Лопасть для гидротурбины
Изобретение относится к лопасти гидротурбины. Лопасть (1.1) включает в себя тело из стального листа или стального литья, которое при эксплуатации имеет соприкасающиеся с водой противолежащие друг другу наружные поверхности, по меньшей мере одну разгрузочную канавку, которая находится в краевой области лопасти (1.1) и которая проходит через противолежащие друг другу области наружных поверхностей, отверждаемую наполнительную массу, которая заполняет полость канавки. На поверхности канавки зафиксированы удерживающие тела, которые в смонтированном состоянии заделаны в наполнительную массу. Удерживающие тела имеют выступы, которые при затвердевшей наполнительной массе за счет геометрического замыкания препятствуют выпадению наполнительной массы. Изобретение направлено на выполнение лопасти с разгрузочной канавкой с наполнительной массой, которая надежно и долговечно фиксируется без негативного влияния на поток. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение касается гидротурбин, в частности осевых гидротурбин, например турбин Каплана. См., например, DE 10100963 A1.
Такая турбина в качестве основных частей имеет рабочее колесо, направляющий аппарат, а также корпус. Рабочее колесо включает в себя вал, а также некоторое количество лопастей, которые установлены на валу и вращаются вместе с ним. Лопасти в совокупности могут поворачиваться вокруг осей вращения, которые проходят перпендикулярно продольной оси вала.
Поворот лопастей служит для того, чтобы оптимизировать коэффициент полезного действия турбины, причем во всем рабочем диапазоне. Кроме того, при соответствующем повороте уменьшается или предотвращается кавитация.
Кавитация издавна представляет собой серьезную проблему. Она возникает в местах, в которых статическое давление потока падает, в то время как скорость потока возрастает. Это происходит, например, в области хвостовика лопасти, где возникает так называемое местное напряжение.
Во избежание местного напряжения известно, что в материале предусматривается канавка, то есть выемка, которая предотвращает резкие изменения контура и вместо этого создает плавные переходы контура.
Лопасти для гидротурбин состоят из литой стали. Таким образом, они являются массивными. При вырезании разгрузочной канавки опасность высокого местного напряжения устраняется по меньшей мере в значительной степени. Однако образующая канавку полость является нежелательной, так как она приводит к возмущениям потока и тем самым к уменьшению коэффициента полезного действия турбины. Поэтому канавку наполняют наполнительной массой. После этого поверхность наполнительной массы обрабатывается и полируется. Благодаря этому восстанавливается старый контур лопасти, то есть контур до вырезания разгрузочной канавки.
Таким образом, достигнуто следующее: нежелательные воздействия канавки, то есть местное напряжение, предотвращено и лопасть обтекается также в области канавки, как если бы этой разгрузочной канавки совсем не было.
При этом, однако, возникла другая проблема: фиксация наполнительной массы в канавке связана с затратами и, кроме того, ненадежна. Например, существует опасность, что наполнительная масса во время эксплуатации выпадет из канавки либо полностью, либо частично, в частности, в области сбега наполнительной массы, где толщина слоя мала.
В основе изобретения лежит задача выполнить лопасть для гидротурбины согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения таким образом, чтобы при изготовлении разгрузочной канавки наполнительная масса могла фиксироваться надежно и долговечно и без негативного влияния на поток.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.
Существенными признаками являются следующие:
- поверхность канавки снабжена удерживающими телами, которые в смонтированном состоянии заделаны в наполнительную массу;
- удерживающие тела имеют выступы, которые при затвердевшей наполнительной массе препятствуют выпадению этой наполнительной массы.
Удерживающие тела представляют собой лучше всего штифты, или пальцы, или винты. Они жестко соединяются с поверхностью канавки лопасти, например, сваркой. Винты являются идеальными, постольку поскольку они не нуждаются ни в какой дополнительной обработке. С помощью резьбы и головок винтов осуществляется сцепление с наполнительной массой.
Также могут предусматриваться штифтообразные удерживающие тела, которые являются изогнутыми. Другое решение заключается в том, чтобы расположить два или более штифтообразных удерживающих тел таким образом, чтобы они за счет различной ориентации их продольных осей препятствовали выпадению наполнительной массы.
Уровень техники, а также изобретение пояснены подробнее с помощью чертежей, где, в частности, изображено следующее:
фиг. 1 - известная турбина Каплана, имеющая поворотные лопасти, в вертикальной проекции и частично в разрезе;
фиг. 2 - схематичное изображение лопасти на виде сверху, имеющей хвостовик лопасти и незаполненные разгрузочные канавки;
фиг. 3 - лопасть, имеющая хвостовик лопасти и заполненную разгрузочную канавку, по уровню техники;
фиг. 4 - один из вариантов осуществления в соответствии с изобретением, включающий в себя лопасть (перо), хвостовик лопасти, наполнительную массу и винты удерживающего тела;
фиг. 5 - трехмерный вид поверхности канавки в соответствии с изобретением, снабженной удерживающими телами.
Показанная на фиг. 1 турбина Каплана имеет рабочее колесо 1, которое установлено на валу 2. Вал 2 расположен вертикально. Рабочее колесо имеет поворотные (переставляемые) лопасти (перья) 1.1.
Рабочее колесо охвачено направляющей поток стенкой 3. Кроме того, предусмотрен венец 4 направляющих лопастей. Он установлен в стенке 3. Направляющие лопасти 4.1 также являются поворотными (переставляемыми).
Для поворота (перестановки) служит предлагаемое изобретением перестановочное устройство, у которого прикладывается перестановочное усилие поворота, пропорциональное высоте напора.
Из фиг. 2 видна традиционная лопасть 1.1 турбины Каплана, имеющая хвостовик 1.2 лопасти. В области хвостовика лопасть 1.1 имеет две разгрузочные канавки 5. Они еще не заполнены наполнительной массой.
Фиг. 3 поясняет один из известных вариантов осуществления, включающий в себя рабочую лопасть 1.1, хвостовик 1.2 рабочей лопасти и наполнительную массу 6. Наполнительная масса 6 приклеена к основанию разгрузочной канавки 5 слоем 7 эпоксидной смолы и, кроме того, еще сварена с лопастью 1.1 - см. сварной шов 8.
Фиг. 4 представляет собой очень схематичное изображение предлагаемой изобретением лопасти 1.1, имеющей хвостовик 1.2 лопасти, наполнительный материал 6 и удерживающие тела 10. Наполнительная масса 6 состоит из отверждаемого материала, например двухкомпонентного клея или полимерного материала. Кроме того, она содержит путанину из волокон, например из металлических нитей.
На фиг. 4 показана поверхность 5.1 канавки. На этом виде она представляет собой круглый сегмент. Относительно лопасти 1.2 она является кольцеобразной. Удерживающие тела в настоящем случае представляют собой винты 10. Одним своим концом они приварены к поверхности 5.1 канавки.
В смонтированном состоянии винты 10 вдаются в наполнительную массу 6, полностью заделаны в нее и сцепляются с путаниной из волокон, так что наполнительная масса после отверждения этой наполнительной массы надежно зафиксирована.
Винты ориентированы под разными углами, а именно с учетом того, чтобы они вместе препятствовали вытягиванию наполнительной массы 6.
Список ссылочных позиций
| 1 | Рабочее колесо |
| 1.1 | Лопасть |
| 1.2 | Хвостовик лопасти |
| 2 | Вал |
| 3 | Стенка |
| 4 | Венец направляющих лопастей |
| 4.1 | Направляющая лопасть |
| 5 | Разгрузочная канавка |
| 5.1 | Поверхность канавки |
| 6 | Наполнительная масса |
| 7 | Слой эпоксидной смолы |
| 8 | Сварной шов |
| 10 | Удерживающее тело |
1. Лопасть (1.1) для гидротурбины, включающая в себя следующие признаки или, соответственно, конструктивные элементы:
тело из стального листа или стального литья, которое при эксплуатации имеет соприкасающиеся с водой, противолежащие друг другу наружные поверхности;
по меньшей мере одну разгрузочную канавку (5), которая находится в краевой области лопасти (1.1) и которая проходит через противолежащие друг другу области наружных поверхностей;
отверждаемую наполнительную массу (6), которая заполняет полость канавки (5);
отличающаяся тем, что
на поверхности (5.1) канавки зафиксированы удерживающие тела (10), которые в смонтированном состоянии заделаны в наполнительную массу (6);
удерживающие тела (10) имеют выступы, которые при затвердевшей наполнительной массе препятствуют выпадению этой наполнительной массы (9).
2. Лопасть (1.1) по п. 1, отличающаяся тем, что в наполнительную массу (6) заделана путанина из волокон.
3. Лопасть (1.1) по п. 1, отличающаяся тем, что удерживающие тела (10) состоят из винтов.
4. Лопасть (1.1) по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что удерживающие тела являются штифтообразными и изогнутыми.
5. Лопасть (1.1) по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что наполнительная масса (6) представляет собой синтетический материал, например двухкомпонентный клей или полимер.
