Робоче колесо радіально-осьової гідромашини

Передбачуваний винахід відноситься до гідромашинобудування і може бути використаним при виготовленні робочих колес радіально-осьових гідромашин. На енергетичні, кавітаційні, ерозійні і пульсаційні характеристики робочого колеса радіально-осьової гідромашини вирішальний вплив, як правило, справляють геометричні параметри елементів робочого колеса. Найбільш важливими параметрами є геометричні характеристики лопатей робочого колеса, форма і розташування вхідної і вихідної крайок лопатей, лопатевих кутів на вході і виході, закон розподілення товщин по висоті лопаті, також кількість лопатей [1]. Відомі робочі колеса радіально-осьової гідротурбіни [2], що містять верхній і нижній ободи і закріплені між останніми лопаті, що пристосовані для роботи на напорах від 70 до 115м водного стовпа (РО 75 і РО 115), з кількістю лопатей Zл=14, із відносною висотою лопаток напрямного апарата `b0=0,25 і з певними співвідношеннями геометричних параметрів елементів робочих колес. Відомі також робочі колеса радіально-осьової гідротурбіни [3], що містять верхній і ніжній ободи і закріплені між останнім лопаті, що пристосовані для роботи на напорах від 70 до 115м водного стовпа (РО 75 і РО 115) і пропоновані стандартом, з кількістю лопатей Zл=14...16, із відносною висотою лопаток напрямного апарата `b0= 0,3...0,35 і з певними співвідношеннями геометричних параметрів елементів робочого колеса. Загальними недоліками робочих колес [2, 3] є: - незабезпеченність повного погодження форми лопатей із натікаючим потоком води і потоком у міжлопатевому каналі; - значні рівень кавітаційної ерозії і рівень пульсації за робочим колесом; - невеликий рівень максимального ККД; - вузький діапазон зони із оптимальним ККД; - вузький діапазон застосування робочих колес по напорах (або РО 75 або РО 115). Найбільш близьким з виявлених аналогів до передбачуванного винаходу є робоче колесо радіальноосьової гідротурбіни [4], що містить верхній і нижній ободи і закріплені між останніми лопаті і що пристосовано для роботи на напорах до 115м водного стовпа (РО 115), з кількістю лопатей Zл=16, із відносною висотою лопаток напрямного апарата `b0=0,3177 з певними співвідношеннями геометричних параметрів елементів робочого колеса, у якого максимальний ККД моделі = 93,1% і діапазон застосування по напорах - від 75м до 115м водного стовпа. Недоліками відомого робочого колеса є: - високий рівень пульсації за робочим колесом на часткових навантаженнях; - невисокий рівень максимального ККД; - недостатньо широкий діапазон зони із оптимальним ККД; - недостатньо широкий діапазон застосування робочого колеса по напорах. В основу передбачуваного винаходу поставлено задачу - створити таке робоче колесо радіальноосьової гідромашини, нове виконання якого шляхом оптимізації параметрів лопатевої системи робочого колеса дозволило б забезпечити розширення діапазону застосування робочого колеса для роботи на напорах від 60 до 115м водного стовпа. Заявлене робоче колесо радіально-осьової гідромашини характеризується тим, що містить верхній ι нижній ободи і закріплені між останніми лопаті, поверхня яких виконана у відповідності із певними співвідношеннями. При цьому, відмітні ознаки передбачуваного винаходу у порівнянні із прототипом полягають у тому, що номінальна поверхня лопатей виконана у відповідності із наступними співвідношеннями геометричних параметрів: (лінійні величини віднесені до номінального діаметра робочого колеса D1) номінальний діаметр робочого колеса - D1, кількість лопатей Zл=13; відносна висота лопатки напрямного апарата `b0=0,317; вхідна крайка лопаті: діаметр розташування на верхньому ободі `D1воб=0,7417 діаметр розташування на нижньому ободі `D1ноб=1,0, положення на верхньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b1воб=0,037, положення на нижньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b1ноб =0,382, кутова координата на верхньому ободі qвоб=37°, кутова координата на нижньому ободі qноб=36,5°, радіус вхідної крайки у горизонтальному перерізі на `b1 (по висоті лопаті) `rвх=const=0,005, де `b1 текуча координата відносно верхнього кільця напрямного апарата (від верхнього до нижнього обода), лопатевий кут на вході у горизонтальному перерізі на `b1 (від верхнього до нижнього обода), b 1і=82°...73°; вихідна крайка лопаті: діаметр розташування на верхньому ободі `D2воб=0,389, діаметр розташування на нижньому ободі `D2ноб=1,008, положення на верхньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b2воб =0,161, положення на нижньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b2ноб=0,558, товщина вихідної крайки у горизонтальному перерізі на `b1 (по висоті лопаті) `Dвих=const=0,0029, лопатевий кут на виході лопаті у горизонтальному перерізі на `b1 (від верхнього до нижнього обода) b 2і=13°...35°; максимальна товщина лопаті `d max=0,0259; конусність нижнього обода a ноб=1,2°±0,5°. При цьому, зменшення конусності нижнього обода нижче a ноб=0,7° приводить до зменшення дифузора на виході з робочого колеса, до значного зменшення витрати води крізь робоче колесо і, отже, до зменшення потужності робочого колеса; збільшення конусності нижнього обода вище a ноб=1,7° приводить до збільшення дифузора на виході з робочого колеса, до збільшення витрати води крізь робоче колесо, до відриву потока води з лопатей і, отже, до погіршення кавітаційних та енергетичних характеристик робочого колеса гідромашини. Виконання робочого колеса по обмежувальним ознакам дозволяє одержати роботоспроможне робоче колесо радіально-осьової гідромашини. Виконання робочого колеса по відмітним ознакам дозволяє одержати робоче колесо радіально-осьової гідромашини із добрим узгодженням лопатевої системи робочого колеса з потоком води, із зниженою інтенсивністю вихороутворення за робочим колесом, із поліпшеними пульсаційними і ерозійними характеристиками. У цілому, сукупність суттєвих ознак дозволяє досягти технічний результат - одержати робоче колесо радіально-осьової гідромашини з низьким рівнем пульсації за робочим колесом, з високим рівнем максимального ККД (на 1% вище, ніж у прототипа), із значною зоною високого ККД і, отже, з широким діапазоном застосування по напорах (від 60м до 115м водного стовпа). Передбачуваний винахід ілюструється кресленням, на яких показано: Фіг.1 - робоче колесо радіально-осьової гідромашини у мер діональному перерізі; Фіг.2 - лопать робочого колеса у плані; Фіг.3 - розгортка перерізу лопаті по А-А на Фіг.1. Протокова частина робочого колеса 1 сполучена із протоковою частиною напрямного апарата (не позначено), що обмежена верхнім 2 і нижнім (не показано) кільцями напрямного апарата, між якими розміщено лопатку напрямного апарата (не показано). Робоче колесо 1 радіально-осьової гідромашини (див. Фіг.1) містить верхній 3 і нижній 4 ободи і закріплені між останніми лопаті 5 із наступними геометричними параметрами: (лінійні величини віднесені до номінального діаметра робочого колеса D1) (див. Фіг.1) D1 - номінальний діаметр робочого колеса, `b0 - висота лопатки напрямного апарата, `D1воб діаметр розташування вхідної крайки лопаті на верхньому ободі, `D2воб - діаметр розташування вихідної крайки лопаті на верхньому ободі, `D1ноб - діаметр розташування вхідної крайки лопаті на нижньому ободі, `D2ноб - діаметр розташування вихідної крайки лопаті на нижньому ободі, `b1воб - положення вхідної крайки лопаті на верхньому ободі, `b2воб - положення вихідної крайки лопаті на верхньому ободі, `b1ноб - положення вхідної крайки лопаті на нижньому ободі, `b2ноб - положення вихідної крайки лопаті на нижньому ободі, `bі текуча координата горизонтального перерізу лопаті відносно верхнього кільця напрямного апарата, a ноб конусність нижнього обода; (див. Фіг.2) qвоб - кутова координата вхідної крайки лопаті на верхньому ободі, qноб - кутова координата вхідної крайки лопаті на нижньому ободі; `D1воб - діаметр розташування вхідної крайки лопаті на верхньому ободі, `D1ноб - діаметр розташування вхідної крайки лопаті на нижньому ободі; (див. Фіг.3) `rвх - радіус вхідної крайки лопаті, `Dвих - товщина вихідної крайки лопаті, `d max максимальна товщина лопаті, b 1і - лопатевий кут на вході лопаті на `bі, b 2і - лопатевий кут на виході лопаті на `bі, `R1вх - радіус розташування вхідної крайки лопаті на `bі; при цьому, геометричні параметри виконані у відповідності із наступними співвідношеннями: кількість лопатей Zл=13; відносна висота лопатки напрямного апарата `b0=0,317; вхідна крайка лопаті: діаметр розташування на верхньому ободі `D1воб=0,741, діаметр розташування на нижньому ободі `D1ноб=1,0, де D1ноб=D1, положення на верхньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата b1воб=0,037, положення на нижньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата b1ноб=0,382, кутова координата на верхньому ободі qвоб=37°, кутова координата на нижньому ободі qноб=36,5°, радіус вхідної крайки у горизонтальному перерізі на bі (по висоті лопаті) `rвх=const=0,005, де `bі - текуча координата горизонтального перерізу відносна верхнього кільця напрямного апарата, лопатевий кут на вході у горизонтальному перерізі на `bі (від верхнього до нижнього обода) b 2і=82°...73°; вихідна крайка лопаті: діаметр розташування на верхньому ободі `D2воб=0,389, діаметр розташування на нижньому ободі `D2ноб=1,008, положення на верхньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b2ноб=0,161, положення на нижньому ободі відносно верхнього кільця напрямного апарата `b2ноб=0,558, товщина вихідної крайки у горизонтальному перерізі на `bі (по висоті лопаті) `Dвих=const=0,0029, лопатевий кут на виході лопаті у горизонтальному перерізі на bі (від верхнього до нижнього обода) b2і=13°...35°; максимальна товщина лопаті `δmax=0,0259; конусність нижнього обода a ноб=1,2°±0,5°. Джерела інформації, що прийняті до уваги при складанні заявки 1. Н.Н. Ковалев "Проектирование гидротурбин". - Л.: "Машиностроение", Ленингр. отд-ие, 1974, с.80-81. 2. Л.Я. Бронштейн, А.Н. Герман и др. "Справочник конструктора гидротурбин". - Л.: Машиностроение, 1971, с.26-28, рис.1.15, 1.16, 1.17, с.50-51, рис.11.19, 11.20, 11.21. 3. ОСТ 108.023.15-82 "Турбины гидравлические вертикальные, поворотно-лопастные осевые и радиальноосевые". - с.51-62. 4. Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины. А.с. СССР №1659679, МПК F03В3/12, 1991г. Прототип.