EA019417B1 - Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины - Google Patents
Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины Download PDFInfo
- Publication number
- EA019417B1 EA019417B1 EA201200836A EA201200836A EA019417B1 EA 019417 B1 EA019417 B1 EA 019417B1 EA 201200836 A EA201200836 A EA 201200836A EA 201200836 A EA201200836 A EA 201200836A EA 019417 B1 EA019417 B1 EA 019417B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- section
- blade
- hub
- thickness
- rim
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
- F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
- F03B3/121—Blades, their form or construction
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2240/00—Components
- F05B2240/20—Rotors
- F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
- F05B2240/301—Cross-section characteristics
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Abstract
Изобретение относится к области гидротурбостроения и может быть использовано при разработке рабочих колес радиально-осевых гидротурбин. Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины содержит обод, ступицу и лопасти, каждая из которых соединена с ободом и ступицей и выполнена с входной и выходной кромками изогнутого профиля и плавно изменяющейся толщиной в направлении от входной кромки к выходной и от ступицы к ободу. Лопасти лопаточного аппарата выполнены с утолщенной частью вблизи входной кромки, причем максимальная толщина лопасти в сечении ее ступицей больше максимальной толщины лопасти в сечении ее ободом. Определены оптимальные интервалы значений параметров: максимальной толщины сечения лопасти ступицей, максимальной толщины сечения лопасти ободом, а также мест их расположения вдоль распрямленной срединной линии соответствующего сечения. Технический результат: предотвращение отрыва потока за входными кромками лопастей при работе гидротурбины на режимах с повышенными напорами и режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров.
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области гидротурбостроения и может быть использовано при разработке рабочих колес радиально-осевых гидротурбин с целью обеспечения стабильной и надежной работы на режимах с повышенными напорами, а также на режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров.
Известно, что для указанных режимов работы гидротурбины характерны большие значения гидродинамических углов атаки, что является причиной отрыва потока за входными кромками лопастей. Проведенные заявителем на лабораторных стендах модельные испытания рабочих колес радиально-осевых гидротурбин, а также численное трехмерное моделирование потока позволили выявить, что отрыв потока за входными кромками лопастей принимает форму вихря, который возникает на стороне низкого давления лопасти в непосредственной близости от входной кромки в примыкании её к ступице рабочего колеса и развивается в межлопастном канале от ступицы к ободу по направлению к выходной кромке. Также эти исследования показали, что обтекание участка лопасти, примыкающего к ободу, происходит без отрыва потока за входной кромкой. Таким образом, на стороне низкого давления лопастей вблизи выходных кромок происходит диссипация (рассеяние) вихрей и коллапс (схлопывание) содержащихся в них паровых пустот. Вследствие описанного выше процесса происходит потеря энергии движущегося потока жидкости, возникают высокочастотные пульсации давления в потоке и кавитационная эрозия на стороне низкого давления лопасти вблизи выходной кромки. В результате при работе гидротурбины на режимах повышенных напоров, а также на режимах частичных нагрузок имеют место резкое снижение КПД турбины, нестабильность потока и более интенсивный процесс кавитационной эрозии лопастей рабочего колеса.
Оптимизация профиля поверхности лопасти является одной из ключевых задач при разработке лопаточного аппарата рабочего колеса, так как геометрические характеристики профиля лопасти (распределение толщины по направлению от входной кромки к выходной, значение максимальной толщины и ее место расположения) оказывают существенное влияние на энергокавитационные характеристики рабочего колеса.
В гидротурбостроении известно, что утолщение лопасти при сохранении неизменными всех остальных параметров влечет за собой возрастание скоростей потока, обтекающего лопасть, что, в свою очередь, ведет к уменьшению давления как на вогнутой, так и на выпуклой стороне профиля и, следовательно, к снижению энергокавитационных характеристик рабочего колеса. Обычно для достижения более высоких энергокавитационных показателей толщину сечения лопасти выбирают минимально возможной, исходя из условий обеспечения необходимой прочности конструкции.
Значение кавитационного коэффициента можно изменять также и за счет перемещения положения точки максимальной толщины сечения вдоль срединной линии сечения лопасти (при одном и том же значении максимальной толщины сечения).
Под срединной линией сечения лопасти понимается линия сечения, равноудаленная от рабочей поверхности и тыльной поверхности лопасти.
Известно, что перемещение точки максимальной толщины к выходной кромке вызывает утолщение сечения лопасти именно в зоне максимального разряжения и приводит к снижению энергокавитационных характеристик. С другой стороны, перемещение точки максимальной толщины сечения к входной кромке всегда позволяет существенно улучшить кавитационные качества, однако, в этом случае существуют определенные конструктивные ограничения.
Следует также отметить, что известны аэродинамические профили с сильно утолщенной головной частью по всей высоте лопасти, применяемые при проектировании летательных аппаратов и выдерживающие большой диапазон углов атаки набегающего потока, до 40°, без отрыва пограничного слоя. Однако опыт проектирования и эксплуатации гидротурбин показывает, что в гидротурбостроении применение такого типа профилей нецелесообразно по двум причинам. Сильное утолщение головной части профиля по всему размаху лопасти от ступицы к ободу приводит к увеличению гидравлических потерь энергии и снижению КПД гидротурбины на режимах с высокими относительными скоростями потока на входе в рабочее колесо, а также к ухудшению кавитационных характеристик гидротурбины на большинстве рабочих режимов. Кроме того, решения, применяемые в аэродинамике, не применимы в гидротурбостроении вследствие различного характера отрыва потока на крыловом аэродинамическом профиле летательного аппарата и на лопасти радиально-осевой гидротурбины: на аэродинамическом профиле крыла отрыв потока характеризуется возникновением периодически отделяющихся от входной кромки вихрей, оси которых параллельны входной кромке крыла и которые простираются по всей ширине (размаху) крыла, а на лопасти лопаточного аппарата рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины основная часть вихря устойчиво вращается, ось его быстро отклоняется от положения, параллельного входной кромке, и приближается к положению, параллельному линии пересечения лопасти с ободом, при этом неустойчивое состояние вихря возникает в хвостовой его части на выходе потока из межлопастного канала.
Традиционная конструкция лопаточного аппарата рабочего колеса, применяемая в радиальноосевых гидротурбинах, включает в себя ступицу, обод, лопасти, каждая из которых выполнена с входной и выходной кромками, причем тело лопасти, заключенное между ступицей, ободом, входной и выходной
- 1 019417 кромками, имеет переменную толщину. При этом согласно рекомендациям, основанным на результатах исследований влияния параметров, в том числе геометрии профилей лопастей, на гидродинамические показатели рабочего колеса, профиль поперечного сечения лопасти относительно распрямленной срединной линии сечения выполняется выпуклым, а место расположения точки максимальной толщины профиля сечения принимается на расстоянии от входной кромки 25-35% длины срединной линии сечения. [Гутовский Е.В., Колтон А.Ю. Теория и гидродинамический расчет гидротурбин. Л.: Машиностроение, 1974 г., с. 352-357].
Следует отметить, что рассмотрение распределения толщины сечения вдоль распрямленной срединной линии дает более наглядное представление о форме профиля сечения. Именно поэтому заявитель использует понятие распрямленной срединной линии сечения лопасти и далее рассматривает профиль сечения лопасти относительно распрямленной срединной линии.
Описанное выше традиционное выполнение лопаточного аппарата является на сегодняшний день наиболее распространенным в гидротурбостроении.
В качестве наиболее близкого к заявляемому техническому решению предлагается выбрать лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, направленного на повышение КПД и улучшение кавитационных, эрозионных и пульсационных характеристик при частичных нагрузках [авт. св. СССР № 8И 1659679, Е03В 3/12, опубликовано 30.06.1991 г.]. Лопаточный аппарат рабочего колеса содержит верхний обод, являющийся центральной частью (ступицей) рабочего колеса, и нижний обод (обод), а также закрепленные между ними лопасти. Согласно соотношениям геометрических параметров, в соответствии с которыми выполнена поверхность каждой лопасти, входная и выходная кромки каждой лопасти имеют изогнутый профиль и переменную толщину, плавно изменяющуюся в направлении от входной кромки к выходной кромке и от ступицы к ободу. Анализ геометрических параметров поверхности лопасти показывает, что в данном случае имеет место традиционное решение, при котором профиль поперечного сечения лопасти относительно распрямленной срединной линии сечения выполнен выпуклым, толщина сечения от входной кромки увеличивается, достигая максимального значения, после чего уменьшается до выходной кромки, при этом точка максимальной толщины сечения лопасти расположена от входной кромки в пределах 25-35% длины срединной линии сечения, а значение максимальной толщины лопасти практически не изменяется по высоте лопасти в направлении от ступицы к ободу.
Применение рассмотренных выше технических решений в разработке рабочих колес радиальноосевых гидротурбин не позволяет при эксплуатации на режимах с повышенными напорами, а также на режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров исключить отрыв потока за входными кромками лопастей лопаточного аппарата рабочего колеса и образование вихрей в межлопастных каналах, вследствие чего на указанных режимах происходит увеличение гидравлических потерь в потоке, имеет место более интенсивный процесс кавитационной эрозии лопастей и возникновение высокочастотных пульсаций давления в потоке.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в предотвращении отрыва потока за входными кромками лопастей при работе турбины на режимах с повышенными напорами, а также на режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров, что позволяет обеспечить снижение гидравлических потерь при одновременном уменьшении нестабильности потока и уменьшении кавитационной эрозии на лопастях рабочего колеса.
Для достижения указанного технического результата предлагается лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, содержащий обод, ступицу и лопасти, каждая из которых соединена с ободом и ступицей и выполнена с входной и выходной кромками изогнутого профиля, причем толщина лопасти плавно изменяется в направлении от входной кромки к выходной и в направлении от ступицы к ободу.
При этом согласно изобретению профиль сечения лопасти поверхностью ступицы относительно распрямленной срединной линии сечения имеет выпуклый участок, начинающийся от входной кромки, толщина которого сначала увеличивается, а затем уменьшается. За упомянутым выше выпуклым участком профиля сечения следует вогнутый участок. При этом толщина сечения лопасти поверхностью ступицы плавно увеличивается от входной кромки и достигает максимального значения на расстоянии от входной кромки, составляющем 8-16% длины срединной линии сечения лопасти поверхностью ступицы, после чего толщина сечения плавно уменьшается до выходной кромки. Максимальное значение толщины данного сечения составляет 2,7-4,5% номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины.
Профиль сечения лопасти поверхностью обода относительно распрямленной срединной линии сечения выполнен выпуклым. Толщина сечения лопасти поверхностью обода от входной кромки плавно увеличивается и достигает максимального значения на расстоянии от входной кромки, составляющем 1234% длины срединной линии сечения лопасти поверхностью обода. Затем толщина данного сечения плавно уменьшается до выходной кромки. Максимальное значение толщины сечения лопасти поверхностью обода составляет 1,4-2,2% номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины.
Предлагаемые геометрические характеристики формы лопасти лопаточного аппарата и интервалы значений параметров выявлены заявителем в результате проведенных исследований и являются оптимальными для достижения указанного выше технического результата.
- 2 019417
Выполнение лопастей лопаточного аппарата с утолщенной частью вблизи входной кромки согласно тому, как описано выше, позволяет на режимах с повышенными напорами и на режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров расширить диапазон безударных углов натекания потока и тем самым исключить отрыв потока на лопастях рабочего колеса, а также образование вихря в межлопастных каналах, что подтверждается результатами проведенных заявителем модельных и натурных испытаний, а также результатами трехмерного математического моделирования потока. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение кавитационной эрозии на лопастях рабочего колеса, устранение высокочастотных пульсаций давления потока в проточной части, повышение величины достигаемого гидротурбиной КПД, что в конечном итоге позволяет значительно расширить диапазон нагрузок, характеризующийся надежной работой гидротурбины, и, что особенно важно, указанный результат достигается без ухудшения характеристик гидротурбины при других режимах работы.
Для достижения указанного выше технического результата применены неочевидные для специалиста решения, явным образом не вытекающие из уровня техники, а именно, выполнение лопастей лопаточного аппарата с утолщенной частью вблизи входной кромки, причем максимальная толщина лопасти в корневом сечении (сечении лопасти поверхностью ступицы) больше, чем максимальная толщина лопасти в сечении ее поверхностью обода.
При этом заявителем в результате проведенных исследований установлены указанные выше оптимальные значения интервалов следующих параметров: максимальной толщины сечения лопасти поверхностью ступицы, максимальной толщины сечения лопасти поверхностью обода, а также мест их расположения вдоль распрямленной срединной линии соответствующего сечения.
Проведенные модельные испытания и трехмерное математическое моделирование потока подтвердили, что именно в указанных интервалах параметров на режимах с повышенными напорами, а также на режимах с частичными нагрузками во всем диапазоне рабочих напоров обеспечивается предотвращение отрыва потока за входными кромками лопастей лопаточного аппарата рабочего колеса и образования вихря в межлопастных каналах.
Следует также отметить, что при указанных соотношениях параметров лопасти конструкция лопаточного аппарата обладает необходимой прочностью и надежностью, что также подтверждено результатами расчетов, выполненных заявителем, и проведенными модельными и натурными испытаниями.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию изобретательский уровень.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлено меридианное сечение лопаточного аппарата рабочего колеса радиальноосевой гидротурбины, где изображены обод 1, ступица 2, одна из лопастей 3 с входной 4 и выходной 5 кромками;
на фиг. 2 - профиль сечения лопасти лопаточного аппарата поверхностью ступицы (корневое сечение лопасти) при распрямленной срединной линии сечения; показано распределение толщины корневого сечения лопасти вдоль распрямленной срединной линии АТ;
на фиг. 3 - профиль сечения лопасти поверхностью обода при распрямленной срединной линии сечения; показано распределение толщины сечения вдоль распрямленной срединной линии А'Р';
на фиг. 4 - линии тока в межлопастном канале на ступице лопаточного аппарата рабочего колеса с традиционным распределением толщины лопасти при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки (при расходе 75% от оптимального расхода) и возникновение вихря за входной кромкой лопасти;
на фиг. 5 - распространение вихря в межлопастном канале лопаточного аппарата рабочего колеса с традиционным распределением толщины лопасти при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки (при расходе 75% от оптимального расхода);
на фиг. 6 - линии тока в межлопастном канале на ободе лопаточного аппарата рабочего колеса с традиционным распределением толщины лопасти при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки;
на фиг. 7 - линии тока в межлопастном канале на ступице лопаточного аппарата, выполненного согласно заявляемому техническому решению, при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки;
на фиг. 8 - линии тока в межлопастном канале на ободе лопаточного аппарата, выполненного согласно заявляемому техническому решению, при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки;
на фиг. 9 - графики зависимости КПД (%) гидротурбины от приведенного расхода О/ (м3/с) для модели гидротурбины с лопаточным аппаратом, выполненным согласно заявляемому техническому решению (график № 1), и для модели гидротурбины с лопаточным аппаратом, выполненным с традиционным распределением толщины лопасти (график № 2). Зависимости приведены для режима работы гидротурбины при повышенном напоре, составляющем 112% оптимального напора;
на фиг. 10 - графики зависимости КПД (%) гидротурбины от приведенного расхода О/ (м3/с) для режима работы гидротурбины при пониженном напоре, составляющем 80% оптимального напора. График № 1 - для модели гидротурбины с лопаточным аппаратом, выполненным согласно заявляемому техническому решению, график № 2 - для модели гидротурбины с лопаточным аппаратом, выполненным согласно традиционному решению.
Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины содержит (фиг. 1) ступицу 2
- 3 019417 рабочего колеса, посредством которой рабочее колесо крепится к валу гидротурбины (на фиг. 1 не обозначены), лопасти 3, закрепленные на ступице 2 корневыми сечениями, и обод 1, связывающий концы лопастей. Каждая лопасть имеет входную 4 и выходную 5 кромки.
Учитывая результаты, полученные при выполнении расчетов и проведении лабораторных исследований, заявителем был определен подход к формообразованию лопасти лопаточного аппарата рабочего колеса, заключающийся в формировании утолщенной части лопасти вблизи входной кромки притом, что максимальная толщина лопасти в ее корневом сечении (т.е. в сечении лопасти поверхностью ступицы) больше, чем максимальная толщина лопасти в сечении ее поверхностью обода, при этом толщина лопасти по всей протяженности в направлении от ступицы к ободу плавно уменьшается.
Распределение толщины сечения лопасти поверхностью ступицы (фиг. 2) вдоль распрямленной срединной линии сечения - отрезка АР - выполнено следующим образом.
Первый участок (на фиг. 2 обозначен I - от точки А до точки 81) рассматриваемого сечения относительно распрямленной срединной линии выполнен выпуклым с плавным увеличением толщины сечения от входной кромки (от точки А) до достижения максимального значения толщины данного сечения Дшах (в точке 81) на расстоянии X от входной кромки, составляющем 8-16% длины срединной линии сечения.
Значение максимальной толщины корневого сечения лопасти Дшах составляет 2,7-4,5% значения номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины.
Следующий участок (на фиг. 2 обозначен II - от точки 81 до точки 82) также является выпуклым, но на этом участке толщина сечения плавно постепенно уменьшается, при этом толщина сечения в точке 82 превышает толщину выходной кромки (в точке Р).
Далее участок III (на фиг. 2 от точки 82 до выходной кромки в точке Р) выполнен вогнутым с постепенно уменьшающейся толщиной до выходной кромки.
Распределение толщины сечения лопасти поверхностью обода (фиг. 3) вдоль распрямленной срединной линии сечения - отрезка А'Р' - является традиционным и выполнено следующим образом.
Профиль сечения лопасти поверхностью обода относительно распрямленной срединной линии от входной до выходной кромки (на фиг. 3 от точки А' до точки Р') выполнен выпуклым.
Толщина сечения на участке I' (от точки А' до точки 81') плавно увеличивается от входной кромки (точки А') и достигает максимального значения Д'шах в точке 81' на расстоянии X' от входной кромки, составляющем 12-34% длины срединной линии рассматриваемого сечения. Затем на участке II' (от точки 81' до точки Р') толщина сечения плавно уменьшается до выходной кромки.
Значение максимальной толщины сечения лопасти поверхностью обода Д'шах составляет 1,4-2,2% значения номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины.
Толщина лопасти от ступицы к ободу плавно уменьшается. Например, лопасть лопаточного аппарата может быть выполнена таким образом, что максимальная толщина лопасти в поперечных сечениях осесимметричными поверхностями тока Ό-Ό (фиг. 1) линейно уменьшается от ступицы к ободу, т.е. точки максимальной толщины на срединных линиях сечений лопасти осесимметричными поверхностями тока Ό-Ό плавно, в частности линейно, удаляются от входных кромок по всей протяженности лопасти.
Все приведенные выше значения интервалов параметров определены заявителем эмпирическим путем и являются оптимальными для достижения указанного технического результата, что подтверждается трехмерным математическим моделированием потока и проведенными модельными испытаниями.
Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины работает следующим образом.
Поток воды после прохождения через направляющий аппарат гидротурбины поступает на лопаточный аппарат рабочего колеса, где происходит его дальнейшее формирование под воздействием вращающихся лопастей 3, выполненных с оптимальным пространственным профилем согласно заявляемому техническому решению.
Набегающий поток на входе в рабочее колесо обтекает входную кромку 4 каждой из лопастей 3, выполненных согласно изобретению, что обеспечивает распределение давлений с градиентами, позволяющими на режимах повышенных напоров и частичных нагрузок, для которых характерны малые расходы проходящего потока воды и большие углы натекания потока на входные кромки лопастей, предотвратить отрыв потока за входными кромками и образование вихря в межлопастном канале, уменьшить потери энергии в указанных режимах работы гидротурбины, улучшить кавитационные характеристики и стабильность потока.
Заявителем были проведены модельные испытания двух рабочих колес диаметром 460 мм, при проектировании которых срединная поверхность лопастей принималась одинаковой. При этом лопаточный аппарат для первой модели был выполнен согласно заявляемому техническому решению, а для второй модели - согласно описанному выше прототипу, с традиционным распределением толщины сечений лопасти.
Также для данных рабочих колес было выполнено трехмерное математическое моделирование картины течения потока для одного и того же режима частичной нагрузки - при расходе воды 75% от оптимального расхода.
- 4 019417
Результаты расчетов и проведенных испытаний позволили провести сравнительный анализ характеристик рабочих колес.
Полученные на основе численного трехмерного моделирования картины течения потока для режима частичной нагрузки (при расходе 75% от оптимального расхода) гидротурбин с лопаточным аппаратом, выполненным по заявляемому решению или согласно традиционному подходу, приведены на фиг. 4-8.
На фиг. 4 и 5 представлено течение потока за входной кромкой по ступице лопаточного аппарата рабочего колеса с традиционным распределением толщины лопасти при работе турбины в режиме частичной нагрузки. На данных фигурах четко видно возникновение вихря за входной кромкой лопасти в области примыкания ее к ступице и распространение вихря в межлопастном канале рабочего колеса (при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки и выполнении лопастей с традиционным распределением толщины), причем четко видно, что на традиционных лопастях вихрь становится весьма развитым.
Распределение линий тока, представленное на фиг. 6, показывает, что за входной кромкой участка лопасти, примыкающего к ободу, не происходит отрыва потока (при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки и выполнении лопастей с традиционным распределением толщины).
Таким образом, фиг. 4, 5, 6 подтверждают, что при режиме частичной нагрузки гидротурбины с лопаточным аппаратом, лопасти которого выполнены с традиционным распределением толщины, за входными кромками лопастей возникает вихрь и происходит отрыв потока, при этом вихрь возникает в непосредственной близости от входной кромки в примыкании ее к ступице и развивается в межлопастном канале от ступицы к ободу по направлению к выходной кромке.
На фиг. 7 представлена картина течения в каналах между лопастями на ступице лопаточного аппарата, выполненного согласно заявляемому решению, при работе гидротурбины в режиме частичной нагрузки. На фиг. 8 показаны лини тока в межлопастном канале на ободе лопаточного аппарата, также выполненного согласно заявляемому решению, при частичной нагрузке гидротурбины.
Из фиг. 7 и 8 видно, что на лопастях, выполненных по предлагаемому техническому решению, отрыв потока и образование вихря на указанных режимах отсутствуют.
Сравнение фиг. 4-6 и фиг. 7-8 наглядно показывает, что при одном и том же режиме частичной нагрузки заявляемое техническое решение исключает образование вихря и обеспечивает предотвращение отрыва потока за входными кромками лопастей. Этот вывод подтверждается результатами модельных и натурных испытаний, проведенных заявителем.
Следует отметить, что аналогичные результаты получены и для режимов работы гидротурбины с повышенными напорами.
Проведенные испытания показали, что выполнение лопаточного аппарата согласно заявляемому техническому решению позволяет улучшить характеристики стабильности, кавитационной эрозии, обеспечивает повышение КПД гидротурбины в диапазоне расходов от 70 до 120% от оптимального расхода, при напорах от 110 до 120% от оптимального напора, при этом не происходит снижения КПД гидротурбины при оптимальном напоре, а также при пониженных напорах, составляющих даже менее 80% от оптимального напора.
Сравнение КПД двух моделей рабочих колес с диаметром 460 мм (фиг. 9, 10: график 1 - КПД модели рабочего колеса, лопаточный аппарат которого выполнен по заявляемому решению; график 2 - КПД модели рабочего колеса, лопаточный аппарат которого выполнен с традиционным распределением толщины лопасти) при работе гидротурбины в режиме повышенного напора, составляющего 112% оптимального напора (фиг. 9), показывает, что при частичных расходах (в диапазоне от 70 до 90% оптимального расхода) заявляемое решение обеспечивает увеличение КПД гидротурбины на величину от 1,7 до 2,5%, а в режиме пониженного напора, составляющем 80% оптимального напора (фиг. 10), применение заявляемого технического решения обеспечивает увеличение КПД при частичных расходах на величину до 0,5%.
Увеличение КПД на рассмотренных режимах происходит за счет меньшей чувствительности к углам атаки лопастей лопаточного аппарата, выполненного согласно предлагаемому техническому решению.
Выполнение лопаточного аппарата рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины согласно заявляемому техническому решению позволяет исключить образование вихрей и отрыв потока за входными кромками лопастей, достичь минимального уровня профильных потерь энергии в лопаточном аппарате и, тем самым, обеспечить снижение кавитационной эрозии на лопастях рабочего колеса, оптимальную гидродинамику и стабильность течения потока в проточной части гидротурбины, а также высокий уровень КПД в широком диапазоне режимов работы гидротурбины.
Приведенные выше сведения позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию промышленная применимость.
Claims (1)
- Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, содержащий обод, ступицу и лопасти, каждая из которых соединена с ободом и ступицей и выполнена с входной и выходной кромками изогнутого профиля и плавно изменяющейся толщиной в направлении от входной к выходной кромке и в направлении от ступицы к ободу, отличающийся тем, что профиль сечения лопасти поверхностью ступицы относительно распрямленной срединной линии сечения выполнен с начинающимся от входной кромки выпуклым участком, толщина которого сначала увеличивается, а затем уменьшается, и следующим за ним вогнутым участком, при этом толщина сечения лопасти поверхностью ступицы плавно увеличивается от входной кромки, достигая максимального значения на расстоянии от входной кромки, составляющем 8-16% длины срединной линии сечения лопасти поверхностью ступицы, после чего толщина сечения лопасти плавно уменьшается до выходной кромки, причем максимальное значение толщины сечения лопасти поверхностью ступицы составляет 2,7-4,5% номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины; профиль сечения лопасти поверхностью обода относительно распрямленной срединной линии сечения выполнен выпуклым, толщина сечения лопасти поверхностью обода от входной кромки плавно увеличивается, достигая максимального значения на расстоянии от входной кромки, составляющем 12-34% длины срединной линии сечения лопасти поверхностью обода, после чего толщина сечения лопасти плавно уменьшается до выходной кромки, причем максимальное значение толщины сечения лопасти поверхностью обода составляет 1,4-2,2% номинального диаметра рабочего колеса гидротурбины.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009147213/06A RU2422670C1 (ru) | 2009-12-09 | 2009-12-09 | Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины |
| PCT/RU2010/000745 WO2011071420A1 (ru) | 2009-12-09 | 2010-12-06 | Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA201200836A1 EA201200836A1 (ru) | 2012-11-30 |
| EA019417B1 true EA019417B1 (ru) | 2014-03-31 |
Family
ID=44145773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA201200836A EA019417B1 (ru) | 2009-12-09 | 2010-12-06 | Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA019417B1 (ru) |
| RU (1) | RU2422670C1 (ru) |
| WO (1) | WO2011071420A1 (ru) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IN2014CN02985A (ru) * | 2011-10-23 | 2015-07-03 | Andritz Hydro Ltd | |
| CN112329128B (zh) * | 2020-09-03 | 2022-11-29 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种叶片载荷精细控制的船用高速泵喷水力模型及其设计方法 |
| CN117236228B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-02-02 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种潮流能水轮机叶片优化方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1249189A1 (ru) * | 1985-04-25 | 1986-08-07 | Производственное Объединение Атомного Турбостроения "Харьковский Турбинный Завод" Им.С.М.Кирова | Лопасть рабочего колеса радиально-осевой гидромашины |
| SU1659679A1 (ru) * | 1988-02-08 | 1991-06-30 | Производственное Объединение Атомного Турбостроения "Харьковский Турбинный Завод" Им.С.М.Кирова | Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины |
| US20060018754A1 (en) * | 2002-09-13 | 2006-01-26 | Alstom Technology Ltd. | Francis wheel and hydraulic machine comprising one such wheel |
| JP2009091992A (ja) * | 2007-10-09 | 2009-04-30 | Toshiba Corp | フランシス水車ランナ |
| NO327532B1 (no) * | 2008-04-03 | 2009-08-03 | Brekke Turbiner As | Lopehjul for hydraulisk stromningsmaskin. |
-
2009
- 2009-12-09 RU RU2009147213/06A patent/RU2422670C1/ru active
-
2010
- 2010-12-06 EA EA201200836A patent/EA019417B1/ru not_active IP Right Cessation
- 2010-12-06 WO PCT/RU2010/000745 patent/WO2011071420A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1249189A1 (ru) * | 1985-04-25 | 1986-08-07 | Производственное Объединение Атомного Турбостроения "Харьковский Турбинный Завод" Им.С.М.Кирова | Лопасть рабочего колеса радиально-осевой гидромашины |
| SU1659679A1 (ru) * | 1988-02-08 | 1991-06-30 | Производственное Объединение Атомного Турбостроения "Харьковский Турбинный Завод" Им.С.М.Кирова | Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины |
| US20060018754A1 (en) * | 2002-09-13 | 2006-01-26 | Alstom Technology Ltd. | Francis wheel and hydraulic machine comprising one such wheel |
| JP2009091992A (ja) * | 2007-10-09 | 2009-04-30 | Toshiba Corp | フランシス水車ランナ |
| NO327532B1 (no) * | 2008-04-03 | 2009-08-03 | Brekke Turbiner As | Lopehjul for hydraulisk stromningsmaskin. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA201200836A1 (ru) | 2012-11-30 |
| RU2422670C1 (ru) | 2011-06-27 |
| WO2011071420A1 (ru) | 2011-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kan et al. | Pump as turbine cavitation performance for both conventional and reverse operating modes: A review | |
| JP5946707B2 (ja) | 軸流タービン動翼 | |
| EP2350439B1 (en) | Method for optimising the shape of an aerofoil and corresponding aerofoil | |
| EP3828387A1 (en) | Turbine moving blade and axial-flow turbine | |
| CN110657125B (zh) | 提高叶轮抗空化性能的方法 | |
| RU2422670C1 (ru) | Лопаточный аппарат рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины | |
| CN106256993A (zh) | 一种给水泵工业汽轮机用的末级动叶片 | |
| JP5135033B2 (ja) | 軸流水力機械のランナベーン | |
| CN110439724A (zh) | 一种用于水力机械的混流式转轮 | |
| CN106886630B (zh) | 一种带分流短叶片的泵喷推进器水力模型和设计方法 | |
| KR100286633B1 (ko) | 차량용 토크 컨버터의 스테이터 | |
| RU2353818C1 (ru) | Лопаточный диффузор центробежного компрессора | |
| JP2007107418A (ja) | フランシス形ポンプ水車 | |
| RU2581990C1 (ru) | Лопатка рабочего колеса ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя | |
| CN114036660B (zh) | 抑制水泵叶轮叶片吸力面二次流的速度矩分布 | |
| RU173860U1 (ru) | Радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины | |
| LIa et al. | Influence of Axial Clearance on Water-Jet Axial Flow Pump | |
| RU87750U1 (ru) | Статорная лопатка осевого компрессора | |
| Stockhaus et al. | Modeling of blade tip geometries in an axial compressor stage | |
| CN107035844B (zh) | 一种液力变矩器分段式涡轮叶片 | |
| RU2581980C1 (ru) | Лопатка рабочего колеса ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя (варианты) | |
| RU155493U1 (ru) | Лопатка рабочего колеса ротора компрессора низкого давления газотурбинного двигателя | |
| RU2202043C1 (ru) | Лопаточная решетка турбомашины | |
| Liu et al. | Hydraulic optimization of" S" characteristics of the pump-turbine for Xianju pumped storage plant | |
| JP2013092156A (ja) | フランシス形ポンプ水車 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM BY MD RU |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AZ TM |