Парокрылый моментосбалансированный ротор поперечной гидротурбины Советский патент 1993 года по МПК F03B17/06 

Изобретение предназначено для использования в гидроэлектроэнергетике, например бесплотинных ГЭС. Вместе с тем ротор может быть применен как гидродвигатель машин через приводное устройство, а также в аэроэнергетике, .

В настоящее время при попытках использования энергии свободного потока применяются роторы, являющиеся разновидностью профилировки ротора братьев Я.А. и А.А. Ворониных (2.10.1924 г.), в которых явно выражено стремление пропускать массу движущегося потока через изгибающиеся каналы, образуемые приданием строительному материалу, например металлическим тонким пластинам, соответствующей конфигурации, якобы способной отклонять поток, создавая на ней в точках отклонения реактивную силу. Наиболее выдающимся из этих роторов но КПД считается ротор Е.О.Бирюкова (1946 г.).

Проводившиеся мной эксперименты с роторами приведенного тира (см. Массовая радиобиблиотеке, выпуск 460 Б.С.Блинов

Гирляндная ГЭС ГосэнергоиздагМосква- Ленинград 1963 г. с. 14) показали, что в действительности для возникновения реактивной силы способствовавшей повышению мощности, возникающей на роторах, отсутствуют гидродинамические условия. Это очевидно из того, что роторы находятся в затопленном состоянии и поток, протекающий через ротор сплошной струей, связан с общим потоком, в котором затоплен ротор. В действительности, только свободно натекающая на преградухтруя может создавать на преграде силу действия; определяющуюся изменением секундного количества движения струи, происходящем в результате ее отклонения преградой. Здесь в большинстве случаев, пренебрегая силой тяжести, получаем для динамической реакции струи выражение

R pQVi- pQV2. (1) где Q - расход струи, Vi и /2 - векторы скоростей струи перед преградой и после нее (см. фиг.1).

го

В затопленном в потоке жидкости роторе каналы необходимы лишь для того, чтобы не снизить скорость подхода потока к за- борникам ротора, созданным изгибанием пластин и расположенным эксцентриситет- но-диаметрально оси конструкции ротора. Вследствие этого поток, оказывая силовое давление на заборник выводит его из равновесного состояния образуя крутящий момент на роторе.

Таким образом роторный заборник потока можно рассматривать как проекцию миделевого сечения заборника на плоскость F,

Допустим, что плоскость F расположена перпендикулярно направлению движения жидкости, который перемещает ее силой X с некоторой скоростью U в том же направлении. При этом плоскость может совершать секундную работу, равную произведению силы X на скорость U. т.е. Т X U (2), где X - сила лобового давления (см. фиг.З V+).

Так как плоскость V+ F перемещается в направлении движения потока жидкости, то поток действует на нее со скоростью, равной разнице между скоростью движения жидкости V и скоростью перемещения поверхности. Следовательно, в данном случае сила

. x-cxpd :. (2)

При подстановке значения силы X в равенство (2) определим секундную работу, совершаемую плоскостью

T CXF Ј(V-U)2U.

(3)

Разделив правую часть этого равенства на выражение

mV

, кгм/с.

получим идеальный коэффициент использования энергии движения жидкости плоскости, работающей под действием силы сопротивления и перемещающейся в направлении потока

- U)2U

2

CX(V-U)2

После преобразования получим

„ - г п и V и

. rj - U (1 - у-) -у. Определим, при каком значении соотношения тт получается максимальный коэффициент использования энергии потока

жидкости исходя из известного вывода гидравлики, что максимальный коэффициент полезного действия г может быть получен при отношении скорости, образующейся после прохождения гидродвигателя Vi, к скорости перед вхождением в гидравлическое устройство, равном 1/3. Следовательно, в случае плоскости принимаем

10

и-Jv,

(6)

при этом

f/max Сх(1 - |)2 Сх 27 «0,148Сх (7)

Поскольку заборник ротора, поставленный вогнутой стороной к набегающему потоку, работает как плоскость F, то КПД ротора будет зависеть от коэффициента сопротивления Сх, которым обладают заборники потока ротора (см.фиг.б V+; V-). Поскольку для плоскости F(F V+), поставленной перпендикулярно потоку жидкости, Сх зависит от отношения.ее длины к высоте, то, принимая среднее значение

25

от г 1; когда Сх -1,1;

д0 оо; при Сх 1,83,

находим среднее значение Сх 1,1 -1,83 - 1.42

30 (8) и, подставляя в (8), имеем

77 0,148-1.42 -0,21,(9) что совпадает с экспериментальной проверкой роторов Бирюкова Е.О. и Новикова Ю.М. в Институте гидродинамики СО АН СССР с

35 контролем на компьютерной системе.

Вращательное движение ротора возможно лишь в том случае, когда заборники ротора, находящиеся на одинаковом удалении от оси вращения при одинаковой их

40 конфигурации, тождественном весе и размере, имеют различное сопротивление формы в различных фазах поворота ротора, выражаемое через коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и

45 учитывающий форму тела, его ориентацию в потоке и вязкости жидкости.

При повороте вокруг оси ротора заборник, перемещающийся в направлении движения потока жидкости, должен иметь

50 , например, за счет вогнутости его формы, создающей затруднение обтекания его набегающим потоком. Противоположный заборник этого же ротора, движущийся против направления движения потока,

55 должен иметь , например, за счет выпуклости навстречу набегающему потоку жидкости, что создает условия для его обтекания, и, таким образом снижения сопротивления давления. В этом случае сумма

моментов пары сил, которой являются вза- имопро.тивоположные заборники ротора

2) М1 0

| 1

(Ю)

не равны нулю и последние, не находясь в силовом равновесии, будут вращаться вокруг оси. переменно поворачиваясь к потоку то вогнутой, то выпуклой стороной своего

ПрОфИЛЯ.

Затем подтверждается тот факт, что в ряду других факторов гидравлического взаимодействия ротора с движущимся потоком жидкости форма профиля ротора значительно больше влияет на сопротивление давле- ния, чем сопротивление вязкости жидкости, и потому профиль заборников ротора должен максимально приближаться как к форме высокого сопротивления, так и к форме наинизшего сопротивления при высокой обтекаемости (см.фиг.6, V+; V-).

Можно сказать, что

Cxmin „(111 7--- 7Ф Ч U

хтах

есть коэффициент гидравлического равно- весия ротора. Чем он меньше тем выше показатель приближения КПД к приведенному пределу для поперечного ротора.

В известных поперечных роторах (названных довольно удачно изобретателем Блиновым Б.С. вангроторами), в том числе и в считающемся лучшим среди них вангро- торе Бирюкова Е.С., указанные качества игнорируются в угоду профилированию под реактивную струю, что в затопленном в потоке роторе не достижимо без введения ка- ких-либо дополнительных устройств, могущих бы создать условия для образования в потоке свободной струи, взаимодейст- вовавшей бы с профилем ротора по принципу отклонения создающего (см. фиг.8) динамическую реакцию струи.

Так, например, в стремлении получить широкую струю в центральном канале ротора (см. фиг.6 0.4Д) заборник fe; ba; de спрямляется, создавая этим спрямлением уменьшения площади проекции F на сечение набегающего на заборник потока (V+ по V+ по V+ по de).

Раскрытие к потоку спрямлением за- борника de в фазе поворота ротора Бирюке- ва, показанной вверху (фиг.6), предполагает получить дополнительный момент вращения М на bo-ао, что с учетом мизерного плеча, на котором мог бы действовать поток V+ по bo-ао, было бы совершенно несуще- ственным. Но и этого не происходит в силу вредности воздействия части заборника, развернутого в виде отсекателя потока. В таком же виде заборник в точке С разделяет поток на две струи, отклоняя их - одну в зону V+ по ba вызывая турбулизацию с потерей энергии потока V+ по ba. другую на внешнюю сторону заборника If, вакуу- мирующуго при этом зону V+ bo-ао отрывом потока от стенок, и между активной транзитной струей и стенкой заборника чоб- разуется область паразитного вихревого .движения жидкости, на поддержание которого расходуется часть энергии основного потока. То же самое возможно наблюдать у ротора Бирюкова Е.С. и в точке при фазе поворота, изображенной внизу фиг.б.

Наряду с этим, спрямление заборников ведет к повышению коэффициента tjfp (12) вследствие увеличения значения Cxmin.

Так, например, коэффициент сопротивления Сх цилиндрической поверхности, являющейся основополагающей при создании профилей заборников ротора, зависит от отношения длины цилиндра к диаметру окружности, представляющую его профиль,

например (-г 1;5;40, Сх соответственно 0,63;

0,74; 1,2СХ) и от величины коэффициента подобия формы сечения. Так, для цилин дра характерной формой сечения, перпендикулярной к его образующей плоскости, есть окружность, а для полуцилиндра - дуга окружности. Заборник является полуцилиндром.

Длина дуги может быть выражена через л; R и через угол, образованный радиусами окружности, стягивающими соответствующие концы дуги. Преобразуя, имеем

0,01745 Ra-( a - в градусах),

71-R

следовательно, Rn

1.

0,01745 R a Это и есть идеальный коэффициент подобия. При уменьшении угла С условия обте- кания ухудшаются и сопротивление давления увеличивается равно-как и при спрямлении дуги, являющейся профилем цилиндра, и обращении ее в прямую, переводящую полуцилиндр в плоскость.

Следовательно, в условиях сопряжения плеча и дуги заборника (см.рис.2) право1 мерно уравнение

V

Rnлг-Г

,

0,01745т-R поскольку Rn 1, то упрощая

лг-г

0.01745-r-R

Rn.

здесь г - радиус дуги заборника; R - угол, образованный условным радиусом TR V rЈ + 2 и радиусом г дуги заборника с вершиной, лежащей в пределах угла а дуги

окружнрсти, измеряемый общей длиной плеча I и дугой заборника.

I - длина плеча заборникз в профиле поперечного сечения ротора, восстановленного перпендикулярно из точки на радиусе ротора до сопряжения с дугой заборника.

Отсюда .

Для ротора Бирюкова Е.С. по заборнику If Rn 1.2246 по Cd - 1,2246.

Для ротора Новикова Ю.М, по hfi - 1,095; по Cidi - 1. Например, при обычно принимаемой высоте ротора 1,5 D для заборника Сх -0,66.

.Отсюда вредные.сопротивления:

1. Ротор Бирюкова Е.С. по If Cxp 1,2246 0,66-0,81;

по Cd Cxp 1.2246-0,66 -0,81;

среднегеометрическое Схр для ротора 0,81...

2. Ротор Новикова Ю.М. по hfi Cxp 1,.66-0.7227;

по Cidi ,66 - 0,66 Среднегеометрическое

. СхР Vo,7227-0,66 0,691.

В фазе вращения, изображенной вверху .(фиг.6), роторы испытывают значительное влияние отрицательной нагрузки(V-), возникающей на вращающихся встречь потоку за- борниках. Поскольку в этом случае линейная скорость вращающихся встречь потоку заборников роторов складывается со скоростью натекающего на них потока, сила со.противленил на этом заборнике в какой- то момент может уравновесится с положительной силой, возникающей на заборнике, вращающемся в направлении тождественном направлению набегающего на него потока. Вследствие этого вращение ротора прервется. Для исключения подобного явления роторы размещаются и закрепляются на одной оси парами, развернутыми относи- тельно заборников друг друга на 90° (см.фиг.б, верхний и нижний профили). Наложение-профилей спаренных роторов в торцевой проекции (см.фиг.7) показывает, что центры давления потока на заборники, приведенные к центрам тяжести плоскостей, образованных конфигурацией профиля заборника и линией, идущей от точки дуги, пересекающейся с дугой окружности ротора параллельно заборнику и перпендикулярно линии радиуса ротора, у ротора Бирюкова Е.С. в один и тот же момент поворота не совпадают. Сила давления на роторные заборники в момент их-выхода на линию действия оказывается не одинаковой равно как и угол перемещения. Следовательно

Ф .аЛ 2 яп-1,

где р-угоп поворота от начального радиу- сад- период вращения, ш - угловая скоро- сть, рад., п - частота вращения.

Поскольку величина п на спаренных роторах значительно меняется, а угловые величины р , У и Ј , где Ј угловое ускорение, связаны между собой как ау йД R; ak е R; V cw-R, где R - радиус ротора; V линейная скорость; ak - тангенциальное ускорение; ау - нормальное ускорение, то несимметричность расположения центров давления в одни и те же моменты действия силы и эксцентриситет, измеренный расстоянием между центрами давлений Pi - 2 6, возбуждает силы инерции, вредно влияющие на кинематические связи ротора С гидравлической машиной (например, бесплотинной ГЭС). Величина такого ииерционного биения для ротора, если принять его длину по образующей цилиндра равной 1 м, . окажется: 0,5/3-F-co 5 PU (см фиг.6 и 7).

Особенно эта неуравновешенность сказывается при работе парных роторов Бирюкова Е.С. на гибком валу с креплением их к нему через соединяющую планку скобой в одной точке.

В тот период исследований БПГЭС такое биение мной исправлялось натяжением

трос-вала до провиса роторной линии в 17° и установленный на его геометрии вместо соединительной планки роторов, соответст-. вующего провису шарнирного устройства. Из приведенного выше следует, что

предлагаемый как лучший из семейства поперечных гидровингроторов, обнаруженных к настоящему времени - гидровйн- гротор Бирюкова Е.С., имеет следующие недостатки.:

Сечение внутреннего канала ротора завышено и допускает свободный расход набегающего на ротор потока, отклоняя его отсосом в камере канала от активных заборников, создающих вращательный момент.

Конфигурация конструкции ротора создает условия для разделения и отклонения включенного в расход ротора потока, создавая тем самым дополнительную турбулиза- цию натекающей на заборники струи

потока, ведущей к потере ее энергии.

Спрямление профиля заборников ротора в пользу расширения внутреннего канала ротора приближает их профиль к прямой линии, увеличению коэффициента сопротивления формы. При повороте ротора за- борником, движущимся навстречу потока, возникает дополнительное вредное сопротивление, снижающее быстроходность и КПД ротора.

При работе роторов в паре на одной оси с разворотом их е профиле на 90°, что применяется для синхронизации вращения каждого из роторов спарки, образуется эксцентриситет центров давления на забор- пиках, включенных в.активный гидродинамический цикл, что.ведет к возникновению биения спарки, разлаживанию кинематической, цепи, снижая общий КПД гидравлического агрегата.

Предлагаемый ротор спроектирован на основе тех представлений в гидродинамике, когда устанавливается,.что для получения максимального коэффициента использования энергии потока жидкости, натекающей на гидравлическое устройство, например предлагаемый ротор, необходимо, чтобы потери скорости движения массы потока, натекающие на гидродвигатель, составляли 1/3

,

отсюда силу, действующую в секунду времени на плоскости сопротивления давления ротора, можно получить из уравнения

Р t m -V, следовательно, для прове денной гидравлической закономерности

-I Р m тг V, отсюда

О

P -|m.V.

Опираясь на такое представление по- еле анализа геометрических образов, где бы геометрическое место точек и линии могло стать основой для построения конструкции, строительные элементы которой закономерно подчинялись бы распределению по принципу 2/3 активной плоскости и 1 /3 выпадающей из конструкции, как строительный элемент, определялось, что таким геометрическим образом является поверхность цилиндра, где геометрическое место прямых, параллельных данной прямой Oi02 удалено от нее на расстояние R, а профиль такого геометрического места линий образуется проекцией этих линий на плоскость в виде геометрического места точек, отстоящих от точки проекции СИ02 - О на том же расстоянии R, куда можно вписать равносторонний треугольник, высота которото, проведенная из полюса инверсии точки О, даетточку Mr, являющуюся инверсией точки М,-расстояние между которой и точкой О есть размерная доминанта построения профиля (направляющей движения линии самой себе, образуя геометрическое место множества прямых), Направляющая (профиль) ротора формируется на плоскости относительно окружности заданного радиуса R, по приведенным выше

координатам, основывающим инверсию так, как показано на фиг. 3. Таким образом. соизмеряя ОМ с диаметром окружности D 2R, находим, что ОМ 1 /3D, и цилиндр, из

которого необходимо получить развертку профиля заборника ротора, имеет цилиндрическую поверхность, равную 1/ЗО-я ОМ- п. Координаты ОМ и МА являются координатами скругления оконечности профиля, радиус которых МА имеет своим центром точку М. Дальнейшее логическое рассуждение позволяет проектировать профиль заборника как сборку, составленную из частей окружности инверсии диаметром ОМ 1/3D, и

размещенную в пределах дуги, стягиваемой

.взаимно перпендикулярными радиусами

.окружности R. Профиль развертывается

так, чтобы развертка поверхности цилиндра

d 1/3D п разместилась в пределах стягивающих радиусов R, образуя канал в центре круга радиуса R параллельно радиусу, на котором совмещен отрезок обратный инверсии OMi. В этом случае развертка распределяется таким образом, что на

перпендикулярном OMi радиусе R разме1 /3 D-л . . щается скругление --п-- с полной дугой

на диаметре, равном ОМ 1/30, а на радиусе R, расположенном на OMi, размеща. 1/Зл:О

ется скругление с дугой,

стягиваемой радиусами окружности г МА. Часть дуги, стягиваемая радиусами г МА соседней четверти, спрямляется па- раллельно OMi и соединяется с дугой, размещенной на перпендикулярном радиусе R отрезком ОМ. 1/3D, содержащим в своем размере параметр, компенсирующий издержку длины проекции сферических частей заборника на кривизну, выраженную приблизительно (без учета точечной кривизны) как

45

V0.1667D2-2 -0,16670 Дт.е

1/3D-7T + V(0,1667D)2-2 -0,16670 j732D2r+l/3 pjЈr+1/3D L

где L общая длина профиля заборника рото- ра (см.фиг.5). .

Так устанавливается распределение массы, натекающей на ротор со скоростью V, когда на активную часть ротора - заборники.по- ступает 2/3 массы, и пропускается как пас- сивный расход 1/3 ее. Конфигурация скругленных заборников ротора не допускает возникновения турбулентности, а коэф- фициент сопротивления давления Сх остается в пределэх,установленных для цилиндра. Центры давления на заборниках, работающих в паре роторов (см. выше по тексту и фиг.7), не имеют эксцентриситета в фазе поворота и срабатывают в одном импульсе силы давления потока. Работа роторов плавна и синхронна. Предлагаемый ротор несет меньшую нагрузку и не снижает коэффициента использования энергии потока ниже максимального для поперечных роторов р 0,2. При работе на гибком валу предлагаемый ротор выгодно отличается от других, выше приведенных, тем, что не вызывает пульсаций частоты вращения под действием набегающего потока, исключая, таким образом, возникновение крутильных колебаний гибкого вала, а следовательно, и вала приводимого в действие механизма, например генератора тока.

Обычно роторы предлагаемого типа используются в труднодоступных районах страны для привода электроагрегатов устройством бесплотинных ГЭС на имеющихся там речушках. Изготовление гидророторов и всего гидроустройства за пределами района, затрудняет доставку готового агрегата на место. Предлагаемый ротор и вся гидравлическая часть ВПГЭС могут быть изготовлены в условиях любой местной мастерской

из подручных материалов, даже из дерева, поскольку профиль ротора не требует сложных разметок. Например, для изготовления ротора могут быть использованы трубы из

.любых прочных материалов.

Достаточно взять трубу d 1 /3D, где D расчетный диаметр ротора. Затем разрезать трубу на два полуцилиндра, а полуцилиндр еще на две равные части, разметив

ротор, как показано на фиг.5. Простота сборки очевидна.

Формула изобретения Парркрылый моментосбалансирован- ный ротор поперечной гидротурбины, содержащий две S-образные лопасти, расположенные с поворотной симметрией относительно оси вращения ротора, средние участки которых выполнены плоскими, поверхности концевых участков - цилиндрическими, а кромки расположены на внешнем радиусе ротора, отличающийся тем, что ротор снабжен торцевыми дисками, прикрепленными к лопастям перпендикулярно их образующим, один из концевых

участков лопастей выполнен в виде полови- - ны цилиндра, другой - четверти, а угловое расстояние между кромками составляет 90°.

Изобретение относится к гидротурбино- строению. Парокрылый ротор содержит две S-образные лопасти (Л) 1, расположенные с поворотной симметрией относительно оси вращения ротора. Средние участки Л 1 выполнены плоскими, а поверхности концевых участков - цилиндрическими. Кромки Л 1 расположены на внешнем радиусе ротора. Торцевые диски 2 прикреплены к Л 1 перпендикулярно их образующим. Один из концевых участков Л выполнен в виде половины цилиндра, другой - четверти, а угловое расстояние между кромками составляет 90°, Такое выполнение ротора позволяет повысить его КПД. 9 ил.

Фиг.1

Pi/zJ

Цо&ико&а-М.М.

ОЦрюкО&я ЈС.

Профиль

Профиль Но$ихоьа

Фиг

Фиг.8