РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО, И УСТАНОВКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, ОСНАЩЕННАЯ ТАКОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ Российский патент 2013 года по МПК F03B3/02 F03B3/12 

Настоящее изобретение относится к рабочему колесу типа Френсиса для гидравлической машины, которое предназначено для того, чтобы через него под напором проходил поток воды. Такой поток приводит рабочее колесо во вращение, когда машина является турбиной. Такой поток образуется в результате этого вращения, когда машина является насосом. Кроме того, настоящее изобретение относится к гидравлической машине, содержащей такое рабочее колесо. С другой стороны, настоящее изобретение относится к установке для преобразования энергии, оснащенной такой гидравлической машиной.

В документе JP-A-2005 48608 приводится описание рабочего колеса для гидравлической машины типа насос-турбина, которое содержит осесимметричный обод и множество изогнутых лопаток, жестко соединенных с ободом и содержащих, каждая из них, внешнюю периферийную переднюю кромку и внутреннюю центральную заднюю кромку. Соединение обода с внутренней центральной кромкой одной из двух лопаток расположено на первой окружности большого радиуса, в то время как соединение обода с внутренней центральной кромкой соседней лопатки расположено на второй окружности меньшего радиуса. Во внешней периферийной зоне рабочего колеса соединения обода с лопатками, внутренняя центральная кромка которых расположена на первой окружности, размещены по периферии обода, в то время как соединения обода с соседними лопатками, центральная кромка которых расположена на второй окружности малого радиуса, размещены с отступом от периферии обода. Такая особенная геометрическая форма рабочего колеса, согласно документу JP-A-2005 48608, предназначена для уменьшения явления кавитации, возникающей на входе турбины, т.е. на периферии рабочего колеса, когда гидравлическая машина работает в установившемся режиме, для повышения ее гидравлического КПД в установившемся режиме.

Во время неустановившихся режимов, которые имеют место быть после пуска или предшествуют остановке в режиме работы турбины гидравлической машины, выполненной на основе предшествующего уровня техники, рабочее колесо испытывает вращающие и асинхронные радиальные напряжения, которые пытаются «сместить его ось». Во время неустановившихся режимов эти радиальные напряжения, которым подвергается рабочее колесо, приводят к образованию уровней механического напряжения, которые могут быть очень большими и способны оказывать, таким образом, влияние на определение габаритных размеров составных конструктивных элементов гидравлической машины, таких как ее вал или опоры вала. Ввиду таких радиальных напряжений стоимость этих составных конструктивных элементов, таким образом, неизбежно возрастает.

Настоящее изобретение направлено, в частности, на устранение данного недостатка путем предложения рабочего колеса, геометрическая форма которого снижает и даже исключает образование вращающих радиальных напряжений во время неустановившихся режимов.

С этой целью задачей изобретения является рабочее колесо типа Френсиса для гидравлической машины, предназначенное для того, чтобы через него под напором проходил поток воды, которое содержит:

- обод с симметрией вращения вокруг оси вращения рабочего колеса;

- множество изогнутых лопаток, жестко соединенных с ободом и содержащих (каждая из них) внешнюю периферийную кромку и внутреннюю центральную кромку,

отличающееся тем, что точки соединения обода с внутренними центральными кромками лопаток в целом расположены на одной и той же окружности, центрированной относительно упомянутой оси, а также тем, что точки соединения обода с внешними периферийными кромками лопаток расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях, центрированных относительно упомянутой оси.

Такая геометрическая форма рабочего колеса включает азимутальную асимметрию, что позволяет существенно уменьшить радиальные напряжения, которые испытывает рабочее колесо во время неустановившегося режима.

Согласно другим предпочтительным, но не обязательным отличительным признакам изобретения, которые берутся в отдельности или в любом технически допустимом сочетании:

- точки соединения обода с внешними периферийными кромками лопаток расположены на двух различных окружностях, центрированных относительно упомянутой оси, причем упомянутые длинные лопатки содержат точки соединения, расположенные на первой окружности, а упомянутые короткие лопатки содержат точки соединения, расположенные на второй окружности, диаметр которой меньше диаметра первой окружности;

- рабочее колесо содержит, кроме того, внутренний обод с симметрией вращения вокруг упомянутой оси, расположенный против упомянутого обода, причем лопатки жестко соединены с внутренним ободом, причем точки соединения внутреннего обода с внутренними центральными кромками лопаток расположены на одной и той же окружности, центрированной относительно оси, а точки соединения внутреннего обода с внешними периферийными кромками лопаток расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях, центрированных относительно упомянутой оси;

- точки соединения внутреннего обода с внешними периферийными кромками лопаток расположены на двух различных окружностях, центрированных относительно оси;

- короткие лопатки, с одной стороны, и длинные лопатки, с другой стороны, равномерно рассредоточены вокруг упомянутой оси;

- рабочее колесо содержит девять лопаток, из которых шесть являются длинными, а три короткими, причем короткие лопатки расположены на ободе с угловым смещением, равным 120°;

- рабочее колесо содержит четное количество лопаток, причем одна лопатка на две является короткой;

- каждая короткая лопатка имеет развернутую длину, которая составляет от 50% до 99% развернутой длины длинной лопатки, предпочтительно, от 70% до 85%.

Кроме того, задачей изобретения является гидравлическая машина, отличающаяся тем, что она содержит одно рабочее колесо, описание которого приведено выше.

Размеры составных конструктивных элементов гидравлической машины, согласно изобретению, могут быть, таким образом, рассчитаны для механических напряжений, причем стоимость при равных технических характеристиках гидравлической машины меньше.

С другой стороны, задачей изобретения является установка преобразования энергии, которая оснащена, по меньшей мере, одной гидравлической машиной, описание которой приведено выше.

Установка преобразования энергии, согласно изобретению, при одинаковых технических характеристиках, таким образом, менее дорогостоящая, чем установки, выполненные на основе предшествующего уровня техники.

Изобретение станет лучше понятно, а его другие преимущества проявятся из нижеследующего описания, приведенного в качестве примера, который не носит ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых:

- фиг.1 представляет собой принципиальное сечение установки преобразования энергии, согласно изобретению, оснащенной гидравлической машиной, в соответствии с изобретением, содержащей рабочее колесо, согласно изобретению;

- фиг.2 представляет собой схематическое сечение только рабочего колеса, выполненное по ломанной линии II, показанной на фиг.1;

- фиг.3 представляет собой схематическое сечение только рабочего колеса, выполненное по ломанной линии III, показанной на фиг.1, и

- фиг.4 представляет собой вид в частичной перспективе рабочего колеса, показанного на фиг.2.

Установка i, изображенная на фиг.1, содержит реверсивную гидравлическую машину M, являющуюся насос-турбиной типа Френсиса, на рабочее колесо R которой подается вода из резервуара 3, в который выходит нагнетательный трубопровод 4. Во время эксплуатации рабочее колесо R вращается вокруг вертикальной оси вращения Z. Для выработки электроэнергии в режиме турбины машина M соединена с генератором переменного тока 5 посредством вала 50, вращающегося вокруг оси Z. Между резервуаром 3 и рабочим колесом R расположены статичные статорные колонки 6 и поворотные направляющие лопатки 7, назначением которых является управление потоком и регулирование расхода воды E, поступающей по трубопроводу 4 и предназначенной для прохождения через рабочее колесо R в направлении отводящего трубопровода 8.

На фиг.2 изображена часть рабочего колеса R, которая содержит обод 1 с симметрией вращения вокруг оси Z. Обод 1 содержит внешний периферийный край 10 диаметром D₁₀. На фиг.3 изображена часть рабочего колеса R, содержащая внутренний обод 12, который разграничивает центральное отверстие 11. Внутренний обод 12 также имеет симметрию вращения вокруг оси Z и расположен против обода 1. Позицией D₁₂ обозначен диаметр внешнего периферийного края внутреннего обода 12. Внешний периферийный край 10 и центральное отверстие 11 центрированы по оси Z. Как это показано на фиг.1 и 4, поверхности обода 1 и внутреннего обода 12 имеют образованные в результате вращения искривленные формы вокруг и на удалении от оси Z с определенным отрезком изгиба. Любая форма обода и внутреннего обода обычного рабочего колеса типа Френсиса применима для определения поверхностей, соответственно, обода и внутреннего обода рабочего колеса, согласно изобретению.

Рабочее колесо R содержит, кроме того, девять лопаток 21 и 22, жестко соединенных с ободом 1 и внутренним ободом 12 и расположенных между ободом 1 и внутренним ободом 12 вокруг оси Z, как это показано на фиг.4. Каждая лопатка 21 или 22 имеет изогнутую форму, в целом в виде участка спирали. Любая кривизна обычной лопатки может подходить для определения кривизны лопатки 21 или 22. Каждая лопатка 21 или 22 содержит периферийную кромку, соответственно, 212 и 222, расположенную на периферии обода 1, и центральную кромку, соответственно 211 и 221, повернутую к оси Z. В данном случае объект квалифицируется как «центральный», если он расположен рядом с осью Z, в противоположность определению «периферийный», которое обозначает объект, удаленный от оси Z.

Когда рабочее колесо R работает в режиме турбины, то внешний периферийный край 212 или 222 образует переднюю кромку лопатки 21 или 22, а внутренний центральный край 211 или 221 образует заднюю кромку. В приводимом ниже описании для работы в режиме турбины используются эти выражения «передняя кромка» и «задняя кромка»; оно может быть переставлено в случае, если рабочее колесо работает в режиме насоса, меняя порядок этих выражений.

Среди девяти лопаток 21 и 22 рабочего колеса R три лопатки 22 имеют развернутую длину, которая меньше развернутой длины других шести лопаток 21. Таким образом, лопатки 22 называются «короткими», в то время как лопатки 21 называются «длинными».

В центральной зоне обода 1 позициями, соответственно, B₂₁ и B₂₂ обозначены точки соединения обода 1 с задними кромками 211 и 221 каждой лопатки 21 или 22. Точки B₂₁ и B₂₂ расположены на одной и той же центральной окружности диаметром D₂₀, центрированной по оси Z. Таким образом, все лопатки 21 и 22 вытянуты до центральной окружности C₂₀, имеющей диаметр D₂₀.

В периферийной зоне обода 1 позицией A₂₁ обозначены точки соединения обода 1 с передними кромками 212 каждой длинной лопатки 21. Точки A₂₁ расположены на первой окружности C₂₁, имеющей диаметр D₂₁, центрированной по оси Z. Также позицией A₂₂ обозначены точки соединения обода 1 с передними кромками 222 каждой короткой лопатки 22. Точки A₂₂ расположены на второй центрированной по оси Z окружности C₂₂, диаметр D₂₂ которой меньше диаметра D₂₁ первой окружности. Таким образом, точки A₂₁ расположены к краю 10 обода 1 ближе, чем точки A₂₂. Диаметры D₂₁ и D₂₂, соответственно, первой и второй окружностей C₂₁ и C₂₂, а также диаметр D₂₀ центральной окружности C₂₀ меньше диаметра D₁₀ края 10.

Другими словами, короткие лопатки 22 меньше вытянуты к краю 10 обода 1, чем длинные лопатки 21. Вот почему развернутая длина коротких лопаток 22 меньше развернутой длины длинных лопаток 21. Таким образом, точки A₂₁ и A₂₂, соответственно, лопаток 21 и 22 расположены на двух различных окружностях C₂₁ и C₂₂, центрированных по оси Z и имеющих различные диаметры, соответственно, D₂₁ и D₂₂.

Согласно варианту изобретения, который не представлен, точки соединения обода с передними кромками могут быть расположены более чем на двух различных окружностях, например, на трех окружностях.

На фиг.3 показано расположение лопаток 21 и 22 на внутреннем ободе 12 рабочего колеса R. Аналогично соединению обода 1 с лопатками 21 и 22 в центральной зоне внутреннего обода 12 позициями, соответственно, G₂₁ и G₂₂ обозначены точки соединения внутреннего обода 12 с задними кромками 211 и 221 каждой лопатки 21 или 22. Точки G₂₁ и G₂₂ расположены на одной и той же центральной окружности C₄₀ диаметром D₄₀, центрированной по оси Z. Таким образом, все лопатки 21 и 22 вытянуты до одной и той же центральной окружности C₄₀ диаметром D₄₀.

В периферийной зоне внутреннего обода 12 позицией F₂₁ обозначены точки соединения внутреннего обода 12 с передними кромками 212 каждой длинной лопатки 21. Точки F₂₁ расположены на третьей окружности C₄₁ диаметром D₄₁, центрированной по оси Z. Также позицией F₂₂ обозначены точки соединения внутреннего обода 12 с передними кромками 222 каждой короткой лопатки 22. Точки F₂₂ расположены на четвертой окружности C₄₂, центрированной по оси Z, диаметром D₄₂, который меньше диаметра D₄₁ третьей окружности.

На практике в зависимости от желаемой мощности гидравлической машины, оснащенной рабочим колесом R, диаметр D₁₀ края 10 обода 1 может составлять от 0,4 до 10 м. Согласно выбранным габаритным размерам обода 1, диаметр D₂₁ первой окружности может составлять от 90% до 100% диаметра D₁₀, а диаметр D₂₂ второй окружности может составлять от 70% до 99%, предпочтительно, от 80% до 95% диаметра D₂₁. Согласно выбранным габаритным размерам внутреннего обода 12, диаметр D₄₁ третьей окружности может составлять от 90% до 100% диаметра D₁₂, а диаметр D₄₂ четвертой окружности может составлять от 70% до 99%, предпочтительно, от 80% до 95% диаметра D₄₁.

Согласно отличительным признакам рабочего колеса R, в частности, габаритным размерам и гирочастоте, при которой она предназначена вращаться в установившемся режиме, каждая короткая лопатка 22 может иметь развернутую длину, составляющую от 50% до 99% развернутой длины длинной лопатки 21. Развернутая длина длинной лопатки 21 может измеряться между точками A₂₁ и B₂₁ или между точками F₂₁ и G₂₁. Также развернутая длина короткой лопатки 22 может измеряться между точками A₂₂ и B₂₂ или между точками F₂₂ и G₂₂. Предпочтительно, развернутая длина короткой лопатки 22 составляет от 70% до 85% развернутой длины длинной лопатки 21. Таким образом, в случае, если длинная лопатка 21 имеет развернутую длину 1 м, то короткая лопатка 22 может иметь, например, развернутую длину 0,8 м.

Для обеспечения хорошей динамической балансировки рабочего колеса R короткие лопатки 22, с одной стороны, и длинные лопатки 21, с другой стороны, равномерно рассредоточены вокруг оси вращения Z рабочего колеса R. В этом случае три короткие лопатки 22 расположены на ободе 1 с угловым смещением α₂₂ между собой, равным 120°. Две длинные лопатки 21 расположены с одинаковым интервалом при размещении между двумя следующими друг за другом короткими лопатками 22 и имеют угловое смещение, равное 40°, между двумя длинными соседними лопатками 21, и 80° между двумя длинными лопатками 21, если между ними расположена короткая лопатка 22.

Возможны другие рассредоточения коротких и длинных лопаток. Таким образом, может быть предусмотрено парное количество лопаток, например, десять, где одной из двух является короткая лопатка, а другой - длинная, причем короткие и длинные лопатки равномерно рассредоточены вокруг оси вращения рабочего колеса.

Рабочее колесо согласно изобретению позволяет уменьшить и даже исключить радиальные напряжения, образующиеся на рабочих колесах с обычной системой лопаток, в частности, во время неустановившихся режимов пуска или остановки при работе в режиме турбины. С удивлением констатировано, что рабочее колесо, согласно изобретению, позволяет уменьшить интенсивность радиальных напряжений, которые испытывает рабочее колесо в неустановившемся режиме. Оптимизация геометрической формы лопаток рабочего колеса в зависимости от его применения позволяет еще больше уменьшить эту интенсивность.

Гидравлическая машина согласно изобретению содержит, таким образом, ограниченную и даже нулевую радиальную девиацию своего рабочего колеса и своего вала. Таким образом, это снижает стоимость гидравлической машины, поскольку ее размеры могут быть рассчитаны ограниченным образом.

В данном случае описание изобретения приведено в контексте реверсивной гидравлической машины типа насос-турбина. Однако изобретение применимо также к «простым» гидравлическим машинам типа турбины.

Группа изобретений относится к области гидромашиностроения. Рабочее колесо типа Френсиса содержит обод 1 с симметрией вращения вокруг оси вращения Z рабочего колеса и изогнутые лопатки 21, 22, жестко соединенные с ободом 1, каждая из которых содержит внешнюю периферийную кромку 212, 222 и внутреннюю центральную кромку 211, 221. Точки соединения В₂₁, В₂₂ обода 1 с внутренними центральными кромками 211, 221 лопаток 21, 22 расположены на одной и той же окружности С₂₀, центрированной относительно упомянутой оси Z. Точки соединения А₂₁, А₂₂ обода 1 с внешними периферийными кромками 212, 222 лопаток 21, 22 расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях С₂₁, С₂₂, центрированных относительно оси Z. Группа изобретений направлена на снижение стоимости составных элементов устройств за счет ограничения их размеров путем снижения воздействия на них радиальных напряжений во время неустановившихся режимов. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочее колесо (R) типа Френсиса для гидравлической машины (М), предназначенное для того, чтобы через него под напором проходил поток воды (Е), которое содержит: обод (1) с симметрией вращения вокруг оси вращения (Z) рабочего колеса (R); множество изогнутых лопаток (21, 22), жестко соединенных с ободом (1), и каждая из которых содержит внешнюю периферийную кромку (212, 222) и внутреннюю центральную кромку (211, 221), отличающееся тем, что точки соединения (В₂₁, В₂₂) обода (1) с внутренними центральными кромками (211, 221) лопаток (21, 22) в целом расположены на одной и той же окружности (С₂₀), центрированной относительно упомянутой оси (Z), причем точки соединения (А₂₁, А₂₂) обода (1) с внешними периферийными кромками (212, 222) лопаток (21, 22) расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях (С₂₁, С₂₂), центрированных относительно упомянутой оси (Z).

2. Рабочее колесо (R) по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит внутренний обод (12) с симметрией вращения вокруг упомянутой оси (Z), расположенный напротив упомянутого обода (1), причем лопатки (21, 22) жестко соединены с внутренним ободом (12), причем точки соединения (G₂₁, G₂₂) внутреннего обода (12) с внутренними центральными кромками (211, 221) лопаток (21, 22) расположены на одной и той же окружности (С₄₀), центрированной относительно упомянутой оси (Z), причем точки соединения (F₂₁, F₂₂) внутреннего обода (12) с внешними периферийными кромками (212, 222) лопаток (21, 22) расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях (C₄₁, С₄₂), центрированных относительно упомянутой оси (Z).

3. Рабочее колесо (R) по п.1, отличающееся тем, что точки соединения (А₂₁, А₂₂) обода (1) с внешними периферийными кромками (212, 222) лопаток (21, 22) расположены на двух различных окружностях (С₂₁, С₂₂), центрированных относительно упомянутой оси (Z), причем так называемые длинные лопатки (21) содержат точки соединения (A₂₁), расположенные на первой окружности (С₂₁), а так называемые короткие лопатки (22) содержат точки соединения (А₂₂), расположенные на второй окружности (С₂₂), диаметр (D₂₂) которого меньше диаметра (D₂₁) первой окружности.

4. Рабочее колесо (R) по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит внутренний обод (12) с симметрией вращения вокруг упомянутой оси (Z), расположенный напротив упомянутого обода (1), причем лопатки (21, 22) жестко соединены с внутренним ободом (12), причем точки соединения (G₂₁, G₂₂) внутреннего обода (12) с внутренними центральными кромками (211, 221) лопаток (21, 22) расположены на одной и той же окружности (C₄₀), центрированной относительно упомянутой оси (Z), причем точки соединения (F₂₁, F₂₂) внутреннего обода (12) с внешними периферийными кромками (212, 222) лопаток (21, 22) расположены, по меньшей мере, на двух различных окружностях (C₄₁, C₄₂), центрированных относительно упомянутой оси (Z).

5. Рабочее колесо (R) по п.4, отличающееся тем, что точки соединения (F₂₁, F₂₂) внутреннего обода (12) с внешними периферийными кромками (212, 222) лопаток (21, 22) расположены на двух различных окружностях (C₄₁, C₄₂), центрированных относительно упомянутой оси (Z).

6. Рабочее колесо (R) по п.4, отличающееся тем, что короткие лопатки (22), с одной стороны, и длинные лопатки (21), с другой стороны, равномерно распределены вокруг упомянутой оси (Z).

7. Рабочее колесо (R) по п.4, отличающееся тем, что оно содержит девять лопаток, из которых шесть являются длинными (21), а три короткими (22), причем короткие лопатки (22) расположены на ободе (1) с угловым смещением (б₂₂), равным 120°.

8. Рабочее колесо (R) по п.4, отличающееся тем, что оно содержит четное количество лопаток, причем на каждые две лопатки одна является короткой.

9. Рабочее колесо (R) по п.4, отличающееся тем, что каждая короткая лопатка (22) имеет развернутую длину, которая составляет от 50% до 99% развернутой длины длинной лопатки (21), предпочтительно от 70% до 85%.

10. Гидравлическая машина (М), отличающаяся тем, что она содержит рабочее колесо (R) по любому из предшествующих пунктов.

11. Установка (i) преобразования энергии, отличающаяся тем, что она оснащена, по меньшей мере, одной гидравлической машиной (М) по п.10.