RU2741358C2 - Гидравлическая турбина - Google Patents

Гидравлическая турбина Download PDF

Info

Publication number
RU2741358C2
RU2741358C2 RU2017126542A RU2017126542A RU2741358C2 RU 2741358 C2 RU2741358 C2 RU 2741358C2 RU 2017126542 A RU2017126542 A RU 2017126542A RU 2017126542 A RU2017126542 A RU 2017126542A RU 2741358 C2 RU2741358 C2 RU 2741358C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
impeller
gap
stator
hub
ratio
Prior art date
Application number
RU2017126542A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2017126542A (ru
RU2017126542A3 (ru
Inventor
Лайонел МАРТИНЕС
Жан-Бернар ОДЕЛИН
Джоффри ДАРОНА
Клод БЕРАЛЬ
Original Assignee
ДжиИ Риньюэбл Текнолоджиз
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ДжиИ Риньюэбл Текнолоджиз filed Critical ДжиИ Риньюэбл Текнолоджиз
Publication of RU2017126542A publication Critical patent/RU2017126542A/ru
Publication of RU2017126542A3 publication Critical patent/RU2017126542A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2741358C2 publication Critical patent/RU2741358C2/ru

Links

Images

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
    • F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • 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
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/006—Sealing arrangements
    • 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
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/04—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator for diminishing cavitation or vibration, e.g. balancing
    • 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
    • F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
    • 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
    • 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
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • 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
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/164—Sealings between relatively-moving surfaces the sealing action depending on movements; pressure difference, temperature or presence of leaking fluid
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Группа изобретений относится к области гидравлических машин. Гидравлическая турбина содержит рабочее колесо (12), включающее ступицу (17), обод (18) и лопатки (16), проходящие между ступицей (17) и ободом (18), и статор (11), окружающий колесо (12) и содержащий верхнее кольцо (19), нижнее кольцо (20) и направляющие лопатки (15), проходящие между кольцами (19, 20). Между колесом (12) и статором (11) выполнен зазор (С) для сведения к минимуму пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре (VG) между лопатками (16) колеса (12) и лопатками (15) статора (11). Зазор (С) содержит первый зазор, расположенный между ступицей (17) и кольцом (19). Между первым зазором и радиусом ступицы (17) определено первое соотношение, которое больше чем 0,02. Группа изобретений направлена на уменьшение уровня колебаний давления в безлопаточном пространстве, повышение общей эффективности турбины. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области гидравлических машин и, в частности к гидравлической турбине в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При проектировании гидравлических турбин необходимо добиваться одновременно нескольких целей. Одной из основных целей является эффективность турбины. Однако все более и более важными становятся расширение рабочего диапазона и обеспечение надлежащего поведения машины с точки зрения стабильности и надежности. Например, в настоящее время заказчик предъявляет требование к наличию низкого уровня вибраций в турбинной камере, поскольку вибрации высокой интенсивности могут стать причиной повреждения машины.
Эти вибрации являются следствием механической ответной реакции конструкции на возмущения потока жидкости, происходящие в результате взаимодействия ротора (рабочего колеса) и статора (RSI).
На фиг. 1 в качестве примера показаны основные части гидравлической турбины типа турбины Френсиса. Гидравлическая турбина 10, показанная на фиг. 1, содержит вертикальный ротор с рабочим колесом 12 и вал 12а. Рабочее колесо 12 содержит лопатки 16, распределенные по окружности вокруг оси ротора. Ротор 12, 12а концентрически окружен статором 11, расположенным между ротором 12, 12а и окружающим спиральным корпусом 13. Статор 11 снабжен закрепленными поворотными направляющими лопаток 15. Направляющие лопатки 15 направляют поток воды, подаваемой через спиральный корпус 13 в окружном направлении, на лопатки 16 рабочего колеса для приведения рабочего колеса 12 во вращательное движение. Вода выходит из рабочего колеса 12 в осевом направлении через отсасывающую трубу 14.
На фиг. 2 подробно показано положение статора 11 относительно рабочего колеса 12 (см. пунктирную окружность на фиг. 1). Направляющая лопатка 15 статора 11 проходит в вертикальном направлении между верхним кольцом 19 и нижним кольцом 20 статора. Лопатки 16 проходят в рабочем колесе между ступицей 17 рабочего колеса и ободом 18 рабочего колеса. Между ободом 18 рабочего колеса и окружающим нижним кольцом 20 статора имеется заданный зазор С.
В настоящее время проход лопаток 16 рабочего колеса перед направляющими лопатками 15, в так называемом безлопаточном зазоре VG, создает локальную область пульсирующего давления, в частности, в случае высоконапорных турбонасосов (см. пульсации 22 давления на фиг. 3). Эта область динамического давления обусловлена в основном изменением давления на каждой стороне профилей направляющих лопаток 15 и лопаток 16 рабочего колеса, происходящим при различных частотах.
Для проектировщиков и изготовителей гидравлических машин уменьшение этой области пульсирующего давления (или уровня колебания давления) в безлопаточном зазоре VG является постоянной проблемой. Тем не менее для решения этой проблемы существует несколько способов.
В патентном документе WO 2008004877 А1 описана гидравлическая турбина реактивного типа, такая как турбина Френсиса или Каплана, содержащая ротор и окружающий корпус, при этом между ротором и корпусом имеется уплотнительное средство. Для турбины этого типа существует проблема, заключающаяся в том, что большая часть потерь связана с утечкой через уплотнение. Часто используют простые лабиринтные уплотнения, но они требуют наличия больших зазоров, что обусловливает большие потери. С учетом этих известных уплотнений речь идет о важности обеспечения такой уплотнительной системы гидравлической турбины, которая позволяет создать значительно меньшие зазоры, чем у существующего в настоящее время лабиринтного уплотнения и других обычных уплотнительных конструкций, чтобы, среди прочего, повысить эффективность в высоконапорных турбинах Френсиса. Предложенное уплотнительное средство содержит щеточные уплотнения, расположенные в радиальном направлении на некотором расстоянии от оси ротора, составляющем большую часть максимального радиального размера ротора. Задачей настоящего изобретения является существенное уменьшение уровня колебаний при помощи нового, простого в монтаже и экономичного решения.
В патентном документе ЕР 0565805 А1 описана система для регулирования пульсации гидравлического давления и мощности в реактивной гидравлической турбине. Данная система содержит средство для введения дополнительного регулируемого пульсирующего потока воды в колено диффузора, состоящее, дополнительно или как вариант, из а) по меньшей мере одного тела внутри диффузора, подвижного между первым втянутым положением и вторым выдвинутым положением, b) по меньшей мере одного вспомогательного канала, проходящего по существу параллельно диффузору и присоединенного к указанному диффузору посредством его собственных впускного и выпускного отверстий, причем впускное отверстие расположено в конце колена диффузора, регулируемого клапаном, а выпускное отверстие, расположено смежно с пьезометрическим бассейном, причем регулирование указанного подвижного тела и клапана выполняют так, чтобы изменять объем диффузора для уменьшения пульсации давления в диффузоре до минимума и поддержания на постоянном уровне потока, зазора, вращающего момента и мощности ротора турбины.
В патентном документе US 2004/037698 А1 описано устройство на выходе статора для гидравлической турбины Френсиса и пропеллерной гидравлической турбины. Цель данного устройства состоит в том, чтобы исключить потерю эффективности турбины и сильные пульсации в отсасывающей трубе, вызываемые кольцевым завихрением в осевом направлении при всех рабочих режимах турбины, отличных от оптимальных режимов, без заметного уменьшения максимальной эффективности. Устройство на выходе статора содержит ступицу и направляющие лопатки на выходе статора, прикрепленные к ступице. Ступица устройства на выходе статора, после установки ее в турбине, расположена непосредственно после ступицы рабочего колеса, которая усечена в нижней части плоскостью, перпендикулярной центральной оси турбины. Ступица устройства на выходе статора вместе с усеченной ступицей рабочего колеса образуют проходы для воды после выхода из профиля ступицы для лопаток рабочего колеса. Направляющие лопатки на выходе статора расположены вокруг оси турбины в виде кругового массива, размещенного после лопаток рабочего колеса и прикрепленного по периферии либо к диффузору отсасывающей трубы, либо к фланцу на выходе статора, прикрепленному к турбинному выпускному кольцу и к конусу отсасывающей трубы.
Патентный документ WO 2008/060158 А2 относится к реактивной гидравлической турбине, содержащей рабочее колесо, отсасывающую трубу, расположенную ниже по потоку от рабочего колеса, и инжекторное средство, предназначенное для введения воды в отсасывающую трубу для уменьшения в ней колебаний давления, причем в стенке отсасывающей трубы выполнены одно или более отверстий для обеспечения по существу равномерного распределения вводимой воды в осевом и/или в окружном направлении в отсасывающей трубе.
Другие известные примеры систем гидравлической турбины можно найти в следующих патентных документах: в документе JP 55060666, описывающем способ уменьшения габаритов турбины, в документе JP 06074138, раскрывающем систему для уменьшения потерь, вызываемых трением, и в документе US 5290148, в котором рассматриваются толщина обода рабочего колеса и ступицы, а также жесткость конструктивных элементов. Наиболее близким аналогом предложенной турбины является решение, раскрытое в документе СА 2832987 А1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено предложенное изобретение, является наличие области пульсирующего давления (или уровня колебания давления) в безлопаточном зазоре. Технический результат, обеспечиваемый предложенным изобретением, заключается в уменьшении простым и эффективным способом уровня колебаний давления в безлопаточном пространстве, т.е. в зазоре между рабочим колесом и направляющими лопатками, и, как следствие, повышении общей эффективности турбины.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложена гидравлическая турбина, содержащая рабочее колесо, содержащее ступицу, обод и лопатки, проходящие между ступицей и ободом рабочего колеса. Гидравлическая турбина может содержать статор, предпочтительно окружающий рабочее колесо. Статор может содержать верхнее кольцо, нижнее кольцо и направляющие лопатки, проходящие между верхним кольцом статора и нижним кольцом статора.
Настоящее изобретение может отличаться тем, что между рабочим колесом и статором предусмотрен зазор, который предпочтительно выполнен для сведения к минимуму пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре между лопатками рабочего колеса и направляющими лопатками статора.
Зазор может быть выполнен с размерами, предпочтительно обеспечивающими уменьшение локальной области колебаний давления. Размер и местоположение зазора может зависеть от размеров и форм статора и ротора.
В предпочтительном варианте выполнения зазор может содержать первый зазор, расположенный между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора. Между первым зазором и радиусом ступицы рабочего колеса может быть определено первое соотношение. Предпочтительно первое соотношение может быть приблизительно равно 0,02. Как вариант, первое соотношение может быть меньше или больше чем 0,02.
В другом варианте выполнения зазор может содержать второй зазор, расположенный между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. Между вторым зазором и вторым радиусом может быть определено второе соотношение. Предпочтительно второе соотношение может быть приблизительно равно 0,02. Как вариант, второе соотношение может быть меньше или больше чем 0,02.
Первое соотношение по существу может быть равно второму соотношению. Как вариант, данные соотношения могут отличаться.
Следует отметить, что в уровне техники не рассматривается проблема уменьшения области колебаний давления. Кроме того, в уровне техники не раскрыт признак выполнения зазора между рабочим колесом и статором, причем зазор предпочтительно выполнен для минимизации пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре.
В патентном документе JP 55060666 приведен пример получения и обработки геометрических данных для внутреннего диаметра и ширины рабочего колеса. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения зазор выполнен с большими размерами, чем было установлено в предшествующем уровне техники. Фактически, основные идеи, приведенные в документе JP 55060666, заключаются в уменьшении какого-либо зазора между рабочим колесом и статором, что будет отрицательно сказываться на пульсации давления. В предшествующем уровне техники были предложены и другие усовершенствования, однако при этом не рассматривалось влияние регулирования зазора для минимизации пульсаций давления.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложена гидравлическая турбина, предпочтительно содержащая ротор с рабочим колесом, концентрически окруженный статором. Рабочее колесо предпочтительно содержит лопатки, расположенные и распределенные по окружности вокруг оси ротора. Каждая лопатка рабочего колеса может проходить между ступицей рабочего колеса и его ободом. Статор может содержать направляющие лопатки, расположенные и распределенные по окружности вокруг оси ротора. Каждая направляющая лопатка может проходить между верхним кольцом статора и нижним кольцом статора. По меньшей мере между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора может быть выполнен заданный зазор.
Настоящее изобретение может отличаться тем, что указанный зазор может быть существенно увеличен по сравнению с предшествующим уровнем техники для демпфирования пульсаций давления, возникающих в безлопаточном зазоре между указанными лопатками рабочего колеса и направляющими лопатками статора.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, а обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, и второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом, а также соотношение между вторым зазором и вторым радиусом, каждое из них, может превышать 0,02.
В частности, соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть равно соотношению между вторым зазором и вторым радиусом.
В соответствии с другим вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, и обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, и второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть ≤0,02, а соотношение между вторым зазором и вторым радиусом может быть ≥0,02.
В соответствии с другим вариантом выполнения ступица рабочего колеса может иметь первый радиус, а обод рабочего колеса может иметь второй радиус, при этом первый зазор может быть выполнен между ступицей рабочего колеса и верхним кольцом статора, а второй зазор может быть выполнен между ободом рабочего колеса и нижним кольцом статора. При этом соотношение между первым зазором и первым радиусом может быть ≥0,02, а соотношение между вторым зазором и вторым радиусом может быть ≤0,02.
Следует понимать, что один или более аспектов, вариантов выполнения и признаков любого из вышеупомянутых аспектов или вариантов выполнения настоящего изобретения могут быть легко использованы в сочетании, как будет очевидно квалифицированному специалисту.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено более подробное описание настоящего изобретения с помощью различных вариантов выполнения и со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
на фиг. 1 показан вид обычной гидравлической турбины типа турбины Френсиса,
на фиг. 2 показан увеличенный местный вид зазора, расположенного между рабочим колесом и статором турбины, показанной на фиг. 1,
на фиг. 3 показаны области давления и пульсации давления в зазоре, изображенном на фиг. 2, для конструкции в соответствии с уровнем техники,
на фиг. 4 показаны, в отличие от фиг. 2, области давления и пульсации давления в зазоре, изображенном на фиг. 2, для увеличенного зазора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения,
на фиг. 5 показаны различные геометрические параметры, используемые для уточнения увеличения зазора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения, и
на фиг. 6 показан пример снижения амплитуд пульсаций давления благодаря предложенному увеличению зазора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известные решения, направленные на уменьшение колебаний давления, по существу сосредоточены на конструкции и форме компонентов, расположенных вблизи участка безлопаточного зазора (VG).
Некоторыми из наиболее известных и установленных способов уменьшения колебаний давления являются следующие:
изменение количества лопаток и/или количества направляющих лопаток,
изменение диаметра лопаток рабочего колеса, внутреннего диаметра направляющей лопатки и/или среднего диаметра ступени турбины,
изменение конструкции рабочего колеса на входе турбины, например, формы переднего края (параболической или линейной формы), толщины лопатки и/или кривизны лопаток.
Некоторые из этих решений указаны в публикации «Колебания давления в безлопаточном промежутке высоконапорных гидравлических турбин» (авторы Zhigang и др.) в журнале Renewable and Sustainable Energy Reviews. 41 (2015) 965-974.
Вышеуказанные способы имеют обратное действие, наподобие уменьшения гидравлического коэффициента полезного действия, увеличения гидравлической неустойчивости и, соответственно, необходимо найти компромиссное решение, чтобы получить минимальные уровни пульсаций давления.
В настоящем изобретении предпочтительно значительно увеличен механический зазор между ротором и статором (рабочим колесом и кольцом) по сравнению со стандартными решениями, известными из уровня техники. Испытания, проведенные для двух проектов двух очень разных рабочих колес, показали впечатляющие результаты, когда зазор увеличивали по сравнению с системами из предшествующего уровня техники. Увеличенный зазор действует как демпфер пульсации давления, снижая общий уровень пульсации давления.
Одним из основных преимуществ является легкость настройки этого решения, а также то, что у него есть лишь несколько недостатков.
Демпфирующий эффект значительного увеличения зазора показан на фиг. 3 и 4.
Как показано на фиг. 3, зазор С1 между рабочим колесом (ободом 18 рабочего колеса) и статором (нижним кольцом 20 статора) является небольшим в соответствии с практикой предшествующего уровня техники. Относительное движение между направляющими лопатками 15 и лопатками 16 рабочего колеса создает область давления с пульсациями 22, возникающими от направляющих лопаток 15, и соответствующую область давления, возникающую от лопаток 16 рабочего колеса (см. стрелки на фиг. 3(а)). Взаимодействие обеих областей давления повышает давление (P(t) см. фиг. 3(b)), которое может быть измерено соответствующими датчиками 21 давления.
Значительное увеличение радиального зазора С1 до зазора С2 (см. фиг. 4(а)) создает демпфирующий эффект, так как пульсации могут легко распространяться из безлопаточного зазора VG через расширенный зазор С2. При этом измеренные пульсации давления резко уменьшаются (P(t) см. фиг. 4(b)).
Соответствующее увеличение зазора было выполнено во время испытаний на стадии разработки для реального проекта (с номинальным напором в 305 м), которые показали впечатляющие результаты в отношении уровня колебаний давления во всем диапазоне напора (см. фиг. 6), особенно при неполной нагрузке (значение 0,5 по оси х), когда уровень пульсации уменьшился от 20% до 10%.
На универсальной характеристике колебаний давления также можно видеть, что влияние предложенного увеличенного зазора С обнаруживается не только по всему диапазону напора, но также, в частности, в диапазоне от средней (50% = 130 МВт) до малой выходной мощности. Это особенно важно для применений, в которых точно определены очень низкие значения от частичной нагрузки до скорости без нагрузки.
На фиг. 5 показан зазор СС для ступицы между верхним кольцом 19 статора и ступицей 17 рабочего колеса, а также зазор СВ для обода между нижним кольцом 20 статора и ободом 18 рабочего колеса. Несмотря на то что на фиг. 5 показаны равные зазоры СС и СВ, они тем не менее могут отличаться. К зазору СС относится радиус RC ступицы. К зазору СВ относится радиус RB обода.
В машинах предшествующего уровня техники типичное соотношение CC/RC, равное соотношению CB/RB, составляет приблизительно 0,007 (<0,012). В соответствии с настоящим изобретением увеличение зазора может быть выполнено с обеспечением CC/RC = CB/RB >0,02 (в испытаниях имели место значения 0,0224 и 0,0298).
Однако оба соотношения CC/RC и CB/RB не обязательно должны быть равны, они могут отличаться, в то время как оба соотношения будут превышать значение 0,02 (CC/RC≠CB/RB, при этом CC/RC>0,02, и CB/RB>0,02).
Кроме того, соотношение CC/RC между указанным первым зазором СС и указанным первым радиусом RC может быть ≤0,02, тогда как соотношение CB/RB между указанным вторым зазором СВ и указанным вторым радиусом RB может быть ≥0,02.
Как вариант, соотношение CC/RC между указанным первым зазором СС и указанным первым радиусом RC может быть ≥0,02, тогда как соотношение CB/RB между указанным вторым зазором СВ и указанным вторым радиусом RB может быть ≤0,02.
К преимуществам настоящего изобретения относятся следующие факторы.
Предложенное изобретение в целом применимо к гидравлическим насосам/турбинам. Кроме того, оно может быть применено к турбине Френсиса (главным образом для высоконапорных машин);
Предложенное изобретение обеспечивает немедленную выгоду без дополнительных затрат.
Предложенное изобретение является легким для выполнения. Не существует какого-либо особого ограничивающего условия, поскольку предложенное решение заложено непосредственно в механической конструкции.
Для установленного оборудования необходимо лишь увеличить зазор, если это является достаточным (то есть, при условии быстрого и менее затратного выполнения этой операции).
Для новых проектов имеет место дополнительный положительный эффект для конструкции, обусловленный уменьшением уровня колебаний давления в безлопаточном зазоре.

Claims (21)

1. Гидравлическая турбина (10), содержащая
рабочее колесо (12), содержащее ступицу (17), обод (18) и лопатки (16), проходящие между ступицей (17) и ободом (18) рабочего колеса, и
статор (11), окружающий рабочее колесо и содержащий верхнее кольцо (19), нижнее кольцо (20) и направляющие лопатки (15), проходящие между верхним кольцом (19) и нижним кольцом (20) статора,
при этом между рабочим колесом (12) и статором (11) выполнен зазор (С, С1, С2, СВ, СС) для сведения к минимуму пульсаций (22) давления, возникающих в безлопаточном зазоре (VG) между лопатками (16) рабочего колеса (12) и направляющими лопатками (15) статора (11), и
при этом зазор (С, С1, С2, СВ, СС) содержит
первый зазор (СС), расположенный между ступицей (17) рабочего колеса и верхним кольцом (19) статора, причем между первым зазором (СС) и радиусом (RC) ступицы (17) рабочего колеса определено первое соотношение (CC/RC),
отличающаяся тем, что первое соотношение (CC/RC) больше чем 0,02.
2. Гидравлическая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что указанный зазор содержит
второй зазор (СВ), расположенный между ободом (18) рабочего колеса и нижним кольцом (20) статора, при этом между вторым зазором (СВ) и вторым радиусом (RB) обода (18) рабочего колеса определено второе соотношение (CB/RB).
3. Гидравлическая турбина по п. 2, отличающаяся тем, что второе соотношение (CB/RB) между вторым зазором (СВ) и вторым радиусом (RB) равно 0,02.
4. Гидравлическая турбина по п. 2, отличающаяся тем, что второе соотношение (CB/RB) меньше чем 0,02.
5. Гидравлическая турбина по п. 2, отличающаяся тем, что второе соотношение (CB/RB) больше чем 0,02.
6. Гидравлическая турбина (10), содержащая
рабочее колесо (12), содержащее ступицу (17), обод (18) и лопатки (16), проходящие между ступицей (17) и ободом (18) рабочего колеса, и
статор (11), окружающий рабочее колесо и содержащий верхнее кольцо (19), нижнее кольцо (20) и направляющие лопатки (15), проходящие между верхним кольцом (19) и нижним кольцом (20) статора,
при этом между рабочим колесом (12) и статором (11) выполнен зазор (С, С1, С2, СВ, СС) для сведения к минимуму пульсаций (22) давления, возникающих в безлопаточном зазоре (VG) между лопатками (16) рабочего колеса (12) и направляющими лопатками (15) статора (11), и
при этом зазор (С, С1, С2, СВ, СС) содержит
первый зазор (СС), расположенный между ступицей (17) рабочего колеса и верхним кольцом (19) статора, причем между первым зазором (СС) и радиусом (RC) ступицы (17) рабочего колеса определено первое соотношение (CC/RC),
второй зазор (СВ), расположенный между ободом (18) рабочего колеса и нижним кольцом (20) статора, причем между вторым зазором (СВ) и вторым радиусом (RB) обода (18) рабочего колеса определено второе соотношение (CB/RB),
отличающаяся тем, что первое соотношение (CC/RC) меньше или равно 0,02, и второе соотношение (CB/RB) больше или равно 0,02.
7. Гидравлическая турбина по любому из пп. 2-6, отличающаяся тем, что первое соотношение (CC/RC) между первым зазором (СС) и первым радиусом (RC) по существу равно второму соотношению (CB/RB) между вторым зазором (СВ) и вторым радиусом (RB).
RU2017126542A 2016-07-25 2017-07-25 Гидравлическая турбина RU2741358C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16290143.3 2016-07-25
EP16290143.3A EP3276157A1 (en) 2016-07-25 2016-07-25 Hydraulic turbine

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2017126542A RU2017126542A (ru) 2019-01-25
RU2017126542A3 RU2017126542A3 (ru) 2020-08-07
RU2741358C2 true RU2741358C2 (ru) 2021-01-25

Family

ID=56609827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017126542A RU2741358C2 (ru) 2016-07-25 2017-07-25 Гидравлическая турбина

Country Status (7)

Country Link
US (2) US10480480B2 (ru)
EP (2) EP3276157A1 (ru)
JP (1) JP2018017234A (ru)
CN (1) CN107654329B (ru)
ES (1) ES2773998T3 (ru)
PT (1) PT3276158T (ru)
RU (1) RU2741358C2 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3276157A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-31 GE Renewable Technologies Hydraulic turbine
JP7278985B2 (ja) * 2020-03-05 2023-05-22 株式会社東芝 フランシス型水車用ランナ及びフランシス型水車
DE102021101197B3 (de) 2021-01-21 2022-03-10 Voith Patent Gmbh Hydraulische Maschine vom Typ Francis

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5551964A (en) * 1978-10-11 1980-04-16 Hitachi Ltd Hydraulic machine
JPS5560666A (en) * 1978-10-31 1980-05-07 Toshiba Corp Runner for pump water turbine
US5290148A (en) * 1991-03-13 1994-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba High head pump-turbines
JP2003013837A (ja) * 2001-06-28 2003-01-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ポンプ水車のランナ
CA2832987A1 (fr) * 2011-04-20 2012-10-26 Alstom Renewable Technologies Roue pour machine hydraulique, machine hydraulique equipee d'une telle roue et installation de conversion d'energie comprenant une telle machine hydraulique
RU2492351C1 (ru) * 2009-05-27 2013-09-10 Нанцзин Синфэй Кулинг Эквипмент Ко., Лтд. Рабочее колесо для непосредственно соединенной тихоходной малой гидротурбины диагонального типа, применяемой в гидродинамической энергосберегающей охлаждающей башне

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2416268A (en) * 1943-10-01 1947-02-18 Allis Chalmers Mfg Co Hydraulic turbine seal
GB1006300A (en) * 1962-10-15 1965-09-29 English Electric Co Ltd Improvements in or relating to hydraulic pumps and reversible pump turbines
US3245656A (en) * 1964-04-06 1966-04-12 Dominion Eng Works Ltd Automatic supply of sealing fluid for rotary fluid machines
US3360238A (en) * 1967-02-13 1967-12-26 Dominion Eng Works Ltd Shroud seal for hydraulic machines
JPS5034640U (ru) * 1973-07-27 1975-04-14
JPS5417B2 (ru) * 1974-09-27 1979-01-05
JPS5337252A (en) * 1976-09-17 1978-04-06 Fuji Electric Co Ltd Sealing arrangement between runner and fixed part of hydraulic machine
JPS605788B2 (ja) * 1977-10-20 1985-02-14 株式会社東芝 水車ケーシング
JPS551964A (en) 1978-06-21 1980-01-09 Yuasa Battery Co Ltd Method and apparatus for continuous casting of grating for lead storage battery
US4286919A (en) * 1979-12-13 1981-09-01 Hitachi, Ltd. Apparatus for pumping operation of a hydraulic machine having Francis type runner
JPS5838387A (ja) * 1981-08-31 1983-03-05 Toshiba Corp フランシス形ポンプ水車
JPS5875966U (ja) * 1981-11-18 1983-05-23 株式会社日立製作所 水車ランナ−の漏水シ−ル装置
JPS6022076A (ja) * 1983-07-15 1985-02-04 Toshiba Corp 水力機械
JPH0674138B2 (ja) 1986-07-07 1994-09-21 雄一 村上 ゼオライト細孔入口径の精密制御法
JPH0723710B2 (ja) * 1989-06-20 1995-03-15 株式会社東芝 水力機械及びその運転制御方法
DE69215352T2 (de) 1992-04-14 1997-05-15 Ente Naz Energia Elettrica Steuerung von Druck- und Leistungsschwankungen in Wasserturbinen
JPH0674138A (ja) * 1992-08-27 1994-03-15 Hitachi Ltd 水力機械のシール構造
AU2003281669A1 (en) * 2002-07-26 2004-02-16 Bernd Gapp Composite material
US6918744B2 (en) 2002-08-21 2005-07-19 Alexander Gokhman Hydraulic turbine and exit stay apparatus therefor
NO325031B1 (no) 2006-07-04 2008-01-21 Ge Energy Norway As Vannturbin
NO325509B1 (no) 2006-11-16 2008-05-26 Ge Energy Norway As Hydraulisk reaksjonsturbin og fremgangsmate for reduksjon av trykkfluktuasjoner
FR2925939A1 (fr) * 2007-12-28 2009-07-03 Alstom Power Hydraulique Sa Machine hydraulique, installation de conversion d'energie comprenant une telle machine et procede d'ajustement d'une telle machine
CN101560940B (zh) * 2009-05-27 2010-04-21 南京星飞冷却设备有限公司 应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机
CN103498749B (zh) * 2013-09-27 2016-03-02 河海大学 一种用于低水头抽水蓄能电站的小型混流式水泵水轮机
FR3016134B1 (fr) * 2014-01-08 2016-04-15 Alstom Renewable Technologies Procede de fabrication d'une roue de type francis pour machine hydraulique et roue fabriquee par un tel procede
JP2016109087A (ja) * 2014-12-09 2016-06-20 株式会社東芝 水力機械
EP3276157A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-31 GE Renewable Technologies Hydraulic turbine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5551964A (en) * 1978-10-11 1980-04-16 Hitachi Ltd Hydraulic machine
JPS5560666A (en) * 1978-10-31 1980-05-07 Toshiba Corp Runner for pump water turbine
US5290148A (en) * 1991-03-13 1994-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba High head pump-turbines
JP2003013837A (ja) * 2001-06-28 2003-01-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd ポンプ水車のランナ
RU2492351C1 (ru) * 2009-05-27 2013-09-10 Нанцзин Синфэй Кулинг Эквипмент Ко., Лтд. Рабочее колесо для непосредственно соединенной тихоходной малой гидротурбины диагонального типа, применяемой в гидродинамической энергосберегающей охлаждающей башне
CA2832987A1 (fr) * 2011-04-20 2012-10-26 Alstom Renewable Technologies Roue pour machine hydraulique, machine hydraulique equipee d'une telle roue et installation de conversion d'energie comprenant une telle machine hydraulique

Also Published As

Publication number Publication date
US10480480B2 (en) 2019-11-19
EP3276157A1 (en) 2018-01-31
US20200149505A1 (en) 2020-05-14
ES2773998T3 (es) 2020-07-16
RU2017126542A (ru) 2019-01-25
EP3276158A1 (en) 2018-01-31
RU2017126542A3 (ru) 2020-08-07
JP2018017234A (ja) 2018-02-01
EP3276158B1 (en) 2019-11-13
PT3276158T (pt) 2020-02-20
US11073124B2 (en) 2021-07-27
CN107654329B (zh) 2021-06-08
US20180023534A1 (en) 2018-01-25
CN107654329A (zh) 2018-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6129507A (en) Method and device for reducing axial thrust in rotary machines and a centrifugal pump using same
US10260366B2 (en) Sealing device and turbo machine
EP2476868B1 (en) Exhaust system for steam turbine
JP2003013898A (ja) 軸流形流体機械
RU2741358C2 (ru) Гидравлическая турбина
MX2014012987A (es) Sello laberintico de alta humidificacion con conformacion helicoidal o mixta helicoidal-cilindrica.
JP5972374B2 (ja) 軸流流体機械
KR20140049543A (ko) 다단 원심식 터보기계
EP2154380B1 (en) Seal device for rotary fluid machine and rotary fluid machine
RU2629849C2 (ru) Компактная лопатка для рабочего колеса турбины френсиса и способ конфигурирования рабочего колеса
WO2012001997A1 (ja) シール装置及びこれを備えた流体機械
US8425181B2 (en) Axial-flow turbine with flow extraction means
US8870532B2 (en) Exhaust hood diffuser
JP5067928B2 (ja) 軸流ターボ機械
JP2017048703A (ja) 遠心ポンプ
CN101761511B (zh) 开槽宽度为抛物线的离心压气机非对称自循环处理机匣
JP6362984B2 (ja) 遠心型流体機械
JP5677332B2 (ja) 蒸気タービン
Kim et al. Development of a Diffuser Type Multistage Pump With Low Specific Speed
CN101737360B (zh) 开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣
KR20230133916A (ko) 터빈, 및 가스 터빈
CN113187764A (zh) 一种错列分层式非均匀对称的导叶结构
JP2020037904A (ja) 軸流タービン
CN101761513A (zh) 开槽宽度为圆弧分布的离心压气机非对称自循环处理机匣
JP2013213410A (ja) 遠心型の流体機械