Безвальная прямоточная гидротурбина
SHAFTLESS STRAIGHT-FLOW HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидравлическим турбинам. Для строительства гидроэлектростанций с низконапорными агрегатами большое значение имело создание горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами, у которых генератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой [Турбины гидравлические горизонтальные капсульные. ОСТ 108.023.107-85, 1985]. При использовании капсульных агрегатов поток по длине проточной части имеет мало поворотов и прямоосное движение в отсасывающей трубе. Это приводит к снижению гидравлических потерь и к увеличению КПД турбины, особенно на больших расходах. В результате такие турбины развивают на 25-35% большую мощность, чем вертикальные того же размера.
Известно устройство гидротурбины, содержащее периферийные торцы лопастей прямоточной пропеллерной турбины, к которым прикрепляется обхватывающее их кольцо. Кольцо утоплено в стенку колесной камеры, несет на себе полюсы генератора и является его ротором, вращаясь внутри окружающего колесную камеру неподвижного статора [Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций. М.-Л. Госэнергоиздат, 1961]. Такие турбины в течение 15 лет строил в сотрудничестве с Фишером завод Эшер Вис (Швейцария). Было выпущено 70 прямоточных агрегатов. Вначале строились турбины пропеллерного типа, затем были построены более сложные конструкции с поворотными рабочими лопатками. В 1953 г. ЛМЗ изготовил прямоточные агрегаты с турбиной диаметром 3,3 м. Но из-за трудности надежно защитить генератор от попадания влаги прямоточные агрегаты не нашли применения. Затем был разработан новый тип прямоточного агрегата, названный «страфло», который устанавливался на некоторых низконапорных гидроэлектростанциях (ГЭС), позже такие агрегаты и турбину было предложено называть безвальными. В проточной части прямоточной турбины гидравлические потери существенно ниже, чем в гидроагрегатах капсульного типа [Кривченко Г.И. Гидравлические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1983].
Известно устройство прямоточной гидротурбины Моргунова Г.М. [Патент №2245454, МПК F03В 9/00, 13/08 2003 г.], содержащее генератор, установленный вне корпуса и соединенный с валом прямоточной гидротурбины трансмиссией. Часть трансмиссии находится в потоке воды и создает дополнительное сопротивление. Недостаток конструкции вынуждает к созданию надежного уплотнения между валом трансмиссии и корпусом гидротурбины.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство безвальной прямоточной гидротурбины «страфло», включающее обод, охватывающий торцы лопаток, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода.
К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы электрогенератора в воздушной части установки из-за износа уплотнений в области обода рабочего колеса и попадания влаги, быстрый износ кольцевого уплотнения обода между лопастями рабочего колеса и генератором вследствие значительного количества взвешенных частиц в мутной речной воде.
Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, состоит в повышении надежности конструкции безвальной прямоточной гидротурбины.
Технический результат, используемый при решении поставленной задачи, состоит в применении сотовой конструкции уплотнения обода рабочего колеса с регулируемым наддувом сжатым воздухом камеры генератора и перепуском сжатого воздуха на периферию лопаток рабочего колеса для устранения кавитации, достигается тем, что в известной безвальной прямоточной гидротурбине, включающей обод, охватывающий торцы лопаток, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода, согласно изобретению, обод с ротором и статор генератора заключены в камеру, в которой выполнены вход для подвода сжатого воздуха с возможностью регулирования его поступления, а также вход для датчика давления в камере, датчик давления потока воды, расположенный на кожухе генератора, торцы обода снабжены кольцевыми концентрическими гребнями, воздушный канал между ободом рабочего колеса и проточной частью турбины заполнен пористым материалом в виде сотовых блоков.
На фиг. 1 представлен общий вид безвальной прямоточной гидротурбины.
На фиг. 2 - узел, поясняющий устройство обода рабочего колеса, снабженного сотовыми уплотнениями.
Предлагаемое устройство содержит следующие элементы: 1 - рабочее колесо; 2 - обод рабочего колеса; 3 - ротор генератора; 4 - статор генератора; 5 - отсасывающая труба; 6 - опорные выходные колонны; 7 - система охлаждения генератора; 8 - направляющие лопатки; 9 - проходная колонна; 10 - корпус обтекателя рабочего колеса; 11 - подводящая камера; 12 - наружный корпус; 13 - датчики статического давления; 14 - воздушный канал; 15 - сотовые уплотнения; 16 - камера генератора; 17 - кольцевые гребни.
Устройство работает следующим образом. Рабочее колесо гидротурбины 1 и ротор генератора 3 имеют единую систему вращающихся частей и опор. На концах лопаток рабочего колеса 1 находится обод 2 с кольцевыми гребнями 17 и ротор генератора 3 с полюсами. Кольцевые гребни 17 контактируют с сотовыми уплотнениями 15 и работают при перепаде давления между полостью генератора А и потоком Б, полностью устраняют попадание воды в полость генератора А, ограниченную камерой 16, на всех режимах работы турбины. Для устранения кавитации система автоматического регулирования подает при необходимости дополнительное количество воздуха через воздушный канал 14. Обратный клапан воздушного канала 14 открывается, если статическое давление Р1 становится меньшим давления насыщенных паров в области Б. Система автоматического регулирования перепада давления обеспечивает положительную разность давлений Р2 и Р1 на всех режимах работы гидротурбины. Мощность водного потока через лопатки рабочего колеса 1, обод рабочего колеса 2 передается на ротор генератора 3 с расположенными в нем полюсами. Статор 4 и ротор 3 генератора имеют систему охлаждения генератора 7. Датчики статического давления 13 Р1 расположены на наружном корпусе 12 установки равномерно по окружности. Обычно достаточно шести датчиков давления Р1 для усреднения параметров потока в окружном направлении. Датчиков давления Р2 на камере генератора 16 несколько для достоверности показаний, их показания также усредняются. Поток воды их верхнего бьефа проходит через подводящую камеру 11, обтекает проходные колонны 9, корпус обтекателя рабочего колеса 10, лопатки направляющего аппарата 8, отдает свою энергию рабочим лопаткам рабочего колеса 1, затем обтекает опорные выходные колонны 6 и выходит через отсасывающую трубу 5 в нижний бьеф.
Заявленное устройство позволяет повысить эффективность и долговечность работы уплотнения упрощенной конструкции для обода рабочего колеса, обеспечить надежную работу генератора.