КРИВОЛИНЕЙНЫЙ КАНАЛ, ОТНОСЯЩИЙСЯ К ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЕ, РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ ПЕЛТОНА И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2015 года по МПК F03B3/18 F03B1/00 F15D1/04 

Настоящее изобретение касается криволинейного канала, принадлежащего к гидравлической машине, а также распределительного узла для рабочего колеса турбины Пелтона и гидравлической машины, содержащей такой криволинейный канал.

Когда вода протекает по криволинейному каналу, она претерпевает центробежные ускорения. В частности, в криволинейном канале, принадлежащем к распределительному узлу, предназначенному для подачи воды на рабочее колесо турбины Пелтона, вода следует по криволинейным траекториям, вдоль которых на нее действуют центробежные ускорения. Как показано на фиг.1, где представлены изобары в поперечном сечении криволинейного канала С, центробежные ускорения создают градиент давления между внутренней стенкой INT и наружной стенкой ЕХТ по кривизне криволинейного канала С. Изобары показывают разнородное распределение потока в известном распределительном узле.

Градиенты давления, создаваемые в центральной зоне криволинейного канала С, приводят к окружной циркуляции воды вдоль стенок между внутренней стенкой INT и наружной стенкой ЕХТ.

В криволинейном канале С вода в основном течет в продольном направлении, но вместе с тем имеет вторичные потоки, которые циркулируют поперечно к продольному направлению криволинейного канала С, например в плоскости фиг.1. Однако в случае распределительного узла такие вторичные потоки уменьшают кинетическую энергию каждой из водяных струй, которые на выходе распределительного узла приводят в действие рабочее колесо турбины Пелтона. Как показано на фиг.2, по причине этих вторичных потоков водяные струи на выходе распределительного узла не имеют цилиндрическую форму и отклоняются. Таким образом, вторичные потоки снижают производительность турбины Пелтона.

В документе FR-А-1064617 раскрыт криволинейный нагнетательный канал для гидравлической машины. Три ребра, направляющие поток, закреплены внутри канала и ориентированы по кривизне канала. Такие ребра не позволяют существенно снизить скорость вторичных потоков, что снижает производительность гидравлической машины.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и разработка криволинейного канала, который предназначен для направления водяного потока и максимизации кинетической энергии потока в канале и кинетической энергии водяной струи на выходе канала.

Для решения задачи предлагается криволинейный канал гидравлической машины, предназначенный для направления потока. Криволинейный канал оснащен ребрами, закрепленными на его внутренней стенке. Согласно изобретению ребра содержат отверстия.

Благодаря изобретению водяной поток в криволинейном канале слегка рассеивается, то есть скорости вторичных потоков снижаются по сравнению с вторичными потоками, возникающими в известных криволинейных каналах.

Согласно предпочтительным вариантам изобретения такой криволинейный канал может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых в любой технически допустимой комбинации:

- В поперечном сечении криволинейного канала высота каждого ребра, измеряемая перпендикулярно к продольной оси этого ребра, находится в пределах между одной сотой и одной десятой внутреннего диаметра криволинейного канала.

- В поперечном сечении криволинейного канала ребра образуют решетку по всему этому сечению.

- Отверстия являются круглыми, и диаметр каждого отверстия находится в пределах от 0,5 тысячной до 5 тысячных внутреннего диаметра криволинейного канала.

- Отверстия имеют не круглую форму.

- Продольная ось каждого ребра параллельна продольной оси криволинейного канала.

- Продольная ось ребер имеет наклон по отношению к продольной оси криволинейного канала.

- Ребра представляют собой решетки, содержащие несколько рядов отверстий.

Объектом изобретения является также распределительный узел для рабочего колеса турбины Пелтона, содержащий, по меньшей мере, один такой криволинейный канал.

Наконец, объектом изобретения является гидравлическая машина, содержащая, по меньшей мере, один такой криволинейный канал и такой распределительный узел.

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания криволинейного канала и турбины Пелтона в соответствии с его принципом, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид в поперечном разрезе известного распределительного узла с показом изобар в потоке.

Фиг.2 - вид в изометрии водяной струи на выходе распределительного узла, показанного на фиг.1.

Фиг.3 - вид в разрезе в экваториальной плоскости участка тора, образуемого распределительным каналом, в распределительном узле согласно изобретению.

Фиг.4 - вид в разрезе по линии IV-IV фиг.3.

Фиг.5 - фронтальный вид ребра, которым оборудован распределительный узел, показанный на фиг.3.

Фиг.6 - вид, аналогичный фиг.4, канала согласно второму варианту выполнения изобретения.

Фиг.7 - вид, аналогичный фиг.4, канала согласно третьему варианту выполнения изобретения.

На фиг.3 показан распределительный узел или распределитель 1, предназначенный для подачи воды на рабочее колесо R турбины Пелтона, которое само по себе известно. Колесо R в основном имеет симметрию вращения вокруг оси Y, вокруг которой оно вращается. Ось Y перпендикулярна к плоскости фиг.3.

Входной канал Е направляет в распределитель 1 водяной поток, символично показанный стрелкой F_E. Входной канал Е расположен на входе распределителя 1. В рамках настоящей заявки термины «входной» и «выходной» следует рассматривать относительно общего направления потока воды в гидравлической машине, содержащей распределитель 1 и колесо R.

Распределитель 1 содержит распределительный канал 2 и несколько нагнетательных каналов, число которых может составлять от одного до шести. В этом примере показаны пять нагнетательных каналов 41, 42, 43, 44 и 45, образованных отводами, направленными от распределительного канала 2 к колесу R. Распределительный канал 2 в основном имеет форму участка тора, ось вращения которого по существу параллельна оси Y.

Х2 обозначает криволинейную продольную ось распределительного канала 2, которая следует кривизне распределительного канала 2. Ось Х2 проходит через центр каждого поперечного сечения распределительного канала 2.

Каждый нагнетательный канал 41-45 соединен с распределительным каналом 2. Таким образом, часть водяного потока, поступающего из входного канала Е, проходит в каждый нагнетательный канал 41-45 через распределительный канал 2. Таким образом, вода протекает из распределительного канала 2 в каждый нагнетательный канал 41-45.

Нагнетательные каналы 41-45 распределены вокруг места, занимаемого колесом R. Нагнетательные каналы 41-45 равномерно распределены вокруг оси Y и по периферии колеса R. Два последовательных нагнетательных канала, например нагнетательные каналы 44 и 45, разделены углом А4 примерно в 72°.

Каждый нагнетательный канал 41-45 выполнен с возможностью нагнетания воды в ковши рабочего колеса R, что позволяет приводить колесо R во вращение вокруг его оси Y. Распределитель 1, колесо R и входной канал Е вместе образуют гидравлическую машину типа турбины Пелтона.

Соответствующий конец 410, 420, 430, 440, 450 каждого нагнетательного канала 41-45, расположенный противоположно по отношению к распределительному каналу 2, оборудован соплом, нагнетающим водяную струю J в направлении ковшей колеса. На распределителе 1 установлен известный механизм для приведения в действие иглы каждого сопла. В водяных струях J вектор скорости потока в основном имеет соответствующее продольное направление Х41, Х42, Х43, Х44, Х45 каждого нагнетательного канала 41-45.

Как показано на фиг.3, распределительный канал 2 в основном имеет форму участка тора с осью Y. Термин «участок» означает, что тор расположен «по кругу» с углом тора А2 менее 350°. В данном случае угол тора А2 примерно равен 280°. Иначе говоря, распределительный канал имеет форму «открытого» тора.

Весь водяной поток F_E, заходящий в распределительный канал 2, проходит через нагнетательные каналы 41-45. Затем каждый нагнетательный канал 41-45 выбрасывает водяную струю J в направлении ковшей колеса R. После этого вода собирается на корпусе 6, после чего удаляется через, по меньшей мере, один не показанный здесь выходной канал.

Распределительный канал 2 оборудован несколькими ребрами 8, показанными на фиг.3 пунктирными линиями. Ребра 8 закреплены внутри распределительного канала 2 и проходят между нагнетательным каналом 41 и нагнетательным каналом 42. В частности, в представленном примере ребра 8 проходят от линии L1, находящейся на выходе нагнетательного канала 41, до линии L2, находящейся на входе распределительного канала 42. Дополнительно ребрами 8 можно оборудовать другие участки распределителя 1, например, по меньшей мере, один нагнетательный канал 41-45 или, по меньшей мере, один другой участок распределительного канала 2 и даже весь распределительный канал 2.

На фиг.5 частично показано одно из ребер 8. Каждое ребро 8 имеет вид полосы небольшой толщины с продольной осью Х8. Н8 обозначает высоту каждого ребра 8, измеренную перпендикулярно к продольной оси Х8.

В каждом ребре 8 выполнены отверстия 10, распределенные вдоль продольной оси Х8. Отверстия 10 являются круглыми, и их диаметр обозначен D10. Диаметр D10 является максимальным размером отверстий 10. Обозначением d10 показано расстояние между центром двух смежных отверстий.

На фиг.4 показано поперечное сечение участка распределительного канала 2, оборудованного ребрами 8. Ребра 8 закреплены на внутренней стенке 22 распределительного канала 2. Распределительный канал 2 оборудован несколькими ребрами 8, равномерно распределенными вокруг его поперечного сечения. В поперечном сечении распределительного канала 2 ребра проходят радиально, то есть в направлении центра поперечного сечения, через который проходит ось Х2. Вместе с тем, в не показанном здесь варианте выполнения ребра 8 могут быть расположены не радиально.

Обозначением D2 показан внутренний диаметр распределительного канала 2, то есть диаметр внутренней поверхности 22 распределительного канала 2. Предпочтительно, но не обязательно диаметр D10 отверстий 10 составляет от 0,5 тысячной до 5 тысячных диаметра D2. Кроме того, предпочтительно, но не обязательно высота Н8 ребер составляет от одной сотой до одной десятой диаметра D2.

Продольная ось Х8 каждого ребра 8 параллельна продольной оси Х2, то есть ребра 8 следуют кривизне распределительного канала 2. В не показанном здесь варианте продольная ось Х8, по меньшей мере, одного ребра 8 может иметь наклон по отношению к продольной оси Х2 распределительного канала 2. Например, продольная ось Х8, по меньшей мере, одного ребра 8 может проходить по спирали внутри распределительного канала 2.

Предпочтительно, но не обязательно отверстия 10 двух смежных ребер 8 смещены относительно друг друга вдоль продольной оси Х2. Таким образом, когда вторичный поток циркулирует поперечно вдоль внутренней поверхности 22 распределительного канала 2 и проходит в отверстие 10 первого ребра 8, этот вторичный поток встречает на своем пути препятствие, образованное участком второго ребра 8, находящимся между двумя смежными отверстиями 10.

Во время работы поток F_E поступает во входной канал Е. На выходе входного канала Е поток F_E делится на две части. Первая часть потока F_E направляется в нагнетательный канал 41, а вторая часть потока F_E проходит в распределительном канале 2 в направлении линии L1. Поскольку участок распределительного канала 2, расположенный между линиями L1 и L2, является изогнутым, вблизи внутренней стенки 22 распределительного канала 2 образуются вторичные потоки. Вторичные потоки являются поперечными, то есть перпендикулярными к главному потоку, параллельному оси Х2, который циркулирует в центральной зоне распределительного канала 2.

Проходя вдоль внутренней стенки 22, вторичные потоки встречают ребра 8 и проходят через отверстия 10. Проходя через отверстия 10, вторичные потоки рассеиваются, не доходя до центральной зоны распределительного канала 2, что не позволяет вторичным потокам возмущать главный поток.

Расположение ребер 8 и отверстий 10, а также их размеры выбирают таким образом, чтобы оптимизировать рассеяние кинетической энергии вторичных потоков. Благодаря небольшой высоте Н8 ребер 8 по отношению к диаметру D2 распределительного канала 2, ребра Н8 практически не влияют на главный поток. Кроме того, смещение между отверстиями 10 двух смежных ребер 8 позволяет оптимизировать рассеяние вторичных потоков.

Благодаря изобретению водяные струи J на выходе нагнетательных каналов 41-45 не отклоняются, то есть являются параллельными соответственно по отношению к осям Х41-Х45. Таким образом, производительность турбины Пелтона является оптимальной.

В не показанном здесь варианте ребра 8 могут содержать, по меньшей мере, два ряда отверстий 10, каждый из которых выполнен вдоль оси, параллельной продольной оси Х8 ребра 8.

В не показанном здесь варианте отверстия 10 имеют не круглую форму. Например, отверстия 10 могут быть овальными, квадратными или многоугольными. В этом случае максимальный размер квадратных отверстий, измеренный по диагонали, предпочтительно находится в пределах от 0,5 тысячной до 5 тысячных диаметра D2.

С другой стороны, ребра 8 могут быть выполнены в виде решетки, содержащей несколько рядов отверстий 10, которые могут быть, например, квадратными или круглыми.

В примере, представленном на фиг.3-5, ребрами 8 оборудован распределительный узел 1 турбины Пелтона, однако согласно изобретению ребрами 8 можно оборудовать криволинейный канал, принадлежащий к любой гидравлической машине.

На фиг.6 представлен второй вариант выполнения изобретения, в котором элементы, аналогичные элементам первого варианта выполнения, обозначены теми же цифровыми позициями с добавлением буквы «а». Ниже представлены в основном признаки, которые отличают второй вариант выполнения от первого варианта.

В поперечном сечении криволинейного канала 2а ребра 8а образуют решетку в виде сотовой структуры по всему сечению. В этом втором варианте выполнения ребра 8а проходят не только вблизи внутренней стенки 22а канала 2а, но присутствуют также в центральной зоне канала 2а. Отверстия, аналогичные отверстиям из первого варианта выполнения, выполнены вдоль ребер 8а как вблизи внутренней стенки 22а, так и на уровне центральной зоны распределительного канала 2а.

На фиг.7 представлен третий вариант выполнения изобретения, в котором элементы, аналогичные элементам первого варианта выполнения, обозначены теми же цифровыми позициями с добавлением буквы «b». Ниже представлены в основном признаки, которые отличают третий вариант выполнения от первого варианта.

В третьем варианте выполнения криволинейный канал 2b оборудован несколькими ребрами 8b, закрепленными на внутренней стенке 22b канала 2b.

Ребра 8b расположены радиально и соединяются в центре распределительного канала 2b на уровне центральной продольной оси Х2 канала 2b. Таким образом, высота H8b ребер 8b больше высоты Н8 ребер из первого варианта выполнения.

В этом варианте выполнения ребра 8b образуют решетку в виде звезды по всему сечению канала 2b, то есть ребра 8b пересекают весь канал 2b.

В ребрах 8b выполнены отверстия, не показанные на фиг.6, аналогичные отверстиям из первого варианта выполнения.

Описанные выше варианты и версии выполнения можно комбинировать, чтобы получить другие варианты выполнения изобретения.

Группа изобретений касается криволинейного канала, относящегося к гидравлической машине, а также распределительного узла для рабочего колеса турбины Пелтона и гидравлической машины, содержащей такой криволинейный канал. Криволинейный канал (2) предназначен для направления потока. Криволинейный канал (2) оснащен ребрами (8), закрепленными на его внутренней стенке (22) и содержащими отверстия. Группа изобретений направлена на максимизацию кинетической энергии потока в канале и кинетической энергии водяной струи на выходе канала. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b), относящийся к гидравлической машине и предназначенный для направления потока (F_E), при этом криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) оснащен ребрами (8; 8а; 8b), закрепленными на его внутренней стенке (22; 22а; 22b), отличающийся тем, что ребра (8; 8а; 8b) содержат отверстия (10).

2. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45) по п. 1, отличающийся тем, что в поперечном сечении криволинейного канала (2, 41, 42, 43, 44, 45) высота (Н8) каждого ребра (8), измеряемая перпендикулярно к продольной оси (Х8) этого ребра (8), находится в пределах между одной сотой и одной десятой внутреннего диаметра (D2) криволинейного канала (2, 41, 42, 43, 44, 45).

3. Криволинейный канал (2а; 2b) по п. 1, отличающийся тем, что в поперечном сечении криволинейного канала (2а; 2b) ребра (8а; 8b) образуют решетку по всему этому сечению.

4. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (10) являются круглыми, причем диаметр (D10) каждого отверстия находится в пределах от 0,5 тысячной до 5 тысячных внутреннего диаметра (D2) криволинейного канала (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b).

5. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что отверстия (10) имеют не круглую форму.

6. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что продольная ось (Х8)
каждого ребра (8; 8а; 8b) параллельна продольной оси (Х2) криволинейного канала (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b).

7. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что продольная ось (Х8) ребер (8; 8а; 8b) имеет наклон по отношению к продольной оси (Х2) криволинейного канала (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b).

8. Криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что ребра (8; 8а; 8b) представляют собой решетки, содержащие несколько рядов отверстий (10).

9. Распределительный узел (1) для рабочего колеса (R) турбины Пелтона, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из предыдущих пунктов.

10. Гидравлическая машина, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один криволинейный канал (2, 41, 42, 43, 44, 45; 2а; 2b) по одному из пп. 1-8 или распределительный узел (1) по п. 9.