Вертикальная гидравлическая турбина с лопастями в виде трубки с углом поворота на 180 Российский патент 2023 года по МПК F03B1/02 

1. Область применения

Использование: в гидротурбостроении. Изобретение относится к активным гидротурбинам. Для сравнения выбрана ковшовая гидротурбина. Сущность изобретения: гидротурбина имеет новую форму (конструкцию) лопастей рабочего колеса. Лопасть гидротурбины имеет форму трубки с углом поворота на 180°. В верхней части лопасти, в месте соприкосновения со струей воды имеется вырез для исключения удара тыльной стороной о водный поток. Заявленное изобретение позволяет увеличить КПД активной гидравлической турбины.

2. Предшествующий уровень техники.

Из уровня техники нам известны следующие источники информации: «Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. Теория, исследования, расчет.М. - Л., Машгиз, 1963 г.», «Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. - 2е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1980. - 288 с., ил.», «Справочник по гидравлическим расчетам под ред. П.Г. Киселева. - М.: Энергия, 1974. - … с», « United States Patent Application Publication Pub. No.: US 2004/0120821 A1», « Winther Solemslie. Experimental methods and design of a Pelton bucket. Thesis for the degree of Philosophiae Doctor. Trondheim, March 2016. Norwegian University of Science and Technology Faculty of Engineering Science and Technology Department of Energy and Process Engineering.)), «Numerical and Experimental Investigation of Flow in Horizontal Axis Pelton Turbines. Lancaster University. Sean Mark Petley. This dissertation is submitted for the degree of Doctor of Philosophy. 2018. Engineering Department in collaboration with Gilbert Gilkes & Gordon Ltd.», «Optimisation and efficiency improvement of pelton hydro turbine using computational fluid dynamics and experimental testing. Audrius Phd thesis. Supervisor: DR. George A.

Aggidis. Lancaster University in collaboration with Gilbert Gilkes & Gordon Ltd. Department of Engineering, Faculty of Science and Technology, Lancaster University, Lancaster, UK. 2015».

Известна ковшовая вертикальная гидротурбина, которая является ближайшим аналогом настоящего изобретения. Эта турбина имеет сопло, механизм управления иглой, коллектор, шаровой затвор, напорный трубопровод, отражатель, дефлектор (отсекатель) и рабочее колесо, охваченные сверху кожухом. (Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. Теория, исследования, расчет.М. - Л., Машгиз, 1963 г. стр. 7, фиг. 2)

Недостатки данных конструкций гидротурбины заключаются в том, что из-за особенностей конструкции формы лопастей рабочего колеса в виде ковша, при работе гидротурбины возникают следующие виды потерь связанные с рабочим колесом:

1. Вход лопасти в струю сопровождается в общем случае следующими явлениями, связанными с потерями энергии:

A) Обтекающая струя встречает на своем пути криволинейную стенку и должна резко изменить направление своего движения.

Б) Р. Лоуви обратил так же внимание на то, что проходящая струя отклоняется от первоначального направления в сторону от оси рабочего колеса и постепенно деформируется.

B) После вступления в струю лопасть своей тыльной поверхностью и входной кромкой часто настигает проходящую часть струи, ударяет ее и в той или иной степени (в зависимости от конструкции рабочего колеса и режима работы) деформирует и разбрызгивает.При этом теряется часть энергии струи и тормозится рабочее колесо. В связи с тем, что на некоторых действующих ковшовых турбинах потери на удар тыльной поверхностью снижали к.п.д. более чем на 10%.

2. Объемные потери.

Объемные потери в ковшовых турбинах возникают в результате того, что часть напорной струи проходит между лопастями, не попадая на них и не производя никакой полезной работы.

3. Вход струи на лопасть.

При входе струи на лопасть струя встречается с ножом, который делит ее на два симметричных потока.

4. Потери на смешивание.

По мере прохождения лопасти по дуге активности точки вступления частиц воды на лопасть и относительные скорости этих частиц непрерывно меняются. Это обстоятельство, особенно, если неудачно спрофилирована рабочая поверхность (в частности, излишне заострен нож), приводит к столкновениям внутри ковшей лопасти токов разного направления и, как следствие, к перемешиванию, вихре- и гребнеобразованию. Такое гребнеобразование наблюдал Р. Лоуви при экспериментах с неподвижными лопастями. На лопастях вращающегося рабочего колеса, особенно быстроходных турбин, интенсивность смешивания, видимо, еще больше. В общем случае потери на смешивание возрастают с увеличением относительной кривизны лопасти.

5. Потери на трение.

А. Тено, А. Гибсон, придают большое значение потерям трения при обтекании лопасти. Очевидно, что чем больше рабочая поверхность лопасти и чем хуже она обработана, тем больше потери на трение. Как иглы сопел, так и лопасти натурных ковшовых турбин в процессе эксплуатации подвергаются эрозии вследствие кавитации. Практика многих ГЭС показывает, что на лопасти наиболее подвержены эрозии зоны около входной кромки ножа, а также различные области внутренней поверхности в зависимости от профиля лопасти.

Кавитация в области входной кромки и ножа объясняется теми местными возмущениями потока, о которых говорилось выше.

Зоны местного понижения давления непосредственно за входной кромкой экспериментально обнаружил А. Тено. Он исследовал распределение давления по неподвижной пластинке с острой кромкой, на которую была направлена струя воды. А. Тено также обратил внимание на то, что с ростом напора и угла атаки интенсивность кавитации возрастает.

Наличие зон кавитации внутри ковшей лопасти может быть объяснено местными кратковременными понижениями давления в результате смешивания потоков или неровностей рабочей поверхности. Вызванная кавитацией эрозия поверхности лопастей существенно увеличивает потери на трение.

6. Выходные потери.

В активных турбинах по элементарной теории на оптимальном режиме можно совершенно избежать выходных потерь, максимальный возможный к.п.д. имеет место при наименьших значениях cos β₂, при cos β₂=-1, т.е. при β₂=180°

Из выходного треугольника скоростей (Рис. 2) нетрудно видеть, что в этом случае составляющая абсолютной выходной скорости, перпендикулярная оси струи, равна нулю и, следовательно, величина абсолютной выходной скорости при тех же значениях скоростей и и ci имеет наименьшее значение. Выходные потери минимальны. Однако на практике никогда не принимается β₂=180°, так как это приводит к попаданию отработавшей воды с одной лопасти на тыльную сторону следующей. Приходится сознательно идти на увеличение кинетической энергии выходящего потока и принимать угол β₂ несколько меньшим 180°.

При изменении числа оборотов рабочего колеса (или, соответственно, напора) в ту или иную сторону от оптимальных, абсолютная величина выходных скоростей возрастает и, следовательно, увеличиваются потери. В действительности, однако, и на оптимальном режиме выходные потери не равны нулю. Это объясняется неравномерностью распределения относительных и переносных скоростей вдоль выходной кромки лопасти и тем, что β₂<180° Распределение относительных скоростей меняется по мере перемещения лопасти по дуге активности. Переносная (окружная) скорость возрастает пропорционально радиусу, поэтому абсолютная скорость на выходе, определяемая этими составляющими, равна нулю лишь в некоторых точках выходной кромки при некоторых положениях лопасти. Для сколько-нибудь надежной оценки величины выходных потерь в зависимости от режима работы турбины необходимо знать траектории движения потока по ковшам лопасти. Такие траектории можно получить теоретически, расчетным путем по изложенному в п. 6 методу (Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. Теория, исследования, расчет. М. - Л., Машгиз, 1963 г. стр. 84) или экспериментально, исследуя обтекание изолированной неподвижной лопасти с введением соответствующей поправки, учитывающей вращение рабочего колеса. Эти же исследования могут подсказать пути уменьшения выходных потерь, если их удельный вес достаточно велик.

7. Вентиляционные потери.

Вращающееся рабочее колесо ковшовой турбины увлекает за собой находящийся в камере воздух и поддерживает его движение. На это расходуется часть энергии ротора, которая составляет потерю на вентиляцию. Величина потерь на вентиляцию, вообще говоря, зависит от числа и формы лопастей, от величины окружной скорости, внутренней конфигурации камеры и пр. Экспериментальные исследования потерь на вентиляцию проводили в свое время Е.Райхель и В. Вагенбах. Они исследовали несколько модельных рабочих колес малого диаметра, отличающихся друг от друга числом лопастей и их относительной величиной.

Эти опыты показали, что с увеличением числа лопастей потери на вентиляцию быстро возрастают, доходя до максимума при 10 15 лопастях, затем уменьшаются почти до половины максимальных при 20+25 лопастях и дальнейшее увеличение числа лопастей не влияет на интенсивность вентиляции. Чем больше относительная величина лопастей, тем больше потери, и тем резче проявляется указанный характер зависимости от их числа.

По испытаниям, проводившимся в лаборатории МВТУ, потери на вентиляцию доходили до ~2%. Такого же порядка величина потерь на вентиляцию модельного рабочего колеса получена при исследованиях в лаборатории ЛМЗ.

8. Торможение отработавшей водой.

В эксплуатационных условиях вентиляционные потери несколько больше, чем при описанных выше экспериментах, так как фактически рабочее колесо вращается не в воздухе, а в смеси воздуха с водой. В результате распыления части воды при обтекании сходящей с рабочего колеса струей стенок кожуха и, особенно находящихся внутри кожуха плохообтекаемых неподвижных деталей (сопел, дефлекторов и пр.), воздух насыщается мельчайшими взвешенными частицами воды, увеличивая удельный вес приводимой в движение рабочим колесом среды. Распыление еще более интенсивно, если сходящая струя попадает на рабочее колесо. Таким образом, сходящая струя не только непосредственно затормаживает рабочее колесо, но и косвенным путем увеличивает вентиляционные потери.

На рабочее колесо может попадать и тормозить его также отработавшая вода, отраженная от стенок камеры. Эти потери могут быть существенно уменьшены путем значительного увеличения размеров камеры рабочего колеса. Практически это невозможно, так как габариты машины должны быть минимальными. Для уменьшения потерь этой категории применяются всякого рода отражатели, отклонители, рассекатели, щитки, предназначенные для защиты рабочего колеса и напорной струи от отработавшей воды. (Эдель Ю.У. Ковшовые гидротурбины. Теория, исследования, расчет.М. - Л., Машгиз, 1963 г. стр. 85.)

3. Сущность изобретения.

3.1 Результат решения технической задачи.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в улучшения энергетических характеристик ковшовой гидротурбины и повышении КПД. Технический результат подразумевает использование новой формы (конструкции) лопастей рабочего колеса в виде трубки с углом поворота на 180°. Подвод воды осуществляется с боковой стороны лопасти, поэтому, в месте соприкосновения со струей воды имеется вырез в форме эллипса для исключения удара наружной стороной лопасти о водный поток. Кромки выреза заострены так же как и нож на лопасти ковшовой гидротурбине.

Коэффициент полезного действия будет повышен за счет:

- поворота струи воды на 180° в течении всей фазы отклонения;

- исключения удара тыльной поверхности лопасти о струю воды;

- исключения торможения отработавшей водой т.к. в выходном сечении вода после схода с лопасти имеет направленную/сосредоточенную струю и не попадает на рабочее колесо, тем самым исключая разбрызгивание (распыление) отработавшей воды;

- уменьшения вентиляционных потерь за счет снижения разбрызгивания отработавшей воды в выходном сечении лопасти.

3.2. Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 (вид сверху), 2 (изометрия), 3 (вид с боку), изображено рабочее колесо 1, закрепленное на валу 2, который передает крутящий момент ротору генератора. Поступающую из напорного водопровода воду коллектор подводит к соплам 3, где вся энергия потока преобразуется в кинетическую энергию и в виде компактной струи круглого сечения направляется на лопасти 4 через вырез в лопасти 5 к рабочему колесу. Отдав запас энергии, вода покидает рабочее колесо с малыми абсолютными скоростями и попадает в отводящий канал.

3.3. Отличительные признаки.

В отличие от известного решения лопасти в форме ковша, новая форма лопасти представляет собой трубку с углом поворота на 180° с разными поперечными сечениями входных и выходных отверстий. Входная часть лопасти в поперечном сечении имеет форму квадрата плавно переходящая в окружность в выходном сечении. Площади поперечных сечений входного и выходного отверстий отличаются друг от друга в отношении приблизительно 2:1. Подвод воды осуществляется с боковой стороны лопасти, поэтому, в месте соприкосновения со струей воды имеется вырез в форме эллипса для исключения удара наружной стороной лопасти о водный поток. Кромки выреза заострены так же как и нож на лопасти ковшовой гидротурбине.

Изобретение относится к турбостроению, а именно к вертикальной гидравлической турбине. Турбина содержит рабочее колесо 1 и лопасти 4, закрепленные на нем. Каждая лопасть 4 выполнена в виде трубки с углом поворота на 180° с разными поперечными сечениями входных и выходных отверстий. Входная часть лопасти 4 в поперечном сечении имеет форму квадрата, плавно переходящую в окружность в выходном сечении. Площади поперечных сечений входного и выходного отверстий выполнены с соотношением приблизительно 2:1. Подвод воды осуществляется с боковой стороны лопасти 4. В месте соприкосновения лопасти 4 со струей водного потока выполнен вырез 5 в форме эллипса для исключения удара наружной стороной лопасти 4 о водный поток. Кромки выреза выполнены заостренными. Изобретение направлено на улучшение энергетических характеристик гидротурбины и повышение КПД. 3 ил.

Вертикальная гидравлическая турбина, содержащая рабочее колесо и лопасти, закрепленные на нем, отличающаяся тем, что каждая лопасть выполнена в виде трубки с углом поворота на 180° с разными поперечными сечениями входных и выходных отверстий, при этом входная часть лопасти в поперечном сечении имеет форму квадрата, плавно переходящую в окружность в выходном сечении, площади поперечных сечений входного и выходного отверстий выполнены с соотношением приблизительно 2:1, причем подвод воды осуществляется с боковой стороны лопасти, в месте соприкосновения лопасти со струей водного потока выполнен вырез в форме эллипса для исключения удара наружной стороной лопасти о водный поток, а кромки выреза выполнены заостренными.