АЭРАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F03B3/12 F03B11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предложенное изобретение относится к конструкции аэрационной системы, расположенной в рабочем колесе гидравлической турбины и повышающей уровень растворенного кислорода, содержащегося в воде, циркулирующей через гидравлическую турбину.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Путем наблюдения верхнего бьефа гидравлических водохранилищ гидроэлектростанций, особенно в условиях теплого климата и, в частности в гидравлических водохранилищах с глубиной более 15 м, было установлено, что в гидравлических водохранилищах возникает стратификация верхнего бьефа, обусловливающая низкий уровень растворенного в воде кислорода. В частности, когда уровень растворенного в воде кислорода составляет менее 5 мг/л, то это немедленно отражается на водной флоре и фауне со значительным повышением тем самым уровня стресса у большей части рыб. В таких условиях для увеличения уровня растворенного кислорода, содержащегося в воде, вводят воздух в водотоки гидравлической турбины гидроэлектростанции.

В уровне техники известны некоторые способы введения воздуха в водотоки гидравлической турбины, однако, каждый способ имеет ограниченные возможности введения воздуха в гидравлическую турбину, что приводит к различному повышению растворенного кислорода в воде. Кроме того, каждый из этих способов по-разному воздействует на распределение давления в воде и на направления скоростей потоков внутри гидравлической турбины, что оказывает влияние на эксплуатационные параметры и характеристики турбины.

Таким образом, существующие технические решения введения воздуха в водотоки гидравлической турбины, известные из уровня техники, имеют ограниченные возможности введения воздуха, а также оказывают сильное воздействие на эксплуатационные параметры турбины.

Предложенное изобретение направлено на улучшение вышеупомянутых ограничений, существующих в предшествующем уровне техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложенное изобретение относится к конструкции аэрационной системы, расположенной в рабочем колесе гидравлической турбины и увеличивающей эффективным способом уровень растворенного кислорода, содержащегося в воде, циркулирующей через гидравлическую турбину, и сводящей к минимуму сильное воздействие на эксплуатационные параметры турбины.

В частности, предложенная аэрационная система содержит элементы с гидродинамическим профилем, расположенные в межлопастных каналах водотока гидравлической турбины, причем эти межлопастные каналы используются для впуска воздуха в поток воды с повышением, тем самым, уровня растворенного кислорода, содержащегося в воде, циркулирующей через гидравлическую турбину.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные выше цели и многочисленные преимущества предложенного изобретения будут легче оценены и более понятны из нижеследующего подробного описания, рассмотренного совместно с сопроводительными чертежами, на которых:

на фиг. 1 показан вид спереди типичной гидравлической турбины, содержащей лопасти, ограничивающие межлопастные каналы, в которых могут быть расположены элементы с гидродинамическим профилем для образования аэрационной системы в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 показан вид сбоку рабочего колеса типичной гидравлической турбины, изображенной на фиг. 1, содержащего межлопастные каналы, в которых могут быть расположены элементы с гидродинамическим профилем для образования предложенной аэрационной системы;

на фиг. 3 показан детальный вид лопасти типичной гидравлической турбины, показанной на фиг. 1 или 2;

на фиг. 4 показан трехмерный вид рабочего колеса гидравлической турбины с аэрационной системой, содержащей множество элементов с гидродинамическим профилем, расположенных в межлопастных каналах, в соответствии с предложенным изобретением;

на фиг. 5 показан детальный вид межлопастных элементов с гидродинамическим профилем аэрационной системы, расположенной в рабочем колесе гидравлической турбины, в соответствии с изобретением;

на фиг. 6 показан детальный вид конструкции элемента с гидродинамическим профилем аэрационной системы, расположенной в рабочем колесе гидравлической турбины, в соответствии с изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана установка для преобразования энергии в соответствии с предложенным изобретением. Установка содержит гидравлическую турбину 31, которая на фиг. 1 является радиально-осевой турбиной. Вращающейся частью гидравлической турбины 31 является рабочее колесо 10 радиально-осевого типа, показанное на фиг. 1. Это рабочее колесо 10 вращается относительно вертикальной оси 202, приводя во вращение приводной вал 204. Приводной вал 204 соединен с генератором 206 для выработки электричества. Однако также возможно использование создаваемой механической энергии для приведения в действие другого устройства. Вода запасена в водохранилище выше по потоку, не показанном на фиг. 1. Запасенная вода поступает в гидравлическую турбину 31 через напорную трубу 22, имеющую высоту падения, определяемую разницей в высоте между водохранилищем и гидравлической турбиной 31. Напорная труба 22 заканчивается в крышке 24, окружающей колесо 10 и обеспечивающей возможность распределения воды по существу равномерно вокруг вертикальной оси 202 внутри колеса 10. Более конкретно, вода протекает между лопастями 2 рабочего колеса, расположенными между верхней частью 2022 и наружным ободом 2020 в рабочем колесе 10. Каждая из этих лопастей 2 содержит переднюю кромку 2080, к которой вода поступает из крышки 24, и заднюю кромку 2082, от которой вода уходит во всасывающую трубу 26. Лопасти 2 с нижней поверхностью 2084 и верхней поверхностью 2086 имеют асимметричный профиль. Направление потока воды, проходящего через гидравлическую турбину 31, показано на фиг. 1 стрелкой Е.

Предложенное изобретение относится к аэрационной системе 100 в рабочем колесе 10 гидравлической турбины. Аэрационная система 100, выполненная в соответствии с изобретением, содержит множество элементов 12 с гидродинамическим профилем, расположенных в межлопастных каналах 11 водотока гидравлической турбины, причем эти каналы 11 используются для впуска воздуха в поток воды с повышением, тем самым, уровня растворенного кислорода, содержащегося в воде, циркулирующей через гидравлическую турбину. Система 100, выполненная в соответствии с изобретением, показана на фиг. 1-6.

Элементы 12 с гидродинамическим профилем аэрационной системы 100 расположены в межлопастных каналах 11 рабочего колеса 10. Каждый элемент 12 присоединен к стороне 101 повышенного давления или к стороне 102 пониженного давления лопасти или к обеим сторонам 101 и 102 межлопастных каналов 11. В соответствии с предложенным изобретением по меньшей мере одна из лопастей 2 рабочего колеса 10, находящаяся в контакте с элементом 12, содержит аэрационный канал 20 для подачи воздуха к элементу 12 с гидродинамическим профилем. Этот канал 20 может соединять либо входное отверстие для воздуха у верхней части рабочего колеса, либо у наружного обода рабочего колеса с элементом 12 с гидродинамическим профилем. Профиль элемента 12, выполненного в соответствии с предложенным изобретением, является не осесимметричным. Элемент 12 может быть выполнен из двух пластин 13 и 14 со свободным проходом между ними или может быть выполнен из одной пластины, содержащей внутри аэрационные каналы для обеспечения возможности впуска воздуха у задней кромки элемента 12 или у одной из его сторон.

Элемент 12 с гидродинамическим профилем расположен внутри межлопастного канала 11, где условия течения потока воды наилучшим образом оптимизируют естественный впуск воздуха и увеличение растворенного кислорода для режима работы турбины.

Возможно использование одного или нескольких элементов 12 с гидродинамическим профилем в рабочем колесе 10 турбины. Возможно использование одного и того же профиля для всех элементов 12 с гидродинамическим профилем или нескольких различных профилей. Возможно расположение всех элементов 12 с гидродинамическим профилем на одной и той же высоте внутри межлопастного канала 11 или на различных высотах в зависимости от предполагаемых характеристик. Возможно использование одного или нескольких элементов 12 с гидродинамическим профилем на различной высоте в одном и том же межлопастном канале 11. Все эти характеристики обеспечивают различные варианты выполнения устройства в соответствии с предложенным изобретением.

Предпочтительно, хорда элемента с гидродинамическим профилем является более длинной на стороне, которая присоединена к аэрационному каналу 20, при этом ее длина уменьшается на протяжении межлопастного канала 11 для минимизации потерь на трение.

Решение, выполненное в соответствии с предложенным изобретением, приводит в результате к распределенной аэрационной системе 100, которая может быть расположена именно в том месте, в котором впуск воздуха является наиболее эффективным для рассмотренного рабочего состояния гидравлической турбины. Выход из рабочего колеса 10 находится в соответствующем местоположении, которое обеспечивает возможность хорошего смешивания воздуха с водой. Кроме того, эффективность системы впуска воздуха увеличивается, когда давление воды в местоположении впуска воздуха является низким. Давление у выхода из рабочего колеса изменяется в азимутальном направлении от стороны 102 пониженного давления лопасти к стороне 101 повышенного давления, а в меридиональном направлении от стороны наружного обода колеса к верхней стороне колеса. Предложенная аэрационная система 100 является единственным устройством, обеспечивающим возможность впуска воздуха в межлопастные каналы 11 от любого оптимизированного местоположения на стороне 102 пониженного давления до любого оптимизированного местоположения на стороне 101 повышенного давления.

Предложенная конструкция представляет собой подходящее решение, удовлетворяющее существующие в настоящее время требования рынка к увеличению растворенного кислорода. Оно, в целом, относится к радиально-осевым турбинам, но также может быть рассмотрено для использования в пропеллерных турбинах.

Несмотря на то, что предложенное изобретение полностью рассмотрено в связи с предпочтительными вариантами выполнения, тем не менее, очевидно, что возможно внесение в него изменений в пределах объема правовой охраны изобретения, ограниченных не этими вариантами выполнения, а содержанием нижеследующей формулы изобретения.

Перечень ссылочных позиций

31 гидравлическая турбина

202 вертикальная ось гидравлической турбины

204 приводной вал гидравлической турбины

206 генератор

22 напорная труба в гидравлической турбине

24 крышка в гидравлической турбине

26 всасывающая труба в гидравлической турбине

2022 верхняя часть колеса в гидравлической турбине

2020 наружный обод колеса в гидравлической турбине

2080 передняя кромка лопасти рабочего колеса

2082 задняя кромка лопасти рабочего колеса

2084 нижняя поверхность лопасти рабочего колеса

2086 верхняя поверхность лопасти рабочего колеса

100 аэрационная система

10 рабочее колесо гидравлической турбины

12 элемент с гидродинамическим профилем

11 межлопастные каналы

101 сторона повышенного давления межлопастного канала

102 сторона пониженного давления межлопастного канала

2 лопасти рабочего колеса

20 аэрационный канал лопасти

13 пластина элемента с гидродинамическим профилем

14 пластина элемента с гидродинамическим профилем

Изобретение относится к конструкции аэрационной системы. Аэрационная система для рабочего колеса (10) гидравлической турбины содержит множество лопастей (2). Между каждой парой лопастей (2) образованы межлопастные каналы для впуска воздуха в поток воды, циркулирующий через гидравлическую турбину. Кроме того, аэрационная система содержит по меньшей мере один элемент (12) с гидродинамическим профилем, расположенный в межлопастном канале рабочего колеса (10) и находящийся в контакте с парой лопастей (2), образующих межлопастной канал, в котором расположен элемент (12). Элемент (12) имеет не осесимметричный профиль, и по меньшей мере одна из лопастей (2), находящаяся в контакте с элементом (12), имеет аэрационный канал, подающий воздух к элементу (12). Изобретение направлено на увеличение уровня растворенного кислорода, содержащегося в воде, циркулирующей через гидравлическую турбину и сводящей к минимуму воздействие на эксплуатационные параметры турбины. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Аэрационная система (100) для рабочего колеса (10) гидравлической турбины, содержащего множество лопастей (2), при этом между каждой парой лопастей (2) образованы межлопастные каналы (11) для впуска воздуха в поток воды, циркулирующий через гидравлическую турбину, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один элемент (12) с гидродинамическим профилем, расположенный в межлопастном канале (11) рабочего колеса (10) и находящийся в контакте с парой лопастей (2), образующих межлопастной канал (11), в котором расположен элемент (12) с гидродинамическим профилем, при этом указанный элемент (12) имеет неосесимметричной профиль, и по меньшей мере одна из лопастей (2), находящаяся в контакте с элементом (12) с гидродинамическим профилем, имеет аэрационный канал (20), по которому подается воздух к указанному элементу (12).

2. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что аэрационный канал (20) выполнен с возможностью подачи воздуха от верхней части рабочего колеса к элементу (12) с гидродинамическим профилем.

3. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что аэрационный канал (20) выполнен с возможностью подачи воздуха от наружного обода рабочего колеса к элементу (12) с гидродинамическим профилем.

4. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит электронное устройство, регулирующее проходящий через нее поток воздуха.

5. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (12) с гидродинамическим профилем присоединен к стороне (101) повышенного давления межлопастного канала (11).

6. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (12) с гидродинамическим профилем присоединен к стороне (102) пониженного давления межлопастного канала (11).

7. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (12) с гидродинамическим профилем присоединен к стороне (101) повышенного давления и к стороне (102) пониженного давления межлопастного канала (11).

8. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (12) с гидродинамическим профилем содержит две пластины (13, 14), между которыми имеется свободный проход для обеспечения возможности впуска воздуха.

9. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что элемент (12) с гидродинамическим профилем содержит одну пластину, внутри которой имеются аэрационные каналы для обеспечения возможности впуска воздуха.

10. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит множество элементов (12) с гидродинамическим профилем, каждый из которых имеет отличный от других гидродинамический профиль.

11. Аэрационная система (100) по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит множество элементов (12) с гидродинамическим профилем, которые имеют одинаковый гидродинамический профиль.

12. Аэрационная система (100) по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что она содержит множество элементов (12) с гидродинамическим профилем, которые расположены на одной и той же высоте в межлопастных каналах (11) относительно рабочего колеса (10).

13. Аэрационная система (100) по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что она содержит множество элементов (12) с гидродинамическим профилем, которые расположены на различных высотах в межлопастных каналах (11) относительно рабочего колеса (10).

14. Аэрационная система (100) по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что она содержит множество элементов (12) с гидродинамическим профилем, которые расположены на различных высотах относительно рабочего колеса (10) в единственном одном и том же межлопастном канале (11).

15. Гидравлическая турбина, содержащая аэрационную систему (100) по любому из пп. 1-14.