RU2495278C2

RU2495278C2 - Active cone turbine

Info

Publication number: RU2495278C2
Application number: RU2011137784/06A
Authority: RU
Inventors: Григорий Германович Ушаков
Original assignee: Григорий Германович Ушаков
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2013-10-10
Also published as: RU2011137784A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: active cone turbine comprises a disc 4, rigidly fixed on the shaft, bearing units of which are installed on a jacket that closes an impeller, closed with a cover 11, creating jointly a working chamber, blades 7 and a nozzle 6 for water supply to them. The disc 4 acts as a water flow divider, cutting a water jet arriving from the nozzle 6 to the turbine, into two parts. At both sides of the disc 4 there are two truncated cones 5 fixed to it. With its top each cone 5 is fixed on the hub at the distance from the disc 4 sufficient for diversion of its spent water jet part by more than a half of the water flow width from the nozzle 6. Blades 7 are made flat in the plane of the longitudinal axis of the turbine shaft and along the curve to the wheel radius, so that each part of spent water jets from the nozzle swirls by 180°. The total vector of forces from the flow on the blade 7 is distributed closer to the side faces of the blades 7. Bearing units of the shaft are installed on the outer side of the jacket, where at the side of the nozzle 6 there are air channels, making it possible for the air flow to freely arrive into the working chamber. There is a water drain at the side opposite to the nozzle 6.

EFFECT: development of an active turbine for hydraulic power plants with high efficiency and cost-effective consumption of an energy carrier.

2 dwg

Description

Изобретение относится к гидростроительству и может быть применено при строительстве гидроэлектростанций.The invention relates to hydraulic engineering and can be applied in the construction of hydropower plants.

Известны активные ковшовые турбины системы Пельтона.Active bucket turbines of the Pelton system are known.

Ковш активной ковшовой турбины его системы имеет сплошное дно, выполненное в виде ковша, и глухие торцы. Суммарный вектор сил давления от потока в этих турбинах сосредоточен в центре ковша. Это является недостатком такого рода турбин, так как часть отраженного от лопасти турбины потока отработанной воды обязательно встречается с основным потоком и ослабляет его. Этот же недостаток приводит к тому, что при увеличении объема воды, подаваемого на лопасти турбины, выше расчетных турбина не успевает освободиться от отработанной воды и «захлебывается». Этому способствуют еще два момента. Максимум энергетического потенциала поток воды отдает лопастям турбины (любой системы) в момент, когда скорость лопасти в потоке равна половине скорости потока. Торможение потока требует наличия около турбины пространства - «рабочей камеры» и немедленного удаления из нее отработанной воды. Сил гравитации для этих целей оказывается недостаточно. С тем чтобы уменьшить потери напора на преодоление препятствий потоку отработанной воды, рабочую камеру турбины соединяют с водосливом непосредственно. В процессе работы турбины в рабочей камере создается вакуум. Поток воздуха устремляется в рабочую камеру через водослив, препятствуя движению воды. Все существующие типы ковшовых турбин работают в сплошной водной среде. Это является причиной того, что все изменения в нагрузке на генератор тока от его потребителей полностью передаются напорному водоводу, вызывая в нем гидравлические удары. По этой причине стенки напорного водовода необходимо проектировать на максимально возможную силу гидроудара, что делает водоводы металлоемкими и дорогостоящими. В совокупности с потерями напора от гашения потока встречным закрученным потоком, потерями в подводящем поток воды, тракте, существующие типы ковшовых турбин имеют к.п.д. ниже, чем реактивные.The bucket of the active bucket turbine of its system has a continuous bottom, made in the form of a bucket, and blind ends. The total vector of pressure forces from the flow in these turbines is concentrated in the center of the bucket. This is a disadvantage of such turbines, since part of the waste water stream reflected from the turbine blade necessarily meets with the main stream and weakens it. The same drawback leads to the fact that with an increase in the volume of water supplied to the turbine blades, above the calculated ones, the turbine does not have time to free itself from the waste water and is “choked”. Two more points contribute to this. The flow of water gives the maximum energy potential to the blades of the turbine (any system) at a time when the speed of the blade in the stream is equal to half the speed of the stream. Inhibition of the flow requires the presence of a space near the turbine - a "working chamber" and the immediate removal of waste water from it. The forces of gravity for these purposes are not enough. In order to reduce the pressure loss to overcome obstacles to the flow of waste water, the working chamber of the turbine is connected directly to the spillway. During the operation of the turbine, a vacuum is created in the working chamber. A stream of air rushes into the working chamber through the weir, obstructing the movement of water. All existing types of bucket turbines operate in a continuous aquatic environment. This is the reason that all changes in the load on the current generator from its consumers are completely transmitted to the pressure conduit, causing hydraulic shocks in it. For this reason, the walls of the pressure water conduit must be designed for the maximum possible force of water hammer, which makes water conduits metal-intensive and expensive. In conjunction with the pressure loss from the quenching of the flow in a counter-swirling flow, losses in the water flow inlet, path, existing types of bucket turbines have an efficiency lower than reactive.

Автором статьи, в 2001 г., для наплавной, свободнопоточной ГЭС, «НПС-02», были разработаны и испытаны на действующей ГЭС две турбины подводная (подледная) (патент №21608948 C1 RU) (Ж-л «ЭЛЕКТРО», №4, 2003 г. «Активная подводная турбина для Мини-ГЭС» стр.47) и ковшовая навесная турбина, системы Пельтона. Достаточно было автору турбин при их испытаниях и доводке выполнить стенки ковша навесной ковшовой турбины системы Пельтона в виде оконных жалюзи (проекция ковша на плоскость - сплошная), мощность турбины при тех же параметрах потока увеличилась на 20%. После того как были убраны глухие боковые торцы ковша, мощность турбины увеличилась еще на 7%.The author of the article, in 2001, for a floating, free-flow hydroelectric power station, “NPS-02”, two turbines underwater (under-ice) (patent No. 21608948 C1 RU) were developed and tested at the existing hydroelectric power station (railway station “ELECTRO”, No. 4 , 2003. “Active subsea turbine for Mini-HPP” (p. 47) and bucket mounted turbine, Pelton systems. It was enough for the turbine author, when testing and debugging, to make the walls of the bucket of the mounted Pelton system bucket turbine in the form of window blinds (the projection of the bucket on the plane is solid), the turbine power for the same flow parameters increased by 20%. After the deaf side ends of the bucket were removed, the turbine power increased by another 7%.

Эти испытания показали - нельзя сосредотачивать вектор сил от потока воды, действующего на лопасть турбины, в центре ковша и отработанная вода должна немедленно удаляться из рабочей зоны лопасти и колеса турбины.These tests showed that it is impossible to focus the force vector from the flow of water acting on the turbine blade in the center of the bucket and the waste water should be immediately removed from the working area of the turbine blade and wheel.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Малая ГЭС с активной турбиной». Заявка №2005140717/20 (045344). Патент №2305793.Closest to the technical nature of the proposed invention is a "Small hydroelectric power station with an active turbine." Application No. 2005140717/20 (045344). Patent No. 2305793.

По этому изобретению - «.. активная турбина выполнена в виде диска, жестко закрепленного на валу турбины, по обеим сторонам которого по его периферии закреплены ковши, выполненные в виде улиток, закручивающих падающую на них струю воды из сопел напорного водовода таким образом, чтобы отработанная струя воды падала мимо основной струи…». Выполнение ковша в виде улитки решает поставленную задачу, однако внешние стенки ковшей одной лопасти после передачи от потока лопасти силового импульса слишком долго (по меркам процесса) задерживают поток воды в турбине, на что тратится определенная часть его энергии.According to this invention - “.. the active turbine is made in the form of a disk, rigidly fixed to the turbine shaft, on both sides of which are mounted on its periphery buckets made in the form of snails twisting the stream of water falling on them from the nozzles of the pressure water conduit so that the waste a stream of water fell past the main stream ... ". Making a bucket in the form of a snail solves the problem, however, the external walls of the buckets of one blade after transmitting a power impulse from the blade stream for too long (by the standards of the process) delay the flow of water in the turbine, which requires a certain part of its energy.

Задача изобретения - создать активную турбину для гидроэлектростанций с высоким коэффициентом полезного действия и экономным расходованием энергоносителя.The objective of the invention is to create an active turbine for hydroelectric power plants with high efficiency and economical energy consumption.

Поставленная задача решается тем, что активная конусная турбина, включающая диск, жестко закрепленный на валу турбины, подшипниковые узлы которого установлены на кожухе, закрывающем рабочее колесо турбины, закрытом крышкой, создающем совместно рабочую камеру турбины, лопасти турбины и сопло для подачи воды к ним, отличающаяся тем, что диск закреплен жестко на валу через ступицу и выполняет роль делителя потока воды, разрезая струю воды, поступающую из сопла на турбину, на две части, с обеих сторон диска к нему прикреплены два усеченных конуса, например цельных, образующая которых выполнена, например, по кривой, вершиной каждый конус закреплен на ступице, на расстоянии от диска, достаточном для отклонения своей части струи отработанной воды более чем на половину ширины потока воды из сопла, лопасти турбины выполнены плоскими, в плоскости продольной оси вала турбины и по кривой к радиусу колеса, так чтобы каждая часть струй отработанной воды из сопла закручивалась на 180°, у лопастей отсутствуют боковые стенки, суммарный вектор сил от потока на лопасти турбины распределяется ближе к боковым граням лопастей, подшипниковые узлы вала турбины вынесены на внешнюю сторону кожуха турбины, в котором со стороны сопла выполнены воздушные каналы, позволяющие потоку воздуха свободно поступать в рабочую камеру турбины, а с противоположной от сопла стороны - водослив.The problem is solved in that the active cone turbine, including a disk rigidly mounted on the turbine shaft, the bearing units of which are mounted on a casing covering the turbine impeller, is closed by a lid, which creates a working chamber of the turbine, turbine blades and a nozzle for supplying water to them, characterized in that the disk is fixed rigidly to the shaft through the hub and acts as a water flow divider, cutting the stream of water coming from the nozzle to the turbine into two parts, two truncated cones are attached to it on both sides of the disk for example, solid ones, the generatrix of which is made, for example, along a curve, with each vertex mounted on a hub, at a distance from the disk sufficient to deflect its part of the waste water stream by more than half the width of the water stream from the nozzle, the turbine blades are made flat, the plane of the longitudinal axis of the turbine shaft and along the curve to the radius of the wheel, so that each part of the jets of waste water from the nozzle twists through 180 °, the blades do not have side walls, the total force vector from the flow to the turbine blades is distributed further to the lateral faces of the blades, the bearing units of the turbine shaft are placed on the outside of the turbine casing, in which air channels are made on the nozzle side, allowing air to flow freely into the turbine working chamber, and on the opposite side of the nozzle from the nozzle.

На Фиг.1 показан разрез турбины и подводящего тракта по линии поступления воды к турбине.Figure 1 shows a section of the turbine and the supply path along the line of water supply to the turbine.

На Фиг.2 показан разрез турбины по линии вала.Figure 2 shows a section of the turbine along the shaft line.

Активная конусная турбина состоит из вала - 1, на котором через ступицу - 2 и шпонку - 3 жестко закреплен диск-делитель потока - 4. С обеих сторон диска - 4 к нему приварены два усеченных конуса - 5, образующая которых может быть выполнена по расчетной кривой и которые могут быть цельными, штампованными или разрезаны на части по количеству лопастей турбины. Вершина конусов закреплена на ступице - 2 на расстоянии, обеспечивающем отклонение своей части потока струи от основной.An active cone turbine consists of a shaft - 1, on which a flow divider - 4 is rigidly fixed through the hub - 2 and the key - 3. Two truncated cones - 5 are welded to it on both sides of the disk - 4, the generatrix of which can be made according to the design curve and which can be solid, stamped or cut into parts according to the number of turbine blades. The top of the cones is fixed on the hub - 2 at a distance that ensures the deviation of its part of the jet stream from the main one.

К диску - 4, конусам и ступице прикреплены лопасти турбины - 7, выполненные плоскими, в плоскости продольной оси вала турбины и по кривой к радиусу колеса турбины. Для придания жесткости лопастям концы их могут быть соединены обечайками - 8. Вал турбины через муфту соединен с приводом генераторов тока - 9. Колесо турбины закрыто кожухом - 10 с крышкой - 11. Подшипниковые узлы турбины - 12 вынесены на внешнюю сторону кожуха. Кожух совместно с крышкой - 11 образуют рабочую камеру турбины - 13. Сопло - 6, через которое на турбину подается поток воды из напорного водовода - 14, через задвижку - 15, может быть выполнено с возможностью изменения площади сечения его выходного отверстия во время работы турбины. Выходное отверстие сопла может быть круглым или квадратной формы. При круглой форме площадь его выходного сечения может изменяться по принципу брандспойта. При квадратной форме выходного отверстия сопла оно представляет собой конусный лоток с подвижной верхней крышкой - 16. Положением крышки - 16 управляет специальный механизм, позволяющий изменять площадь поперечного сечения выходного отверстия сопла в ручном - 17 или автоматическом режимах - 18 в процессе работы турбины. С тем чтобы в рабочей камере турбины не создавался вакуум и воздух не препятствовал свободному выходу из рабочей камеры отработанной воды, через водослив - 21, в кожухе, со стороны сопла, выполнены каналы - 19, закрытые решеткой - 20, через которые воздушный поток свободно проникает в рабочую камеру турбины, причем векторы потоков, воды и воздушного, в этом случае совпадают.To the disk - 4, cones and hub attached turbine blades - 7, made flat, in the plane of the longitudinal axis of the turbine shaft and in a curve to the radius of the turbine wheel. To impart rigidity to the blades, their ends can be connected by shells - 8. The turbine shaft through the coupling is connected to the drive of current generators - 9. The turbine wheel is closed by a casing - 10 with a cover - 11. Bearing units of the turbine - 12 are placed on the outside of the casing. The casing together with the lid - 11 form the working chamber of the turbine - 13. Nozzle - 6, through which a stream of water is supplied to the turbine from the pressure conduit - 14, through the valve - 15, can be made with the possibility of changing the cross-sectional area of its outlet during the operation of the turbine . The nozzle outlet may be round or square. With a round shape, the area of its output section can vary according to the principle of a hose. With the square shape of the nozzle outlet, it is a cone tray with a movable top cover - 16. The position of the cover - 16 is controlled by a special mechanism that allows you to change the cross-sectional area of the nozzle exit in manual - 17 or automatic modes - 18 during operation of the turbine. So that vacuum is not created in the turbine’s working chamber and the air does not impede the free exit of waste water from the working chamber, it is 21 through the spillway, 19 channels are made in the casing, from the nozzle side, 20 closed by a grate, through which air flow freely penetrates into the working chamber of the turbine, and the vectors of flows, water and air, in this case, coincide.

Работает турбина следующим образомThe turbine operates as follows

Поток воды под давлением через сопло - 6 поступает на лопасти - 7 турбины. Диск - 4, делитель потока, делит поток на две части, каждая из которых конусом - 5 и лопастью - 7, после того как она отдала лопасти свой энергетический потенциал, отклоняется от основной струи и закручивается так, чтобы отработанная вода не касалась основного потока воды, не гасила его и без затрат дополнительной энергии быстро и полностью покидала рабочую зону турбины. У такой конструкции турбины в сочетании с воздушными каналами коэффициент полезного действия выше турбин, выполненных без воздушных каналов.The flow of water under pressure through the nozzle - 6 enters the blades - 7 of the turbine. Disk - 4, a flow divider, divides the stream into two parts, each of which with a cone - 5 and a blade - 7, after it has given its blades its energy potential, deviates from the main stream and swirls so that the waste water does not touch the main water stream , did not extinguish it and without the cost of additional energy quickly and completely left the working area of the turbine. In such a turbine design, in combination with air channels, the efficiency is higher than turbines made without air channels.

Такие турбины более экономно расходуют воду на выработку киловатта электроэнергии и это в сочетании с их высоким к.п.д. позволяет работать ГЭС, оснащенным такого рода турбинами, на «бытовом» стоке реки.Such turbines use water more economically to generate a kilowatt of electricity, and this, combined with their high efficiency. allows you to work hydropower plants equipped with this kind of turbines, on the "household" river flow.

Claims

An active cone turbine including a disk rigidly mounted on the turbine shaft, the bearing units of which are mounted on a casing covering the turbine impeller, closed by a lid, creating together a turbine working chamber, turbine blades and a nozzle for supplying water to them, characterized in that the disk is fixed rigidly on the shaft through the hub and acts as a divider of the water flow, cutting the stream of water coming from the nozzle to the turbine into two parts, on both sides of the disk two truncated cones are attached to it, for example, solid, forming For example, it was made, for example, along a curve, with a vertex each cone mounted on a hub at a distance from the disk sufficient to deflect its part of the waste water stream by more than half the width of the water flow from the nozzle, the turbine blades are made flat in the plane of the longitudinal axis of the turbine shaft and along the curve to the radius of the wheel, so that each part of the jet of waste water from the nozzle twists through 180 °, the blades do not have side walls, the total force vector from the flow to the turbine blades is distributed closer to the side faces of the blades, bearings The new components of the turbine shaft are located on the outer side of the turbine casing, in which air channels are made on the nozzle side, allowing air to flow freely into the turbine working chamber, and on the opposite side from the nozzle, a spillway.