ПРЯМОТОЧНАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ГИДРОТУРБИНА
TUBULAR MULTISTAGE TURBINE

Изобретение относится к горному делу, конкретно к технологии подводных разработок полезных ископаемых.
Известен турбобур, включающий корпус, установленные в корпусе на радиальных и осевых опорах, связанных между собой посредством редуктора частоты вращения, и имеющие турбины верхний и нижний валы, причем нижний вал связан с породоразрушающим инструментом (долотом). Угол входа лопаток турбины, установленной на нижнем валу, находится в диапазоне 45-90°. Угол входа лопаток турбины, установленной на верхнем валу, больше угла входа лопаток турбины, установленной на нижнем валу, на величину более 40°. Угол входа лопаток турбины, установленной на нижнем валу, находится в диапазоне от 30 до 70° (патент РФ №2052065, МКИ Е21В 4/02, БИ №1, 1996 г.).
Недостатком известного изобретения является невозможность применять турбины турбобура для добычной машины при подводных разработках полезных ископаемых.
Известна установка с самоходной тележкой для сбора конкреций в условиях дна Мирового океана, содержащая тележку на гусеничном ходу, исполнительный орган в виде барабана-рыхлителя с резцами, всасывающее сопло и привод, представляющий прямоточную многоступенчатую гидротурбину, работающую на воде (патент РФ №2112139, МКИ Е21С 50/00, БИ №15, 1998 г.).
Недостатком известной установки является отсутствие оптимизирующих параметров прямоточной гидротурбины, выражающихся в низком КПД турбины.
Известна установка, содержащая тележку на гусеничном ходу, исполнительный орган в виде барабана-рыхлителя с резцами, всасывающее сопло и привод, представляющий прямоточную многоступенчатую гидротурбину, расположенную в барабане-рыхлителе, снабженную сидящими на концах полого вала подшипниками скольжения со сквозными подводящими каналами на одном конце и отводящими с другого конца вала, крышками с отверстиями, соосными подводящим и отводящим каналам, и цапфами, при этом ступени статора гидротурбины закреплены на полом валу, а ступени ротора - на корпусе барабана-рыхлителя, подвешенного на двух рычагах, причем средний диаметр решетки лопастей турбины на порядок превышает высоту их установки.
1c
1
1p
2р
Углы входа и выхода в статоре гидротурбины β=85-95° и α=75-80°, соответственно, а в роторе β=45-51° и β=25-32°. Количество ступеней гидротурбины n=30 (патент РФ №2203421, 7 Е21С 50/00, БИ №12, 27.04.2001 г.) - прототип.
Недостатком известного изобретения является невысокий КПД гидротурбины и невозможность регулирования ее мощности.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД гидротурбины и обеспечение регулирования мощности гидротурбины.
1
1
1p
2р
1p
2р
Технический результат достигается тем, что прямоточная многоступенчатая гидротурбина, расположенная в барабане-рыхлителе перед соплом гибкого шарнирного пульпопровода положительной плавучести, снабженная сидящими на концах полого вала подшипниками скольжения со сквозными подводящими каналами на одном конце и отводящими на другом конце вала, крышками с отверстиями, соосными подводящим и отводящим каналам подшипников, и цапфами, при этом ступени статора гидротурбины закреплены на полом валу, а ступени ротора - на корпусе барабана-рыхлителя, подвешенного на двух рычагах, согласно изобретению, прямоточная многоступенчатая гидротурбина снабжена смесителем, выполненным в виде нескольких каналов, соединенных с гибким шарнирным пульпопроводом положительной плавучести с одной стороны и водоводом с другой, с расположенными на них задвижками с электроприводами, а крышка гидротурбины со стороны слива снабжена патрубком слива, соединенным с водоводом, при этом углы выхода α потока из статора гидротурбины принимают равными α=77-83°, углы входа β и выхода β потока в роторе соответственно принимают равными β=42-46° и β=15-20°, при этом количество ступеней n гидротурбины принимают равным 8.
На фиг.1 представлен общий вид установки для добычи полезных ископаемых со дна акватории; на фиг.2 - разрез А-А; на фиг.3 - схема решетки лопастей статора и ротора турбины.
Установка для добычи полезных ископаемых содержит тележку 1 (фиг.1) на гусеничном ходу, исполнительный орган в виде барабана-рыхлителя с корпусом 2, с резцами 3, всасывающее сопло 4. Прямоточная многоступенчатая гидротурбина содержит: цапфы 5, рычаги 6, закрепленные на цапфах, сидящие на полом валу 7 подшипники скольжения 8, статор 9, ротор 10. Крышки 11, 12, 13 с отверстиями имеют подводящие 14 и отводящие 15 каналы, причем крышка 13 выполнена с отводящим патрубком слива, соединенным с водоводом 16. Прямоточная многоступенчатая гидротурбина снабжена каналами 18, на которых установлены задвижки 19 с электроприводами. На статоре 9 расположены лопасти 20, а на роторе 10 расположены лопасти 21.
Установка работает следующим образом. Поток морской воды с избыточным давлением поступает через канал 14 в крышке 13 из акватории (фиг.2), проходит через решетку лопастей статора 9 и ротора 10, установленного на подшипниках скольжения 8, вращает корпус 2 барабана-рыхлителя и передает усилие на закрепленные на нем резцы 3.
Резцы захватывают с поверхности дна конкреции вместе с илом и песком и проталкивают их к всасывающему соплу 4 гибкого шарнирного пульпопровода 17 положительной плавучести, закрепленному на тележке 1 на гусеничном ходу (см. фиг.1).
Барабан-рыхлитель 2 закреплен на рычагах 6 при помощи цапф 5.
В крышке 13 имеется сливной патрубок, через который поток воды выбрасывается в водовод 16. Конкреции, отбрасываемые исполнительным органом назад в овальное сопло 4, смешиваясь с водой, образуют пульпу, которая всасывается в гибкий шарнирный пульпопровод 17 положительной плавучести. Из водовода 16 через каналы 18 смесителя, на которых установлены задвижки 19 с электроприводами, проходит' вода, при открывании соответствующей задвижки поток жидкости из турбины сбрасывается в гибкий пульпопровод 17 положительной плавучести, изменяя напор в ней, за счет чего изменяется мощность гидротурбины.
Статор 9 закреплен на неподвижном полом валу 7. За счет выбранных углов решеток лопастей 20 и 21 (см. фиг.3) параллелограммы скоростей потока обеспечивают вращение ротора 10 с частотой, не превышающей 100 об/мин.
1
1p
2р
1p
2р
cp
0
3
Для установки были получены новые углы выхода в статоре 9 гидротурбины α=77-83°, а в роторе 10 - углы входа β и выхода β потока равные, β=42-46° и β=15-20°, которые обеспечивают максимальный КПД при заданных параметрах гидротурбины (производительность Q м/с, средний диаметр решетки лопастей D м, радиальная длина лопасти 1 м, коэффициент стеснения потока K, осевая скорость потока C), возможность регулирования прямоточной многоступенчатой гидротурбины. При этом количество ступеней гидротурбины принимают равным 8.