ЛОПАСТЬ ОСЕВОЙ ГИДРОТУРБИНЫ

Полезная модель относится к гидромашиностроению и может использоваться при создании гидротурбин, предназначенных для малых и микро гидроэлектростанций (ГЭС).
Известные лопасти рабочего колеса гидротурбин обладают переменной толщиной (См, например, Патент РФ №2219368, опубл. 20.12.2003 г и Патент РФ №2422670, опубл 27.06.2011 г), форма которой определена различной кривизной обоих поверхностей из условий согласования с набегающим потоком жидкости и улучшенного обтекания. Улучшенные условия обтекания приводит к повышению коэффициента полезного действия и улучшению кавитационных характеристик гидротурбины.
Основным недостатком подобных лопастей является сложная форма, требующая больших расходов при изготовлении.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели и принятой за прототип является лопасть с переменной толщиной, повернутая в рабочем состоянии относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, имеющая рабочую и тыльную стороны, содержащая расположенную относительно оси вращения рабочего колеса на расстоянии равном половине его диаметра периферийную, закругленную входную, выполненную прямолинейно выходную кромки и втулочное сечение. Втулочное сечение имеет большие толщину и кривизну цилиндрического сечения, а к периферийной части толщина и кривизна лопасти уменьшаются (См., Ковалев Н.Н. «Гидротурбины», Л.; Машиностроение, 1971, стр. 426-427).
Недостаток прототипа в том, что, несмотря на высокие прочность и гидродинамические показатели, указанная конструкция сложна в изготовлении, а его стоимость неоправданно высока для использования в осевых турбинах малых ГЭС.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание лопасти рабочего колеса осевой турбины с наиболее подходящей для использования в гидротурбинах ГЭС малой мощности формой.
Поставленная задача решается при реализации полезной модели за счет достижения технического результата, заключающегося в упрощении конструкции лопасти и рабочего колеса в целом.
пер
пер
вх
вых
δвх
вых
Данный технический результат достигается тем, что лопасть осевой гидротурбины, обладающая переменной толщиной, повернутая в рабочем состоянии относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, имеющая рабочую и тыльную стороны, содержащая расположенную относительно оси вращения рабочего колеса на расстоянии равном половине его диаметра D периферийную, закругленную входную и выполненную прямолинейной выходную кромки, а также втулочное сечение, согласно полезной модели, имеет входную и выходную кромки постоянной толщины, входную кромку, выполненную также прямолинейной, а рабочую сторону, выполненную плоской. Тыльная сторона лопасти представляет собой в исходном ее положении, при котором плоская рабочая сторона перпендикулярна оси вращения рабочего колеса, часть конуса с вершиной на оси вращения рабочего колеса, усеченного втулочным сечением и плоскостными сечениями образования входной и выходной кромок. Основание конуса параллельно рабочей стороне, отстоит от нее на толщину периферийной кромки δ, удовлетворяющей условию 0,006≤δ/D≤0,012, а угол конусности при основании лежит в пределах от 5° до 6°. Закругленная входная кромка и выходная кромка, толщины которых, соответственно δ и δ, определены из условий 0,04≤/D≤0,08 и 0,003≤δ/D≤0,006, и расположены в меридианной плоскости под углом 88°, симметрично относительно оси поворота лопасти, причем, плоскости их образования ориентированы, соответственно под углом 15° и 12° к основанию конуса, проходя через находящиеся на тыльной стороне ребра кромок.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана лопасть в рабочем положении, повернутая относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса на угол, зависящий от условий работы турбины. На фиг. 2 изображена проекция лопасти, также в рабочем положении, на плоскость, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, а фиг. 3 иллюстрирует вид лопасти в исходном состоянии со стороны втулочного сечения.
пер
пер
вх
вх
вых
вых
Устройство содержит (фиг. 1 и 2) закругленную входную кромку 1, выходную кромку 2, периферийную кромку 3, расположенную относительно оси вращения рабочего колеса турбины на расстоянии равном половине диаметра рабочего колеса D, и втулочное сечение 4, закрепленное на фланце лопасти или непосредственно на корпусе рабочего колеса. Входная кромка 1 и выходная кромка 2 выполнены прямолинейными. Рабочая сторона 5 лопасти выполнена плоской, а тыльная сторона 6 представляет собой, в исходном положении лопасти (фиг.3), при котором сторона 5 перпендикулярна оси вращения рабочего колеса, часть конуса с вершиной на оси вращения рабочего колеса, усеченного втулочным сечением 4 и плоскостными сечениями образования входной 1 и выходной 2 кромок с получением плоских частей 7 и 8 поверхности тыльной стороны 6, проходящих, соответственно, через ребра кромок 1 и 2 и ориентированных под углом к основанию конуса, соответственно, 15° и 12°. Основание конуса параллельно рабочей стороне 5, отстоит от нее на толщину периферийной кромки 3 - δ, связанной с диаметром рабочего колеса D соотношением 0,006≤δ/D≤0,012, а угол конусности при основании лежит в пределах от 5° до 6°. Кромки 1 и 2 расположены в меридианных плоскостях под углом 88°, симметрично относительно оси поворота лопасти 9, и обладают постоянной толщиной, которая для входной кромки 1 - δ удовлетворяет условию 0,04≤δ/D≤0,08, а для выходной кромки 2 - δ условию: 0,003≤δ/D≤0,006.
вых
вх
вых
вх
пер
пер
Конкретные, уточненные величины толщин кромок 1, 2 и 3, угла поворота лопасти, радиуса расположения и толщины втулочного сечения 4, определяются при проектировании рабочего колеса в зависимости от режимов работы и действующих нагрузок. Например, для гидротурбин, спроектированных для работы при напорах от 3-х до 5 м, принимается δ/D=0,006, δ/D=0,04 и угол конусности при основании равным 5°; при напорах от 30 м и более принимается δ/D=0,008, δ/D=0,04 и угол конусности при основании равным 6°. Толщина втулочного сечения 4 находится в зависимости от его диаметра, значений δ и D, как высота усеченного конуса по углу конусности при его основании с учетом толщины δ, периферийной кромки 3.
Формообразование сторон лопасти при ее изготовлении происходит в исходном положении (фиг.3), а обработка периферийной кромки в размер D/2 и поверхности втулочного сечения производится в рабочем состоянии (фиг.1 и 2).
В результате, простая в изготовлении предлагаемая лопасть осевой гидротурбины удовлетворяет всем требуемым свойствам традиционных лопастей осевых гидротурбин, а расчетные исследования и испытания работы осевой гидротурбины с такими лопастями рабочего колеса показали достаточно хорошие гидравлические и прочностные их показатели, практически достигающие значений параметров, характеризующих лучшие образцы осевых гидротурбин близкой быстроходности.