РАДИАЛЬНО-ОСЕВАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА
RADIAL-AXIAL HYDRAULIC MACHINE

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции радиально-осевых гидравлических машин, предназначенных преимущественно для работы на больших перепадах давления, т.е. на высоких напорах.
При работе радиально-осевых гидравлических машин имеют место существенные потери энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса о воду, что в значительной мере снижает КПД гидравлической машины. Наружные поверхности рабочего колеса - это поверхности дисков рабочего колеса, обращенные к статорным деталям гидравлической машины. Дисками принято называть верхний обод и нижний обод рабочего колеса.
О величинах потерь на дисковое трение можно судить из следующего.
Согласно известным из теории гидравлических машин зависимостям для определения значения внутреннего механического КПД гидравлической машины, например, для машин низкой быстроходности, применяемых для напоров около 500 метров, величина механического КПД в насосном режиме составляет 93%. Это означает, что в данном случае величина потерь на дисковое трение составляет приблизительно 7% от полезной гидравлической энергии.
В целом же расчетные данные и результаты испытаний показывают, что наибольшие потери на дисковое трение имеют место при работе высоконапорной гидравлической машины в насосном режиме - приблизительно 7%. При работе в турбинном режиме величина потерь на дисковое трение меньше и составляет приблизительно 5%.
3
5
Из теории расчета гидравлических машин известно, что величина потерь мощности на дисковое трение определяется формулой ΔP=k·ρ·ω·D, где k - постоянный коэффициент, ρ - плотность среды, ω - частота вращения ротора гидравлической машины, D - диаметр несущего или покрывающего диска рабочего колеса.
Приведенная выше зависимость показывает, что величина потерь мощности на дисковое трение ΔP прямо пропорциональна плотности среды ρ, из чего следует, что возможно добиться существенного снижения потерь на дисковое трение в случае исключения водной среды из пространства вокруг наружных поверхностей рабочего колеса и заполнения этого пространства сжатым воздухом (газом), так как плотность воздуха (газа) в сотни раз меньше плотности воды.
Проблема снижения потерь на дисковое трение особенно актуальна для высоконапорных реверсивных насос-турбин. К сожалению, в настоящее время пока не известно о применении эффективных решений, позволяющих существенным образом уменьшить потери на дисковое трение при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режимах. Решение данной задачи позволило бы в целом существенно повысить КПД радиально-осевых гидравлических машин.
Известно трубчато-лопастное рабочее колесо [Патент RU 2345243 С1, F03B 3/12, дата публикации - 27.01.2009 г.], решающее задачу увеличения КПД путем уменьшения потерь на трение за счет устранения контакта внешних поверхностей колеса с водой.
Известное трубчато-лопастное рабочее колесо содержит лопасти и вал, на который посажены верхний и нижний несущие диски. Между дисками установлены трубчатые лопасти, изогнутые в виде колен. Выходы трубчатых лопастей ориентированы горизонтально по касательным к окружности нижнего диска. Лопасти выполнены в виде отрезков труб, входные верхние участки которых расположены вертикально.
В результате того что весь напорный поток проходит только внутри трубчатых лопастей, оставляя наружные поверхности лопастей и остальные поверхности деталей рабочего колеса сухими, исключается контакт внешних поверхностей колеса с водой, что согласно выводам автора снижает потери на трение.
Однако при исключении трения потока о внешние поверхности рабочего колеса в данном техническом решении имеют место потери на трение в каналах трубчатых лопастей, и, кроме того, известная конструкция рабочего колеса не может быть применена в мощных высоконапорных гидравлических машинах вследствие недостаточной пропускной способности и эффективности.
В качестве прототипа заявляемого технического решения предлагается выбрать радиально-осевую гидравлическую машину [«Гидравлические турбины», Отраслевой каталог НИИЭ Информэнергомаш, М., 1985 г., с.141, рис.54], которая содержит рабочее колесо с дисками, установленное на валу гидротурбины, направляющий аппарат, всасывающую трубу, а также статорные узлы гидромашины - крышку и фундаментное кольцо. В зоне вокруг рабочего колеса образованы две полости: одна - между рабочим колесом и крышкой гидравлической машины, другая - между рабочим колесом и фундаментным кольцом. В указанных полостях размещены уплотнения, которые при работе гидроагрегата ограничивают протечки воды во всасывающую трубу из пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом. В известной конструкции предусмотрена возможность подачи сжатого воздуха в проточную часть гидравлической машины, а именно в полость между рабочим колесом и крышкой, осуществляемой при работе гидромашины в режиме синхронного компенсатора (на рис.54 обозначено: «подача воздуха при работе в режиме СК»).
Применение данного технического решения обеспечивает полное отжатие воды из области внутри и вокруг рабочего колеса при работе гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора (СК) и позволяет резко снизить гидравлические, в том числе дисковые, потери при вращении рабочего колеса в режиме СК, так как плотность воздуха в сотни раз меньше плотности воды, а согласно известной зависимости величина потерь мощности на дисковое трение прямо пропорциональна плотности среды, в которой вращается диск.
Однако при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режиме, когда рабочее колесо заполнено водой, известное техническое решение не позволяет при подаче сжатого воздуха в полость между рабочим колесом и крышкой гидромашины существенным образом уменьшить потери энергии на дисковое трение, так как доля снижения дисковых потерь от их исходной величины, когда гидроагрегат работает без подачи сжатого воздуха, примерно равна доле объема воздуха в общем объеме воздушно-водяной среды в пространстве между вращающимся рабочим колесом и обращенными к нему поверхностями статорных деталей гидромашины. При малых величинах расхода сжатого воздуха (до 0,1% в сжатом состоянии или до 1% в приведении к атмосферному давлению от величины расхода воды) воздух быстро проходит во всасывающую трубу, и доля газовой фазы при этом будет незначительной. Большой расход сжатого воздуха, который мог бы обеспечить существенную составляющую газовой фазы и тем самым в заметной мере снизить потери на дисковое трение, приводит к снижению гидравлического КПД и к большим затратам энергии на получение необходимых объемов сжатого воздуха, что делает применение известного решения для турбинного или насосного режима технически и экономически нецелесообразным.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении потерь энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса при работе радиально-осевой гидравлической машины в турбинном или насосном режимах, что обеспечивает повышение КПД гидромашины.
Для достижения указанного технического результата предлагается радиально-осевая гидравлическая машина, которая содержит вал гидротурбины с установленным на нем рабочим колесом с дисками, направляющий аппарат, всасывающую трубу, крышку гидромашины, фундаментное кольцо. Крышка и фундаментное кольцо являются статорными деталями гидравлической машины. В зоне вокруг рабочего колеса имеются полости, одна из которых образована между рабочим колесом и крышкой гидромашины, другая - между рабочим колесом и фундаментным кольцом. В указанных полостях размещены уплотнения, ограничивающие протечки во всасывающую трубу из пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Обычно в целях уменьшения величины протечек эти уплотнения располагаются по возможности ближе к оси вращения рабочего колеса. Могут быть применены разные конструкции уплотнений, например уплотнения могут быть выполнены в виде пары колец, создающих узкую щель. Из технологических соображений зазор между кольцами выбирают минимально возможным.
При этом согласно изобретению в каждой из указанных полостей, либо только в одной из них соосно рабочему колесу размещены бесконтактные разделительные кольцевые гидродинамические уплотнения - наружное и внутреннее.
Наружное разделительное уплотнение расположено в области периферийной зоны рабочего колеса и отделяет полость, в которой оно размещено, от пространства между рабочим колесом и направляющим аппаратом.
Внутреннее разделительное уплотнение расположено между наружным разделительным уплотнением и уплотнением, ограничивающим протечки во всасывающую трубу. Внутреннее разделительное уплотнение содержит два кольца: одно - установленное на поверхности диска рабочего колеса, и другое - установленное на поверхности статорной детали (крышки гидромашины или фундаментного кольца), обращенной к рабочему колесу и ограничивающей данную полость с противоположной от рабочего колеса стороны. Каждое из колец внутреннего разделительного уплотнения в поперечном сечении имеет Z-образный или уголковый профиль. Сами кольца установлены таким образом, что свободные полки их поперечных сечений обращены навстречу друг другу и перекрывают друг друга. При этом свободная полка поперечного сечения кольца, установленного на поверхности диска рабочего колеса, расположена дальше от поверхности диска рабочего колеса, чем свободная полка поперечного сечения другого кольца. Полки расположены таким образом, что между ними имеется щелевой зазор.
Каждая полость, в которой установлены внутреннее и наружное разделительные уплотнения, разделена указанными уплотнениями на две камеры - внутреннюю, заключенную между внутренним разделительным уплотнением и уплотнением, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, и наружную, заключенную между наружным и внутренним разделительными уплотнениями. При этом и внутренняя и наружная камера соединены с пространством между рабочим колесом и направляющим аппаратом, а наружная камера снабжена подводом для подачи сжатого газа.
Выполнение и размещение разделительных уплотнений в каждой или в одной из двух полостей, образованных между рабочим колесом и крышкой и между рабочим колесом и фундаментным кольцом, согласно тому, как описано выше, обеспечивающее разделение полости, в которой установлены указанные уплотнения, на две камеры - наружную и внутреннюю, соединение каждой камеры с пространством между рабочим колесом и направляющим аппаратом, а также выполнение наружной камеры с возможностью подвода сжатого газа (воздуха) от внешнего источника позволяют при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режиме после подачи сжатого газа (воздуха) в наружную камеру обеспечить разделение водной и воздушной среды таким образом, что происходит отжатие воды с периферийной зоны рабочего колеса, и при этом наружная камера заполняется сжатым воздухом, а внутренняя камера заполняется водой.
В предлагаемом техническом решении поддержание наружной камеры, заполненной сжатым газом (воздухом) при работе гидравлической машины, обеспечивается благодаря нарастанию давления от внутренней (обращенной к оси вращения) к периферийной (наружной) стороне щели наружного и внутреннего разделительных уплотнений, возникающему вследствие действия центробежных сил во вращающейся жидкости.
В результате обеспечивается отжатие воды от наружных поверхностей рабочего колеса при работе гидравлической машины в турбинном или насосном режимах, что позволяет минимизировать потери на дисковое трение и тем самым повысить КПД гидравлической машины при работе в указанных режимах.
Установка разделительных уплотнений в обеих полостях обеспечивает максимальное снижение потерь на дисковое трение при работе гидравлической машины. Установка разделительных уплотнений в силу особых требований заказчика может быть выполнена только в одной из полостей (либо только в полости между рабочим колесом и крышкой гидромашины, либо только в полости между рабочим колесом и фундаментным кольцом), что также обеспечит снижение потерь на дисковое трение, однако, в меньшей степени.
На фигуре представлен пример выполнения радиально-осевой гидравлической машины, которая содержит вал 1 гидротурбины, установленное на валу рабочее колесо 2 с верхним ободом и нижним ободом (дисками), направляющий аппарат 3, всасывающую трубу 4, крышку 5 гидравлической машины, фундаментное кольцо 6.
Вокруг рабочего колеса имеются две полости: полость I - между рабочим колесом 2 и крышкой 5, полость II - между рабочим колесом 2 и фундаментным кольцом 6.
В полостях I и II расположены уплотнения 7, предназначенные для ограничения протечек во всасывающую трубу 4 из пространства III между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 при работе гидравлической машины. Величину зазора (щели) в уплотнении выбирают минимально возможной, при этом учитывают технологические факторы. Могут быть применены уплотнения разных типов, например щелевые, лабиринтные, елочные, гребенчатые. С целью обеспечения наибольшей эффективности уплотнения 7 устанавливают на минимально возможном удалении от оси вращения рабочего колеса.
В полостях I и II соосно рабочему колесу 2 установлены бесконтактные разделительные кольцевые гидродинамические уплотнения - наружное 8 и внутреннее 9, предназначенные для разделения водной и воздушной среды при работе гидромашины.
Разделительные уплотнения 8, 9 могут быть установлены только в какой-либо одной из указанных полостей I, II. Однако в этом случае снижение потерь на дисковое трение будет достигнуто в меньшей степени, чем в случае установки указанных уплотнений одновременно в обеих полостях.
Наружное разделительное уплотнение 8 установлено в области периферийной (т.е. максимально удаленной от оси вращения колеса) зоны рабочего колеса 2 и отделяет полость, в которой размещены разделительные уплотнения, от пространства III между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3. В представленной на фигуре радиально-осевой гидравлической машине наружное разделительное уплотнение 8 имеет конструктивное исполнение, традиционное для подобного типа уплотнений: содержит два кольца, одно из которых установлено в периферийной зоне поверхности диска рабочего колеса, а другое - на поверхности статорной детали гидромашины (крышки 5 или фундаментного кольца 6). При этом между кольцами в осевом направлении имеется щелевой зазор, величина которого должна быть по возможности минимальной.
Между наружным разделительным уплотнением 8 и уплотнением 7, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, установлено внутреннее разделительное уплотнение 9, которое содержит кольцо 10, установленное на поверхности диска рабочего колеса 2, и кольцо 11, установленное на поверхности статорной детали (крышки 5 или фундаментного кольца 6), обращенной к рабочему колесу и ограничивающей данную полость с противоположной от рабочего колеса стороны. Поперечное сечение каждого кольца 10 или 11 внутреннего разделительного уплотнения 9 имеет Z-образный профиль.
Кольца 10, 11 также могут быть выполнены с поперечным сечением уголкового профиля, при этом каждое кольцо будет закрепляться на поверхности диска или статорной детали непосредственно своей вертикальной цилиндрической стенкой.
Кольца 10 и 11 внутреннего разделительного уплотнения установлены в полости таким образом, что свободные полки их поперечных сечений обращены навстречу друг другу и перекрывают друг друга, при этом свободная полка поперечного сечения кольца 10, установленного на поверхности диска рабочего колеса, расположена дальше от поверхности диска рабочего колеса, чем свободная полка поперечного сечения ответного ему кольца 11. Между свободными полками в осевом направлении имеется щелевой зазор, величину которого целесообразно выбирать по возможности минимальной.
Согласно результатам расчетного анализа более эффективное отжатие воды с периферийной зоны рабочего колеса обеспечивается при условии, когда радиальная протяженность щелевого зазора внутреннего разделительного уплотнения больше радиальной протяженности щелевого зазора наружного разделительного уплотнения. Также с целью повышения эффективности целесообразно обеспечить размещение внутренних разделительных уплотнений по возможности максимально близко к оси вращения рабочего колеса.
Внутреннее разделительное уплотнение 9 делит полость, в которой оно установлено, на две камеры - внутреннюю 12 и наружную 14. Внутренняя камера 12 заключена между внутренним разделительным уплотнением 9 и уплотнением 7, ограничивающим протечки во всасывающую трубу, а наружная камера 14 заключена между наружным 8 и внутренним 9 разделительными уплотнениями. При этом каждая из камер (внутренняя 12 и наружная 14) соединена с пространством III между рабочим колесом и направляющим аппаратом соответственно с помощью каналов 15 и 16.
Каждая наружная камера 14 снабжена подводом 17 для подачи сжатого газа (воздуха), например, через воздушный трубопровод, соединенный с внешним устройством подачи сжатого газа (воздуха), которое после запуска гидравлической машины и выхода ее на установившийся режим работы (турбинный или насосный) обеспечивает возможность подачи сжатого газа (воздуха) для быстрого отжатия воды из камер 14 и последующего поддержания их заполненными сжатым газом (воздухом).
Радиально-осевая гидравлическая машина работает следующим образом.
После запуска гидромашины и выхода ее на установившийся режим работы (турбинный или насосный) через подводы 17 осуществляется впуск сжатого газа (воздуха) в наружные камеры 14. Давление и расход сжатого воздуха, подаваемого в камеры 14 через подводы 17 и подключенные к ним трубопроводы, устанавливаются в соответствии с применяемыми методиками такими, чтобы обеспечить быстрое отжатие воды из наружных камер, для чего давление подаваемого воздуха должно быть больше максимального давления воды в пространстве между рабочим колесом и направляющим аппаратом.
Для фиксирования завершения процесса быстрого отжатия воды из наружных камер 14 могут быть использованы устройства автоматического контроля, либо предварительно может быть вычислен интервал времени, необходимый для этого процесса (в этом случае по истечении рассчитанного промежутка времени можно считать быстрое отжатие воды завершенным).
После завершения быстрого отжатия воды в камеры 14 дополнительно подается сжатый воздух с малым расходом. Уменьшение расхода воздуха, поступающего в каждую из наружных камер 14, и связанное с этим уменьшение давления в них приводит к тому, что вода, поступающая под давлением из пространства между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 через каналы 16 к периферийной стороне наружного разделительного уплотнения 8 и через каналы 15 к периферийной стороне внутреннего разделительного уплотнения 9, начинает проникать в щелевые зазоры (щели) между кольцами разделительных уплотнений, двигаясь от периферии в сторону оси вращения гидротурбины. При этом вода в щелях разделительных уплотнений 8 и 9 приводится во вращение благодаря силам вязкого трения, возникающим на поверхностях дисков вращающихся колец, что, в свою очередь, вследствие центробежных сил создает перепад давления, противодействующий движению воды в сторону оси вращения.
Для создания устойчивого уплотнительного эффекта щелевые зазоры разделительных уплотнений 8 и 9 должны быть по возможности узкими, и величина просвета между вращающимися и неподвижными дисками колец 10 и 11 должна ограничиваться величиной относительных перемещений этих дисков при всех возможных режимах работы гидравлической машины.
Поскольку давление в потоке воды между рабочим колесом 2 и направляющим аппаратом 3 пульсирует при работе гидравлической машины, граница раздела между водой и воздухом в щели разделительного уплотнения перемещается в радиальном направлении с течением времени. По этой причине радиальная протяженность щели в разделительных уплотнениях должна быть такой, чтобы при минимальном расходе сжатого воздуха поверхность раздела вода-воздух находилась в пределах щели при встречающихся на работающей гидравлической машине пульсациях давления в потоке.
При известном из опыта лабораторных исследований и натурных испытаний уровне пульсаций давления в реверсивных насос-турбинах радиальная протяженность щели внутреннего разделительного уплотнения 9, характеризуемая разницей между наружным и внутренним радиусом щели, должна больше радиальной протяженности щели наружного разделительного уплотнения 8.
Расход сжатого воздуха, подаваемого в наружные камеры 14 после завершения быстрого отжатия воды, должен быть по возможности малым, чтобы избежать отрицательного влияния вытекающего в проточную часть воздуха на мощность, КПД и кавитационные характеристики гидравлической машины, и в то же время достаточным для поддержания наружных камер 14 свободными от воды.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает снижение потерь энергии на дисковое трение наружных поверхностей рабочего колеса при работе гидромашины в турбинном или насосном режимах, а следовательно, и соответствующее повышение КПД.
Из опыта работы гидротурбин и насос-турбин известно, что подача воздуха в проточную часть с приведенным к атмосферному давлению расходом до 0,5% от максимального рабочего расхода воды не оказывает отрицательного влияния на энергетические и кавитационные характеристики гидравлической машины. Более того, подача воздуха с указанным расходом оказывает положительное влияние на работу гидравлической машины, снижая пульсации давления в потоке и интенсивность кавитационной эрозии на лопастях рабочего колеса.