СПИРАЛЬНАЯ КАМЕРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)
SPIRAL CASING FOR A HYDRAULIC TURBINE (OPTIONS)

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к спиральной камере турбомашины и, в частности, к спиральной камере гидравлической турбины, такой как радиально-осевая гидротурбина (турбина Френсиса), поворотно-лопастная гидротурбина (турбина Каплана) и ковшовая гидротурбина (турбина Пелтона).
[0002] Фиг.1 показывает обычную радиально-осевую гидротурбину 10, которая включает в себя спиральную камеру 12, кольцевой ряд статорных колонн 14, кольцевой ряд лопаток 15 направляющего аппарата, рабочее колесо 16 и отсасывающую трубу 18. Спиральная камера 12 образует закрытый канал для прохода воды, поступающей в турбину 10. Внутренняя окружная периферия 20 спиральной камеры 12 открыта для воды, проходящей из спиральной камеры 12 к рабочему колесу 16. Статорные колонны 14 и лопатки 15 направляющего аппарата обеспечивают ориентирование потока воды, когда она поступает к рабочему колесу 16. Вода вызывает вращение рабочего колеса 16 вокруг оси 19, которая обычно представляет собой вертикальную ось. Вращение обеспечивает приведение в движение вала 22, который может быть соединен с электрическим генератором. Поток воды, проходящей через рабочее колесо 16, превращается из по существу кругового потока в спиральной камере 12 в по существу спиральный поток в отсасывающей трубе 18. Ось спирального потока совпадает с осью 19 рабочего колеса.
[0003] Фиг.1 показывает обычную спиральную камеру 12, которая имеет по существу круглое поперечное сечение. Некруглая часть соответствует отверстию на внутренней окружной периферии 20 камеры. Спиральная камера часто представляет собой комплект сегментов, расположенных вокруг оси рабочего колеса. Каждый сегмент может представлять собой металлическую панель (металлические панели), которой(-ым) придана такая форма, чтобы они образовывали стенку канала. Каждый сегмент может включать в себя одну или более статорных колонн 14.
[0004] Диаметры всех сегментов последовательно уменьшаются по мере «продвижения» сборки сегментов вокруг оси. Таким образом, проточный канал, проходящий через спиральную камеру 12, имеет большой диаметр (D1) во входном сегменте 26. Диаметры (см. D2) последующих сегментов постепенно уменьшаются по мере закручивания камеры вокруг наружной окружной периферии направляющего аппарата 15 и рабочего колеса 16. Спиральная камера 12, как правило, «охватывает» одну окружность или почти одну окружность вокруг направляющего аппарата 15 и рабочего колеса 16.
[0005] Фиг.2 показывает обычную спиральную камеру 12, установленную в камере 24, образованной бетонными стенами в машинном зале. В центральном цилиндрическом отверстии 31 в спиральной камере 12 размещены направляющий аппарат 15 и рабочее колесо 16. Входной сегмент 26 спиральной камеры 12 выровнен относительно канала для входа воды в камеру 24. Входной сегмент 26 обычно имеет прямолинейную ось 28 и имеет круглое поперечное сечение на всей его длине. Внутренняя боковая стенка входного сегмента 26 образует линию 30, касательную к окружной периферии цилиндрического отверстия 31. Каждый сегмент также может иметь прямолинейную ось, но оси сегментов не находятся на общей оси. Скорее, ось каждого сегмента может быть расположена под углом относительно осей предшествующего и последующего сегментов.
[0006] Входной сегмент 26 спиральной камеры 12 образует первый наружный край 33 спиральной камеры 12. Расстояние (D3) от первого наружного края до противоположного наружного края 35 часто составляет 30 футов (10 м) или более. Ширина и длина камеры 24 заданы такими, чтобы можно было вместить спиральную камеру 12. Камера 24, как правило, представляет собой большое железобетонное сооружение, которое может иметь высоту от 20 до 60 футов (от 8 до 20 метров) и длину и ширину от 50 до 80 футов (от 12 до 18 метров). Камеры 24 должны быть сооружены на месте машинного зала, в котором гидротурбина должна работать. Строительство камер 24 имеет тенденцию быть дорогостоящим и трудоемким.
Камера вышеуказанного типа раскрыта, например, в RU2491444 C1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Имеет место давно испытываемая потребность в уменьшении размера камеры (24). Размер камеры (24) зависит от габаритного размера спиральной камеры. Уменьшение наружного размера (D4-фиг.3) спиральной камеры позволило бы уменьшить размер камеры (24). Спиральные камеры, раскрытые в данном документе, могут быть применены для различных типов гидротурбин, включая турбины Френсиса, Каплана, Пелтона и диагональные гидротурбины.
[0008] Наружный размер (D4) спиральной камеры может быть уменьшен за счет придания определенных форм поперечным сечениям спирального сегмента спиральной камеры, смещения входного сегмента внутрь и добавления переходного сегмента между входным и спиральными сегментами. Входной сегмент может быть смещен за счет смещения входа в боковом направлении к оси вращения турбины, как показано на фиг.3. Входной сегмент также может быть эффективно смещен за счет поворота турбины относительно оси машин в машинном зале, как показано на фиг.4. Если турбина повернута, входной сегмент может удерживаться в положении, в котором он перпендикулярен к оси 73 машины за счет поворота нерадиальных сегментов вокруг мест их крепления к остальным сегментам.
[0009] Формы поперечных сечений спиральных и переходного сегментов являются некруглыми. Поперечные сечения спиральных и переходного сегментов могут иметь эллиптическую, параболическую или гиперболическую форму сегментов или другую некруглую форму с непрерывной касательной. Непрерывная касательная означает, что поперечное сечение ограничено непрерывной кривой. Данные формы поперечных сечений могут иметь меньшую ширину (в направлении, перпендикулярном к оси вращения турбины) и большую высоту (в направлении, параллельном оси вращения) по сравнению с круглыми поперечными сечениями в обычных спиральных камерах. Некруглые поперечные сечения спирального сегмента имеют такую конфигурацию, чтобы их площадь была достаточной для воды, необходимой для турбины. За счет придания поперечным сечениям сегментов спиральной камеры определенной формы габаритный размер (D4) спирального сегмента может быть уменьшен по сравнению с размером (D3) спиральной камеры, имеющей сегменты, которые все имеют по существу круглые поперечные сечения.
[0010] Переходный сегмент находится между концом входного сегмента и первым спиральным сегментом. Переходный сегмент образует канал для воды, проходящей из входного сегмента в спиральные сегменты. Поперечные сечения переходного сегмента, могут быть некруглыми, такими как эллиптические, параболические или гиперболические. Переходный сегмент может постепенно изменяться от круглого поперечного сечения в месте его соединения с входным сегментом до некруглого поперечного сечения в месте его соединения с первым спиральным сегментом.
[0011] Была разработана спиральная камера гидравлической турбины, включающая в себя: ряд спиральных сегментов, определяющих границы канала для направления жидкости, поступающей в камеру, к рабочему колесу в турбине, при этом спиральный сегмент проходит по меньшей мере частично вокруг рабочего колеса и имеет внутреннюю периферию, определяющую границы отверстия, предназначенного для приема рабочего колеса, при этом площади поперечных сечений спиральных сегментов постепенно уменьшаются от входного сегмента из спиральных сегментов до последнего сегмента из спиральных сегментов, при этом каждый из спиральных сегментов включает в себя зазор, выровненный относительно отверстия, и поперечные сечения спирального сегмента не соответствуют круглому поперечному сечению; входной сегмент, определяющий границы канала для приема жидкости, проходящей в спиральные сегменты, при этом входной сегмент имеет круглое поперечное сечение; и переходный сегмент, соединяющий входной сегмент с одним из спиральных сегментов и определяющий границы канала, предназначенного для направления жидкости, проходящей из входного сегмента в спиральные сегменты, при этом переходный сегмент имеет некруглое поперечное сечение, по меньшей мере, вдоль части его длины, при этом поперечные сечения переходного сегмента включают в себя поперечные сечения, имеющие размер по высоте, который превышает размер по ширине.
[0012] Машина может быть повернута, например, на угол в диапазоне от 5 градусов до 40 градусов относительно оси машины в машинном зале вокруг оси вращения лопастей рабочего колеса. Ось машины в машинном зале находится в горизонтальной плоскости. Входной сегмент может быть смещен в боковом направлении к оси вращения турбины. Формы поперечных сечений спиральных и переходного сегментов могут представлять собой эллиптическую, параболическую или гиперболическую форму сегмента.
[0013] Была разработана спиральная камера для гидравлической турбины, содержащая: комплект спиральных сегментов, соединенных встык для образования канала, предназначенного для направления воды, поступающей в спиральную камеру, к рабочему колесу в гидравлической турбине, при этом комплект спиральных сегментов определяет границы внутреннего отверстия, образованного с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема ряда лопаток и рабочего колеса гидравлической турбины, и каждый спиральный сегмент в комплекте имеет зазор, выровненный относительно внутреннего отверстия, и имеет некруглую форму поперечного сечения; входной сегмент, определяющий границы канала для приема воды, проходящей в комплект спиральных сегментов, при этом входной сегмент имеет круглое поперечное сечение вдоль всей длины входного сегмента; и переходный сегмент, соединяющий входной сегмент с комплектом спиральных сегментов и определяющий границы канала, предназначенного для направления воды, проходящей из входного сегмента в комплект спиральных сегментов, при этом переходный сегмент имеет некруглое поперечное сечение, по меньшей мере, вдоль части длины переходного сегмента, при этом поперечные сечения переходного сегмента включают в себя поперечные сечения, имеющие размер по высоте, который превышает размер по ширине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Фиг.1 представляет собой выполненный частично в разрезе вид сбоку обычной гидравлической турбины типа турбины Френсиса.
[0015] Фиг.2 представляет собой вид в перспективе спиральной камеры для гидротурбины типа турбины Френсиса, расположенной в камере для турбины.
[0016] Фиг.3 представляет собой схематический вид сверху вниз спиральной камеры, имеющей переходный сегмент, поперечное сечение которого изменяется от круглого поперечного сечения до некруглого поперечного сечения вдоль его длины, и обеспечивающий смещение входного сегмента.
[0017] Фиг.4 представляет собой схематический вид сверху вниз повернутой спиральной камеры, имеющей переходный сегмент, поперечное сечение которого изменяется от круглого поперечного сечения до некруглого поперечного сечения вдоль его длины.
[0018] Фиг.5 представляет собой схематический вид с торца спирального сегмента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0019] Фиг.3 представляет собой схематический вид сверху вниз спиральной камеры 32, имеющей переходный сегмент 34 между входным сегментом 36 и спиральным сегментом 37, 38. Входной сегмент 36 смещен в боковом направлении внутрь к оси 40 вращения турбины. Поперечные сечения спиральных сегментов 37, 38 и переходного сегмента 34 являются некруглыми, такими как эллиптические, параболические или гиперболические.
[0020] Габаритный размер (D4) спиральной камеры 32 может быть на пять - десять процентов меньше, чем соответствующий габаритный размер (D3) обычной спиральной камеры 12, которая должна быть заменена спиральной камерой 32. Уменьшение габаритного размера достигается за счет смещения 41 входного сегмента 36 и выполнения некруглыми поперечных сечений спиральных сегментов 37, 38 и переходного сегмента 34.
[0021] Уменьшение габаритного размера (D4) спиральной камеры 32 очевидно из различий между сплошными линиями, показывающими спиральную камеру со смещенным входным сегментом, и пунктирными линиями, которые показывают периферию соответствующей обычной спиральной камеры. Расстояния между пунктирными и сплошными линиями обеспечивают приведенное в качестве примера изображение относительного общего уменьшения размера спиральной камеры.
[0022] Входной сегмент 36 имеет круглое поперечное сечение на всей его длине. Диаметр круглых поперечных сечений необязательно должен оставаться постоянным вдоль длины входного сегмента 36. Например, входной сегмент 36 может быть цилиндрическим или может сужаться или расширяться вдоль его длины. Круглое поперечное сечение входного сегмента 36 удовлетворяет требованию выдерживать экстремальное гидравлическое давление потока воды, проходящего через входной сегмент 36. Входной сегмент 36 может иметь прямолинейную ось 46 или может быть изогнутым.
[0023] Соединение входного сегмента 36 с начальным спиральным сегментом 37 обеспечивается посредством переходного сегмента 34. Переходный сегмент 34 обеспечивает плавный переход канала для прохода воды от входного сегмента 36 к спиральному сегменту 37.
[0024] Переходный сегмент 34 включает в себя входную зону, имеющую круглое поперечное сечение, которая соединяется с входным сегментом 36. Вход в переходный сегмент 34 имеет круглое поперечное сечение для согласования и соединения с входным сегментом 36. Выход из переходного сегмента 34 имеет форму поперечного сечения, которая соответствует входу в начальный спиральный сегмент 37. Формы поперечных сечений переходного сегмента 34 на выходе сегмента являются по существу некруглыми, такими как эллиптическая, параболическая или гиперболическая.
[0025] Переходный сегмент 34 может быть образован путем свертывания стальной плиты в заданную форму. В альтернативном варианте переходный сегмент 34 может быть образован путем соединения короткий трубчатых сегментов встык. Придание определенной формы переходному сегменту 34 используется для обеспечения соединения между смещенным в боковом направлении, входным сегментом 37 и начальным спиральным сегментом 38. Вследствие его бокового смещения 41 входной сегмент 36 не выровнен относительно входа в начальный спиральный сегмент 38. В обычной спиральной камере входной сегмент выровнен относительно начального спирального сегмента, и они оба имеют аналогичные формы поперечных сечений, которые обеспечивают возможность соединения сегментов вместе.
[0026] Спиральная камера 32 может быть образована путем сборки с соединением встык трубчатых секций, каждая из которых образует один из спиральных сегментов 38. Спиральные сегменты 37, 38, а также переходный сегмент 34 и входной сегмент 36 могут быть образованы путем свертывания плит из углеродистой стали. Сегменты могут транспортироваться по отдельности и могут быть собраны в камере машинного зала.
[0027] Площадь поперечных сечений спиральных сегментов 37, 38 постепенно уменьшается в направлении потока воды, проходящего через спиральную камеру 32. Формы поперечных сечений спиральных сегментов 37, 38 могут быть, например, эллиптическими, параболическими или гиперболическими. Поперечные сечения спиральных сегментов включают в себя зазор 20 и, следовательно, не образуют замкнутую эллиптическую, параболическую, гиперболическую или другую некруглую форму. Поперечные сечения спиральных сегментов и переходного сегмента называют некруглыми, поскольку профили поперечных сечений не соответствуют форме окружности. Скорее, профили поперечных сечений спиральных и переходного сегментов соответствуют по форме некруглой форме, такой как эллиптическая, параболическая или гиперболическая форма.
[0028] За счет придания поперечным сечениям спиральных сегментов 37, 38 определенной формы наружная периферия спиральной камеры 32 будет смещена 43 в радиальном направлении внутрь к оси 40 вращения турбины. Придание спиральным сегментам 37, 38 определенной формы может привести к увеличению высоты (в направлении, параллельном оси 40 вращения) по сравнению со спиральными сегментами, которые имеют круглое поперечное сечение. Однако увеличение высоты спиральной камеры 32 может быть приемлемым для обеспечения уменьшения габаритного размера (с D3 до D4) спиральной камеры.
[0029] Входной сегмент 36 может иметь наружную поверхность 52, которая является ровной и выровнена, например, коаксиально относительно ровной наружной поверхности 54 переходного сегмента 34. Наружные поверхности входного сегмента 36, переходного сегмента 34 и спиральных сегментов 37, 38 представляют собой самые дальние от центра поверхности спиральной камеры 32 в плоскости, перпендикулярной к оси 40 вращения турбины и проходящей через среднюю часть лопаток 56 направляющего аппарата. Вследствие ее смещения 41 внутренняя поверхность 58 входного сегмента 36 не является касательной к круглому отверстию 42, образованному внутренней периферией спиральной камеры 32.
[0030] Толщина стенок переходного сегмента 34 и спиральных сегментов 37, 38 может быть увеличена по сравнению с толщиной стенок обычной спиральной камеры. Более толстые стенки могут быть необходимы для того, чтобы выдержать гидравлическое давление и гарантировать то, что переходный и спиральные сегменты сохранят их заданные некруглые формы поперечных сечений.
[0031] В отверстии 42 в спиральной камере 32 размещается рабочее колесо (фиг.1) и кольцевой комплект лопаток 56 направляющего аппарата. Угол лопаток 56 направляющего аппарата может быть отрегулирован для изменения направления потока воды, поступающего к лопастям рабочего колеса. Регулирование лопаток 56 направляющего аппарата может выполняться за счет их поворота вокруг их осей.
[0032] Кольцевой комплект статорных колонн 62 является концентрическим относительно комплекта лопаток 56 направляющего аппарата. Статорные колонны 62 перекрывают зазор в отверстии 61, образованном в боковой стенке спирального сегмента 38. Отверстие 61 обеспечивает канал для прохода воды, проходящей из спиральных сегментов 37, 38 к направляющему аппарату 56 и рабочему колесу. Статорные колонны 62 также образуют опорную конструкцию для спиральных сегментов 37, 38. Статорные колонны 62 могут быть выровнены так, что они будут параллельными по отношению к направлению потока воды, проходящей из спиральных сегментов 37, 38 к лопаткам 56 направляющего аппарата.
[0033] Отражательная плита 44 соединяет конец последнего спирального сегмента 38 с боковой стороной переходного сегмента 34 и, возможно, с входным сегментом 36. Отражательная плита 44 может представлять собой плиту из углеродистой стали, которой придана такая форма, чтобы она соответствовала по форме внутренней периферии переходного сегмента 34 и входного сегмента 36 и образовывала концевую плиту для спирального сегмента 38. Отражательная плита предотвращает проход воды из последнего спирального сегмента в переходный или входной сегменты.
[0034] Фиг.4 представляет собой схематический вид сверху вниз спиральной камеры 64. Спиральная камера может быть спроектирована путем поворота камеры с обычной формой (см. пунктирные линии) как камеры, подлежащей замене. Форма спиральной камеры повернута при проектировании вокруг оси 73 гидравлической турбины, предусмотренной для данной камеры. Фактический поворот формы камеры соответствует углу 70, составляющему, например, от пяти до сорока градусов (от 5° до 40°). Поворот входного сегмента 68 способствует уменьшению габаритного размера (D5) спиральной камеры 64. Поворот и некруглые поперечные сечения переходного сегмента 66 и спиральных сегментов 72 обеспечивают уменьшение габаритного размера (D5) спиральной камеры 64. Габаритный размер (D5) соответствует наружной поверхности спиральной камеры вдоль линии 74, которая проходит перпендикулярно через ось 73.
[0035] Каждому из входного, переходного и спиральных сегментов может быть придана определенная форма путем свертывания соответствующего листа или соответствующей плиты из углеродистой стали. Входной сегмент 68 может иметь круглое поперечное сечение. Поперечные сечения переходного сегмента 66 и спиральных сегментов 72 могут полностью или частично иметь некруглые формы поперечных сечений, такие как эллиптические, параболические или гиперболические. Ось входного сегмента может быть коаксиальной по отношению к оси переходного сегмента, как показано на фиг.4.
[0036] Спиральная камера, образованная путем поворота спиральной камеры так, как показано на фиг.4, может быть дополнительно образована так, что она будет иметь входной сегмент, который является параллельным входному сегменту камеры, подлежащей замене. Подобная спиральная камера может иметь форму, подобную показанной на фиг.3. Переходный сегмент для такой спиральной камеры будет аналогичным переходному сегменту 54, показанному на фиг.3. Ось входного сегмента может быть наклонена относительно оси переходного сегмента, как показано на фиг.3.
[0037] Фиг.5 представляет собой схематическое изображение, показывающее конец спирального сегмента 82. Сегмент 82 имеет металлическую боковую стенку 84, которая образует периферию канала 86 для прохода воды. Поперечное сечение боковой стенки 84 вдоль оси 85 сегмента является некруглым, как показано сплошными параллельными линиями на фиг.5. Поперечное сечение сегмента может иметь, например, эллиптическую, параболическую или гиперболическую форму. Круглое поперечное сечение показанопунктирными линиями на фиг.5 в целях сравнения с некруглым поперечным сечением сегмента.
[0038] Уменьшение вдоль плоскости 88, проходящей через спиральный сегмент 82, представляет собой расстояние 87 между наружной периферией боковой стенки 84 и окружностью, проиллюстрированной посредством пунктирной линии. Горизонтальная плоскость 88 проходит через середину пролета статорных колонн 62 и включает в себя ось 73 машины машинного зала. Все спиральные сегменты 82 или большинство спиральных сегментов 82 в комплекте сегментов, которые образуют спиральную камеру, могут иметь одну или более статорных колонн 62, которые перекрывают зазор 90 на внутренней периферии 92 спирального сегмента 82. Зазор 90 обеспечивает канал для прохода воды, проходящей из канала 86 для прохода воды, через направляющий аппарат и к рабочему колесу. Статорные колонны 62 могут опираться на кольцевые фланцы 94 у верхнего и нижнего краев 96 зазора 90. Фланцы 94 также могут служить опорой для краев 96 боковой стенки 84, образующей спиральный сегмент 82. Фланцы 94 могут быть прикреплены к камере в машинном зале.
[0039] Несмотря на то, что изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом осуществления, следует понимать, что изобретение не должно быть ограничено раскрытым вариантом осуществления, но, напротив, предназначено для охвата различных модификаций и эквивалентных конструкций, находящихся в пределах сущности и объема приложенной формулы изобретения.