БАЛКА КРЕПЛЕНИЯ ОБТЕКАТЕЛЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ БАЛКУ
BEAM FOR ATTACHMENT OF FAIRING OF HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT, AND HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT CONTAINING SUCH BEAM

Настоящее изобретение касается балки крепления обтекателя гидроэнергетической установки, а также гидроэнергетической установки, содержащей такую балку.
Колесо гидроэнергетической установки, например, известное из патента WO-A-2009/126996, содержит центральную ступицу, имеющую геометрическую форму вращения вокруг оси вращения колеса, и лопатки, неподвижно соединенные со ступицей, которые проходят радиально наружу от ступицы. Гидроэнергетическую установку можно оборудовать неподвижным наружным обтекателем, который охватывает колесо и который имеет геометрическую форму вращения вокруг оси вращения колеса. Обтекатель ограничивает полый цилиндрический объем, внутри которого расположены лопатки и ступица. Для соединения обтекателя с неподвижной опорой, которая окружает ступицу, используют известные балки крепления. Как правило, эти балки имеют прямоугольное сечение, края больших размеров которого параллельны потоку воды, проходящему через лопатки во время работы гидроэнергетической установки.
Во время работы вода проходит вдоль балок на уровне их сторон, соответствующих краям больших размеров их поперечного сечения. Позади балки образуются завихрения Кармана, создающие механические напряжения в балке, которые могут привести к образованию трещин, чего следует избегать.
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков и на разработку балки крепления, геометрическая форма которой позволяет при воздействии на балку потока воды во время работы гидроэнергетической установки ограничить завихрения Кармана и даже препятствовать их образованию.
В этой связи, объектом настоящего изобретения является балка крепления обтекателя гидроэнергетической установки, имеющая сечение в плоскости, перпендикулярной к продольной оси балки, в виде параллелограмма. Балка содержит, по меньшей мере, одну щель, которая в основном проходит параллельно продольной оси балки. В сечении, перпендикулярном к продольной оси балки, следы поверхностей, расположенных вдоль щели, проходят от одной из сторон больших размеров сечения до смежной стороны малых размеров сечения.
Благодаря изобретению, вода протекает в щель, что стабилизирует поток воды вдоль балки и позволяет избежать образования завихрений Кармана позади балки.
Согласно предпочтительным, но не ограничительным аспектам изобретения, такая балка крепления может иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых в любой технически возможной комбинации.
- Сторона малых размеров сечения образует острый угол со смежной стороной больших размеров сечения.
- В плоскости, перпендикулярной к продольной оси балки, угол, находящийся снаружи балки со стороны ребра сопряжения между стороной малых размеров сечения и стороной больших размеров сечения относительно щели и образованный, с одной стороны, участком стороны больших размеров, находящимся со стороны ребра относительно щели, и, с другой стороны, центральной или средней осью щели, превышает 90°.
- В плоскости, перпендикулярной к продольной оси балки, угол, находящийся снаружи балки, превышает 120°, предпочтительно находится в пределах от 130° до 160°, предпочтительно примерно равен 150°.
- В плоскости, перпендикулярной к продольной оси балки, угол, находящийся внутри балки и ограниченный стороной больших размеров параллелограмма и стороной малых размеров параллелограмма, которая образует тупой угол со стороной больших размеров, превышает 90°, предпочтительно превышает 120°, еще предпочтительнее примерно равен 150°.
- От одной и той же стороны больших размеров параллелограмма выполнены, по меньшей мере, две щели.
- Щели, выполненные, начиная от одной и той же стороны больших размеров параллелограмма, являются параллельными.
- По меньшей мере, одна щель выполнена, начиная от каждой стороны больших размеров.
- Балка оборудована средствами крепления для соединения двух частей балки, находящихся по обе стороны от одной щели.
- По меньшей мере, часть балки, находящаяся со стороны ребра сопряжения между стороной малых размеров сечения и стороной больших размеров сечения относительно щели, выполнена из материала, имеющего более высокую механическую прочность, чем материал части балки, находящейся противоположно ребру относительно щели.
Объектом изобретения является также гидроэнергетическая установка, содержащая колесо, выполненное с возможностью вращения вокруг оси, неподвижный обтекатель, охватывающий колесо, и, по меньшей мере, одну балку крепления обтекателя в соответствии с настоящим изобретением, которая соединяет обтекатель с центральной опорой гидроэнергетической установки.
Настоящее изобретение и его другие преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания гидроэнергетической установки и балки крепления обтекателя в соответствии с настоящим изобретением, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вид в изометрии гидроэнергетической установки, содержащей три балки крепления в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - увеличенный вид в разрезе по плоскости II фиг.1;
Фиг.3 - увеличенный вид в разрезе по линии III фиг.2;
Фиг.4 - увеличенный вид детали IV фиг.3;
Фиг.5 - увеличенный вид детали V фиг.3;
Фиг.6 - вид, аналогичный фиг.4, второго варианта выполнения изобретения;
Фиг.7 - вид, аналогичный фиг.4, третьего варианта выполнения изобретения.
На фиг.1 и 2 показана гидроэнергетическая установка 1 с осью Х1, содержащая наружный обтекатель 2, колесо 3, пять лопаток 4, неподвижную центральную опору 6 и три балки 8 крепления.
В дальнейшем тексте описания термин «осевой» обозначает направление, параллельное оси Х1, и термин «радиальный» обозначает направление, перпендикулярное к оси Х1 и являющееся секущим относительно этой оси, или поверхность, перпендикулярную к радиальному направлению. Кроме того, элемент, называемый проксимальным, находится ближе к оси Х1, чем элемент, называемый дистальным.
Как показано, в частности, на фиг.2, обтекатель 2 является полым и имеет кольцевую форму с осью Х1, а центральная опора 6 является цилиндром с круглым основанием и с осью Х1, содержащим наружный кожух 61. Балки 8 крепления проходят в радиальном направлении, каждая вдоль своей продольной оси А8, и соединяют опору 6 с обтекателем 2. Проксимальные концы 820 балок 8 закреплены на наружной радиальной поверхности 64 кожуха 61, и дистальные концы 840 балок 8 закреплены на внутренней радиальной поверхности 22 обтекателя 2. Наружная радиальная поверхность 65 содержит кольцевую выемку 64 для прохождения лопаток 4. Средства 63 крепления соединяют части опоры 6, находящиеся по обе стороны от выемки 64. Обтекатель 2, балки 8 и опора 6 соединены неподвижно и образуют часть 5 гидроэнергетической установки 1, остающуюся неподвижной во время работы гидроэнергетической установки 1.
Лопатки 4 выполнены радиально, и их проксимальные концы 42 закреплены на цилиндрическом участке 46а с круглым основанием ступицы 46, находящейся внутри наружного кожуха 61 опоры 6. Участок 46b ступицы 46 в виде диска с осью Х1 соединен с участком 46а и с участком 46с ступицы 46, который имеет геометрическую форму стержня с осью Х1. Участок 46с ступицы 46 направляется во вращении опорным подшипником 62, принадлежащим к опоре 6. Ступица 46 приводит во вращение входной вал не показанного генератора переменного тока. Дистальные концы 44 лопаток 4 доходят до радиальной внутренней поверхности 22 обтекателя 2. Лопатки 4 и ступица 46 образуют вместе колесо 3 гидроэнергетической установки 1, которое выполнено с возможностью вращения вокруг оси Х1 относительно неподвижной части 5.
Во время работы поток воды F1 или F2, в основном параллельный оси Х1, проходит через гидроэнергетическую установку 1 в одном или другом направлении.
Как показано на фиг.3, балки 8 выполнены в виде призм, сечение S которых, взятое перпендикулярно к их продольным осям А8, в основном имеет форму параллелограмма, который содержит две стороны 801 и 803 больших размеров, параллельные оси Х1, и две стороны 802 и 804 малых размеров. Острый угол γа, находящийся внутри параллелограмма, ограничен между сторонами 801 и 802, и острый угол γb, находящийся внутри параллелограмма, ограничен между сторонами 803 и 804. Углы γа и γb равны. Вместе с тем, это не является обязательным условием.
Сопряжение сторон 801 и 802 образует первое ребро А балки 8, и сопряжение сторон 803 и 804 образует второе ребро В параллелограмма. Ребра А и В скруглены.
Передней кромкой балки 8 является ребро А или В балки, с которым поток F1 или F2 входит в контакт в первую очередь, и задней кромкой балки 8 в направлении потока F1 или F2 является ребро А или В, находящееся на выходе, то есть со стороны, в направлении которой проходит поток F1 или F2, относительно передней кромки.
Таким образом, для потока F1 ребро А образует переднюю кромку балки 8 и ребро В образует заднюю кромку балки 8, а для потока F2 ребро В образует переднюю кромку балки 8, и ребро А образует заднюю кромку балки 8.
Каждая из балок 8 содержит главный элемент 82, находящийся противоположно ребрам А и В относительно щелей 86а и 86b, и два отрезка 84а и 84b, находящихся соответственно со стороны ребра А или ребра В относительно щелей 86а или 86b. Остающееся пространство между главным элементом 86 и отрезком 84а образует щель 86а, и остающееся пространство между главным элементом 86 и отрезком 84b образует щель 86b. Отрезки 84а и 84b соединены с главным элементом 82. Это соединение можно осуществить, например, посредством сварки не показанных элементов, распределенных между проксимальным концом 820 и дистальным концом 840 балки 8 и соединяющих главный элемент 82 с отрезками 84а и 84b. Другими средствами крепления могут быть, например, винты, которые взаимодействуют с резьбовыми отверстиями, выполненными в главном элементе 82 и в отрезках 84а и 84b.
Щели 86а и 86b, отрезки 84а и 84b и главный элемент 82 проходят от проксимального конца 820 до дистального конца 840 каждой балки 8.
Как показано на фиг.4, щель 86а выполнена вдоль центральной оси Z86a. При этом образуется угол αа, примерно равный 150° между, с одной стороны, участком 801а стороны 801, принадлежащим к отрезку 84а, и, с другой стороны, участком оси Z86a, который проходит снаружи балки 8 за пределами стороны 801, то есть стороны ребра А. Угол αа находится снаружи балки 8 со стороны ребра А сопряжения между стороной 802 малых размеров сечения S и стороной 801 больших размеров сечения S относительно щели 86а. Угол αа превышает 90°. Предпочтительно угол αа превышает 120° и находится в пределах от 130° до 160°. Предпочтительно угол αа примерно равен 150°.
Сторона 803 образует со стороной 802 угол βа, примерно равный 150°, находящийся со стороны балки 8. Угол βа превышает 90°, предпочтительно превышает 120°. Предпочтительно угол βа примерно равен 150°.
Углы αа и βа могут иметь одинаковое значение. Однако это не является обязательным условием.
Вершина Sa острого угла γа образована в точке пересечения прямых D801 и D802, показанных пунктирными линиями, вдоль которых проходят соответственно стороны 801 и 802 параллелограмма, показанного на фиг.3.
Обозначим 862а поверхность главного элемента 82, которая проходит вдоль щели 86а. Обозначим 864а поверхность отрезка 84а, ограничивающего щель 86а. Таким образом, щель 86а находится между поверхностями 862а и 864а. В частности, в сечении, рассматриваемом перпендикулярно к продольной оси А8 балки 8, следы поверхностей 862а и 864а, расположенных вдоль щели 86а, проходят от стороны 801 больших размеров сечения S до смежной стороны 802 малых размеров сечения S. Под следом поверхности 862а или 864а следует понимать сегмент, находящийся на пересечении сечения S и поверхности 862а или 864а. Кроме того, сторона 802 малых размеров сечения S образует острый угол γа со стороной больших размеров сечения S.
Геометрию конца балки 8, находящегося со стороны ребра А, можно транспонировать со стороны ребра В за счет центральной симметрии вокруг точки пересечения диагоналей параллелограмма, показанного на фиг.3.
На фиг.5 более детально показан конец балки 8, находящийся со стороны ребра В. Щель 86b проходит вдоль центральной оси Z86b. Угол αb, находящийся снаружи балки 8 со стороны ребра В относительно щели 86b, образован между, с одной стороны, участком 803b стороны 803, принадлежащим к отрезку 84b, и, с другой стороны, участком оси 86b, который проходит снаружи балки 8 за пределы стороны 803. Угол αb находится снаружи балки 8 со стороны ребра В сопряжения между стороной 804 малых размеров сечения S и стороной 803 больших размеров сечения S относительно щели 86b.
Образован угол βb, находящийся внутри балки 8 между сторонами 801 и 804 параллелограмма, показанного на фиг.3.
Образована вершина Sb острого угла γb в точке пересечения прямых D803 и D804, показанных пунктиром, вдоль которых проходят соответственно стороны 803 и 804 параллелограмма, показанного на фиг.3.
Обозначим 862b поверхность главного элемента 82, которая проходит вдоль щели 86b. Обозначим 864b поверхность отрезка 84b, которая проходит вдоль щели 86b. Таким образом, щель 86b находится между поверхностями 862b и 864b. В частности, поверхности 862b и 864b расположены вдоль щели 86b и проходят от стороны 803 больших размеров сечения S до смежной стороны 804 малых размеров, образующей угол γb со стороной 801 больших размеров.
Во время работы гидроэнергетическая установка 1 находится под водой, например в морской среде, и неподвижная часть 5 соединена с неподвижным элементом, например с землей. Поток воды F1 или F2 вращает лопатки 4 вокруг оси Х1 в одном или другом направлении, что приводит в действие генератор переменного тока и обеспечивает производство электрической энергии.
В дальнейшем прохождение воды будет описано для случая потока F1. Когда вода проходит в направлении F2, образуется симметричный поток.
1
2
1
2
Когда поток F1 достигает ребра А балки 8, которое является передней кромкой балки 8, поток F1 делится на две части F1 и F1 и продолжает свое движение в направлении ребра В, которое образует заднюю кромку балки 8. Первая часть F1 потока F1 обтекает балку 8 вдоль стороны 803, и вторая часть F1 потока F1 обтекает балку 8 на уровне стороны 801.
1
1
2
На уровне конца стороны 803, находящегося вблизи ребра В, образуется зона Р1 повышенного давления, и на уровне стороны, находящейся вблизи ребра В, образуется зона Р2 разрежения. Разность давления в результате появления этого повышенного давления и этого разрежения всасывает часть F1' первой части F1 потока воды F1 внутрь щели 86b. Таким образом, вода проходит в щели 86b от конца щели 86b, находящегося вблизи стороны 803, до конца щели 86b, находящегося вблизи стороны 804, затем объединяется со второй частью F1 потока F1 и протекает вдоль стороны 804 в направлении ребра В. Таким образом, граничный слой воды, проходящий вдоль сторон 801, 803 и 804 балки 8, стабилизируется, благодаря щели 86b, что ограничивает и даже устраняет образование завихрений Кармана. В случае потока F1 щель 86а является факультативной, и только щель 86b способствует стабилизации потока.
Наличие двух щелей 86а и 86b, находящихся на уровне ребра А и ребра В балки 8, позволяет стабилизировать прохождение потока F1 или потока F2, что представляет интерес в случае гидроэнергетической установки 1, на которую действует поток переменного направления, например, когда гидроэнергетическая установка 1 работает от прилива или отлива.
На фиг.6 показан второй вариант выполнения балки 8, в которой элементы, аналогичные элементам на фиг.4, обозначены такими же позициями.
Балка 8, показанная на фиг.6, имеет угол αа, примерно равный 130° и меньший угла αа балки 8, показанной на фиг.4. Угол αа превышает 90°.
Щель 86а балки 8 на фиг.6 находится ближе к ребру А, чем щель 86а балки 8, показанной на фиг.4. Кроме того, балка 8 на фиг.6 имеет угол βа, примерно равный 130°. Угол βа на фиг.6 превышает 90° и меньше угла βа балки, показанной на фиг.4.
Фиг.7 соответствует третьему варианту выполнения балки 8, в которой элементы, аналогичные элементам на фиг.4 и 5, обозначены такими же позициями. Балка 8, показанная на фиг.7, содержит два отрезка 84а и 84а', расположенных со стороны ребра А балки 8. Отрезок 84а' находится ближе к ребру А, чем отрезок 84а. Первое остающееся пространство между главным элементом 82 и отрезком 84а образует первую щель 86а с осью Z86a. Второе остающееся пространство между отрезком 84а и отрезком 84а' образует вторую щель 86а' с осью Z86a'.
Угол αа, находящийся снаружи балки 8 и со стороны ребра А относительно щели 86а, образован между, с одной стороны, участком 801а стороны 801, принадлежащим к отрезку 84а, и, с другой стороны, участком оси Z86a, проходящим наружу балки 8 за пределы стороны 801.
Угол αа', находящийся снаружи балки 8 и со стороны ребра А относительно щели 86а', образован между, с одной стороны, участком 801а' стороны 801, принадлежащим к отрезку 84а', и, с другой стороны, участком оси Z86a', проходящим наружу балки 8 за пределы стороны 801.
Углы αа и αа' равны, и оси Z86a и Z86a' щелей 86а и 86а' параллельны. Вместе с тем, в другом варианте выполнения изобретения углы αа и αа' могут быть разными, поскольку щели 86а и 86а' не пересекаются.
Обозначим 862а поверхность главного элемента 82, которая расположена вдоль щели 86а. Обозначим 864а поверхность отрезка 84а, которая проходит вдоль щели 86а. Таким образом, щель 86а проходит между поверхностями 862а и 864а.
Обозначим 862а' поверхность отрезка 84а, которая расположена вдоль щели 86а'. Обозначим 864а' поверхность отрезка 84а', которая проходит вдоль щели 86а'. Таким образом, щель 86а' проходит между поверхностями 862а' и 864а'.
Балка 8, показанная на фиг.3, содержит на уровне каждого ребра А и В щель 86а или 86b, но в другом, не показанном, варианте выполнения изобретения балка 8 может содержать только одну щель 86а или 86b, проходящую между главным элементом 82 и единственным отрезком 84а или 84b. В этом случае щель 86а или 86b находится вблизи задней кромки балки 8, то есть со стороны ребра В в случае потока F1 или со стороны ребра А в случае потока F2. При этом балка 8 может стабилизировать поток воды F1 или F2, если вода проходит только в одном направлении.
Кроме того, поскольку щель 86а проходит от стороны 801 до стороны 802, ось Z86a может находиться более или менее близко к ребру А. Кроме того, в третьем варианте выполнения расстояние между осями Z86a и Z86a' щелей 86а и 86а' может быть более или менее большим.
Согласно другому, не показанному, варианту выполнения изобретения, поскольку балка 8 содержит, по меньшей мере, одну щель 86а или 86b, вблизи каждого из своих ребер А и В балка 8 может содержать число щелей, большее или равное нулю, и число щелей на уровне каждого ребра А и В балки 8 может быть разным. Например, конец балки 8, находящийся со стороны ребра А, может содержать щель 86а, и конец балки 8, находящийся со стороны ребра В, может содержать две щели 86b.
Поскольку отрезки 84а и 84b подвергаются более значительным механическим напряжениям, чем главный элемент 82, отрезки 84а и 84b предпочтительно можно выполнять из материала с более высокой механической прочностью, чем материал главного элемента 82. Например, отрезки 84а и 84b можно выполнять из высокопрочной стали, тогда как главный элемент выполняют из мягкой стали, или наоборот. В варианте выполнения изобретения отрезки 84а и 84b выполнены полыми, тогда как главный элемент 82 является сплошным, или наоборот.
Показанная на фиг.1 гидроэнергетическая установка 1 содержит три балки 8 и пять лопаток 4. В варианте гидроэнергетическая установка 1 может содержать число балок 8, отличное от трех, и число лопаток 4, отличное от пяти.
Сечение щели 86а, 86а' или 86b, рассматриваемое в плоскости, перпендикулярной к продольной оси А балки 8, может не быть прямолинейным и, например, иметь вид участка кривой. В этом случае ось Z86a, Z86a' или Z86b такой щели 86а, 86а' или 86b определяют как среднюю ось участка кривой.
Кроме того, щели 86а, 86а' и 86b могут проходить вдоль продольной оси, которая имеет наклон относительно продольной оси А8 балки 8. Таким образом, щели 86а, 86а' и 86b могут проходить параллельно или почти параллельно продольной оси А балки 8. В этом смысле эти щели являются в основном параллельными этой оси.
Отличительные признаки рассмотренных выше вариантов выполнения и версий можно комбинировать.
В варианте сечение S балки 8 может иметь прямоугольную геометрическую форму, поскольку прямоугольник является частным случаем параллелограмма. В этом случае углы αа и αb являются не острыми углами, а прямыми углами.