СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЧАСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЧАСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ЭТИМ СПОСОБОМ, 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 способу изготовления вращающейся части гидравлической машины, содержащейся в установке для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию, при этом вращающаяся часть производится согласно этому способу, к гидравлической машине, снабженной такой вращающейся частью, и к установке для преобразования энергии, содержащей такую машину.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию известно использование гидравлической машины, такой как турбина, насос или турбонасос. В турбинном режиме машина приводит во вращение вал, таким образом, преобразовывая гидравлическую энергию в механическую энергию. Это преобразование энергии достигается посредством рабочего колеса, содержащего ступицу рабочего колеса, обод рабочего колеса и лопатки, которые распределены вокруг оси вращения рабочего колеса между ступицей рабочего колеса и ободом рабочего колеса. Лопатки продолжаются, следуя изогнутой линии, между первым краем и вторым краем, которые, соответственно, в ходе работы, являются передним краем и задним краем относительно потока воды. В ходе работы в турбинном режиме вода протекает из предшествующего по потоку резервуара для воды через напорный водовод и поступает в кожух, окружающий рабочее колесо машины. Кожух затем распределяет воду между лопатками рабочего колеса. Лопатки имеют особый профиль, посредством которого в рабочем колесе могут быть созданы области низкого давления. Это вызывает вращение рабочего колеса. Когда вода достигает заднего края лопаток, она проходит к находящейся далее по потоку отсасывающей трубе.

Одной из периодически возникающих в настоящее время проблем в области гидравлических машин является возникновение вихревой дорожки Кармана вблизи и по потоку после задних краев лопаток рабочего колеса. Более точно, задние края лопаток рабочего колеса не очень обтекаемы и изготавливают периодическую последовательность завихрений, вызванных неустойчивым разделением потока вокруг лопаток. Вихревые дорожки Кармана снижают эффективность машины и вызывают динамическую нагрузку на лопатки, которая может привести к образованию трещин.

Вероятность образования вихревой дорожки Кармана тем больше, чем более толста задний край лопатки. Первое решение состоит в том, чтобы таким образом уменьшить в максимально возможной степени толщину заднего края асимметричным образом для нарушения симметрии этого явления и его интенсивности. Этот подход действительно позволяет уменьшить вихревые дорожки Кармана, но не может устранить их, поскольку свойства используемых сталей не допускают необходимого уменьшения толщины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Именно на устранение этих недостатков направлено изобретение, предлагающее способ изготовления вращающейся части гидравлической машины, посредством которой можно произвести гидравлическую машину, которая более надежна и имеет улучшенные рабочие характеристики.

С этой целью изобретение относится к способу изготовления вращающейся части, содержащейся в гидравлической машине установки для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию или механическую энергию, при этом вращающаяся часть содержит лопатки, распределенные вокруг оси вращения вращающейся части и продолжающиеся от переднего края до заднего края. Согласно изобретению, этот способ включает в себя этапы, на которых:

а) изготавливают из стали первую часть каждой лопатки, которая образует ее передний край,

b) изготавливают вторую часть лопатки из материала, отличного от стали, и прикрепляют ее к первой части лопатки для образования заднего края.

На основании изобретения с использованием состоящей из двух частей лопатки вторая часть которой выполнена из материала, отличного от стали, можно уменьшить толщину заднего края до почти нулевой толщины, не вредя механической прочности рабочего колеса или долговечности оборудования, что означает, что вихревые дорожки Кармана, которые образуются на заднем крае лопаток, уменьшаются.

В соответствии с одним предпочтительным, но необязательным объектом изобретения, вторая часть прикреплена к первой части посредством адгезивного соединения, сварки или свинчивания.

Изобретение также относится к вращающейся части, содержащейся в гидравлической машине установки для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию, причем эта вращающаяся часть вращается вокруг оси вращения, когда через нее проходит поток воды, и содержащей лопатки, распределенные вокруг оси вращения и продолжающиеся от переднего края до заднего края. Согласно изобретению, каждая лопатка вращающейся части содержит первую часть, образующую передний край, и вторую часть, образованную удлинением, которое прикреплено к области прикрепления первой части и которое образует задний край лопатки.

В соответствии с предпочтительными, но необязательными объектами изобретения, вращающаяся часть, содержащаяся в гидравлической машине, может содержать один или больше из следующих элементов в любой технически допустимой комбинации.

Удлинение содержит две поверхности, которые, соответственно, продолжают нагнетающую поверхность и засасывающую поверхность, которые образованы первой частью лопатки.

Удлинение выполнено из материала, предел упругости которого выше, чем у стали, тенденция распространения трещин которого ниже, чем у стали, или модуль упругости которого ниже, чем у стали, то есть, такого как композиционный материал.

Удлинение продолжает лопатку и имеет длину, рассматриваемую между задним краем и областью прикрепления между 1% и 25%, в частности, равную 10% средней полной длины лопатки.

Вращающаяся часть представляет собой рабочее колесо радиально-осевого типа, содержащее ступицу рабочего колеса и обод рабочего колеса, между которыми продолжаются лопатки, при этом их первая часть и вторая часть прикреплены к ступице рабочего колеса и к ободу рабочего колеса.

Удлинение имеет поперечное сечение в форме симметричного заострения.

Вращающаяся часть относится к машине капсульного, поворотно-лопастного, пропеллерного или диагонального типа и содержит втулку, которая в ходе работы вращается вокруг оси, и лопатки, продолжающиеся радиально относительно оси вращения от втулки.

Изобретение также относится к гидравлической машине, содержащей вращающуюся часть, как указано выше.

Наконец, изобретение относится к установке для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию, которая содержит гидравлическую машину, как указано выше.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет понятнее, и другие его преимущества будут яснее в свете следующего исключительно примерного описания варианта осуществления способа изготовления вращающейся части, содержащейся в гидравлической машине, в соответствии с принципом изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - представляет собой вид схематичного 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 подробный вид одной лопатки, находящейся на рабочем колесе, показанном на фиг. 2, в частности, пятой лопатки слева, которую можно видеть на этой фигуре,

фиг. 4 - представляет собой вид поперечного сечения лопатки, показанной на фиг. 3,

фиг. 5 - представляет собой увеличенный вид части в рамке V на фиг. 4,

фиг. 6 - представляет собой схематичный вид осевого сечения установки согласно изобретению, содержащему турбину пропеллерного типа согласно второму варианту осуществления изобретения,

фиг. 7 - представляет собой увеличенный вид частичного сечения вдоль линии VII-VII на фиг. 6, и

фиг. 8 - представляет собой вид, подобный показанному на фиг. 5, поперечного сечения лопатки рабочего колеса известного уровня техники.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана установка 2 для преобразования энергии согласно изобретению. Эта установка 2 для преобразования энергии содержит гидравлическую машину 20, которая в данном примере представляет собой радиально-осевую турбину. Вращающаяся часть турбины 20, таким образом, представляет собой рабочее колесо 202 радиально-осевого типа. Это рабочее колесо 202 вращается вокруг вертикальной оси Z202 и вращает ведущий вал 204. В данном случае ведущий вал 204 соединен с генератором 206 переменного тока для изготовления электроэнергии. Однако также можно использовать механическую энергию, производимую для приведения в действие другой машины. Вода содержится в предшествующем по потоку резервуаре для воды (не показан). В этом случае она подается в гидротурбину 20 посредством промежуточного напорного водовода 22 с напором, который определяется разностью высот между резервуаром для воды и турбиной 20. Напорный водовод 22 открыт в кожух 24, который окружает рабочее колесо 202 и посредством которого вода может распределяться по существу равномерно вокруг оси Z202 в рабочем колесе 202. Более точно, вода проходит между лопатками 208, которые расположены между ступицей 2022 рабочего колеса и ободом 2020 рабочего колеса 202. Каждая из этих лопаток 208 содержит передний край 2080, на который поступает вода из кожуха 24, и задний край 2082, с которой вода уходит в отсасывающую трубу 26. Лопатки 208 имеют асимметричный профиль с нагнетающей поверхностью 2084 и засасывающей поверхностью 2086. Хорда 2088 образована как линия, которая равноудалена между нагнетающей поверхностью 2084 и засасывающей поверхностью 2086 и которая проходит через передний край 2080 и задний край 2082. Направление потока воды через турбину 20 показано на фиг. 1 стрелками Е.

На фиг. 2 показано рабочее колесо 202 согласно изобретению. Более точно, важен момент, с которым поток Е достигает заднего края 2082 лопаток 208, поскольку она является особенно критической областью для потока Е. Действительно, этот момент обозначает разделение потока Е от лопаток 208. По этой причине применены лопатки 208, которые являются предметом способа изготовления.

На фиг. 8 показан задний край 2082' лопатки 208', содержащейся в рабочем колесе известного уровня техники. В этом случае лопатка имеет асимметричную форму вблизи заднего края 2082', поскольку толщина уменьшается к этому краю. Таким образом, получен задний край с уменьшенной толщиной. Однако задний край 2082' все же сохраняет определенную толщину, так как свойства стали неудовлетворительны для обеспечения заданной долговечности, когда толщина будет слишком мала, в частности, с риском образования трещин.

Далее представляет интерес поверхность раздела между задним краем 2082 лопатки 208 рабочего колеса 202 согласно изобретению и потоком Е. Это также может быть применено к другим лопаткам 208 рабочего колеса 202.

На фиг. 3-5 показана лопатка 208, произведенная посредством способа согласно изобретению. Как показано на фиг. 5, лопатка 208 содержит первую часть 208А, выполненную из стали и произведенную на первом этапе способа изготовления, и вторую часть 208С, которая является удлинением, прикрепленным к области 208А2 прикрепления первой части 208А, и которое выполнено из гибкого материала, такого как композиционный материал. Область 208А2 прикрепления перпендикулярна хорде 2088. Удлинение 208С имеет поперечное сечение в плоскости, подобной показанной на фиг. 3-5, толщина которого прогрессивно уменьшается, ограничиваясь заострением, которое симметрично и образует линейную или квазилинейный задний край 2082. Таким образом, вихревые дорожки Кармана существенно уменьшаются при сходе с лопатки 208, и поток, исходящий от лопаток, более устойчив.

Вихревые дорожки Кармана представляют динамическую нагрузку на лопатки 208. Таким образом, риск вибрации, которая может привести к образованию трещин, существенно снижается, когда вращающаяся часть 202 производится в соответствии с этим способом, и долговечность машины, таким образом, увеличивается.

Удлинение 208С затем адгезивно соединяется с областью 208А2 прикрепления. В ходе этой операции удлинение 208С деформируется для следования криволинейной форме области 208А2 прикрепления. Эта деформация относительно проста для сборщика, поскольку материал, используемый для изготовления удлинения 208С, гибкий. Удлинение 208С может быть прикреплено к ступице 2022 рабочего колеса и к ободу 2020 рабочего колеса. В качестве альтернативы, оно может быть отделено от этих элементов.

Та поверхность удлинения 208С, которая находится на рабочей стороне 2084 лопатки, обозначена ссылочной позицией S208C4, и та поверхность удлинения 208С, которая находится на стороне поверхности 2086 разрежения лопатки 208, обозначена ссылочной позицией S208C6. Поверхности S208C4 и S208C6, соответственно, проходят от рабочей поверхности 2084 и от поверхности 2086 разрежения и сходятся к задней кромке 2082. Таким образом, поток не возмущается между первой частью 208А и второй частью 208С.

Удлинение 208С продолжается по всей поверхности области 208А2 прикрепления. Другими словами, часть 208С формирует всю заднюю кромку 2082.

Практически, удлинение 208С имеет длину L208C, которая при рассмотрении перпендикулярно области 208А2 прикрепления и между той областью и задним краем 2082, составляет от 1% до 25%, в частности, равную 10% длины хорды 2088 между передним краем 2080 и задним краем 2082.

На фиг. 6 и 7 показан другой тип гидравлической машины, в которой применяется второй вариант осуществления изобретения. Эта гидравлическая машина представляет собой турбину пропеллерного типа. Она содержит втулку 205, установленную на валу 204, вращающемся вокруг вертикальной оси Z204 вращения. Вокруг втулки 205 расположены лопатки 208. Эта турбина пропеллерного типа питается водой посредством напорного водовода 22. Вода, таким образом, проходит между лопатками 208 рабочего колеса. Этот поток представлен на фиг. 6 стрелками Е. Втулка 205 и лопатки 208 совместно образуют вращающуюся часть 202 турбины.

Согласно изобретению, лопатки 208 этой пропеллерной турбины выполнены из двух частей. Первая часть 208А образует передний край 2080 каждой лопатки, как можно видеть по потоку Е. Удлинение 208С прикреплено к этой первой части 208А и формирует вторую часть лопатки 208. Это удлинение 208С производится отдельно от первой части 208А до того, как оно будет смонтировано на части 208А. Оно выполнено из композиционного материала. Как показано на фиг. 7, удлинение 208С имеет поперечное сечение в форме заостренной части, образующей линейный задний край 2082. Таким образом, можно уменьшить вихревые дорожки Кармана, которые вредят эффективности турбины 20.

На фиг. 7 показан более подробно задний край 2082 лопатки 208. Как показано на этой фигуре, удлинение 208С посредством адгезивного соединения с областью 208А2 прикрепления первой части 208А. Кроме того, удлинение 208С содержит две поверхности S208C4 и S208C6, которые, соответственно, продолжаются нагнетающую поверхность 2084 и засасывающую поверхность 2086 лопатки 208. Поток, таким образом, не возмущается между первой частью 208А и второй частью 208С.

В варианте осуществления изобретения, который не показан, изобретение также относится к турбинам типов, отличных от радиально-осевых турбин или пропеллерных турбин, в частности, относится к поворотно-лопастным турбинам, капсульным турбинам или турбинам диагонального типа.

В варианте осуществления изобретения, который не показан, и в любом варианте выполнения удлинение 208С может прикрепляться винтами или может быть приварено к области 208А2 существующей лопатки.

В варианте, который применим ко всем вариантам осуществления изобретения, удлинение 208С выполнено из материала, предел упругости которого выше, чем у стали, при этом тенденция распространения трещин меньше, чем у стали, или модуль упругости которого ниже, чем у стали, в частности, из композиционного материала или какого-либо другого надлежащего материала.

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

Группа изобретений относится к способу изготовления вращающейся части гидравлической машины, вращающейся части гидравлической машины, изготовленной этим способом, и установке для преобразования энергии. Вращающаяся часть (202) содержится в гидравлической машине (20) установки для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию или механическую энергию. Часть (202) содержит лопатки (208), распределенные вокруг оси (Z202) вращения части (202) и продолжающиеся от переднего края к заднему краю. Способ изготовления части (202) включает в себя этапы, на которых изготавливают из стали первую часть (208А) каждой лопатки (208), которая образует ее передний край, изготавливают вторую часть (208С) лопатки из материала, отличного от стали, и прикрепляют ее к первой части лопатки для образования заднего края. Часть (208С) имеет поперечное сечение в форме симметричного заострения. Группа изобретений направлена на повышение эффективности машины и снижение динамической нагрузки на лопатки, которая может привести к образованию трещин. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления вращающейся части (202), содержащейся в гидравлической машине (20) установки (2) для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию или механическую энергию, причем вращающаяся часть содержит лопатки (208), распределенные вокруг оси (Z202; Z204) вращения вращающейся части и продолжающиеся от переднего края (2080) к заднему краю (2082), при этом этот способ включает в себя этапы, на которых:

a) изготавливают из стали первую часть (208А) каждой лопатки (208), которая образует ее передний край (2080),

b) изготавливают вторую часть (208С) лопатки из материала, отличного от стали, и прикрепляют ее к первой части лопатки для образования заднего края (2082),

при этом вторая часть (208С) имеет поперечное сечение в форме симметричного заострения.

2. Способ по п. 1, в котором вторую часть (208С) прикрепляют к первой части (208А) посредством адгезивного соединения, сварки или свинчивания.

3. Вращающаяся часть (202), содержащаяся в гидравлической машине (20) установки (2) для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию, причем вращающаяся часть вращается вокруг оси (Z202; Z204) вращения при прохождении через нее потока воды и содержит лопатки (208), распределенные вокруг оси вращения и продолжающиеся от переднего края (2080) до заднего края (2082), при этом каждая лопатка (208) вращающейся части содержит первую часть (208А), образующую передний край, и вторую часть, образованную удлинением (208С), которое прикреплено к области (208А2) прикрепления первой части (208А) и которое образует задний край (2082) лопатки, причем удлинение (208С) имеет поперечное сечение в форме симметричного заострения.

4. Вращающаяся часть (202) по п. 3, в которой удлинение (208С) содержит две поверхности (S208C4, S208C6), которые продолжают соответственно нагнетающую поверхность (2084) и засасывающую поверхность (2086), которые образованы первой частью (208А) лопатки (208).

5. Вращающаяся часть (202) по п. 3 или 4, в которой удлинение (208С) выполнено из материала, предел упругости которого выше, чем у стали, тенденция развития трещин которого ниже, чем у стали, или модуль упругости которого ниже, чем у стали, такого как композиционный материал.

6. Вращающаяся часть (202) по п. 3 или 4, в которой удлинение (208С) продолжает лопатку (208) и имеет длину (L208C), рассматриваемую между задним концом (2082) и областью (208А2) прикрепления, между 1% и 25%, в частности, равную 10% средней полной длины лопатки.

7. Вращающаяся часть (202) по п. 3 или 4, которая является рабочим колесом радиально-осевого типа, содержащим ступицу (2022) рабочего колеса и обод (2020) рабочего колеса, между которыми продолжаются лопатки (208), при этом первая часть (208А) и вторая часть (208С) прикреплены к ступице рабочего колеса и к ободу рабочего колеса.

8. Вращающаяся часть (202) по п. 3 или 4, которая содержится в машине капсульного, поворотно-лопастного, пропеллерного или диагонального типа и содержит втулку (205), которая вращается вокруг оси (Z204) в ходе работы, и лопатки (208), которые продолжаются радиально относительно оси вращения от втулки.

9. Гидравлическая машина (20), которая содержит вращающуюся часть (202) по любому из пп. 3-8.

10. Установка (2) для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию или электрическую энергию, которая содержит гидравлическую машину (20) по п. 9.