RU2637280C1

RU2637280C1 - Shaftless straight-flow hydraulic turbine

Info

Publication number: RU2637280C1
Application number: RU2017101842A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Данилович Грига; Максим Сергеевич Иваницкий; Артем Валентинович Зеленский; Степан Анатольевич Чепрасов; Виктория Владимировна Калиновская; Галина Ивановна Карпушкина; Роман Викторович Гурин
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2017-12-01

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: shaftless straight-flow hydraulic turbine includes an impeller, a rim enclosing the ends of impeller blades, a rotor of generator with poles comprising one unit with the rim, a generator stator, a seal on the two sides of the rim. The rim with the rotor and the generator stator are enclosed in a chamber. The chamber has an inlet for compressed air supply with possibility of its feed adjustment, an inlet for pressure sensor in the chamber, a water flow pressure sensor located on the generator chamber. Ends of the rim are provided with circular concentric ridges. An air channel between the impeller rim and the turbine flow part is filled with porous material in form of cellular seals.

EFFECT: improved reliability of shaftless straight-flow hydraulic turbine design.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидравлическим турбинам. Для строительства гидроэлектростанций с низконапорными агрегатами большое значение имело создание горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами, у которых генератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой [Турбины гидравлические горизонтальные капсульные. ОСТ 108.023.107-85, 1985]. При использовании капсульных агрегатов поток по длине проточной части имеет мало поворотов и прямоосное движение в отсасывающей трубе. Это приводит к снижению гидравлических потерь и к увеличению КПД турбины, особенно на больших расходах. В результате такие турбины развивают на 25-35% большую мощность, чем вертикальные того же размера.The invention relates to mechanical engineering, in particular to hydraulic turbines. For the construction of hydroelectric power plants with low-pressure units, the creation of horizontal capsule units with axial turbines, in which the generator is located in a steel capsule streamlined with water, was of great importance [Horizontal horizontal capsule hydraulic turbines. OST 108.023.107-85, 1985]. When using capsule aggregates, the flow along the length of the flowing part has few turns and a straight-axis movement in the suction pipe. This leads to a decrease in hydraulic losses and to an increase in turbine efficiency, especially at high costs. As a result, such turbines develop 25-35% more power than vertical turbines of the same size.

Известно устройство гидротурбины, содержащее периферийные торцы лопастей прямоточной пропеллерной турбины, к которым прикрепляется обхватывающее их кольцо. Кольцо утоплено в стенку колесной камеры, несет на себе полюсы генератора и является его ротором, вращаясь внутри окружающего колесную камеру неподвижного статора [Щапов Н.М. Турбинное оборудование гидростанций. М.-Л. Госэнергоиздат, 1961]. Такие турбины в течение 15 лет строил в сотрудничестве с Фишером завод Эшер Вис (Швейцария). Было выпущено 70 прямоточных агрегатов. Вначале строились турбины пропеллерного типа, затем были построены более сложные конструкции с поворотными рабочими лопатками. В 1953 г. ЛМЗ изготовил прямоточные агрегаты с турбиной диаметром 3,3 м. Но из-за трудности надежно защитить генератор от попадания влаги прямоточные агрегаты не нашли применения. Затем был разработан новый тип прямоточного агрегата, названный «страфло», который устанавливался на некоторых низконапорных гидроэлектростанциях (ГЭС), позже такие агрегаты и турбину было предложено называть безвальными. В проточной части прямоточной турбины гидравлические потери существенно ниже, чем в гидроагрегатах капсульного типа [Кривченко Г.И. Гидравлические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1983].A device is known for a hydraulic turbine containing the peripheral ends of the blades of a once-through propeller turbine to which a ring enclosing them is attached. The ring is recessed into the wall of the wheel chamber, carries the poles of the generator and is its rotor, rotating inside the stationary stator surrounding the wheel chamber [N. Shchapov. Turbine equipment of hydroelectric power stations. M.-L. Gosenergoizdat, 1961]. Such turbines were built over the course of 15 years in collaboration with Fischer by the Escher Vis factory (Switzerland). 70 direct-flow units were produced. At first, propeller-type turbines were built, then more complex structures with rotary blades were built. In 1953, LMZ manufactured direct-flow units with a turbine with a diameter of 3.3 m. But because of the difficulty to reliably protect the generator from moisture, direct-flow units did not find application. Then a new type of direct-flow unit was developed, called “Strafflo”, which was installed at some low-pressure hydroelectric power plants (HPPs), later such units and a turbine were proposed to be called shaftless. In the flow part of the direct-flow turbine, hydraulic losses are significantly lower than in the hydraulic units of the capsular type [G. Krivchenko Hydraulic machines. - M .: Energoatomizdat, 1983].

Известно устройство прямоточной гидротурбины Моргунова Г.М. [Патент №2245454, МПК F03В 9/00, 13/08 2003 г.], содержащее генератор, установленный вне корпуса и соединенный с валом прямоточной гидротурбины трансмиссией. Часть трансмиссии находится в потоке воды и создает дополнительное сопротивление. Недостаток конструкции вынуждает к созданию надежного уплотнения между валом трансмиссии и корпусом гидротурбины.A device for a direct-flow hydraulic turbine Morgunova G.M. [Patent No. 2245454, IPC F03B 9/00, 13/08 2003], comprising a generator mounted outside the housing and connected to the transmission by a direct-flow turbine turbine shaft. Part of the transmission is in the stream of water and creates additional resistance. The design flaw forces a reliable seal between the transmission shaft and the turbine housing.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство безвальной прямоточной гидротурбины «страфло», включающее обод, охватывающий торцы лопаток, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода.Closest to the proposed device is a Strafflo shaftless ramjet turbine, including a rim covering the ends of the blades, a generator rotor with poles, which is integral with the rim, a generator stator, seals on both sides of the rim.

К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы электрогенератора в воздушной части установки из-за износа уплотнений в области обода рабочего колеса и попадания влаги, быстрый износ кольцевого уплотнения обода между лопастями рабочего колеса и генератором вследствие значительного количества взвешенных частиц в мутной речной воде.The disadvantages of this design include the lack of reliable operation of the electric generator in the air part of the installation due to wear of the seals in the region of the impeller rim and moisture, rapid wear of the ring seal of the rim between the impeller blades and the generator due to the significant amount of suspended particles in turbid river water.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, состоит в повышении надежности конструкции безвальной прямоточной гидротурбины.The problem solved by the proposed technical solution is to increase the reliability of the design of a shaftless ramjet turbine.

Технический результат, используемый при решении поставленной задачи, состоит в применении сотовой конструкции уплотнения обода рабочего колеса с регулируемым наддувом сжатым воздухом камеры генератора и перепуском сжатого воздуха на периферию лопаток рабочего колеса для устранения кавитации, достигается тем, что в известной безвальной прямоточной гидротурбине, включающей обод, охватывающий торцы лопаток, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода, согласно изобретению, обод с ротором и статор генератора заключены в камеру, в которой выполнены вход для подвода сжатого воздуха с возможностью регулирования его поступления, а также вход для датчика давления в камере, датчик давления потока воды, расположенный на кожухе генератора, торцы обода снабжены кольцевыми концентрическими гребнями, воздушный канал между ободом рабочего колеса и проточной частью турбины заполнен пористым материалом в виде сотовых блоков.The technical result used to solve the problem is to use a honeycomb design of the sealing of the impeller rim with adjustable pressurized compressed air of the generator chamber and bypassing the compressed air to the periphery of the impeller blades to eliminate cavitation, achieved by the fact that in the known shaftless ramjet turbine, including the rim covering the ends of the blades, the rotor of the generator with poles, integral with the rim, the stator of the generator, seals on both sides of the rim, according to the invention the rim with the rotor and the generator stator are enclosed in a chamber in which an input for supplying compressed air with the possibility of regulating its intake is made, as well as an input for a pressure sensor in the chamber, a water flow pressure sensor located on the generator casing, the ends of the rim are equipped with concentric annular ridges, the air channel between the rim of the impeller and the flow part of the turbine is filled with porous material in the form of honeycomb blocks.

На фиг. 1 представлен общий вид безвальной прямоточной гидротурбины.In FIG. 1 shows a general view of a shaftless ramjet turbine.

На фиг. 2 - узел, поясняющий устройство обода рабочего колеса, снабженного сотовыми уплотнениями.In FIG. 2 - a node explaining the device of the rim of the impeller equipped with honeycomb seals.

Предлагаемое устройство содержит следующие элементы: 1 - рабочее колесо; 2 - обод рабочего колеса; 3 - ротор генератора; 4 - статор генератора; 5 - отсасывающая труба; 6 - опорные выходные колонны; 7 - система охлаждения генератора; 8 - направляющие лопатки; 9 - проходная колонна; 10 - корпус обтекателя рабочего колеса; 11 - подводящая камера; 12 - наружный корпус; 13 - датчики статического давления; 14 - воздушный канал; 15 - сотовые уплотнения; 16 - камера генератора; 17 - кольцевые гребни.The proposed device contains the following elements: 1 - impeller; 2 - the rim of the impeller; 3 - generator rotor; 4 - generator stator; 5 - a suction pipe; 6 - supporting output columns; 7 - generator cooling system; 8 - guide vanes; 9 - passage column; 10 - casing fairing of the impeller; 11 - inlet chamber; 12 - outer case; 13 - static pressure sensors; 14 - air channel; 15 - honeycomb seals; 16 - generator chamber; 17 - annular ridges.

Устройство работает следующим образом. Рабочее колесо гидротурбины 1 и ротор генератора 3 имеют единую систему вращающихся частей и опор. На концах лопаток рабочего колеса 1 находится обод 2 с кольцевыми гребнями 17 и ротор генератора 3 с полюсами. Кольцевые гребни 17 контактируют с сотовыми уплотнениями 15 и работают при перепаде давления между полостью генератора А и потоком Б, полностью устраняют попадание воды в полость генератора А, ограниченную камерой 16, на всех режимах работы турбины. Для устранения кавитации система автоматического регулирования подает при необходимости дополнительное количество воздуха через воздушный канал 14. Обратный клапан воздушного канала 14 открывается, если статическое давление Р1 становится меньшим давления насыщенных паров в области Б. Система автоматического регулирования перепада давления обеспечивает положительную разность давлений Р2 и Р1 на всех режимах работы гидротурбины. Мощность водного потока через лопатки рабочего колеса 1, обод рабочего колеса 2 передается на ротор генератора 3 с расположенными в нем полюсами. Статор 4 и ротор 3 генератора имеют систему охлаждения генератора 7. Датчики статического давления 13 Р1 расположены на наружном корпусе 12 установки равномерно по окружности. Обычно достаточно шести датчиков давления Р1 для усреднения параметров потока в окружном направлении. Датчиков давления Р2 на камере генератора 16 несколько для достоверности показаний, их показания также усредняются. Поток воды их верхнего бьефа проходит через подводящую камеру 11, обтекает проходные колонны 9, корпус обтекателя рабочего колеса 10, лопатки направляющего аппарата 8, отдает свою энергию рабочим лопаткам рабочего колеса 1, затем обтекает опорные выходные колонны 6 и выходит через отсасывающую трубу 5 в нижний бьеф.The device operates as follows. The impeller of the hydraulic turbine 1 and the rotor of the generator 3 have a single system of rotating parts and supports. At the ends of the blades of the impeller 1 is a rim 2 with annular ridges 17 and the rotor of the generator 3 with poles. The annular ridges 17 are in contact with the honeycomb seals 15 and operate at a pressure differential between the cavity of the generator A and the stream B, completely eliminating the ingress of water into the cavity of the generator A, limited by the chamber 16, in all operating modes of the turbine. To eliminate cavitation, the automatic control system supplies, if necessary, an additional amount of air through the air channel 14. The non-return valve of the air channel 14 opens if the static pressure P1 becomes lower than the saturated vapor pressure in area B. The automatic differential pressure control system provides a positive pressure difference P2 and P1 to all hydraulic turbine operating modes. The power of the water flow through the blades of the impeller 1, the rim of the impeller 2 is transmitted to the rotor of the generator 3 with the poles located in it. The stator 4 and the rotor 3 of the generator have a cooling system for the generator 7. The static pressure sensors 13 P1 are located on the outer casing 12 of the installation evenly around the circumference. Typically, six pressure sensors P1 are sufficient to average the flow parameters in the circumferential direction. Pressure sensors P2 on the generator chamber 16 are several for the reliability of the readings, their readings are also averaged. The water flow of their upstream flow passes through the supply chamber 11, flows around the flow columns 9, the fairing of the impeller 10, the blades of the guide apparatus 8, gives its energy to the impeller blades of the impeller 1, then flows around the supporting output columns 6 and exits through the suction pipe 5 to the lower beef.

Заявленное устройство позволяет повысить эффективность и долговечность работы уплотнения упрощенной конструкции для обода рабочего колеса, обеспечить надежную работу генератора.The claimed device allows to increase the efficiency and durability of the seal simplified design for the rim of the impeller, to ensure reliable operation of the generator.

Claims

Shaft-free flow turbine, including the impeller, the rim, covering the ends of the impeller vanes, the generator rotor with poles, integral with the rim, the generator stator, the seals on both sides of the rim, characterized in that the rim with the rotor and the generator stator are enclosed in a chamber, in which there is an input for supplying compressed air with the possibility of regulating its intake, as well as an input for a pressure sensor in the chamber, a water flow pressure sensor located on the generator chamber, the ends of the rim are provided with ring ontsentricheskimi crests air passage between the impeller and the rim of the turbine flowing part is filled with a porous material in the form of honeycomb seals.