Рабочее колесо насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами Российский патент 2023 года по МПК F03B3/12 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, гидроэнергетики и может быть использовано в разработке конструкций гидроагрегатов, предназначенных для преобразования кинетической энергии жидкости при эксплуатации ГЭС, в том числе микро- и малых ГЭС в условиях переменных напоров и расходов рабочей среды.

Известно рабочее колесо центробежного насоса со структурой бугорков горбатого кита (патент Республики Корея №101887851 В1, МПК F04D 29/24, F04D 29/42, F04D 29/30, F04D 29/66, опубл. 10.08.2018), включающее лопасти с тремя рядами биомиметических наростов, расположенных на тыльной поверхности, входной кромке и на рабочей поверхности лопасти соответственно. Количество наростов в ряду равно количеству лопастей рабочего колеса. Расстояние между наростами составляет от 3 до 15% от диаметра входа в рабочее колесо. Длина каждого нароста от 1 до 7% от диаметра входа в рабочее колесо. Наросты имеют форму, подобную строению наростов на плавнике горбатого кита.

Недостатком данного технического решения является наличие большого количества наростов, а также повышенное гидравлическое сопротивление за счет установки дополнительных рядов наростов на тыльной и рабочей поверхностях лопасти, что приводит к ухудшению энергетических характеристик насоса.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является рабочее колесо насоса-турбины со структурой бугорков горбатого кита (пат.2741190, МПК F03B 3/12, опубл. 22.01.2021, Бюл. №3), содержащее один ряд бугорков продолговатой эллипсовидной формы, которые наложены на входную кромку и, одновременно, на рабочую сторону лопасти, тыльная сторона которой выполнена гладкой. Размещенный на рабочей стороне лопасти ряд бугорков наложен на 2/3 своей длины, а лобовая часть ряда бугорков выполнена на поверхности входной кромки лопасти и выступает вперед на 1/2 длины тела бугорка Диаметр поперечного сечения бугорков по направлению от втулки к периферии плавно уменьшается по линейному закону, а угол установки бугорков совпадает с углом установки лопасти.

Недостатком данного технического решения является наличие большого числа бугорков, а также неоптимизированная, с точки зрения гидродинамических потерь, форма бугорков.

Технической задачей изобретения заключается в улучшении качества безотрывного обтекания лопастей рабочего колеса и повышении эффективности управления пограничным слоем при обтекании лопастей рабочего колеса.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления, снижение трудоемкости при проектировании, а также уменьшение гидравлических потерь в рабочем колесе насоса-турбины и повышение эффективности насоса-турбины в целом.

Это достигается тем, что в рабочем колесе насоса-турбины, включающем в себя равномерно распределенный по размаху лопасти ряд биомиметических наростов, расположенных на входной кромке лопасти, согласно изобретению, биомиметические наросты имеют сферическую форму, диаметр поперечного сечения D_н тела наростов составляет где - размах лопасти, лобовая часть наростов выступает вперед на 0,25 D_н, ось вращения первого нароста расположена на расстоянии l,5 D_н от втулки рабочего колеса, шаг расположения наростов по направлению от втулки равномерный, равный m=1,5 D_н, количество наростов в ряду линейно зависит от размаха лопасти.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид лопастей рабочего колеса насоса-турбины с рядом наростов на входной кромке; на фиг. 2 представлена фронтальная проекция входной кромки лопасти рабочего колеса насоса-турбины с наростами; на фиг. 3 представлены графики сравнения вырабатываемой мощности гидроагрегата с исходным рабочим колесом без наростов, с рабочим колесом согласно прототипу и с рабочим колесом насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами.

Рабочее колесо насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами содержит равномерно распределенный по размаху лопасти 1 ряд наростов 2, имеющих сферическую форму, расположенных на входной кромке 3 лопасти 1. Ряд наростов 2 наложен на расстояние 0,75 D_н на рабочую 4 и тыльную сторону 5 лопасти 1 у ее входной кромки 3. Лобовая часть 6 наростов 2 выступает вперед на 0,25 D_н. Ось вращения первого нароста расположена на расстоянии l,5 D_н от втулки 7 рабочего колеса. Количество наростов 2 в ряду линейно зависит от размаха лопасти 1.

Диаметр D_н поперечного сечения тела нароста 2 у втулки 7 составляет где - размах лопасти. Шаг расположения m наростов 2 по направлению от втулки 7 равномерный, равный m=1,S D_н.

Рабочее колесо насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами работает следующим образом.

При вращении лопастей 1, закрепленных на втулке 7, набегающий на входную кромку 3 поток обтекает лобовую часть 6 наростов 2 сферической формы. Отклонения потока, вызванные обтеканием наростов 2 с рабочей 4 и тыльной 5 сторон лопасти 1, приводят к принудительному образованию структурированной упорядоченной группы вихревых дорожек на рабочей стороне 4 лопасти 1 позади наростов 2. Количество вихревых дорожек равно количеству наростов 1 в лобовой части 6.

Структура потока, создаваемая расположенными, согласно изобретению, наростами 2, выполняет роль управляющих поверхностей -интенсификаторов вихреобразования и обеспечивает более устойчивое безотрывное обтекание вращающихся лопастей 1. Характер обтекания при этом отличается образованием устойчивых вихрей, изменяя свойства турбулентного пограничного слоя при обтекании рабочей стороны 4 лопастей 1. Это приводит к снижению риска возникновения отрыва потока, наблюдающегося на поверхности лопастей 1, не имеющих наростов 2 на входной кромке 3, формированию структуры потока, приводящего к качественно меньшим гидравлическим потерям при обтекании лопастей 1.

На графической зависимости вырабатываемой мощности гидроагрегата от количества оборотов в минуту N=f(n), полученной по результатам расчетно-экспериментальных исследований рабочего колеса (см. фиг. 3) показана характеристика исходного рабочего колеса без наростов, рабочего колеса согласно прототипу и рабочего колеса насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами согласно изобретению. Исходя из фиг. 3 рабочее колесо насоса-турбины со сферическими биомиметическими наростами обеспечивает повышение вырабатываемой мощности на 22% в том же режиме работы по сравнению с исходным рабочим колесом. Использование изобретения по сравнению с прототипом позволяет улучшить условия обтекания лопастей потоком жидкости и добиться повышения вырабатываемой мощности на 5% за счет выполнения наростов более эффективной конфигурации.

Использование изобретения приводит к изменению структуры течения в турбулентном пограничном слое, что в свою очередь ведет к снижению гидравлических потерь и увеличению вырабатываемой мощности в турбинном режиме (снижению потребляемой мощности в насосном режиме).

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, гидроэнергетики и может быть использовано в разработке конструкций гидроагрегатов, предназначенных для преобразования кинетической энергии жидкости при эксплуатации ГЭС, в том числе микро- и малых ГЭС в условиях переменных напоров и расходов рабочей среды. Рабочее колесо насоса-турбины содержит равномерно распределенные по размаху лопасти 1 ряд биомиметических наростов 2, имеющих сферическую форму. Диаметр поперечного сечения тела наростов 2 зависит от размаха лопасти 1. Лобовая часть наростов 2 выступает вперед. Ось вращения первого нароста 2 расположена на определенном расстоянии от втулки 7 рабочего колеса. Шаг расположения наростов 2 по направлению от втулки 7 равномерный. Количество наростов 2 в ряду линейно зависит от размаха лопасти 1. Изобретение направлено на упрощение технологии изготовления, снижение трудоемкости при проектировании, а также уменьшение гидравлических потерь в рабочем колесе насоса-турбины и повышение эффективности насоса-турбины в целом. 3 ил.

Рабочее колесо насоса-турбины, включающее в себя равномерно распределенный по размаху лопасти ряд биомиметических наростов, расположенных на входной кромке лопасти, отличающееся тем, что биомиметические наросты имеют сферическую форму, диаметр поперечного сечения D_н тела наростов составляет где - размах лопасти, лобовая часть наростов выступает вперед на 0,25 D_н, ось вращения первого нароста расположена на расстоянии 1,5 D_н от втулки рабочего колеса, шаг расположения наростов по направлению от втулки равномерный, равный m=1,5 D_н, количество наростов в ряду линейно зависит от размаха лопасти.