочего колеса (обычно здесь ), это рабочее колесо гидротурбины характеризуется низкой быстроходностью, уступающей по данному параметру реактивным гидротурбинам других систем, в том числе его значению для радиально-осевых гидротурбин, и, как следствие, повышенными габаритами и массой, а также труднообеспечиваемым условием бескавитационной работы, особенно в левой части указанного выше диапазона напоров для гидротурбины радиально-осевой системы.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение среднеэксплуатационного кпд, быстроходности, виброакустических показателей и диапазона допустимых режимов работы рабочего колеса гидротурбины двойного регулирования при сохранении ее высоких антикавитационных качеств в интервале применения по напорам радиально-осевой системы.

Эта задача достигается тем, что известное рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования, содержащее верхний обод в виде радиального кольца с неподвижно соединенным с ним обтекателем, периодическую радиальную решетку поворотных лопастей с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой поворотной лопасти, расположенные на верхнем ободе, крышку, закрепленную на верхнем ободе и фланце вала гидротурбины, снабжено нижним ободом в форме радиально-осевого кольца, размещенным под решеткой поворотных лопастей, которые выполнены с нижними цапфами установленными в нижних узлах их поворота и осевой фиксации нижнего обода, в котором размещены эти узлы, периодической решеткой неповоротных лопастей, расположенных под нижним ободом и неразъемно с ним соединенных верхними торцами.

В другом варианте исполнения известное рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования, содержащее верхний обод в виде радиального кольца с неподвижно соединенным с ним обтекателем, периодическую радиальную решетку поворотных лопастей с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой поворотной лопасти, расположенные на верхнем ободе, крышку, закрепленную на верхнем ободе и фланце вала гидротурбины, снабжено нижним ободом в форме радиально-осевого кольца, размещенным под решеткой поворотных лопастей, которые выполнены с нижними цапфами, установленными в нижних узлах их поворота и осевой фиксации нижнего обода, в котором размещены эти узлы, периодической решеткой неповоротных лопастей, расположенных под нижним ободом и неразъемно с ним соединенных верхними торцами, наружным кольцевым ободом, установленным под решеткой неповоротных лопастей и неразъемно соединенным с периферийными торцами этих лопастей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана левая половина (симметричная правой) меридианной проекции рабочего колеса гидротурбины двойного регулирования, на фиг.2 представлен вид по стрелке М на фиг.1, на фиг.3 изображено сечение В-В на фиг.2, на фиг.4 показан другой вариант выполнения рабочего колеса.

Рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования содержит верхний обод 1, выполненный в виде радиального кольца, обтекатель 2, наподвижно соединенный с верхним ободом 1, периодическую радиальную решетку 3 поворотных лопастей 4 с верхними цапфами 5, верхние узлы 6 поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой из поворотных лопастей 4, установленные на верхнем ободе 1, крышку 7, закрепленную на этом ободе и фланце 8 вала 9 гидротурбины, нижний обод 10 в виде радиально-осевого кольца, нижние цапфы 11 поворотных лопастей 4, нижние узлы 12 поворота лопастей 4 и осевой фиксации нижнего обода 10, каждый из которых расположен в ободе 10 и имеет осерадиальный подшипник скольжения 13, состоящий из разрезного корпуса 14, закрепленного разъемным соединением 15 с фиксирующими штифтами 16 в расточке 17 нижнего обода 10, разрезных цилиндрического (осевого) 18 и кольцевого (радиального) 19 вкладышей трения с винтами 20 их фиксации в корпусе 14, кольцевым демпфирующим элементом 21 восприятия нестационарных вертикальных усилий (направленных вверх), установленным в торцевом пазе 22 нижней цапфы 11, периодическую решетку 23 неповоротных лопастей 24, неподвижно соединенных своими верхними торцами 25 с нижним ободом 10 при открытых периферийных торцах 26.

В другом варианте выполнения рабочего колеса под решеткой неповоротных лопастей 24 установлен наружный кольцевой обод 27, неразъемно соединенный с периферийными торцами 26 этих лопастей 24.

Рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования работает следующим образом.

Рабочая жидкость с расходом Q и циркуляцией (закруткой потока относительно оси 0-0) Г₁>0, определяемыми напором Н на гидроэлектростанции, мощностью нагрузки N, угловой скоростью ω вращения вала 9, геометрией проточной части и рабочих органов гидротурбины, а также текущими значениями открытия направляющего аппарата и угла установки φ поворотных лопастей 4 в решетке 3, поступает на вход в рабочее колесо. Здесь, за счет установки нижнего обода 10, происходит деление расхода на две, в общем случае, не равные части Q₁, Q₂ (Q=Q₁+Q₂), определяемые значениями высот b₀₁ решетки 3 поворотных лопастей 4 и b₀₂ решетки 23 неповоротных лопастей 24. При этом общая высота входной части рабочего колеса составляет b₀=b₀₁+Δ+b₀₂, где Δ - толщина нижнего обода 10.

В результате обтекания рабочей жидкостью верхнего 1, нижнего 10 ободьев и поворотных лопастей 4 поток вытекает из решетки 3 с циркуляцией Г₂₁, близкой к нулю во всем диапазоне рабочих режимов функционирования гидротурбины в силу эффекта поворотности этих лопастей (ϕ=var), а из решетки 23 - с циркуляцией Г₂₂, имеющей малые значения лишь в окрестности оптимальных режимов работы гидротурбины из-за постоянства угла установки лопастей 24 этой решетки 23. Напоры, срабатываемые решетками 3 и 23 соответственно, равны (см. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. - Л.: Машиностроение, 1971, с.9-12)

а мощность, развиваемая гидротурбиной (без учета относительно малых объемных и механических потерь),

или

где ρ - плотность рабочей жидкости, g - ускорение свободного падения, η₁ и η₂ - гидравлические кпд решеток 3 и 23, η - гидравлический (а в силу принятых упрощений - полный) кпд гидротурбины.

Значениям параметров Q₁, Q₂, Г₁, Г₂₁, и Г₂₂ соответствуют моменты вращения M₁ и М₂ рабочего колеса, создаваемые решетками 3 и 23, а именно

При этом

N_T=N_T1+N_T2, N_T1=M₁ω, N_T2=М₂ω

Момент М₂ от решетки 23 посредством силовых взаимодействий последовательно передается от нижнего обода 10 через корпусы 14 осерадиальных подшипников скольжения 13, их цилиндрические вкладыши трения 18, выполненные, как и кольцевые вкладыши трения 19, самосмазывающимися и не требующими специальных уплотнений, и нижние цапфы 11 на поворотные лопасти 4 (вид М, сечение В-В). Посредством изменения напряженного состояния этих лопастей в решетке 3 происходит суммирование моментов M₁ и М₂. Результирующий момент вращения рабочего колеса 13 гидротурбины М_т=М₁+M₂ через силовые контакты верхних цапф 5 поворотных лопастей 4 с верхними узлами 6 поворота, уплотнения и фиксации этих лопастей передается последовательно на верхний обод 1, крышку 7 и далее на фланец 8 вала 9 гидротурбины с выработкой ею мощности N_т=М_тω.

В установившемся режиме работы гидротурбины

N_т=N, М_т=-М, ω=ω_С,

где М - момент нагрузки, ω_С - синхронная угловая скорость вращения вала 9.

При отклонениях напора Н на гидроэлектростанции, либо мощности нагрузки N от их установившихся значений автоматически осуществляется взаимосогласованные изменения открытия направляющего аппарата и угла φ установки поворотных лопастей 4. Значения указанных параметров устанавливаются из условий стабилизации угловой скорости ω_С при наибольшем значении кпд η в каждом новом установившемся режиме работы гидротурбины.

Вертикальные (осевые) массовые силы и силы гидродинамического происхождения, действующие на нижний обод 10, решетку 23 неповоротных лопастей 24, воспринимаются нижними узлами 12 с кольцевыми вкладышами трения 19, выполняющими функции подпятников, нижними цапфами 11, поворотными лопастями 4, верхними цапфами 5, верхним ободом 1, крышкой 7 и через фланец 8 передаются на вал 9 гидротурбины.

Рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования решает поставленную техническую задачу.

В расчетном режиме меридианная проекция рабочего колеса и геометрические параметры решеток 3 и 23 близки к этой проекции и геометрическим параметрам лопастной системы для рабочего колеса гидротурбины радиально-осевой системы такой же быстроходности, но с неповоротными лопастями. Дополнительные гидравлические потери, вызванные наличием нижнего обода 10, компенсируются их уменьшением в решетке 3 поворотных лопастей 4, установленных в зоне пониженных меридианных скоростей, поэтому предлагаемое рабочее колесо в зоне оптимальных режимов работы будет иметь такой же высокий кпд η, как и соответствующее по быстроходности жестколопатное рабочее колесо гидротурбины радиально-осевой системы.

Наличие решетки 3 поворотных лопастей 4 позволяет повысить среднеэксплуатационный кпд η гидротурбины. Это повышение определяется тем, что во всем рабочем диапазоне ее функционирования взаимосогласованные изменения открытий направляющего аппарата и углов ϕ поворота поворотных лопастей 4 вплоть до их максимальных значений ϕ_max=ϕ_opt+15°, где ϕ_opt соответствует углу установки этих лопастей 4 в оптимальном по η режиме работы гидротурбины, осуществляется таким образом, что при втекании потока с расходом Q₁ в решетку 3 углы атаки на передних кромках поворотных лопастей 4 и окружные составляющие абсолютных скоростей на выходе из решетки 3 имеют малые значения. Следовательно, уменьшаются гидравлические потери в этой решетке 3 и на выходе из рабочего колеса. Оба фактора приводят к повышению кпд η₁ и, как видно из выражений (1), (2), - к увеличению общего кпд η гидротурбины, срабатываемого ею напора H₁ и развиваемой мощности N_T. Из (2) также следует, что этот эффект возрастает при увеличении (до определенного предела) расхода Q₁, т.е. части общего расхода Q в гидротурбине, проходящего через решетку 3. Параметром, в основном, определяющим, соотношение расходов Q₁ и Q₂, является величина . Из технико-экономических соображений, учитывающих превалирующую значимость для условий конкретных гидроэлектростанций определенного набора показателей качества гидротурбины, можно рекомендовать возможный диапазон назначения этого параметра в пределах 0,5-4.

В рабочем колесе гидротурбины эффект двойного регулирования с малыми закрутками потока как при пониженных, так и при больших расходах будет проявляться преимущественно в верхней части проточного тракта рабочего колеса, в которой осуществляется регулирование потока рабочей жидкости с расходом Q₁ решеткой 3 поворотных лопастей 4. Эта зона включает внутреннюю поверхность обтекателя 2, на котором не будет возникать интенсивного вихреобразования. Нижняя часть рабочего колеса, с решеткой 23 неповоротных лопастей 24, функционирует как рабочее колесо жестколопастной радиально-осевой гидротурбины, но без срыва мощности. Следовательно, интервал рабочих режимов рабочего колеса гидротурбины и ее виброакустические качества будут иметь высокие значения.

Наличие решетки 23 неповоротных лопастей 24 повышает антикавитационные качества и быстроходность рабочего колеса гидротурбины, так как позволяет иметь увеличенные значения диаметра D₃ выхода потока из нижней решетки 23, близкие к диаметру D₁ рабочего колеса, т.е. .

В другом варианте выполнения рабочего колеса гидроэлектростанции двойного регулирования его функционирование аналогично описанному в первом варианте. Наличие наружного кольцевого обода 27 с его расположением под решеткой 23 неповоротных лопастей 24 и неразъемным соединением их с периферийными торцами этих лопастей 24 повышает жесткость решетки 23 рабочего колеса гидротурбины двойного регулирования при его применении на высоконапорных гидроэлектростанциях.

Использование изобретения обеспечивает повышение среднеэксплуатационного кпд, быстроходности, виброакустических показателей и диапазона допустимых режимов работы рабочего колеса гидротурбины двойного регулирования при сохранении ее высоких антикавитационных качеств в интервале применения по напорам гидротурбин радиально-осевой системы.

Рабочее колесо предназначено для применения на гидроэлектростанциях с вертикальными реактивными гидротурбинами. Колесо содержит верхний обод (О), выполненный в виде кольца (К), обтекатель, неподвижно соединенный с верхним (О), решетку поворотных лопастей (Л) с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой из поворотных (Л), установленные на верхнем (О), крышку, закрепленную на этом (О) и фланце вала гидротурбины, нижний (О) в виде радиально-осевого (К), нижние цапфы поворотных (Л), нижние узлы поворота (Л) и осевой фиксации нижнего (О), каждый из которых расположен в (О) и имеет подшипник, состоящий из разрезного корпуса, закрепленного разъемным соединением с фиксирующими штифтами в расточке нижнего (О), разрезных вкладышей трения с винтами их фиксации в корпусе, кольцевым демпфирующим элементом восприятия усилий, установленным в торцевом пазе нижней цапфы, решетку неповоротных (Л), соединенных своими верхними торцами с нижним (О) при открытых периферийных торцах. В варианте выполнения колеса под решеткой неповоротных (Л) установлен наружный кольцевой (О), неразъемно соединенный с периферийными торцами этих (Л). Конструкция колеса позволяет повысить кпд, быстроходность и диапазон допустимых режимов работы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования, содержащее верхний обод в виде радиального кольца с неподвижно соединенным с ним обтекателем, периодическую радиальную решетку поворотных лопастей с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой поворотной лопасти, расположенные на верхнем ободе, крышку, закрепленную на верхнем ободе и фланце вала гидротурбины, отличающееся тем, что оно снабжено нижним ободом в форме радиально-осевого кольца, размещенным под решеткой поворотных лопастей, которые выполнены с нижними цапфами, установленными в нижних узлах их поворота и осевой фиксации нижнего обода, в котором размещены эти узлы, периодической решеткой неповоротных лопастей, расположенных под нижним ободом и неразъемно с ним соединенных верхними торцами.2. Рабочее колесо гидротурбины двойного регулирования, содержащее верхний обод в виде радиального кольца с неподвижно соединенным с ним обтекателем, периодическую радиальную решетку поворотных лопастей с верхними цапфами, верхние узлы поворота, уплотнения и осевой фиксации каждой поворотной лопасти, расположенные на верхнем ободе, крышку, закрепленную на верхнем ободе и фланце вала гидротурбины, отличающееся тем, что оно снабжено нижним ободом в форме радиально-осевого кольца, размещенным под решеткой поворотных лопастей, которые выполнены с нижними цапфами, установленными в нижних узлах их поворота и осевой фиксации нижнего обода, в котором размещены эти узлы, периодической решеткой неповоротных лопастей, расположенных под нижним ободом и неразъемно с ним соединенных верхними торцами, наружным кольцевым ободом, установленным под решеткой неповоротных лопастей и неразъемно соединенным с периферийными торцами этих лопастей.