Гидравлическая турбина
HYDRAULIC TURBINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области гидравлических машин и, в частности к гидравлической турбине в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При проектировании гидравлических турбин необходимо добиваться одновременно нескольких целей. Одной из основных целей является эффективность турбины. Однако все более и более важными становятся расширение рабочего диапазона и обеспечение надлежащего поведения машины с точки зрения стабильности и надежности. Например, в настоящее время заказчик предъявляет требование к наличию низкого уровня вибраций в турбинной камере, поскольку вибрации высокой интенсивности могут стать причиной повреждения машины.
Эти вибрации являются следствием механической ответной реакции конструкции на возмущения потока жидкости, происходящие в результате взаимодействия ротора (рабочего колеса) и статора (RSI).
На фиг. 1 в качестве примера показаны основные части гидравлической турбины типа турбины Френсиса. Гидравлическая турбина 10, показанная на фиг. 1, содержит вертикальный ротор с рабочим колесом 12 и вал 12а. Рабочее колесо 12 содержит лопатки 16, распределенные по окружности вокруг оси ротора. Ротор 12, 12а концентрически окружен статором 11, расположенным между ротором 12, 12а и окружающим спиральным корпусом 13. Статор 11 снабжен закрепленными поворотными направляющими лопаток 15. Направляющие лопатки 15 направляют поток воды, подаваемой через спиральный корпус 13 в окружном направлении, на лопатки 16 рабочего колеса для приведения рабочего колеса 12 во вращательное движение. Вода выходит из рабочего колеса 12 в осевом направлении через отсасывающую трубу 14.
На фиг. 2 подробно показано положение статора 11 относительно рабочего колеса 12 (см. пунктирную окружность на фиг. 1). Направляющая лопатка 15 статора 11 проходит в вертикальном направлении между верхним кольцом 19 и нижним кольцом 20 статора. Лопатки 16 проходят в рабочем колесе между ступицей 17 рабочего колеса и ободом 18 рабочего колеса. Между ободом 18 рабочего колеса и окружающим нижним кольцом 20 статора имеется заданный зазор С.
В настоящее время проход лопаток 16 рабочего колеса перед направляющими лопатками 15, в так называемом безлопаточном зазоре VG, создает локальную область пульсирующего давления, в частности, в случае высоконапорных турбонасосов (см. пульсации 22 давления на фиг. 3). Эта область динамического давления обусловлена в основном изменением давления на каждой стороне профилей направляющих лопаток 15 и лопаток 16 рабочего колеса, происходящим при различных частотах.
Для проектировщиков и изготовителей гидравлических машин уменьшение этой области пульсирующего давления (или уровня колебания давления) в безлопаточном зазоре VG является постоянной проблемой. Тем не менее для решения этой проблемы существует несколько способов.
В патентном документе WO 2008004877 А1 описана гидравлическая турбина реактивного типа, такая как турбина Френсиса или Каплана, содержащая ротор и окружающий корпус, при этом между ротором и корпусом имеется уплотнительное средство. Для турбины этого типа существует проблема, заключающаяся в том, что большая часть потерь связана с утечкой через уплотнение. Часто используют простые лабиринтные уплотнения, но они требуют наличия больших зазоров, что обусловливает большие потери. С учетом этих известных уплотнений речь идет о важности обеспечения такой уплотнительной системы гидравлической турбины, которая позволяет создать значительно меньшие зазоры, чем у существующего в настоящее время лабиринтного уплотнения и других обычных уплотнительных конструкций, чтобы, среди прочего, повысить эффективность в высоконапорных турбинах Френсиса. Предложенное уплотнительное средство содержит щеточные уплотнения, расположенные в радиальном направлении на некотором расстоянии от оси ротора, составляющем большую часть максимального радиального размера ротора. Задачей настоящего изобретения является существенное уменьшение уровня колебаний при помощи нового, простого в монтаже и экономичного решения.
В патентном документе ЕР 0565805 А1 описана система для регулирования пульсации гидравлического давления и мощности в реактивной гидравлической турбине. Данная система содержит средство для введения дополнительного регулируемого пульсирующего потока воды в колено диффузора, состоящее, дополнительно или как вариант, из а) по меньшей мере одного тела внутри диффузора, подвижного между первым втянутым положением и вторым выдвинутым положением, b) по меньшей мере одного вспомогательного канала, проходящего по существу параллельно диффузору и присоединенного к указанному диффузору посредством его собственных впускного и выпускного отверстий, причем впускное отверстие расположено в конце колена диффузора, регулируемого клапаном, а выпускное отверстие, расположено смежно с пьезометрическим бассейном, причем регулирование указанного подвижного тела и клапана выполняют так, чтобы изменять объем диффузора для уменьшения пульсации давления в диффузоре до минимума и поддержания на постоянном уровне потока, зазора, вращающего момента и мощности ротора турбины.
В патентном документе US 2004/037698 А1 описано устройство на выходе статора для гидравлической турбины Френсиса и пропеллерной гидравлической турбины. Цель данного устройства состоит в том, чтобы исключить потерю эффективности турбины и сильные пульсации в отсасывающей трубе, вызываемые кольцевым завихрением в осевом направлении при всех рабочих режимах турбины, отличных от оптимальных режимов, без заметного уменьшения максимальной эффективности. Устройство на выходе статора содержит ступицу и направляющие лопатки на выходе статора, прикрепленные к ступице. Ступица устройства на выходе статора, после установки ее в турбине, расположена непосредственно после ступицы рабочего колеса, которая усечена в нижней части плоскостью, перпендикулярной центральной оси турбины. Ступица устройства на выходе статора вместе с усеченной ступицей рабочего колеса образуют проходы для воды после выхода из профиля ступицы для лопаток рабочего колеса. Направляющие лопатки на выходе статора расположены вокруг оси турбины в виде кругового массива, размещенного после лопаток рабочего колеса и прикрепленного по периферии либо к диффузору отсасывающей трубы, либо к фланцу на выходе статора, прикрепленному к турбинному выпускному кольцу и к конусу отсасывающей трубы.
Патентный документ WO 2008/060158 А2 относится к реактивной гидравлической турбине, содержащей рабочее колесо, отсасывающую трубу, расположенную ниже по потоку от рабочего колеса, и инжекторное средство, предназначенное для введения воды в отсасывающую трубу для уменьшения в ней колебаний давления, причем в стенке отсасывающей трубы выполнены одно или более отверстий для обеспечения по существу равномерного распределения вводимой воды в осевом и/или в окружном направлении в отсасывающей трубе.
Другие известные примеры систем гидравлической турбины можно найти в следующих патентных документах: в документе JP 55060666, описывающем способ уменьшения габаритов турбины, в документе JP 06074138, раскрывающем систему для уменьшения потерь, вызываемых трением, и в документе US 5290148, в котором рассматриваются толщина обода рабочего колеса и ступицы, а также жесткость конструктивных элементов. Наиболее близким аналогом предложенной турбины является решение, раскрытое в документе СА 2832987 А1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено предложенное изобретение, является наличие области пульсирующего давления (или уровня колебания давления) в безлопаточном зазоре. Технический результат, обеспечиваемый предложенным изобретением, заключается в уменьшении простым и эффективным способом уровня колебаний давления в безлопаточном пространстве, т.е. в зазоре между рабочим колесом и направляющими лопатками, и, как следствие, повышении общей эффективности турбины.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложена гидравлическая турбина, содержащая рабочее колесо, содержащее ступицу, обод и лопатки, проходящие между ступицей и ободом рабочего колеса. Гидравлическая турбина может содержать статор, предпочтительно окружающий рабочее колесо. Статор может содержать верхнее кольцо, нижнее кольцо и направляющие лопатки, проходящие между верхним кольцом статора и нижним кольцом статора.
Настоящее изобретение может отличаться тем, что между рабочим колесом и статором предусмотрен зазор, который предпочтительно выполнен для сведения к минимуму пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре между лопатками рабочего колеса и направляющими лопатками статора.
Зазор может быть выполнен с размерами, предпочтительно обеспечивающими уменьшение локальной области колебаний давления. Размер и местоположение зазора может зависеть от размеров и форм статора и ротора.
В предпочтительном варианте выполнения зазор может содержать первый зазор, расположенный между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора. Между первым зазором и радиусом ступицы рабочего колеса может быть определено первое соотношение. Предпочтительно первое соотношение может быть приблизительно равно 0,02. Как вариант, первое соотношение может быть меньше или больше чем 0,02.
В другом варианте выполнения зазор может содержать второй зазор, расположенный между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. Между вторым зазором и вторым радиусом может быть определено второе соотношение. Предпочтительно второе соотношение может быть приблизительно равно 0,02. Как вариант, второе соотношение может быть меньше или больше чем 0,02.
Первое соотношение по существу может быть равно второму соотношению. Как вариант, данные соотношения могут отличаться.
Следует отметить, что в уровне техники не рассматривается проблема уменьшения области колебаний давления. Кроме того, в уровне техники не раскрыт признак выполнения зазора между рабочим колесом и статором, причем зазор предпочтительно выполнен для минимизации пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре.
В патентном документе JP 55060666 приведен пример получения и обработки геометрических данных для внутреннего диаметра и ширины рабочего колеса. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения зазор выполнен с большими размерами, чем было установлено в предшествующем уровне техники. Фактически, основные идеи, приведенные в документе JP 55060666, заключаются в уменьшении какого-либо зазора между рабочим колесом и статором, что будет отрицательно сказываться на пульсации давления. В предшествующем уровне техники были предложены и другие усовершенствования, однако при этом не рассматривалось влияние регулирования зазора для минимизации пульсаций давления.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложена гидравлическая турбина, предпочтительно содержащая ротор с рабочим колесом, концентрически окруженный статором. Рабочее колесо предпочтительно содержит лопатки, расположенные и распределенные по окружности вокруг оси ротора. Каждая лопатка рабочего колеса может проходить между ступицей рабочего колеса и его ободом. Статор может содержать направляющие лопатки, расположенные и распределенные по окружности вокруг оси ротора. Каждая направляющая лопатка может проходить между верхним кольцом статора и нижним кольцом статора. По меньшей мере между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора может быть выполнен заданный зазор.
Настоящее изобретение может отличаться тем, что указанный зазор может быть существенно увеличен по сравнению с предшествующим уровнем техники для демпфирования пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре между указанными лопатками рабочего колеса и направляющими лопатками статора.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, а обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, и второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом, а также соотношение между вторым зазором и вторым радиусом, каждое из них, может превышать 0,02.
В частности, соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть равно соотношению между вторым зазором и вторым радиусом.
В соответствии с другим вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, и обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, и второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть ≤0,02, а соотношение между вторым зазором и вторым радиусом может быть ≥0,02.
В соответствии с другим вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, а обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, а второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть ≥0,02, а соотношение между вторым зазором и вторым радиусом может быть ≤0,02.
Следует понимать, что один или более аспектов, вариантов выполнения и признаков любого из вышеупомянутых аспектов или вариантов выполнения настоящего изобретения могут быть легко использованы в сочетании, как будет очевидно квалифицированному специалисту.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено более подробное описание настоящего изобретения с помощью различных вариантов выполнения и со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
на фиг. 1 показан вид обычной гидравлической турбины типа турбины Френсиса,
на фиг. 2 показан увеличенный местный вид зазора, расположенного между рабочим колесом и статором турбины, показанной на фиг. 1,
на фиг. 3 показаны области давления и пульсации давления в зазоре, изображенном на фиг. 2, для конструкции в соответствии с уровнем техники,
на фиг. 4 показаны, в отличие от фиг. 2, области давления и пульсации давления в зазоре, изображенном на фиг. 2, для увеличенного зазора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения,
на фиг. 5 показаны различные геометрические параметры, используемые для уточнения увеличения зазора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения, и
на фиг. 6 показан пример снижения амплитуд пульсаций давления благодаря предложенному увеличению зазора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известные решения, направленные на уменьшение колебаний давления, по существу сосредоточены на конструкции и форме компонентов, расположенных вблизи участка безлопаточного зазора (VG).
Некоторыми из наиболее известных и установленных способов уменьшения колебаний давления являются следующие:
изменение количества лопаток и/или количества направляющих лопаток,
изменение диаметра лопаток рабочего колеса, внутреннего диаметра направляющей лопатки и/или среднего диаметра ступени турбины,
изменение конструкции рабочего колеса на входе турбины, например, формы переднего края (параболической или линейной формы), толщины лопатки и/или кривизны лопаток.
Некоторые из этих решений указаны в публикации «Колебания давления в безлопаточном промежутке высоконапорных гидравлических турбин» (авторы Zhigang и др.) в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews. 41 (2015) 965-974.
Вышеуказанные способы имеют обратное действие, наподобие уменьшения гидравлического коэффициента полезного действия, увеличения гидравлической неустойчивости и, соответственно, необходимо найти компромиссное решение, чтобы получить минимальные уровни пульсаций давления.
В настоящем изобретении предпочтительно значительно увеличен механический зазор между ротором и статором (рабочим колесом и кольцом) по сравнению со стандартными решениями, известными из уровня техники. Испытания, проведенные для двух проектов двух очень разных рабочих колес, показали впечатляющие результаты, когда зазор увеличивали по сравнению с системами из предшествующего уровня техники. Увеличенный зазор действует как демпфер пульсации давления, снижая общий уровень пульсации давления.
Одним из основных преимуществ является легкость настройки этого решения, а также то, что у него есть лишь несколько недостатков.
Демпфирующий эффект значительного увеличения зазора показан на фиг. 3 и 4.
Как показано на фиг. 3, зазор С1 между рабочим колесом (ободом 18 рабочего колеса) и статором (нижним кольцом 20 статора) является небольшим в соответствии с практикой предшествующего уровня техники. Относительное движение между направляющими лопатками 15 и лопатками 16 рабочего колеса создает область давления с пульсациями 22, возникающими от направляющих лопаток 15, и соответствующую область давления, возникающую от лопаток 16 рабочего колеса (см. стрелки на фиг. 3(а)). Взаимодействие обеих областей давления повышает давление (P(t) см. фиг. 3(b)), которое может быть измерено соответствующими датчиками 21 давления.
Значительное увеличение радиального зазора С1 до зазора С2 (см. фиг. 4(а)) создает демпфирующий эффект, так как пульсации могут легко распространяться из безлопаточного зазора VG через расширенный зазор С2. При этом измеренные пульсации давления резко уменьшаются (P(t) см. фиг. 4(b)).
Соответствующее увеличение зазора было выполнено во время испытаний на стадии разработки для реального проекта (с номинальным напором в 305 м), которые показали впечатляющие результаты в отношении уровня колебаний давления во всем диапазоне напора (см. фиг. 6), особенно при неполной нагрузке (значение 0,5 по оси х), когда уровень пульсации уменьшился от 20% до 10%.
На универсальной характеристике колебаний давления также можно видеть, что влияние предложенного увеличенного зазора С обнаруживается не только по всему диапазону напора, но также, в частности, в диапазоне от средней (50% = 130 МВт) до малой выходной мощности. Это особенно важно для применений, в которых точно определены очень низкие значения от частичной нагрузки до скорости без нагрузки.
На фиг. 5 показан зазор СС для ступицы между верхним кольцом 19 статора и ступицей 17 рабочего колеса, а также зазор СВ для обода между нижним кольцом 20 статора и ободом 18 рабочего колеса. Несмотря на то что на фиг. 5 показаны равные зазоры СС и СВ, они тем не менее могут отличаться. К зазору СС относится радиус RC ступицы. К зазору СВ относится радиус RB обода.
В машинах предшествующего уровня техники типичное соотношение CC/RC, равное соотношению CB/RB, составляет приблизительно 0,007 (<0,012). В соответствии с настоящим изобретением увеличение зазора может быть выполнено с обеспечением CC/RC = CB/RB >0,02 (в испытаниях имели место значения 0,0224 и 0,0298).
Однако оба соотношения CC/RC и CB/RB не обязательно должны быть равны, они могут отличаться, в то время как оба соотношения будут превышать значение 0,02 (CC/RC≠CB/RB, при этом CC/RC>0,02, и CB/RB>0,02).
Кроме того, соотношение CC/RC между указанным первым зазором СС и указанным первым радиусом RC может быть ≤0,02, тогда как соотношение CB/RB между указанным вторым зазором СВ и указанным вторым радиусом RB может быть ≥0,02.
Как вариант, соотношение CC/RC между указанным первым зазором СС и указанным первым радиусом RC может быть ≥0,02, тогда как соотношение CB/RB между указанным вторым зазором СВ и указанным вторым радиусом RB может быть ≤0,02.
К преимуществам настоящего изобретения относятся следующие факторы.
Предложенное изобретение в целом применимо к гидравлическим насосам/турбинам. Кроме того, оно может быть применено к турбине Френсиса (главным образом для высоконапорных машин);
Предложенное изобретение обеспечивает немедленную выгоду без дополнительных затрат.
Предложенное изобретение является легким для выполнения. Не существует какого-либо особого ограничивающего условия, поскольку предложенное решение заложено непосредственно в механической конструкции.
Для установленного оборудования необходимо лишь увеличить зазор, если это является достаточным (то есть, при условии быстрого и менее затратного выполнения этой операции).
Для новых проектов имеет место дополнительный положительный эффект для конструкции, обусловленный уменьшением уровня колебаний давления в безлопаточном зазоре.