ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЧАСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ), ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2018 года по МПК F03B3/02 F03B3/04 F03B3/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к вращающейся части, связанной с гидравлической машиной, гидравлической машине и установке для преобразования энергии, содержащей такую машину.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электроэнергию известно использование гидравлической машины, такой как турбина, насос или радиально-осевой турбонасос. В турбинном режиме гидравлическая машина приводит во вращение вал, таким образом, преобразовывая гидравлическую энергию в механическую энергию. Указанное преобразование энергии осуществляется посредством рабочего колеса, которое образует вращающуюся часть и содержит лопатки, которые распределены вокруг оси вращения рабочего колеса. Лопатки продолжаются между первым краем и вторым краем, которые в ходе работы, соответственно, являются передним краем и задним краем для потока воды.

Одной из проблем, по-прежнему касающихся радиально-осевой турбины, является поиск высшего качества потока, возможного по потоку после вращающейся части. Например, важно иметь возможность контролировать распределение скоростей потока, выходящего из рабочего колеса, для исключения явлений кавитации или также сохранения устойчивости потока, то есть, исключения формирования турбулентностей или завихрений.

Для этого рабочее колесо с неподвижными лопатками имеет оптимальный рабочий расход потока, при котором направление воды, исходящей от задних краев лопаток, относительно параллельный оси вращения рабочего колеса с относительно равномерным распределением выходной скорости. В указанной конфигурации направление воды, исходящей от заднего края, имеет ограниченную вращательную составляющую, и характер потока позволяет исключать такие неблагоприятные явления, как завихрения во впускном канале.

С другой стороны, для расхода потока, который отличается от оптимального рабочего расхода потока, вращение рабочего колеса вызывает образование направления воды, исходящей от заднего края, которое отклоняется относительно оси вращения рабочего колеса, и одновременное ухудшение однородности выходных скоростей. Таким образом, поток, исходящий от рабочего колеса, имеет меньшее качество и еще более вероятно может вызвать увеличение потерь, завихрений и неустойчивости.

Подобные проблемы возникают с другими типами турбин, в частности, относительно турбин пропеллерного типа.

Для решения указанной проблемы известно, например, из JP-A-2012-172556, использование управляемых механизмов для смещения лопаток поворотно-лопастных турбин, капсульных турбин или поворотных диагонально-поворотных турбин в соответствии с расходом потока в турбине для поддержания хорошего качества потока после рабочего колеса. Однако указанные механизмы увеличивают конечную стоимость турбины, и их использование ограничено нормированными величинами напоров, прилагаемых к турбинам.

Из US-A-2005/0271508 также известная симметричная лопатка с жесткой частью и гибкой частью. Однако эта лопатка предназначена для турбины конкретного типа, а именно, для турбины Уэллса, при этом цель такой лопатки другая: гибкая часть предназначена для придания лопатке турбины большего количества движения.

Кроме того, в JP-A-S58-148281 раскрывается турбина Фрэнсиса с отводимой назад частью, сочлененной вокруг шарнира. Для вмещения отводимой назад части в лопатке выполнено углубление. Отводимая назад часть выполнена с возможностью укладки от конца до конца лопатки. Отводимая назад часть выполнена без возможности перемещения реверсивным образом относительно лопатки под воздействием потока воды.

В DE-A-102010011708 раскрыта турбина пропеллерного типа, в которой лопатки имеют каркас, который может быть гибким или сочлененным.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков, предлагая гидравлическую машину, которая позволяет улучшить качество потока, исходящего от рабочего колеса, в более широком диапазоне скоростей потока.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С этой целью изобретение относится к вращающейся части гидравлической машины, которая при прохождении через нее потока воды, вращается вокруг оси вращения и которая содержит лопатки, которые распределены вокруг оси вращения, и продолжаются между передним краем и задним краем. Каждая лопатка вращающейся части содержит первую часть, которая образует передний край, и вторую часть, которая закреплена на первой части и образует ее задний край по меньшей мере частично, при этом вторая часть является упруго деформируемой под воздействием потока воды, причем указанная вторая часть образует, когда машина работает, направление потока воды по потоку после лопатки. В соответствии с изобретением, вторая часть лопатки образована сердечником из жесткого материала, который представляет собой моноблок с первой частью и покрытием, которое выполнено из упруго деформируемого материала, модуль упругости которого меньше, чем у материала, образующего первую часть. В качестве альтернативы, вторая часть лопатки образована профилем из смолы, который прикреплен к первой части, и оболочкой из композиционного материала, которая окружает профиль из смолы.

Благодаря изобретению, лопатки деформируются в соответствии с расходом потока приточной воды для направления воды, исходящей от заднего края, вдоль оптимизированного направления, которое оптимизирует качество потока, исходящего от рабочего колеса.

Преимущественно, указанная вращающаяся часть содержит соединительный элемент между лопатками и валом, который образует ось вращения вращающейся части, в то время как первая часть каждой лопатки выполнена за одно целое с соединительным элементом, и вторая часть каждой лопатки не выполнена за одно целое с соединительным элементом.

Изобретение также относится к вращающейся части гидравлической машины, которая при прохождении через нее потока воды, вращается вокруг оси вращения и которая содержит лопатки, которые распределены вокруг оси вращения, и продолжаются между передним краем и задним краем. Каждая лопатка вращающейся части содержит первую часть, которая образует передний край, и вторую часть, которая закреплена на первой части и образует ее задний край по меньшей мере частично, при этом вторая часть является перемещаемой реверсивным образом относительно первой части под воздействием потока воды, причем указанная вторая часть образует, когда машина работает, направление потока воды по потоку после лопатки, при этом вторая часть лопатки установлена сочлененным образом на первой части. В соответствии с изобретением, лопатка содержит средство для упругого возвращения второй части в заданное положение.

В соответствии с предпочтительными, но необязательными аспектами изобретения, вращающаяся часть, связанная с гидравлической машиной, может содержать одну или несколько из следующих характеристик, принятых во всех комбинациях, которые технически допустимы.

Вторая часть продолжается на протяжении приблизительно одной трети длины лопатки, измеренной между передним краем и задним краем.

Вторая часть полностью образует задний край.

В качестве варианта, первая часть образует первый участок заднего края, и вторая часть образует второй участок заднего края.

Вторая часть лопатки образована несколькими отдельными элементами, которые являются упруго деформируемыми или перемещаемыми независимо друг от друга относительно первой части.

Длина второй части, измеренная между ее областью прикрепления к первой части и задним краем, является переменной вдоль заднего края.

Когда машина работает, вторая часть направляет поток воды вдоль более благоприятного направления, которое может быть получено посредством уменьшения вращательной составляющей таким образом, чтобы делать поток в целом более параллельным оси вращения вращающейся части.

Вращающаяся часть представляет собой рабочее колесо радиально-осевой турбины, которое содержит ступицу и обод, между которыми продолжаются лопатки, при этом первая часть каждой лопатки прикреплена к ступице и к ободу, в то время как вторая часть прикреплена или не прикреплена к ступице или ободу.

В качестве варианта, вращающаяся часть связана с турбиной пропеллерного типа, турбиной капсульного типа, турбиной поворотно-лопастного типа или турбиной диагонального типа и содержит втулку и лопатки, которые продолжаются радиально относительно оси вращения от втулки, в то время как первая часть каждой лопатки установлена на втулке, и вторая часть каждой лопатки прикреплена или не прикреплена к втулке.

Изобретение также относится к гидравлической машине, которая содержит вращающуюся часть, как определено выше.

Изобретение, наконец, относится к установке для преобразования гидравлической энергии в электроэнергию или механическую энергию, которая содержит гидравлическую машину, такую как указано выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет лучше понятно, и его другие преимущества будут более ясны в свете описания, которое представит семь вариантов выполнения вращающейся части, которая связана с гидравлической машиной, данной только посредством примера и со ссылками на прилагаемые чертеже, на которых:

Фиг. 1 представляет собой вид основного осевого сечения установки для преобразования энергии согласно изобретению, содержащей радиально-осевую турбину также согласно изобретению.

Фиг. 2 представляет собой вид сбоку рабочего колеса турбины, показанной на Фиг. 1,

Фиг. 3 представляет собой детальный вид лопатки, которая связана с рабочим колесом, показанным на Фиг. 2, а именно, пятой лопатки, видимой слева на указанной фигуре,

Фиг. 4 представляет собой вид сечения лопатки, показанной на Фиг. 3, изображенной в разных конфигурациях использования,

Фиг. 5 представляет собой вид сечения лопатки, подобный показанному на Фиг. 4, которая связана с рабочим колесом в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения,

Фиг. 6 представляет собой вид сечения, подобный показанному в правой части Фиг. 1, в увеличенном масштабе, установки в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения,

Фиг. 7 представляет собой вид установки, подобный показанному на Фиг. 6, в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения,

Фиг. 8 представляет собой вид установки, подобный показанному на Фиг. 6 и 7, в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения,

Фиг. 9 представляет собой вид сечения лопатки, выполненного вдоль линии IX-IX на Фиг. 8,

Фиг. 10 представляет собой вид сечения лопатки, подобный показанному на Фиг. 4, которая связана с шестым вариантом осуществления изобретения,

Фиг. 11 представляет собой вид детали окруженной части XI на Фиг. 10,

Фиг. 12 представляет собой вид основного осевого сечения установки согласно изобретению, которая содержит турбину пропеллерного типа в соответствии с седьмым вариантом осуществления изобретения, и

Фиг. 13 представляет собой вид лопатки, подобный показанному на Фиг. 4, которая связана с рабочим колесом известного уровня техники.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 показана установка 2 для преобразования энергии согласно изобретению. Указанная установка 2 для преобразования энергии содержит гидравлическую машину 20, которая в данном примере является радиально-осевой турбиной. Таким образом, вращающаяся часть турбины 20 является рабочим колесом 202 радиально-осевого типа. Указанное рабочее колесо 202 вращается вокруг вертикальной оси Z202 и вращательно приводит в действие ведущий вал 204. В данном случае ведущий вал 204 связан с генератором 206 переменного тока для производства электроэнергии. Вода содержится в предшествующем по потоку резервуаре для воды, который не показан. Она в этом случае подается к гидротурбине 20 посредством напорного водовода 22 с высотой напора, которая образуется разностью высот между резервуаром для воды и турбиной 20. Напорный водовод 22 открыт в кожух 24, который окружает рабочее колесо 202 и который позволяет распределять воду по существу равномерным образом вокруг оси Z202 внутри рабочего колеса 202. Более точно, вода циркулирует между лопатками 208, которые скомпонованы между ступицей 2022 и ободом 2020 рабочего колеса 202. Каждая указанная лопатка 208 содержит передний край 2080, к которому поступает вода из резервуара 24, и задний край 2082, от которой вода исходит во впускной канал 26. Лопатки 208 имеют ассиметричный профиль с нижней поверхностью 2084 и верхней поверхностью 2086. Направление циркуляции воды через турбину 20 показано на Фиг. 1 стрелками Е.

На Фиг. 2 показано только рабочее колесо 202, которое соответствует изобретению. При наблюдении рабочего колеса сверху на Фиг. 2 оно вращается вокруг оси Z202 в направлении против часовой стрелки. Указанное вращательное движение показано на Фиг. 2 вектором , который является орторадиальным относительно оси Z202 вращения колеса и который ориентирован слева направо на Фиг. 2. В случае, показанном относительно синхронной промышленной машины, скорость вращения рабочего колеса 202 постоянна во всех рабочих условиях. Фактически скорость вращения рабочего колеса 202 задается частотой сети, с которой связана установка 2. Промышленная машина также может иметь переменную скорость.

Профиль лопаток 208, показанный пунктирными линиями, можно видеть на Фиг. 2 на ободе 2020.

Лопатки 208 рабочего колеса 202 образованы из двух частей. Первая часть 208А образует передний край 2080 каждой лопатки, и вторая часть 208В образует ее задний край 2082 и соединена с первой частью 208А. Как можно лучше видеть на Фиг. 1, первая часть 208А лопатки 208 прикреплена к ступице 2022 и к ободу 2020, тогда как вторая часть 208В не прикреплена к ступице 2022 или к ободу 2020, оставляя промежуток 11 между частью 208В и ободом 2020 и промежуток 12 между частью 208В и ступицей 2022. Размер промежутков 11 и 12 преувеличен на Фиг. 1 для облегчения их визуального наблюдения.

На Фиг. 13 показано сечение лопатки 208', которая связана с рабочим колесом известного уровня техники. Нижнюю поверхность и верхнюю поверхность 2084' и 2086', соответственно, лопатки 208' можно видеть наряду с ее передним краем 2080' и ее задним краем 2082', соответственно. В настоящее время поток, исходящий от заднего края 2082' указанной лопатки 208', является представляющим интерес моментом, поскольку он может подаваться к другим лопаткам 208' рабочего колеса.

Известным образом, в исходной точке вращения, связанной с рабочим колесом, вода проходит тангенциально относительно нижней поверхности 2084' и верхней поверхности 2086' вдоль профиля лопатки. Более точно, хорда 2088' образована как линия, которая равноудалена от нижней поверхности 2084' и от верхней поверхности 2086'. Хорда 2088' проходит через передний край 2080' и через задний край 2082'. Таким образом, верхний край 2086' и нижний край 2082' сходятся на хорде 2088'. Прежде всего, указанная хорда 2088' по протяженности заднего края 2082 образует направление D208' потока воды, исходящего от лопатки 208. Задан вектор скорости, который показывает скорость воды в относительной исходной точке, связанной с рабочим колесом, и который получен для потока, имеющего оптимальный рабочий расход потока. Указанный вектор продолжается вдоль направления D208' потока.

В абсолютной исходной точке, то есть, которая не вращается одновременно с рабочим колесом, вода также содержит вращательную составляющую , которая создается вращением рабочего колеса. В конфигурации оптимального рабочего расхода потока сумма вектора и вектора U дает вектор , который является преимущественно выходным, то есть, который ориентирован параллельно оси Z202' вращения рабочего колеса и направлен вниз в направлении впускного канала 26. Указанный результат исходит из того факта, что скорость на выходе лопатки 208 имеет вращательную составляющую , которая является прямо противоположной скорости вращения колеса. Таким образом, вода, циркулирующая между лопатками 208', падает вертикально прямо во впускной канал 26. Таким образом, риск возникновения завихрения ограничен, и поток, исходящий от рабочего колеса, более устойчив.

С другой стороны, для расхода потока, который отличается от оптимального рабочего расхода потока, например, равного половине оптимального рабочего расхода потока, тангенциальная скорость на выходе лопатки, обозначенная как , в два раза меньше скорости, полученной для оптимального рабочего расхода потока. В результате, когда указанный вектор скорости суммируется с вектором скорости, который связан с вращением рабочего колеса, результирующим является вектор скорости, который не параллелен оси Z202' вращения рабочего колеса. Фактически скорость имеет вращательную составляющую , которая не является достаточно большой для компенсации скорости вращения рабочего колеса. Таким образом, текучая среда, исходящая от лопаток 208' рабочего колеса, вращается вокруг оси Z202' вращения. Указанное вращение может вызывать образование завихрений, увеличение потерь в турбине и ухудшение общего качества потока, исходящего от рабочего колеса.

Следующее описание деталей работы одной лопатки 208 рабочего колеса 202 согласно изобретению дано как транспонируемое для других лопаток рабочего колеса 202. Указанная лопатка, которая показана как таковая на Фиг. 3 и 4, отличается от показанной на Фиг. 13 тем, что она выполнена из двух разных материалов. Фактически, первая часть 208А выполнена из жесткого материала, такого как сталь, и вторая часть 208В выполнена из материала, который является упруго деформируемым в пределах диапазона давлений воды, проходящей через рабочее колесо 202. Он может быть композиционным материалом, в частности, полиэфиром, и материалом, основанным на углеродном волокне. Первая часть 208А и вторая часть 208В припаяны друг к другу вдоль области Z208 прикрепления. Хорде лопатки 208 присвоена ссылочная позиция 2088. Указанная хорда 2088 равноудалена от нижней поверхности 2084 и от верхней поверхности 2086 лопатки 208 и продолжается от ее переднего края 2080 к ее заднему краю 2082. Таким образом, нижняя поверхность 2084 и верхняя поверхность 2086 сходятся на хорде 2088. Длина хорды 2088 указана ссылочной позицией L208, при этом указанная длина L208 может интерпретироваться как длина лопатки 208 при наблюдении через поток. Длина L208 может изменяться по высоте лопатки 208 между ободом 2020 и ступицей 2022. В показанном случае первая часть 208А продолжается приблизительно по двум третям длины L208 лопатки, и вторая часть 208В продолжается приблизительно по одной трети длины лопатки 208. Указанные пропорции могут отличаться по высоте лопатки 208 между ободом 2020 и ступицей 2022.

На Фиг. 4 показаны три рабочие конфигурации лопатки 208. На указанной фигуре видно, что часть 208В упруго деформируется в соответствии с гидравлическим давлением, которое прилагается к лопатке 208. Первая конфигурация, показанная штриховой линией в верхней части Фиг. 4, является положением, в котором лопатка неподвижна, то есть, когда нет потока, проходящего через турбину. Вторая конфигурация, показанная ниже первой конфигурации пунктирной линией на Фиг. 4, является конфигурацией, в которой скорость потока через турбину, которая меньше оптимального рабочего расхода потока, явно в два раза меньше оптимального рабочего расхода потока. Третья конфигурация, показанная сплошными линиями на Фиг. 4, является конфигурацией, в которой через турбину проходит поток, имеющий оптимальный рабочий расход потока. Во второй и третьей конфигурациях лопатка 208 деформируется гидравлическим давлением. Следует отметить, что третье положение соответствует жесткой форме лопатки 208' известного уровня техники, показанной на Фиг. 13.

Для наглядности чертежа хорда 2088 показана только в третьей конфигурации на Фиг. 4.

Когда турбина 20 получает питание, вторая часть 208В упруго деформируется, следуя вращательному перемещению относительно первой части 208А. Указанное перемещение показано на Фиг. 4 стрелкой F1. Например, если примененная скорость потока является оптимальной для рабочего расхода потока, вторая часть 208В лопатки 208 переходит от первой к третьей конфигурации.

Когда скорость потока снижается, часть 208В лопатки 208 смещается в результате эффекта упругого восстановления материалом части 208В ее формы в направлении, противоположном стрелке F1. Таким образом, существует обратимая деформация. Например, если существует потребность в том, чтобы управлять турбиной с расходом потока, который в два раза меньше оптимального рабочего расхода потока, вторая часть 208В лопатки 208 переходит от третьей ко второй конфигурации. Это можно назвать пассивной системой, поскольку форма лопатки адаптируется автоматически в соответствии с расходом потока подачи в турбину 20 без какого-либо внешнего вмешательства. Когда работа турбины остановлена, вторая часть 208В возвращается в ее первое положение. Первое положение, таким образом, является заданным положением лопатки 208, когда турбина не работает.

На Фиг. 4 показаны только три конфигурации. Однако возможны другие конфигурации, поскольку геометрия лопатки 208 зависит от расхода потока, поступающего в турбину. Фактически, при расходе потока, который находится между половиной оптимального рабочего расхода потока и оптимальным рабочим расходом потока включительно, вторая часть 208В лопатки 208 может находиться между второй и третьей конфигурацией. Когда расход потока превышает оптимальный расход потока, геометрия 208В может занимать деформированное положение, которое выходит за пределы третьей конфигурации в направлении стрелки F1.

Дополнительно, вторая часть 208В лопатки деформируется таким образом, что вращательная составляющая, то есть, компонент, который является орторадиальным относительно оси Z202 вращения рабочего колеса 202, тангенциальной скорости S' потока, противоположен скорости вращения колеса в целом.

Скорость потока для второй конфигурации в исходной точке, связанной с колесом, обозначена как . Вектор скорости является в целом тангенциальным относительно профиля лопатки на заднем краю 2082 и ориентирован вдоль направления потока 208, определенного прямолинейной протяженностью хорды 2088. Вторая часть 208В лопатки имеет другое положение по сравнению с лопаткой 208' рабочего колеса известного уровня техники, при этом вектор ориентирован по-другому по сравнению с вектором . Протяженность хорды 2088 по потоку после заднего края, когда лопатка находится в своем втором положении, образует направление D208₁, которое отличается от направления D208'. Фактически, вектор содержит вертикальную составляющую , параллельную оси Z202 вращения, и вращательную составляющую , которая является орторадиальной относительно оси Z202. В указанной конфигурации составляющая прямо противоположна вектору скорости вращения рабочего колеса 202. Таким образом, в постоянной исходной точке сумма вектора и вектора прямо дает вектор , который преимущественно выходной.

Относительно третьей конфигурации, скорость воды, исходящей от лопатки 208 в подвижной исходной точке, связанной с рабочим колесом, обозначена как . Указанная скорость ориентирована вдоль направления D208₂ потока, определенного прямолинейной протяженностью хорды 2088. Направление D208₂ аналогично направлению D208' для лопатки 208' на Фиг. 9. В постоянной исходной точке скорость вращения рабочего колеса 202 суммируется с вектором относительной скорости. Результатом является абсолютный векторскорости, который также преимущественно выходной. Третья конфигурация соответствует конфигурации лопатки, показанной на Фиг. 9, когда турбина питается с оптимальным рабочим расходом потока.

Таким образом, упругая деформация второй части 208В лопатки 208 позволяет получать поток с преимущественно выходным направлением, исходящий от лопаток 208, для различных рабочих точек турбины. Это позволяет сохранять хорошее качество потока, исходящего от рабочего колеса 202.

Деформация второй части 208В лопатки 208 облегчена тем фактом, что материал, образующий указанную вторую часть 208В, имеет модуль упругости, который приблизительно в двадцать раз меньше модуля упругости материала, образующего первую часть 208А. Более точно, материал второй части 208В лопатки 208 имеет модуль упругости, составляющий от 0,5 ГПа до 200 ГПа, включая, в частности, равный 10 ГПа, если часть 208А выполнена из металла, а именно, из стали.

На Фиг. 5 показан второй вариант осуществления изобретения. Что касается лопатки, показанной на Фиг. 13, протяженность хорды 2088 по потоку после заднего края 2082 образует направление D208 потока Е, исходящего от лопатки 208. Второй вариант осуществления изобретения отличается от первого тем, что вторая часть 208В сочленена с первой частью 208А посредством шарнира 2081. Дополнительно, вторая часть 208В выполнена из жесткого материала, в частности, из стали, и не прикреплена к ободу 2020 или ступице 2022 рабочего колеса 202. Между первой частью 208А и второй частью 208В расположен уголок 2083 из упругого полимера. Когда вода проходит в пределах рабочего колеса, вторая часть 208В лопатки 208 перемещается под воздействием гидравлического давления в направлении стрелки F2 на Фиг. 5. Указанное перемещение вызывает сжатие уголка 2083. Уголок 2083, таким образом, удерживает вторую часть 208В лопатки 208 при ее перемещении. Таким образом, вторая часть 208В лопатки 208 выполнена с возможностью определения направления D208 потока воды, исходящего от лопатки 208, посредством адаптации ее положения относительно части 208А благодаря упругому сжатию уголка 2083.

Когда рабочий расход турбины снижают или когда останавливают работу турбины, уголок 2083 ослабляется, восстанавливая его начальную форму, и, таким образом, отжимает вторую часть 208В в направлении напротив стрелки F2 на Фиг. 5. Таким образом, вторая часть 208В лопатки 208 может перемещаться благодаря уголку 2083 упруго относительно первой части 208А к заданному положению. Указанное заданное положение не показано на Фиг. 5, но соответствует случаю, когда вторая часть 208В практически находится выше ее положения на Фиг. 5 подобно первому положению лопатки 208, показанной на Фиг. 4.

На Фиг. 6 показан третий вариант осуществления изобретения. Указанный третий вариант осуществления изобретения отличается от первого тем, что вторая часть 208В лопатки 208 образована несколькими отдельными элементами 208В1, 208В2 и 208В3. Элементы 208В1, 208В2, 208В3 являются упруго деформируемыми независимо друг от друга относительно первой части 208А. Как можно видеть на указанной фигуре, элементы 208В1 и 208В3 не прикреплены к ступице 2022 и ободу 2020, соответственно, допуская наличие промежутка 11 между элементом 208В1 и ступицей 2022 и промежутка 12 между элементом 208В3 и ободом 2020. Размер промежутков 11 и 12 преувеличен для облегчения их визуализации.

В качестве варианта, который не показан, вторая часть 208В образована множеством элементов, которое отлично от трех.

В качестве варианта, который не показан, элементы 208В1, 208В2 и 208В3, сочленены с первой частью 208А независимо друг от друга.

На Фиг. 7 показан четвертый вариант осуществления изобретения. В указанном четвертом варианте осуществления изобретения область прикрепления второй части 208В лопатки 208 к первой части 208А указана ссылочной позицией Z208B, и длина второй части 208В, измеренная между областью Z208B прикрепления и задним краем 2082, указана ссылочной позицией L208B. В указанном четвертом варианте осуществления изобретения длина L208B может изменяться вдоль заднего края 2082. Дополнительно, вторая часть 2080 продолжается только по участку заднего края 2082. Таким образом, первая часть 208А образует первый участок 2082А заднего края 2082, и вторая часть 208В образует второй участок 2082В заднего края 2082. Вторая часть 208В не прикреплена к ступице 2022 или к ободу 2020, оставляя промежуток 12 между второй частью 208В и ободом 2020. Размер указанного промежутка 12 преувеличен для облегчения его визуализации.

В качестве варианта, который не показан, вторая часть 208В образует весь задний край 2082, несмотря на то, что она может иметь переменную длину L208B.

На Фиг. 8 и 9 показан пятый вариант осуществления изобретения. В указанном пятом варианте осуществления изобретения вторая часть 208В лопатки 208 образована, с одной стороны, сердечником из жесткого материала, который представляет собой моноблок с первой частью 208А, и, с другой стороны, покрытием, выполненным из упруго деформируемого материала, модуль упругости которого приблизительно в 400 раз меньше, чем у материала, образующего первую часть 208А лопатки 208. Жесткий сердечник 208В2 сужается вниз по сравнению с первой частью 208А таким образом, что он может упруго деформироваться. Покрытие 208B1 покрывает жесткий сердечник 208В2 и образует задний край 2082 лопатки 208. Покрытие 208В1 выполнено из материала, который является упруго деформируемым в пределах диапазона давления воды, проходящей через рабочее колесо 202. Оно может представлять собой композиционный материал, в частности, полиэфир и материал, основанный на углеродном волокне. Указанное покрытие 208В1 прикреплено к жесткому сердечнику 208В2 и к первой части 208А посредством склеивания. Покрытие 208В1 закреплено по протяженности нижней поверхности и верхней поверхности первой части 208А. Таким образом, оно обеспечивает непрерывность потока вдоль лопатки 208. Аналогично предыдущим вариантам осуществления изобретения вторая часть 208В не прикреплена ни к ободу 2020, ни к ступице 2022, и, когда турбина 20 питается, она упруго деформируется, следуя вращательному перемещению относительно первой части 208А. Указанное перемещение показано на Фиг. 3 стрелкой F3.

В показанном примере покрытие 208В1 окружает жесткий сердечник 208В2. В качестве варианта, покрытие 208В1 расположено только в верхней части или в нижней части жесткого сердечника 208В2.

В соответствии с другим вариантом выполнения, сердечник 20882 прикреплен к первой части 208А посредством пайки.

На Фиг. 10 и 11 показан шестой вариант осуществления изобретения. В указанном шестом варианте осуществления изобретения вторая часть 208В лопатки 208 образована, с одной стороны, выполненным из смолы профилем 208В2, который прикреплен к первой части 208А лопатки 208 посредством склеивания, и, с другой стороны, оболочкой, которая окружает профиль 208В2, выполненный из смолы, и образует задний край 2082 лопатки 208. Указанная оболочка содержит первую часть 208В1, которая расположена на стороне верхней поверхности, и вторую часть 208В3, которая расположена на стороне нижней поверхности лопатки 208.

Как можно видеть на Фиг. 11, первый участок 208В1 и второй участок 208В3 оболочки выполнены из слоистого композиционного материала, а именно, посредством наложения друг на друга разных слоев из стекловолокна и эпоксидной смолы. Первый участок 208В1 оболочки включает в себя пять слоев, которые наложены друг на друга вдоль направления, которое везде перпендикулярно хорде 2088 лопатки 208. Слои первого участка 208В1 обозначены последовательными ссылочными позициями 208В1а, 208B1b, 208В1с, 208B1d и 208В1е по ходу, соответственно, от внутреннего слоя 208В1, который находится против профиля 208В2 из эпоксидной смолы, к наружному слою 208В1е. Таким же образом, второй участок 208В3 оболочки содержит четыре слоя, которые также наложены друг на друга вдоль направления, перпендикулярного хорде 2088 лопатки 208. Последовательные слои второго участка 208В3 оболочки обозначены ссылочными позициями 208В3а, 208B3b, 208В3с и 208B3d по ходу от самого внутреннего слоя 208В3а, который расположен против профиля 208В2, выполненного из эпоксидной смолы, к наружному слою 208B3d. Участки 208В1 и 208В3 оболочки имеют переменную толщину между первой частью 208А и задним краем 2082. Более точно, толщина оболочки уменьшается по мере приближения к заднему краю 2082. Длина покрытия одного слоя оболочки уменьшается с учетом того, что рассматриваемый слой находится близко к профилю 208В2, выполненному из смолы. Постепенно уменьшаемое наложение имеет место в направлении длины. Другими словами, оболочка не включает в себя одинаковое количество сгибов по всей длине лопатки 208. Участок 208В1 второй части 208В включает в себя область из пяти слоев, область из четырех слоев и область из двух слоев, тогда как вторая часть 208В3 включает в себя область из четырех слоев, область из трех слоев и область с одним слоем.

Аналогично пяти первым вариантам осуществления изобретения, вторая часть 208В лопатки 208 является упруго деформируемой для лучшего приспособления к рабочему режиму турбины. Преимущество использования композиционного материала для оболочки указанной второй части 208В состоит в том, что он придает ему хорошую механическую прочность.

В варианте осуществления изобретения, который не показан, присущем указанному шестому варианту, расположение и количество слоев в пределах оболочки могут быть другими.

В варианте осуществления изобретения, который не показан, применимом для шести первых вариантов, вторая часть 208В лопаток 208 прикреплена к ступице 2022 и/или к ободу 2020.

На Фиг. 12 показан другой тип гидравлической машины, в котором применен седьмой вариант осуществления изобретения. Указанная гидравлическая машина представляет собой турбину пропеллерного типа. Она содержит втулку 205, установленную на валу 204, вращающемся вокруг вертикальной оси Z204 вращения. Лопатки 208, которые иногда называют лопастями, скомпонованы вокруг втулки 205. Указанная пропеллерная турбина питается водой посредством напорного водовода 22. Таким образом, вода проходит между лопатками 208 рабочего колеса. Указанный поток показан на Фиг. 12 стрелками Е. Втулка 205 и лопатки или лопасти 208 совместно образуют вращающуюся часть 202 турбины.

Согласно изобретению, лопатки 208 указанной пропеллерной турбины выполнены из двух частей. Первая часть 208А образует передний край 2080 каждой лопатки при наблюдении через поток Е и выполнена за одно целое с втулкой 205. Вторая часть 208В образует задний край 2082 каждой лопатки при наблюдении через поток Е. Указанная часть 208В прикреплена к первой части 208А, но не выполнена за одно целое с втулкой 205. Вторая часть 208В выполнена из упруго деформируемого материала. Таким образом, когда продолжается поток Е, вторая часть 208В лопаток 208 деформируется, определяя направление потока Е воды по потоку после лопатки 208. Более точно, деформация второй части 208В лопатки 208 позволяет направлять воду, исходящую от лопатки 208, вдоль направления, параллельного оси Z204 вращения втулки 205 и вала 204. Оно также называется направлением выхода. Поток, исходящий от лопаток или лопастей 208, таким образом, устойчив.

В варианте осуществления изобретения, который не показан и который применим в седьмом варианте осуществления изобретения, вторая часть 208В лопатки 208 не выполнена за одно целое с втулкой 205.

В варианте, который не показан в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 12, вторая часть 208В лопатки 208 сочленена с первой частью 208А. В этом случае вторая часть 208В выполнена из жесткого материала, подобного материалу, составляющему первую часть 208А.

В соответствии с другим вариантом, который не показан в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 12, вторая часть 208В лопаток или лопастей 208 является одним целым с втулкой 205.

В варианте, который не показан и который применим в первом, третьем, четвертом и шестом вариантах осуществления изобретения, первая часть 208А и вторая часть 208В соединены друг с другом посредством склеивания или винтового соединения.

В варианте осуществления изобретения, который не показан, ось Z202 вращения рабочего колеса горизонтальна.

Изобретение также применимо для турбин капсульного типа, для турбин поворотно-лопастного типа или для турбин диагонального типа.

Разновидности и приведенные выше варианты осуществления изобретения могут быть скомбинированы для получения новых вариантов осуществления изобретения.

Группа изобретений относится к вращающейся части, связанной с гидравлической машиной, гидравлической машине и установке для преобразования энергии. Вращающаяся часть (202) гидравлической машины (20) содержит лопатки (208), которые распределены вокруг оси вращения и продолжаются между передним и задним краями. Каждая лопатка (208) содержит первую часть (208А), которая образует ее передний край, и вторую часть, которая прикреплена к первой части и образует ее задний край. Часть (208В) упруго деформируемая под воздействием потока (Е) воды. При работе машины часть (208В) образует направление потока (Е) воды по потоку после лопатки (208). Часть (208В) образована сердечником из жесткого материала, который представляет собой моноблок с частью (208А), и покрытием, которое выполнено из упругодеформируемого материала, модуль упругости которого меньше, чем у материала, образующего первую часть, или профилем из смолы, который прикреплен к части (208А), и оболочкой из композиционного материала, которая окружает профиль из смолы. Группа изобретений направлена на улучшение качества потока, исходящего от рабочего колеса, в широком диапазоне скоростей потока. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Вращающаяся часть (202) гидравлической машины (20), которая при прохождении через нее потока (Е) воды вращается вокруг оси (Z202) вращения и которая содержит лопатки (208), которые распределены вокруг оси вращения и продолжаются между передним краем (2080) и задним краем (2082), причем каждая лопатка (208) содержит первую часть (208А), которая образует ее передний край (2080), и вторую часть (208В), которая прикреплена к первой части и образует ее задний край (2082) по меньшей мере частично, при этом вторая часть является упругодеформируемой (F1) под воздействием потока (Е) воды, при этом указанная вторая часть образует, когда машина работает, направление (D208, D208₁, D208₂) потока (Е) воды по потоку после лопатки,

отличающаяся тем, что вторая часть (208В) лопатки (208) образована:

сердечником (208В1) из жесткого материала, который представляет собой моноблок с первой частью (208А), и покрытием (208В2), которое выполнено из упругодеформируемого материала, модуль упругости которого меньше, чем у материала, образующего первую часть, или

профилем (208В2) из смолы, который прикреплен к первой части (208А), и оболочкой (208В1, 208В3) из композиционного материала, которая окружает профиль из смолы.

2. Вращающаяся часть (202) по п. 1, отличающаяся тем, что указанная вращающаяся часть содержит соединительный элемент (2222; 205) между лопатками (208) и валом (204), который образует ось (Z202; Z204) вращения вращающейся части, при этом первая часть (208А) каждой лопатки (208) выполнена за одно целое с соединительным элементом, а вторая часть (208В) каждой лопатки не выполнена за одно целое с соединительным элементом.

3. Вращающаяся часть (202) гидравлической машины (20), которая при прохождении через нее потока (Е) воды вращается вокруг оси (Z202) вращения и которая содержит лопатки (208), которые распределены вокруг оси вращения и продолжаются между передним краем (2080) и задним краем (2082), причем каждая лопатка (208) содержит первую часть (208А), которая образует ее передний край (2080), и вторую часть (208В), которая прикреплена к первой части и образует ее задний край (2082) по меньшей мере частично, при этом вторая часть является перемещаемой реверсивным образом (F2) относительно первой части под воздействием потока (Е) воды, при этом указанная вторая часть образует, когда машина работает, направление (D208, D208₁, D208₂) потока (Е) воды по потоку после лопатки, причем вторая часть (208В) лопатки (208) сочленена с первой частью (208А),

отличающаяся тем, что лопатка (208) содержит средство (2083) для упругого возвращения второй части (208В) в заданное положение.

4. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вторая часть (208В) продолжается на приблизительно одной трети длины (L208) лопатки (208), измеренной между передним краем (2080) и задним краем (2082).

5. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вторая часть (208В) образует задний край (2082) полностью.

6. Вращающаяся часть (202) по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что первая часть (208А) образует первый участок (2082А) заднего края (2082), а вторая часть (208В) образует второй участок (2082В) заднего края.

7. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вторая часть (208В) лопатки образована несколькими отдельными элементами (208В1, 208В2, 208В3), которые являются упругодеформируемыми или перемещаемыми независимо друг от друга относительно первой части (208А).

8. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что длина второй части (208В), измеренная между областью ее прикрепления (Z208B) к первой части (208А) и задним краем (2082), является переменной вдоль заднего края.

9. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что когда машина работает вторая часть (208В) направляет поток (Е) воды вдоль направления, которое имеет пониженную вращательную составляющую, приближающуюся от направления, параллельного оси (Z202) вращения вращающейся части.

10. Вращающаяся часть (202) по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что указанная вращающаяся часть представляет собой рабочее колесо (202) радиально-осевой турбины, которое содержит ступицу (2022) и обод (2020), между которыми продолжаются лопатки (208), при этом первая часть (208А) каждой лопатки прикреплена к ступице и к ободу, а вторая часть (208В) прикреплена или не прикреплена к ступице или к ободу.

11. Вращающаяся часть (202) по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что указанная вращающаяся часть связана с турбиной пропеллерного типа, турбиной поворотно-лопастного типа, турбиной капсульного типа или турбиной диагонального типа и содержит втулку (205) и лопатки (208), которые продолжаются радиально относительно оси вращения от втулки, при этом первая часть (208А) каждой лопатки установлена на втулке, а вторая часть (208В) каждой лопатки прикреплена или не прикреплена к втулке.

12. Гидравлическая машина (20), отличающаяся тем, что указанная гидравлическая машина содержит вращающуюся часть (202) по любому из пп. 1-11.

13. Установка (2) для преобразования гидравлической энергии в электроэнергию или механическую энергию, отличающаяся тем, что указанная установка содержит гидравлическую машину (20) по п. 12.