RU2778191C1

RU2778191C1 - Shaftless straight-flow turbine

Info

Publication number: RU2778191C1
Application number: RU2021120716A
Authority: RU
Inventors: Владимир Валентинович Желваков
Original assignee: Владимир Валентинович Желваков
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2022-08-15

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, to devices for extracting energy from a liquid stream. The shaftless straight-flow turbine contains a housing 5, an impeller 2 with blades inside the rim covering the ends of the blades, a generator rotor with permanent magnet poles 4, which is one with the rim, a generator stator 9 with windings 8 in the housing 5. The blades of the impeller 2 are made twisted on a helical surface. The rim is made with a central cylindrical hole. The stator 9 with the generator windings 8 is hermetically placed in the compound 10 and held in the cylindrical housing 5 by means of end caps 1, 7 having ring gaskets 13, 14, ensuring tightness of the connection with the housing 5 and the flanges of external pipelines by means of studs 12. The ends of the windings 8 are removed through the hermetic outlet 11 in the housing 5. The impeller 2 is rotatable in thrust bearings with separators 15 on ceramic balls 3, 6 rolling along the support surfaces in the form of faces providing at least two points of contact with the ball 3, 6 of the housing 5 and covers 1, 7.

EFFECT: invention is aimed at simplifying the design, ensuring reliability, efficiency and durability of work.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения к устройствам для отбора энергии из потока жидкости, к гидравлическим турбинам в гидроагрегатах или в высоконапорных агрегатах продуктопроводов с жидкими углеводородами, для утилизации кинетической энергии, содержащейся в транспортируемом по магистралям сжатом природном газе, в газопроводах с сырым неочищенным газом, для перекачивания агрессивной среды или жидкости. Для строительства гидроэлектростанций с низко и высоконапорными агрегатами большое значение имело создание горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами, у которых генератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой или газом [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 the field of mechanical engineering to devices for extracting energy from a liquid flow, to hydraulic turbines in hydraulic units or in high-pressure units of product pipelines with liquid hydrocarbons, for utilizing the kinetic energy contained in compressed natural gas transported through highways, in gas pipelines with raw untreated gas, for pumping aggressive media or liquids. For the construction of hydroelectric power plants with low and high-pressure units, the creation of horizontal capsule units with axial turbines, in which the generator is located in a steel capsule flown by water or gas, was of great importance [Hydraulic horizontal capsule turbines. OST 108.023.107-85, 1985]. When using capsule units, the flow along the length of the flow path has few turns and a straight-line movement in the suction pipe. This leads to a decrease in hydraulic losses and an increase in the efficiency of the turbine, especially at high flow rates. 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). 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 hydraulic turbine device is known, containing peripheral ends of the blades of a direct-flow 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 [Shchapov N.M. Turbine equipment of hydroelectric power stations. M.-L. Gosenergoizdat, 1961]. Such turbines were built for 15 years in cooperation with Fischer by the Escher Wies plant (Switzerland). But due to the difficulty of reliably protecting the generator from moisture, direct-flow units have not found application. Then a new type of direct-flow unit was developed, called "straflo", which was installed at some low-pressure hydroelectric power plants (HPP), later it was proposed to call such units and the turbine shaftless. In the flow part of a once-through turbine, hydraulic losses are significantly lower than in capsule-type hydraulic units [Krivchenko G.I. hydraulic machines. - M: Energoatomizdat, 1983].

Известно устройство прямоточной гидротурбины Моргунова Г.М. [Патент №2245454, МПК F03B 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 once-through hydro turbine Morgunov G.M. [Patent No. 2245454, IPC F03B 9/00, 13/08 2003], containing a generator installed outside the housing and connected to the shaft of a once-through hydraulic turbine by a transmission. Part of the transmission is in the water flow and creates additional resistance. The lack of design forces the creation of a reliable seal between the transmission shaft and the turbine housing.

Известно также устройство гидротурбины по описанию полезной модели к патенту RU 199473 U1, МПК F03B 7/00, F03B 17/06 в котором гидротурбина включает корпус в виде отрезка круглой трубы с винтовой лопастью внутри. Недостатком этой гидротурбины является невозможность ее использовать при большом давлении внутри трубы или высоком напоре среды, и низкая надежность из-за наличия сальников и внешней зубчатой передачи на генератор.It is also known the device of the turbine according to the description of the utility model to the patent RU 199473 U1, IPC F03B 7/00, F03B 17/06 in which the turbine includes a housing in the form of a segment of a round pipe with a helical blade inside. The disadvantage of this hydraulic turbine is the impossibility of using it at high pressure inside the pipe or high pressure of the medium, and low reliability due to the presence of seals and external gear transmission to the generator.

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 shaftless once-through hydraulic turbine "Straflo", 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 или в потоке углеводородов.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 seals in the area of the impeller rim and moisture ingress, rapid wear of the ring seal of the rim between the impeller blades and the generator due to a significant amount of suspended particles in turbid river water or in the stream hydrocarbons.

В качестве прототипа выбрана безвальная прямоточная гидротурбина по патенту №RU 2637280-, включающая рабочее колесо, обод, охватывающий торцы лопаток рабочего колеса, ротор генератора с полюсами, составляющий с ободом одно целое, статор генератора, уплотнения с двух сторон обода, отличающаяся тем, что обод с ротором и статор генератора заключены в камеру, в которой имеется вход для подвода сжатого воздуха с возможностью регулирования его поступления, а также вход для датчика давления в камере, датчик давления потока воды, расположенный на камере генератора, торцы обода снабжены кольцевыми концентрическими гребнями, воздушный канал между ободом рабочего колеса и проточной частью турбины заполнен пористым материалом в виде сотовых уплотнений.As a prototype, a shaftless direct-flow hydroturbine according to patent No. RU 2637280-, including an impeller, a rim covering the ends of the impeller blades, a generator rotor with poles that is integral with the rim, a generator stator, seals on both sides of the rim, is selected as a prototype, characterized in that the rim with the rotor and the stator of the generator are enclosed in a chamber in which there is an inlet for supplying compressed air with the ability to regulate its flow, as well as an inlet for a pressure sensor in the chamber, a water flow pressure sensor located on the generator chamber, the ends of the rim are equipped with annular concentric ridges, the air channel between the rim of the impeller and the flow path of the turbine is filled with a porous material in the form of honeycomb seals.

К недостаткам данной конструкции относятся отсутствие надежной работы электрогенератора при высоком давлении, когда невозможно создать противодавление сжатым воздухом в камере со статором генератора, а в потоке жидкости с механическими загрязнениями кольцевые концентрические гребни засоряются и тормозят вращение ротора с полюсами генератора.The disadvantages of this design include the lack of reliable operation of the electric generator at high pressure, when it is impossible to create back pressure with compressed air in the chamber with the generator stator, and in the fluid flow with mechanical impurities, the annular concentric ridges become clogged and slow down the rotation of the rotor with the generator poles.

Принимая во внимание уровень техники описанный выше, техническая проблема заключается в сложности конструкции существующих турбин и снижение надежности работы при высоком давлении среды и при работе в условиях наличия большого количества механических примесей в потоке жидкости или газа через рабочее колесо гидротурбины.Taking into account the state of the art described above, the technical problem lies in the complexity of the design of existing turbines and the decrease in the reliability of operation at high pressure of the medium and when operating in conditions of the presence of a large amount of mechanical impurities in the liquid or gas flow through the turbine impeller.

Для решения указанных проблем предложена безвальная прямоточная гидротурбина, содержащая корпус, рабочее колесо с лопастями внутри обода, охватывающего торцы лопастей, ротор генератора с полюсами постоянного магнита, составляющий с ободом одно целое, статор генератора с обмотками в корпусе, отличающийся тем, что лопасти рабочего колеса выполнены закругленными по винтовой поверхности, обод выполнен с центральным цилиндрическим отверстием, а статор с обмотками генератора герметично залит в компаунд и удержан в корпусе цилиндрической формы с помощью торцевых крышек, имеющих кольцевые прокладки, обеспечивающие герметичность соединения с корпусом и фланцами внешних трубопроводов посредством шпилек, при этом концы обмоток статора генератора выведены через гермовывод в корпусе, а рабочее колесо выполнено с возможностью вращения в опорно-упорных подшипниках с сепараторами на керамических шариках, катящихся по опорным поверхностям в виде граней, обеспечивающих не менее двух точек контактов с керамическим шариком цилиндрического корпуса и торцевых крышек.To solve these problems, a shaftless direct-flow hydroturbine is proposed, containing a housing, an impeller with blades inside a rim covering the ends of the blades, a generator rotor with permanent magnet poles that is integral with the rim, a generator stator with windings in the housing, characterized in that the impeller blades are made rounded along the helical surface, the rim is made with a central cylindrical hole, and the stator with the generator windings is hermetically poured into the compound and held in the cylindrical body with the help of end caps having ring gaskets that ensure tight connection with the body and flanges of external pipelines by means of studs, with In this case, the ends of the generator stator windings are brought out through a pressure seal in the housing, and the impeller is made with the possibility of rotation in thrust bearings with separators on ceramic balls, rolling along the supporting surfaces in the form of faces, providing at least two points of contact with the heater. ramic ball of the cylindrical body and end caps.

Использована синхронная машина с возбуждением поля статора от постоянных магнитов ротора, которая работает и в погруженном в жидкость состоянии, в которой отсутствуют уплотнения и в зазоре между ротором и статором находится жидкость, а обмотки статора залиты в компаунд и полностью герметичны, при этом ротор генератора составляющий одно целое с рабочим колесом вращается на подшипниках качения с керамическими шариками.A synchronous machine was used with the excitation of the stator field from the permanent magnets of the rotor, which also operates in a state immersed in a liquid, in which there are no seals and there is liquid in the gap between the rotor and the stator, and the stator windings are filled in the compound and are completely sealed, while the generator rotor is one piece with the impeller rotates on rolling bearings with ceramic balls.

Рабочее колесо безвальной прямоточной гидротурбины, одновременно являющееся ротором генератора, выполнено в виде двух неметаллических соосных цилиндров в полости между стенок которых расположены лопасти закрученные по винтовой поверхности, внешний цилиндр в виде обода охватывающий торцы лопастей рабочего колеса на наружной поверхности содержит постоянные магниты выполняющие роль полюсов ротора генератора и составляющие с ободом одно целое, с двух торцов обода рабочего колеса расположены металлические обоймы подшипниковых узлов с сепараторами и керамическими шариками, которые катятся по опорным поверхностям: обоймы рабочего колеса, передней и задней металлической торцевой крышки, что позволяет вращаться ротору внутри цилиндрического корпуса гидротурбины с герметичными обмотками статора генератора.The impeller of a shaftless direct-flow hydroturbine, which is simultaneously a generator rotor, is made in the form of two non-metallic coaxial cylinders in the cavity between the walls of which there are blades twisted along a helical surface, the outer cylinder in the form of a rim covering the ends of the impeller blades on the outer surface contains permanent magnets that act as rotor poles generator and components with a rim one piece, on both ends of the rim of the impeller there are metal cages of bearing assemblies with separators and ceramic balls that roll along the supporting surfaces: cages of the impeller, front and rear metal end caps, which allows the rotor to rotate inside the cylindrical casing of the hydroturbine with sealed generator stator windings.

Статор генератора выполнен в виде герметичного обода из компаунда в который залиты обмотки генератора с зазором расположен вокруг ротора генератора и имеет герметичные выводы контактов с внешней стороны через цилиндрический корпус гидротурбины. В передней части рабочего колеса расположен опорно-упорный подшипник, шарики которого катятся по двум опорным поверхностям: рабочего колеса и передней торцевой крышки с отверстием для входа газа или жидкости, а в задней части рабочего колеса расположен опорно-упорный подшипник, шарики которого катятся по опорным поверхностям рабочего колеса и задней торцевой крышки корпуса гидротурбины с выходным отверстием. Причем отверстия в передней и задней крышке имеют диаметр равный внутреннему диаметру внешнего цилиндра обода рабочего колеса. Передняя крышка и задняя крышка корпуса безвальной прямоточной гидротурбины через прокладки стянута шпильками с гайками, что позволяет устанавливать ее между фланцев трубопроводов и разбирать безвальную прямоточную гидротурбину при обслуживании и ремонте.The generator stator is made in the form of a sealed rim made of a compound into which the generator windings are filled with a gap located around the generator rotor and has sealed contact leads from the outside through the cylindrical body of the hydroturbine. In the front part of the impeller there is a thrust bearing, the balls of which roll along two bearing surfaces: the impeller and the front end cover with an opening for gas or liquid inlet, and in the rear part of the impeller there is a thrust bearing, the balls of which roll along the bearing surfaces. surfaces of the impeller and the rear end cover of the hydraulic turbine housing with an outlet. Moreover, the holes in the front and rear covers have a diameter equal to the inner diameter of the outer cylinder of the impeller rim. The front cover and back cover of the body of the shaftless direct-flow hydraulic turbine are tightened with studs and nuts through gaskets, which makes it possible to install it between the pipeline flanges and disassemble the shaftless direct-flow hydraulic turbine during maintenance and repair.

Отсутствие уплотнений зазора между ротором и статором, ротором и крышками, позволяет снизить риск засорения. Подшипниковые узлы с керамическими шариками могут работать без смазки и смазываются жидкостью или водой при ее наличии, чем достигается возможность работы гидротурбины на воздухе на жидкости и на смеси газа или воздуха с жидкостью. Для удешевления изготовления и обеспечения предотвращения загрязнения опорные поверхности обоймы в цилиндрическом корпусе и торцевых крышках, по которым катаются керамические шарики опорно-упорных подшипников рабочего колеса выполнены в виде граней обеспечивающих не менее двух точек контакта с керамическим шариком.The absence of gap seals between the rotor and stator, rotor and covers, reduces the risk of clogging. Bearing assemblies with ceramic balls can operate without lubrication and are lubricated with liquid or water, if any, which makes it possible to operate the turbine in air on liquid and on a mixture of gas or air with liquid. To reduce the cost of manufacturing and ensure the prevention of contamination, the bearing surfaces of the cage in a cylindrical body and end caps, on which the ceramic balls of the thrust bearings of the impeller roll, are made in the form of faces providing at least two points of contact with the ceramic ball.

Применение обмоток статора генератора залитых в компаунд и жестко установленных в корпус гидротурбины позволяет использовать гидротурбину в условиях высоких давлений.The use of generator stator windings cast in a compound and rigidly installed in the hydraulic turbine housing allows the use of a hydraulic turbine in high pressure conditions.

Применение рабочего колеса с центральным отверстием цилиндрической формы позволяет использовать часть кинетической энергии потока, снизить скорость вращения рабочего колеса с магнитами ротора генератора, создать эффект эжекции за рабочим колесом и снизить потери давления потока жидкости или газа.The use of an impeller with a central hole of a cylindrical shape makes it possible to use part of the kinetic energy of the flow, reduce the rotation speed of the impeller with generator rotor magnets, create an ejection effect behind the impeller and reduce the pressure loss of the liquid or gas flow.

Одинаковый диаметр отверстия в передней и задней крышки гидротурбины и внутренний диаметр ротора генератора позволяет снизить вероятность создания завихрений и засорения зазоров между ротором и крышками гидротурбины, подшипниковых узлов и создать гидротурбину создающую минимальное сопротивление основному потоку среды, жидкости или газа.The same diameter of the hole in the front and rear covers of the hydraulic turbine and the inner diameter of the generator rotor makes it possible to reduce the likelihood of creating turbulences and clogging the gaps between the rotor and the covers of the hydraulic turbine, bearing assemblies and create a hydraulic turbine that creates minimal resistance to the main flow of the medium, liquid or gas.

На чертеже представлен разрез безвальной прямоточной гидротурбины.The drawing shows a section of a shaftless once-through hydraulic turbine.

Предлагаемое устройство содержит следующие элементы:The proposed device contains the following elements:

1 - задняя торцевая крышка;1 - rear end cover;

2 - обод рабочего колеса;2 - impeller rim;

3 - керамические шарики опорно-упорного подшипника задней крышки;3 - ceramic balls of the support-thrust bearing of the rear cover;

4 - магниты обода ротора генератора;4 - generator rotor rim magnets;

5 - цилиндрический корпус;5 - cylindrical body;

6 - керамические шарики опорно-упорного подшипника передней торцевой крышки;6 - ceramic balls of the thrust bearing of the front end cap;

7 - передняя торцевая крышка;7 - front end cover;

8 - обмотки статора генератора;8 - generator stator windings;

9 - статор генератора;9 - generator stator;

10 - компаунд заливки статора генератора;10 - generator stator filling compound;

11 - гермовывод обмотки статора генератора;11 - pressure seal of the generator stator winding;

12 - стяжные шпильки;12 - tie rods;

13, 14 - кольцевые прокладки;13, 14 - ring gaskets;

15 - сепаратор подшипника.15 - bearing cage.

Устройство работает следующим образом. Поток жидкости протекая через закрученные по винтовой поверхности каналы лопастей рабочего колеса 2 вращает его, при этом понижаются его скорость и давление, то есть кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения рабочего колеса 2. Вращающиеся магниты 4 ротора генератора составляющие одно целое с рабочим колесом 2 индуцируют в обмотках 8 статора 9 генератора электрический ток, который через гермовывод 11 обмотки статора генератора выводится наружу. Охлаждение обмоток 8 статора 9 генератора осуществляется потоком жидкости в зазоре между внешним диаметром ротора и внутренним диаметром статора. Рабочее колесо 2 гидротурбины с магнитами 4 ротора генератора вращаются на керамических шариках 3 опорно-упорного подшипника задней крышки 1 и керамических шариках 6 опорно-упорного подшипника передней торцевой крышки 7. Шарики 3 и 6 расположены в гнездах сепаратора 15, обеспечивающих равномерное распределение шариков. Осевое усилие от потока жидкости на рабочее колесо 2 воспринимается керамическими шариками 3 и передается задней торцевой крышки 1. Радиальное усилие от вращающегося рабочего колеса 2 воспринимается керамическими шариками 3 и 6 и передается передней торцевой крышке 7 и задней торцевой крышке 1. Герметичность устройства обеспечивается с помощью кольцевых прокладок 13 расположенных между цилиндрическим корпусом 5 и торцевыми крышками 1 и 7, которые стягиваются стяжными шпильками 12. Кольцевые прокладки 14 обеспечивают герметичность при присоединении к фланцам внешних трубопроводов.The device works as follows. The fluid flow flowing through the channels of the blades of the impeller 2, twisted along the helical surface, rotates it, while its speed and pressure decrease, that is, the kinetic energy is converted into mechanical energy of rotation of the impeller 2. The rotating magnets 4 of the generator rotor, which are integral with the impeller 2, induce in the windings 8 of the stator 9 of the generator, electric current, which is output through the pressure seal 11 of the winding of the stator of the generator. The cooling of the windings 8 of the stator 9 of the generator is carried out by the fluid flow in the gap between the outer diameter of the rotor and the inner diameter of the stator. The impeller 2 of the hydraulic turbine with magnets 4 of the generator rotor rotate on ceramic balls 3 of the thrust bearing of the rear cover 1 and ceramic balls 6 of the thrust bearing of the front end cover 7. Balls 3 and 6 are located in the cage seats 15, ensuring uniform distribution of the balls. The axial force from the fluid flow to the impeller 2 is taken by the ceramic balls 3 and transmitted to the rear end cap 1. The radial force from the rotating impeller 2 is perceived by the ceramic balls 3 and 6 and transmitted to the front end cap 7 and the rear end cap 1. The tightness of the device is ensured by ring gaskets 13 located between the cylindrical body 5 and end caps 1 and 7, which are pulled together by tie rods 12. Ring gaskets 14 provide tightness when connected to the flanges of external pipelines.

Вышеуказанное выполнение безвальной прямоточной гидротурбины позволяет обеспечить герметичность при высоком давлении в потоке среды, жидкости или газа, отказаться от лабиринтных уплотнений, системы подкачки сжатого воздуха, упростить конструкцию, обеспечивая при этом надежность, эффективность и долговечность работы обмоток статора генератора безвальной прямоточной гидротурбины.The above embodiment of a shaftless once-through hydraulic turbine makes it possible to ensure tightness at high pressure in a medium, liquid or gas flow, to abandon labyrinth seals, a compressed air pumping system, to simplify the design, while ensuring the reliability, efficiency and durability of the generator stator windings of a shaftless direct-flow hydraulic turbine.

Claims

Shaftless direct-flow hydroturbine comprising a casing, an impeller with blades inside a rim enclosing the ends of the blades, a generator rotor with permanent magnet poles integral with the rim, a generator stator with windings in the casing, characterized in that the impeller blades are made twisted along the helical surface , the rim is made with a central cylindrical hole, and the stator with the generator windings is hermetically poured into the compound and held in the cylindrical housing with the help of end caps having ring gaskets that ensure tight connection with the housing and flanges of external pipelines by means of studs, while the ends of the generator stator windings are brought out through the pressure seal in the housing, and the impeller is made with the possibility of rotation in thrust bearings with separators on ceramic balls, rolling along the supporting surfaces in the form of faces, providing at least two points of contact with the ceramic ball of the cylindrical housing and end caps.