Способы ориентации рабочих лопаток турбины и гидравлическая турбина
METHODS FOR THE ORIENTATION OF TURBINE WORKING BLADES AND HYDRAULIC TURBINE

Данное изобретение относится к способу ориентации рабочих лопаток турбины с прохождением недостижимого диапазона положений в электростанции.
Большое преимущество для оптимизации и повышения производительности турбины электростанции, такой как приливная электростанция, обеспечивается возможностью изменения направления лопаток на обратное и сохранением возможности регулирования ориентации лопаток при эксплуатации.
Как известно из патентного документа AU-A-2014/259522, турбины часто снабжены серводвигателем и системой трансмиссии, выполненной с возможностью изменения угла ориентации лопаток для регулирования рабочих параметров и улучшения эксплуатационных характеристик. Однако системы трансмиссии часто содержат рычаги и серводвигатели, прикладывающие силы давления вдоль оси вращения турбины, что приводит к возникновению мертвых точек и недостижимых диапазонов ориентации лопаток. Соответственно, оптимизация выработки энергии является неудовлетворительной.
Из вышеуказанного документа также известно о преодолении мертвых точек путем добавления вспомогательного серводвигателя, выполненного с возможностью приведения лопаток в диапазон положений, который является недостижимым при использовании основного серводвигателя. Однако такие решения являются дорогостоящими вследствие необходимости внесения значительных механических изменений в конструкцию турбины. Кроме того, добавленные компоненты снижают пропускную способность турбины.
Еще одним документом, в котором раскрыто дополнительное вспомогательное устройство для решения проблемы, связанной с мертвыми точками, является патентный документе GB 750951.
Цель изобретения заключается в создании нового способа ориентации произвольного количества рабочих лопаток турбины, который требует наименьшего количества возможных изменений в стандартной конструкции турбины. Технической задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является исключение необходимости в дополнительных серводвигателях и механических системах трансмиссии при ориентации лопаток с прохождением недостижимых положений и исключение необходимости останова турбины для поворота лопаток.
Для достижения этой цели в изобретении предложен способ ориентации рабочих лопаток турбины с прохождением недостижимого диапазона положений в электростанции, причем указанные лопатки выполнены с возможностью поворота вокруг осей ориентации, отличных от оси вращения турбины, а турбина содержит средства ориентации лопаток, причем указанные средства выполнены с возможностью приложения регулируемого крутящего момента к лопаткам, при этом способ включает один или более из следующих этапов:
a) прекращение выработки энергии турбиной,
b) установление потока воды, приводящего турбину в действие, на уровне ниже нормального значения для выработки энергии,
c) обеспечение вращения турбины в режиме двигателя с использованием энергии от сети,
d) регулирование указанного крутящего момента, прикладываемого средствами ориентации лопаток, до уменьшенного значения в то время, когда турбина по-прежнему вращается, так что лопатки могут свободно поворачиваться вокруг своих осей ориентации под действием гидравлического крутящего момента, создаваемого водой, с прохождением недостижимого диапазона положений, и/или
e) после преодоления лопатками недостижимого диапазона положений - регулирование крутящего момента, прикладываемого средствами ориентации лопаток, до нормального значения, превышающего указанное уменьшенное значение, с обеспечением прекращения поворота лопаток вокруг своей оси ориентации в заданном положении.
Благодаря изобретению лопатки могут быть ориентированы с прохождением недостижимых положений путем использования их способности самостоятельно изменять направление на обратное под действием потока воды. Следовательно, отсутствует необходимость в дополнительных серводвигателях и механических системах трансмиссии. Таким образом, стоимость турбины не увеличивается, а ее пропускная способность не снижается из-за наличия дополнительных компонентов. Кроме того, средства ориентации лопаток могут отличаться от серводвигателя, создающего силы давления.
Изобретение является особенно преимущественным в сравнении с решением, описанным в документе GB 750951, поскольку решает проблему необходимости останова турбины для поворота лопаток.
В соответствии с другими аспектами изобретения, которые являются предпочтительными, но не обязательными, такой способ может иметь одну или несколько из следующих особенностей:
- На этапе b) поток воды может быть установлен на уровне значения, составляющего 0-10% от нормального значения для выработки энергии.
- На этапе b) частично или полностью закрывают систему регулирования потока воды, относящуюся к водотоку, в котором расположена турбина.
- На этапе d) может быть изменено управляющее давление в камере серводвигателя, которое в предпочтительном варианте выполнения может быть уменьшено. В предпочтительном варианте выполнения путем изменения управляющего давления внутри камеры серводвигателя может быть отрегулирована и синхронизирована ориентация лопаток. Предпочтительно указанное управляющее давление регулирует угловое положение гаек или аналогичных средств, соединенных с рычагами, которые обеспечивают повороты лопаток вокруг их осей ориентации, при этом указанные серводвигатель, гайки и рычаги образуют указанные средства ориентации лопаток.
- Способ может включать дополнительный этап, который выполняют до этапа с) и на котором гайки приводят в заданное положение, соответствующее пределу недостижимого диапазона положений лопаток, предпочтительно с использованием серводвигателя.
- На этапе е) гайки могут быть стабилизированы с использованием серводвигателя в угловых положениях, соответствующих противоположному пределу недостижимого диапазона положений лопаток.
- На этапе е) управляющее давление в камере серводвигателя может быть увеличено с обеспечением приложения момента сопротивления, препятствующего повороту лопаток вокруг их осей ориентации под действием гидравлического крутящего момента, создаваемого водой.
- Способ может включать дополнительный этап, который выполняют до этапа е) и на котором изменяют мощность, подаваемую к турбине, предпочтительно с обеспечением тем самым регулирования гидравлического крутящего момента так, что положение лопаток может проходить мертвую точку средств ориентации лопаток, находящуюся в пределах недостижимого диапазона положений.
- Способ также может включать регулирование направляющих лопаток для регулирования потока воды, проходящего через турбину, предпочтительно с обеспечением тем самым регулирования гидравлического крутящего момента, предпочтительно создаваемого водой.
- Способ может включать дополнительный этап, который выполняют после этапа е) и на котором прекращают вращение турбины в режиме двигателя.
- Способ может включать дополнительный этап, который выполняют после прекращения вращения турбины в режиме двигателя и на котором с использованием серводвигателя обеспечивают ориентацию лопаток в положение для выработки энергии и вновь устанавливают поток воды на уровне нормального значения для выработки энергии.
- Способ может включать регулирование гидравлического крутящего момента, создаваемого водой, путем регулирования направляющих лопаток, предназначенных для регулирования потока воды, проходящего в турбину. Таким образом, поток воды и, следовательно, гидравлический крутящий момент могут быть увеличены путем увеличения степени открытия направляющих лопаток и, наоборот, поток воды и, следовательно, гидравлический крутящий момент могут быть уменьшены путем уменьшения степени открытия направляющих лопаток. Гидравлический крутящий момент может быть увеличен путем открытия направляющих лопаток для поворота рабочих лопаток с обеспечением преодоления или прохождения недостижимого диапазона положений.
В соответствии с другим аспектом изобретение относится к гидравлической турбине для выработки энергии из воды, причем указанная турбина является вращаемой вокруг центральной оси вращения и сдержит по меньшей мере одну рабочую лопатку. Предпочтительно каждая лопатка выполнена с возможностью поворота вокруг оси ориентации. Турбина и/или каждая лопатка предпочтительно выполнены с возможностью поворота каждой лопатки, предпочтительно между прямой конфигурацией и непрямой конфигурацией, под действием гидравлического крутящего момента, предпочтительно создаваемого водой.
Каждая лопатка может быть связана с центральной осью. Каждая лопатка может быть выполнена с возможностью поворота вокруг связанной с ней центральной оси между прямой конфигурацией и непрямой конфигурацией, предпочтительно под действием гидравлического крутящего момента, предпочтительно создаваемого водой.
В предпочтительном варианте выполнения указанная по меньшей мере одна лопатка турбины может быть выполнена с возможностью поворота с прохождением недостижимого диапазона положений в электростанции под воздействием гидравлического крутящего момента.
Турбина может содержать ориентирующие средства, предназначенные для ориентации указанной по меньшей мере одной лопатки. Предпочтительно ориентирующие средства могут содержать серводвигатель, который может содержать камеру, которая может быть заполнена текучей средой под управляющим давлением. Управляющее давление может регулироваться для управления положением указанной по меньшей мере одной лопатки.
Серводвигатель может содержать подвижный корпус, который может управлять поворотом указанной по меньшей мере одной лопатки, предпочтительно вокруг ее оси ориентации.
В соответствии с еще одним аспектом изобретение относится к способу применения гидравлической турбины, описанной выше, для ориентации указанной по меньшей мере одной рабочей лопатки турбины.
Следует понимать, что любые из вышеприведенных аспектов, вариантов выполнения и особенностей любых из вышеприведенных аспектов и вариантов выполнения могут быть легко скомбинированы, как должно быть очевидно специалисту.
Ниже приведено пояснение изобретения в соответствии с прилагаемыми чертежами и в качестве иллюстративного примера без ограничения объема изобретения. На прилагаемых чертежах:
фиг. 1 изображает схематический вид электростанции, содержащей турбину, с помощью которой может быть реализован способ согласно изобретению,
фиг. 2 изображает схематический вид в частичном разрезе турбины, показанной на фиг. 1,
фиг. 3 изображает вид в аксонометрии части турбины, показанной на фиг. 2,
фиг. 4-7 изображают схематические виды различных конфигураций для ориентаций лопаток, управляемых с помощью способа согласно изобретению.
На фиг. 1 изображена электростанция 2. Более конкретно, электростанция 2 является приливной электростанцией, которая использует энергию приливов для запуска турбин и выработки электроэнергии.
Электростанция 2 содержит турбину 4, систему 6 для выработки энергии и электросеть 8, которая соединена с указанной системой 6 и от которой отходят линии 80 электропередачи. Турбина 4 расположена по центру на центральной оси X вращения. Система 6 для выработки энергии приводится в действие турбиной 4. Система 6 является реверсивной, так как она может избирательно приводиться в действие турбиной 4 в режиме генератора с обеспечением выработки электроэнергии для подачи в сеть 8 или может приводить в действие турбину 4 в режиме двигателя, потребляя электроэнергию из сети 8. В режиме двигателя система 6 может приводить турбину 4 в действие с переменой скоростью вращения.
Турбина 4 расположена в водотоке 10, имеющем впускное отверстие 12 и выпускное отверстие 14. Электростанция 2 имеет сторону 16 с высоким уровнем воды и сторону 18 с низким уровнем воды. В конфигурации, показанной на фиг. 1, водоток 10 сообщается со стороной 16 при помощи впускного отверстия 12 и сообщается со стороной 18 при помощи выпускного отверстия 14. В зависимости от направления прилива стороны 16 и 18 с высоким и низким уровнями воды могут меняться местами и соответствовать верхней по потоку или нижней по потоку стороне электростанции 2.
В соответствии с непоказанным вариантом выполнения электростанция 2 может представлять собой не приливную электростанцию, а электростанцию другого типа.
Поток воды, проходящий через турбину 4, может регулироваться с использованием направляющих лопаток (не показаны).
Турбина 4 показана более подробно на фиг. 2 и 3. Турбина 4 содержит рабочие лопатки 40, которые выполнены с возможностью поворота вокруг осей Х40 ориентации, отличных от оси X вращения турбины 4. В данном случае оси Х40 перпендикулярны оси X вращения турбины 4. Турбина 4 также содержит средства ориентации лопаток 40, выполненные с возможностью приложения регулируемого крутящего момента к лопаткам 40. Эти средства содержат серводвигатель 42, содержащий подвижный корпус 420 и неподвижный поршень 422. Корпус 420 и поршень 422 выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга вдоль оси X вращения. Корпус 420 и поршень 422 ограничивают две камеры 42А и 42В, выполненные с возможностью их заполнения гидравлической текучей средой или опорожнения для обеспечения поступательного перемещения подвижного корпуса 420 относительно неподвижного поршня 422. Первая камера 42А имеет в целом цилиндрическую форму, тогда как вторая камера 42В имеет кольцеобразную форму с центрированием по оси X.
Подвижный корпус 420 имеет прямолинейные канавки 420А, которые ориентированы перпендикулярно оси X и в которых размещены гайки 44, соединенные с рычагами 46, которые обеспечивают поворот лопаток 40 вокруг их осей Х40 ориентации. В результате поступательного перемещения корпуса 420 гайки 44 скользят в канавках 420А и приводят рычаги в движение по часовой стрелке или против часовой стрелки с приложением крутящего момента к лопаткам 40. Такой принцип хорошо известен и более подробно не рассматривается. Серводвигатель 42, гайки 44 и рычаги 46 образуют средства ориентации лопаток 40.
Такая конструкция обеспечивает возможность ориентации лопаток 40 в пределах достижимого диапазона положений вблизи недостижимого диапазона положений, содержащего мертвую точку, обусловленную наличием рычагов 46. Для приведения лопаток 40 в движение в этом недостижимом диапазоне с прохождением мертвой точки без добавления вспомогательных серводвигателей и трансмиссий осуществляют регулирование турбины с использованием способа, который включает нижеследующие этапы.
Первый этап заключается в прекращении выработки энергии турбиной 4. Вращение турбины 4 вокруг ее оси X прекращают, при этом электроэнергия больше не вырабатывается.
На втором этапе поток воды в водотоке 10 устанавливают на уровне ниже нормального значения для выработки энергии. Например, поток воды может быть установлен на уровне значения, составляющего 0-10% от нормального значения для выработки энергии, или на другом уровне ниже 100% от нормального значения для выработки энергии. Поток воды может быть полностью остановлен. Например, поток воды может быть уменьшен путем полного или частичного закрытия механизма регулирования потока воды, когда турбина 4 работает в прямом режиме или когда турбина 4 работает в непрямом режиме, то есть когда поток воды проходит от выпускного отверстия 14 к впускному отверстию 12.
Необязательный третий этап заключается в приведении гаек 44 в заданное положение, соответствующее пределу недостижимого диапазона положений лопаток 40, с использованием серводвигателя 42. Рычаги 46 содержат вал 460, установленный с возможностью вращения в гайках 44. Мертвая точка соответствует положению, при котором центральная ось Х460 вала 460 пересекает центральную ось X. Движение лопаток 40 вблизи мертвой точки является механически возможным, однако сопряжено с возникновением неблагоприятных напряжений и гидравлических усилий от серводвигателя 42. Диапазон положений, недостижимых с помощью средств ориентации лопаток 42, находится между первым углом al, образованным с плоскостью Р1, перпендикулярной оси X и содержащей оси Х40, на первой стороне от мертвой точки, и вторым углом а2 на другой стороне от мертвой точки. Значения углов a1 и а2 могут изменяться в зависимости от конструкции турбины 4.
Положения гаек 44 регулируют путем изменения управляющего давления в камерах 42А и 42В.
Четвертый этап заключается во вращении турбины 4 в режиме двигателя в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки с использованием энергии от сети 8. Таким образом, система 6 для выработки энергии потребляет энергию для создания крутящего момента, передаваемого турбине 4.
На пятом этапе крутящий момент, передаваемый средствами ориентации лопаток 40, устанавливают на уровне уменьшенного значения в то время, когда турбина по-прежнему вращается, так что лопатки могут свободно поворачиваться вокруг своих осей Х40 ориентации под действием гидравлического крутящего момента, создаваемого текучей средой, с прохождением недостижимого диапазона положений. Уровень гидравлического крутящего момента, создаваемого текучей средой, регулируют путем регулирования степени открытия направляющих лопаток. В частности, гидравлический крутящий момент уменьшают путем уменьшения степени открытия направляющих лопаток и увеличивают путем увеличения степени открытия направляющих лопаток.
Управляющее давление в одной из камер 42А или 42В уменьшают так, что гидравлическое давление не препятствует собственному повороту лопаток 40, вызванному крутящим моментом, создаваемым водой в результате вращения турбины 4. Управляющее давления в другой камере 42А или 42В также регулируют таким образом, что собственный поворот лопаток 40 не приводит к перемещению лопатки 40 в нежелательном направлении. Таким образом, достигается ориентация лопаток 40 в недостижимом диапазоне без установки каких-либо дополнительных компонентов на турбине 4.
На необязательном шестом этапе мощность, подаваемую к турбине 4 электростанцией 2, регулируют таким образом, что положение лопаток 40 преодолевает мертвую точку, расположенную под углом 90° относительно плоскости Р1, и в конечном итоге преодолевает недостижимый диапазон положений.
На седьмом этапе, после прохождения лопатками 40 недостижимого диапазона положений, крутящий момент, передаваемый средствами ориентации лопаток 40, возвращают к нормальному значению, превышающему уменьшенное значение, так что поворот лопаток 40 вокруг их оси Х40 ориентации прекращается в заданном положении. Это осуществляют путем увеличения управляющего давления в одной из камер 42А или 42В с обеспечением приложения момента сопротивления, препятствующего повороту лопаток 40 вокруг их осей Х40 ориентации.
Гайки 44 стабилизируют с использованием серводвигателя 42 в угловых положениях, соответствующих противоположному пределу недостижимого диапазона положений лопаток 40 относительно положения гаек 44 до собственного поворота.
На восьмом этапе прекращают вращение турбины 4 в режиме двигателя. После прекращения вращения турбины 4 в режиме двигателя выполняют дополнительный этап, на котором с использованием серводвигателя 42 осуществляют установку лопаток 40 в ориентации для выработки энергии и возвращают поток воды к нормальному значению для выработки энергии, так что турбина 4 снова может начинать выработку электроэнергии.
На фиг. 4-7 показаны различные случаи ориентации одной лопатки 40 и регулирования управляющего давления, проиллюстрированного штриховками в камерах 42А и 42В, в серводвигателе 42 в зависимости от требуемой ориентации.
На фиг. 4 и 5 лопатка 40 переходит из прямой конфигурации в непрямую конфигурацию. В соответствии с фиг. 4 гайку 44 сначала располагают под углом al, при этом в цилиндрической камере устанавливают нормальное управляющее давление, создающее усилие F1 сопротивления, препятствующее повороту гайки 44 против часовой стрелки вдоль стрелки R1. Для обеспечения возможности поворота уменьшают управляющее давление в камере 42А и увеличивают управляющее давление в камере 42В, как проиллюстрировано на фиг. 5. Происходит поворот R1, и гайку 44 стабилизируют под углом α2 с помощью усилия F2 сопротивления, создаваемого управляющим давлением в кольцеобразной камере 42В, что препятствует прохождению корпуса 420 дальше вниз.
На фиг. 6 и 7 лопатка 40 переходит из непрямой конфигурации в прямую конфигурацию. Согласно фиг. 6 гайку 44 сначала располагают под углом α2, при этом управляющее давление в цилиндрической камере 42А создает усилие F3 сопротивления, препятствующее повороту гайки 44 по часовой стрелке в направлении стрелки R2. Для обеспечения возможности поворота управляющее давление переводят из цилиндрической камеры 42А в кольцеобразную камеру 42В. Происходит поворот R2, и после достижения гайкой 44 угла α1 прохождению корпуса 420 дальше вниз препятствует усилие F4 сопротивления.