РОТОРНО-ЛОПАСТНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относиться к гидроэнергетике, в частности к реактивным гидравлическим машинам, предназначенным для гидроэнергетических установок электрических станций, использующим рабочую среду, воду в широком диапазоне напоров. Гидравлические машины могут быть использованы как для выработки механической энергии, так и для осуществления подачи рабочей среды под давлением.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является гидравлическая машина Квятковского (см. «Гидравлические турбины». ЦНИИ по тяжелому энергетическому и транспортному машиностроению, сер. 18-7-75, Москва, 1975 г., стр.127), включающая направляющий аппарат, турбинную камеру, рабочее колесо, состоящее из корпуса с установленными на нем лопастями и разъемно закрепленное на валу, который установлен в подшипнике, а также отсасывающую трубу.
В известной гидравлической машине турбинная камера имеет спиралевидную форму, ось которой расположена в одной плоскости. Спиралевидная турбинная камера облицовкой жестко соединена с двумя кольцевыми поясами статора, между которыми установлены колонны. С верхним и нижним поясами статора сопряжен направляющий аппарат своими верхним и нижним кольцами, между которыми установлены лопатки направляющего аппарата с возможностью поворота посредством механизма привода. Рабочее колесо с лопастями размещено в специальной камере рабочего колеса, представляющей собой часть сферы, расположенной за направляющим аппаратом.
Недостатком известной гидравлической машины является сложность конструкции, трудоемкость ее изготовления и монтажа; обусловленная использованием крупногабаритных и металлоемких элементов спиральной камеры, статора, отсасывающей трубы и рабочего колеса, а также необходимостью применению специальных громоздких механизмов поворота для изменения положения лопаток направляющего аппарата. Такое конструктивное выполнение известной гидравлической машины требует также больших трудозатрат как на изготовление в заводских условиях, так и на транспортировку отдельных ее частей, а также на монтаж.
Известная гидравлическая машина имеет также низкую удельную мощность и ограниченные эксплуатационные возможности. Это связано с тем, что движение потока воды в многоконтурной проточной части гидротурбины сопровождается многократным изменением направления потока, а именно: поворот в спиральной камере, выход между колоннами статора, проход между лопатками направляющего аппарата, поворот на рабочем колесе и поворот в изогнутой отсасывающей трубе. Это вызывает неравномерность распределения скоростей в потоке из-за наличия неравномерности геометрического сечения в отдельных узлах гидравлической машины, что приводит к значительным гидравлическим потерям потока воды в различных узлах проточной части, и особенно в отсасывающей трубе, где энергия вращающегося потока практически не восстанавливается.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции гидравлической машины путем нового выполнения отдельных узлов и нового их взаимного расположения, что способствует оптимизации линии тока воды в проточной части машины за счет улучшения гидродинамических характеристик потока воды и уменьшения числа его поворотов в проточной части, что позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты гидравлической машины, повысить ее пропускную способность и удельную мощность, а также расширить эксплуатационные возможности при обеспечении высокого КПД гидравлической машины.
Поставленная задача решается тем, что в гидравлической машине, включающей направляющий аппарат, турбинную камеру, рабочее колесо, состоящее из корпуса с установленными на нем лопастями и разъемно закрепленного на валу, который установлен в подшипнике, а также отсасывающую трубу, согласно полезной модели, новым является то, что турбинная камера выполнена в виде винтообразного полого цилиндра, один конец которого соединен с направляющим аппаратом, а другой его конец соединен с отсасывающей трубой, лопасти рабочего колеса размещены непосредственно в полости винтообразного цилиндра, а направляющий аппарат размещен перед турбинной камерой.
Новым является также то, что номинальный внутренний диаметр турбинной камеры равен диаметру рабочего колеса.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Выполнение турбинной камеры в виде винтообразного полого цилиндра, а также расположение лопастей рабочего колеса непосредственно в винтовой полости турбинной камеры, обеспечивает равномерное сечение потока рабочей среды от направляющей аппарата до отсасывающей трубы, что приводит к улучшению гидродинамических характеристик потока. Это позволяет повысить пропускную способность и удельную мощность гидравлической машины, что значительно расширяет ее эксплуатационные возможности, позволяющие использовать ее в широком диапазоне напоров воды. Кроме того, в конструкции гидравлической машины винтовая турбинная камера выполняет одновременно и функцию камеры рабочего колеса, благодаря чему ее размеры уменьшаются до размера диаметра рабочего колеса, при этом, номинальный внутренний диаметр турбинной камеры равен диаметру рабочего колеса. Это способствует также упрощению конструкции и соответственно уменьшению габаритов основного узла гидравлической машины - узла для преобразования гидравлического напора воды в механическую энергию. Размещение направляющего аппарата в общей компоновке гидравлической машины перед турбинной камерой обеспечивает подачу в нее воды с минимальными энергетическими потерями. Благодаря новой компоновке отдельных узлов гидромашины, выполнению турбинной камеры в виде винтообразного полого цилиндра, и расположению направляющего аппарата перед турбинной камерой получают оптимальную линию тока воды, при которой значительно улучшаются гидродинамические характеристики потока за счет уменьшения числа поворотов потока в проточной части гидравлической машины. Это возможно вследствие того, что поток воды, проходя через проточную часть, подвергается лишь двукратной деформации, а именно, плавному обтеканию направляющего аппарата и движению по винтовой траектории в турбинной камере. Это обеспечивает уменьшение энергетических потерь, повышение равномерности скоростей потока воды вдоль проточной части гидромашины, что позволяет повысить удельную мощность и пропускную способность гидромашины, расширить ее эксплуатационные возможности, упростить конструкцию при обеспечении высокого КПД.
Техническая сущность заявляемой роторно-лопастной гидравлической машины поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически представлена роторно-лопастная гидравлическая машина;
на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 - общий вид рабочего колеса, вид Б на фиг.1.
Роторно-лопастная гидравлическая машина включает турбинную камеру 1, выполненную в виде двухшагового винтообразного полого цилиндра. Один из концов 2 турбинной камеры 1 неподвижно, например сваркой соединен с направляющим аппаратом 3, который в свою очередь снабжен приводным устройством 4 для открытия или закрытия при подаче воды в турбинную камеру 1. Направляющий аппарат 3 выполнен в виде игольчатого устройства. Корпус 5 рабочего колеса 6 разъемно установлен на валу 7, который размещен в подшипнике 8 и кинематически связан с внешней машиной (не показана). Лопасти 9 рабочего колеса 6 установлены жестко на корпусе 5 и размещены в полости турбинной камеры 1. Лопасти 9 могут быть установлены на корпусе 5 рабочего колеса 6 с возможностью их поворота. Второй конец 10 турбинной камеры 1 неразъемно соединен с отсасывающей трубой 11, которая выполнена прямоточной.
Роторно-лопастная гидравлическая машина работает следующим образом.
Воду из напорного водовода (не показан) под давлением верхнего бьефа через игольчатый направляющий аппарат 3 подают в турбинную камеру 1, выполненную в виде винтообразного полого цилиндра.
Расход подаваемой води регулируют с помощью привода 4, который открывает или закрывает направляющий аппарат 3. Далее поток воды, двигаясь в винтовой полости турбинной камеры 1 по винтовой траектории, проходит пространство между лопастями 9 рабочего колеса 6, выходит из второго конца 10 винтовой турбинной камеры 1 и через отсасывающую трубу 11 поступает в нижний бьеф. Проходя через рабочее колесо 6 и обтекая его лопасти 9, вода отдает рабочему колесу энергию давления и скоростного напора, которая превращается в механическую энергию в виде вращательного момента. Механическая энергия с рабочего колеса 6 через вал 7, который вращается в подшипнике 8, передается на ротор электрической машины (не показана). В случае работы гидравлической машины в насосном режиме механическая энергия передается на рабочее колесо 6, которое, вращаясь в обратном направлении, передает энергию реверсивному потоку воды.
Заявляемая гидравлическая машина является компактной, отличается высокой пропускной способностью и удельной мощностью, благодаря чему возможно использование ее в широком диапазоне напоров, например от 40 до 500 м. Общие габариты машины (по сравнению с прототипом) уменьшаются в два-три раза, а КПД увеличивается на 1-2%. Относительно малые габариты, а также возможность эксплуатации гидравлической машины в любой пространственной компоновке позволяет использовать гидравлическую машину также на низконапорных ГЭС вместо сложных капсульных гидроагрегатов. При этом, заглубление рабочего колеса относительно уровня нижнего бьефа с целью исключения кавитационного режима не требует дополнительных строительных работ. Применение заявляемой гидравлической турбины в составе гидроэнергетического оборудования ГЭС и ГАЭС дает возможность эффективно использовать энергию рек и строить электростанции с меньшими габаритами здания ГЭС.
Промышленная применимость заявляемого устройства подтверждается возможностью осуществления его на известном оборудовании в условиях промышленного производства с использованием известных материалов и приспособлений.