ВИНТ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ ВИНТОМ, И СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТАКОГО ВИНТА Российский патент 2016 года по МПК F03B3/12 F04D29/18 

Настоящее изобретение касается винта для гидравлической машины, в частности типа турбины, а также гидравлической машины, снабженной таким винтом, и способа соединения такого винта.

В соответствии с настоящим изобретением гидравлической машиной могут являться турбина, насос или насос-турбина, используемая, например, в гидроэлектростанции. Винт по изобретению предназначен для того, чтобы через него проходил сильный напор воды. Ниже в описании "верх" означает сторону потока, которая находится выше относительно выхода этого потока. Такой поток с входа на выход предназначен для привода винта во вращение, когда машиной является турбина. Когда машина является насосом, то вращение винта в обратном направлении заставляет течь поток с выхода на вход.

Некоторые винты гидравлической машины имеют диаметр, превышающий 6 метров. Очень трудно и даже невозможно транспортировать такие винты наземным, морским или воздушным путем на место их размещения, учитывая напряжения, испытываемые транспортными инфраструктурами. Известна транспортировка таких винтов в разобранном на несколько деталей виде, которые собираются на месте. Например, лопасти привариваются на месте к центральной ступице винта. Однако такая сборка с помощью сварки является относительно длительной и нудной работой, учитывая большое количество мест сварок, которые необходимо осуществить, и используемого сварочного материала. Кроме того, после приварки лопастей к ступице периферия лопастей винта должна быть механически обработана для получения точного наружного размера винта, в частности для контроля размера зазора между наружным обтекателем винта и концом лопастей. Такие операции обработки трудно осуществить на месте. Кроме того, классически, собранный таким образом винт должен подвергнуться термической обработке для улучшения его механических характеристик, что также требует крупногабаритного оборудования, которое следует доставить на место.

Для исключения этих недостатков известно изготовление винта для гидравлической машины путем соединения между собой нескольких секторов, каждый из которых состоит из части ступицы и лопасти. Так, в документе СА-А-874235 предлагается соединение между собой таких секторов с помощью колец, расположенных на уровне двух осевых колец ступицы. Эти кольца образуют бандажи: они нагреваются, что вызывает их расширение и позволяет поместить их на место вокруг секторов, расположенных одни напротив других. После размещения на месте кольца охлаждают, что вызывает уменьшение их диаметра, так что кольца фиксируют различные секторы в собранном положении.

При температуре окружающей среды, когда кольцо не установлено на месте вокруг ступицы, внутренний диаметр кольца меньше диаметра ступицы, измеренного на уровне, где должно быть расположено это кольцо, чтобы осуществить усилие стягивания. Напряжение этого усилия стягивания зависит от разности диаметров между внутренним диаметром кольца и внешним диаметром ступицы. Чем больше эта разность диаметров, тем более значительно усилие стягивания.

Усилие стягивания зависит также от поперечного сечения кольца и механических свойств используемых материалов, в частности их твердости.

В процессе нагрева кольца максимальное увеличение его внутреннего диаметра зависит от максимальной температуры, до которой оно может быть нагрето без изменения его механических свойств. Таким образом, необходимо в процессе нагрева кольца, которое расширяется достаточно для обеспечения зазора между внутренним диаметром кольца и ступицей, обеспечить размещение кольца на месте вокруг секторов. С другой стороны, чем меньше диаметр кольца, тем менее значительно расширение кольца.

Когда диаметр ступицы невелик, использование бандажных колец не применяется, в частности, если необходимо обеспечить последовательное усилие стягивания, а также зазор, достаточный для обеспечения размещения на месте кольца.

Более того, в случае ступиц малого диаметра геометрия выходного края ступицы, в общем, не позволяет обеспечить установку монтажа вследствие проблем габаритных размеров.

В патенте US-A-3973876 раскрыт винт гидравлической машины, изготовленный из нескольких секторов, каждый из которых содержит часть ступицы и лопасть. Внутри полой ступицы расположено несколько винтовых стяжек, которые используются для соединения двух расположенных напротив секторов ступицы. Бандажные кольца, расположенные на уровне каждого кольца ступицы, укрепляют соединение. Такое решение неприемлемо, когда количество лопастей является нечетным. Более того, бандажные кольца не подходят для ступиц малого диаметра. Следовательно, габаритные размеры ступицы имеют относительно большое значение, что ухудшает кпд винта и его гидравлические функции.

Документы US-A-2009/0092495 и US-A-2009/0092496 описывают винт гидравлической машины, содержащий центральную моноблочную ступицу, с которой соединены лопасти. Каждая лопасть жестко соединена с фланцем, а внешняя поверхность ступицы снабжена зонами, специально предназначенными для размещения фланцев. Для крепления фланцев к ступице использованы болтовые соединения. Диаметр ступицы должен быть относительно большим для обеспечения соединения фланцев. В определенных случаях диаметр ступицы увеличен только для обеспечения соединения фланцев, что вызывает увеличение размеров всей гидравлической машины. Таким образом, это решение является дорогостоящим. Более того, оно требует значительного количества операций механической обработки ступицы и лопасти, что также увеличивает стоимость такого винта.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и разработка винта для гидравлической машины, который легко транспортируется, и монтаж которого на месте установки облегчен. Другой задачей изобретения является предложение винта, диаметр центральной ступицы которого изменяется и уменьшается от входа к выходу, при этом диаметр ступицы относительно невелик на уровне конца малого диаметра.

Для решения указанных задач предлагается винт для гидравлической машины, предназначенный для того, чтобы через него проходил поток воды, при этом винт содержит ступицу, размещенную вдоль оси вращения винта, и лопасти, выходящие из ступицы. Винт состоит из нескольких секторов, каждый из которых содержит корпус, который при соединении всех секторов образует ступицу. Каждая лопасть жестко соединена с корпусом одного сектора. Секторы соединены между собой для образования винта с помощью по меньшей мере одного бандажного кольца, которое размещено вокруг корпусов секторов. Ступица выполнена полой, а каждый сектор содержит боковую стенку и выступ, который жестко соединен с боковой стенкой и который выступает внутрь ступицы перпендикулярно оси. Секторы, кроме того, соединены между собой для образования винта с помощью, по меньшей мере, диска, соединенного с выступом каждого сектора внутри ступицы с использованием соответствующих элементов крепления.

Благодаря изобретению соединение различных секторов осуществляется одновременно с помощью бандажного кольца и соединительного элемента. Винт по изобретению, в частности, приспособлен к ступицам, в общем случае коническим, конец малого диаметра которых имеет относительно малый диаметр и даже нулевой, так как в этом случае бандажное кольцо надевается на конец ступицы большего диаметра, который, в большинстве случаев, имеет достаточно большой диаметр для осуществления эффективного бандажного крепления. Это позволяет уменьшить габаритные размеры ступицы и винта и улучшить его кпд и его гидравлические характеристики. Соединительный элемент закреплен внутри ступицы таким образом, что нет необходимости приспосабливать радиально внешнюю поверхность ступицы, то есть гидравлическую поверхность, которая смачивается при работе, к размещению крепежных элементов. Кроме того, такое соединение относительно легко осуществляется на месте без необходимости транспортировки обрабатывающего оборудования.

В соответствии с предпочтительным, но не обязательным вариантом изобретения, такой винт может соответствовать одной или нескольким следующим характеристикам в любой технически возможной комбинации:

- Ступица выполнена, в целом, в форме усеченного конуса и имеет первый осевой конец, обращенный к входу потока, и второй осевой конец, обращенный к выходу потока, радиально наружный максимальный размер которого, измеренный перпендикулярно оси, меньше радиально наружного первого осевого конца.

- Бандаж установлен на уровне первого осевого конца ступицы.

- Первый аксиальный конец ступицы продолжен к оси стенкой, которая содержит канавку для приема кольца, при этом канавка размещена в плоскости, перпендикулярной оси.

- Соединительные элементы образованы болтовыми соединениями и/или штифтами.

- Секторы выполнены моноблочными, в частности изготовлены отливкой.

- Секторы изготовлены путем соединения одной из лопастей с одним из корпусов, в частности сваркой.

Изобретение касается также гидравлической машины, снабженной таким винтом.

Наконец, изобретение касается также способа соединения такого винта, который включает этапы, в соответствии с которыми:

- кольцо образует бандаж вокруг корпуса каждого сектора,

- по меньшей мере один диск соединен с выступом каждого сектора.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один диск был соединен с выступом каждого сектора с помощью соответствующих соединительных элементов, в частности болтовых соединений и/или штифтов.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фиг.1 изображает вид сверху винта в соответствии с изобретением;

- Фиг.2 изображает в более крупном масштабе вид в разрезе по линии II-II фиг.1; и

- Фиг.3 изображает вид в изометрии один из секторов, из которых изготовлен винт по фиг.1, одна часть кольца и одна часть диска, входящих в состав винта по фиг.1 и 2.

Фиг.1 и 2 изображают винт 1, предназначенный для оборудования не изображенной на чертеже гидравлической машины, такой как турбина, насос или турбина - насос. При работе поток, поступающий по не изображенному тоннелю, проходит через винт 1, который, таким образом, вращается на центральной оси Х-Х.

Винт 1 содержит пять лопастей 2 спиральной формы, равномерно расположенных вокруг оси Х-Х и которые выступают из центральной ступицы 3 винта 1. Ступица 3 является полой и вытянута вдоль оси Х-Х. Ступица 3 имеет общую форму части конуса по оси Х-Х. Винт 1 изготовлен путем соединения пяти идентичных секторов 4, один из которых изображен на фиг.3. Каждый сектор 4, геометрия которого ниже детально представлена, состоит из корпуса 5, жестко соединенного с лопастью 2. Корпус 5 предназначен для образования части ступицы 3 после соединения винта 1.

Каждый сектор 4 может быть моноблочным, то есть выполненным в виде одной детали отливкой. Альтернативно, корпус 5 и лопасть 2 каждого сектора изготовлены отдельно, например литьем, ковкой или механической обработкой, и затем соединены, например, сваркой.

Ниже "радиальным" называют направление, которое перпендикулярно оси Х-Х и которое проходит через ось Х-Х. Поверхности, перпендикулярные радиальному направлению, например цилиндрические поверхности оси Х-Х с окружным сечением, и, в более широком смысле, поверхности с осевой симметрией вокруг оси Х-Х, например конические поверхности, рассматриваются как "радиальные" поверхности.

Ступица 3 имеет первый осевой конец 31 с внешним диаметром D1 и второй аксиальный конец 32, наружный диаметр D2 которого меньше диаметра D1. При работе первый конец 31 расположен с входной стороны потока, а вторая сторона 32 расположена с выходной стороны потока. Такая ориентация действительна как при использовании винта 1 в качестве турбины, так и в качестве насоса. Диаметр D1 соответствует максимальному диаметру ступицы 3 между осевыми концами 31 и 32. Позицией 30 обозначена радиальная боковая стенка ступицы 3, которая размещена между концами 31 и 32, радиальная стенка 30 осесимметрична, то есть она имеет симметрию вращения вокруг оси Х-Х.

Радиальная стенка 30 на уровне первого конца 31 ступицы 3 радиально продолжается внутрь ступицы 3, то есть к оси Х-Х, первой кольцевой стенкой 33, перпендикулярной оси Х-Х. В первой стенке 33 выполнены отверстия 36 для соединения, например, с помощью болтов, винта 1 с передаточным валом, который является входным или выходным валом в зависимости от типа гидравлической машины. Кольцевая канавка 7, дно которой перпендикулярно оси Х-Х, а боковые стенки параллельны оси Х-Х, выполнена в первой стенке 33. Канавка 7 размещена в плоскости, перпендикулярной оси Х-Х. Наружную форму радиальной стенки 30 получают слегка изогнутым поворотом сегмента вокруг оси Х-Х.

Вторая кольцевая стенка 34 ступицы 3, перпендикулярная оси Х-Х, выступает внутрь ступицы 3 в направлении Х-Х. Вторая стенка 34 расположена примерно на одной трети высоты ступицы 3, измеренной по оси Х-Х со стороны второго конца 31, но, как вариант, вторая стенка 34 может быть смещена к концу 31 или 32 ступицы 3. Отверстия 37, особенно хорошо заметные на секторе 4 фиг.3, просверлены в стенке 34 и расположены по двум кольцевым концентрическим контурам. Как более детально объяснено ниже, вторая стенка 34 образует соединительную планшайбу.

Как изображено на фиг.3, каждый корпус 5 имеет форму части конуса, которая простирается на 72° между первым боковым краем 51 и вторым боковым краем 52 корпуса 5.

Боковые края 51 и 52 являются плоскими и после соединения винта 1 эти плоскости ориентированы радиально, то есть они параллельны оси Х-Х и проходят по оси Х-Х. Как вариант, боковые края 51 и 52 могут иметь другую геометрию, например криволинейную в форме спирали, но так, чтобы после соединения секторов 4 края 51 и 52 секторов 4 находились в контакте между собой.

Позицией 50 обозначена боковая радиальная стенка корпуса 5 каждого сектора 4. Каждый корпус 5 продолжен к оси Х-Х первым выступом 53 и вторым выступом 54, которые после соединения секторов 4 образуют соответственно вместе первую стенку 33 и вторую стенку 34 ступицы 3.

Далее описание касается способа соединения винта 1 с помощью кольца 6 и диска 9. На фиг.3 части кольца 6 и диска 9, которые после соединения секторов 4 не контактируют с сектором 4 по фиг.3, изображены пунктирной линией. Кольцо 6 имеет прямоугольное сечение и размещено в канавке 7. Диск 9 снабжен отверстиями 97, выполненными по двум концентрическим кольцевым контурам и соответствующими отверстиям 37 второй стенки 34. Как вариант количество кольцевых контуров может больше или меньше двух.

На первом этапе соединения кольцо 6 выполняет функцию бандажа. Для этого кольцо 6 нагревается и расширяется. Затем кольцо 6 вставляется в канавку 7, как изображено стрелкой F1 на фиг.3. Когда кольцо 6 охлаждается, его диаметр уменьшается и кольцо 6 сжимает секторы 4 между собой на уровне выступов 53, которые опираются один на другой для образования первой стенки 33, что удерживает их в этом положении. Усилие сжатия кольца 6 перпендикулярно оси Х-Х и приложено к первой перегородке 33, а также к боковым краям 51 и 52. Видно, что наружный диаметр канавки 7 больше наружного диаметра кольца 6, что позволяет поместить кольцо 6 в канавке 7, когда кольцо 6 расширено вследствие нагрева.

На втором этапе соединения диск 9 соединяется со вторым выступом 54 каждого сектора 4 с помощью болтовых соединений 10, каждое из которых содержит болт 11, который взаимодействует с одним из отверстий 37 вторых выступов 54, с одним из отверстий 97 диска и с гайкой 12. На фиг.3 изображено одно болтовое соединение 10, так как другие болтовые соединения 10 на практике взаимодействуют с каждым из отверстий 37 и 97. Размещение диска 9 на разных выступах 54 со стороны края 31 ступицы 3 показано стрелкой F2 на фиг.3. Как вариант, диск 9 может быть размещен с другой стороны выступов 54, то есть со стороны конца 32 ступицы 3. Затягивание гаек 12 каждого болтового соединения 10 позволяет регулировать силу трения между диском 9 и вторыми выступами 54 для контроля соединения. Диск 9 представляет собой, таким образом, соединительный элемент секторов 4.

После соединения винта 1 первый боковой край 51 и второй боковой край 52 боковой стенки 50 корпуса 5 каждого сектора 4 находится соответственно в контакте со вторым боковым краем 52 и первым боковым краем 51 двух соседних секторов 4.

Известным образом использование бандажа не может быть применено для ступиц малого диаметра, так как диаметр кольца является очень малым для того, чтобы его расширение было достаточным и позволило осуществить размещение вокруг секторов при обеспечении достаточного усилия сжатия. С другой стороны, в случае ступиц малого диаметра геометрия выходного конца ступицы не позволяет, в общем, осуществить установку бандажа по причинам габаритных размеров.

Соединение секторов 4 с помощью кольца 6 и диска 9 особенно применимо для винтов конической формы или в общем случае конических, так как кольцо 6 является бандажом на уровне первого кольца 31, которое представляет собой кольцо большого диаметра. В объеме изобретения возможно использование относительно большой конусности ступицы 3, так как второй конец 32 ступицы 3, который является концом малого диаметра, не охватывается бандажом. Таким образом, благодаря изобретению диаметр D2 является относительно малым, что позволяет уменьшить габаритный размер ступицы 3. Кроме того, уменьшение диаметра D2 оказывает положительное влияние на гидравлические свойства винта 1. В рамках изобретения диаметр D2 второго конца 32 может быть нулевым, в этом случае второй конец имеет форму точки.

Следовательно, благодаря изобретению отношение, имеющее в качестве знаменателя диаметр D1 и в качестве числителя диаметр D2, является относительно малым.

Кроме того, соединение диска 9 на месте является относительно простым, так как достаточно наложить диск 9 на выступы 54, затем поместить на место болтовые соединения 10 без необходимости использования сложного и крупногабаритного оборудования. Кроме того, отсутствует необходимость изменять геометрию радиальной стенки 30 ступицы 3, ее размеры для крепления диска 9, так как он соединяется с помощью болтовых соединений 10 со второй стенкой 34, которая специально предусмотрена для этого и которая расположена внутри ступицы 3. Также количество секторов 3 может быть четным или нечетным.

Ступица 3, в общем случае, имеет форму усеченного конуса, но как вариант она может иметь другую геометрию, например кольцевую цилиндрическую, или многоугольную, или коническую с поперечным многоугольным сечением. В этом случае диаметры D1 и D2 соответствуют наружному радиальному или наружному поперечному размеру ступицы 3, то есть измеренному перпендикулярно оси Х-Х. Например, в случае ступицы с квадратным сечением максимальный наружный размер ступицы соответствует диагонали квадратного сечения.

В качестве варианта, когда ступица 3 не имеет форму усеченного конуса, диск 9 не выполнен в форме кольца. Например, диск 9 может быть квадратной, шестиугольной или многоугольной формы в зависимости от формы радиальной стенки 30 ступицы 3 и второй стенки 34.

Как вариант, диск 9 соединен со второй ступицей 34 с помощью штифтов или комбинации болтовых соединений и штифтов. Штифты с силой вставлены в отверстия 37 и 97 и предназначены для того, чтобы выдерживать радиальные нагрузки.

Как вариант, два диска 9 используются для соединения винта 1 и размещаются с обеих сторон второй стенки 34. Количество дисков 9 может быть больше двух. Таким образом, винт 1 содержит по меньшей мере один диск 9.

Как вариант, корпус 5 каждого сектора 4 содержит два выступа 54, распределенных между первым концом 31 и вторым концом 32 ступицы 3. В этом случае могут быть использованы один или два диска 9 для соединения выступов 54 между собой, которые после соединения секторов 4 образуют вместе одну или две стенки 34.

Как вариант, некоторые из секторов 4 не содержат лопасти 2. Например, один из двух секторов 4 может не содержать лопасти 2.

Как вариант, винт 1 содержит одно или несколько других колец, подобных кольцу 6 и стянутых вокруг корпусов 5 секторов 4.

Как вариант, количество секторов 4 отлично от пяти. Например, винт 1 может быть изготовлен путем соединения от трех до двенадцати секторов. В этом случае и когда края 51 и 52, являются плоскими, каждый корпус 5 простирается на угловой сектор, равный 360º, разделенным на количество секторов 4.

Как вариант, количество лопастей 2 отлично от пяти.

Как вариант, канавка 7 может быть полой в радиальной стенке 30 со сторонами, перпендикулярными оси Х-Х. Однако кольцо 6 помещено в воду, что может привести к его разрушению. Кроме того, может не быть обеспечена непрерывность между радиальной стенкой 30 и кольцом 6 и может образоваться зазор между радиальной стенкой 30 и кольцом 6, что может вызвать турбулентность и кавитацию. Эти недостатки исключены благодаря размещению канавки 7, как изображено на чертежах, так как конец радиальной стенки 30, расположенной со стороны первого конца 31 ступицы 3, защищает кольцо 6 от воды.

Различные варианты осуществления изобретения, описанные выше, могут быть скомбинированы между собой для реализации и других вариантов осуществления изобретения.

Группа изобретений касается винта для гидравлической машины, в частности типа турбины, а также гидравлической машины, снабженной таким винтом, и способа соединения такого винта. Винт (1) содержит ступицу (3), расположенную вдоль оси вращения (Х-Х), и лопасти (2), выступающие из ступицы (3). Винт (1) состоит из нескольких секторов (4), каждый из которых содержит корпус, которые при соединении секторов (4) образуют узел ступицы (3). Каждая лопасть (2) жестко соединена с корпусом сектора (4). Секторы (4) соединены между собой с помощью по меньшей мере одного бандажного кольца (6), которое размещают вокруг корпусов секторов (4). Ступица (3) выполнена полой. Каждый сектор (4) содержит боковую стенку (50) и выступ, который жестко соединен с боковой стенкой (50) и который выступает внутрь ступицы (3) перпендикулярно оси (Х-Х). Секторы (4) соединены между собой с помощью по меньшей мере одного диска (9), соединенного с выступом каждого сектора (4) внутри ступицы (3) с помощью соответствующих соединительных элементов (10). Группа изобретений направлена на уменьшение габаритных размеров ступицы винта, уменьшение стоимости винта, облегчение монтажа и транспортировки, 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Винт (1) для гидравлической машины, предназначенный для размещения в потоке, содержащий ступицу (3), расположенную вдоль оси вращения (Х-Х) винта (1), и лопасти (2), проходящие от ступицы (3), причем винт (1) состоит из нескольких секторов (4), каждый из которых содержит корпус (5) и которые при соединении секторов (4) образуют узел ступицы (3), а каждая лопасть (2) жестко соединена с корпусом (5) сектора (4), при этом секторы (4) соединены между собой для образования винта (1) с помощью по меньшей мере одного бандажного кольца (6), которое расположено вокруг корпусов (5) секторов (4), отличающийся тем, что ступица (3) выполнена полой, причем каждый сектор (4) содержит боковую стенку (50) и выступ (54), который жестко соединен с боковой стенкой (50) и выступает внутрь ступицы (3) перпендикулярно оси (Х-Х), а секторы (4) дополнительно соединены между собой для образования винта (1) с помощью по меньшей мере одного диска (9), соединенного с выступом (54) каждого сектора (4) внутри ступицы (3) с помощью соответствующих элементов (10).

2. Винт (1) по п.1, отличающийся тем, что ступица (3) имеет форму усеченного конуса и содержит первый осевой конец (31), обращенный к входу потока, и второй осевой конец (32), обращенный к выходу потока, максимальный радиальный наружный размер которого (D2), измеренный перпендикулярно оси (Х-Х), меньше максимального радиального наружного размера (D1) первого осевого конца (31).

3. Винт (1) по п.2, отличающийся тем, что кольцо (6) является бандажом на уровне первого осевого конца (31) ступицы (3).

4. Винт (1) по п.3, отличающийся тем, что первый осевой конец (31) ступицы (3) направлен к оси (Х-Х) перегородкой (33), которая содержит канавку (7) для размещения кольца (6), причем канавка (7) размещена в плоскости, перпендикулярной оси (Х-Х).

5. Винт (1) по п.1, отличающийся тем, что соединительные элементы (10) образованы болтовыми соединениями и/или штифтами.

6. Винт (1) по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что секторы (4) выполнены моноблочными и, в частности, изготовлены литьем.

7. Винт (1) по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что секторы (4) выполнены путем соединения одной из лопастей (2) с одним из корпусов (5), в частности сваркой.

8. Гидравлическая машина, отличающаяся тем, что она снабжена винтом (1) по одному из предыдущих пунктов.

9. Способ соединения винта (1) по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что кольцо (6) размещают в виде бандажа (F1) вокруг корпуса (5) каждого сектора (4), по меньшей мере один диск (9) соединяют (F2) c выступом (54) каждого сектора (4).

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что по меньшей мере один диск (9) соединяют с выступом (54) каждого сектора с помощью соответствующих соединительных элементов (10), в частности болтовых соединений и/или штифтов.