СПОСОБ АЭРАЦИИ ПОДАВАЕМОГО НА ГИДРОТУРБИНУ ПОТОКА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO AERATE WATER FLOW SUPPLIED TO HYDRAULIC TURBINE AND RELATED DEVICE

Изобретение относится к средствам аэрации потока воды в проточной части гидротехнических сооружений, в первую очередь, напорного водовода гидротурбин гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций для защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации и одновременно для снижения кавитационной эрозии элементов проточной части рабочего колеса гидротурбины на различных режимах ее работы.
Установлено, что при прохождении воды через гидротурбину планктонные организмы, находящиеся в этой воде, погибают в зоне пониженного давления, как правило, на входе в гидротурбину из-за возникновения кавитации или близкого к ней режима работы гидротурбины, причем в ряде случаев эти планктонные организмы могут быть причиной возникновения такого разрушительного явления, как кавитация, так как не пузырьки воздуха, находящиеся в воде, а планктонные организмы являются ядрами развития кавитационного процесса в потоке воды, при этом в момент кавитационного режима течения происходит разрушение и гибель планктонных организмов. Выявлено, что развитие кавитационного режима течения на планктонных организмах интенсивнее, чем при их отсутствии.
Известен способ аэрации подаваемого на гидротурбину потока воды, включающий подачу по трубопроводу компрессором под давлением сжатого воздуха в поток воды в проточную часть рабочего колеса гидротурбины (US №3724966, кл. F03B 3/06, 03.04.1973).
Из этого же патента известен аэратор воды, подаваемой на гидротурбину, содержащий компрессор, подключенный к расположенному в проточной части рабочего колеса гидротурбины трубопроводу для подачи в поток воды сжатого воздуха.
Недостатком известного технического решения является то, что подача воздуха непосредственно в зону рабочего колеса гидротурбины не обеспечивает его равномерное распределение по сечению потока и, кроме того, практически не позволяет сохранить планктонные организмы от разрушительного действия кавитационного режима течения в проточной части рабочего колеса гидротурбины, поскольку оказывает слабое влияние на предотвращение такого режима течения.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ аэрации подаваемого на гидротурбину потока воды, включающий подачу по трубопроводу компрессором под давлением сжатого воздуха в поток воды в напорном водоводе. Подача сжатого воздуха в напорный водовод перед гидротурбиной улучшает процесс аэрации воды, с учетом имеющейся в потоке воды биомассы (RU №2104965, кл. C02F 1/74, 20.02.1998).
Из этого же патента известен аэратор воды, подаваемой на гидротурбину, содержащий компрессор, подключенный к расположенному в напорном водоводе трубопроводу.
Недостатком известного технического решения является то, что важно не только подать сжатый воздух в поток воды, но и максимально насытить им весь поток воды, что позволит максимально сохранить планктонные организмы и уменьшить риск возникновения кавитационного режима течения в проточной части рабочего колеса гидротурбины. Отсутствие таких сред для равномерного распределения воздуха в потоке воды сужает возможности по сохранению планктонных организмов и снижает, возможности по снижению риска возникновения кавитационного режима течения в проточной части гидротурбины.
Заявляемое техническое решение позволяет улучшить процесс аэрации воды, подаваемой в гидротурбину. При этом достигается увеличение количества воздуха, растворенного в воде, также достигается более равномерное его распределение в потоке воды, за счет этого увеличивается количество живых организмов, в первую очередь, планктонных организмов, при их прохождении через проточную часть рабочего колеса гидротурбины, и снижается риск возникновения кавитационного режима течения в проточной части рабочего колеса гидротурбины. Настоящее изобретение может быть использовано на любых гидроэлектростанциях для защиты планктонных организмов от гибели из-за кавитации и одновременно для снижения кавитационной эрозии элементов проточной части рабочего колеса гидротурбины на различных режимах ее работы.
Указанная задача решается, а технический результат достигается в части способа, как объекта изобретения, за счет того, что способ аэрации подаваемого на гидротурбину потока воды включает подачу по трубопроводу компрессором под давлением сжатого воздуха в поток воды в напорном водоводе, причем часть потока воды из напорного водовода отбирают в выполненный в виде стакана корпус и посредством отверстий в днище корпуса разбивают на отдельные струи и направляют в область пониженного давления корпуса, которую создают путем разгона потока сжатого воздуха при подаче его из трубопровода в сужающийся канал с последующим истечением разогнанного потока воздуха в образованный боковыми стенками корпуса и центральным телом в виде усеченного конуса расширяющийся канал с уступом на выходном сечении трубопровода, далее отдельные струи воды путем воздействия на них вихревых токов сжатого воздуха в области пониженного давления дробят на мелкие капли, поток которых направляют за счет созданного потоком сжатого воздуха перепада давления в расширяющийся поток сжатого воздуха, где мелкие капли воды дополнительно дробят и насыщают воздухом, полученный таким образом газожидкостный поток направляют на расположенные поперек потока полые пилоны, при соударении и обтекании которых поток дополнительно турбулизируют, еще больше дробя капли воды и продолжая насыщать их воздухом, причем через полые пилоны в газожидкостный поток подают воду из окружающего корпус пространства, а за счет сначала сужения газожидкостного потока в пространстве между пилонами, а затем резкого расширения газожидкостного потока в пространстве за пилонами формируют в газожидкостном потоке скачки давления, в которых дополнительно измельчают капли воды с дальнейшим насыщением воды воздухом и формированием в итоге эмульсионной структуры газожидкостного потока, после чего эмульсионный газожидкостный поток в расширяющемся канале переводят в пузырьковый режим течения и за счет роста статического давления продолжают насыщение воды воздухом, после чего насыщенную воздухом часть потока воды возвращают в напорный водовод гидротурбины, одновременно часть сжатого воздуха направляют из трубопровода в выполненный в центральном теле ступенчато расширяющийся канал, где его разгоняют, после чего разогнанный поток направляют в широкий участок ступенчато расширяющегося канала и, таким образом, создают в нем зону пониженного давления, в которую засасывают через полые пилоны из окружающего корпус пространства воду, с последующим смешением последней со сжатым воздухом с образованием газожидкостного потока и одновременным насыщением воды воздухом, после чего газожидкостный поток выводят в окружающее корпус пространство напорного водовода.
Предложено также устройство для осуществления предлагаемого способа как объекта изобретения, а именно, аэратор воды, подаваемой на гидротурбину, содержащий компрессор, подключенный к расположенному в напорном водоводе трубопроводу, причем трубопровод подключен к, по меньшей мере, одному выполненному в виде стакана корпусу, при этом выходной участок трубопровода введен соосно через днище внутрь корпуса с образованием выходным сечением уступа и закреплен относительно него, в днище корпуса выполнены отверстия, а в корпусе соосно последнему установлено посредством полых пилонов выполненное в виде усеченного конуса центральное тело, узкая входная часть которого введена внутрь выходного участка трубопровода с образованием кольцевого зазора, внутри центрального тела выполнен соосно последнему ступенчато расширяющийся от узкой входной части центрального тела канал, причем в месте ступенчатого расширения канала в нем выполнен выступающий внутрь широкого участка канала сопловой насадок, в который введена вершина установленного в широком участке ступенчато расширяющегося канала конусного обтекателя, а полые пилоны одним концевым участком закреплены в боковой стенке корпуса и другим концевым участком закреплены в центральном теле, при этом полые пилоны выполнены с треугольнообразным поперечным сечением, обращенным узкой верхней частью в сторону отверстий в днище корпуса, в нижней широкой части полых пилонов выполнены отверстия, а посредством полых пилонов широкий участок ступенчато расширяющегося канала сообщен с окружающим корпус пространством.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что представляется возможность создать разрыв сплошности исходного водного потока с дроблением его на капли, причем аэрацию капель воды представляется возможность проводить в условиях спутного воздушного высокоскоростного потока с последующим восстановлением сплошности потока воды при переходе от капельного к пенному (эмульсионному), а затем и к пузырьковому потоку аэрированной водяной среды. После этого можно провести смешение аэрированной воды со спутным водяным потоком напорного водовода с целью выравнивания концентрации растворенного и свободного воздуха в смешанном потоке.
Как результат, аэрация жидкости происходит на всех этапах ее дробления на капли, течения в составе капельного газожидкостного (водовоздушного) потока, а также при смене режимов течения от капельного к эмульсионному, а затем от эмульсионного к пузырьковому. При этом аэрация водяной компоненты в условиях двухфазного эмульсионного и впоследствии пузырькового течения водогазовой смеси происходит в условиях последовательного повышения давления среды и уменьшения ее скорости, истечение образованного водовоздушного потока в окружающую водную среду и последующее их перемешивание происходит в условиях повышения статического давления смешанного потока и выравнивания концентрации растворенного и свободного воздуха по площади поперечного сечения напорного водовода.
Последовательное изменение барометрических условий вниз по потоку текущей среды, увеличение площади поверхности контакта фаз за счет уменьшения размеров частиц жидкостной фазы, смена режимов течения (от капельного к эмульсионному, а затем к пузырьковому с мелкодиспергированной и равномерно распределенной по объему потока газовой фазой происходит за счет энергии воздушного потока и изменения геометрии потока смешиваемых сред.
Жесткие преграды - полые пилоны - расположены в одной вертикальной плоскости с отверстиями перфорации. Таким образом, струи, истекающие из них, дополнительно механически дробятся на более мелкие капли, - что улучшает их аэрацию.
Выходящий аэрированный поток имеет струйный характер. Струи сформированы в виде конических факелов. Факелы водогазовой смеси пузырьковой структуры, истекающие из устройства, перекрывают друг друга с образованием на некотором расстоянии за выходным срезом единого потока аэрированной воды. Дальнейшее его перемешивание с водой напорного водовода осуществляется за счет разности концентраций воздуха в указанных спутных потоках и реализации турбулентного режима течения.
В напорном трубопроводе может быть расположено несколько устройств на различных радиусах и отметках по высоте напорного водовода, что позволяет обеспечить равномерное распределение воздушной компоненты аэрированного потока по всей площади его поперечного сечения напорного водовода.
Изобретение иллюстрировано чертежами, где:
На фиг.1 представлен продольный разрез аэратора воды подаваемой на гидротурбину.
На фиг.2 представлен поперечный разрез полого пилона.
На фиг.3 схематически представлено расположение нескольких аэраторов в напорном водоводе гидротурбины гидроэлектростанции.
Аэратор воды, подаваемой на гидротурбину, содержит компрессор 1, подключенный к расположенному в напорном водоводе 2 трубопроводу 3. Трубопровод 3 подключен к, по меньшей мере, одному выполненному в виде стакана корпусу 4. Выходной участок 5 трубопровода 3 введен соосно через днище 6 внутрь корпуса 4 с образованием выходным сечением уступа 7 и закреплен относительно него. В днище 6 корпуса 4 выполнены отверстия 8, а в корпусе 4 соосно последнему установлено посредством полых пилонов 9 выполненное в виде усеченного конуса центральное тело 10, узкая входная часть которого введена внутрь выходного участка 5 трубопровода 3 с образованием кольцевого зазора. Внутри центрального тела 10 выполнен соосно последнему ступенчато расширяющийся от узкой входной части центрального тела 10 канал 11. В месте ступенчатого расширения канала 11 в нем выполнен выступающий внутрь широкого участка канала 11 сопловой насадок 12, в который введена вершина установленного в широком участке ступенчато расширяющегося канала 11 конусного обтекателя 13. Полые пилоны 9 одним концевым участком закреплены в боковой стенке корпуса 4 и другим концевым участком закреплены в центральном теле 10. Полые пилоны 9 выполнены с треугольнообразным поперечным сечением, обращенным узкой верхней частью в сторону отверстий 8 в днище 6 корпуса 4. В нижней широкой части полых пилонов 9 выполнены отверстия 14, а посредством полых пилонов 9 широкий участок ступенчато расширяющегося канала 11 сообщен с окружающим корпус 4 пространством.
Способ аэрации подаваемого на гидротурбину 15 потока воды реализуется следующим образом.
По трубопроводу 3 компрессором 1 подают под давлением сжатый воздух в поток воды в напорном водоводе 2. Часть потока воды из напорного водовода 2 отбирают в выполненный в виде стакана корпус 4 и посредством отверстий 8 в днище 6 корпуса 4 разбивают на отдельные струи и направляют в область пониженного давления 16 корпуса 4, которую создают путем разгона потока сжатого воздуха при подаче его из трубопровода 3 в сужающийся канал 17 с последующим истечением разогнанного потока воздуха в образованный боковыми стенками корпуса 4 и центральным телом 10 в виде усеченного конуса расширяющийся канал 18 с уступом 7 на выходном сечении трубопровода 3. Далее отдельные струи воды путем воздействия на них вихревых токов сжатого воздуха в области пониженного давления 16 дробят на мелкие капли, поток которых направляют за счет созданного потоком сжатого воздуха перепада давления в расширяющийся поток сжатого воздуха, где мелкие капли воды дополнительно дробят и насыщают воздухом. Полученный таким образом газожидкостный поток направляют на расположенные поперек потока полые пилоны 9, при соударении и обтекании которых поток дополнительно турбулизируют еще больше дробя капли воды и продолжая насыщать их воздухом, причем через полые пилоны 9 в газожидкостный поток подают воду из окружающего корпус 4 пространства, а за счет сначала сужения газожидкостного потока в пространстве между пилонами 9, а затем резкого расширения газожидкостного потока в пространстве за пилонами 9 формируют в газожидкостном потоке скачки давления, в которых дополнительно измельчают капли воды с дальнейшим насыщением воды воздухом и формированием в итоге эмульсионной структуры газожидкостного потока, после чего эмульсионный газожидкостный поток в расширяющемся канале 18 переводят в пузырьковый режим течения и за счет роста статического давления продолжают насыщение воды воздухом, после чего насыщенную воздухом часть потока воды возвращают в напорный водовод 2 гидротурбины 15. Одновременно часть сжатого воздуха направляют из трубопровода 3 в выполненный в центральном теле 10 ступенчато расширяющийся канал 11, где его разгоняют, после чего разогнанный поток направляют в широкий участок ступенчато расширяющегося канала 11 и, таким образом, создают в нем зону пониженного давления, в которую через полые пилоны 9 засасывают из окружающего корпус 4 пространства воду с последующим смешением последней со сжатым воздухом с образованием газожидкостного потока и одновременным насыщением воды воздухом, после чего газожидкостный поток выводят в окружающее корпус 4 пространство напорного водовода.