ГИДРОАГРЕГАТ
HYDRAULIC UNIT

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к силовым агрегатам, приводимым в действие потоком текущей среды, и может быть использовано для преобразования энергии текущей среды, например потока рек, в электрическую энергию.
Известен гидроагрегат, содержащий направляющий аппарат, лопатки которого, выполненные изогнутой формы и развернутые по направлению вращения рабочего колеса, закреплены с возможностью поворота, рабочее колесо, размещенное в камере, с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе, установленном на валу, водоподводящую и водоотводящую части. При этом направляющий аппарат выполнен из верхнего и нижнего колец с размещенными между ними лопатками, установленными с возможностью поворота с помощью механизма поворота из серег, соединенных с лопатками, рычагов и регулирующего кольца, связанного с сервомоторами. Вал расположен вертикально относительно плоскости вращения рабочего колеса, а водоподводящая часть выполнена в виде спиральной камеры (Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пос. для энерг. и политехнич. вузов. - М.: Высшая школа, 1969. - С.35).
Недостатками являются сложность конструкции вследствие использования механизма поворота для изменения положения лопаток направляющего аппарата, связанного с сервомоторами, а также трудоемкость изготовления, обусловленная применением крупногабаритных и металлоемких водоподводящей и водоотводящей частей и рабочего колеса.
Наиболее близким к данному изобретению устройством является гидроагрегат, содержащий ротор гидротурбины, снабженный лопатками, выполненный с возможностью вращения ротора электрогенератора, установленного в канале корпуса гидрогенератора, подводящий и отводящие каналы (см. патент РФ №2371602, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, 2009 г.).
Недостатком прототипа является низкий КПД, обусловленный ударным входом потока воды на лопатки направляющего аппарата, а также сложность конструкции, высокая материалоемкость и трудоемкость изготовления, а следовательно, высокая стоимость.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является значительное повышение надежности работы гидроагрегата и ее электрогенератора, упрощение конструкции, снижение трения в подшипниках.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении ресурса гидроагрегата и его электрогенератора, повышении надежности работы, существенном уменьшении трения в подшипниках, повышении КПД генератора, уменьшение массы вращающихся деталей, увеличение окружной скорости индуктора электрогенератора.
Поставленная задача решается тем, что гидроагрегат, содержащий ротор гидротурбины, снабженный лопатками, выполненный с возможностью вращения ротора электрогенератора, установленного в канале корпуса гидроагрегата, подводящий и отводящие каналы, отличается тем, что канал корпуса гидроагрегата образован поверхностью канала ротора электрогенератора, с которым жестко скреплены концы лопаток ротора гидротурбины, при этом ротор электрогенератора содержит обечайку, внешняя поверхность которой снабжена цилиндрическим выступом, в котором выполнен кольцевой паз, в полости которого смонтирована магнитная система, при этом внешняя поверхность ротора образует рабочий зазор с обращенной к нему поверхностью полости шихтованного сердечника статора, снабженный пазами, в которых уложены катушки обмотки, зафиксированные клиньями, при этом статор с обмотками размещен в герметичной полости корпуса гидроагрегата, при этом рабочий зазор ротора герметично отделен от названной полости корпуса гидроагрегата, кроме того, корпус гидроагрегата включает щиты, разъемно и герметично скрепленные с цилиндрическим корпусом, при этом его внутренняя поверхность снабжена пазом, в котором размещен пакет сердечников статора, снабженный по торцам нажимными листами и зафиксированный разрезным кольцом, кроме того, между боковыми стенками цилиндрического выступа и обращенными к ним поверхностям щитов установлены упорные подшипники, а между концевыми поверхностями ротора и обращенными к ним поверхностями цилиндрических отверстий щитов установлены радиальные подшипники, кроме того, объем, в котором установлены радиальные подшипники, герметизирован со стороны зазора между подводящим и отводящим каналами и каналом корпуса гидроагрегата.
Кроме того, ротор выполнен предпочтительно из немагнитного материала, при этом магнитная система, смонтированная кольцевом пазу, выполнена по схеме Хальбаха или с тангенциальным намагничиванием.
Кроме того, ротор выполнен предпочтительно из немагнитного материала, содержит цилиндрическую втулку из материала с высокой магнитной проницаемостью, образующую днище кольцевого паза, при этом магнитная система, смонтированная в кольцевом пазу, выполнена по схеме с радиальным намагничиванием.
При этом существенные признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «…канал корпуса гидроагрегата образован поверхностью канала ротора электрогенератора, с которой жестко скреплены концы лопаток ротора гидротурбины…» упрощают конструкцию гидротурбины, повышают надежность конструкции, повышают КПД гидроагрегата.
Признаки, указывающие, что ротор электрогенератора «содержит обечайку, внешняя поверхность которой снабжена цилиндрическим выступом, в котором выполнен кольцевой паз, в полости которого смонтирована магнитная система», обеспечивают необходимую жесткость и прочность конструкции ротора электромашины при минимальной массе и позволяют разместить индуктор в кольцевом пазу.
Признаки, указывающие, что «внешняя поверхность ротора образует рабочий зазор с обращенной к нему поверхностью полости шихтованного сердечника статора» формируют статор электрогенератора.
Признаки, указывающие, что статор снабжен «пазами, в которых уложены катушки обмотки, зафиксированные клиньями, при этом статор с обмотками размещен в герметичной полости корпуса гидроагрегата, кроме того, рабочий зазор ротора герметично отделен от названной полости корпуса гидроагрегата, кроме того, корпус гидроагрегата включает щиты, разъемно и герметично скрепленные с цилиндрическим корпусом», обеспечивают работоспособность генератора и предотвращают попадание влаги во внутрь электрогенератора.
Признаки, указывающие, что внутренняя поверхность статора «снабжена пазом, в котором размещен пакет сердечников статора, снабженный по торцам нажимными листами и зафиксированный разрезным кольцом» фиксируют пакет сердечника статора в корпусе гидроагрегата.
Признаки «…между боковыми стенками цилиндрического выступа и обращенными к ним поверхностям щитов установлены упорные подшипники» обеспечивают формирование эффективных упорных магнитных подшипников гидроагрегата.
Признаки, указывающие, что «между концевыми поверхностями ротора и обращенными к ним поверхностями цилиндрических отверстий щитов установлены радиальные подшипники» обеспечивают формирование эффективных радиальных магнитных подшипников гидроагрегата.
Признаки, указывающие, что «объем, в котором установлены радиальные подшипники, герметизирован со стороны зазора между подводящим и отводящим каналами и каналом корпуса гидроагрегата» устраняют протечки воды в полость расположения магнитных подшипников и, тем самым, обеспечивают необходимую несущую способность магнитных подшипников.
Признаки, указывающие, что ротор «выполнен предпочтительно из немагнитного материала, при этом магнитная система, смонтированная кольцевом пазу, выполнена по схеме Хальбаха или с тангенциальным намагничиванием» создают рациональные пути замыкания магнитных потоков индуктора и обеспечивают создание сильного магнитного поля.
Признаки, указывающие, что ротор «выполнен предпочтительно из немагнитного материала, содержит цилиндрическую втулку из материала с высокой магнитной проницаемостью, образующую днище кольцевого паза, при этом магнитная система, смонтированная кольцевом пазу, выполнена по схеме с радиальным намагничиванием» конкретизируют один из рациональных путей замыкания магнитных потоков индуктора при радиальном намагничивании и обеспечивают создание сильного магнитного поля.
На фиг.1 показан продольный разрез гидроагрегата, на фиг.2 - поперечный разрез при намагничивании индуктора по схеме Хальбаха, на фиг.3 - поперечный разрез при тангенциальном намагничивании индуктора, на фиг.4 - поперечный разрез при радиальном намагничивании индуктора.
На чертежах показаны корпус 1 гидроагрегата, сердечник 2 статора, пазы 3 статора, катушки 4 обмотки, клинья 5, паз 6 корпуса 1, нажимные листы 7, 8, разрезное кольцо 9, щиты 10 и 11 корпуса 1 гидроагрегата, обечайка 12, кольцевой паз 13, цилиндрическая втулка 14, постоянные магниты 15 и 16, бандаж 17, неподвижные части 18 и 19 кольцевых радиальных магнитных подшипников, неподвижные части 20 и 21 кольцевых магнитов упорного магнитного подшипника, подвижные части 22, 23 и 24, 25 магнитов радиального и упорного магнитных кольцевых подшипников, торцевые уплотнения 26, 27 и 28, 29, направляющий аппарат 30, обечайка 31, диффузор 32, обтекатель 33, лопатки 34.
Гидроагрегат содержит гидротурбину и электрогенератор. Канал корпуса 1 гидроагрегата образован поверхностью канала ротора электрогенератора. В корпусе 1 гидроагрегата установлен статор, состоящий из шихтованного сердечника 2, в пазах 3 которого уложены катушки 4 обмотки, зафиксированные клиньями 5. Внутренняя поверхность корпуса 1 снабжена пазом 6, в котором размещен пакет сердечников 2 статора, снабженный по торцам нажимными листами 7, 8 и зафиксированный разрезным кольцом 9. Корпус 1 с обеих сторон снабжен щитами 10, 11, разъемно и герметично скрепленными с цилиндрическим корпусом 1 гидроагрегата.
Ротор электрогенератора содержит обечайку 12 из немагнитного материала (например, из нержавеющей стали), внешняя поверхность которой снабжена цилиндрическим выступом, в котором выполнен кольцевой паз 13, на дне которого расположена цилиндрическая втулка 14 из немагнитного материала. На наружной поверхности цилиндрической втулки 14 расположены постоянные магниты 15 и 16 из материала неодим-железо-бор с тангенциальным и радиальным намагничиванием и в совокупности образующих магнитную систему Хальбаха (фиг.2). Постоянные магниты 15 и 16 приклеены к наружной поверхности цилиндрической втулки 14 и для повышения прочности на них может быть надет бандаж 17, например, из углеволокна. При тангенциальном намагничивании индуктор состоит из магнитных планок 15, намагниченных в тангенциальном встречном направлении, и планок (полюсов) 16 из материала с высокой магнитной проницаемостью (фиг.3), причем цилиндрическая втулка 14 выполнена из немагнитного материала. При радиальном намагничивании индуктор состоит из продольных магнитных планок 15, намагниченных в радиальном направлении, чередующихся по окружности с немагнитными планками 16 (фиг.4), причем цилиндрическая втулка 14 выполнена из материала с высокой магнитной проницаемостью. Магнитные планки выполнены из материала неодим-железо-бор.
Щиты 10 и 11 электрогенератора содержат кольцевые полости, в которых расположены неподвижные части кольцевых радиальных магнитных подшипников 18 и 19. Щиты 10 и 11, кроме того, снабжены второй кольцевой полостью, в которой располагаются кольцевые магниты 20 и 21 неподвижной части упорного магнитного подшипника. Подвижные и неподвижные части каждого магнитного подшипника расположены напротив друг друга с некоторым зазором. Магниты всех магнитных подшипников намагничены в осевом и радиальном направлениях по схеме Хальбаха.
Обечайка 12 ротора электрогенератора с одной стороны содержит две кольцевые полости, предназначенные для размещения подвижных частей 22 и 24 кольцевых упорного и радиального магнитных подшипников. Другая сторона обечайки 12 ротора содержит две кольцевые полости, предназначенные для размещения подвижных частей 23 и 25 кольцевых упорного и радиального магнитных подшипников.
Внешняя поверхность ротора электрогенератора образует рабочий зазор с обращенной к нему поверхностью полости шихтованного сердечника 2 статора, при этом рабочий зазор ротора герметично отделен от полости корпуса 1 электрогенератора.
Кольцевые зазоры между щитами 10, 11 и обечайкой 12 снабжены торцевыми уплотнениями 26, 27 и 28, 29 для предотвращения попадания воды в немагнитные зазоры магнитных подшипников и электрогенератора.
Гидротурбина содержит подводящий и отводящий каналы, между которыми установлен канал корпуса 1 гидроагрегата. Подводящий канал содержит направляющий аппарат 30 и обечайку 31. Отводящий канал выполнен в виде диффузора 32.
Ротор гидротурбины выполнен внутри ротора электрогенератора, снабжен обтекателем 33, на котором жестко установлены лопатки 34 гидротурбины, охваченные обечайкой 12 ротора электрогенератора.
Изготовление и сборка статора электрогенератора. Из штампованных листов электротехнической стали собирают сердечник 2 статора и скрепляют его сваркой по канавкам на наружной цилиндрической поверхности. Собранный сердечник статора устанавливают в корпус 1 в сборе с крайними нажимными листами 7, 8 и фиксируют его разрезным кольцом 9. В изолированные пазы 3 статора укладывают катушки 4 обмотки, устанавливают клинья 5 и подвергают пропитке и сушке.
На внутренние цилиндрические поверхности щитов 10 и 11 устанавливают на клей предварительно намагниченные в радиальном и осевом направлениях кольцевые постоянные магниты 18 и 19 радиальных магнитных подшипников в строгом соответствии с их расположением на фиг.1. На торцевую внутреннюю поверхность кольцевых полостей щитов 10 и 11 устанавливают на клей предварительно намагниченные в радиальном и осевом направлениях кольцевые магниты 20 и 21 упорного магнитного подшипника в строгом соответствии с их расположением на фиг.1.
Изготавливают обечайку 12 ротора электрогенератора. В нем жестко закрепляют рабочие лопатки 34 гидротурбины. В кольцевой паз 13 ротора устанавливают цилиндрическую втулку 14 и в соответствии со схемой намагничивания индуктора устанавливают на клей составное кольцо из постоянных магнитов 15 и 16. При необходимости наматывают бандаж 17, например, из углеволокна. На торцевые поверхности обечайки 12 вклеивают постоянные магниты 24, 25 упорных магнитных подшипников. На кольцевые выступы полого цилиндра наклеивают кольцевые постоянные магниты 22, 23 радиальных магнитных подшипников. Устанавливают на корпус 1 щит 11 и фиксируют винтами. Устанавливают ротор генератора в полость статора. Затем устанавливают щит 10 и скрепляют его винтами с корпусом 1. При правильной сборке ротор генератора может свободно вращаться в радиальных и упорных магнитных подшипниках, не касаясь статора 2 и щитов 10 и 11.
В кольцевые зазоры между щитами 10 и 11 и обечайкой 12 устанавливают торцевые уплотнения 26, 27 и 28, 29.
С одной стороны корпуса 1 гидроагрегата устанавливают обечайку 31 с направляющим аппаратом 30, с другой стороны отводящий канал (диффузор 32) и фиксируют их болтами.
Гидроагрегат работает следующим образом. Вода проходит через подводящий канал (направляющий аппарат 30 и обечайку 31) и поступает на рабочие лопатки 34 гидротурбины, которые приводят во вращение ротор электрогенератора. При вращении ротора вращается и индуктор. Его знакопеременное магнитное поле наводит ЭДС в катушках 4 обмотки сердечника статора 2. При подключении нагрузки к зажимам генератора протекает электрический ток - механическая энергия гидротурбины превращается в электрическую энергию, отдаваемую потребителю. Значения напряжения и частоты вырабатываемого переменного тока зависят от частоты вращения и числа полюсов ротора, а также от величины и характера сопротивления нагрузки.