Парокрылый моментосбалансированный ротор поперечной гидротурбины

 

Изобретение относится к гидротурбиностроению. Парокрылый ротор содержит две S-образные лопасти (Л) 1, расположенные с поворотной симметрией относительно оси вращения ротора. Средние участки Л 1 выполнены плоскими, а поверхности концевых участков - цилиндрическими. Кромки Л 1 расположены на внешнем радиусе ротора. Торцевые диски 2 прикреплены к Л 1 перпендикулярно их образующим. Один из концевых участков Л выполнен в виде половины цилиндра, другой - четверти, а угловое расстояние между кромками составляет 90°, Такое выполнение ротора позволяет повысить его КПД. 9 ил.

r:r)þ3 СОВЕтСкИх

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s F 03 В 17/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ы 1К чг3м,;, ; л ",(„)Т „д

ОПИСАНИЕ ИЗОБ ЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4861760/29 (22) 04.06.90 (46) 07.01.93, Бюл. N. 1 (75) Ю.М.Новиков (56) Авторское свидетельство СССР

N 151259, кл. F 03 В 3/12, 1960, (54) ПАРОКРЫЛЫЙ МОМЕНТОСБАЛАНСИРОВАННЫЙ РОТОР ПОПЕРЕЧНОЙ ГИДРОТУРБИ Н Ы (57) Изобретение относится к гидротурбиностроению. Парокрылый ротор содержит две

$-образные лопасти (Л) 1, расположенные с

Изобретение предназначено для использования в гидроэлектроэнергетике, например бесплотинных ГЭС. Вместе с тем ротор может быт применен как гидродвигатель машин через приводное устройство, а также в аэроэнергетике, В настоящее время при попытках использования энергии свободного потока применяются роторы, являющиеся разновидностью профилировки ротора братьев

Я,А. и А.А. Ворониных (2,10.1924 г.), в которых явно выражено стремление пропускать массу движущегося потока через изгибающиеся каналы, образуемые приданием строительному материалу, например металлическим тонким пластинам, соответствующей конфигурации, якобы способной отклонять поток, создавая на ней в точках отклонения реактивную силу. Наиболее выдающимся из этих роторов по КПД считается ротор Е,О.Бирюкова (1946 г.).

Проводившиеся мной эксперименты с роторами приведи ного тига (см. Массовая радиобиблиотека, выпуск 460 Б.С.Блинов

„„Я2„„1786280 А1 поворотной симметрией относительно оси вращения ротора. Средние участки Л 1 выполнены плоскими, а поверхности концевых участков — цилиндрическими. Кромки Л 1 расположены на внешнем радиусе ротора, Торцевые диски 2 прикреплены к Л 1 перпендикулярно их образующим; Один из концевых участков Л выполнен в виде половины цилиндра, другой — четверти, а угловое расстояние между кромками составляет 90О, Такое выполнение ротора позволяет повысить его КПД, 9 ил.

rW

"Гирляндная ГЭ С" Госэнергоиздат- МоскваЛенинград 1963 г. с.14) показали, что в действительности для возникновения реактивной силы способствовавшей повышению мощности, возникающей на роторах, отсутствуют гидродинамические условия. Это очевидно из того, что роторы находятся в затопленном состоянии и поток, протекающий через ротор сплошной струей, связан с общим потоком, в котором затоплен ротор, В действительности, только свободно натекающая на преграду. струя может создавать йа преграде силу действия, определяющуюся изменением секундного количества движения струи, происходящем

mac% в результате ее отклонения преградой, Здесь в большинстве случаев, пренебрегая силой тяжести, получаем для динамической реакции струи выражение

R=pОЧ1- pОЧ2 .. (1) где Q — расход струи, Ч1 и Чг — векторы скоростей струи перед преградой и после нее (см, фиг.1).

1786280 (г

Х=С,F И вЂ”,— к-. (2)

При подстановке значения силы Х в равенство (2) определим секундную работу, совершаемую плоскостью т=С.F $(И-11)зu. (3)

Разделив правую часть этого равенства на выражение — = — =и —, кгм(С, 2 VFV2 кигЗF

2 2 2 (4) получим идеальный коэффициент использования энергии движения жидкости плоскости, работающей под действием силы сопротивления и перемещающейся в направлении потока с„фи — о> и

r Сх(-U) —, (5) 3

После преобразования получим

rI= c,(1 — — ) —, Π2U

V V

Определим, при каком значении соотЧ ношения — получается максимальный коU эффициент использования энергии потока

В затопленном в потоке жидкости роторе каналы необходимы лишь для того, чтобы не снизить скорость подхода потока к заборникам ротора, созданным изгибанием пластин и расположенным эксцентриситетно-диаметрально оси конструкции ротора, Вследствие этого поток, оказывая силовое давление на заборник выводит его из равновесного состояния образуя крутящий момент на роторе.

Таким образом роторный заборник потока можно рассматривать как проекцию миделевого сечения заборника на плоскость F, Допустим, что плоскость F расположена перпендикулярно направлению движения жидкости, который перемеа ает ее силой Х с некоторой скоростью U в том же направле-. нии. При этом плоскость может совершать секундную работу, равную произведению силы X на скорость U. т.е. Т = X U (2), где

Х вЂ” сила лобового давления (см. фиг,3 V+), Так как плоскость Ч+ = Г перемещается в направлении движения потока жидкости, то поток действует на нее со скоростью, равной разнице между скоростью движения жидкости V и скоростью перемещения поверхности, Следовательно, в данном случае сила жидкости исходя из известного вывода гидравлики, что максимальный коэффициент, полезного действия r может быть получен при отношении скорост-. . образующейся

5 после прохождения гидродвигателя Vt, к скорости перед вхождением в гидравлическое устройство, равном 1/3, Следовательно, в случае плоскости принимаем

3 (6) при этом оптах = Сх(1 — 3 3 Сх 27 0,148Сх (7)

121 4

15 Поскольку заборник ротора, поставленный вогнутой стороной к набегающему потоку, работает как плоскость F, то КПД ротора будет зависеть от коэффициента сопротивления Сх, которым обладают за20 борники потока ротора (см.фиг.6 V+; V-).

Поскольку для плоскости F(F = V+), поставленной перпендикулярно потоку жидкости, Сх зависит от отношения.ее длины к высоте, то, принимая среднее значение

25 L от -=1; когда Сх-1,1; до — = оа; при Сх = 1,83, 1 находим среднее значение Ск т 1,1 1,83 = 1.42 (8) и, подставляя в (8), имеем

> =0,148.1,42 =0,21, (9) что совпадает с экспериментальной проверкой роторов Бирюкова Е,О. и Новикова tO.Ì. в Институте гидродинамики СО АН СССР с контролем на компьютерной системе.

Вращательное движение ротора возможно лишь в том случае, когда заборники ротора, находящиеся на одинаковом удалении от оси вращения при одинаковой их

40 конфигурации, тождественном весе и размере, имеют различное сопротивление формы в различных фазах поворота ротора, выражаемое через коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и

45 учитывающий форму тела, его ориентацию в потоке и вязкости жидкости.

При повороте вокруг оси ротора заборник, перемещающийся в направлении движения потока жидкости, должен иметь

Сх 1, например, за счет вогнутости его формы, создающей затруднение обтекания его набегающим потоком, Противоположный заборник этого же ротора, движущийся против направления движения потОка, 55 должен иметь Сх<1, например, за счет выпуклости навстречу набегающему потоку жидкости, что создает условия для его обтекания, и, таким образом, снижения сопротивления давления. В этом случае сумма

1786280

" 0,01745-г R

Rп. г.

55 моментов пары сил, которой являются взаимопротивоположные заборники ротора п

М1 0 (10) =1 не равны нулю и последние, не находясь в силовом равновесии, будут вращаться вокруг оси, переменно поворачиваясь к потоку то вогнутой, то выпуклой стороной своего профиля.

Затем подтверждается тот факт, что в ряду других факторов гидравлического взаимодействия ротора с движущимся потоком жидкости форма профиля ротора значительно больше влияет на сопротивление давления, чем сопротивление вязкости жидкости, и потому профиль заборников ротора должен максимально приближаться как к форме высокого сопротивления, так и к форме наинизшего сопротивления при высокой обтекаемости (см.фиг.6, V+; V-), Можно сказать, что

Cxmin (11)

Cxmax есть коэффициент гидравлического равновесия ротора. Чем он меньше тем выше показатель приближения КПД к приведенному пределу для поперечного ротора.

В известных поперечных роторах (названных довольно удачно изобретателем

Блиновым Б.С, "вангроторами"), в том числе и в считающемся лучшим среди них вангроторе Бирюкова Е.С„указанные качества игнорируются в угоду профилированию "под реактивную струю", что в затопленном в потоке роторе не достижимо без введения каких-либо дополнительных устройств, могущих бы создать условия для образования в потоке свободной струи, взаимодействовавшей бы с профилем ротора по принципу отклонения создающего (см. фиг.8) динамическую реакцию струи, Так, например, в стремлении получить широкую струю в центральном канале ротора(см, фиг.60,4Д) заборник fe; ba; de спрямляется, создавая этим спрямлением уменьшения площади проекции F на сечение набегающего на заборник потока (V+ по

"be"; V+ по "Ьа"; V+ по "de"), Раскрытие к потоку спрямлением заборника de в фазе поворота ротора Бирюкова, показанной вверху(фиг.6), предполагает получить дополнительный момент вращения M на bo — ао, что с учетом мизерного плеча, на котором мог бы действовать поток

V+ по "bo-àî", было бы совершенно несущественным. Но и этого не происходит в силу вредности воздействия части заборника, развЕрнутого в виде отсекателя потока. В таком же виде заборник в точке "С" разде15

45 ляет поток на две струи, отклоняя их.— одну в зону V+ по "Ьа" вызывая турбулизацию с потерей энергии потока V+ по "Ьа", другую на внешнюю сторону заборника "If", вакуумирующую при этом зону V+ "bo-ао" отрывом потока от стенок, и между активной транзитной струей и стенкой заборника образуется область паразитного вихревого движения жидкости, на поддержание которого расходуется часть энергии основного потока, То же самое возможно наблюдать у ротора Бирюкова Е,С. и в точке при фазе поворота, изображенной внизу фиг.6.

Наряду с этим, спрямление заборников ведет к повышению коэффициента угу (12) вследствие увеличения значения Cxmin.

Так, например, коэффициент сопротивления Сх цилиндрической поверхности, являющейся основополагающей при создании профилей заборников ротора, зависит . от отношения длины цилиндра к диаметру окружности, представляющую его профиль, например (— 1;5;40, Сх соответственно 0,63;

0,74; 1,2Сх) и от величины коэффициента подобия формы сечения, Так, для цилиндра характерной формой сечения, перпендикулярной к его образующей плоскости, есть окружность, а для полуцилиндра — дуга охружности. Заборник является полуцилиндром.

Длина дуги может быть выражена через л; R и через угол, образованный радиусами окружности, стягивающими соответствующие концы дуги, Преобразуя, имеем

0,01745 R а-(< а — в градусах). лй — 0 0174

Это и есть идеальный коэффициент подобия. При уменьшении угла а условия обтекания ухудшаются и сопротивление давления увеличивается равно.как и при спрямлении дуги, являющейся профилем цилиндра, и обращении ее в прямую, переводящую полуцилиндр в плоскость.

Следовательно, в условиях сопряжения плеча и дуги заборника (см.рис.2) право мерно уравнение поскольку йп = 1, то упрощая здесь г — радиус дуги заборника; R< — угол, об азованный условным радиусом гя = — +! и радиусом r дуги заборника с вершиной, лежащей в пределах угла а дуги о

1786280 окружности, измеряемый общей длиной плеча I и дугой заборника. ! — длина плеча заборника в профиле поперечного сечения ротора, восстановленного перпендикулярно из точки на радиусе ротора до сопряжения с дугой заборника.

Отсюда Rn> Сх = Схр>Сх.

Для ротора Бирюкова Е.С, по заборнику

"И" R>> = 1,2246 по "Cd" = 1,2246.

Для ротора Новикова Ю,M. по "1111"—

1,095; по "С1б1" — 1. Например, при обычно принимаемой высоте ротора 1,5 0 для заборника Сх =0,66.

Отсюда вредные сопротивления:

1. Ротор Бирюкова Е.С. по "(Г Схр

=1,2246 0,66 =0,81; по Cd Схр = 1,2246 0,66 = 0,81: среднегеометрическое Схр длл ротора

0,81

2. Ротор Новикова Ю.М, по "1А" Cxp =

=1,095 = 0,66 = 0,7227; по С)01 Схр = 1 0,66 = 0,66

Средне геометрическое

Схр =- 0,7227 0,66 = 0,691, В фазе вращения, изображенной вверху .(фиг.6), роторы испытывают значительное влияние отрицательной нагрузки{Ч-), возникающей нэ вращающихся встречь потоку заборниках. Поскольку в этом случае линейная скорость вращающихся встречь потоку заборников роторов складываетсл со скоростью натекающего на них потока, сила сопротивления на этом заборнике в какойто момент может уравновесится с положительной силой, возникающей на заборнике, вращающемся в направлении тождественном направлению набегающего на него потока, Вследствие этого вращение ротора прервется. Для исключения подобного явления роторы размещаются и зэкрепляютсл на одной оси парами, развернутыми относительно заборников друг друга на 90 (см.фиг.6, верхний и нижний профили). Нало>кение ° профилей спаренных роторов в торцевой проекции (см.фиг,7) показывает, что центры давления потока на заборники, приведенные к центрам тяжести плоскостей, образованных конфигурацией профиля заборника и линией, идущей от точки . дуги, пересекающейся с дугой окружности ротора параллельно заборнику и перпендикуллрно линии радиуса ротора, у ротора Бирюкова E.Ñ. в один и тот же момент поворота не совпадают. Сила давления на роторные заборники s момент их.выхода на линию действия оказывается не одинаковой равно как и угол перемещенил. Следовательно

p:o>t =2лп т, где p — угол поворота от начального радиуса, t — период вращения, и — угловая скоро сть, рад„п — частота вращения, 5 Поскольку величина и на спаренных роторах значительно меняется, а угловые величины p,и> и 8, где е угловое ускорение, связаны между собой как ау = гЯ R; а =я R; V= в R, где R — радиус ротора; Ч—

10 линейная скорость; а — тангенциальное ускорение; ау — нормальное ускорение, то несимметричность располо>кения центров давления в одни и те же моменты действия силы и эксцентриситет, измеренный рассто15 янием между центрами давлений Р1- Pz = д, возбуждает силы инерции, вредно влияющие на кинематические связи ротора С гидравлической машиной (например, бесплотинной ГЭС). Величина такого инерци20 онного биения для ротора, если принять его длину по образующей цилиндра равной 1 м, . окажется: 0,5р F o> д = Pu (см фиг.б и 7).

Особенно эта неуравновешенность ска-. зывается при работе парных роторов Бирюкова Е.С. на гибком валу с креплением их к . нему через соединяющую планку скобой в одной точке.

В тот период исследований БПГЭС такое биение мной исправлялось натяжением 0. трос-вала до провиса роторной линии в 17 и установленный. на его геометрии вместо соединительной планки роторов, соответст-. вующего провису шарнирного устройства.

Из приведенного выше следует, что

З5 предлагаемый как лучший из семейства поперечных гидровингроторов, обнаруженных к настолщему времени — гидровингротор Бирюкова Е.С., имеет следующие недостатки.

40 Сечение внутреннего канала ротора завышено и допускает свободный расход набегающего на ротор потока, отклоняя его отсосом в камере канала от активных заборников, создающих вращательный момент.

Конфигурация конструкции ротора создает условия для разделения и отклонения включенного в расход ротора потока, создавая тем самым дополнительную турбулизацию натекающей на заборники струи

50 потока, ведущей к потере ее энергии.

Спрямление профиля заборников ротора в пользу расширения внутреннего канала ротора приближает их профиль к прямой линии, увеличению коэффициента сопро55 тивления формы. При повороте ротора заборником, движущимся навстречу потока, возникает дополнительное вредное сопротивление, снижающее быстроходность и

КПД ротора.

1786280

При работе роторов в паре на одной оси с разворотом их в профиле на 90, что применяется для синхронизации вращения каждого иэ роторов спарки, образуется эксцентриситет центров давления на заборниках, включенных в активный гидродинамический цикл, что ведет к возникновению биения спарки, разлаживанию кинематической. цепи, снижая общий КПД гидравлического агрегата.

Предлагаемый ротор спроектирован на основе тех представлений в гидродинамике, когда устанавливается..что для получения максимального коэффициента использования энергии потока жидкости, натекающей на гидравлическое устройство, например предлагаемый ротор, необходимо, чтобы потери скорости движения массы потока, натекающие на гидродвигэтель, составляли 1/3

V1= Чр, 3 отсюда силу, действующую в секунду времени на плоскости сопротивления давления ротора, можно получить из уравнения

P t = m V, следовательно, для проведенной гидравлической закономерности

P = m V, отсюда

3

1 1

P=m-;-V=- -m V, 3 3

Опираясь на такое представление после анализа геометрических образов, где бы геометрическое место точек и линии могло стать основой для построения конструкции, строительные элементы которой закономерно подчинялись бы распределению по принципу 2/3 активной плоскости и 1/3 выпадающей из конструкции, как строительный элемент, определялось, что таким геометрическим образом является поверхность цилиндра, где геометрическое место прямых, параллельных данной прямой 01О2 удалено от нее на расстояние R, а профиль такого геометрического места линий образуется проекцией этих линий на плоскость в виде геометрического места точек, отстоя. щих от точки проекции О Ог = — О на том же расстоянии R, куда можно вписать равносторонний треугольник, высота которото, проведенная из полюса инверсии точки О, даетточку Мт, являющуюся инверсией точки

М, расстояние между которой и точкой О есть размерная доминанта построения профиля (направляющей движенйя линии самой себе, образуя геометрическое место множества прямых). Направляющая (профиль) ротора формируется на плоскости относительно окружности заданного радиуса R, по приведенным выше координатам, основывающим инверсию так, как показано на фиг, 3. Таким образом, соизмеряя OM с диаметром окружности 0=

= 2R, находим, что OM = 1/30, и цилиндр, иэ которого необходимо получить развертку профиля заборникэ ротора, имеет цилиндрическую поверхность, равную 1/30л = OM. к. Координаты OM и МА являются координатами скругления оконечности профиля, радиус которых MA имеет своим центром точку

M. Дальнейшее логическое рассуждение поэволяет проектировать профиль заборника как сборку, составленную из частей окружности инверсии диаметром ОМ = 1/30, и

15 размещенную в пределах дуги, стягиваемой взаимно перпендикулярными радиусами окружности R. Профиль развертывается так, чтобы развертка поверхности цилиндра

d = 1/30 а разместилась в пределах стягивающих радиусов R, образуя канал в центре круга радиуса R параллельно радиусу, нэ котором совмещен отрезок обратный инверсии ОМ1. В этом случае развертка распределяется таким образом, что на перпендикулярном ОМ1 радиусе R разме1/3 D.zt щается округление — и — с полной дугои на диаметре, равном ОМ =1/30, а нэ ра20

25 диусе R, расположенном íà ОМ1, размещэотрезком ОМ = 1/3D, содержащим в своем размере параметр, компенсирующий издержкудлины проекции сферических частей

40 заборника на кривизну. выраженную приблизительно (без учета "точечной" кривизны) как т0,1667D 2 - 0.1667D = Л т.е г" .гГклйЫГ -ге

1у 3 D ю 1/ 3 0 v

2 + + 1/30 (где L общая длина профиля заборника ротора (см,фиг,5).

Так устанавливается распределение массы, натекающей на ротор со скоростью V, когда на активную часть ротора — заборники, поступает 2/3 массы, и пропускается как пассивный расход 1/3 ее. Конфигурация скругленных заборников ротора не допускает возникновения турбулентности, э коэффициент сопротивления давления Сх остается в пределах, установленных для ци50

30 1/3 к0 ется скругление 2 с дугой. стягиваемой радиусами окружности r =

=МА. Часть дуги, стягиваемая радиусами г=

=MA соседней четверти, спрямляется па35 раллельно ОМ1 и соединяется с дугой, размещенной на перпендикулярном радиусе R

1786280

12 линдра. Центры давления на заборниках, работающих в паре роторов (см. выше по тексту и фиг.7), не имеют эксцентриситета в фазе поворота и срабатывают в одном импульсе силы давления потока. Работа роторов плавна и синхронна. Предлагаемый ротор несет меньшую нагрузку и не снижает коэффициента использования энергии потока ниже максимального для поперечных роторов р = 0,2. При работе на гибком валу предлагаемый ротор выгодно отличается от других, выше приведенных, тем, что не вызывает пульсаций частоты вращения под действием набегающего потока, исключая, таким образом, возникновение крутильных колебаний гибкого вала, а следовательно, и вала приводимого в действие механизма, например генератора тока.

Обычно роторы предлагаемого типа используются в труднодоступных районах страны для привода электроагрегатов устройством бесплотинных ГЭС на имеющихся там речушках. Изготовление гидророторов и всего гидроустройства за пределами района, затрудняет доставку готового агрегата на место. Предлагаемый ротор и вся гидравлическая часть ВПГЭС могут быть изготовлены в условиях любой местной мастерской из подручных материалов, даже из дерева. поскольку профиль ротора не требует сложных разметок, Например, для изготовления ротора могут быть использованы трубы из

5 . л юбых прочных материалов.

Достаточно взять трубу б = 1/30, где 0 расчетный диаметр ротора. Затем разрезать трубу на два полуцилиндра, а полуцилиндр еще на две равные части, разметив

10 ротор, как показано на фиг.5. Простота сборки очевидна.

Формула изобретен ия

Парокрылый моментосбалансированный ротор поперечной гидротурбины, со15 держащий две S-образные лопасти, расположенные с поворотной симметрией относительно оси вращения ротора. средние участки которых выполнены плоскими, поверхности концевых участков — цилинд20 рическими, а кромки расположены на внешнем радиусе ротора, отличающийся тем, что ротор снабжен торцевыми дисками, прикрепленными к лопастям перпендикулярно их образующим, один из концевых

25 участков лопастей выполнен в виде полови-. ны цилиндра, другой — четверти, а угловое расстояние между кромками составляет

90 .

1786280

1786280 е, -с

Vo

1786280

0роф идь Яо gukali7

1786280 потйниа ея8вРт

C(4geu9 ЩД) Рф3

Составитель l0, Новиков

Техред М.Моргентал Корректор Л, Филь

Редактор С, Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 238 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5