КОВШОВАЯ ТУРБИНА С ПОДВОДЯЩЕЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2011 года по МПК F03B1/04 F03B11/08 

Изобретение относится к ковшовой турбине, содержащей подводящую систему для трех-шести сопел, которая имеет напорную трубу с распределительным элементом, от которого ответвляются подводящие трубопроводы к отдельным соплам, которые свободной струей поливают ковши рабочего колеса.

В многосопловых горизонтальных турбинах Пельтона до настоящего времени проблему составлял отвод воды. В патентной заявке РСТ/ЕР 2005/012783 показаны решения для отвода воды, которые также достаточны для трех-шести сопел турбинной системы с горизонтальной осью. Использование рабочего колеса с тремя-шестью соплами является, естественно, намного лучше, поскольку рабочее колесо при одинаковой мощности имеет меньшие размеры. Однако большее количество сопел означает также повышенные расходы на сопла, подводящие трубопроводы и распределительные элементы. В патенте Японии JP 8218999 показана эта проблематика для горизонтальных ковшовых турбин с двумя-четырьмя соплами.

Переход из напорной трубы в распределительный элемент и в три и более подводящих трубопроводов предполагал до настоящего времени при вертикальном выполнении применение сложных спиральных конструкций из изогнутых и сваренных элементов оболочки для обеспечения мягкого и по возможности без закручивания ускорения в свободную струю.

В патенте DE 326404 показана вертикальная свободноструйная турбина. Распределительный элемент в форме полого тора питается на периферии в осевом направлении из напорной трубы, при этом поток входит в тор с изломом 90°. В свободном внутреннем пространстве тора расположен вал рабочего колеса и подшипник турбины. Четыре распределительные трубы ответвляются в радиальном направлении наружу из тора и ведут каждый с двумя коленами по 90° к соответствующим соплам по горизонтали. На распределительных трубах одновременно расположена опора для трубной системы и механических устройств, которые одновременно с помощью цепной передачи регулируют сопла. Целью такого расположения является центральная установка и крепление подшипников вала турбины, а также восприятие создаваемых в направлении рабочего колеса тангенциальных усилий опорными колоннами распределительных труб. Эти механические преимущества приводят к неблагоприятному, связанному с потерями прохождению потока, поскольку вход в тор происходит из напорной трубы сначала в радиальном направлении внутрь с коленом в 90°, в то время как непосредственно смежные распределительные трубы отходят под острым углом в радиальном направлении наружу.

Горизонтальная трехсопловая установка тогдашней фирмы Sulzer Escherwyss (Равенсбург, Германия) стоит, например, в Коста-Рике с названием «Дон Педро». Горизонтальная двухсопловая установка фирмы Voith AG (Хайденхайм, Германия) стоит, например, в долине Каунер в Тироле, Австрия с названием «Прутц». Большее число сопел обычно не принято для горизонтальных установок в диапазоне мощностей свыше 100 кВт. При вертикальном выполнении, например, для шестисопловых установок, изготавливаемых фирмой Voith AG, или указанных фирмой Fuji Electric Co LTD в японском патенте JP 5005478, подводящие трубы отходят от спиральной, сужающейся распределительной трубы.

Задачей данного изобретения является создание экономичной подводящей системы для ковшовых турбин с тремя-шестью соплами. Это достигается с помощью отличительных признаков независимого пункта 1 формулы изобретения.

Система согласно изобретению имеет то преимущество, что поток к каждому из трех сопел является одинаковым, когда работают все сопла, и что закрывание одного сопла оказывает лишь незначительное влияние на поток в других соплах. Другое преимущество состоит в том, что практически все части центральной распределительной трубы и подводящих трубопроводов можно составлять из стандартных элементов, обычно применяемых при производстве трубопроводов и котлов. В противоположность распределительному элементу в виде лежащей снаружи спирали возникает экономия в весе и значительное уменьшение длины сварных швов в подводящей системе. В зависимых пунктах 2-20 формулы изобретения представлены предпочтительные модификации изобретения.

Коническое расширение распределительной трубы обеспечивает замедление потока, которое предотвращает возникновение при вхождении в подводящие трубопроводы более высоких скоростей, чем, например, в напорной трубе. Одновременно в этой более медленной зоне потока происходит связанное с малыми потерями выравнивание потока, когда закрыты отдельные сопла.

Если ось центральной распределительной трубы совпадает с осью рабочего колеса, и подводящие трубопроводы расположены симметрично оси распределительной трубы так, что они при повороте вокруг этой оси выходят с расхождением друг от друга, то в соплах достигаются идентичные условия потока. Одновременно возникают в соответствии с числом сопел идентичные подводящие трубопроводы, что упрощает изготовление.

Другое большое преимущество образуется при согласовании с различными высотами падения и скоростями вращения, как при перестройках с увеличением высоты падения, что часто применяется уже при планируемом повышении мощности за счет переноса водозабора на геодезически более высоколежащее место. В таком случае изменяют диаметр рабочего колеса и возможно скорость вращения. В обычных многосопловых установках это приводит к полному изменению распределительного трубопровода и отходящих от него подводов вплоть до сопел, в то время как в системе согласно изобретению центральная распределительная труба остается неизменной и лишь незначительно необходимо исправлять подводы по их тангенциальному углу в плоскости рабочего колеса, чтобы перемещать сопла в заданное положение относительно нового рабочего колеса.

Для ковшовых турбин, в которых сопла равномерно распределены по окружности рабочего колеса, обеспечивается также равномерное распределение подводящих трубопроводов на центральной распределительной трубе, независимо от того, проводятся ли они через замыкающее дно или через наружную поверхность центральной распределительной трубы. Это приводит к особенно благоприятному использованию внутреннего поперечного сечения центральной распределительной трубы.

Другое относящееся к потоку улучшение обеспечивается тогда, когда подводящие трубопроводы выступают в виде трубной дуги в поток центральной распределительной трубы. В этом случае отклонение от оси распределительной трубы происходит уже в трубной дуге при ускоренном потоке.

Это отклонение подкрепляется с помощью отверстий, например, в виде поперечных прорезей у входа этих трубных дуг. Поскольку подводящие трубы из-за относительно высоких давлений в ковшовых турбинах должны иметь относительно большую минимальную толщину S стенки, то форму отверстий или прорезей у входа трубных дуг можно использовать одновременно для направления потока проходящего через них количества воды. Указанные ниже меры были установлены в общем виде в ходе испытаний в качестве существенных мер для «подпитки» пограничного слоя в выступающей с выступом в распределительную трубу трубы или трубной дуги. Они приводят к уменьшению входных потерь и служат для предотвращения входного закручивания, которое может продолжаться вплоть до свободной струи:

- входная кромка должна иметь наклон к внутренней стороне,

- отверстия или прорези должны также иметь наклон под углом β от 30° до 60° к образующей линии подводящего трубопровода в продольном направлении,

- отверстия или прорези должны лежать в одном ряду на окружной линии и занимать там между 60 и 80% окружности,

- два или более рядов могут лежать в направлении потока близко друг за другом,

- ширина В прорезей или отверстий, измеренная поперек наклона, должна составлять между 20% и 60% толщины S стенки трубы, предпочтительно 40%,

- прорези вдоль окружности целесообразно имеют длину L, превышающую ширину В в 10-20 раз,

- расстояние А между отверстиями соседних рядов должно соответствовать примерно толщине S стенки,

- стенки между отверстиями или поперечными прорезями соседних рядов должны иметь на стороне входа симметричную заточку относительно их наклона.

Тем самым коэффициент сопротивления ζ (зета) для входа становится намного благоприятнее (например, ζ=0,25 при диаметре трубы 140 мм, толщине стенки S 5 мм, при трех рядах с поперечными прорезями и средней скоростью воды 3,5 м/с; с дополнительным округлением/заточкой входных кромок у прорезей достигается ζ=0,2; без указанных мер ζ=0,6).

Эти результаты справедливы в целом, т.е. также при прямых сточных трубах из распределительной трубы, когда они заходят в распределительную трубу с выступом на расстояние а, которое соответствует, по меньшей мере, 20% диаметра d подводящей трубы, и имеют указанные меры.

За счет того, что подводящие трубы при прохождении через наружный контур центральной распределительной трубы уже образуют угол 20°<α<70° с центральной распределительной трубой, то подводящие трубопроводы можно без больших трудностей переводить на увеличенное расстояние b до оси рабочего колеса и вводить в сопловом колене с ускоренным потоком в плоскость рабочего колеса, при этом сумма отклонений вне центральной распределительной трубы соответствует углу, значительно меньшему, чем 180°.

Система с равномерно расположенными по окружности распределительной трубы подводящими трубопроводами и с погруженными в распределительную трубу трубными коленами имеет для 3-6-сополовых установок особенно хорошее использование поперечного сечения распределительной трубы на высоте входа в трубные колена. Или другими словами, распределительная труба должна иметь на входе в подводящие трубы лишь в 1,25 раза больший диаметр, чем напорная труба, если средние скорости в подводящих трубопроводах и в напорной трубе являются одинаковыми.

Если для упрощения принять, что имеются окружности, которые касаются друг друга на высоте входа в трубную дугу, и распределительная труба имеет радиус R₂, напорная труба - радиус R₁ и подводящие трубопроводы - радиус r, то для подводящих трубопроводов справедливы следующие общие взаимозависимости

или r/(R₂-r)=cos(90°-360°/2n),

которые показаны на фиг.7 для геометрии с тремя подводящими трубопроводами. Если эти соотношения решить относительно R₂, то получаются результаты, показанные в следующей таблице:

n= 2 3 4 5 6 7 R₂/R₁= 1,414 1,244 1,207 1,208 1,224 1,249

Для обеспечения еще достаточного места для вваривания трубных дуг в замыкающее дно необходимо увеличение на 10-40% диаметра наружной поверхности.

Три-шесть подводящих трубопроводов обеспечивают оптимальное использование распределительной трубы. При семи подводящих трубопроводах использование R₂/R₁ было бы еще хорошим, если это допускают условия потока на рабочем колесе. При двух подводящих трубопроводах использование является плохим.

То, что короткая распределительная труба из стандартных элементов и при количестве сопел от трех до шести обеспечивает предпочтительные решения с увеличивающимся количеством сопел для экономии веса подводящих труб, следует из приведенной ниже таблицы. При одинаковом прохождении линии получается при переходе от двух на шесть подводящих трубопроводов соотношение диаметров 81/47, которое в квадратной зависимости влияет на минимальную толщину стенки и приводит к экономии материала примерно 30-40%.

n = 2 3 4 5 6 7 Напорная труба, D1= 100 100 100 100 100 100 Распределительная труба, D2= 196 171 163 160 160 161 Подводящая труба, D3= 81 66 57 51 47 43

Установки с шестью соплами можно устанавливать согласно РСТ/ЕР 2005/012783 вертикально и новые также горизонтально без отрицательных последствий. Преимущества получаемого при этом небольшого рабочего колеса с небольшим генератором, который при некоторых условиях можно монтировать также консольно на валу генератора, подкрепляются за счет данного изобретения дешевой подводящей системой. Возможная экономия на соплах и относящихся к ним запирающих элементах в установках с несколькими соплами является предметом параллельной заявки, так что этими тремя изобретениями задается концепция для экономичных компактных установок. Для небольших установок, которые необходимы, например, для решения проблемы электроснабжения в горных селениях, можно монтировать генератор, ковшовую турбину Пельтона и подводящую систему на единственной основной раме. Таким образом, можно размещать компактные блоки мощностью до 3 МВт в контейнере, транспортировать непосредственно к месту назначения, устанавливать и запускать в работу.

Иногда в напорные трубы и распределительные трубы попадают песок и мелкие камни и вызывают повреждения и эрозию последующих частей, таких как насадка сопла, игла сопла или ковши рабочего колеса. За счет большего удельного веса по сравнению с водой, частицы песка увлекаются в зоне дна трубопроводов и при больших скоростях в наружные траектории колен. Опыт показывает, что в обычных ковшовых турбинах без песколовушки песок проникает

- в односопловых турбинах непосредственно в сопло,

- в двухсопловых и трехсопловых горизонтальных турбинах с набеганием сверху преимущественно в первое сопло,

- в двухсопловых и трехсопловых горизонтальных турбинах с набеганием снизу преимущественно в последнее сопло, и

- в 3-6-сопловых вертикальных турбинах преимущественно в последнее сопло.

Поэтому в данном изобретении для горизонтальных турбин предпочтительно на конце конического расширения распределительной трубы, которое замедляет поток и способствует оседанию песка на дно, размещать песколовушку. Она может состоять, например, из вваренной глухой трубы, на конце которой расположено промывное устройство в виде шарового крана. За счет единичного открывания шарового крана можно выпускать песок вместе с водой. Решетка, вваренная на высоте наружной поверхности конического расширения, способствует отделению песка за счет подавления образования завихрения в глухой трубе, поскольку она в каждой из своих лежащих поперек течения прорезях имеет приблизительно одинаковый скоростной напор. Одновременно она образует механическое усиление в прерванной наружной поверхности конического расширения.

Другое улучшение ковшовой турбины с указанной выше подводящей системой обеспечивается, если жестко соединенные с подводящими трубопроводами сопла можно регулировать с помощью разъемных шарнирных соединений в плоскости рабочего колеса в небольшом угловом диапазоне максимально 8°, с целью незначительного изменения диаметра d₁ окружности падающих на ковши свободных струй. Обычно достаточно регулирование на плюс/минус 2° для компенсации зависящих от сезона отклонений высоты Н падения от оптимальной высоты Н падения за счет вызываемого этим регулированием горизонтального сдвига кривой коэффициента полезного действия так, что зависящее от сезона отклонение снова лежит в оптимальной точке. Это означает, что при сезонном увеличении высоты Н падения диаметр d₁ окружности струи изменяется из-за увеличенной выходной скорости на более высокую величину d_1max с подходящей окружной скоростью для обеспечения оптимального режима; и наоборот, при сезонном уменьшении высоты падения вызывается уменьшение на диаметр d_1min окружности струи.

Конструктивно возможность регулирования обеспечивается тем, что, с одной стороны, сопло в виде неподвижно устанавливаемого первого шарового шарнира со сферическим наружным контуром опирается в сферической воронке жестких элементов турбины, при этом эти элементы могут быть корпусным кольцом или разбрызгивающим кольцом, как описано в WO 2006/066691, и что, с другой стороны, сам подводящий трубопровод образует второй неподвижно устанавливаемый шаровой шарнир.

Прямая, соединяющая средние точки М₁ и М₂ при рассматривании с направления х и y, является воображаемой поворотной осью. Чем больше соединяющая средние точки М₁, М₂ этих обоих шаровых шарниров прямая является параллельной оси рабочего колеса, тем точнее происходит регулирование свободной струи в плоскости рабочего колеса. Если конструктивно необходимо осуществить отклонение в направлении х, то это можно снова компенсировать за счет корректуры в направлении y.

Шаровые шарниры фиксируются каждый с помощью стяжных болтов между противоположными фланцами. При этом для первого шарового шарнира на сопле не требуются уплотнительные элементы, в то время как второй шаровой шарнир в подводящем трубопроводе нуждается в уплотнительных элементах на шаровой поверхности, которые должны выдерживать рабочие условия.

Для осуществления зависящего от сезона регулирования, которое составляет, например, 2°, могут быть, например, предусмотрены опорные элементы для подводящих трубопроводов на расстоянии с от общей поворотной оси обоих шаровых шарниров, которые за счет различного подкладывания прокладки приводят к предусмотренному регулированию угла ε свободной струи. Фиксация в точках опоры является также целесообразной для восприятия сил вследствие отклонения струи, а также вызываемых свободной струей реактивных сил, и разгрузки шаровых шарниров.

Ниже приводится подробное пояснение изобретения на примерах выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг.1 - продольный разрез подводящей системы согласно изобретению;

фиг.2 - поперечный разрез на фиг.1 на высоте плоскости рабочего колеса;

фиг.3 - поперечный разрез на фиг.1 на высоте входа в подводящие трубопроводы;

фиг.4 - часть фиг.1 с входящей в распределительную трубу трубной дугой одного подводящего трубопровода, в увеличенном масштабе;

фиг.5 - распределительная труба, в которую выступают подводящие трубы через наружную поверхность;

фиг.6 - разрез замыкающего дна распределительной трубы, в которую входит подводящая труба, которая имеет меры для «подпитки» пограничного слоя в зоне входа, в сильно увеличенном масштабе;

фиг.7 - геометрические соотношения в поперечном сечении распределительной трубы с тремя, соответственно, шестью подводящими трубопроводами в виде входящих внутрь трубных дуг;

фиг.8 - установка песколовушки в распределительную трубу с коническим расширением для горизонтальных ковшовых турбин;

фиг.9 - разрез в плоскости рабочего колеса для иллюстрации изменения диаметра окружности струи;

фиг.10 - первый и второй неподвижно устанавливаемые шаровые шарниры, на виде в направлении Х на фиг.9 и в увеличенном масштабе; и

фиг.11 - кривые коэффициента полезного действия ковшовой турбины в зависимости от высоты Н падения при двух различных диаметрах окружности струи.

На чертежах применяются одинаковые позиции для обозначения одинаковых функций.

На фиг.1, 2, 3 и 4 показана горизонтальная ковшовая турбина Пельтона с шестью соплами 18, 18а, с соответствующей подводящей системой и с генератором 27. Одно сопло 18а изображено более крупным и длинным, чем другие сопла, поскольку оно должно быть регулируемым игловым соплом, в то время как другие пять сопел имеют лишь интегрированные запирающие элементы. Сопла 18, 18а закреплены и ориентированы на опорном кольце, которое одновременно отводит в сторону разбрызгиваемую воду и через пяту 30 опирается на фундамент или основную раму. Это обеспечивает возможность выполнения относительно легкого корпуса 26 из нескольких частей, когда рабочее колесо 8, которое несет ковши 10, опирается с помощью своих подшипников также непосредственно на фундамент или на основную раму.

Поток воды выходит из напорной трубы 1 через интегрированный запирающий элемент 23 и попадает в центральную распределительную трубу 4, которая через коническое расширение 24 переходит в замыкающее дно 6, которое соответствует дну, известному из производства котлов. Ось 5 центральной распределительной трубы 4 и ось 7 ковшовой турбины находятся на одной линии. Сопла 18, 18а равномерно распределены по окружности рабочего колеса. Подводящие трубопроводы 3 также равномерно распределены вокруг оси 5, так что они расходятся друг от друга за счет поворота вокруг оси 5. Подводящие трубопроводы 3 отходят от распределительной трубы 4 под углом α, переходят на расстоянии b в горизонтальное положение и через сопловое колено 16 в 90° с ускоренным потоком в плоскость рабочего колеса к соплам, которые создают каждое свободную струю 19. Подводящие трубопроводы 3 прерываются фланцевыми соединениями 25 и выступают трубной дугой 13 в центральную распределительную трубу 4, при этом трубная дуга 13 имеет изгиб для вхождения примерно параллельно оси 5 противоположно потоку.

Между входящими отрезками труб и противоположно им со смещением вперед в направлении потока расположено конусообразное вытеснительное тело 20. Трубные дуги 13 вварены в проемы 11 замыкающего дна 6 и выступают с выступом 9 внутрь центральной распределительной трубы. Внутри выступа расположены два ряда распределенных по окружности поперечных прорезей 14, описание геометрии которых будет приведено ниже применительно к фиг.6.

На фиг.5 показана центральная распределительная труба 4, согласно фиг.1. В отличие от фиг.1 к коническому расширению 24 примыкает цилиндрический трубный участок 31, в наружной поверхности которого выполнены проемы 11 для подводящих трубопроводов 3, которые также образуют с помощью вваренной трубной дуги 13 выступ 19. Предусмотрено три ряда с распределенными по окружности поперечными прорезями 14. Выступающее посредине над входом подводящих труб 3 вытеснительное тело 20 имеет форму конуса. Его поперечное сечение может быть круговым. Однако он может быть также составлен из вогнутых наружных поверхностей для лучшего согласования со смежными трубными дугами 13.

На фиг.6 показаны меры для улучшения потока 28 на входе в подводящий трубопровод 3. Подводящий трубопровод 3 входит выступом 19 на расстояние а в центральную распределительную трубу 4, при этом он вварен в замыкающее дно 6. Он имеет внутренний диаметр d и толщину S стенки. В выступе 19 расположены распределенные по окружности поперечные прорези 14 в трех рядах 17, при этом в смежных рядах 17 поперечные прорези 14, при измерении перпендикулярно к наклону 22, имеют среднее расстояние А друг от друга порядка толщины S. Поперечные прорези имеют длину L, которая в несколько раз превышает ширину В прорезей. Ширина В прорезей меньше толщины S стенки, чтобы обеспечивать некоторое направление потока в прорези. Прорези выполнены с углом наклона β, равным примерно 45°, косо вниз и расположены друг над другом с образованием с помощью лежащих между ними стенок гидродинамической решетки. На наружной входной стороне стенки между прорезями снабжены симметрично относительно наклона 22 заточкой 21 и округлены. Входная кромка подводящего трубопровода также выполнена косо внутрь с наклоном 22.

Фиг.7 уже пояснена в общих чертах выше. На примере для n=3, соответственно, n=6 представленных геометрически и в виде формул подводящих трубопроводов показано использование центральной распределительной трубы. Угол γ, косинус которого соответствует отношению r/(R₂-r), составляет:

γ=90°-360°/2n=30°, соответственно, 60°.

На фиг.8 показана центральная распределительная труба 4 как в примере на фиг.1. В наружной поверхности 12 конического расширения 24 приблизительно в самой нижней точке вварена глухая труба 32 для улавливания с помощью силы тяжести частиц песка, увлекаемых вдоль дна. Для этого глухая труба 32 с соединительным фланцем 34 образует закрытый мешок, в котором осаждаются частицы песка. Для того чтобы за счет протекающего мимо потока в мешке не образовывалось завихрение, которое могло бы снова поднимать частицы песка, отверстие 37 к наружной поверхности 12 снабжено ориентированной поперек потока решеткой 33. Существенным в этой решетке 33 являются стоящие поперек потока продольные профили, которые образуют прорези 36 со стоячей водой, в которой могут осаждаться частицы песка. Разделение поперечного сечения глухой трубы 32 в этой зоне на поперечные прорези 36 приводит к тому, что вместо большого завихрения в глухой трубе могут возникать максимально зачатки небольших завихрений внутри отдельных прорезей.

В соединительный фланец 34 встроен шаровой кран 35, который изредка открывается для вымывания вместе с водой скопившегося песка.

На фиг.9 и 10 показан подводящий трубопровод 3 с одним соплом 18, которое направляет свободную струю 9 с диаметром d₁ окружности струи по касательной на ковш 10 рабочего колеса 8. Сопло 18 имеет шарообразную наружную поверхность, которой оно опирается на конусообразную внутреннюю поверхность корпусного кольца 38 и образует тем самым первый шаровой шарнир 41 со средней точкой М₁. Сопло 18 расширяется наружу во фланец, который с помощью стяжных болтов 43 фиксирован на корпусном кольце 38 и удерживает сопло в заданном положении. Одновременно здесь также воспринимаются силы, которые возникают вследствие отклонения воды в подводящем трубопроводе 3, и реактивная сила свободной струи 9.

Второй шаровой шарнир 46 расположен во фланцевом соединении 25 подводящего трубопровода 3 со своей средней точкой М₂ так, что линия, соединяющая среднюю точку М₂ со средней точкой М₁ первого шарового шарнира 41, образует поворотную ось 40, которая ориентирована параллельно или почти параллельно оси 7 рабочего колеса для удерживания свободной струи 9 по возможности в плоскости 39 рабочего колеса. Это означает, что направление подводящего трубопровода 3 таково, что возможна соответствующая поворотная ось 40. Подводящий трубопровод 3 лежит на опорной точке 44, которая расположена на расстоянии с до соединительной прямой 40. Фланцевое соединение 25 для шарового шарнира 46 удерживается вместе также с помощью стяжных болтов 47, которые компенсируют относительно небольшие угловые изменения с помощью шарообразных опорных поверхностей и соответствующих противоположных поверхностей в подкладных шайбах 48. Во втором шаровом шарнире 46 между шарообразными регулировочными поверхностями расположено уплотнение 42, которое при стянутых фланцах 25 воспринимает удары давления подводящего трубопровода.

Для перестановки диаметра d₁ окружности струи, например, на 2°, ослабляют соединения стяжных болтов 43, 47 и изменяют подкладку 45 на опорной точке 44 в соответствии с расстоянием с так, что возникает изменение угла на 2°, при котором снова затягивают стяжные болты. Стяжные болты 47 во фланцевом соединении 25 могут быть резьбовыми болтами и гайками, которые шарообразными опорными поверхностями прилегают к шарообразным противоположным поверхностям подкладных шайб 48. Сквозные отверстия для резьбовых болтов обеспечивают предусмотренное наклонное положение. Расстояние между собственно фланцами является также настолько большим, что обеспечивается возможность поворота на заданный угол ε. Угловую перестановку вплоть до плюс/минус 4° из нулевого положения, в котором фланцы лежат параллельно друг другу, можно улавливать с помощью трения подкладных шайб 48 с фланцами. Поскольку стяжные болты 47, 43 распределены по окружности фланцев, то при повороте образуются по окружности фланцев различные расстояния между ними, на которых происходит фиксация шарового шарнира.

На фиг.9 на диаметре d₁ окружности струи показано, как поворот на угол плюс/минус ε приводит к уменьшению диаметра окружности струи до d_1min, соответственно, к увеличению диаметра до d_1max. На фиг.10 показана для определенного выполнения кривая коэффициента полезного действия η в зависимости от высоты Н падения. В оптимальной рабочей точке высота Н падения определяет выходную скорость свободной струи и на диаметре окружности струи окружную скорость рабочего колеса для заданной скорости вращения. Если уменьшается давление подачи (высота Н падения), то для оптимального использования необходимо либо согласиться с уменьшенной скоростью вращения, что является не целесообразным при синхронно приводимом в действие генераторе, либо необходимо уменьшать диаметр окружности струи до меньшей величины d_1min, который при той же скорости вращения соответствует подходящей окружной скорости. И наоборот, кривую коэффициента полезного действия смещают с помощью увеличения диаметра d_1max окружности струи вправо (штриховая линия), когда зависящая от сезона высота Н падения становится больше.

Перечень позиций

1 Напорная труба

2 Распределительный элемент (распределительная труба)

3 Подводящий трубопровод

4 Центральная распределительная труба

5 Ось

6 Замыкающее дно

7 Ось

8 Рабочее колесо

9 Свободная струя

10 Ковш

11 Проем

12 Наружная поверхность

13 Трубная дуга

14 Поперечная прорезь

15 Отверстия

16 Сопловое колено

17 Ряд

18 Сопло с запирающим элементом

18а Сопло с регулированием расхода

19 Выступ

20 Вытеснительное тело

21 Заточка

22 Наклон

23 Запирающий элемент

24 Коническое расширение

25 Фланцевое соединение

26 Корпус

27 Генератор

28 Входное направление

29 Опорное кольцо

30 Подставка

31 Цилиндрический участок трубы

32 Песколовушка, глухая труба

33 Решетка

34 Закрывающий фланец

35 Промывочное устройство, шаровой кран

36 Прорезь

37 Отверстие

38 Корпусное кольцо

39 Плоскость рабочего колеса

40 Соединительная прямая, поворотная ось

41 Первый шаровой шарнир

42 Уплотнение

43 Стяжной болт

44 Опорная точка

45 Прокладка

46 Второй шаровой шарнир

47 Стяжной болт

48 Подкладная шайба

A Расстояние

B Ширина прорези

L Длина прорези

S Толщина стенки

a Расстояние выступа

b Расстояние отклоняющей дуги

c Расстояние

D1 Диаметр напорной трубы

d₁ Диаметр

d_1max Большой диаметр окружности струи

d_1min Малый диаметр окружности струи

D2 Диаметр распределительной трубы

D3 Диаметр подводящего трубопровода

M₁ Средняя точка

M₂ Средняя точка

R₁ Радиус напорной трубы

R₂ Радиус распределительной трубы

a Угол

β Угол наклона

γ Угол

ε Угол поворота

η Кривая коэффициента полезного действия

Изобретение относится к ковшовой турбине. Ковшовая турбина содержит подводящую систему для трех-шести сопел и имеет напорную трубу 1 с распределительным элементом 2, от которого ответвляются подводящие трубопроводы 3 к отдельным соплам для подачи свободной струи на ковши рабочего колеса. Распределительный элемент состоит из центральной распределительной трубы 4 с круговым поперечным сечением с осью 5 и замыкающим дном 6. Подводящие трубопроводы 3, при рассматривании в осевом направлении, с распределением по окружности распределительной трубы отходят в тангенциальном и/или в радиальном направлении наружу. Подводящие трубопроводы 3 противоположно направлению потока в распределительной трубе 4 входят в распределительную трубу 4 с выступом 19 на определенном расстоянии. Изобретение направлено на создание экономичной подводящей системы для ковшовых турбин с тремя-шестью соплами. 20 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Ковшовая турбина, содержащая подводящую систему для трех-шести сопел и имеющая напорную трубу (1) с распределительным элементом (2), от которого ответвляются подводящие трубопроводы (3) к отдельным соплам (18, 18а) для подачи свободной струи (9) на ковши (10) рабочего колеса (8), причем распределительный элемент состоит из центральной распределительной трубы (4) с круговым поперечным сечением с осью (5) и замыкающим дном (6), и подводящие трубопроводы (3) при рассматривании в осевом направлении с распределением по окружности распределительной трубы отходят в тангенциальном и/или в радиальном направлении наружу, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы противоположно направлению потока в распределительной трубе входят в распределительную трубу (4) с выступом (19) на расстояние а, которое соответствует, по меньшей мере, 15% диаметра d подводящего трубопровода (3).

2. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы (3) входят в распределительную трубу (4) выступами (19) в виде трубной дуги (13), которая изогнута противоположно потоку в направлении оси (5) распределительной трубы.

3. Ковшовая турбина по п.2, отличающаяся тем, что выступы (19) имеют, по меньшей мере, один ряд (17) с отверстиями (15) или поперечными прорезями (14), которые лежат на окружной линии и занимают более 50% окружной линии, предпочтительно между 60% и 80%.

4. Ковшовая турбина по п.3, отличающаяся тем, что отверстия (15) или прорези (14) имеют наклон к образующей в продольном направлении под углом β, равным 30-60°, предпочтительно 45°.

5. Ковшовая турбина по п.3, отличающаяся тем, что отверстия (15) или прорези (14) имеют измеренную поперек наклона ширину В от 30% до 60%, предпочтительно 50% толщины S стенки подводящего трубопровода (3).

6. Ковшовая турбина по п.3, отличающаяся тем, что в продольном направлении лежат, по меньшей мере, два ряда (17) с отверстиями или прорезями, причем расстояние А между рядами соответствует примерно толщине S стенки подводящего трубопровода.

7. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что центральная распределительная труба (4) конически расширяется к замыкающему дну (6).

8. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что ось (5) центральной распределительной трубы (4) находится на одной линии с осью (7) рабочего колеса (8).

9. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что в замыкающем дне (6) предусмотрены проемы (11) для подводящих трубопроводов (3).

10. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что проемы (11) для подводящих трубопроводов (3) предусмотрены в наружной поверхности (12) центральной распределительной трубы (4),

11. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы (3) относительно оси (5) центральной распределительной трубы (4) выходят под углом 90°>α>0° из распределительной трубы или замыкающего дна в направлении рабочего колеса (8).

12. Ковшовая турбина по п.11, отличающаяся тем, что угол α лежит между 70° и 20°.

13. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы (3) выходят с расхождением друг от друга посредством поворота вокруг оси (5) центральной распределительной трубы (4).

14. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы (3) отходят от центральной распределительной трубы (4) на большее расстояние b и через сопловое колено (16), которое уменьшается в поперечном сечении и ускоряет поток, поворачивается в среднюю плоскость рабочего колеса.

15. Ковшовая турбина по п.14, отличающаяся тем, что подводящие трубопроводы (3) распределены на одинаковых расстояниях друг от друга по окружности центральной распределительной трубы (4).

16. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что перед подводящими трубопроводами (3) в центральной распределительной трубе (4) расположено посредине конусообразное вытеснительное тело (20).

17. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что на выходе из центральной распределительной трубы (4) сумма поперечных сечений подводящих трубопроводов (3) соответствует поперечному сечению напорной трубы (1).

18. Ковшовая турбина по п.10, отличающаяся тем, что для горизонтального расположения перед переходом центральной распределительной трубы (4) в подводящие трубопроводы (3) в самой нижней зоне наружной поверхности (12) распределительной трубы имеется отверстие (37) для песколовушки (32).

19. Ковшовая турбина по п.18, отличающаяся тем, что в отверстие (37) встроена решетка (33) с расположенными поперек направления потока продольными профилями и прорезями (36).

20. Ковшовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что, с одной стороны, сопла (18) опираются на корпусное кольцо (38) с первым неподвижно устанавливаемым шаровым шарниром (41) со средней точкой M₁, и, с другой стороны, подводящий трубопровод (3) имеет соответствующее фланцевое соединение (46) со вторым шаровым шарниром (46) со средней точкой М₂, причем прямая (40), соединяющая средние точки M₁ и М₂, образует поворотную ось для участка трубы между соплом (18) и фланцевым соединением (25), и поворотная ось (40) расположена параллельно или почти параллельно оси (7) рабочего колеса для выполнения поворота свободной струи (9) в плоскости (39) рабочего колеса на угол ε, равный плюс/минус 4°.

21. Ковшовая турбина по п.20, отличающаяся тем, что трубные участки между первым и вторым шаровым шарнирами (41, 46) имеют опорную точку (44) на расстоянии с от поворотной оси (40), чтобы с помощью различных прокладок (45) обеспечивать возможность регулирования свободной струи (9) на заданный угол ε поворота.