Радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины

Предлагаемое техническое решение относится к области гидротурбостроения, в частности, к устройству радиально-осевого рабочего колеса и может быть использовано как при разработке новых, так и при модернизации действующих радиально-осевых гидротурбин.
Известно, что в условиях малых запасов по кавитации рабочие колеса гидротурбин работают с высокой интенсивностью кавитационной эрозии, что приводит к кавитационному износу выходной кромки рабочего колеса, быстрому разрушению рабочего колеса, облицовки конуса отсасывающей трубы и др. В качестве одного из путей решения указанной технической проблемы в гидротурбостроении применяют устройства, содержащие установленные в проточной части гидротурбины трубопроводы, обеспечивающие подвод воздуха на тыльную сторону лопастей рабочего колеса («Впуск воздуха как средство уменьшения кавитационной эрозии», «Энергомашиностроение», 1973 г., №7). Другим путем решения данной технической проблемы является увеличение количества лопастей рабочего колеса. Используются также наплавки кавитационно-стойкими электродами для защиты от кавитации лопастей рабочих колес. (Справочник по гидротурбинам, под редакцией Ковалева Н.Н., Л.; Машиностроение, Ленинградское Отделение, 1984 г.).
Вследствие возникновения кавитационной эрозии на тыльной стороне лопасти перед выходной кромкой лопасти появляются кавитационные повреждения, что, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям потока и снижению КПД гидротурбины в целом. Приходится часто восстанавливать тыльную сторону лопасти в районе выходной кромки, что также приводит к снижению срока службы рабочего колеса и его ремонтопригодности.
Известно радиально-осевое рабочее колесо (Барлит В.В. «Гидравлические турбины», Киев, издательское объединение «Вища школа», 1977 г., с. 197-198, рис. 95 в, рис. 97). Радиально-осевое рабочее колесо содержит нижний обод, верхний обод и соединенные с ними лопасти. Каждая лопасть имеет тыльную и рабочую стороны, входную и выходную кромки плавно изогнутого профиля от верхнего обода к нижнему ободу. Торец выходной кромки выполнен в виде линейчатой поверхности, а боковые срезы выходной кромки от линии границы галтельного перехода от торца к нижнему ободу до линии границы галтельного перехода от торца к верхнему ободу представляют собой острые грани.
Недостатком известного решения является то, что при движении потока на тыльной стороне лопасти происходит кавитационная эрозия вблизи выходной кромки. Эрозия является причиной образования на тыльной стороне лопасти рабочего колеса кавитационных повреждений и кавитационного износа. Это явление подтверждается результатами обследования рабочих колес после определенного времени эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины, направленное на снижение резонансного шума, вызванного вихрями Кармана, кавитационных повреждений, кавитационного износа выходной кромки лопасти (патент CN204041329; МПК F03B 3/12; дата публикации 24.12.2014). Согласно полезной модели, радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины содержит верхний и нижний ободы, соединенные с ними лопасти, каждая из которых имеет тыльную и рабочую стороны, входную и выходную кромки. Тыльная сторона лопасти в зоне выходной кромки скруглена радиусом R таким образом, что толщина выходной кромки утоняется до минимальной толщины В1. При этом минимальная толщина выходной кромки лопасти В1 ≤ 3 мм, толщина тыльной стороны лопасти в 5 раз больше номинального диаметра рабочего колеса, величина скругления R в два раза больше толщины В выходной кромки лопасти.
Недостатком данного решения является наличие кавитационного износа выходной кромки лопасти от кавитационных повреждений. Восстановление формы выходной кромки в этой зоне на гидроэлектростанции (ГЭС) технологически сложно выполнить с точным сохранением исходной геометрии.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, заключается в снижении кавитационного износа выходной кромки лопасти рабочего колеса. Исключаются кавитационные повреждения на тыльной стороне лопасти рабочего колеса вблизи выходной кромки за счет разработки конструкции рабочего колеса, формирующей такое течение в рабочем колесе на основных режимах работы, при котором происходит понижение давления по лопасти вплоть до выходной кромки. Выходная кромка имеет более простую форму по сравнению с прототипом, что позволяет, в случае необходимости, полностью восстановить ее геометрию силами персонала ГЭС, не применяя высокоточного оборудования завода-изготовителя, а, следовательно, повышается ремонтопригодность рабочего колеса и увеличивается срок службы рабочих колес.
Указанный технический результат достигается тем, что радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины содержит верхний и нижний ободы, соединенные с ними лопасти, каждая из которых имеет тыльную и рабочую стороны, входную и выходную кромки.
При этом, согласно заявляемой полезной модели, на выходной кромке выполнена фаска под углом 25°±5° к тыльной стороне из срединной линии торцевой поверхности выходной кромки. При этом фаска расположена на расстояниях (0,1-0,2)L от верхнего и нижнего ободов, где L - длина выходной кромки лопасти.
Выполнение фаски под углом 25°±5° к тыльной стороне из срединной линии торцевой поверхности выходной кромки изменяет угол схода потока жидкости на выходе с лопасти рабочего колеса, что приводит к перераспределению давления на тыльной стороне в районе выходной кромки и позволяет сместить зону пониженного давления (возможную зону кавитации) ближе к самой выходной кромке лопасти. Это приводит к захлопыванию кавитационной каверны уже за лопастью и исключает кавитационные повреждения на тыльной стороне лопасти. Отсутствие кавитационных повреждений на лопасти рабочего колеса позволяет решить техническую проблему снижения кавитационного износа и увеличивает ремонтопригодность и срок службы рабочих колес гидротурбины.
Расположение фаски на расстояниях (0,1-0,2)L от верхнего и нижнего ободов, где L - длина выходной кромки лопасти, позволяет получить улучшенное распределение давления на тыльной стороне лопасти вблизи выходной кромки на большем количестве режимов работы гидротурбины, что также приводит к снижению кавитационного износа.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами.
1
3
На фиг. 1 представлена меридианная проекция лопасти рабочего колеса; на фиг. 2 представлен вид А на выходную кромку лопасти рабочего колеса; на фиг. 3 - разрез Б-Б в районе выходной кромки лопасти; на фиг. 4 представлены изолинии распределения давления на тыльной стороне поверхности лопасти без фаски на выходной кромке рабочего колеса №1 (а) и на тыльной стороне поверхности лопасти с фаской на выходной кромке рабочего колеса №2 (б); на фиг. 5 представлен график зависимости КПД (%) гидротурбины от приведенного расхода Q'(м/с).
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения радиально-осевого рабочего колеса гидротурбины. Радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины содержит верхний обод 1, нижний обод 2, соединенную с ними лопасть 3. Количество лопастей в рабочем колесе выбирается в зависимости от быстроходности гидротурбины. Каждая лопасть 3 имеет тыльную сторону 4 и рабочую сторону 5, входную кромку 6 и выходную кромку 7. На выходной кромке 7, имеющей длину L, выполнена фаска 8 под углом α=25°±5° к тыльной стороне 4 из срединной линии 9 торцевой поверхности выходной кромки 7. Срединная линия 9 образована пересечением срединной поверхности 10 лопасти 3 с торцевой поверхностью выходной кромки 7. Фаска 8 расположена на расстояниях l=(0,1-0,2)L от верхнего обода 1 и нижнего обода 2.
Заявителем были построены математические модели лопастей рабочих колес: колесо №1 - без фаски на выходной кромке 7 лопасти 3 и колесо №2 - с фаской 8 на выходной кромке 7 лопасти 3 с тыльной стороны 4 в системе геометрического моделирования ASTRAL. Используя эти математические модели были проведены расчеты трехмерного течения жидкости в системе CADRUN.
В результате расчетов получены распределения давления на тыльной стороне 4 поверхности лопасти 3, представленные на фиг. 4 и прогнозные значения КПД (фиг. 5).
На фиг. 4 представлены изолинии постоянного давления, показывающие распределение давления на тыльной стороне 4 поверхности лопасти 3 без фаски на выходной кромке 7 рабочего колеса №1 (а) и на тыльной стороне 4 поверхности лопасти 3 с фаской 8 на выходной кромке 7 рабочего колеса №2 (б). На тыльной стороне 4 поверхности лопасти 3 без фаски есть зона пониженного давления в районе выходной кромки 7, причем давление за этой зоной у самой кромки 7 выше. Таким образом, захлопывание кавитационной каверны происходит на поверхности лопасти 3, что приводит к кавитационным повреждениям на лопасти 3. На тыльной стороне 4 лопасти 3 с фаской 8 зона пониженного давления по размерам во-первых, меньше, а во-вторых, расположена почти у самой выходной кромки 7 и нет зоны повышения давления между кромкой 7 и зоной пониженного давления. Тем самым, захлопывание каверны происходит уже за поверхностью лопасти 3, что не приводит к ее повреждению.
1
1
3
На фиг. 5 представлен график зависимости КПД (%) гидротурбины от приведенного расхода Q'(м/c). Кривая F - для рабочего колеса №1 гидротурбины с лопастью 3 без фаски, кривая G - для рабочего колеса №2 гидротурбины с выполненной фаской 8 на лопасти 3 согласно заявляемому техническому решению. Сравнение КПД от приведенного расхода Q' двух рабочих колес №1 и №2 показывает, что заявляемое решение с предложенным формообразованием выходной кромки 7 лопасти 3 рабочего колеса обеспечивает увеличение КПД гидротурбины на величину (0,1±0,15)%.
Радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины работает следующим образом.
Поток воды поступает на лопасти 3 рабочего колеса, где происходит его формирование под воздействием вращающихся лопастей 3 рабочего колеса, которые выполнены с фаской 8 с тыльной стороны 4 поверхности лопасти 3. При натекании потока воды на фаску 8 изменяется угол схода потока на выходе с лопасти 3 рабочего колеса, что приводит к изменению скорости течения воды и перераспределению давления на тыльной стороне 4 в районе выходной кромки 7. Таким образом, зона пониженного давления (возможная зона кавитации) смещается ближе к выходной кромке 7 лопасти 3, и захлопывание кавитационной каверны происходит уже за лопастью 3, что исключает кавитационные повреждения на тыльной стороне 4 лопасти 3.