СПОСОБ ПРИДАНИЯ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕМУ КОЛЕСУ (ВАРИАНТЫ) И РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
METHOD FOR IMPARTING MOTION TO ROTOR (VERSIONS) AND ROTOR

Изобретение относится к области машиностроения и в первую очередь предназначено для использования в гидроэнергетике, но может быть использовано и в других отраслях техники.
Известен способ придания вращательного движения насаженному на вал нижнебойному водяному колесу, при котором подтекающая под колеса вода ударяет в лопатки, заставляя их вращаться ("Краткий политехнический словарь", г. Москва, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955 г. Стр. 163).
Недостаток этого способа заключается в применении наиболее невыгодного для гидромашин принципа работы, так как в нижнебойных колесах используется только сила напора воды и поэтому они имеют самый низкий коэффициент полезного действия.
Прототипом одного из объектов изобретения (способа) выбран способ сообщения вращательного движения телу с использованием кроме напора и веса жидкости еще и реакции струи для образования крутящего момента. Этот способ демонстрируется прибором сегнерово колесо. Вода поступает сверху в сосуд, соединенный с осью, и под давлением вытекает из него наружу через трубки с загнутыми в одну сторону концами. Возникшая сила реакции вытекающей струи вращает сосуд в сторону, обратную вытеканию струи (Ландсберг Г.С. "Элементарный учебник физики", г. Москва, издательство "Наука", 1968 г. Стр. 396).
Недостаток этого способа состоит в низком коэффициенте полезного действия при преобразовании энергии воды в механическую энергию на валу.
Известен способ придания вращательного движения рабочему колесу ковшовой турбины, при котором вода по трубопроводу подводится к соплу, через которое под действием напора с большой скоростью выбрасывается струей на насаженное на вал рабочее колесо с лопастями, каждая из которых разделена ножом на две криволинейные поверхности, похожие на ковши. При натекании на лопасть струя делится ножом на две равные части. Поток жидкости в рабочем колесе безнапорный. За счет изменения как скорости воды, так и ее направления, создается давление на лопасть и образуется момент рабочего колеса, вращающий его вместе с валом (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, издательство "Энергия", 1978 г. Стр. 50, 72).
Недостаток этого способа состоит в том, что ковшовые турбины, использующие только кинетическую энергию жидкости, могут применяться только при больших напорах - от 400 м и выше.
Прототипом следующего объекта изобретения (способа) выбран способ придания вращательного движения рабочему колесу радиально-осевой гидравлической турбины, при котором вода из верхнего бьефа по напорному водоводу через подводящую часть турбины с турбинной спиральной камерой и направляющим аппаратом подводится к рабочему колесу турбины и из нее через отсасывающую трубу выпускается в нижний бьеф. Преобразование энергии жидкости в механическую осуществляется в рабочем колесе за счет взаимодействия потока с лопастями рабочего колеса, изменяющего скорость течения воды по величине и направлению. Направление траектории абсолютного движения жидкости в радиально-осевой турбине совпадают с направлением вращения рабочего колеса. При этом способе энергия давления, потенциальная и кинетическая энергия жидкости преобразуются в механическую энергию на валу (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, издательство "Энергия", 1978 г. Стр. 5, 43).
Недостаток этого способа также состоит в невозможности эффективно использовать радиально-осевые турбины при небольших напорах - до 40 м.
Известно рабочее колесо осевой поворотно-лопастной турбины, основной частью которого являются лопасти и втулка, в которой крепятся лопасти. К выходному концу втулки крепится обтекатель. Рабочее колесо соединено с фланцем вала и снабжено механизмом поворота лопастей (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, издательство "Энергия", 1978 г. Стр. 27).
Недостатком рабочего колеса поворотно-лопастной турбины является сложная конструкция рабочего колеса, требующая мощного механизма поворота лопастей.
Прототипом одного из объектов изобретения (устройства) выбрано рабочее колесо радиально-осевой турбины, которое состоит из верхнего и нижнего ободов и закрепленных на них жестко по наружному контуру лопастей с криволинейной поверхностью, отогнутых в нижней части, к верхнему ободу прикреплен обтекатель и рабочее колесо верхним ободом через фланец прикреплено к валу турбины. Лопасти с рабочей стороны выполнены вогнутыми (Кривченко Г.И. "Гидравлические машины", г. Москва, издательство "Энергия", 1978 г. Стр. 46).
Недостатком рабочего колеса радиально-осевой турбины является невозможность эффективно использовать радиально-осевые турбины при небольших напорах - до 40 м.
Техническим результатом изобретения является возможность применения изобретенной турбины и в области небольших напоров - в пределах 40 метров.
Технический результат достигается тем, что к рабочему колесу под давлением направляют в радиальном направлении входной поток газообразного или жидкого рабочего тела, разбивают его при этом на отдельные струи, изменяют их направление, вызывая тем самым возникновение реакции струи и образование крутящего момента, сообщающего вращательное движение рабочему колесу в сторону, противоположную направлению струи, и выпускают из рабочего колеса наружу, при этом входной поток к рабочему колесу направляют от периферии к центру, пропускают в рабочее колесо через образующую боковую поверхность рабочего колеса решетку лопастей, выпуклая сторона которых обращена к потоку, а вогнутая - в сторону вращения рабочего колеса, при входе в рабочее колесо выпуклые стороны лопастей рабочего колеса изменяют радиальное направление потока на острый угол больше 45° и направляют, закручивая, в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих лопастей, которыми, продолжая закручивать поток в том же направлении, придают ему вращательное движение внутри рабочего колеса, крутящий момент образуется возникшей при силовом взаимодействии лопастей с потоком реакцией втекающего рабочего тела, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины, рабочее тело выпускают из рабочего колеса наружу после объединения струй в выходной закрученный поток, при этом для одновременного образования крутящего момента с максимальным использованием реакции втекающего рабочего тела и использованием реакции изменившей направление струи входной поток перед впуском в рабочее колесо предварительно закручивают вокруг него по направлению вращения рабочего колеса со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума скорости закрученного потока внутри рабочего колеса относительно турбинной камеры, при этом турбинной камерой с направляющим аппаратом вокруг рабочего колеса поток направляют под углом к лопастям рабочего колеса, сторона которых, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса, - наоборот.
Использование реакции втекающей струи является основой и другого варианта изобретенного способа сообщения вращательного движения рабочему колесу, выполненному по форме рабочего колеса радиально-осевой гидравлической турбины. Технический результат достигается тем, что из верхнего бьефа по напорному водоводу через турбинную спиральную камеру и направляющий аппарат подают к рабочему колесу турбины закрученный в сторону вращения рабочего колеса поток воды, разбивают его на отдельные струи, создавая при этом направляющим аппаратом необходимое направление струй перед рабочим колесом, а также осуществляя регулирование скорости потока в предколесном пространстве, расхода и развиваемой мощности турбины, на поверхностях решетки лопастей рабочего колеса осуществляют силовое взаимодействие с протекающим через рабочее колесо отдельными струями, изменяя при этом скорость и направление струй и вызывая тем самым возникновение сил реакции струи и образование крутящего момента, после изменения направления струй сформировавшийся внутри рабочего колеса выходной поток отводят через отсасывающую трубу в нижний бьеф, отличающийся тем, что при входе в рабочее колесо выпуклые стороны лопастей рабочего колеса изменяют радиальное направление потока на острый угол больше 45° и направляют, закручивая, в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих лопастей, которыми, продолжая закручивать поток в том же направлении, придают ему вращательное движение внутри рабочего колеса, крутящий момент образуется реакцией изменившей направление струи жидкости и возникшей реакцией втекающей жидкости, достигающей при указанном изменении направления входного потока наибольшей величины, при этом изменяют направление входного в рабочее колесо потока на упомянутый угол лопастями, у которых сторона, обращенная к потоку, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с противоположной стороны - наоборот, турбинной спиральной камерой поток воды подают к рабочему колесу со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума относительно турбинной камеры скорости закрученного потока внутри рабочего колеса.
Предложенные варианты изобретенных способов осуществляются описанным ниже рабочим колесом гидравлической турбины.
Рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее размещенные между верхним и нижним ободами лопасти с криволинейной поверхностью и отогнутые в нижней части, при этом что лопасти расположены на рабочем колесе так, что линия, соединяющая точки на входной и выходной кромках лопасти в поперечном сечении между ободами, со стороны потока образует с радиусом рабочего колеса угол больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, при этом в том же сечении величина отношения диаметра по выходным кромкам лопастей к диаметру рабочего колеса больше 0,71, лопасти между ободами до отогнутой внизу части со стороны потока выполнены выпуклыми, а с противоположной стороны, обращенной в сторону вращения рабочего колеса, - вогнутыми, при этом лопасть со стороны потока на некотором расстоянии от входной кромки вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с противоположной стороны - наоборот.
В технической литературе приводятся доказательства, отрицающие наличие реакции у втекающей в сосуд жидкости. Однако эти доказательства основаны на результатах, полученных при исследовании жидкости, втекающей в сосуд в радиальном направлении. Опыты, доказывающие возникновение реакции жидкости при ее втекании в сосуд под углом к радиальному направлению, изложены в международной заявке WO 2012/090009 А1.
В изобретенном способе сообщения вращательного движения рабочему колесу лопасти рабочего колеса изменяют радиальное направление втекающего в рабочее колесо потока на острый угол больше 45° и направляют его, закручивая, в противоположную вращению рабочего колеса сторону к вогнутым сторонам предшествующих лопастей, которыми, продолжая закручивать поток в том же направлении, придают ему вращательное движение внутри рабочего колеса. При этом возникает крутящий момент, который по третьему закону Ньютона должен быть компенсирован аналогичным по величине, но противоположно направленным крутящим моментом, приложенным к рабочему колесу.
Известно, что лопасти радиально-осевой турбины обращены к потоку вогнутой стороной, а противоположная сторона у них выпуклая.
Однако в изобретенном способе с использованием для возникновения крутящего момента реакции втекающей жидкости сторона, обращенная к потоку, может быть вогнутой, плоской или выпуклой, что обусловлено расположением лопастей на рабочем колесе так, что линия, соединяющая точки на входной и выходной кромках лопасти в поперечном сечении между ободами со стороны потока, образует с радиусом рабочего колеса угол больше 45°, но меньше 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми.
Наилучшие энергетические показатели турбины получаются при лопасти, обращенной в сторону потока выпуклой стороной, или если сторона лопасти, обращенная в сторону потока, на некотором расстоянии от входных кромок вогнутая, а затем переходит в выпуклую до выходной кромки, а с тыльной стороны - наоборот.
Изобретение представлено 12 фигурами. Фигуры с 1 по 8 поясняют объекты способов, а с 9 по 12 представляют устройство рабочего колеса турбины.
Фиг. 1 - Рабочее колесо с отверстиями.
Фиг. 2 - Поперечный разрез по А-А на Фиг. 1.
Фиг. 3 - Рабочее колесо с решеткой лопастей.
Фиг. 4 - Поперечный разрез по А-А на Фиг. 3.
Фиг. 5-6 - Схемы преобразования энергии рабочего тела в энергию вращающегося вала путем использования реакции втекающей струи.
Фиг. 7 - Схема установки турбины на гидроэлектростанции.
Фиг. 8 - Схема подводящей части гидротурбины.
Фиг. 9 - Вертикальный разрез рабочего колеса.
Фиг. 10 - Рабочее колесо с вогнутой формой рабочей поверхности лопасти.
Фиг. 11 - Рабочее колесо с выпуклой формой рабочей поверхности лопасти.
Фиг. 12 - Рабочее колесо с вогнутой формой рабочей поверхности, переходящей в выпуклую.
Рабочее колесо 1 гидравлической турбины 2, содержащее размещенные между верхним 3 и нижним ободами 4 лопасти 5 с криволинейной поверхностью и отогнутые в нижней части 6, при этом лопасти 5 расположены на рабочем колесе 1 так, что линия с рабочей стороны 7 лопасти 5, соединяющая точки на входной 8 и выходной кромках 9 лопасти 5 (в поперечном сечении между ободами 3, 4), образует с радиусом рабочего колеса 1 угол 10 больше 45°, но меньше чем 180°(n-2)/2n, где n - число лопастей больше восьми, обеспечивающий максимальное использование реакции втекающей струи 11 для получения наибольшего крутящего момента при заданном расходе турбины 2, при этом (в том же сечении) величина отношения диаметра 12 по выходным кромкам 9 лопастей 5 к диаметру 13 рабочего колеса 1 большей 0,71, лопасти 5 между ободами 3, 4 до отогнутой внизу части 6 с рабочей стороны 7 выполнены или с криволинейной поверхностью - вогнутыми 14, или выпуклыми 15, или с плоской поверхностью 16, а с тыльной стороны 17 соответственно - выпуклыми, или вогнутыми, или плоскими, или рабочая сторона 7 лопасти 5 на некотором расстоянии от входной кромки 8 вогнутая 14, а затем плавно переходит в выпуклую 15 до выходной кромки 9, а с тыльной стороны 17 - наоборот.
Способ придания вращательного движения рабочему колесу осуществляется следующим образом:
К рабочему колесу 1 с валом 18 под давлением направляют от периферии к центру входной поток 19 газообразного или жидкого рабочего тела, разбивают его при этом на отдельные струи и пропускают внутрь рабочего колеса 1, изменяют радиальное направление втекающих в рабочее колесо струй 20 расположенными на боковой поверхности рабочего колеса 1 под углом к втекающим струям 20 различной формы сквозными отверстиями 21 или образующими поверхность рабочего колеса решеткой лопастей 5, вызывая тем самым возникновение реакции втекающей струи 22 и придавая струям внутри рабочего колеса 1 вращательное движение, противоположное по направлению вращению рабочего колеса 1, рабочее тело выпускают из рабочего колеса наружу после объединения струй в выходной закрученный поток 23, или для увеличения к.п.д. турбины, входной поток 19 перед впуском в рабочее колесо 1, предварительно закручивают вокруг него по направлению вращения со скоростью, обеспечивающей уменьшение до минимума скорости вращательного движения рабочего тела 23 внутри рабочего колеса 1, или закрученный вокруг рабочего колеса 1 поток направляют под углом к рабочей стороне 7 лопастей 5, продолжая увеличивать к.п.д. турбины, причем для получения наибольшего крутящего момента от реакции втекающей струи 22, рабочее тело 20 впускают в рабочее колесо 1 по возможности максимально отклоняя направление струи 24 от оси вращения 25.
Способ сообщения вращательного движения рабочему колесу, выполненному по форме рабочего колеса радиально-осевой гидравлической турбины для применения турбины и в области небольших напоров (до 40 м), осуществляется следующим образом.
Из верхнего бьефа 26 по напорному водоводу 27 через турбинную спиральную камеру 28 и направляющий аппарат 29 подают к рабочему колесу 1 турбины 2 закрученный в сторону вращения рабочего колеса 1 поток воды, разбивают его на отдельные струи, создавая при этом направляющим аппаратом 29 необходимое направление струй 20 перед рабочим колесом 1, а также осуществляя регулирование скорости потока в предколесном пространстве 30, расхода и развиваемой мощности с наибольшим к.п.д. турбины 2, на поверхностях решетки лопастей 5 рабочего колеса 1 осуществляют силовое взаимодействие с протекающим через рабочее колесо 1 отдельными струями 20 потоком, изменяя при этом скорость и направление струй 20, крутящий момент образуют с максимальным использованием реакции втекающей струи 22 при наибольших ее значениях, для чего жидкость пропускают в рабочее колесо 1 под возможно большим острым углом 10 (с учетом наивыгодного режима работы турбины) к радиальному направлению, формой лопасти 5, в зависимости от напора, придают протекающим между лопастями 5 струям 24 закрученность, совпадающую с направлением вращения рабочего колеса 1, или противоположно направленную, перед выпуском воды в отсасывающую трубу 31 уменьшают до минимума скорость потока 23, получившего после выходных кромок 9 лопастей 5 закрученность в противоположную вращению рабочего колеса 1 сторону.