УЗЕЛ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ И СПОСОБ УСТАНОВКИ СМЕННОЙ ГИДРОТУРБИНЫ
HYDRAULIC TURBINE ASSEMBLY AND METHOD TO INSTALL REPLACEABLE HYDRAULIC TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится по существу к гидравлическим турбинам и, в частности, к соединению лопастей рабочего колеса к ступице водяной (гидравлической) турбины. В частности, изобретение относится к установочным поверхностям на основании лопастей рабочего колеса и противоположным установочным поверхностям ступицы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На фиг. 1 показана известная осевая водяная турбина 10 в кольцевой камере 12, которая может быть встроена в бетон плотины 13. Пример осевой турбины лопастного типа показан на фиг. 1, и, в частности, крепление лопастей рабочего колеса к ступице описано в документе US 2009/0092496.
Водяная турбина типично устанавливается значительно ниже поверхности озера или другого источника воды за плотиной. Кольцевая камера 12 определяет по существу вертикальный осевой канал для воды, обозначенный стрелкой с позицией H2O. Вода течет по каналам в плотине, через кольцевую камеру и поверх лопастей рабочего колеса. Лопасти и ступица 16 вращаются вокруг вертикальной оси. Между ступицей и генератором проходит вал 24. Сила воды вращает лопасти рабочего колеса, ступицу и вал для привода электрогенератора, который производит электроэнергию.
Ступица 16 сужается в направлении потока воды и может соединяться с конусом 18. Сужающиеся поверхности ступицы и конуса продлевают гидравлический профиль ступицы. Вода плавно течет через ступицу и конус и вниз от водяной турбины.
Чем больше воды протекает через турбину, тем большую мощность турбина может передать на генератор. Количество воды, протекающей через турбину, ограничено наименьшей площадью сечения воды, протекающей через турбину. Эта наименьшая площадь сечения обычно находится в самой узкой части (в горловине Т) кольцевого канала между камерой 12 и ступицей 16. Горловина обычно находится на той же высоте в турбине, что и концы лопастей рабочего колеса. Диаметр горловины (Т) и диаметр (Н) ступицы в горловине определяют наименьшую кольцевую площадь канала для воды. Чем больше отношение горловины к ступице (Т/Н) тем больше проходит воды.
Лопатки рабочего колеса часто изготавливают из нержавеющей стали, которая имеет высокую стойкость к коррозии кавитации, но дорога. Когда ступица отливается за одно целое с лопастями рабочего колеса, ступицу также формируют из нержавеющей стали. Если лопасти рабочего колеса формируются не за одно целое со ступицей, ступицу можно формировать из менее дорогого материала, например, мягкой стали, поскольку ступица меньше подвержена кавитации воды, чем лопасти. Ступица, сформированная из мягкой стали, может быть окрашенной, чтобы обеспечить коррозионную стойкость.
Распространенным типом лопастей рабочего колеса являются лопасти типа пропеллера, привинченные к ступице. Такой тип лопастей рабочего колеса имеет круглое основание 20, которое привинчено в круглом углубленном гнезде 22 на боковой стороне ступицы, как показано на фиг. 1. Дно основания имеет установочную поверхность, которая типично является плоской, круглой и по существу перпендикулярной оси лопасти рабочего колеса.
На фиг. 2 показана другая известная водяная турбина 26, имеющая лопасти 28 рабочего колеса, прикрепленные к конической ступице 30. Каждая лопасть 28 отлита за одно целое с сегментом ступицы 30. Сегменты ступицы с лопастями расположены в кольцевую структуру и удерживаются относительно друг друга стяжными кольцами 32.
Вода течет радиально внутрь к водяной турбине 26 и выходит наружу в осевом направлении. Турбина 26 является диагональной лопастной турбиной, поскольку вода движется по лопастям рабочего колеса диагонально. Цилиндрически вокруг концов лопастей рабочего колеса проходит камера 34. Коническая ступица 30 установлена на головной крышке 36. Сквозь головную крышку проходит вал 38, соединяющий ступицу и электрогенератор.
На фиг. 3 показана другая примерная известная водяная турбина 40. Лопасти 42 рабочего колеса пропеллерного типа и ступица 44 сформированы как цельно металлическая отливка. Водяная турбина 40 является турбиной осевого типа и расположена в камере, аналогичной камере 12 для водяной турбины 26, показанной на фиг. 2.
Водяные турбины по фиг. 1-3 иллюстрируют известные соединения между лопастями рабочего колеса и ступицей. Как показано на этих чертежах, лопасти рабочего колеса могут быть отлиты за одно целое со ступицей, приварены к ступице, прикреплены стяжными кольцами к ступице или привинчены к ступице. Отливка за одно целое, сварка и в некоторых применения стяжных колец, являются производственными и сборочными операциями, которые выполняются в положении производства водяной турбины. Водяная турбина транспортируется с лопастями, прикрепленными к ступице плотине, на которой турбина должны быть установлена. Когда турбина слишком велика для транспортировки из места производства к плотине или положению ее установки, возникают проблемы.
Преимущество, которое дает привинчивание лопастей рабочего колеса к ступице болтами заключается в том, что одна или более из лопастей может быть прикреплена к ступице на плотине или в другом месте установки турбины. Транспортировки самой ступицы турбины или ступицы не со всеми прикрепленными лопастями рабочего колеса позволяет сократить транспортные расходы и избежать проблем при транспортировке. Привинчивание лопастей рабочего колеса к ступице в положении установки турбины позволяет сократить расходы на транспортировку и уменьшает трудности, связанные с транспортировкой большой водяной турбины.
Наряду с привинчиванием лопастей к ступице, лопасти можно приваривать к ступице или закреплять стяжными кольцами в положении установки. Привинчивание, применение стяжных колец и сварки при креплении лопастей к ступице, позволяют сократить расходы и трудности при транспортировке водяных турбин.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается система монтажа лопастей рабочего колеса, особенно лопастей рабочего колеса пропеллерного типа к ступице. Лопасти рабочего колеса могут содержать длинное узкое основание, которое садится на установочные поверхности, утопленные в боковую сторону конической ступицы. Основание лопастей рабочего колеса имеет ступенчатые установочные поверхности, которым придана форма для упора в установочные поверхности в ступице.
Ступенчатые установочные поверхности позволяют основанию иметь ответную форму направленному внутрь конусу ступицы. Каждая ступень смещает одну или более из установочных поверхностей радиально внутрь в направлении потока. Аналогично, установочные поверхности на ступице ступенчато углубляются радиально внутрь в направлении потока. Поскольку ступени смещают установочные поверхности радиально внутрь вместе с сужением ступицы, установочные поверхности могут проходить дальше вдоль ступицы, чем известные установочные поверхности, которые не углубляются ступенчато внутрь.
Система монтажа со ступенчатыми установочными поверхностями может применяться для водяных турбин разных типов, включая осевые и диагональные турбины с пропеллерными лопастями рабочего колеса и другие турбины с фиксированными лопастями. Система монтажа особенно полезна для диагональных турбин и там, где нужно уменьшить отношение горловины к ступице (Т/Н).
Добавление ступенчатых установочных поверхностей к конической ступице дает большую свободу в конструктивном расположении лопастей рабочего колеса и рисунка крепежных болтов, которые крепят лопасти рабочего колеса к ступице. Например, ступенчатые установочные поверхности позволяют сузить и удлинить основание лопасти рабочего колеса так, чтобы оно проходило аксиально вдоль всей или почти всей длины ступицы. Ступенчатые установочные поверхности также позволяют лучше согласовать основание с длинным хвостовиком лопасти. Ступенчатая установочная поверхность также позволяет получить относительно большую площадь поверхности контакта между основанием установочными поверхностями, утопленными в ступицу. Большая площадь поверхности контакта позволяет оптимизировать расположение болтов, выдерживающих большие нагрузки.
Ступенчатые установочные поверхности могут применяться для проектирования ступиц меньшего диаметра для водяных турбин. Ступица может иметь меньший диаметр, поскольку установочные ступенчатые поверхности позволяет сделать лопасть рабочего колеса узкой и длинной, что уменьшает ширину установочных поверхностей, утопленных в ступицу. Ступица может иметь меньший диаметр, поскольку установочные углубления относительно узки и помещаются на ступице меньшего диаметра.
Уменьшение диаметра ступицы может позволить пройти через горловину большему количеству воды. Известные ступицы имеют больший диаметр, чтобы разместить фланцевые поверхности, которые поддерживают основание лопастей рабочего колеса.
Ступенчатую систему монтажа можно использовать на новых системах водяных турбин и при модернизации существующих систем водяных турбин. В дополнение к уменьшению ступиц и оптимизации расположения болтов, ступенчатая система монтажа способствует транспортировке ступицы и лопастей рабочего колеса к плотине для монтажа. Одна или более из лопастей рабочего колеса может транспортироваться отдельно от ступицы для уменьшения трудностей, связанных с транспортировкой, которые в противном случае возникли бы при транспортировке полной водяной турбины, к которой прикреплены все лопасти. Лопасти могут привинчиваться к ступице болтами на плотине во время монтажа водяной турбины на плотине.
Механическая конструкция установочных поверхностей, расположенных ступенчато вдоль осевого направления дает большую свободу в проектировании формы лопасти рабочего колеса и расположения болтов, которые крепят основание лопасти к ступице. Например, конструкция ступенчатых установочных поверхностей позволяет удлинить основания лопастей рабочего колеса и сузить ступицы. Уменьшение диаметра ступицы приводит к уменьшению отношения диаметра ступицы к диаметру горловины, что приводит к увеличению площади сечения канала для прохода воды без изменения диаметра горловины.
Увеличение площади поперечного сечения канала протекания воды существенно увеличивает расход потока воды через канал для воды. Увеличение расхода потока воды обеспечивает соответствующее увеличение генерируемой мощности водной турбиной. Более того, диаметр горловины обычно фиксируется для существующих установок водяных турбин и является пропорциональным стоимости водяной турбины на новой установке. Увеличенная площадь поперечного сечения канала протекания воды без увеличения диаметра горловины приводит к существенному увеличению генерируемой турбиной мощности без вовлечения высоких затрат связанных с увеличением диаметра горловины.
Ступенчатые установочные поверхности на основании лопасти рабочего колеса могут иметь размер по длине, выровненный с осью ступицы, что позволяет сделать длину основания существенно больше его ширины. Ступенчатые установочные поверхности также позволяют устанавливать основание на наклонную или сужающуюся внешнюю поверхность ступицы. Дополнительно, ступенчатые установочные поверхности обеспечивают свободу при конструировании расположения соединительных болтов на основании лопастей рабочего колеса. Расположение болтов может быть таким, чтобы сконцентрировать болты в областях основания, подверженных высоким нагрузкам.
Был создан узел гидравлической турбины, содержащий: ступицу, выполненную с возможностью вращения вокруг центральной оси и выполненную с возможностью установки в водяном канале, причем ступица содержит верхний по потоку конец, нижний по потоку конец и внешнюю поверхность между верхним по потоку и нижним по потоку концами, причем дополнительно ступица имеет по меньшей мере три установочных углубления, расположенных на внешней поверхности, и установочное углубление включает первую установочную поверхность ступицы и вторую установочную поверхность ступицы, в котором вторая установочная поверхность ступицы расположена ниже по потоку и радиально внутри относительно первой установочной поверхности ступицы, и по меньшей мере три лопасти рабочего колеса, каждая из которых имеет основание, выполненное с возможностью посадки в одно из установочных углублений, в котором основание содержит первую установочную поверхность лопасти, выполненную с возможностью упора в первую установочную поверхность ступицы, и вторую установочную поверхность лопасти, выполненную с возможностью упора во вторую установочную поверхность ступицы. Эти по меньшей мере три установочных углубления могут быть расположены симметрично относительно центральной оси.
Установочное углубление в ступице может иметь продольную ось, параллельную центральной оси. И первая, и вторая установочные поверхности ступицы могут формировать пролет в форме ступеньки, в которой между первой и второй установочными поверхностями ступицы проходит подъем. Подъем может быть перпендикулярен центральной оси и первой и второй установочным поверхностям ступицы. Дополнительно, первая и вторая установочные поверхности ступицы могут быть плоскими, как и первая, и вторая установочные поверхности лопасти.
Основание лопасти рабочего колеса может содержат центральную шпонку, которая садится в шпоночную канавку в установочном углублении в ступице. Шпонка может иметь выступ, отходящий радиально внутрь от дна основания лопасти рабочего колеса. Шпонка выполнена с возможностью посадки в шпоночную канавку установочного углубления в основании. Шпоночная канавка может быть расположена рядом с первой и второй установочными поверхностями лопасти рабочего колеса.
Был разработан способ установки заменяющей гидравлической турбины, включающий в себя этапы, на которых: извлекают существующую гидравлическую турбину из канала для воды; на существующей гидравлической турбине заменяют ступицу на узкую ступицу, имеющую более узки диаметр, чем ступица существующей гидротурбины, при этом узкая ступица имеет верхний по потоку конец, нижний по потоку конец и внешнюю поверхность, проходящую между верхним по потоку и нижним по потоку концами, и узкая ступица имеет по меньшей мере три установочных углубления во внешней поверхности, при этом каждое установочное углубление содержит первую установочную поверхность ступицы и вторую установочную поверхность ступицы, и вторая установочная поверхность ступицы расположена ниже по потоку и радиально внутри относительно первой установочной поверхности ступицы; устанавливают три лопасти рабочего колеса в соответствующее установочное углубление, при этом каждая лопасть рабочего колеса содержит основание, имеющее первую установочную поверхность лопасти, которая упирается в первую установочную поверхность ступицы, и вторую установочную поверхность лопасти, которая упирается во вторую установочную поверхность ступицы; и устанавливают узкую ступицу с установленными лопастями рабочего колеса в канал для воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1-3 - виды сбоку, частично в сечении известных водяных турбин для гидроэлектростанций.
Фиг. 4 - вид сбоку, частично в сечении водяной турбины со ступенчатыми установочными поверхностями на лопастях и с соответствующими установочными поверхностями в углублениях ступицы.
Фиг. 5-8 - общие виды примерной лопасти рабочего колеса, имеющей основание со ступенчатыми установочными поверхностями.
Фиг. 9 - общий вид примерной ступицы, имеющей углубления со ступенчатыми установочными поверхностями для приема установочных поверхностей основания лопасти, показанной на фиг. 5-8.
Фиг. 10-12 - виды в частичном сечении узла лопасти рабочего колеса и ступицы.
Фиг. 13 - общий вид части лопасти водяного рабочего колеса с основанием другой конструкции.
Фиг. 14 - общий вид части ступицы с установочным углублением для приема альтернативного основания, показанного на фиг. 13.
Фиг. 15 - общий вид, частично в сечении, полого внутреннего пространства узла лопасти и ступицы.
Фиг. 16 - общий вид узла ступицы и лопасти во время транспортировки на грузовой платформе, буксируемой грузовиком или другим моторизованным транспортным средством.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 4 приведен вид сбоку водяной турбины 50 по варианту настоящего изобретения. В варианте, показанном на фиг. 4, часть лопастей 52 и 54 рабочего колеса не показаны, чтобы показать ступенчатые установочные поверхности 56, 58 на ступице, которые принимают ответные установочные поверхности на радиально внутренней поверхности основания лопасти рабочего колеса. Ступица прикреплена к вертикальному валу 60, который может приводить ротор электрогенератора. Водяная турбина 50 установлена в кольцевой камере, такой, как показана на фиг. 1-3, и которая может находиться в стенке плотины.
Ступица выполнена не за одно целое с лопастями рабочего колеса. Как таковые лопасти могут быть прикреплены, установлены, закреплены или иным образом соединены со ступицей. Ступица может быть выполнена из мягкой стали или другого подходящего материала. Лопасти рабочего колеса могут быть выполнены из нержавеющей стали или материала, обладающего высокой стойкостью к коррозии и который выдерживает кавитацию воды, текущей по лопастям. Ступица и/или лопасти рабочего колеса факультативно могут иметь износостойкое покрытие.
Каждая лопасть 52 рабочего колеса имеет основание 64 и область 63 лопасти, например, пропеллерной лопасти. Хвостовик 62 каждой области 63 лопасти выполнен за одно целое с основанием 64 или прикреплен к нему. Основание 64 поддерживает лопасть рабочего колеса и крепит ее к ступице 54. Основание передает силы от области 63 лопасти на ступицу. Эти силы включают торсионную силу, прилагаемую водой, действующей на лопасти.
Основание 64 имеет обращенные радиально внутрь установочные поверхности 68, 70. Эти поверхности могут быть по существу плоскими и параллельными оси 71 ступицы 54. Установочные поверхности 68, 70 выполнены ступенчатыми так, что верхняя установочная поверхность 68 находится радиально снаружи относительно нижней установочной поверхности 70. Радиальное положение каждой из установочных поверхностей определяется относительно оси 71 ступицы. Верхняя установочная поверхность совмещен с участком ступицы 54, имеющим больший диаметр, чем диаметр участка ступицы, совмещенного с нижней установочной поверхностью. Между установочными поверхностями 68, 70 проходит подъем 73.
Установочные поверхности 68, 70 позволяют согласовать основание 64 лопасти с конусом ступицы 54. За счет ступенчатого расположения установочных поверхностей радиально внутрь в направлении потока, основание можно продлить дополнительно вдоль длины конической ступицы. Без ступеней на установочных поверхностях основание имело бы единственную установочную поверхность, параллельную оси вала. Основание с полностью прямой поверхностью не согласуется с конической ступицей и не обеспечивает конструктивную свободу для продления основания по длине ступицы.
Основание 64 со ступенчатыми установочными поверхностями 68 70 может проходить более чем на половину длины ступицы, как показано на фиг. 4. Длина, ширина и форма основания 64 являются расчетными параметрами для лопасти рабочего колеса и ступицы. За счет ступенчатости установочных поверхностей 68, 70 диапазон длин, применимый к основанию, увеличивается. Это увеличение доступных длин основания также допускает большую свободу в выборе других расчетных параметров и в расположении отверстий под болты, соединяющие основание со ступицей. Например, увеличение длины основания лопасти рабочего колеса позволяет сделать основание более узким, поскольку требуемая площадь контакта может иметь длину значительно большую, чем ее ширина.
Установочные поверхности 68, 70 в этом варианте проходят параллельно оси 71 ступицы, поскольку центробежная сила действует на ступицу и лопасти радиально. Болты 72, которые крепят основание к ступице, проходят радиально так, чтобы центробежная сила создавала напряжение в первую очередь в болтах. Другими силами, действующими на болты и основание, являются изгибающие моменты, срезающие и скручивающие силы. Болты и площадь поверхности установочных поверхностей должны иметь соответствующие размеры, чтобы выдерживать изгибающие, скручивающие и срезающие усилия, которые действуют на болты и интерфейс между основанием и ступицей.
Установочные поверхности 68, 70 лопасти на основании садятся на ступенчатые установочные поверхности 56, 58 ступицы, утопленные в ступицу. Установочные поверхности 56, 58 ступицы могут быть выполнены в углублении 66 в ступице, как показано на фиг. 4. Ступица может иметь углубление 66, соответствующее основанию каждой лопасти рабочего колеса. Каждое углубление 66 может иметь периметр, согласующийся с периметром основания 64 лопасти рабочего колеса.
Установочные поверхности ступицы 56, 58 могут иметь отверстия для приема стержней болтов или резьбовых шпилек 72, которые проходят радиально наружу от установочных поверхностей ступицы и в основания лопастей рабочего колеса. Головка болта иди гайка может крепиться к радиально внутреннему концу стержня 72 шпильки и крепить стержень к внутренней поверхности полой ступицы.
Полая ступица 54 может содержать центральную камеру 75, выровненную по оси 71 ступицы. Центральная камера 75 является полым внутренним пространством ступицы и обеспечивает доступ для установки болтов 71, которые крепят основание лопастей рабочего колеса к ступице. На фиг. 4 показаны головки болтов 72 или гайки, расположенные на внутренней боковой стенке центральной камеры 75. Внутренняя боковая стенка центральной камеры 75 может быть ступенчатой, чтобы соответствовать ступеням 56, 58 в углублениях 66 во внешней поверхности ступицы. Соответствующие ступени на внутренней боковой стенке центральной камеры 75 и в углублениях 66 могут быть выполнены так, чтобы толщина ступицы между ступенчатыми установочными поверхностями 56, 58 и внутренней боковой стенкой центральной камеры 75 оставалась по существу постоянной.
Шпонка 77 на основании каждой лопасти рабочего колеса может выступать радиально внутрь от основания в шпоночный паз или отверстие 79 в соответствующем углублении 66 ступицы. Шпонка 77 может иметь сечение прямоугольной трапецеидальной, овальной, овальной с линейными участками, или иной формы. Шпоночный паз или отверстие имеет форму сечения, соответствующую форме сечения шпонки 77. Шпонка 77 садится в шпоночный паз или отверстие 79, когда основание лопасти рабочего колеса вставляют в углубление 66 ступицы. Установка шпонки 77 в шпоночный паз или отверстие 79 обеспечивает поддержку лопасти рабочего колеса, особенно поддержку при торсионной нагрузке лопасти под действием потока воды по лопасти рабочего колеса. Вместо шпонки 77 или для создания поддержки, дополняющей поддержку, создаваемую шпонкой 77, можно использовать срезные штифты (не показаны). Эти срезные штифты могут проходить радиально относительно оси 71 и вставляться в соответствующие углубления в основании лопасти рабочего колеса и углубление в ступице.
На фиг. 5 приведен вид сверху лопасти 52 рабочего колеса, в которой конец лопасти не показан и лопасть показана в сечении, чтобы лучше показать хвостовик 62 и основание 64. Хвостовик 62 лопасти прикреплен к верхней поверхности основания 64, например, сваркой, за одно целое отливкой или болтами. Хвостовик 62 может проходить по существу по всей длине основания. Хвостовик и лопасть могут находиться сбоку основания, как показано, например, на фиг. 5. Передний край лопасти может быть смещен, например, к левой стороне основания, а задний край может быть смещен к правой стороне основания.
Основание 64 лопасти рабочего колеса может быть по существу прямоугольным или трапецеидальным, как показано на фиг. 5. Верхние углы 74 основания могут быть скруглены, а нижний угол 76 может быть относительно острым углом 90°.
На фиг. 6 приведен вид сбоку лопасти 52 рабочего колеса. Верхняя поверхность 86 основания 64 может быть наклонена для согласования с конусностью ступицы. Толщина основания в радиальном направлении, изменяется за счет ступеней, сформированных тремя установочными поверхностями 80, 82, 84. Как показано на фиг. 6, задний край 63 лопасти может заходить за нижний по потоку конец основания 64.
Установочные поверхности 80, 82, 84 могут иметь разную длину, и длина каждой поверхности может быть основана на конструкторском выборе, сделанном при определении способа крепления лопастей рабочего колеса к ступице. Подъемы 87 на переднем крае каждой из установочных поверхностей 80, 82, 84 могут иметь радиальную длину, выбранную во время конструирования крепления лопастей к ступице. Эти подъемы могут быть плоскими и согласованными с соответствующими подъемами в углублениях ступицы.
На фиг. 7 приведен вид переднего края 88 участка 53 лопасти 52. Участок лопасти рабочего колеса содержит передний край 90 и конец 92. Основание 64 прикреплено к хвостовику 82 лопасти. Вдоль внешнего края на соединении между основанием и корнем может иметься галтель 94. Основание может быть приварено или иными способом прикреплено к хвостовику лопасти. Хвостовик 62 может проходить диагонально по верхней поверхности 86 основания. Участок нижней поверхности хвостовика 62 может заходить за верхнюю поверхность основания.
Установочные поверхности 80, 82 и 84 могут быть параллельны друг другу и параллельны продольной оси ступицы. Установочные ступени могут быть не выровнены с поверхностью участка лопасти. Установочные поверхности 80, 82 и 84 показаны как ступени с подъемами 87 между каждой поверхностью. Альтернативно, установочные поверхности могут быть наклонены относительно оси ступицы, так, чтобы отдельная поверхность была параллельна конусу ступицы.
На фиг. 8 показан вид снизу лопасти 52 рабочего колеса, который иллюстрирует радиально внутренние поверхности основания 64 и хвостовика 62. Установочные поверхности 80, 82 и 84 показаны как имеющие периметр прямоугольной формы. Формы периметров установочных поверхностей могут быть другими, например, вогнутыми или выпуклыми, изогнутыми или треугольными, при условии, что форма установочной поверхности или поверхностей согласуется с формой противоположных установочных поверхностей ступицы. Установочные поверхности 80, 82, 84 могут иметь встроенные пластины или фланцы 96, в каждом из которых выполнено одно или боле отверстие 98 для болтов, которые крепят лопасть 52 к ступице.
На фиг. 9 приведен вид сбоку другого варианта конической ступицы 100 с углублениями 102 для приема лопастей. Ступица имеет верхний по потоку конец 104 большого диаметра и нижний по потоку конец 106 малого диаметра. Ступица может иметь круглое сечение, за исключением углублений. Ступица может быть полой. Сужение конической ступицы может быть линейным, выпуклым вогнутым или иметь другую подходящую форму. Конусность ступицы может соответствовать конусности кольцевой камеры для турбины в стене плотине. Углубления 102 может проходить по большей части длины ступицы, например, более чем по половине длины ступицы, более чем по трем четвертям длины ступицы и более чем по четырем пятым длины ступицы. Нижний по потоку конус не показан и может быть прикреплен, например, сваркой или болтами, к заднему концу 106 ступицы.
Углубление 102 в ступице может быть выровнено, например, параллельно, по продольной оси 108 ступицы 100. Количество углублений может соответствовать количеству лопастей рабочего колеса, крепящихся к ступице. Форма сечения каждого углубления 102 может соответствовать форме сечения периметра основания каждой лопасти рабочего колеса.
Каждое углубление 102 в ступице имеет сечение, согласованное по существу с сечением основания лопасти. Каждое углубление может иметь одну и ту же форму сечения и внутреннюю геометрию. Альтернативно, каждое углубление может иметь индивидуальную форму сечения или внутреннюю геометрию для согласования с изменениями в основаниях лопастей рабочего колеса. Например, каждое углубление может иметь форму сечения, которая соответствует только одному из оснований. Эти изменения формы углубления могут применяться для обеспечения того, что каждая лопасть рабочего колеса будет установлена в нужное углубление.
Установочные поверхности 110, 112 и 114 ступицы в каждом углублении 102 соответствует установочным поверхностям лопасти на его основании. Установочные поверхности ступицы могут быть плоскими и параллельными оси 108 ступицы. Установочные поверхности 110, 112 и 114 ступицы имеют отверстия 116, сквозь которые проходят стержни болтов, которые крепят лопасти рабочего колеса к ступице. Установочные поверхности ступицы выполнены ступенчатыми, при этом ступени противоположны ступеням установочных поверхностей на лопастях. Установочные поверхности ступицы упираются в установочные поверхности лопасти для создания прочной и жесткой поддержки ступицей лопастей рабочего колеса. Болты, проходящие сквозь отверстия 116, поджимают установочные поверхности ступицы к установочным поверхностям лопастей.
Ступенчатость установочных поверхностей 110, 112, 114 позволяет эти установочным поверхностям проходить по большей части длины конической ступицы. По мере того как диаметр ступицы уменьшается, каждая последовательная установочная поверхность ступицы утоплена все более радиально внутрь. Подъемы 118 между установочными поверхностями ступицы и длину каждой установочной поверхности можно подобрать в соответствии с конусностью ступицы.
На фиг. 10 показаны лопасти 120 рабочего колеса, прикрепленные к ступице 100. Одно из углублений 102 в ступице оставлено пустым для иллюстрации. Другие углубления ступицы показаны как гнезда для оснований 122 соответствующих лопастей 120. На фиг. 10 показано, что передняя часть хвостовика участка лопасти рабочего колеса может выступать за пределы основания и над поверхностью ступицы. Нижняя часть хвоствика выступает за основание и соответствует внешней поверхности ступицы. Нижняя поверхность хвостовика участка лопасти может упираться во внешнюю поверхность ступицы.
На фиг. 11 показано вертикальное сечение ступицы 100 и лопастей 120 рабочего колеса. На чертеже показана часть ступицы в сечении для иллюстрации ее полого внутреннего пространства 123, которое имеет плоские внутренние боковые стенки 124, расположенные напротив установочных поверхностей ступицы, показанных на фиг. 9 и 10. Внутренние боковые стенки 124 могут быть ступенчатыми, аналогично ступенчатым установочным поверхностям ступицы. Внутренние боковые стенки также могут быть параллельны оси 108 ступицы. Альтернативно, внутренние боковые стенки могут сужаться аналогично сужению ступицы, особенно, если ступица является конической.
На фиг. 12 приведен вид в сечении верхнего участка узла ступицы 100 и лопастей 120 рабочего колеса в увеличенном масштабе. Внутренние боковые стенки 124 имеют отверстия, сквозь которые проходят резьбовые стержни 128 от оснований лопастей рабочего колеса. Эти резьбовые стержни посажены в резьбовые отверстия, проходящие радиально в основаниях лопастей рабочего колеса. Стержни выступают из оснований в ступицу и проходят сквозь внутренние боковые стенки 124 внутреннего пространства 123 ступицы. На концах стержней установлены гайки или другие крепежные элементы 132 для крепления рабочего колеса лопастей к ступице.
Установочные поверхности 80, 82 и 84 лопасти рабочего колеса посажены и, например, упираются в установочные поверхности 110, 112, 114 ступицы 100. Резьбовые стержни 128 и крепежные элементы 132 поджимают установочные поверхности основания к установочным поверхностям ступицы.
На фиг. 13 приведен общий вид боковой части лопасти 140 рабочего колеса, имеющей альтернативное основание 142 со ступенчатыми установочными поверхностями 144, 146. Установочные поверхности 144, 146 расположены вокруг периметра центральной шпонки 148, которая выступает от основания радиально внутрь. Шпонка 148 может быть выступающим участком основания, имеющим сечение в форме овала с линейными участками. Установочные поверхности 144, 146 могут иметь U-образное сечение, которое проходит вокруг шпонки.
На фиг. 14 приведен общий вид части ступицы 150, в которую вставлены лопасти 140 рабочего колеса, имеющие основание со шпонкой. Ступица 150 содержит углубления 152 с установочными поверхностями 154, 156 ступицы, которые принимают установочные поверхности 144, 146 оснований лопастей рабочего колеса. Такое углубление содержит отверстие 158 или глубокое углубление в ступице для приема шпонки основания. Это отверстие или глубокое углубление имеет форму, ответную форме боковой стенки шпонки и, тем самым, препятствует повороту лопасти рабочего колеса относительно ступицы.
На фиг. 15 показано сечение полого внутреннего пространства ступицы 150, которое иллюстрирует шпонку 148 лопасти 140 рабочего колеса, посаженную в глубокое углубление или отверстие 158 ступицы. Крепежные отверстия 160 в боковых стенках ступицы позволяют установить резьбовые стержни и гайки 162 для крепления лопастей рабочего колеса к ступице.
На фиг. 16 показана ступица 170 с некоторыми, но не всеми, лопастями 172 рабочего колеса, прикрепленными к ступице 170. Поскольку не все лопасти рабочего колеса прикреплены, ступицу и турбину можно погрузить на платформу и транспортировать с помощью тягача 174. Остальные лопасти рабочего колеса можно транспортировать к плотине отдельно и прикрепить к ступице на плотине.
Хотя на чертеже показаны резьбовые стержни и гайки, крепящие лопасти к ступице, основание лопасти рабочего колеса можно приваривать или иным способом крепить к ступице, без использования резьбовых стержней и гаек.
Количество, размер и форма лопастей рабочего колеса на ступице зависят от гидравлической конструкции турбины. Количество лопастей рабочего колеса для всех описанных вариантов равно по меньшей мере трем. Лопасти могут быть расположены так, чтобы отбирать максимум энергии от потока воды, проходящего через турбину. Нагрузки, создаваемые потоком воды и отбирающие энергию, передаются лопастями рабочего колеса через основание на ступицу. Дополнительной нагрузкой является сила тяжести, которая прилагает направленную вниз силу к основанию и ступице из-за веса лопастей рабочего колеса. Другой дополнительной силой является перепад давления воды между передней и задней частями турбины. Во время работы турбины поток воды прилагает к лопастям рабочего колеса тангенциальную силу, которая передается через основание на ступицу. Дополнительно, из-за вращения лопастей рабочего колеса и ступицы возникает вращательная, т.е., центробежная сила. Конструктору лопастей рабочего колеса следует принимать во внимание эти силы при конструировании лопастей рабочего колеса и ступицы.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с вариантом, который в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным, следует понимать, что изобретение не ограничивается этим вариантом (вариантами) а охватывает различные модификации, входящие в изобретательскую идею и объем приложенной формулы.