Робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни

Робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни, що містить втулку з певним втулковим відношенням та установлені у неї поворотні лопаті у певній кількості, номінальна поверхня яких виконана відповідно до наступних співвідношень геометричних параметрів: (номінальний діаметр ро бочого колеса - D1 , лінійні величини віднесені до Винахід належить до гідротурбобудування і може бути використаний при виготовленні робочих коліс поворотно-лопатевих гідротурбін. На енергетичні, кавітаційні, ерозійні і пульсаційні характеристики робочого колеса поворотнолопатевої гідротурбіни вирішальний вплив справляють геометричні параметри елементів робочого колеса. Найбільш важливими параметрами є втулкове відношення, кількість лопатей і геометричні характеристики номінальної поверхні лопаті робочого колеса в кожному з перерізів лопаті. Лопать робочого колеса поворотно-лопатевої гідротурбіни, сприймаючи енергію потоку, знаходиться під впливом значного гідравлічного тиску [1]. Тому її форма і розміри повинні задовольняти вимоги не тільки хорошої обтічності, що забезпечує оптимальні енергетичні (потужність і ККД) і кавітаційні властивості (коефіцієнт кавітації при максимальному ККД) гідротурбіни, але і бути міцною, що забезпечує тривалу роботу гідротурбіни. При цьому велике значення для характеристики гідравлічних якостей гідротурбіни має також пропускна спроможність, яка забезпечується втулковим відношенням, кількістю лопатей і номінальною поверхнею лопатей. Відомо робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни на напори 20-40 м (ПЛ 40) [2], що містить втулку та установлені у неї поворотні лопаті і має втулкове відношення dвт  0,45 і кількість ло номінального діаметра робочого колеса D1 , кутові розміри виражені у градусах) відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті Ri  0,5...0,20 75; відносна довжина хорди поточного перерізу лопаті на Ri Li  0,6459...0,3563; положення вхідної кромки відносно осі повороту поточного перерізу лопаті на Ri l i  0,2497...0,1556; відносна максимальна товщина поточного перерізу лопаті на Ri Tmax i  0,0144...0,0458; відносний радіус вхідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri rвх i  0,0009...0,0053; , на Ri вих i  118...17 ; відносна товщина вихідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri вих i  const  0,0028, (19) UA (11) яке відрізняється тим, що втулкове відношення виконано dвт  0,43, а кількість лопатей Zл  6. (13) лопатевий кут на виході поточного перерізу лопаті 94877 на Ri вх i  23,2...56,3 ; C2 лопатевий кут на вході поточного перерізу лопаті 3 патей Zл  6, причому номінальна поверхня лопаті виконана відповідно до певних співвідношень геометричних параметрів. При цьому максимальний ККД - 88 % і коефіцієнт кавітації при максимальному ККД  = 0,4-0,68. Недоліками відомого робочого колеса є: - недостатність узгодження форми лопатей, кількості лопатей та втулкового відношення з натікаючим потоком води і потоком в міжлопатевому каналі; - невисокий рівень максимального ККД; - високий рівень коефіцієнта кавітації при максимальному ККД. Відомо також робоче колесо поворотнолопатевої гідротурбіни на напори 20-40 м (ПЛ 40) [3], що містить втулку та установлені у неї поворотні лопаті і має втулкове відношення dвт  0,44 і кількість лопатей Zл  6  7, причому номінальна поверхня лопаті виконана відповідно до певних співвідношень геометричних параметрів. При цьому максимальний ККД = 89 % і коефіцієнт кавітації при максимальному ККД  = 0,45-0,75. Недоліками відомого робочого колеса є: - недостатність узгодження форми лопатей, кількості лопатей та втулкового відношення з натікаючим потоком води і потоком в міжлопатевому каналі; - невисокий рівень максимального ККД; - високий рівень коефіцієнта кавітації при максимальному ККД. Найбільш близьким з виявлених аналогів до винаходу є робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни на напори до 30 м (ПЛ 30) [4], що містить втулку та установлені у неї поворотні лопаті і має втулкове відношення dвт  0,415 і кількість лопатей Zл  5, а номінальна поверхня лопаті виконана відповідно до наступних співвідношень геометричних параметрів і є високоефективною: (номінальний діаметр робочого колеса - D1 , лінійні величини віднесені до номінального діаметра робочого колеса D1 , кутові розміри виражені у градусах) відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті Ri  0,5...0,20 75; відносна довжина хорди поточного перерізу лопаті на Ri Li  0,6459...0,3563; положення вхідної кромки відносно осі повороту поточного перерізу лопаті Ri l i  0,2497...0,1556; відносна максимальна товщина поточного перерізу лопаті на Ri Tmax i  0,0144...0,0458; відносний радіус вхідної кромки поточного перерізу лопаті на R, гвхі = 0,0009... 0,0053; лопатевий кут на вході поточного перерізу лопаті на Ri вх i  23,2...56,3 ; лопатевий кут на виході поточного перерізу , лопаті на Ri вих i  118...17 ; 94877 4 відносна товщина вихідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri вих i  const  0,0028 . При цьому максимальний ККД = 91,5 % і коефіцієнт кавітації при максимальному ККД  = 0,35. У основу винаходу поставлено задачу створити таке робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни на напори 20-40 м, нове виконання елементів якого, при застосуванні лопатей з високоефективною номінальною поверхнею робочого колеса на напори до 30 м, дозволило б щонайменше зберегти енергетичні характеристики (ККД) і коефіцієнт кавітації () при максимальному ККД робочого колеса на напори до 30 м. Робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни, що заявляється, містить втулку з певним втулковим відношенням та установлені у неї поворотні лопаті певної кількості, номінальна поверхня яких виконана відповідно до наступних співвідношень геометричних параметрів: (номінальний діаметр робочого колеса - D1 , лінійні величини віднесені до номінального діаметра робочого колеса D1 , кутові розміри виражені у градусах) відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті Ri  0,5...0,20 75; відносна довжина хорди поточного перерізу лопаті на Ri Li  0,6459...0,3563; положення вхідної кромки відносно осі повороту поточного перерізу лопаті Ri l i  0,2497...0,1556; відносна максимальна товщина поточного перерізу лопаті на Ri Tmax i  0,0144...0,0458; відносний радіус вхідної кромки поточного перерізу лопаті на R, гвхі = 0,0009... 0,0053; лопатевий кут на вході поточного перерізу лопаті на Ri вх i  23,2...56,3 ; лопатевий кут на виході поточного перерізу , лопаті на Ri вих i  118...17 ; відносна товщина вихідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri вих i  const  0,0028 . При цьому відмітними ознаками передбачуваного винаходу в порівнянні з прототипом є: виконання втулкового відношення dвт  0,43, виконання кількості лопатей Zл  6. Виконання робочого колеса поворотнолопатевої гідротурбіни по обмежувальних ознаках дозволяє отримати робоче колесо поворотнолопатевої гідротурбіни на напори до 30 м з високоефективною номінальною поверхнею лопатей. Виконання втулкового відношення dвт  0,43 дозволяє підвищити міцність втулки робочого колеса, застосувати втулку при роботі на напорах 20-40 м і забезпечити необхідний об'єм порожнини втулки робочого колеса для переміщення елементів механізму повороту 6-ох лопатей і необхідний кут розвернення лопатей. Виконання кількості лопатей Zл  6, при втулковому відношенні dвт  0,43, дозволяє застосува 5 94877 ти лопаті з високоефективною номінальною поверхнею робочого колеса на напори до 30 м для робочого колеса на напори 20-40 м, що дозволяє при роботі робочого колеса на напорах 20-40 м зберегти енергетичні характеристики (максимальний ККД = 91,5 %) і поліпшити коефіцієнт кавітації при максимальному ККД ( = 0,33) робочого колеса на напори до 30 м. В цілому, сукупність суттєвих ознак дозволяє досягти технічний результат - отримати робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни на напори 20-40 м із збереженням енергетичних характеристик і поліпшенням коефіцієнта кавітації робочого колеса на напори до 30 м. Винахід ілюструється кресленнями, на яких показано: фіг. 1 - робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни; фіг. 2 - лопать робочого колеса поворотнолопатевої гідротурбіни в плані; фіг. 3 - розгортка поточного перерізу лопаті робочого колеса поворотно-лопатевої гідротурбіни. (Див. фіг. 1) D1 - номінальний діаметр робочого колеса, dвт - втулкове відношення робочого колеса, Ri - відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті; (див. фіг. 2) D1 - номінальний діаметр робочого колеса, dвт - втулкове відношення робочого колеса, Ri - відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті, А-А - поточний переріз лопаті, 0-0 - вісь повороту лопаті; (див. фіг. 3) переріз за А-А - поточний переріз лопаті: Li - відносна довжина хорди поточного перерізу лопаті на Ri ; l i - положення вхідної кромки відносно осі повороту поточного перерізу лопаті на Ri ; Tmax i - відносна максимальна товщина поточного перерізу лопаті на Ri ; rвх i - відносний радіус вхідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri ; вх i - лопатевий кут на вході поточного перерізу лопаті на Ri ; вих i - лопатевий кут на виході поточного перерізу лопаті на Ri ; вих i - відносна товщина вихідної кромки поточного перерізу 6 лопаті на Ri ; 0-0 - вісь повороту поточного перерізу лопаті на Ri . Робоче колесо поворотно-лопатевої гідротурбіни (див. фіг. 1 і 2) містить втулку 1 та установлені у неї поворотні лопаті 2 з вхідною 3 і вихідною 4 кромками. При цьому втулкове відношення виконано dвт  0,43, а кількість лопатей Zл  6. Причому, номінальна поверхня лопаті виконана у відповідності з наступними співвідношеннями геометричних параметрів (див. фіг. 2 і 3): (номінальний діаметр робочого колеса - D1 , лінійні величини віднесені до номінального діаметра робочого колеса D1 , кутові розміри виражені у градусах) відносний радіус розташування поточного перерізу лопаті Ri  0,5...0,20 75; відносна довжина хорди поточного перерізу лопаті на Ri Li  0,6459...0,3563; положення вхідної кромки відносно осі повороту поточного перерізу лопаті Ri l i  0,2497...0,1556; відносна максимальна товщина поточного перерізу лопаті на Ri Tmax i  0,0144...0,0458; відносний радіус вхідної кромки поточного перерізу лопаті на R, гвхі = 0,0009... 0,0053; лопатевий кут на вході поточного перерізу лопаті на Ri вх i  23,2...56,3 ; лопатевий кут на виході поточного перерізу , лопаті на Ri вих i  118...17 ; відносна товщина вихідної кромки поточного перерізу лопаті на Ri вих i  const  0,0028 . Джерела інформації: 1. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. - Л.: Машиностроение. - 1971. - С. 14-16, рис.1.5; с. 426-427, рис. VIII.36. 2. Гидротурбинное оборудование гидроэлектростанций /под. ред. А.А. Морозова/. - М.-Л.: Госэнергоиздат. - 1958. - С. 83, рис. 3-30. 3. Справочник по гидротурбинам /под ред. Н.Н. Ковалева/. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд. - 1984. - С. 17, рис. 1.12; с. 30, рис. 1.24; с. 33, табл. 1.7. 4. Робоче колесо поворотно-лопатевої гідромашини. Патент України № 88738, МПК F03В3/12: опубл.10.11.2009; Бюл. № 21. - Прототип. 7 94877 8 9 Комп’ютерна верстка В. Мацело 94877 Підписне 10 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601