БЕЗВАЛЬНАЯ ПРЯМОТОЧНАЯ ГИДРОТУРБИНА
SHAFTLESS STRAIGHT-FLOW TURBINE

Изобретение относится к области машиностроения к устройствам для отбора энергии из потока жидкости, к гидравлическим турбинам в гидроагрегатах или в высоконапорных агрегатах продуктопроводов с жидкими углеводородами, для утилизации кинетической энергии, содержащейся в транспортируемом по магистралям сжатом природном газе, в газопроводах с сырым неочищенным газом, для перекачивания агрессивной среды или жидкости. Для строительства гидроэлектростанций с низко и высоконапорными агрегатами большое значение имело создание горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами, у которых генератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой или газом [Турбины гидравлические горизонтальные капсульные. ОСТ 108.023.107-85, 1985]. При использовании капсульных агрегатов поток по длине проточной части имеет мало поворотов и прямоосное движение в отсасывающей трубе. Это приводит к снижению гидравлических потерь и к увеличению КПД турбины, особенно на больших расходах. В результате такие турбины развивают на 25-35% большую мощность, чем вертикальные того же размера.
Известно устройство гидротурбины, содержащее периферийные торцы лопастей прямоточной пропеллерной турбины, к которым прикрепляется обхватывающее их кольцо. Кольцо утоплено в стенку колесной камеры, несет на себе полюсы генератора и является его ротором, вращаясь внутри окружающего колесную камеру неподвижного статора [Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций. М.-Л. Госэнергоиздат, 1961]. Такие турбины в течение 15 лет строил в сотрудничестве с Фишером завод Эшер Вис (Швейцария). Но из-за трудности надежно защитить генератор от попадания влаги прямоточные агрегаты не нашли применения. Затем был разработан новый тип прямоточного агрегата, названный «страфло», который устанавливался на некоторых низконапорных гидроэлектростанциях (ГЭС), позже такие агрегаты и турбину было предложено называть безвальными. В проточной части прямоточной турбины гидравлические потери существенно ниже, чем в гидроагрегатах капсульного типа [Кривченко Г.И. Гидравлические машины. - М: Энергоатомиздат, 1983].
Известно устройство прямоточной гидротурбины Моргунова Г.М. [Патент №2245454, МПК F03B 9/00, 13/08 2003 г.], содержащее генератор, установленный вне корпуса и соединенный с валом прямоточной гидротурбины трансмиссией. Часть трансмиссии находится в потоке воды и создает дополнительное сопротивление. Недостаток конструкции вынуждает к созданию надежного уплотнения между валом трансмиссии и корпусом гидротурбины.
Известно также устройство гидротурбины по описанию полезной модели к патенту RU 199473 U1, МПК F03B 7/00, F03B 17/06 в котором гидротурбина включает корпус в виде отрезка круглой трубы с винтовой лопастью внутри. Недостатком этой гидротурбины является невозможность ее использовать при большом давлении внутри трубы или высоком напоре среды, и низкая надежность из-за наличия сальников и внешней зубчатой передачи на генератор.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство безвальной прямоточной гидротурбины «страфло», включающее обод, охватывающий торцы лопаток, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода.
К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы электрогенератора в воздушной части установки из-за износа уплотнений в области обода рабочего колеса и попадания влаги, быстрый износ кольцевого уплотнения обода между лопастями рабочего колеса и генератором вследствие значительного количества взвешенных частиц в мутной речной воде или в потоке углеводородов.
В качестве прототипа выбрана безвальная прямоточная гидротурбина по патенту №RU 2637280-, включающая рабочее колесо, обод, охватывающий торцы лопаток рабочего колеса, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода, отличающаяся тем, что обод с ротором и статор генератора заключены в камеру, в которой имеется вход для подвода сжатого воздуха с возможностью регулирования его поступления, а также вход для датчика давления в камере, датчик давления потока воды, расположенный на камере генератора, торцы обода снабжены кольцевыми концентрическими гребнями, воздушный канал между ободом рабочего колеса и проточной частью турбины заполнен пористым материалом в виде сотовых уплотнений.
К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы электрогенератора при высоком давлении, когда невозможно создать противодавление сжатым воздухом в камере со статором генератора, а в потоке жидкости с механическими загрязнениями кольцевые концентрические гребни засоряются и тормозят вращение ротора с полюсами генератора.
Принимая во внимание уровень техники описанный выше, техническая проблема заключается в сложности конструкции существующих турбин и снижение надежности работы при высоком давлении среды и при работе в условиях наличия большого количества механических примесей в потоке жидкости или газа через рабочее колесо гидротурбины.
Для решения указанных проблем предложена безвальная прямоточная гидротурбина, содержащая корпус, рабочее колесо с лопастями внутри обода, охватывающего торцы лопастей, ротор генератора с полюсами постоянного магнита, составляющий с ободом одно целое, статор генератора с обмотками в корпусе, отличающийся тем, что лопасти рабочего колеса выполнены закругленными по винтовой поверхности, обод выполнен с центральным цилиндрическим отверстием, а статор с обмотками генератора герметично залит в компаунд и удержан в корпусе цилиндрической формы с помощью торцевых крышек, имеющих кольцевые прокладки, обеспечивающие герметичность соединения с корпусом и фланцами внешних трубопроводов посредством шпилек, при этом концы обмоток статора генератора выведены через гермовывод в корпусе, а рабочее колесо выполнено с возможностью вращения в опорно-упорных подшипниках с сепараторами на керамических шариках, катящихся по опорным поверхностям в виде граней, обеспечивающих не менее двух точек контактов с керамическим шариком цилиндрического корпуса и торцевых крышек.
Использована синхронная машина с возбуждением поля статора от постоянных магнитов ротора, которая работает и в погруженном в жидкость состоянии, в которой отсутствуют уплотнения и в зазоре между ротором и статором находится жидкость, а обмотки статора залиты в компаунд и полностью герметичны, при этом ротор генератора составляющий одно целое с рабочим колесом вращается на подшипниках качения с керамическими шариками.
Рабочее колесо безвальной прямоточной гидротурбины, одновременно являющееся ротором генератора, выполнено в виде двух неметаллических соосных цилиндров в полости между стенок которых расположены лопасти закрученные по винтовой поверхности, внешний цилиндр в виде обода охватывающий торцы лопастей рабочего колеса на наружной поверхности содержит постоянные магниты выполняющие роль полюсов ротора генератора и составляющие с ободом одно целое, с двух торцов обода рабочего колеса расположены металлические обоймы подшипниковых узлов с сепараторами и керамическими шариками, которые катятся по опорным поверхностям: обоймы рабочего колеса, передней и задней металлической торцевой крышки, что позволяет вращаться ротору внутри цилиндрического корпуса гидротурбины с герметичными обмотками статора генератора.
Статор генератора выполнен в виде герметичного обода из компаунда в который залиты обмотки генератора с зазором расположен вокруг ротора генератора и имеет герметичные выводы контактов с внешней стороны через цилиндрический корпус гидротурбины. В передней части рабочего колеса расположен опорно-упорный подшипник, шарики которого катятся по двум опорным поверхностям: рабочего колеса и передней торцевой крышки с отверстием для входа газа или жидкости, а в задней части рабочего колеса расположен опорно-упорный подшипник, шарики которого катятся по опорным поверхностям рабочего колеса и задней торцевой крышки корпуса гидротурбины с выходным отверстием. Причем отверстия в передней и задней крышке имеют диаметр равный внутреннему диаметру внешнего цилиндра обода рабочего колеса. Передняя крышка и задняя крышка корпуса безвальной прямоточной гидротурбины через прокладки стянута шпильками с гайками, что позволяет устанавливать ее между фланцев трубопроводов и разбирать безвальную прямоточную гидротурбину при обслуживании и ремонте.
Отсутствие уплотнений зазора между ротором и статором, ротором и крышками, позволяет снизить риск засорения. Подшипниковые узлы с керамическими шариками могут работать без смазки и смазываются жидкостью или водой при ее наличии, чем достигается возможность работы гидротурбины на воздухе на жидкости и на смеси газа или воздуха с жидкостью. Для удешевления изготовления и обеспечения предотвращения загрязнения опорные поверхности обоймы в цилиндрическом корпусе и торцевых крышках, по которым катаются керамические шарики опорно-упорных подшипников рабочего колеса выполнены в виде граней обеспечивающих не менее двух точек контакта с керамическим шариком.
Применение обмоток статора генератора залитых в компаунд и жестко установленных в корпус гидротурбины позволяет использовать гидротурбину в условиях высоких давлений.
Применение рабочего колеса с центральным отверстием цилиндрической формы позволяет использовать часть кинетической энергии потока, снизить скорость вращения рабочего колеса с магнитами ротора генератора, создать эффект эжекции за рабочим колесом и снизить потери давления потока жидкости или газа.
Одинаковый диаметр отверстия в передней и задней крышки гидротурбины и внутренний диаметр ротора генератора позволяет снизить вероятность создания завихрений и засорения зазоров между ротором и крышками гидротурбины, подшипниковых узлов и создать гидротурбину создающую минимальное сопротивление основному потоку среды, жидкости или газа.
На чертеже представлен разрез безвальной прямоточной гидротурбины.
Предлагаемое устройство содержит следующие элементы:
1 - задняя торцевая крышка;
2 - обод рабочего колеса;
3 - керамические шарики опорно-упорного подшипника задней крышки;
4 - магниты обода ротора генератора;
5 - цилиндрический корпус;
6 - керамические шарики опорно-упорного подшипника передней торцевой крышки;
7 - передняя торцевая крышка;
8 - обмотки статора генератора;
9 - статор генератора;
10 - компаунд заливки статора генератора;
11 - гермовывод обмотки статора генератора;
12 - стяжные шпильки;
13, 14 - кольцевые прокладки;
15 - сепаратор подшипника.
Устройство работает следующим образом. Поток жидкости протекая через закрученные по винтовой поверхности каналы лопастей рабочего колеса 2 вращает его, при этом понижаются его скорость и давление, то есть кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения рабочего колеса 2. Вращающиеся магниты 4 ротора генератора составляющие одно целое с рабочим колесом 2 индуцируют в обмотках 8 статора 9 генератора электрический ток, который через гермовывод 11 обмотки статора генератора выводится наружу. Охлаждение обмоток 8 статора 9 генератора осуществляется потоком жидкости в зазоре между внешним диаметром ротора и внутренним диаметром статора. Рабочее колесо 2 гидротурбины с магнитами 4 ротора генератора вращаются на керамических шариках 3 опорно-упорного подшипника задней крышки 1 и керамических шариках 6 опорно-упорного подшипника передней торцевой крышки 7. Шарики 3 и 6 расположены в гнездах сепаратора 15, обеспечивающих равномерное распределение шариков. Осевое усилие от потока жидкости на рабочее колесо 2 воспринимается керамическими шариками 3 и передается задней торцевой крышки 1. Радиальное усилие от вращающегося рабочего колеса 2 воспринимается керамическими шариками 3 и 6 и передается передней торцевой крышке 7 и задней торцевой крышке 1. Герметичность устройства обеспечивается с помощью кольцевых прокладок 13 расположенных между цилиндрическим корпусом 5 и торцевыми крышками 1 и 7, которые стягиваются стяжными шпильками 12. Кольцевые прокладки 14 обеспечивают герметичность при присоединении к фланцам внешних трубопроводов.
Вышеуказанное выполнение безвальной прямоточной гидротурбины позволяет обеспечить герметичность при высоком давлении в потоке среды, жидкости или газа, отказаться от лабиринтных уплотнений, системы подкачки сжатого воздуха, упростить конструкцию, обеспечивая при этом надежность, эффективность и долговечность работы обмоток статора генератора безвальной прямоточной гидротурбины.