ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА
HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано в гидротурбинных установках, в частности в гидравлических турбинах ортогонального типа с малыми напорами, с целью повышения их конкурентоспособности и экономической эффективности.
Известно устройство гидравлической турбины /А.с. 1700276 СССР, МКИ F03В 13/10. Русловой гидроагрегат / НИС ВНИИ «Гидропроект». - Опубл. 23.12.91, бюл. №47/ [1], включающее рабочее колесо, вал турбины и лопасти. Гидравлическая турбина является ортогональной, поскольку вал ее рабочего колеса и ось турбины расположены перпендикулярно направлению движения водного потока. Здесь лопасти рабочего колеса выполнены по всей своей длине одинакового симметричного профиля.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что известное устройство гидравлической турбины обладает низкой мощностью, а следовательно, и низкой величиной выработки электроэнергии. Этот недостаток обусловлен тем, что лопасти гидравлической турбины имеют симметричный профиль. Известно, что вращение лопасти происходит под воздействием подъемной силы, которая, в свою очередь, возникает из-за разности скоростей потока и давлений на напорной и тыльной поверхностях лопасти. Причем, чем больше разность скоростей потока, тем больше разность давлений и больше подъемная сила. Таким образом, на несимметричном профиле, например, крыловидной формы, можно получить значительно большую разность скоростей потока и давлений, а следовательно, подъемную силу и развиваемую мощность, чем на симметричном профиле.
Кроме этого известное устройство имеет недостаточно надежное крепление лопастей к рабочему колесу, что отражается на уменьшении надежности всей конструкции. В конструкции не предусмотрены специальные балки - траверсы, удерживающие лопасти и обеспечивающие надежное крепление лопастей к валу турбины.
Недостатками известного устройства являются также его высокая материалоемкость и трудоемкость изготовления, а следовательно, высокая стоимость. Высокая материалоемкость обусловлена тем, что лопасти имеют значительную толщину (выпуклость профиля), причем по толщине лопасть однородна и выполняется, как правило, из высококачественного металла, что сказывается на увеличении стоимости конструкции. Высокая трудоемкость обусловлена необходимостью изготовления лопастей со сложным криволинейным очертанием в поперечном сечении. Причем высокую чистоту обработки сложных поверхностей, как с напорной, так и с тыльной сторон лопасти, необходимо обеспечить по всей длине каждой лопасти. Такие работы весьма сложны и потребуют значительных затрат времени и труда.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является гидравлическая турбина /А.с. 1606731 СССР, МКИ F03В 1/00, 3/19. Гидротурбинная установка / НИС ВПИиНИИ «Гидропроект». - Опубл. 15.11.90, бюл. №42/ [2], включающая рабочее колесо, вал, траверсы и лопасти, имеющие аэродинамический профиль.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится его высокая материалоемкость, трудоемкость изготовления и значительная стоимость всей конструкции. Высокая материалоемкость обусловлена тем, что лопасти выполнены полнопрофильными, цельными на всю толщину из высококачественного дорогостоящего металла. Высокая трудоемкость обусловлена необходимостью изготовления лопастей со сложным криволинейным очертанием как с напорной, так и с тыльной сторон лопасти. Эти работы весьма сложны и требуют значительных затрат времени и труда. Высокая материалоемкость и трудоемкость изготовления лопастей приводит к увеличению стоимости гидравлической турбины.
В гидротурбинных установках с малыми напорами на гидравлическую турбину приходится значительная доля от общей стоимости всей установки. Поэтому для обеспечения большей конкурентоспособности и повышения экономической эффективности таких установок необходимо всемерно снижать материалоемкость и стоимость изготовления гидравлических турбин. В частности, нет необходимости изготавливать лопасти ортогональной турбины, работающей при малых напорах, полнопрофильными из дорогостоящего металла, т.к. при малых напорах нагрузка на лопасти значительно ниже нагрузки, действующей на лопасти турбины, работающей при больших напорах. Кроме того, для малых турбин ортогонального типа нет необходимости обеспечивать большой запас прочности и надежности турбины, поскольку их поломка не приведет к катастрофическим последствиям. При аварии достаточно будет вывести ее из рабочего режима, перекрыв затвор в подводящем водоводе, после чего отремонтировать или заменить вышедшую из строя деталь (например, лопасть).
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявляемое изобретение направлено на повышение технико-экономической эффективности гидротурбинных установок, использующих гидравлические турбины ортогонального типа, использующиеся при малых напорах, за счет снижения материалоемкости гидравлической турбины, уменьшения трудоемкости ее изготовления и уменьшения стоимости гидравлической турбины, а следовательно, и всей гидротурбинной установки, кроме этого изобретение позволит повысить мощность и надежность всей конструкции.
Технический результат - повышение мощности, увеличение надежности конструкции, снижение материалоемкости гидравлической турбины ортогонального типа, уменьшение трудоемкости ее изготовления и уменьшение стоимости гидравлической турбины.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, включающем рабочее колесо, вал, лопасти, имеющие аэродинамический профиль, и траверсы, обеспечивающие крепление лопастей к валу, особенностью является то, что лопасти выполнены составными из напорных и тыльных элементов, снабженных соединительными пластинами, размещенными между ними и жестко соединенными с одной стороны с напорным элементом, а с другой - тыльным элементом лопасти, при этом напорный и тыльный элементы лопасти выполнены в виде криволинейных поверхностей из листового материала одинаковой толщины, при этом участок тыльного элемента лопасти в непосредственной близости к входным кромкам лопасти имеет С-образную форму и изогнут к напорному элементу лопасти; жестко соединенные с валом траверсы пронизывают насквозь лопасти, которые жестко крепятся на их концах.
Предлагаемая конструкция может эффективно применяться в гидравлических турбинах ортогонального типа, размещаемых в гидротурбинных установках с малыми напорами. В таких гидравлических турбинах лопасти имеют значительную длину, причем по всей своей длине выполняются одинакового аэродинамического профиля. В связи с этим целесообразно применять не полнопрофильные лопасти, а состоящие из напорной и тыльной поверхностей, между которыми размещаются соединительные пластины, придающие жесткость конструкции.
Положительный эффект от использования изобретения заключается в следующем. В предлагаемом устройстве значительно снижается материалоемкость гидравлической турбины ортогонального типа за счет выполнения лопастей с полостями и использования отдельных элементов - напорной и тыльной для обеспечения аэродинамического профиля. Наличие полостей существенно снижает расход высококачественного дорогостоящего металла, из которого изготавливаются лопасти. Кроме этого использование отдельных напорных и тыльных элементов, выполненных в виде криволинейных поверхностей, позволит использовать материал одинаковой толщины, например прокатный лист металла, что существенно уменьшит трудоемкость изготовления лопасти.
Все вышесказанное позволит значительно уменьшить стоимость гидравлических турбин с лопастями аэродинамического профиля, применяемых в гидротурбинных установках, а следовательно, повысить их конкурентоспособность и экономическую эффективность.
Гидравлическая турбина устроена следующим образом. Гидравлическая турбина включает рабочее колесо, вал, лопасти и траверсы, с помощью которых лопасти крепятся к валу. Ось турбины расположена перпендикулярно направлению движения водного потока. Лопасти выполнены составными из отдельных элементов - напорных и тыльных, и снабжены соединительными пластинами, причем соединительные пластины размещены между напорным и тыльным элементами лопасти и обеспечивают жесткое соединение с одной стороны - с напорным элементом лопасти, а с другой стороны - с тыльным элементом лопасти. Напорный и тыльный элементы лопасти выполнены в виде криволинейных поверхностей из листового материала одинаковой толщины. Напорный и тыльный элементы лопасти образуют между собой полость и отстоят друг от друга на удалении, при котором их совместное очертание по общему внешнему контуру в профиле образует аэродинамический профиль лопасти. Траверсы жестко соединены с валом и с помощью крепежного устройства жестко соединены своей торцевой частью с тыльным элементом лопасти и пронизывают ее, а на удалении, соответствующем расстоянию между напорным элементом лопасти и тыльным элементом, также соединены крепежным устройством с напорным элементом лопасти и пронизывают ее, при этом участок тыльного элемента лопасти в непосредственной близости к входным кромкам лопасти имеет С-образную форму и изогнут к напорному элементу лопасти. Соединительные пластины обеспечивают прочное соединение напорного и тыльного элемента лопасти и надежную работу гидравлической турбины.
На чертежах представлено: на фиг.1 изображен общий вид гидравлической турбины, где 1 - рабочее колесо, 2 - вал, 3 - лопасти, имеющие аэродинамический профиль, 4 - траверсы, 5 - ось турбины, 6 - направление движения водного потока.
На фиг.2 изображен поперечный разрез лопасти: 3 - лопасти, имеющие аэродинамический профиль, 4 - траверсы, 7 - напорный элемент, 8 - тыльный элемент, 9 - соединительные пластины, 10 - полость, 11 - крепежное устройство, 12 - входная кромка.
На фиг.3 изображен вид со стороны напорного элемента лопасти, где 3 - лопасти, имеющие аэродинамический профиль, 4 - траверсы, 7 - напорный элемент, 8 - тыльный элемент, 10 - полость, 11 - крепежное устройство, 13 - торцевая часть траверсы, 14 - расстояние между элементами лопасти.
Гидравлическая турбина работает следующим образом.
Водный поток 6, набегая на входную кромку 12 лопасти 3, разделяется и обтекает лопасть 3 с напорной и тыльной сторон. При этом на напорной и тыльной сторонах лопасти образуется разность давления и возникает подъемная сила, приводящая гидравлическую турбину во вращение. Обтекающими сторонами лопасти 3 служат внешние поверхности напорного элемента 7 и тыльного элемента 8 лопасти 3. Наличие соединительных пластин 9 между указанными элементами лопасти обеспечивают аэродинамический профиль лопасти 3 и надежную работу гидравлической турбины.
Входной участок тыльного элемента 8 лопасти 3 в непосредственной близости к входным кромкам 12 лопасти 3 за счет С-образной формы обеспечивает плавное обтекание лопасти 3 водным потоком 6 и уменьшает протечки воды в полость 10 между напорным элементом 7 и тыльным элементом 8 лопасти 3.
Жесткое соединение траверсы 4 крепежным устройство 11 с тыльным элементом 8 лопасти 3 и дополнительное жесткое крепление траверсы 4 крепежным устройством 11 с напорным элементом 7 лопасти 3 обеспечивает прочное крепление всей лопасти 3 к траверсе 4 и надежную работу гидравлической турбины.
Преимущество изобретения состоит в том, что за счет применения лопастей, состоящих из отдельных плоских элементов - напорных и тыльных, соединенных между собой соединительными пластинами таким образом, что в целом они образуют аэродинамический профиль лопасти, внутри которой образуется полость, достигается существенное снижение материалоемкости гидравлической турбины. Выполнение лопастей в виде криволинейных поверхностей из прокатного металла одинаковой толщины обеспечит уменьшение трудоемкости ее изготовления. Все это позволит значительно уменьшить стоимость гидравлической турбины ортогонального типа.
В результате применения предлагаемого устройства достигается экономический эффект за счет экономии дорогостоящего металла, снижения трудозатрат по изготовлению гидравлической турбины и снижения ее стоимости. Все это позволит повысить конкурентоспособность гидравлических турбин ортогонального типа и их экономическую эффективность.