Приспособление для поворота лопаток рабочих колес вращающихся машин Советский патент 1924 года по МПК F03B15/04 

Для получения хорошего полезного действия вращающихся машин их рабочее колесо снабжается поворотными лопатками, которые так укреплены, что, соответственно требуемой мощности или располагаемому количеству рабочей среды, -поворачиванием их достигается не только изменение углов вступления соответствующих поперечных сечений входа, но также изменение углов истечения и соответствующих поперечных сечений выхода. Предлагаемое изобретение имеет целью улучшение такой регулировки рабочих колес.

На фиг. 1 чертежа изображен вертикальный разрез водяной турбины с радиальным впуском воды в направляющий аппарат, при чем регуляторная ступица N и две крыловидные лопатки -начерчены в боковом виде (для ясности система регуляторных рычагов не изображена); на фиг. 1-а изображена горизонтальная проекция этой же

турбины при удаленной крышке направляющего колеса; на фиг. 1-й изображены развернутые в плоскость чертежа наружные ребра поверхностей двух соседних лопатот 55 (фиг. 1-а); на фиг. 2 изображено схематически регуляторное приспособление; на фиг. 3 и 4 изображены некоторые детали этого регуляторного приспособления; на фиг. 5 изображен разрез, проведенный через регуляторную ступицу и регуляторный кривошип К, у которого подшипник цапфы помещен внутри этой ступицы; на фиг. 6 показано крыло 5 рабочего колеса из одного целого с рычагом К и цапфой вращения /; фиг. 7 служит для обяснения целесообразного выбора местоположения цапфы вращения крыла О относительно певерхности крыла; на фиг. 8 изображен вертикальный разрез турбины, у которой осевой путь воды проходит через направляющий аппарат и помещенное снаружи устройство регуляторного кривошипа, при чем система рычагов, связанная с регуляторным кривошипом, для ясности чертежа, не изображена; на фиг. 8-а изображен горизонтальный разрез этой же турбины по Xi-У1 фиг. 8; на фиг. 8-Ь изображен боковой вид регуляторной ступицы и система рычагов, необходимая для поворачивания крыльев рабочего колеса.

В виду затруднительности установки рабочих лопаток в ободе рабочего колеса, рабочие лопатки укладываются цапфами поворотно в подшипники только в ступице рабочего колеса. Вследствие такой внутренней укладки цапф в подшипники, концы лопаток могут доходить непосредственно до стенки всасываюшей трубы, не связывая их с наружным ободом рабочего колеса, согласно фиг. 1 и 8. Таким образом, устраняются неизбежные, в случае применения обода, сопротивления течению и сужение поперечного сечения.

Диаметр ступицы должен (несмотря на то, что, согласно фиг. 1, регуляторная ступица, а также регуляторное приспособление заключены в турбинной камере) быть небольшим, чтобы возможно меньше загораживать свободное поперечное сечение прохода воды. Целесообразно также, при помощи концентрического устройства системы регуляторных рычагов, по возможности, вблизи турбинного вала уменьшить сопротивление трения воды, так как при большом числе оборотов скорость вращения (скорость на окружности) вблизи турбинного вала еще не велика, а небольшие скорости вызывают также небольшие потери трения воды. Вследствие установки регуляторного приспособления, по возможности, вблизи турбинного вала понижается также влияние центробежной силы на его вращающиеся части. Выполнение вышеназванных требований тем более затруднительно, чем более регуляторное приспособление приближается ктурбинной оси, так как соответственно надежная укладка вращательных цапф / лопаток в подшипники (фиг. 1-й) требует много места.

Для соединения больших выгод малого диаметра ступицы с концентрическим устройством регуляторного приспособления вблизи турбинного вала лопаткам рабочего колеса придается крыловидная форма. Такие лопатки сужены вдоль, по крайней мере, одной части входного ребра лопатки, в направлении скорости по окружности. На фиг. 1-й изображены лежащие вблизи стенки всасывающей трубы ребра Ь, bi двух смежных лопаток 55 (фиг. 1-е); из этой фигуры видно, что нормальные траектории «i «о, проведенные через концы профиля лопаток Ь-, Ь, не пересекают профиль соседней лопатки, так что в этом месте канал рабочего колеса между двумя смежными лопатками не образуется.

Рабочее колесо турбины имеет (подобное кривошипному механизму) регуляторное устройство, так как обыкновенный кривошипный механизм превращает простыми средствами прямолинейное движение во вращательное. При этом устройстве возможно единовременное поворачивание и соответственное регулирование без остановки турбины. На фиг. 2 показана схема такого кривошипного механизма, при чем S представляет лопатку рабочего колеса в разрезе, К-кривошип, длина рычага которого обозначена буквою а, Z-тяга, G - муфта (ползун), которая так связана со ступицей, что она вращается вместе с рабочим колесом и в то же время может быть передвинута в осевом направлении, показанном двойной стрелкой 1. Это передвижение достигается при помощи тяг F и муфты (скользящего кольца) R. Обозначенные пунктиром разрезы лопаток 5 и 2 представляют крайние положения лопаток, при чем положение 5i соответствует наибольщему, а положение S наименьщему наполнению. Этим

положениям 5 и 2 лопаток соответствуют крайние положения Ki и /Са кривошипа и, соответственно, крайние положения муфт Ri и R. Среднее положение всего кривошипного механизма -обозначено буквами S, К, G к R.Так как лопатки рабочего колеса турбины, кроме напряжения вызываемого передачей момента вращения турбины ступице, соответствует турбинному валу, должны также противостоять давлению большей части веса столба падения Н воды, то прочность конструкции требует придания диаметру d цапфы враш,ения / соответственно больших размеров.

С другой стороны следует возможно низким давлением на цапфу кривошипа преодолеть действующий на ось вращения лопатки рабочего колеса момент вращения (момент, получаемый вследствие трения в подшипнике цапфы). Это требование удовлетворяется целесообразнее всего приданием плечу кривошипа большой длины, так что устройство регуляторной ступицы получается проще всего при большом ее диаметре. Но применение ступиц большого диаметра ограничивается турбинами с малым расходом воды, так как с увеличением диаметра ступицы уменьшается свободное поперечное сечение прохода всасывающей трубы А (фиг. 1), следствием чего является понижение пропускной способности турбины при тех же самых условиях. Для простоты можно в подобном случае делать кривощип К так, чтобы средняя линия кривошипа в среднем положении совпадала с поверхностью средних линий цапфы поворотной лопатки (фиг. 2), при этом получается симметричное отклонение кривошипа. Это устройство, однако, несовершенно и при турбинах с особенно высоким коэффициентом быстроходности (удельным числом оборотов) не применимо, так как у этих турбин, вследствие требуемой большой поглощательной способности, диаметр ступицы

должен быть возможно малым. Малые диаметры ступицы позволяют, однако, применять кривошипы только с коротким плечом а (фиг. 2); но тогда для установки лопаток необходимы больщие силы, при чем получается быстрое изнашивание муфты и потери мощности от трения. Во избежание вышеозначенного, средняя линия кривошипа должна при его среднем положении находиться на таком расстоянии от поверхности средних линий цапф поворотных лопаток, чтобы плечу кривошипа можно было придать значительную длину, при чем соседняя поворотная цапфа, соответствующая лопатка рабочего колеса, этому не должна препятствовать. На фиг. 3 изображено схематически такое приспособление, при чем ВВ обозначает плоскость средних линий цапф лопаток, а новое положение кривошипа, средняя линия цапфы которого поднята на высоту i над этой плоскостью. Из этой фигуры видно, что длина плеча кривошипа а может быть значительно больше, чем прежде а. Можно также увеличить угол наклонения плеча кривошипа к плоскости средней линии цапфы поворотной лопатки, так что кривошип может принять изображенное на фиг. 4 положение (ср 90°). Так как при этом среднем положении кривошипа для поворачивания кривошипа подразумевается воздействие силы, направленной в сторону вращения, то для этой цели применяется шарнир, согласно фиг. 4.

При помощи коленчатого рычага W, цапфа G которого укреплена в ступице N рабочего колеса (фиг. 1), и шарнирной штанги Е цапфе кривошипа передается для его поворота необходимая сила, если тяга Z передвигается в осевом направлении. Изображенная на фиг. 4 система регуляторных рычагов применена также в фиг. 8, 8-а и 8-Ь, при чем на фиг. 8 для ясности изображен только кривошип /С сделанный из одного куска

с крылом рабочего колеса. Поворачивание крыльев рабочего колеса достигается вышеописанным образом передвижением в осевом направлении направляющих цапф /.

Ремомендуется всем подвижным частям рабочего колеса придать целесообразные формы и сечения, чтобы противостоять значительным напряжениям на изгиб, вызываемым центробежной силой при увеличении числа оборотов, так как она растет пропорционально квадрату числа оборотов. Для этого рабочее колесо снабжено перпендикулярными или наклоненными крыльями, соединяющими преимущество протекания с возможно низкими потерями рабочей среды через рабочее колесо с преимуществом достаточной прочности этих односторонне упертых лопаток.

Вышеуказанные напряжения крыльев рабочего колеса значительно увеличиваются действующим на эти крылья давлением воды, вследствие чего необходимо в большинстве случаев утолщать лопатки в осевом направлении по направлению к ступице, как это видно на фиг. 1 и 8. При большом числе оборотов получается значительное понижение напряжений в лопатке и поворотной цапфе посредством соответственного помещения поворотной цапфь лопатки относительно центра тяжести р крыла рабочего колеса, что показано на фиг. 1. При р, представляющем направление и величину приложенной в центре тяжести лопатки центробежной силы, на поворотную цапфу лопатки действует момент P-S. В противоположном направлении этому моменту действует изгибающий момент JC-/,образуемый давлением х воды на лопатку. Из фигуры 8 видно, что через центры тяжести р крыльев рабочего колеса может быть проведена плоскость 5)-В, в котором лежат равнодействующие центробежных сил. Поэтому, если согласно фиг. 8 укладка поворотных цапф / в подшипники устраивается так, что центры /HI

этих цапф помещаются над плоскостью BI и В соответственно по направлению направляющего аппарата турбины, то во всех случаях достигается желаемая разрузка регуляторного приспособления. Необходимо приьйть во внимание, что эта разгрузка достигается только при вращении турбины. Вследствие крыловидной формы рабочих лопаток, получается также и в состоянии покоя турбины понижение давления X воды. Местные и конструктивные причины могут в некоторых случаях показать, что целесообразнее не осуществлять вышеописанную разгрузку; в таком случае местоположение центра тяжести крыльев относительно оси вращения лопатки зависит только от требуемой формы и наклонения этих крыльев.

Корпус регуляторной ступицы должен обладать формой, удовлетворящей требованиям прочности, размеры которой не обусловливают нежелательные заграждения поперечного сечения. Для этого корпусу ступицы дается симметричная форма, что достигается помещением поворотных цапф лопаток симметрично к оси рабочего колеса и что делает форму корпуса ступицы зависимой от положения кривошипов К. Если эти кривошипы помещены, согласно фиг. 5, внутри корпуса ступицы, то корпус делается из нескольких частей. Деление корпуса ступицы может быть произведено в плоскостях, перпендикулярных к оси рабочего колеса ВВ (фиг. 2), или же вдоль плоскостей, перпендикулярных к вышеназванным плоскостям (фиг. 5). Если кривошипы помещены снаружи корпуса ступицы, то вышеописанных затруднений не будет, и деление корпуса ступицы становится излишним, как это показано на фиг. 8, 8-а и Ь-Ь. Наружное помещение кривошипа К целесобразнее, так как при этом возможно выполнение поверхности лопатки S кривошипа К и поворотной цапфы / из одного куска, согласно фиг. б и 8; таким образом получается

прочное неподвижное соединение кривошипа с плоскостью лопатки и цапфой вращения. При этом увеличивается надежность в работе всего регуляторного устройства. Желательно, чтобы для поворачивания лопаток работа была по возможности малой. С этой целью положе.ние оси поворотной лопатки делается зависимым от местоположения равнодействующей всех сил, действующих на поверхность лопатки. На фиг. 7 равнодействующая всех сил обозначена Rs, при чем ось вращения О перпендикулярна к плоскости чертежа. Получается момент вращения Rs-т, который должен быть преодолен по стрелке 2 при поворачивании лопатки. Из этого следует для данного примера, что для уменьщения подвода воды необходимое поворачивание лопаток рабочего колеса возможно только с затратой работы, необходимой для преодоления вышеназванного момента вращения. Из фиг. 7 видно также, что эта работа уменьшается с укорачиванием .плеча рычага т. В некоторых случаях может быть желательным автоматическое открывание или же автоматическое закрытие лопаток рабочего колеса, что согласно фиг. 7 зависит от выбора местоположения оси вращения относительно точки приложения равнодействующей силы. Сила, необходимая для передвижения тяг F (фиг. 1, 2 и 8), зависит также от величины этого момента. Сила, необходимая для перестановки лопаток, достигающая большой величины, требует тяжелого и, следовательно, дорогого устройства регуляторного приспособления и обладает, кроме того, еще тем недостатком, что она вызывает в подшипнике муфты G большие сопротивления от трения, которые преждевременно изнащивают этот подпятник и сопряжены с потерей энергии вращающейся машины.

Для того, чтобы каждая лопатка имела один и тот же наклон относительно оси рабочего колеса, применяется устройство, позволяющее, при изменении длины или положения одной или нескольских частей кривошипного механизма, изменение относительного положения лопаток рабочего колеса, а вследствие этого и углов наклонения одной или нескольких лопаток относительно оси рабочего колеса. На фиг. 4 и 8-Ь показана возможность изменения положения лопаток рабочего колеса, достигаемая в этих случаях посредством изменения длины тяги Z при поворачивании муфты М. В этом случае муфта и тяга снабжены винтовой нарезкой. Однако, можно желаемое изменение длины получить при помощи клина и т. п. Изменение длины тяги выгоднее, чем изменение длины других частей регуляторного приспособления, так как это устройство легко доступно; поэтому желаемое изменение углов лопаток рабочего колеса может быть предпринято без особенных перерывов в действии силовой установки. Муфта G (фиг. 2, 8 и 8-Ь) производит при передвижении вдоль оси поворачивание лопаток рабочего колеса. Особенное внимание уделено приданию целесообразной формы этой части регуляторного приспособления. Эта часть должна по возможности меньще препятствовать протоку воды и должна быть так монтирована в механизме регуляторного устройства, чтобы возможно было испытание действия регуляторного устройства до его установки в машине. Для этого целесообразно поместить цилиндрическую направляющую Т муфты на корпусе ступицы N, так как тогда положение этой поверхности относительно центра вращения лопатки становится постоянным и, следовательно, при последующем укреплении корпуса ступицы на турбинном валу не может быть изменено. Кроме того, тогда все регуляторное устройство применимо для турбинных валов различного диаметра; достаточно для этого соответственно изменить диаметр отверстия ступицы. Чтобы по возможности укоротить длину регуляторной ступицы, применяется скользящее кольцо R, необходимое для передвижения муфты в осевом направлении и укладываемое большею частью в вышеназванную муфту G (фиг. 8 и 8-Ь).

Для установки лопаток рабочего колеса необходимое передвижение скользящего кольца в осевом направлении должно производиться с легкодоступного места. Это устройство не должно в то же время быть, по возможности, помехой для течения воды. Для этого передвижение в .осевом направлении скользящего кольца производится помощью тяг F, которые проводятся сквозь крышку направляющего колеса Ld (фиг. 1) и соответственно сквозь корпус подшипника LI (фиг. 8) вала рабочего колеса. Передвижение в осевом направлении направляющих стержней может производиться любыми, для этой цели пригодными, деталями машин, рычагами, зубчатыми колесами, кривошипами и т. п. На фиг. 1 применен для этой цели шарнирный рычаг А.

Регуляторное приспособление, находящееся в воде, защищено от посторонних тел (дерева, песка, камней, льда и т. п.) кожухом U (фиг. 5) регуляторной ступицы (фиг. 5), который обхватывает главнейшие части регуляторного механизма. Этот кожух можно, однако, укрепить и на стенках турбины (рабочего колеса, соответствующего крышке направляющего аппарата) или же на скользящем кольце. Так например, на фиг. 8 защитный кожух /-2 образует внутренний обод направляющего колеса. При помещении регуляторных рычагов в кожух получается также понижение сопротивлений вызываемых движением (вращением) системы рычагов в рабочей среде.

Из вышеприведенных изложений видно, что сфера применения установки лопаток рабочего колеса не ограничивается каким-либо определенным типом турбин. В примере

выполнения, представленном на фиг. 1, показан направляющий аппарат с радиальным впуском воды, который применяется в подобном исполнении для подвода воды в рабочие колеса турбин Фрэнсиса, в то время, как подвод воды в примере, представленном, на фиг. 8, производится в осевом направлении. Само собою разуi меется, что можно применять наI правляющий аппарат с любым I направлением протока, если только I условия протекания воды произвоI дятся без образования вихрей. Особенно же целесообразным оказывается подвод воды в описанные регулируемые рабочие колеса направляющими аппаратами, облаI дающими проходом рабочей среды I в радиальном или приблизительно радиальном направлении, так как I подобный подвод воды приблиj жается больще всего к естествен1 ному ходу течения в рабочем колесе и в всасывающей трубе с осевым протоком. В подобном направляющем аппарате вода получает, до поступления в рабочее колесо, значительное отклонение от первоначального радиального направления входа, согласно фиг. 1. При этом безразлично, вступают ли ребра лопаток направляющего KQлеса в пространство всасывающей трубы, при чем и передние кромки постоянных или поворотных лопаток направляющего колеса принимают участие в отводе воды (фиг. 2), или же эти лопатки не вступают в пространство всасывающей трубы; j в этом случае вода покидает направляющий аппарат только вдоль выходных ребер этих лопаток. В случае применения поворотных направляющих лопаток подобный направляющий аппарат имеет еще ту выгоду, что совместная перестановка лопаток направляющего и рабочего колеса достигается простыми средствами, в то время, как в направляющем аппарате с осевым протоком воды конструктивное выполнение поворачивания лопаток очень трудно.

Применение вышеописанного регуляторного устройства не ограничивается водяными турбинами. Это устройство может быть применено во всех других вращательных машинах (паровые или газовые турбины, центробежные насосы и воздуходувки).

Предмет патента.

1. Приспособление для поворота лопаток рабочих колес вращающихся машин (водяных, паровых и газовых турбин, центробежных насосов и вентиляторов), характеризующееся применение муфты R, тягами F перемещаемой по рабочему валу вместе с поворотно соединенною с нею муфтою G, скользящею в цилиндрической направляющей Т ступицы N и связанною с последнею щпонкою К, каковая муфта G соединяется тягами Z (фиг. 2) с кривошипами К, присоединенными или составляющими одно целое с рабочими лопатками , цапфами / поворотно установленными в ступице N.

2.Видоизмемение охарактеризованного в п. 1 приспособления, отличающееся тем, что соединение тяг Z (фиг. 4 и 8-й) с кривошипами К производится при помощи коленчатых рычагов W и серег Е, при чем длина тяг Z может быть изменяема посредством винтовых муфтЛ4.

3.Применение к охарактеризованным в п. п. 1 и 2 приспособлениям-защитных кожухов U (фиг. 5) или ig (фиг. 8).

Фигл