Клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины
INLET VALVE TO FLOW PART OF HYDRAULIC TURBINE

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбостроения, в частности, к клапану впуска воздуха в проточную часть гидротурбины.
Известно, что при работе гидротурбины вне зоны оптимального режима возникают колебания мощности, а также повышенные пульсации гидродинамического давления воды в проточной части турбины, в первую очередь - под рабочим колесом (для радиально-осевой гидротурбины) и под крышкой турбины (для поворотно-лопастной гидротурбины). Пульсации давления рабочей жидкости обусловливаются в основном наличием вращающегося вихревого жгута, возникающего на режиме неполной загрузки в отсасывающей трубе. Вихревой жгут является первопричиной возникновения существенных вибраций гидротурбины, ведущих к более быстрому износу оборудования и возможному разрушению отдельных элементов конструкции, что в целом снижает ресурс работы гидротурбины. Для снижения пульсаций давления и колебаний мощности применяются клапаны впуска воздуха в проточную часть гидротурбины.
При этом, при впуске воздуха и прохождении его через клапан возникает повышение уровня аэродинамического шума. Для снижения уровня шума, а также предотвращения его дальнейшего распространения применяются известные конструкции клапанов и шумоглушителей, устанавливаемых как внутри самого клапана, так и снаружи, отдельной конструкцией. В ряде случаев клапан впуска воздуха выносят с помощью труб за пределы здания ГЭС для снижения уровня шума в здании ГЭС. Однако данные устройства позволяют лишь незначительно снизить уровень шума, а также имеют достаточно сложную конструкцию. По требованиям безопасности и охраны труда эквивалентный уровень шума, создаваемого работающей гидротурбинной установкой в помещениях ГЭС, должен быть не более 85 дБ согласно ГОСТ 12.1.003.
Известно, что для снижения вибраций и уровня шума применяются шумопоглощающие (звукопоглощающие) материалы и шумогасительные наполнители. Шумопоглощающие материалы накладываются в виде покрытий и закрепляются на поверхности конструкции (детали). В качестве шумопоглощающего материала может использоваться пористый материал, в котором звуковые волны рассеиваются по порам, поглощают звуковую энергию с ее переходом в тепловую, тем самым, понижая уровень звуковых колебаний. Шумогасительные наполнители позволяют поглощать и рассеивать звуковую энергию в своей структуре, максимально ослабляя ее, и обеспечивают снижение скорости и гашение звуковых волн.
Известно изобретение «Устройство для впуска воздуха в зону рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины» (Авторское свидетельство СССР №1406404; F03B 11/00; дата публикации 24.09.1985 г.). Устройство для впуска воздуха гидротурбины направлено на повышение надежности работы и снижение уровня шума при впуске воздуха и содержит дренажную систему, корпусной элемент - трубу, закрепленную в установленных в полостях вала заглушках и охватывающую впускные и обратный клапаны, шумоглушитель, расположенную за ним по ходу воздуха дроссельную шайбу и водоприемник. Шумоглушитель представляет собой сварной цилиндр, в котором выполнено несколько рядов отверстий в радиальном направлении. Установка дроссельной шайбы за шумоглушителем позволяет снизить уровень шума при впуске воздуха.
Недостатком известного решения является низкая эксплуатационная надежность из-за нестабильной работы при многократных повторных открытиях и закрытиях обратного клапана, а также незначительное снижение уровня аэродинамического шума при впуске воздуха, сложность конструкции из-за наличия множества конструктивных элементов и систем.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Устройство впуска воздуха в проточную часть гидротурбины» (Патент РФ№2403433; МПК F03B 11/00; дата публикации 10.11.2010 г.). Согласно изобретению, устройство впуска воздуха (клапан) содержит корпус, состоящий из соосных внутреннего и наружного цилиндров, запорный орган, седло (крышку), днище (основание), имеющее сквозные отверстия. Во внутренней полости внутреннего цилиндра соосно установлен полый цилиндр. Запорный орган снабжен поршнем, размещенным во внутренней полости полого цилиндра. Днище, для снижения уровня шума, выполнено с множеством сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия, что позволяет уменьшить скорость прохождения воздуха через клапан и снизить уровень шума. Полость полого цилиндра, находящаяся под поршнем, соединена с проточной частью гидротурбины, а полость над поршнем соединена с атмосферным воздухом.
Недостатком известного решения является то, что многократные ударные нагрузки не позволяют добиться высокой надежности работы устройства. Также работа клапана не позволяет значительно снизить уровень аэродинамического шума, возникающего на всасывании воздуха. Усложняет устройство клапана сборная конструкция запорного органа и необходимость регулировки давления, при котором происходит открытие клапана.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении уровня аэродинамического шума в процессе работы клапана впуска воздуха и повышении эксплуатационной надежности работы клапана, упрощении конструкции клапана.
Для достижения указанного выше технического результата клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины содержит корпус, состоящий из соосных внутреннего и наружного цилиндров, запорный орган, крышку, основание, имеющее сквозные отверстия.
При этом, согласно заявляемому изобретению, во внутреннем цилиндре расположены окна, объединяющие внутреннюю полость внутреннего цилиндра с внутренней полостью наружного цилиндра.
Запорный орган выполнен в виде по меньшей мере одного уплотнительного элемента из эластичного материала, закрепленного на основании со стороны проточной части и закрывающего сквозные отверстия.
На внутренних поверхностях внутреннего и наружного цилиндров и на внутренней торцевой поверхности крышки закреплен шумопоглощающий материал.
Внутренняя полость внутреннего цилиндра равномерно и плотно заполнена шумогасительным упругим наполнителем с возможностью свободного прохождения воздуха через указанную полость.
Шумогасительный упругий наполнитель представляет собой свободно свитую металлическую нержавеющую проволоку.
Шумогасительный упругий наполнитель представляет собой шарики из полимерного материала.
Выполнение окон во внутреннем цилиндре, объединяющих внутреннюю полость внутреннего цилиндра с внутренней полостью наружного цилиндра, позволяет пропускать атмосферный воздух в зону с упругим шумогасительным материалом и уменьшить высотные размеры клапана впуска воздуха.
Выполнение запорного органа в виде по меньшей мере одного уплотнительного элемента из эластичного материала, закрепленного на основании со стороны проточной части гидротурбины и закрывающего сквозные отверстия, позволяет обеспечить плотное прилегание к основанию. Уплотнительные элементы из эластичного материала обладают обратимой деформацией, то есть способностью многократно легко деформироваться и восстанавливать первоначальную форму. Долговечность и надежность уплотнительных элементов из эластичного материла определяют стабильность работы клапана впуска воздуха в процессе его открытия и закрытия, тем самым, повышая эксплуатационную надежность его работы. Также эластичный материал обладает шумоизолирующими свойствами, что позволяет снизить уровень аэродинамического шума при работе клапана.
Закрепление шумопоглощающего материала на внутренних поверхностях внутреннего и наружного цилиндров и на внутренней торцевой поверхности крышки позволяет рассеять звуковые волны и поглотить их, тем самым, понизить уровень аэродинамического шума.
Равномерное и плотное заполнение шумогасительным упругим наполнителем внутренней полости внутреннего цилиндра с возможностью свободного прохождения воздуха через указанную полость, позволяет эффективно поглощать и рассеивать звуковую энергию в структуре наполнителя, обеспечивает снижение скорости и гашение звуковых волн, и, тем самым, понижает уровень аэродинамического шума. В качестве упругого шумогасительного наполнителя могут быть использованы различные наполнители, например, свободно свитая металлическая нержавеющая проволока; шарики из полимерного материала, например, из пластика или резины и другие наполнители.
Предлагаемая конструкция клапана впуска воздуха в проточную часть гидротурбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет снизить уровень аэродинамического шума в процессе работы клапана за счет применения шумопоглощающего материала и упругого шумогасительного наполнителя, по меньшей мере одного уплотнительного элемента из эластичного материала, а также повысить эксплуатационную надежность работы клапана впуска воздуха в проточную часть гидротурбины за счет стабильной работы клапана при его открытии и закрытии. Конструкция клапана является более компактной за счет уменьшения высотных размеров клапана и упрощена по сравнению с прототипом, за счет изменения конструкции запорного органа и уменьшения количества конструктивных элементов.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлен клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины в закрытом состоянии, с внутренней полостью, заполненной свободно свитой металлической нержавеющей проволокой; на фиг. 2 - клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины в открытом состоянии, на фиг. 3 - клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины в закрытом состоянии, с внутренней полостью, заполненной полимерными шариками.
Клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины содержит корпус, состоящий из соосных внутреннего цилиндра 1 и наружного цилиндра 2, запорный орган 3, крышку 4, основание 5, выполненное в форме кольца и имеющее сквозные отверстия 6. Основание 5 отделяет внутреннюю полость А внутреннего цилиндра 1 от проточной части гидротурбины. Основание 5 выполняется стальным, например, из нержавеющей стали марки 08X13 по ГОСТ 5632 или конструкционной углеродистой стали Ст3 по ГОСТ380-2005, с лакокрасочным покрытием, например эмалью Виникор-62.
Во внутреннем цилиндре 1 расположены окна 7, объединяющие внутреннюю полость А внутреннего цилиндра 1 с внутренней полостью Б наружного цилиндра 2 для прохождения атмосферного воздуха через клапан.
Запорный орган 3 выполнен в виде по меньшей мере одного уплотнительного элемента 8 из эластичного материала, закрепленного на основании 5 со стороны проточной части и закрывающего сквозные отверстия 6, обеспечивая плотное прилегание к основанию 5. Размер сквозных отверстий 6 и их количество определяются таким образом, чтобы суммарная площадь сквозных отверстий 6 была в несколько раз меньше площади проходного сечения клапана. Проходное сечение клапана представляет собой общую площадь окон 7, выполненных во внутреннем цилиндре 1. Уплотнительные элементы 8 могут быть выполнены, например, в виде резиновых колец разных диаметров, установленных одно на другое большим диаметром к сквозным отверстиям 6 и далее с уменьшающимся диаметром. Диаметры уплотнительных элементов 8 выбираются из условия полного закрытия сквозных отверстий 6. Количество уплотнительных элементов 8 определяют, при каком разрежении воздуха под рабочим колесом клапан начнет открываться и подавать воздух в проточную часть. При большем отрицательном давлении и большей силе всасывания необходимо большее количество уплотнительных элементов 8. В качестве эластичного материала уплотнительных элементов 8 может быть применена, например, резина по ГОСТ 7338-90. В конкретном примере выполнения установлено два уплотнительных элемента 8. Уплотнительные элементы 8 закреплены в основании 5 с помощью крепежных элементов - втулки 9, гайки 10, шайбы 11, шпильки 12 и шплинта 13. При закрытом положении клапана уплотнительные элементы 8 плотно прижаты к основанию 5.
Крышка 4 клапана имеет входное отверстие 14 с переменным диаметром, для впуска воздуха в клапан и снижения скорости потока воздуха. Как правило, в комплекте, поступающем на ГЭС, имеется несколько крышек 4 с разными переменными диаметрами, и нужная крышка 4 выбирается методом подбора. При необходимости входное отверстие 14 дорабатывается на ГЭС.
На внутренних поверхностях внутреннего цилиндра 1 и наружного цилиндра 2 и на внутренней торцевой поверхности крышки 4 закреплен, например, приклеен контактным полихлоропреновым клеем Quilosa BUNITEX Р-55, или закреплен с помощью крепежных элементов шумопоглощающий материал 15. В качестве шумопоглощающего материала 15 может быть применен пористый листовой материал, например, пробка техническая "SEDACOR". Толщина шумопоглощающего материала 15 определяется его способностью гнуться, обеспечивая плотное прилегание к поверхностям клапана без изломов.
Внутренняя полость А внутреннего цилиндра 1 равномерно и плотно заполнена шумогасительным упругим наполнителем 16 с возможностью свободного прохождения воздуха через внутреннюю полость А. В качестве шумогасительного упругого наполнителя 16 может быть применена, например, свободно свитая металлическая нержавеющая проволока типа «металлической мочалки» по ТУ 9639-019-76213974-2015, или по ТУ 1483-001-48773208-2015, образующая при заполнении внутренней полости А ячейки произвольной формы и размера, через которые воздух свободно проходит через внутреннюю полость А. Также в качестве шумогасительного упругого наполнителя 16 могут быть применены, например, шарики из полимерного материала - резины по ГОСТ 7338-90 или пластика по ГОСТ 50962-96. При равномерном и плотном заполнении внутренней полости А полимерные шарики образуют промежутки между собой для обеспечения свободного прохода воздуха (Фиг. 3). Диаметр полимерных шариков выбирается из условия обеспечения пропускной способности клапана, не снижая ее, то есть необходимое и достаточное количество воздуха должно беспрепятственно проходить между полимерными шариками.
Внутренняя полость А внутреннего цилиндра 1 соединена с проточной частью гидротурбины, а внутренняя полость Б наружного цилиндра 2 соединена с атмосферным воздухом.
Клапан впуска воздуха в проточную часть гидротурбины может быть установлен по месту 17. Для радиально-осевой гидротурбины место 17 - на торце полого вала гидротурбины снаружи или внутри вала, на торце зубчатого колеса. Для поворотно-лопастной гидротурбины место 17 - на крышке турбины.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
При понижении давления в проточной части гидротурбины, после рабочего колеса до уровня, предшествующего возникновению кавитации в вихревых зонах и связанных с ней повышенных пульсаций давления в потоке и мощности гидротурбины, возникает перепад давления и усилие, достаточное для открытия клапана впуска воздуха. Деформация уплотнительных элементов 8 из эластичного материала позволяет осуществить открытие клапана. При открытии клапана, через входное отверстие 14 крышки 4 клапана воздух поступает во внутреннюю полость Б наружного цилиндра 2 и проходит через внутреннюю полость А внутреннего цилиндра 1.
На внутренних поверхностях внутреннего 1 и наружного 2 цилиндров и на внутренней торцевой поверхности крышки 4 закреплен шумопоглощающий материал 15, который способствует рассеянию звуковых волн и поглощает их, понижая уровень аэродинамического шума.
Внутренняя полость А равномерно и плотно заполнена шумогасительным упругим наполнителем 16, с возможностью свободного прохождения воздуха через внутреннюю полость А, например, свободно свитой металлической нержавеющей проволокой или шариками из полимерного материала. При прохождении воздуха через шумогасительный упругий наполнитель 16, его скорость уменьшается, звуковая энергия поглощается и рассеивается в структуре наполнителя 16. При этом происходит снижение скорости и гашение звуковых волн и снижается уровень аэродинамического шума. Проведенные заявителем экспериментальные исследования показали, что применение заявляемого технического решения обеспечивает снижение уровня аэродинамического шума при прохождении воздуха через клапан впуска и, согласно проведенным измерениям, составляет 82-85 дБ.
Пройдя внутреннюю полость А, далее воздух через сквозные отверстия 6, выполненные в основании 5, выходит в полость вала в сторону рабочего колеса (радиально-осевой гидротурбины) или в полость под крышку турбины (поворотно-лопастной гидротурбины) и попадает в проточную часть гидротурбины. При этом, при прохождении сквозных отверстий 6, скорость воздуха снижается и продолжает снижаться уровень аэродинамического шума. При дальнейшем понижении давления вплоть до давления, близкого к давлению водяного пара, происходит полное открытие клапана до упора. При постоянном давлении во внутренней полости Б, соединенной с атмосферой, и понижении давления в зоне проточной части, происходит полная деформация уплотнительных элементов 8, и они открываются (фиг. 2).
При выходе гидротурбины из зоны нестабильной работы давление за рабочим колесом радиально-осевой гидротурбины или за крышкой турбины поворотно-лопастной гидротурбины повышается, что приводит к уменьшению перепада давления и усилия на уплотнительные элементы 8 до уровня, при котором оно преодолевается силой сжатия. Происходит закрытие клапана и прекращение подачи воздуха в проточную часть гидротурбины. При этом не происходит повторного открытия и закрытия клапана, что обеспечивает повышенную эксплуатационную надежность работы клапана впуска воздуха.