Ковшовая вертикальная гидротурбина

 

Использование: в турбостроении. Сущность изобретения: направляющий аппарат и рабочее колесо охвачены сверху кожухом. Под ними расположена шахта, на дне которой соосно с рабочим колесом установлена обечайка с диаметром окружности верхней кромки больше внешнего диаметра рабочего колеса, выполненная с окном для сообщения внутренней полости с наружным пространством. Обечайка сформирована в виде усеченного конуса с соотношением диаметра нижнего и верхнего оснований в диапазоне от 1,5 до 2,1 при расположении верхнего основания ниже рабочего колеса на расстоянии от 0,2 до 0,6 расчетного диаметра колеса. На верхнем основании конуса закреплены помосты кольцевой формы. Диаметр верхнего основания составляет от 1,1 до 1,3 расчетного диаметра колеса. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к турбостроению, а боле точно к ковшовой гидротурбине с вертикальной осью вращения.

В число основных элементов ковшовой вертикальной гидротурбины, определяющих ее главные энергоэкономические показатели, входят направляющий аппарат и рабочее колесо, охваченные сверху кожухом, а также расположенная под ними шахта. При их выполнении должна быть предусмотрена также возможность ревизий и ремонтов рабочего колеса и направляющего аппарата, а кроме того демонтаж рабочего колеса для транспортировки его к месту капитального ремонта.

Оснащение шахты стационарными помостями для осуществления технического обслуживания не получило распространения из-за повышенных потерь энергии, обусловленных взаимодействием отработавшего потока воды с помостями и их опорными балками, а также из-за необходимости значительного усиления этих элементов. Известно использование сменных помостов для технического обслуживания рабочих колес турбин. В таких турбинах в стенках шахты (или другого соответствующего колодца) выполняются упрочненные карманы для установки основных опорных балок, на которых с помощью соединительных устройств закрепляются помосты. Однако такое оборудование существенно увеличивает трудоемкость работ и период времени, необходимые на техническое обслуживание. Кроме того использование сменных помостов в недостаточной степени отвечает требованиям безопасности труда.

Известна ковшовая вертикальная гидротурбина с улучшенными энергоэкономическими свойствами, которая является ближайшим аналогом настоящего изобретения. Эта турбина содержит направляющий аппарат и рабочее колесо, охваченные сверху кожухом, и расположенную под ними шахту, на дне которой соосно с рабочим колесом установлена обечайка с диаметром окружности верхней кромки больше внешнего диаметра рабочего колеса, в котором выполнено окно для сообщения ее внутренней полости с наружным пространством. Улучшение энергетических характеристик в этой турбине достигается за счет пространственного разделения потоков отработавшей воды, сходящих с верхней и нижней чаш ковшей, стенкой цилиндрической обечайки, верхняя кромка которой расположена на уровне центральной плоскости рабочего колеса. Так как диаметр окружности обечайки больше внешнего диаметра рабочего колеса и в ней имеется окно, рабочее колесо может быть демонтировано через такую обечайку и выведено к месту капитального ремонта. Однако условия для ревизий и ремонтов по месту направляющего аппарата и рабочего колеса в такой турбине из-за наличия указанной обечайки крайне неблагоприятны, что является существенным недостатком турбины. Кроме того, стенка обечайки в описанной турбине, при ее вертикальном протяжении, подвержена значительным динамическим нагрузкам потоков воды, сходящих с нижних чаш ковшей рабочего колеса, что требует принятия мер к ее усилению, а это сопряжено со значительными материальными затратами.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания такой ковшовой вертикальной турбины, в которой при использовании обечайки на дне шахты для улучшения энергоэкономических характеристик вместе с тем, благодаря соответствующей форме и расположению обечайки, обеспечивались бы и благоприятные условия для всех видов технического обслуживания направляющего аппарата, рабочего колеса и других элементов.

Эта задача решается в ковшовой вертикальной турбине, содержащей направляющий аппарат и рабочее колесо, охваченные сверху кожухом, и расположенную под ними шахту, на дне которой установлена обечайка, в которой, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, обечайка выполнена в виде усеченного конуса с соотношением диаметров большего и меньшего оснований в диапазоне от 1,5 до 2,1 при расположении верхнего основания ниже рабочего колеса на расстоянии от 0,2 до 0,6 расчетного диаметра рабочего колеса, при этом на верхнем основании конуса закреплены помосты кольцевой формы.

Указанный диапазон расположения верхнего основания конусной обечайки от рабочего колеса установлен из условий обеспечения пространственного разделения потоков воды, сходящих с верхней и нижней чаш ковшей и, вместе с тем, удобства обеспечения технического обслуживания. При этом существенность границ указанного диапазона подтверждена экспериментальным путем. Соотношение диаметров оснований конусов установлено путем макетного моделирования из условия обеспечения благоприятных энергоэкономических показателей в установленном диапазоне расположения верхнего основания конусной обечайки относительно рабочего колеса.

При таком исполнении, благодаря конусной форме обечайки, обеспечивается не только пространственное разделение отработавшего потока воды, но также и стабилизация сходящего по внешней конусной поверхности обечайки потока воды, что позволяет резко снизить разбрызгивание воды, а следовательно, уменьшить гидравлические и вентиляционные потери. Вместе с тем расположение верхнего основания конусной обечайки на определенном расстоянии ниже рабочего колеса и закрепление на этом основании стационарных помостов кольцевой формы позволяет создать благоприятные условия для ревизий и ремонтов рабочего колеса и направляющего аппарата. При этом, благодаря конусной форме обечайки, потоки воды, сходящие с нижних чаш ковшей рабочего колеса, оказывают значительно меньшие динамические усилия на внутреннюю поверхность стенки обечайки, что позволяет существенно снизить материальные расходы на ее изготовление при обеспечении ее высокой устойчивости.

Предпочтительно, чтобы при указанных соотношениях формы конусной обечайки диаметр ее верхнего основания составлял от 1,1 до 1,3 расчетного диаметра рабочего колеса. Как показали экспериментальные исследования, указанный диапазон обеспечивает наиболее благоприятные энергоэкономические характеристики.

На фиг.1 показана нижняя часть ковшовой вертикальной гидротурбины в продольном разрезе; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 экспериментальные кривые зависимости КПД турбины от соотношения диаметров нижнего и верхнего оснований конусной обечайки при различном уровне расположения верхнего основания; на фиг.4 экспериментальные кривые зависимости КПД турбины от диаметра верхнего основания конусной обечайки, отнесенного к расчетному диаметру рабочего колеса; на фиг.5 экспериментальные кривые зависимости КПД турбины при усредненных значениях формы и расположения конусной обечайки, выполненной в соответствии с изобретением, от мощности при различных значениях величины напора.

Ковшовая вертикальная гидротурбина содержит рабочее колесо 1 с вертикальной осью вращения, несущее ковши, составленные из верхней 2 и нижней 3 чаш, на которые подаются струи через сопла направляющего аппарата 4 (фиг.1), Напорные струи взаимодействуют с ковшами по касательной окружности диаметром D₁, являющимся расчетным диаметром рабочего колеса 1. Рабочее колесо 1 и направляющий аппарат 4 охвачены сверху кожухом 5, который в меридиальном сечении имеет сферическую форму для плавного обтекания его отработавшим потоком воды, сходящим с верхних чаш 2 ковшей, а в плане имеет форму многогранника для обеспечения большей технологичности изготовления (фиг.2).

Ниже указанных элементов располагается шахта 6, повторяющая в плане форму кожуха 5 и соединенная с отводным каналом 7.

В соответствии с изобретение на дне шахты 6 установлена конусная обечайка 8, в нижней части которой по оси отводного канала 7 выполнено окно 9, свободной сечение которого достаточно для прохода рабочего колеса 1. На верхнем основании конусной обечайки 8 закреплены решетчатые помосты 10 кольцевой формы в плане, но выполненные с многогранным внутренним и наружным обводом, аналогичным форме стенок шахты 6 в плане.

Конусная обечайка 8 выполнена с углом наклона образующей таким, при котором соотношение диаметров большего D и меньшего d составляет от 1,5 до 2,1. При этом эти диаметры могут определяется как внутренние диаметры (в соответствии с обозначениями на фиг.1), а также как наружные или осевые диаметры стенки конусной обечайки, так как для угла наклона образующей конусной обечайки абсолютные значения диаметров не являются определяющими. При этом верхнее основание конусной обечайки 8 расположено ниже рабочего колеса на расстоянии h, составляющем от 0,2 до 0,6 расчетного диаметра D₁ рабочего колеса 1.

На испытательном стенде ПО "Ленинградский металлический завод" были выполнены экспериментальные исследования модели ковшовой вертикальной гидротурбины Татевской ГЭС. Исследования проводились на модели с расчетным диаметром рабочего колеса D₁ 375 мм, по общепринятой методике при напорах Н 30-40 м и расходах Q₁' 20-175 мс. В шахте модельной гидротурбины устанавливались конусные обечайки различной формы и расположения верхнего основания относительно оси рабочего колеса.

Результаты испытаний представлены в виде графиков на фиг.3-5.

Как это видно из фиг.3, соотношение диаметров D/d нижнего и верхнего оснований конусной обечайки 8 оказывает существенное влияние на КПД турбины, позволяя его увеличить при диапазоне указанного соотношения от 1,5 до 2,1. При этом увеличение КПД проявляется при расположении верхнего основания конусной обечайки 8 на расстоянии h, составляющим от 0,2 до 0,6 расчетного диаметра D₁ рабочего колеса. Из фиг.3 видно, что при увеличении этого соотношения до 0,6 увеличение КПД турбины незначительно. Очевидно, что это связано с тем, что конусная обечайка 8 оказывается неспособной разделять потоки воды, сходящие с верхних 2 и нижних 3 чаш ковшей. Из фиг.3 видно также, что при уменьшении соотношения h/D₁ до 0,2 увеличение КПД также незначительно. Поэтому значение соотношения h/D₁ 0,2 следует считать минимально целесообразным, при этом достигается повышение КПД турбины и обеспечивается хороший доступ к рабочему колесу 1 и направляющему аппарату 4 для ревизий и ремонтов. Следует отметить, что приведенные на фиг.3 кривые относятся к варианту испытаний, в котором отношение высоты h расположения верхнего основания конусной обечайки 8 к расчетному диаметру D₁ рабочего колеса составляло 1,2. При этом кривые относятся к режиму максимальных напора и расхода при значении мощности, составляющем 75% от максимального. Однако и при других указанных величинах поле кривых располагалось выше оси абсцисс, а характер кривых сохранялся.

Диаметр d верхнего основания конусной обечайки 8 должен быть больше внешнего диаметра рабочего колеса 1 для обеспечения его демонтажа и транспортировки через шахту 6 к месту капитального ремонта. Вместе с тем этот диаметр d не должен быть слишком большим, при котором конусная обечайка 8 не будет обеспечивать удовлетворительного разделения потоков воды, сходящих с верхних 2 и нижних 3 чаш ковшей. На фиг.4 приведены кривые зависимости КПД турбины от диаметра d верхнего основания конусной обечайки, отнесенного к расчетному диаметру D₁ рабочего колеса 1. Эти данные получены в одном из фрагментов экспериментальных исследований в режиме 75% мощности от максимальной при напоре Н 40 м и максимальном расходе воды для конусной обечайки с соотношением D/d 1,7 и расположением ее верхнего основания на расстоянии h 0,4 D₁. При других значениях этих соотношений в пределах обусловленного диапазона характер кривых сохранялся таким же, как и на фиг.4. Из этих кривых было выведено условие, что предпочтительный диапазон диаметра d верхнего основания конусной обечайки 8 составляет от 1,1 D₁ до 1,3 D₁.

На фиг.5 приведены сравнительные кривые экономической эффективности турбин в функции от мощности для турбины с использованием конусной обечайки 8 в соответствии с изобретением (сплошные линии) и для турбины, выполненной без установки в шахте какого-либо специального устройства (пунктирные линии). Эти данные относятся к испытаниям модельной турбины со следующими рассмотренными выше соотношениями: D/d 1,8; h/D₁ 0,4; h 1,2 D₁. Как видно из приведенных кривых, ковшовая вертикальная турбина в соответствии с изобретением в диапазоне полных рабочих нагрузок имеет повышенный КПД по сравнению с известными ранее действующими турбинами.

Формула изобретения

1. КОВШОВАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГИДРОТУРБИНА, содержащая направляющий аппарат и рабочее колесо, охваченные сверху кожухом, и расположенную под ними шахту, на дне которой соосно с рабочим колесом установлена обечайка с диаметром окружности верхней кромки больше внешнего диаметра рабочего колеса, выполненная с окном для сообщения внутренней полости с наружным пространством, отличающаяся тем, что обечайка выполнена в виде усеченного конуса с соотношением диаметров нижнего и верхнего оснований в диапазоне от 1,5 до 2,1 при расположении верхнего основания ниже рабочего колеса на расстоянии от 0,2 до 0,6 расчетного диаметра рабочего колеса, при этом на верхнем основании конуса закреплены помосты кольцевой формы.

2. Гидротурбина по п.1, отличающаяся тем, что диаметр верхнего основания конусной обечайки составляет 1,1 1,3 расчетного диаметра рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5