УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ГИДРОТУРБИНЫ
DEVICE FOR IMPROVEMENT OF OPERATING STABILITY OF RADIAL-AXIAL HYDRAULIC TURBINE

Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в отсасывающих трубах радиально-осевых гидротурбин.
Известно устройство для повышения устойчивости работы гидротурбины, содержащее направляющий аппарат, напорный воздушный коллектор и подсоединенные к нему выпускные трубки, сообщенные с проточным трактом, при этом устройство снабжено выполненными в статорных колоннах со стороны направляющего аппарата продольными пазами, а выпускные трубки установлены в пазах с возможностью продольного перемещения и подсоединены к воздушному коллектору при помощи гибких шлангов с дозирующими элементами (SU №1263902, МПК F03B 11/04, 15.10.1986).
Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченную область положительного влияния на демпфирование пульсаций гидродинамического давления в виду неравномерного распределения газовой фазы по площадям диска рабочего колеса турбины, невозможности подать в область рабочего колеса гомогенизированную однородную водовоздушную смесь с пузырями примерно одинакового размера.
Известно устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины, содержащее выполненный по оси втулки рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины канал подачи сжатого воздуха, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины (JP. №63-59026 (В), МПК F03B 11/04, 17.11.1988).
Это известное устройство позволяет улучшить эффективность работы гидротурбины на нерасчетном режиме, в частности, при снижении нагрузки.
Недостатком этого известного устройства является то, что оно не позволяет в должной мере уменьшить формирование вихревого жгута в осевой области за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, что не позволяет устранить в полной мере вибрации из-за пульсации гидродинамического давления жидкости при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины, включающее выполненный вдоль оси рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины перепускной канал, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, при этом рабочее колесо снабжено закрепленным на втулке рабочего колеса и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток рабочего колеса соосно последнему сужающийся в направлении отсасывающей трубы и выполненный осесимметричным обтекатель, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы, перепускной канал выполнен в обтекателе и сообщен с отсасывающей трубой и с каналами, выполненными в радиальном направлении (см. патент US 2182974, кл. F03B 11/04, 12.12.1939).
Данное техническое решение, принятое за прототип, позволяет уменьшить вибрации, вызванные пульсациями гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что оно имеет ограниченную область положительного влияния на демпфирование пульсаций гидродинамического давления в виду того, что подача сжатого воздуха в область за выходной кромкой лопаток рабочего колеса, обеспечивая более равномерное распределение пузырьков сжатого воздуха в потоке жидкости, не позволяет создать гомогенизированную однородную водовоздушную смесь с пузырями примерно одинакового размера во всей области за выходным срезом рабочего колесом, что снижает эффективность данного устройства по демпфированию пульсаций гидродинамического давления.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для формирования гомогенизированной однородной водовоздушной смеси с пузырями примерно одинакового размера в зоне за выходным срезом рабочего колеса с одновременным устранением дефекта массы на режимах частичной нагрузки и, за счет этого, расширение диапазона устойчивой работы гидротурбины.
Технический результат заключается в том, что достигается снижение интенсивности пульсаций давления потока в проточной части радиально-осевой гидротурбины в зоне за выходным срезом рабочего колеса. Устраняется дефект массы за рабочим колесом и, кроме того, осуществляется «акустическая развязка», т.е. исключение распространения возмущений между источником пульсаций (вихревым жгутом) и ротором гидротурбины с рабочим колесом за счет создания рабочего тела в виде водовоздушной смеси с равномерным распределением воздушных пузырей примерно одинакового размера, обладающего минимальной скоростью звука, вследствие чего происходит расширение диапазона устойчивой работы радиально-осевой гидротурбины.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины содержит выполненный вдоль оси рабочего колеса перепускной канал, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса, при этом рабочее колесо снабжено закрепленным на втулке рабочего колеса и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток рабочего колеса соосно последнему сужающийся в направлении отсасывающей трубы и выполненный осесимметричным обтекатель, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы, перепускной канал выполнен в обтекателе и сообщен со стороны входа с отсасывающей трубой, а со стороны выхода перепускной канал сообщен с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины через выполненные в обтекателе в радиальном направлении выпускные каналы.
Выходное сечение каждого выпускного канала может быть расположено в выполненном в обтекателе углублении с образованием над выходным сечением каждого выпускного канала козырька.
В обтекателе могут быть выполнены дополнительные впускные каналы, сообщенные с перепускным каналом, расположенные в зоне входного участка отсасывающей трубы.
В обтекателе со стороны входа в дополнительные впускные каналы могут быть выполнены уступы.
В обтекателе колеса может быть выполнен канал подвода сжатого воздуха, сообщенный со стороны входа через выполненный во втулке рабочего колеса канал с источником сжатого воздуха и со стороны выхода с радиальными каналами подачи сжатого воздуха.
В перепускном канале со стороны входа может быть закреплено лопаточное колесо.
Отсасывающая труба выполнена с соплом или соплами для подвода в нее в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины водовоздушной смеси. Сопло выполнено в стенке отсасывающей трубы за выходным срезом рабочего колеса, со стороны выходного сечения сопло представляет собой кольцевую щель или одно или несколько отверстий в стенке отсасывающей трубы.
Данное сопло или сопла снабжено двумя насадками - водяным и воздушным, - расположенными внутри сопла, причем водяной насадок сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода с ниже расположенным участком отсасывающей трубы по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины, а воздушный насадок сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного трубопровода, сообщенного с воздушной емкостью либо атмосферой.
Насадок для подвода воздуха в отсасывающую трубу располагается, предпочтительно, ниже насадка для подачи воды, что, вследствие всплытия воздушных пузырей с прохождением их через водяную струю, позволяет добиться получения пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения на выходе из сопла водовоздушной смеси более однородного характера.
Выпускные каналы обтекателя и сопло или сопла отсасывающей трубы расположены встречно друг к другу.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что работа гидротурбин Френсиса и обратимых радиально-осевых гидротурбин на режимах частичной нагрузки приводит к отрывным режимам течения рабочей воды в окрестности рабочего колеса. Наиболее сильно указанные явления проявляются при работе гидротурбин на нерасчетных режимах, составляющих 50-70% от номинальной мощности гидротурбины. Следствием работы гидротурбины в сугубо нерасчетном режиме может быть аварийная ситуация, обусловленная задеванием ротора об элементы статора ввиду сильных вибраций ротора из-за пульсаций гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе. Пульсации давления жидкости на выходе из рабочего колеса и в отсасывающей трубе (вплоть до резонансных явлений) обусловливаются в основном наличием вращающегося вихревого жгута. Вращающийся жгут представляет собой двухфазную среду с пульсирующей границей раздела водовоздушной (жгут) и жидкой (рабочая вода) фаз. Появление двухфазного вихревого жгута в составе рабочего тела является первопричиной возникновения существенных вибраций агрегатов и последующего ограничения мощностного диапазона безаварийного использования радиально-осевых турбин. Данный вихревой водовоздушный жгут, как было сказано, является источником вибраций агрегата вследствие пульсаций гидродинамического давления, и скорость распространения возмущений от него (в частности, в сторону рабочего колеса) приблизительно равна скорости звука в жидкости.
При создании между вихревым жгутом и рабочим колесом области, заполненной однородной двухфазной средой с воздушными пузырями примерно одинакового размера, вследствие того, что пульсации гидродинамического давления из отсасывающей трубы передаются лопастям рабочих колес со скоростью распространения малых возмущений, передача упругих колебаний среды к лопастной системе будет существенно ослаблена, практически исключена. Сказанное происходит вследствие того, что скорость распространения малых возмущений в указанной среде минимальна. Кроме того, такая двухфазная среда, будучи рабочим телом, обладает еще и демпфирующими свойствами, это усиливает положительный эффект по локализации упругих возмущений непосредственно в источнике их возникновения.
Для расширения диапазона устойчивой работы гидротурбины путем исключения распространения пульсаций гидродинамического давления в отсасывающей трубе вверх по потоку используется сама водовоздушная структура вихревого жгута для перемешивания с основным потоком воды и дополнительной его турбулизации с целью достижения равномерного распределения водовоздушной среды, что позволяет существенно снизить скорость распространения малых возмущений от жгута вверх по потоку, и таким образом, исключить причину повышенной вибрации ротора и, как следствие, расширить диапазон устойчивой работы гидротурбины.
Сосредоточение водовоздушной фазы непосредственно в жгуте не сопровождается изменением скорости распространения малых возмущений в потоке рабочей жидкости отсасывающей трубы в целом. Таким образом, пульсации гидродинамического давления распространяются вверх по течению потока до рабочего колеса, воспринимающего эти пульсации, со скоростью, приблизительно равной скорости распространения ударных волн в жидкости.
Забор рабочей среды, преимущественно водовоздушной смеси, осуществляется из области вихревого шнура; это достигается тем, что выходы выпускных каналов расположены выше входа в перепускной канал по ходу потока среды. Использование в отсасывающей трубе воды, поступающей по перепускному трубопроводу в отсасывающей трубе снизу вверх, т.е. против хода потока в отсасывающей трубе (из зоны повышенного давления в область пониженного давления) позволяет организовать дополнительную подачу воды в составе водовоздушной смеси в зону вихревого жгута. Кроме того, диаметр обтекателя в области выхода водоводяной смеси из выпускных каналов больше диаметра обтекателя рабочего колеса гидротурбины в области входа в перепускной канал, - что позволяет дополнительно к созданию вакуума на срезе выпускных каналов использовать центробежные силы для обеспечения устойчивой циркуляции газоводяного потока.
При этом водовоздушные струи, истекающие из радиальных каналов обтекателя, и водовоздушные струи, истекающие из сопел, расположенных по периферии отсасывающей трубы и направленных встречно друг к другу, обеспечивают перемешивание и турбулизацию потока, что с учетом действия центробежных сил закрученного в рабочем колесе потока рабочей воды обеспечивает равномерное распределение воздушной фазы двухфазного потока вдоль всей выходной поверхности рабочего колеса.
Учитывая, что движущей силой, формирующей подачу водовоздушной среды из сопел в стенке отсасывающей трубы, является разница давлений по ходу потока среды за выходным срезом рабочего колеса, устройство работает в режиме саморегулирования с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции среды из низлежащей области потока в верхлежащую, при этом происходит частичное преобразование кинетической энергии закрученного потока в потенциальную с одновременным движением среды в область разрыва сплошности потока с формированием зоны смешения, расположенной за выходным сечением выпускных каналов из сопла или сопел в отсасывающей трубе. Смешение сред происходит в общем потоке в непосредственной близости от выходной кромки рабочего колеса в начале отсасывающей трубы.
Причинами узкого диапазона регулирования гидротурбины являются дефект массы за рабочим колесом и отсутствие «акустической развязки» между областями вихревого жгута и диском рабочего колеса. Устранение указанных первопричин (дефекта массы и отсутствия «акустической развязки») осуществляется за счет подачи в область за выходным срезом рабочего колеса двухфазных струй с последующим созданием области гомогенизированной двухфазной среды с равномерным распределением воздушной фазы между выходным срезом рабочего колеса и вихревым жгутом. Производится подача водогазовой смеси, полученной в результате смешения воды, поступающей по перепускному трубопроводу в отсасывающей трубе снизу вверх, т.е. против хода потока в отсасывающей трубе (из зоны повышенного давления в область пониженного давления) с воздухом, подаваемым в район среза воздушного насадка по трубопроводу извне (например, из атмосферы, т.к. в данном месте отсасывающей трубы всегда имеет место вакуум вследствие наличия разрежения). При этом водяная компонента двухфазных струй, как из выходных каналов обтекателя, так и из сопла (сопел) отсасывающей трубы, обеспечивает ликвидацию дефекта массы, а сама двухфазная среда обеспечивает исключение распространения малых возмущении (пульсаций давления) от источника -вихревого жгута - к рабочему колесу, подвергающемуся вибрациям вследствие воздействия на него указанных пульсаций давления.
Исключение негативного влияния пульсаций давления, вызванных вихревым жгутом, улучшение демпфирования пульсаций давления, сокращение объема подаваемого воздуха, исключение распространения упругих колебаний вследствие пульсаций давления вверх по потоку, исключение дефекта массы и, как результат, расширение диапазона устойчивой работы гидротурбины на нерасчетных (частичных) режимах достигается за счет равномерного распределения воздушных пузырей в составе водовоздушной смеси в области за выходом из рабочего колеса, а также за счет генерирования воздушных пузырей в составе этой смеси приблизительно одинакового размера. Подачу воздуха производят в составе водовоздушной смеси, при этом последнюю подают за счет создания эффекта эжекции непосредственно в область выхода потока из рабочего колеса, а исключение дефекта массы осуществляется за счет подачи водяной компоненты в составе этой водовоздушной смеси.
Однородная двухфазная смесь пузырьковой структуры имеет скорость звука, существенно меньшую, чем в легкой фазе, а следовательно, исключает распространение упругих колебаний, генерируемых вихревым жгутом, вверх по потоку - к рабочему колесу, что исключает первопричину возникновения вибраций ротора турбины. Водяная компонента заданной смеси, подаваемая в область за срезом рабочего колеса, кроме того, устраняет дефект массы на нерасчетных режимах работы радиально-осевой гидротурбины.
Расположение воздушного насадка ниже водяного насадка позволяет добиться получения воздушных пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения водовоздушной смеси более однородного характера.
Расположение воздушного насадка внутри водяного сопла, а также расположение водяного насадка внутри воздушного сопла позволяет впоследствии добиться получения гомогенизированной однородной водовоздушной смеси с пузырями примерно одинокого размера во всей области за выходным срезом рабочего колеса.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
На фиг.1 показан продольный разрез устройства для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины с обтекателем.
На фиг.2 показан вид А на фиг.1.
На фиг.3 показан выходной участок одного из выпускных каналов с козырьком.
На фиг.4 показано выполнение обтекателя с дополнительными впускными каналами.
На фиг.5 показан разрез А-А на фиг.3.
На фиг.6 схематически показан вариант выполнения обтекателя е каналом подвода сжатого воздуха.
На фиг.7 схематически показан продольный разрез участка обтекателя со стороны входного участка перепускного канала с закрепленным в нем лопаточным колесом.
На фиг.8 показано расположение воздушного насадка ниже водяного насадка.
На фиг.9 показано расположение воздушного насадка внутри водяного сопла.
На фиг.10 показано расположение водяного насадка внутри воздушного сопла.
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины содержит выполненный вдоль оси рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 перепускной канал 3, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток 4 рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2. Рабочее колесо 1 снабжено закрепленным на втулке 5 рабочего колеса 1 и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток 4 рабочего колеса 1 соосно последнему сужающимся в направлении отсасывающей трубы 6 и выполненным осесимметричным обтекателем 7, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы 6. Перепускной канал 3 выполнен в обтекателе 7 и сообщен со стороны входа с отсасывающей трубой 6, а со стороны выхода перепускной канал 3 сообщен с пространством за выходным срезом лопаток 4 рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 через выполненные в обтекателе 7 в радиальном направлении выпускные каналы 8. Выходное сечение каждого выпускного канала 8 расположено в выполненном в обтекателе 7 углублении 9 с образованием над выходным сечением каждого выпускного канала 8 козырька 10. В обтекателе 7 выполнены дополнительные впускные каналы 11, сообщенные с перепускным каналом 3, расположенные в зоне входного участка отсасывающей трубы 6. В обтекателе 7 со стороны входа в дополнительные впускные каналы 11 выполнены уступы 12. В перепускном канале 3 со стороны входа, предпочтительно, закреплено лопаточное колесо 19. Отсасывающая труба 6 выполнена с соплом или соплами 13 для подвода в нее в область за выходным срезом рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 водовоздушной смеси, причем водовоздушная струя, истекающая из сопла 13, подается в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины 2. Сопло 13 выполнено в стенке отсасывающей трубы 6 за выходным срезом рабочего колеса 1, со стороны выходного сечения сопло 13 представляет собой кольцевую щель или одно или несколько отверстий в стенке отсасывающей трубы 6. Данное сопло или сопла 13 снабжено двумя насадками - водяным насадком 15 и воздушным насадком 14, - расположенными внутри сопла 13, причем водяной насадок 15 сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода 21 с ниже расположенным участком отсасывающей трубы 6 по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины 2, а воздушный насадок 14 сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного трубопровода 20, сообщенного с воздушной емкостью (на рисунке не показана) либо атмосферой. Воздушный насадок 14, предпочтительно, расположен не выше водяного насадка 15.
Кроме того, возможны варианты конструктивного расположения воздушного насадка 14 относительно водяного насадка 15. Воздушный насадок 14 может быть выполнен, например, внутри перепускного трубопровода 21 с водяным насадком 15, соосно с ним. А также выпускные каналы обтекателя 8 и сопло или сопла 13 отсасывающей трубы 6 расположены встречно друг к другу.
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины работает следующим образом.
Рабочая среда, покидающая рабочее колесо 1 гидротурбины, попадает в отсасывающую трубу 6 и обтекает обтекатель 7 и сопло 13, создавая в зоне выходного сечения выпускных каналов 8 и сопла 13 разрежение, что вызывает забор водовоздушной смеси из области вихревого шнура в перепускной канал 3 с формированием на выходе из выпускных каналов потока газоводяной смеси, отбор части рабочей среды из низлежащей по потоку области отсасывающей трубы 6 в сопло 13 по перепускному трубопроводу 21 и забор воздушной среды, подаваемой каким-либо способом из атмосферы, из воздушного насадка 14. Поступившая в отсасывающую трубу 6 из выпускных каналов 8 и сопла 13 среда смешивается с рабочей средой из рабочего колеса 1, что позволяет, как указано выше, компенсировать дефект массы на нерасчетном режиме работы гидротурбины 2, а также увеличить демпфирующую способность самой смеси и исключить распространение пульсаций давления, вызывающих вибрации, от вихревого жгута к рабочему колесу, что, в свою очередь, позволяет расширить зону регулирования режима работы гидротурбины.
Создание водовоздушной среды на выходе из сопла 13 происходит за счет смешения рабочей и воздушной сред, поступающих на вход сопла 13 соответственно по трубопроводам 21 и 20 через насадки 14 и 15, расположенные внутри сопла 13. При этом рабочая среда (в основном водяная компонента создаваемой двухфазной смеси) подается из низлежащей области отсасывающей трубы 6 в вышележащую по трубопроводу 21 (из области повышенного давления в область пониженного давления), а воздух, подаваемый по трубопроводу 20, поступает (забирается) извне: из атмосферы - при наличии достаточного вакуума на срезе сопла 13 либо принудительно от компрессора (на рисунке не показан).
Устройство саморегулируемо с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции рабочей среды из низлежащей области потока в верхлежашую, поскольку количество среды, поданной из выпускных каналов 8 и сопла 13, полностью зависит от режима течения рабочей среды за рабочим колесом 1. Если образуются большие разрывы сплошности, то давление в этих областях уменьшается, что приводит к увеличению подачи среды из выпускных каналов 8 и сопла 13, за счет более высокого разрежения, созданного за выходным сечением сопла 13 более скоростным потоком рабочей среды в отсасывающей трубе 6 и наоборот. Расположение воздушного насадка 14 ниже водяного насадка 15 позволяет добиться получения воздушных пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения водовоздушной смеси более однородного характера, что, в конечном счете, приводит к уменьшению вибраций гидроагрегата, вследствие увеличения демпфирующей способности самой водовоздушной смеси и уменьшения скорости распространения в направлении рабочего колеса гидротурбины упругих колебаний, генерируемых вихревым жгутом.
Настоящее изобретение может быть использовано на гидроэлектростанциях для повышения устойчивости работы радиально-осевых гидротурбин.