Гидроагрегат

(51) 03 13/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ гидроагрегатов с проточными гидротурбинами. Предложен гидроагрегат, выполненный в виде рабочего участка водовода,содержащего гидротурбину. Предлагаемое решение обеспечивает повышенную эффективность преобразования кинетической энергии потока гидротурбиной за счет введения в известное решение новых конструктивных элементов и связей. Этим обеспечивается возможность применения данного решения для создания более энергоэффективных и мощных гидроагрегатов с проточными гидротурбинами для применения их на более крупных водоводах.(72) Кошумбаев Марат Булатович Шишкин Андрей Аркадьевич Шишкин Аркадий Александрович Зейфман Валентин Маркович Ержан Асем Квасов Петр Андреевич(73) Акционерное общество КазНИИ энергетики имени академика Ш.Ч. Чокина(57) Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано для повышения энергоэффективности и мощности Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воды горных рек и водоводов в электрическую энергию. Известна конструкция прямоточной поворотнолопастной гидротурбины /А.с. СССР 128378 Прямоточная поворотно-лопастная гидротурбина/Бугрин С.К., Каган М.Л., Стеклов М.Л., опубл. в БИ 9, 960./, состоящая из рабочего колеса,лопастей,горизонтального вала турбины,вертикального вала ротора,подшипников,генератора. В данном решении соединение вала горизонтальной прямоточной гидротурбины с валом вертикального генератора имеет недостаток в виде снижения надежности работы узлов при больших оборотах вращения гидротурбины из-за повышенных нагрузок и трения между узлами. Вертикальный вал генератора имеет консольное крепление, поэтому испытывает перегрузки. Ликвидировать консольное положение вала генератора и вибрацию турбины представляется возможным у прямоточных гидроагрегатов. Гидротурбина. Кошумбаев М.Б. Опубл. 15.05.2003,бюл. 5/, где гидроагрегат с турбиной выполнен в виде участка трубопровода, встроенного в водовод. При этом лопасти гидротурбины расположены внутри рабочего колеса, являющегося рабочим участком водовода, и прикреплены одной стороной к внутренней поверхности рабочего участка трубы,а другой соединяются с другими лопастями вдоль оси рабочего участка. При этом ротор генератора размещен на внешней стороне трубы и сверху накрывается неподвижным цилиндром статора генератора. Такой гидроагрегат устанавливается на напорном участке водовода и соединен с ним посредством подшипников и сальников. По сравнению с вертикальным генератором прямоточной гидротурбины данная конструкция имеет ряд преимуществ увеличение оборотов турбины за счет улучшения обтекания лопастей,устойчивая и надежная работа подшипников. Однако, при больших оборотах гидротурбины отмечена течь из сальника на входной части турбины с возможностью попадания воды в подшипники. Это негативно влияет не только на надежность работы подшипника, но также на выработку электроэнергии и состояние генератора. В патенте РК 28725/ Гидроагрегат Кошумбаев М.Б., Боканов Б.Б., Квасов П.А.,Мырзакулов Б.К., Ержан А.А. Опубл. 15.07.2014,бюл. 7, 5/ предложено решение, повышающее надежность работы гидроагрегата путем повышения надежности узла сопряжения вращающихся и не вращающихся его элементов за счет использования дополнительного уплотнителя в виде системы лабиринтовых ячеек. При вращении турбины вращаются закрепленные стенки относительно стенок внутри поводящего канала и образуют лабиринтовые ячейки, что уменьшает попадание воды в накопительную камеру, а та вода, которая просачивается между подводящим водоводом и гидротурбиной и попадает в лабиринт между 2 стенками и удаляется через трубку отвода воды, что повышает надежность эксплуатации гидротурбины. Однако,эффективность преобразования кинетической энергии потока жидкости в механическую энергию рабочего колеса данной гидротурбины остается по-прежнему недостаточной, что обусловлено ее конструктивным решением. Как известно, в трубопроводе, как и в русловом потоке, скорость течения жидкости в поперечном сечении распределена неравномерно с максимумом в центральной области и минимумом у области ограничивающих стенок. Поскольку кинетическая энергия движущейся частицы жидкости является квадратичной функцией его скорости, распределение кинетической энергии в поперечном сечении потока оказывается еще более неравномерным с еще более выраженным максимумом в центре потока и более резким снижением энергии с удалением от центра к ограничивающим стенкам. Для более эффективного преобразования кинетической энергии потока в механическую энергию рабочего колеса турбины с получением большего момента вращения рабочего колеса необходимо совмещение максимального приложения кинетической энергии с наибольшим плечом рычага (лопасти турбины). В рассмотренном выше известном решении максимум кинетической энергии потока приходится на его центральную область, а лопасть рабочего колеса размещена ближе к стенке трубопровода. Второй из недостатков известного решения состоит в ограничении диаметра рабочего колеса турбины (и, следовательно, ее мощности), что обусловлено отсутствием необходимых для этого размеров подшипников. Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования кинетической энергии потока в механическую энергию вращения рабочего колеса проточной турбины. Еще одной целью предлагаемого решения является дополнительное увеличение мощности проточной турбины расширением возможности увеличения диаметра рабочего колеса турбины без использования для этого уникальных и малодоступных подшипников. Поставленные цели достигаются тем, что в предлагаемом конструктивном решении гидроагрегата рабочий участок гидротурбины выполнен в виде продольного кольцевого канала,образованного неподвижной внутренней поверхностью трубопровода и внешней поверхностью рабочего колеса турбины. При этом,лопасти рабочего колеса расположены на его внешней поверхности под углом к продольной оси рабочего колеса по всей его длине, а торцы рабочего колеса с обеих сторон герметично закрыты обтекателями конусообразной формы с образованием внутренней изолированной от воды полости, в которой размещены ротор и статор генератора. При этом вершины обтекателей опираются на внешние кольца подшипников,размещенных на концах полого вала турбины и вместе с ними закрепленных в опорных узлах несущих полых штанг, проходящих сквозь стенку водовода на рабочем участке и жестко связанных со стенкой рабочего участка. Электрические провода генератора выведены наружу по внутренней полости неподвижного вала турбины и полых несущих штанг, а места сочленений неподвижных элементов с вращающимися узлами гидроизолированы с применением для этого подходящих для этого средств, например, по патенту РК 28725. При этом вершина переднего обтекателя расположена выше по потоку от гидротурбины и направлена навстречу последнему, а вершина заднего обтекателя, расположена ниже по потоку от гидротурбины и направлена по потоку. Также в предпочтительном случае несущие полые штанги, закреплены на стенке с помощью фланцевого соединения с возможностью вывода электрических проводов генератора сквозь стенку водовода, а также для демонтажа данного закрепления для извлечения гидротурбины с целью ее обслуживания или восстановительного ремонта. Для наибольшей энергоэффективности данного гидроагрегата лопасти рабочего колеса гидротурбины предпочтительно не менее, чем на 90 перекрывают продольное сечение кольцевого канала. В данном решении обеспечивается повышение кинетической энергии потока выполнением рабочего участка гидротурбины в виде продольного кольцевого канала, образованного неподвижной внутренней поверхностью рабочего участка трубопровода и внешней поверхностью рабочего колеса турбины с закрепленными на внешней поверхности под углом к его продольной оси лопастями, которые в предпочтительном случае не менее, чем на 90 перекрывают продольное сечение кольцевого канала. При этом, преобразование потока в трубопроводе из цилиндрической конфигурации в кольцевую приводит одновременно к его ускорению на рабочем участке проточной гидротурбины. Это достигается использованием еще одного конструктивного элемента в виде переднего обтекателя конусообразной или близкой к ней формы. При этом, обтекатель конструктивно связан с рабочим колесом проточной гидротурбиной таким образом, что его вершина расположена выше по потоку и направлена ему навстречу, а нижний участок обтекателя своим круглым поперечным сечением герметически сопряжен с верхней по потоку цилиндрической образующей рабочего колеса турбины. Отличительные признаки предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом- рабочий участок гидротурбины выполнен в виде продольного кольцевого канала, образованного неподвижной внутренней поверхностью рабочего участка, и внешней поверхностью рабочего колеса турбины- лопасти рабочего колеса размещены на внешней его поверхности и расположены под углом к его продольной оси по всей длине рабочего колеса, при этом, в предпочтительном случае лопасти практически полностью (не менее, чем на 90) перекрывают продольное сечение кольцевого канала- обтекатели конусообразной или близкой к ней формы, конструктивно связаны с проточной гидротурбиной таким образом, что вершина переднего обтекателя расположена выше по потоку от гидротурбины и направлена навстречу потоку,вершина заднего обтекателя расположена ниже по потоку от гидротурбины и направлена вниз по потоку, при этом нижние участки обоих обтекателей герметично сопряжены соответственно с торцевыми цилиндрическими образующими рабочего колеса турбины, тем самым создавая изолированную внутреннюю полость рабочего колеса- статор и ротор размещены во внутренней полости рабочего колеса- рабочее колесо гидротурбины вершинами обтекателей опирается на внешние кольца подшипников,насаженных внутренними обечайками на неподвижный полый вал рабочего колеса, который закреплен в переднем и заднем опорных узлах, несущих трубчатых штанг,проходящих сквозь стенку рабочего участка водовода и жестко закрепленных в ней, например, с применением фланцевых соединений или иным способом с возможностью демонтажа гидроагрегата для проведения профилактики или ремонта.- при этом электрические провода генератора выведены наружу через внутреннюю полость неподвижного продольного вала гидротурбины и далее через промежуточные герметизирующие сальники и несущие трубчатые штанги. Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено. Использование указанных отличительных признаков обеспечивает достижение цели повышение эффективности преобразования кинетической энергии потока в механическую энергию рабочего колеса турбины. При этом достигается и вторая цель - возможность создания гидроагрегатов с проточной гидротурбиной повышенной мощности для размещения их на водоводах большего диаметра. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям новизна,существенные отличия и положительный эффект. На фиг.1 приведена предлагаемая конструкция гидроагрегата с проточной гидротурбиной в продольном разрезе, где 1 подводящий водовод, 2 - отводящий водовод, 3 рабочий участок водовода с встроенным в него гидроагрегатом, 4 - внешняя поверхность рабочего колеса гидротурбины, 5 - ротор генератора, 6 статор генератора, 7 - внутренняя поверхность рабочего колеса гидротурбины, 8 - кольцевой канал рабочего участка турбины, 9 - лопасть рабочего колеса турбины, 10 - несущий вал, 11 - подшипники,12- передний обтекатель, 13 - задний обтекатель,14 - сальники с дополнительными уплотнителями,15 - передний и задний опорный узел, 16 - несущие опорные штанги, 17 - места вывода несущих штанг 3 через стенку рабочего участка водовода, 18 выводы проводов с генератора. На фиг.2 и фиг.3 показаны сечения рабочего участка 3 с гидротурбиной по линиям,соответственно, А-А и Б-Б, где 4 - внешняя поверхность рабочего колеса гидротурбины, 5 ротор генератора, 6 - статор генератора, 7 внутренняя поверхность рабочего колеса гидротурбины, 8 кольцевой канал рабочего участка турбины, 9 - лопасть рабочего колеса турбины, 10 полый несущий вал рабочего колеса, 18 - выводы проводов с генератора. Подводящий 1 и отводящий 2 водоводы соединены с рабочим участком 3 гидроагрегата путем встроения последнего в контур водовода. Это может быть осуществлено посредством, например,фланцевого соединения, либо иным способом с возможностью извлечения рабочего участка гидроагрегата для профилактики или восстановительного ремонта. Рабочее колесо гидротурбины вращается вокруг неподвижного несущего полого вала 10, закрепленного на внутренних кольцах обоих подшипников 11 и переднем и заднем опорных узлах (подпятниках) 15,вмонтированных в несущие полые (трубчатые) штанги 16, проходящие сквозь стенку рабочего участка 3 трубопровода и закрепленные на стенке 17 водовода любым разъемным способом с обеспечением при этом равномерного по ширине кольцевого канала 8 между внутренней поверхностью 7 рабочего участка 3 и внешней поверхностью 4 рабочего колеса гидротурбины. При этом, вершины переднего и заднего обтекателя охватывают подвижные внешние кольца подшипников, вместе с которыми вращаются вокруг неподвижного вала с гидроизоляцией места сочленения подвижных и неподвижных элементов известными подходящими для этого средствами,например, средствами, описанными в патенте РК 28725. Для повышения эксплуатационной надежности все элементы гидроагрегата выполнены из корозионностойкого материала, например нержавеющей стали,или защищены антикорозийным покрытием. Гидроагрегат работает следующим образом. Поток, двигаясь по подводящему водоводу 1,достигает вершины переднего обтекателя 12,обтекает его с изменением формы своего течения из цилиндрической в кольцевую и одновременным сужением проходного поперечного сечения. В результате, поток по мере приближения к входу в кольцевой канал 8 ускоряется, в результате чего кинетическая энергия достигают своего максимального значения с более равномерным распределением энергии по поперечному сечению кольцевого канала, чем это имело место в исходном течении в водоводе. На входе в кольцевой канал 8 поток встречает на своем пути лопасти,расположенные под углом к оси рабочего колеса и,следовательно, под углом к направлению потока. Важно при этом отметить, что помимо повышенной и равномерно распределенной кинетической энергии, воздействующей на лопасть 9 рабочего 4 колеса в поперечном сечении кольцевого канала 8,это воздействие производится на большем плече,что существенно повышает момент вращения рабочего колеса и, соответственно, ротора 5 генератора турбины,а,следовательно,и вырабатываемую генератором электроэнергию. В процессе движения потока по кольцевому каналу 8 от его входа до выхода, он воздействует одновременно с равной силой на все расположенные по периметру рабочего колеса лопасти 9, чем приводит рабочее колесо гидротурбины во вращение с постоянной скоростью вокруг его продольного вала 10. На выходе из кольцевого канала 8 вследствие наличия заднего обтекателя 13 кольцеобразный поток при дальнейшем движения обтекает задний обтекатель 13, постепенно расширяясь и замедляясь без резкого изменения скорости и образования вихрей в потоке, что исключает колебания гидравлического сопротивления рабочего участка водовода. Вращение рабочего колеса данной гидротурбины осуществляется вокруг неподвижного полого вала 10, на обоих концах которого закреплены подшипники 11. При этом оба конца продольного вала 10 жестко зафиксированы в переднем и заднем опорных узлах 15, а само рабочее колесо посредством обтекателей при вращении опирается на внешние кольца переднего и заднего подшипников 11,через промежуточные герметизирующие сальники 14. Вывод вырабатываемой электроэнергии осуществляется по проводам 18, проложенным во внутренней полости вала 10 и далее во внутренней полости несущих трубчатых штанг 16. Повышенная эффективность и мощность предлагаемой усовершенствованной конструкции гидроагрегата проявляется в более полном преобразовании энергии движущегося потока в механическую энергию вращения рабочего колеса турбины, а также в возможности реализации данного решения для водоводов значительно большего диаметра с выработкой при этом большей электроэнергии. Это позволит увеличить мощность проточных ГЭС до расчетного значения на существующем напоре и расходе потока воды. Технико-экономическая эффективность предложенного решения заключается в обеспечении возможности построения на его основе более эффективной и расширенной по вырабатываемой мощности линейки проточных ГЭС применительно к различным по мощности потокам. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гидроагрегат, содержащий подводящий и отводящий водоводы,рабочий участок гидротурбины встроенный между ними, рабочее колесо с закрепленными на стенке лопастями и ротором электрогенератора,подшипники и герметизирующие сальники отличающийся тем,что рабочий участок гидротурбины выполнен в виде продольного кольцевого канала, образованного неподвижной внутренней поверхностью трубопровода, и подвижной внешней поверхностью рабочего колеса турбины, при этом лопасти рабочего колеса расположены на его внешней поверхности под углом к его продольной оси по всей длине рабочего колеса, а торцы рабочего колеса с обеих сторон герметично закрыты обтекателями конусообразной формы с образованием внутренней полости с размещенными в ней ротором и статором генератора, при этом вершины обтекателей опираются на внешние кольца подшипников на обоих концах полого вала турбины,закрепленного в опорных узлах несущих полых штанг, проходящих сквозь стенку водовода на рабочем участке и жестко связанных со стенкой рабочего участка, а электрические провода генератора выведены наружу через внутреннюю полость неподвижного продольного вала гидротурбины и далее через промежуточные герметизирующие сальники и несущие трубчатые штанги. 2. Гидроагрегат по п.1, отличающийся тем, что вершина переднего обтекателя расположена выше по потоку от гидротурбины и направлена навстречу последнему, а вершина заднего обтекателя, расположена ниже по потоку от гидротурбины и направлена по потоку. 3. Гидроагрегат по п.1 и 2, отличающийся тем,что он выполнен с возможностью его встроения в водовод посредством фланцевого или иного соединения с возможностью демонтажа для извлечения гидроагрегата с целью профилактики или восстановительного ремонта. 4. Гидроагрегат по п. 1-3, отличающийся тем,что несущие полые штанги, закреплены на стенке с помощью фланцевого или иного способа соединения с возможностью вывода электрических проводов генератора сквозь стенку водовода, а также для возможности демонтажа узла закрепления. 5. Гидроагрегат по п. 1-4, отличающийся тем,что лопасти рабочего колеса предпочтительно не менее чем на 90 перекрывают продольное сечение кольцевого канала. 6. Гидроагрегат по п. 1-5, отличающийся тем,что все элементы гидроагрегата, находящиеся в контакте с водой,выполнены из коррозионностойкого материала,например нержавеющей стали,или защищены антикоррозийным покрытием.