СПОСОБ ПРИДАНИЯ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕМУ КОЛЕСУ И РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2017 года по МПК F03B3/02 F03B3/12 

Изобретение относится к области машиностроения и в первую очередь предназначено для использования в гидроэнергетике.

Известен способ придания вращательного движения рабочему колесу радиально-осевой гидравлической турбины, при котором вода из верхнего бьефа по напорному водоводу через подводящую часть турбины с турбинной спиральной камерой и направляющим аппаратом подводится к рабочему колесу турбины и из нее через отсасывающую трубу выпускается в нижний бьеф. Преобразование энергии жидкости в механическую осуществляется в рабочем колесе за счет взаимодействия потока с лопастями рабочего колеса, изменяющего скорость течения воды по величине и направлению. Направление траектории абсолютного движения жидкости в радиально-осевой турбине совпадает с направлением вращения рабочего колеса. При этом способе энергия давления, потенциальная и кинетическая энергия жидкости преобразуется в механическую энергию на валу (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, Издательство "Энергия", 1978 г., стр. 5).

Недостаток этого способа состоит в невозможности эффективно использовать радиально-осевые турбины при небольших напорах - до 40 м.

Прототипом одного из объектов изобретения (способа) выбран способ придания движения рабочему колесу турбины, выполненному по форме рабочего колеса радиально-осевой гидравлической турбины, состоящий в том, что из верхнего бьефа по напорному водоводу через турбинную спиральную камеру и направляющий аппарат, расположенный перед турбинной спиральной камерой или вокруг рабочего колеса, подают к рабочему колесу закрученный в сторону вращения рабочего колеса поток воды, размещенными между верхним и нижним ободами рабочего колеса лопастями, выпуклая сторона которых обращена к потоку, а тыльная - в сторону вращения рабочего колеса, изменяют направление входного потока на острый угол больше 45° к радиальному направлению, закручивают поток и направляют в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих лопастей, которыми продолжают придавать потоку вращательное движение внутри рабочего колеса вокруг обтекателя, крутящий момент образуется реакцией изменившей направление струи жидкости и возникшей реакцией втекающей жидкости, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины, или изменяют направление входного в рабочее колесо потока на упомянутый угол лопастями, у которых сторона, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости закрученного вокруг обтекателя потока, перед выпуском потока через отсасывающую трубу в нижний бьеф изменяют направление выходного потока отогнутой к ободу нижней частью лопасти, вызывая возникновение реакции вытекающей жидкости и образование дополнительного крутящего момента (Абрамян В.А. Международная заявка WO 2012/090009 А).

Недостаток этого способа состоит в неполном использовании энергии вытекающей из рабочего колеса жидкости.

Известно рабочее колесо радиально-осевой турбины, которое состоит из верхнего и нижнего ободов и закрепленных на них жестко по наружному контуру лопастей с криволинейной поверхностью, отогнутых в нижней части, к верхнему ободу прикреплен обтекатель и рабочее колесо верхним ободом через фланец прикреплено к валу турбины. Лопасти со стороны потока выполнены вогнутыми (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, Издательство "Энергия", 1978 г., стр. 43).

Недостатком рабочего колеса радиально-осевой турбины является невозможность эффективно использовать радиально-осевые турбины при небольших напорах - до 40 м.

Прототипом одного из объектов изобретения (устройства) выбрано рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее размещенные между верхним и нижним ободами основные лопасти с криволинейной поверхностью и расположенные на рабочем колесе так, что линия, соединяющая точки на входной и выходной кромках лопасти (в поперечном сечении между ободами), со стороны потока образует с радиусом рабочего колеса угол больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, лопасти между ободами до отогнутой внизу части со стороны потока выполнены выпуклыми, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса, - вогнутыми, или лопасть со стороны потока на некотором расстоянии от входной кромки вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, в нижней части лопасти отогнуты к ободу так, что поверхность отогнутой лопасти расположена под углом к направлению выходного потока (Абрамян В.А. Международная заявка WO 2012/090009 А).

Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента полезного действия турбины за счет дополнительного отбора энергии у жидкости на выходе из рабочего колеса.

Сущностью изобретения является способ придания движения рабочему колесу гидравлической турбины, состоящий в том, что из верхнего бьефа по напорному водоводу через турбинную спиральную камеру и направляющий аппарат, расположенный перед турбинной спиральной камерой или вокруг рабочего колеса, подают к рабочему колесу закрученный в сторону вращения рабочего колеса входной поток воды, размещенной между верхним и нижним ободом рабочего колеса решеткой основных лопастей, выпуклая сторона которых обращена к входному потоку, а тыльная - в сторону вращения рабочего колеса, изменяют направление большей части входящего между верхним и нижним ободом потока на острый угол больше 45° к радиальному направлению, закручивают поток и направляют в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих основных лопастей, которыми продолжают придавать потоку вращательное движение внутри рабочего колеса вокруг обтекателя, или изменяют направление этой части входного в рабочее колесо потока на упомянутый угол лопастями, у которых сторона, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, при этом основной крутящий момент образуется реакцией изменившей направление струи жидкости и возникшей реакцией втекающей жидкости, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины, часть потока, входящего в рабочее колесо непосредственно над нижним ободом, выпуклыми сторонами основных лопастей направляют вниз в осевом направлении к решетке лопастей, образованных отогнутыми к нижнему ободу нижними частями основных лопастей и обращенных вогнутой стороной к потоку, которыми изменяют осевое направление потока на направление, противоположное направлению вращения рабочего колеса, вызывая тем самым образование дополнительного крутящего момента, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости закрученного вокруг оси рабочего колеса потока, объединенный поток через отсасывающую трубу отводят в нижний бьеф, при этом перед выпуском потока в отсасывающую трубу решеткой дополнительных лопастей, расположенных между обтекателем и нижней частью основных лопастей и закрепленных на них торцевыми сторонами, изменяют направление той части потока, которая протекает между обтекателем и основными лопастями и тем самым увеличивают дополнительный крутящий момент, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости выходного потока после решетки дополнительных лопастей.

Предложенный способ осуществляется описанным ниже рабочим колесом гидравлической турбины.

Рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее решетку лопастей, образованную размещенными между верхним и нижним ободами основными лопастями с криволинейной поверхностью и расположенными на рабочем колесе так, что линия, соединяющая точки на входной и выходной кромках лопасти со стороны потока в поперечном сечении между ободами, образует с радиусом рабочего колеса угол больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, лопасти между ободами до отогнутой нижней части со стороны потока выполнены выпуклыми, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса, - вогнутыми, или лопасть со стороны потока на некотором расстоянии от входной кромки вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, к верхнему ободу прикреплен обтекатель, на выходе из рабочего колеса выполнена решетка обращенных к потоку вогнутой стороной лопастей, образованных нижними частями основных лопастей, отогнутыми к нижнему ободу и закрепленными на нем, при этом на выходе из рабочего колеса между основными лопастями и обтекателем выполнена решетка дополнительных лопастей, узкий торцевой конец дополнительных лопастей соединен с обтекателем, а широкий - с нижней частью основных лопастей, или при отогнутых к нижнему ободу на 90° нижних частях основных лопастей дополнительные лопасти от обтекателя и до основных лопастей и лопасти, образованные отогнутыми нижними частями основных лопастей, выполнены как цельные лопасти от обтекателя и до нижнего обода.

Основанием для включения в формулу отличительного признака "турбинной камерой с регулирующим устройством в виде решетки лопаток, расположенным перед камерой, входной поток перед впуском в рабочее колесо предварительно закручивают вокруг него по направлению вращения рабочего колеса со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума скорости закрученного потока внутри рабочего колеса относительно турбинной камеры" являются полученные авторами результаты нижеописанного опыта. Прибор в виде ведерка с расположенными в нижней части под углом к радиальному направлению отверстиями и прикрепленным к дну ведерка грузом (рабочее колесо) погружался в неподвижную воду и втекающая в ведерко под углом к радиальному направлению вода начинала вращаться внутри ведерка в одну сторону, а само ведерко начинало вращаться в противоположную сторону. По количеству оборотов в секунду замерялась скорость вращательного движения ведерка. Скорость движения воды определялась по скорости вращения находящегося на поверхности воды небольшого кусочка бумаги размером 0.5 см. Затем скорость вращения воды внутри ведерка и скорость вращения ведерка замерялась после того, как тот же прибор погружался в воду, закрученную в одну или в другую сторону. При совпадении вращения находящейся вокруг прибора воды с направлением вращения прибора скорость вращения прибора увеличивалась, а скорость вращения воды внутри ведерка уменьшалась. В этом случае можно закрутить (аналогично турбинной камере) наружную воду с такой скоростью, что кусочек бумажки внутри ведерка перестанет вращаться, то есть скорость вращения воды внутри ведерка относительно наблюдателя (турбинной камеры) станет равной нулю. И наоборот, если направление вращения воды снаружи совпадает с направлением вращения воды внутри сосуда, то скорость вращения воды внутри сосуда увеличивается, а скорость вращения сосуда уменьшается.

Изобретение представлено 8 фигурами.

Фиг. 1 - Схема установки турбины на гидроэлектростанции.

Фиг. 2 - Схема подводящей части гидротурбины с направляющим аппаратом, расположенным перед турбинной спиральной камерой.

Фиг. 3 - Схема подводящей части гидротурбины с направляющим аппаратом, расположенным вокруг рабочего колеса.

Фиг. 4 - Вертикальный разрез рабочего колеса.

Фиг. 5 - Рабочее колесо с выпуклой формой поверхности основной лопасти со стороны потока и вогнутой с противоположной стороны.

Фиг. 6 - Рабочее колесо с вогнутой формой поверхности основной лопасти, переходящей в выпуклую.

Фиг. 7- Рабочее колесо, выполненное с цельными лопастями.

Фиг. 8 - Вертикальный разрез рабочего колеса с цельными лопастями.

Рабочее колесо 1 гидравлической турбины 2, содержащее размещенные между верхним 3 и нижним 4 ободами основные лопасти 5 с криволинейной поверхностью и расположенные на рабочем колесе 1 так, что линия, соединяющая точки на входной 6 и выходной 7 кромках лопасти 5 в поперечном сечении между ободами 3, 4, со стороны потока образует с радиусом рабочего колеса 1 угол 8 больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, лопасти 5 между ободами 3, 4 до отогнутой внизу части 11 со стороны потока выполнены выпуклыми 9, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса 1, - вогнутыми 10, или лопасть 5 со стороны потока на некотором расстоянии от входной кромки 6 вогнутая 10, а затем переходит в выпуклую 9 до выходной кромки 7, а с тыльной стороны - наоборот, к верхнему ободу 3 прикреплен обтекатель 12, на выходе из рабочего колеса 1 выполнена закрепленная на нижней части основных лопастях 5 и нижнем ободе 4 решетка лопастей 11, вогнутой стороной обращенных к потоку, а между основными лопастями 5 и обтекателем 12 выполнена решетка дополнительных лопастей 13, которые узким торцевым концом закреплены на обтекателе 12, а широким соединены с нижней частью основных лопастей 5, или дополнительные лопасти 13 от обтекателя 12 и до основных лопастей 5 и лопасти 11 от основных лопастей 5 и до нижнего обода 4 выполнены как цельные лопасти 14, к которым нижней частью присоединены основные лопасти 5.

Способ придания движения рабочему колесу осуществляется следующим образом:

Из верхнего бьефа 15 по напорному водоводу 16 через турбинную спиральную камеру 17 и направляющий аппарат 18, расположенный перед турбинной спиральной камерой 17 или вокруг рабочего колеса 1, подают к рабочему колесу 1 закрученный в сторону вращения рабочего колеса поток воды, размещенной между верхним 3 и нижним 4 ободами рабочего колеса 1 решеткой основных лопастей 5, выпуклая 9 сторона которых обращена к входному потоку, а тыльная (вогнутая) 10 - в сторону вращения рабочего колеса 1, изменяют направление большей части входящего между верхним 3 и нижним 4 ободами потока на острый угол больше 45° к радиальному направлению, закручивают поток и направляют в противоположную вращению рабочего колеса 1 сторону к вогнутым 10 сторонам предшествующих основных лопастей 5, которыми продолжают придавать потоку вращательное движение внутри рабочего колеса 1 вокруг обтекателя 12, или изменяют направление этой части входного в рабочее колесо 1 потока на упомянутый угол 8 лопастями 5, у которых сторона, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных 6 кромок вогнутая 10, а затем переходит в выпуклую 9 до выходной кромки 7, а с тыльной стороны - наоборот, при этом основной крутящий момент образуется реакцией изменившей направление струи жидкости и возникшей реакцией втекающей жидкости, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины. Часть потока, входящего в рабочее колесо 1 непосредственно над нижним ободом 3, основными лопастями 5 направляется вниз в осевом направлении к решетке лопастей 11, образованных отогнутыми к нижнему 4 ободу нижними частями 1 основных лопастей 5 и обращенных вогнутой 10 стороной к потоку. Решеткой лопастей 11 изменяют осевое направление потока на направление, противоположное направлению вращения рабочего колеса 1, вызывая тем самым образование дополнительного крутящего момента. Решеткой дополнительных лопастей 13, расположенных между обтекателем 12 и нижней частью 11 основных лопастей 5 и закрепленных на них торцевыми сторонами, изменяют направление той части потока, которая проходит между обтекателем 12 и основными лопастями 5, или изменяют направление всего выходного потока единой решеткой лопастей 14, расположенных между обтекателем 12 и нижним ободом 4 и объединяющих лопасти 11 и дополнительные лопасти 13 в единое целое. При этом дополнительный крутящий момент увеличивается. Турбинной спиральной камерой 17 поток воды подают к рабочему колесу 1 со скоростью, обеспечивающей после решетки дополнительных лопастей 13 или решетки лопастей 14 уменьшение до минимума скорости выходного потока относительно турбинной камеры 17. После изменения направления потока лопастями 11 и дополнительными лопастями 13, или заменяющими их цельными лопастями 14, выходной поток отводят через отсасывающую трубу 19 в нижний бьеф 20.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в гидроэнергетике, но может быть использовано и в других отраслях техники. Способ придания вращательного движения рабочему колесу состоит в том, что образуют основной крутящий момент, используя реакцию втекающей жидкости при взаимодействии потока с основными лопастями 5, расположенными выпуклой стороной к потоку и максимально изменяющими его радиальное направление, и дополнительный крутящий момент, используя реакцию вытекающей жидкости при дальнейшем взаимодействии потока с дополнительными лопастями, расположенными вогнутыми сторонами к потоку. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия гидротурбины за счет дополнительного отбора энергии у жидкости на выходе из рабочего колеса. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ придания движения рабочему колесу гидравлической турбины, состоящий в том, что из верхнего бьефа по напорному водоводу через турбинную спиральную камеру и направляющий аппарат, расположенный перед турбинной спиральной камерой или вокруг рабочего колеса, подают к рабочему колесу закрученный в сторону вращения рабочего колеса входной поток воды, размещенной между верхним и нижним ободами рабочего колеса решеткой основных лопастей, выпуклая сторона которых обращена к входному потоку, а тыльная - в сторону вращения рабочего колеса, изменяют направление большей части входящего между верхним и нижним ободами потока на острый угол больше 45° к радиальному направлению, закручивают поток и направляют в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих основных лопастей, которыми продолжают придавать потоку вращательное движение внутри рабочего колеса вокруг обтекателя, или изменяют направление этой части входного в рабочее колесо потока на упомянутый угол лопастями, у которых сторона, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, при этом основной крутящий момент образуется реакцией изменившей направление струи жидкости и возникшей реакцией втекающей жидкости, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины, часть потока, входящего в рабочее колесо непосредственно над нижним ободом, основными лопастями направляется вниз в осевом направлении к решетке лопастей, образованной отогнутыми к нижнему ободу нижними частями основных лопастей, обращенными вогнутой стороной к потоку, которыми изменяют осевое направление потока на направление, противоположное направлению вращения рабочего колеса, вызывая тем самым образование дополнительного крутящего момента, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости закрученного вокруг оси рабочего колеса потока, объединенный поток через отсасывающую трубу отводят в нижний бьеф, отличающийся тем, что перед выпуском потока в отсасывающую трубу решеткой дополнительных лопастей, расположенных между обтекателем и нижней частью основных лопастей и закрепленных на них торцевыми концами, изменяют направление той части потока, которая проходит между обтекателем и основными лопастями и тем самым увеличивают дополнительный крутящий момент, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости выходного потока после решетки дополнительных лопастей.

2. Рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее решетку лопастей, образованную размещенными между верхним и нижним ободами основными лопастями с криволинейной поверхностью и расположенными на рабочем колесе так, что линия, соединяющая точки на входной и выходной кромках лопасти со стороны потока в поперечном сечении между ободами, образует с радиусом рабочего колеса угол больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, лопасти между ободами до отогнутой нижней части со стороны потока выполнены выпуклыми, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса, - вогнутыми, или лопасть со стороны потока на некотором расстоянии от входной кромки вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот, к верхнему ободу прикреплен обтекатель, на выходе из рабочего колеса выполнена решетка обращенных к потоку вогнутой стороной лопастей, образованных нижними частями основных лопастей, отогнутыми к нижнему ободу и закрепленными на нем, отличающееся тем, что на выходе из рабочего колеса между основными лопастями и обтекателем выполнена решетка дополнительных лопастей, узкий торцевой конец дополнительных лопастей соединен с обтекателем, а широкий - с нижней частью основных лопастей, или при отогнутых к нижнему ободу на 90° нижних частях основных лопастей дополнительные лопасти от обтекателя и до основных лопастей и лопасти, образованные отогнутыми нижними частями основных лопастей, выполнены как цельные лопасти от обтекателя и до нижнего обода.