Ребро и установка для преобразования гидравлической энергии, содержащая такое ребро

РЕБРО И УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ,СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ РЕБРО В изобретении предложенное ребро (20) предназначено для установки с возможностью выступа внутрь отводящего трубопровода гидравлической машины. Ребро (20) содержит первую сторону,в которой выполнены отверстия, и вторую сторону, которая является сплошной. Собственно ребро(20) между первой стороной и второй стороной образует полость (С 20), связывающую наружное пространство отводящего трубопровода с отверстиями первой стороны.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: АЛЬСТОМ РИНЬЮЭБЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ (FR) Настоящее изобретение касается установки для преобразования гидравлической энергии в электрическую или механическую энергию, причем такая установка содержит гидравлическую турбину, трубопровод для подвода потока воды с большим напором и трубопровод для отвода этого потока, когда он выходит из турбины. В такой установке для производства электрической или механической энергии из гидравлической энергии одной из трудностей является контроль процента кислорода, растворенного в воде, отводимой в отводной трубопровод. По экологическим причинам этот процент кислорода не может быть ниже минимального порога для соблюдения водной среды на выходе установки. Таким образом, трудно контролировать процент кислорода, так как он изменяется в зависимости от времени года. Так, вода имеет тенденцию насыщаться кислородом, так как она получается непосредственно при таянии снега. Напротив, летом, вода часто застаивается на входе установки и процент кислорода значительно ниже минимального порога.US-A-2300748 и US-A-4142825 касаются гидравлической установки, содержащей отводящий трубопровод потока воды с выхода турбины. Внутри отводящий трубопровод снабжен полыми нервюрами. Эти устройства требуют использования вспомогательного аппарата для инжекции сжатого воздуха в нервюры. Именно этот недостаток устраняется в изобретении путем использования ребра, предназначенного для установки выступающим образом внутрь трубопровода для отвода воды от гидравлической машины. В соответствии с изобретением ребро содержит первую сторону с отверстиями и вторую сплошную сторону. Собственно ребро образует между первой стороной и второй стороной полость, связывающую наружную часть отводящего трубопровода с отверстиями первой стороны. Благодаря изобретению угловое положение ребер определено для создания повышенного давления со стороны ребра, которое обращено к потоку, и разрежения с противоположной стороны. Это разрежение позволяет автоматически всасывать через отверстия ребер наружный воздух в отводящий трубопровод и инжектировать всасываемый воздух в удаляемую воду без необходимости использования активного устройства, которое подает сжатый воздух. С другой стороны, можно изменить угловую ориентацию ребер для того, чтобы изменить количество воздуха, которое желают растворить в потоке воды, проходящей через установку. Однако ребра могут также быть использованы для уменьшения образования завихрений или турбуленций, обычно называемых "факелами", которые имеют тенденцию к возникновению в отводящем трубопроводе и вызывают уменьшение КПД установки: благодаря изобретению можно адаптировать ориентацию ребер с учетом возможного компонента вращения потока на выходе турбины, что позволяет стабилизировать поток в отводящем трубопроводе. В соответствии с предпочтительными, но необязательными вариантами изобретения такая установка может отвечать одной или нескольким характеристикам, взятым в любой технически приемлемой комбинации: первая сторона ребра является плоской; вторая сторона ребра является плоской; первая сторона и вторая сторона ребра являются параллельными; первая сторона ребра и вторая сторона ребра расположены напротив одна другой и размещены по обеим сторонам медианной плоскости ребра. Изобретение касается также установки для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию, содержащей гидравлическую машину, трубопровод подвода к гидравлической машине потока воды с напором, трубопровод отвода потока с выхода гидравлической машины и элементы, выступающие из стенки отводящего трубопровода, каждый из которых образует полость, связывающую наружную часть отводящего трубопровода с отверстиями, выполненными в выступающих элементах. В соответствии с изобретением выступающие элементы содержат, по меньшей мере, ребро по изобретению, входящее внутрь отводящего трубопровода, которое выполнено подвижным с возможностью вращения вокруг оси, секущей относительно стенки отводящего трубопровода, при этом установка содержит средства управления угловым положением каждого ребра вокруг его оси вращения. Предпочтительно, но необязательно, по меньшей мере одно ребро выполнено убирающимся в стенку отводящего трубопровода, и имеются средства регулирования выдвигания каждого убирающегося в стенку ребра. В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 схематично представляет в разрезе принципиальную схему установки по изобретению; фиг. 2 изображает в более крупном масштабе деталь П по фиг. 1, иллюстрирующую в разрезе ребро,а также средства удержания ребра, принадлежащие установке по фиг. 1; фиг. 3 изображает вид сбоку ребра по фиг. 2 в более крупном масштабе и фиг. 4 изображает в разрезе по линии IV-IV ребро в потоке воды в установке по фиг. 1. Установка I, представленная на фиг. 1, содержит турбину 1 типа турбины Френсиса, в которой колесо 2 предназначено для вращения вокруг вертикальной оси Х 2 с помощью напора воды Е, поступаю-1 023285 щей из непредставленного водохранилища. Вал 3, жестко соединенный с колесом 2, спарен с генератором переменного тока 4, который выдает переменный ток с постоянной частотой в не изображенную сеть. Установка I позволяет, таким образом, преобразовывать гидравлическую энергию потока Е в электрическую энергию. Установка I может содержать несколько турбин 1, питаемых из водохранилища. Как вариант, вал 3 может быть спарен с механической системой, в этом случае установка I преобразует гидравлическую энергию потока Е в механическую энергию. Питающий трубопровод 5 позволяет обеспечить подвод потока Е к колесу 2 и простирается между водохранилищем и резервуаром 6, снабженным направляющими лопатками 61, которые регулируют поток Е. На выходе турбины 1 расположен трубопровод 8 для отведения потока Е и его направления на уровень реки или потока, которыми питается водохранилище. Этот отводящий трубопровод 8 иногда называют всасывающим трубопроводом. Блок управления 10 предусмотрен для управления турбиной 1 при работе, в частности при необходимости подачи электричества в электрическую сеть, питаемую от генератора переменного тока 4, и подачи воды, необходимой для потока Е. Для этого блок управления 10 подает на направляющие лопатки 61 управляющий сигнал S1, позволяющий контролировать расход воды, проходящей в машину, и мощность, выдаваемую, таким образом, генератором 4 переменного тока для удовлетворения нужд электрической сети. Трубопровод 8 содержит входную часть 81, по существу, вертикальную в форме усеченного конуса и с центром на оси вращения Х 2 колеса 2. Трубопровод 8 содержит также выходную часть 82 с центром,по существу, на горизонтальной оси Х 82. Эта ось Х 82 является, по существу, горизонтальной в том плане,что она образует с горизонтальной плоскостью угол, меньший 20. На практике ось Х 82 может быть слегка опускающейся в направлении потока Е. Части 81 и 82 трубопровода 8 соединены изгибом 83 под 90. Трубопровод 8 во входной части снабжен несколькими ребрами 20, которые выступают от стенки 84 входной части 81 в направлении оси Х 2. Эти ребра 20 предназначены для обтекания частью потока Е,который проходит, выходя из колеса 2, вдоль стенок 84. Ребра 20, другими словами, сочленены, но они не являются частью трубопровода 8, а соединены с трубопроводом 8. Фиг. 1, которая представляет сечение в вертикальной плоскости Х 2, содержит два ребра 20, но на практике количество ребер 20 может превышать два. Их количество выбирается в зависимости от диаметра входной части 81 и расхода, предусмотренного для потока Е. Как, в частности, показано на фиг. 2 и 4, каждое ребро 20 является полым и содержит две боковые плоские параллельные и противолежащие стороны 201 и 202, расположенные с обеих сторон медианной плоскости P20, расположенной между боковыми сторонами 201 и 202. Медианная плоскость Р 20 является медианной плоскостью ребра 20. Первая боковая сторона 201 каждого ребра 20 пронизана несколькими отверстиями 200, которые сообщаются с полостью C20, выполненной в полости 20 между боковыми сторонами 201 и 202. Вторая боковая сторона 202 каждого ребра 20 является сплошной, то есть она не содержит отверстий. Каждое ребро 20 содержит полость С 20, другими словами, каждая полость С 20 полностью образована ребром 20. Например, полость С 20 не образована частью отводящего трубопровода 8. Как, в частности, следует из фиг. 2, каждое ребро 20 жестко соединено с поршнем 21, установленным в цилиндрическом корпусе 22 кольцевой основы с центром на оси Х 22, перпендикулярной стенке 84. Поршень 21 снабжен герметизирующими уплотнениями 211 и 212 и жестко соединен со штоком 23, который проходит через пластину 24 дисковой формы с возможностью скольжения относительно этой пластины вдоль оси Х 22, как показано стрелками F1 и F2. Поршень 21 и шток 23 содержат продольный каналC21 с центром на оси Х 22, который связывает полость С 20 с внешней частью отводящего трубопровода 8. Отверстия 200, таким образом, сообщаются с внешней атмосферой. Пластина 24 снабжена герметизирующими уплотнениями 241 и 242, которые вместе с уплотнениями 211 и 212 осуществляют жидкостную изоляцию от окружающей атмосферы камеры С 22, содержащейся радиально внутри корпуса 22 между пластиной 24, поршнем 21 и вокруг штока 23. Пластина 24 закреплена на корпусе 22 с помощью винтов 25, ось каждого из которых обозначена штрихпунктирной линией. Камера С 22 по не изображенному трубопроводу питается водой от трубопровода 5. Это позволяет подать давление в камеру С 22, которое выдвигает поршень 21 в направлении стрелки F2 и заставляет перемещаться ребро 20 в направлении оси Х 2 относительно стенки 84. Давление питания камеры С 22 позволяет контролировать положение вдоль оси Х 22 поршня 21 и ребра 20. Поршень 21 и ребро 20, таким образом, выполнены подвижно перемещаемыми вдоль оси Х 22 по стрелкам F1 и F2 на фиг. 2. Можно не питать камеру С 22 водой под давлением, так что ребро 20 вдвигается и выдвигается относительно стенки 24 с наружной стороны трубопровода 8 вследствие давления воды на поверхность 213 поршня 21, обращенной к трубопроводу 8. Узел, образованный деталями 20-25, установлен с возможностью вращения вокруг оси Х 22 в рубашке 26, неподвижно закрепленной во фланце 27, неподвижном относительно стенки 84. Поршни 21 и ребро 20 являются, таким образом, подвижными во вращении вокруг оси Х 22. Уплотнения, образующие подшипник, расположены, при необходимости, вокруг корпуса 22 и пластины 24 и обеспечивают упомянутый узел относительно рубашки 26. В своей части, которая перемещается по оси Х 22 относительно рубашки 26, пластина 24 снабжена внешними радиальными зубьями 243, которые входят в зацепление с зубчатым колесом 29, приводимым выходным валом 301 электрического серводвигателя 30. Этот двигатель управляется блоком управления с помощью электронного сигнала S3. Серводвигатель 30 позволяет, таким образом, приводить во вращение образованный деталями 22-25 узел вокруг оси Х 22 в зависимости от управляющего сигнала S3, получаемого от блока управления 10. Это вращение позволяет изменять угловое положение ребра 20 вокруг оси Х 22. Как вытекает из фиг. 3, угловое положение каждого ребра 20 может быть измерено углом , взятым над осью Х 22 между медианной плоскостью Р 20 ребра 20 и горизонтальной плоскостью Р 22, включающую ось Х 22. Когда боковые стороны 201 и 202 ребер 20 вертикальны, уголсоставляет 90. При работе, когда необходимо растворить воздух в потоке воды Е, удаляемой по отводящему трубопроводу 8, для повышения коэффициента содержания кислорода следует вывести ребра 20 в отводящий трубопровод 8 по стрелке 2 для того, чтобы ребра 20 проходили по оси Х 2 относительно стенки 84. Это движение регулируется блоком управления 10. Угловое положение каждого ребра 20 регулируется таким образом, что, когда сторона Р 20 наклонена относительно потока Е, вторая сторона 202 ребер 20 размещена на пути потока Е, как изображено на фиг. 4. Угловое положениеуправляется блоком управления 10, которое подает двигателю 30 сигнал S3,для создания зоны Z1 с повышенным давлением вблизи второй стороны 202, и зоны Z2 с разрежением вблизи первой стороны 201. Благодаря разрежению в зоне Z2, наружный воздух автоматически всасывается в полость С 20 и инжектируется в поток Е через отверстия 200, как показано стрелками А на фиг. 2-4. Угловое положениеребер 20 влияет на интенсивность разрежения, создаваемого в зоне Z2, и позволяет, таким образом, влиять на количество воздуха, инжектируемого в поток Е. Размеры и количество отверстий 200 определены в зависимости от размера и количества пузырьков воздуха, который нужно растворить в потоке Е. Предпочтительным образом, ребра 20 могут быть использованы для уменьшения изменения давления и образования турбулентных факелов, которые появляются при работе в отводящем трубопроводе 8. Для этого уголребер 20 может быть уточнен для изменения потока Е, как указано, например, в документе FR-A-2942274. Как вариант, положение каждого ребра 20 вокруг его оси вращения Х 22 может управляться иными средствами, нежели камера давления, питаемая водой. В соответствии с геометрией сторон 201 и 202 и расположением стороны 201 относительно стороны 202 сторона, соответствующая медианной плоскости P20, не является обязательно плоской. Например,когда стороны 201, 202 имеют форму цилиндра с кольцевым сечением, стороны 201 и 202 вогнутой формы обращены в одну сторону, а медианная поверхность является частью цилиндра с кольцевым сечением, которое имеет радиус между радиусом стороны 201 и стороны 202. Можно использовать, например, электрический серводвигатель или механический, или электрический силовой гидроцилиндр. Как вариант, по меньшей мере одно из ребер 20 может не выбираться. В этом случае, когда не нужно растворять кислород в потоке Е, стороны 201 и 202 этих не удаляемых ребер 20, ориентированы параллельно потоку Е для того, чтобы не вызывать возмущение потока. Вышеописанное изобретение представлено на чертежах для случая, когда ось Х 22 вращения ребер 20 перпендикулярна стенке 84. Если это не является обязательным, то достаточно, чтобы ось Х 22, которая неподвижна относительно стенки 84, являлась секущей относительно этой стенки. Изобретение было представлено для случая, когда все ребра 20 являются ориентированными, то есть подвижными во вращении вокруг секущей оси, в частности, перпендикулярной относительно стенки 84 отводящего трубопровода 8. Как вариант, только некоторые из ребер 20 могут быть выполнены ориентированными. Более того, только некоторые из ребер 20 могут содержать отверстия 200. Эти ребра без отверстий 200 могут быть использованы для исключения образования факельных турбуленций. Изобретение было представлено с серводвигателем, соединенным с каждым ребром 20, что позволяет управлять ребрами 20 индивидуально. Синхронизация между движениями ребер 20 обеспечивается блоком управления 10, который направляет различные сигналы S3 различным двигателям 30. Как вариант, можно использовать механические средства, связывающие между собой ребра 20, что позволяет обеспечить групповое управление ребрами 20. Можно, например, использовать цепи или известную кольцевую систему задвижек, например, для управления направляющими лопатками 61. Для обеспечения вращения ребер могут быть использованы другие устройства с индивидуальным или групповым управлением ребрами 20. На практике это вращение может быть обеспечено любым подходящим приводом, например вращающимся или линейным силовым цилиндром, соединенным с рычагом. Силовые цилиндры могут приводиться в движение маслом, электрическим током, сжатым воздухом или водой. Изобретение было представлено для его использования с турбиной типа турбины Френсиса. Оно может быть использовано в других типах турбин, таких как турбины Каплана или в винтовых турбинах,а также в турбонасосах. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ребро (20) для установки в виде выступа внутрь отводящего трубопровода (8) гидравлической машины (1), отличающееся тем, что содержит первую сторону (201), в которой выполнены отверстия(200), и вторую сторону (202), являющуюся сплошной, при этом ребро (20) между первой стороной (201) и второй стороной (202) образует полость (С 20), связывающую внешнюю среду отводящего трубопровода (8) с отверстиями (200) первой стороны (201). 2. Ребро (20) по п.1, отличающееся тем, что первая сторона (201) ребра (20) выполнена плоской. 3. Ребро (20) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что вторая сторона (202) ребра(20) выполнена плоской. 4. Ребро (20) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первая сторона (201) и вторая сторона (202) ребра (20) параллельны между собой. 5. Ребро (20) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первая сторона (201) ребра(20) и вторая сторона (202) ребра (20) расположены напротив одна другой и размещены с обеих сторон медианной плоскости (Р 20) ребра (20). 6. Ребро (20) по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что размеры ребра (20) позволяют осуществить вращение ребра (20) относительно отводящего трубопровода (8) вокруг оси (Х 22), секущей относительно стенки (84) отводящего трубопровода (8). 7. Установка (1) для преобразования гидравлической энергии в электрическую энергию, содержащая гидравлическую машину (1), трубопровод (5) для подвода к гидравлической машине (1) потока (Е) воды с напором, отводящий трубопровод (8) потока (Е) воды с выхода гидравлической машины (1) и элементы, выступающие из стенки (84) отводящего трубопровода (8), каждый их которых образует полость (С 20), связывающую наружную часть отводящего трубопровода (8) с отверстиями (200), выполненными в выступающих элементах, отличающаяся тем, что выступающие элементы содержат по меньшей мере одно ребро (20) по одному из предыдущих пунктов, установленное выступающим внутрь отводящего трубопровода (8) и являющееся подвижным во вращении вокруг оси (Х 22), секущей относительно стенки (84) отводящего трубопровода (8), причем установка (1) содержит средства (10) управления угловым положениемкаждого ребра (20) вокруг его оси вращения (Х 22). 8. Установка (1) по п.7, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, ребро (20) выполнено убирающимся в стенку (84) отводящего трубопровода, а также тем, что средства (30) выполнены с возможностью регулирования выдвигания каждого убирающегося в стенку (84) ребра (20).