Результат интеллектуальной деятельности: Рабочее колесо насоса-турбины со структурой бугорков горбатого кита

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, гидроэнергетики и может быть использовано в разработке конструкций гидроагрегатов, предназначенных для преобразования кинетической энергии жидкости при эксплуатации ГЭС, в том числе микро- и малых ГЭС в условиях переменных напоров и расходов рабочей среды.

Известен способ повышения эффективности лопасти ротора ветроэнергетической установки (варианты) (патент РФ №2218477 С1, МПК F03D 5/00, В64С 21/08), включающий на задней части лопасти с подветренной стороны вихревую систему управления пограничным слоем, состоящую из продольных каверн с центральными телами, установленными на внешней поверхности лопасти с определенным шагом.

Недостатком данного технического решения является сложность и громоздкость конструктивного исполнения ввиду необходимости точного расположения центральных тел в профиле лопасти, наличия ресивера низкого давления внутри лопасти, объединенного с ресиверами каверн и ресиверами центральных тел, а также установки на внешней поверхности лопасти с определенным шагом пластин, ограничивающих стекание потока вдоль лопасти. Кроме того, громоздкость конструктивного исполнения усугубляет наличие турбины (не показана), предназначенной для принудительного управления отсосом воздуха из ресивера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является Рабочее колесо центробежного насоса со структурой бугорков горбатого кита (патент Республики Корея №101887851 В1, МПК F04D 29/24, F04D 29/42, F04D 29/30, F04D 29/66, опубл.), включающее несколько лопастей, расположенных через равное расстояние в окружном направлении вокруг втулки и содержащих одновременно несколько рядов бугорков горбатого кита на входной кромке лопасти: первый - вдоль тыльной поверхности лопасти, второй - вдоль рабочей поверхности лопасти, третий - в лобовой части входной кромки лопасти. Количество бугорков в ряду равно количеству лопастей рабочего колеса. Каждый бугорок в ряду расположен так, что расстояние между соседними составляет от 3 до 15% от диаметра входа в рабочее колесо, а длина - 7%. Бугорки имеют форму, подобную строению передней кромки плавника горбатого кита.

Недостатком данного технического решения является ухудшение безотрывного обтекания лопастей рабочего колеса, которое приводит к образованию хаотичной структуры потока, обтекающего лопасти. Вследствие этого, при обтекании потоком поверхностей рабочего колеса, возрастают гидравлические потери, приводящие к ухудшению энергетических характеристик насоса.

Технической задачей изобретения заключается в улучшении качества безотрывного обтекания лопастей рабочего колеса и повышении энергетической эффективности управления пограничным слоем при обтекании лопастей рабочего колеса.

Техническим результатом изобретения является снижение гидравлических потерь в рабочем колесе насоса-турбины и повышение эффективности насоса-турбины.

Это достигается тем, что известное рабочее колесо насоса-турбины со структурой бугорков горбатого кита, содержащее один ряд бугорков продолговатой эллипсовидной формы, которые наложены на входную кромку и, одновременно, на рабочую сторону лопасти, тыльная сторона которой выполнена гладкой, размещенный на рабочей стороне лопасти ряд бугорков наложен на 2/3 своей длины, а лобовая часть ряда бугорков выполнена на поверхности входной кромки лопасти и выступает вперед на 1/2 длины тела бугорка, диаметр поперечного сечения тела бугорков D_{б_i} в ряду по направлению к периферии плавно изменяется по линейному закону согласно равенству D_{б_i+1}=0,875D_{б_i}, при этом отношение диаметра D_{б_i} поперечного сечения первого бугорка в ряду к соответствующему диаметру бугорка D_{б_i+n} у периферии лопасти равно 2:1, где n - целое число и выбрано из условия n>i≥1, шаг расположения бугорков в ряду переменный, равный сумме радиусов R_{б_i и Rб_i+1 двух соседних бугорков в ряду: m=Rб_i+Rб_i+1, диаметр поперечного сечения Dб_i тела первого бугорка составляет 20% от величины размаха лопасти и выбран согласно равенству центр вращения первого бугорка расположен на расстоянии Dб_1/2 от торца лопасти, при этом ось вращения тела бугорков в ряду совпадает с осью симметрии продольного сечения лопасти, а количество бугорков в ряду зависит от диаметра поперечного сечения Dб_i тела каждого бугорка, а также размаха лопасти согласно функционалу Φ = f(Dб_i, l).}

Дополнительно лопасть может быть выполнена цилиндрической, а угол установки β i-ого бугорка в теле лопасти равен углу лопасти на входе β₁.

Кроме того, лопасть может быть выполнена профилированной, а угол установки β i-ого бугорка в теле лопасти равен диапазону углов лопасти на входе β_{1л_i}…β_{1л_i+n} в i-ом поперечном сечении.

Угол установки i-ого количества бугорков в теле лопасти является равным углу лопасти на входе β_1л - в случае цилиндрической лопасти, и равным углу лопасти на входе β_{1л_i} в конкретном i-ом поперечном сечении лопасти - в случае профилированной лопасти.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображен общий вид лопастей рабочего колеса насоса-турбины с рядом бугорков на входной кромке; на Фиг. 2 представлена фронтальная проекция входной кромки лопасти рабочего колеса насоса-турбины с бугорками; на Фиг. 3 изображена фронтальная проекция тыльной стороны лопасти рабочего колеса насоса-турбины, которая выполнена гладкой; на Фиг. 4 приведена схема расположения бугорков на входной кромке лопастей рабочего колеса, работающего в турбинном режиме; на Фиг. 5 изображена схема расположения бугорков на входной кромке лопастей рабочего колеса, работающего в насосном режиме; на Фиг. 6 изображена графическая зависимость M_кр=ƒ(t) расчетно-теоретического исследования крутящего момента М_кр на валу насоса-турбины от расчетного времени t с рабочими колесами.

Рабочее колесо насоса-турбины со структурой бугорков горбатого кита содержит равномерно распределенные в ряд по размаху лопасти 1 ряда бугорков 2, имеющих продолговатую эллипсовидную форму, расположенные на входной кромке 3 и, одновременно, - на рабочей стороне 4 лопасти 1. Ряд бугорков 2 наложен на 2/3 длины на рабочую сторону 4 лопасти 1 у ее входной кромки 3. Лобовая часть 5 бугорков 2 выступает вперед на 1/2 длины тела бугорка 2. Тыльная сторона 6 лопасти 1 выполнена гладкой. Центр вращения 7 первого бугорка расположен на расстоянии D_{б_1}/2 от втулки 8 рабочего колеса. Ось вращения тела бугорков 2 в ряду совпадает с осью симметрии продольного сечения лопасти 1. Количество бугорков 2 в ряду зависит от диаметра поперечного сечения D_{б_i} тела каждого бугорка 2, а также размаха лопасти 1 и описывается функционалом Φ = f(D_{б_i}, l).

Угол установки β i-ого количества бугорков 2 в теле лопасти 1 равен углу лопасти на входе β_1л - в случае цилиндрической формы лопасти 1, и равен углу лопасти на входе β_{1л_i}…β_{1л_i+n} в конкретном i-ом поперечном сечении лопасти 1 - в случае профилированной формы лопасти 1, где n>i≥1, целое число.

Диаметр D_{б_i} поперечного сечения тела бугорков 2 по направлению от втулки 8 к периферии 9 плавно уменьшается по линейному закону, описываемому формулой D_{б_i+1}=0,875_{б_i}. Диаметр D_{б_i} поперечного сечения тела бугорка 2 у втулки 8 составляет 20% размаха лопасти Отношение диаметра D_{б_1} поперечного сечения тела бугорка 2 у втулки 8 к соответствующему диаметру D_{б_n} поперечного сечения тела бугорка 2 у периферии 9 лопасти 1 равен 2:1. Шаг расположения m бугорков 2 по направлению от втулки 8 к периферии 9 переменный, равный сумме радиусов R_{б_i} и R_{б_i+1} двух соседних бугорков: m=R_{б_i}+R_{б_i+1}.

Рабочее колесо насоса-турбины работает следующим образом.

При вращении лопастей 1, закрепленных на втулке 8, набегающий на входную кромку 3 поток обтекает лобовую часть 5 бугорков 2 эллипсовидной формы. Отклонения потока, вызванные обтеканием бугорков 2 с рабочей 4 и тыльной 6 сторон лопасти 1, приводят к принудительному образованию структурированной упорядоченной группы вихревых дорожек на рабочей стороне 4 лопасти 1 позади бугорков 2. Количество вихревых дорожек равно количеству бугорков 1 в лобовой части 5. При этом диаметр тела бугорков 2 задан переменным от втулки 8 к периферии 9 для интенсификации вихревого течения у втулки 8, где относительная скорость потока ниже, чем на периферии 9.

Структура потока, создаваемая расположенными, согласно изобретению, бугорками 2, обеспечивает более устойчивое безотрывное обтекание вращающихся лопастей 1 и отличается образованием устойчивых вихрей, изменяя свойства турбулентного пограничного слоя при обтекании рабочей стороны 4 лопастей 1. Это приводит к снижению риска возникновения отрыва потока, наблюдающегося на поверхности лопастей 1, не имеющих бугорков 2 на входной кромке 3, формированию структуры потока, приводящего к качественно меньшим гидравлическим потерям при обтекании лопастей 1.

На графической зависимости M_кр=ƒ(t), полученной по результатам расчетно-теоретических исследований крутящего момента М_кр, на валу насоса-турбины от расчетного времени t с рабочими колесами (см. Фиг. 6) показана характеристика рабочего колесо насоса-турбины, не имеющего бугорков на входной кромке 10; характеристика рабочего колесо насоса-турбины, имеющего бугорки только в лобовой части входной кромки лопасти 11; характеристика рабочего колесо насоса-турбины, имеющего бугорки, расположенные в лобовой части входной кромки и, одновременно, - на рабочей стороне лопасти 12, согласно изобретению.

Проведенные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических характеристик рабочих органов насоса-турбины показало, что наибольшую эффективность управления пограничным слоем оказывает ряд бугорков, согласно Фиг. 4, 5, одиночно расположенный на рабочей стороне лопасти: Фиг. 4 - для турбинного режима работы гидравлической машины; Фиг. 5 - для насосного режима.

Также, результаты исследований, представленные на Фиг. 6 показали, что наличие бугорков только на входной кромке лопасти не является эффективным решением в силу создания ими структуры течения в турбулентном пограничном слое, обладающей увеличенными вязкими потерями и приводит к ухудшению энергетических характеристик насоса-турбины. По этой же причине установлено, что для насоса-турбины, работающей значительное время в насосном режиме наиболее эффективным способом является расположение бугорков согласно Фиг. 5, а для насоса-турбины, работающей значительное время в турбинном режиме - согласно Фиг. 4. Аналогично, в случае кратковременного запуска насоса-турбины, поверхность 6, являющаяся рабочей стороной лопасти в насосном режиме, в целях повышения эффективности работы, выполнена гладкой.

Использование изобретения приводит к повышению главного энергетического параметра насоса-турбины - выходной мощности N вследствие увеличения крутящего момента М_кр на валу насоса-турбины без изменения конструктивного исполнения его рабочего колеса.

Кроме того, измененная структура течения в турбулентном пограничном слое снижает уровень потребляемой мощности в насосном режиме (увеличивает уровень вырабатываемой мощности - в турбинном), тем самым повышая производительность насоса-турбины.