УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ЖИДКОСТИ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ (ДВА ВАРИАНТА)

Полезная модель относится к устройствам для измерения расходов воды в гидравлических установках с гидротурбинами, насос-турбинами или насосами, в состав которых входят спиральные камеры.
Известно применение ультразвуковых расходомеров на низконапорных гидроэлектростанциях, не имеющих подводящих водоводов. При реализации этого способа измерения расхода, ультразвуковой расходомер устанавливается на раме, размещаемой в пазах сороудерживающих решеток или в пазах аварийно-ремонтных затворов.
Такой способ измерений пригоден только для проведения испытаний гидротурбинного оборудования и не является эксплуатационным, когда требуется выполнять непрерывный контроль за величинами расходов воды в течение длительного времени, так как пазы сороудерживающих решеток или аварийно-ремонтных затворов не могут быть длительно заняты посторонним оборудованием.
Ближайшим аналогом (прототипом) настоящей полезной модели является устройство для измерения расходов воды в гидравлических установках (патент РФ RU 2201579 С1, 2003 г.).
В известном устройстве для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающем акустические преобразователи, расход воды измеряется с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями, один из которых установлен на стенке спиральной камеры, а другой - на одной из статорных колонн.
Недостатками этого устройства являются недостаточно высокая точность измерения из-за сравнительно малой длины акустического луча и неудобство установки акустических преобразователей на стенке спиральной камеры, где условия их установки и работы значительно хуже, чем на статорных колоннах.
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и точности измерения и применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность
В первом варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающие акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, одним отражателем акустического сигнала преобразователя, при этом два акустических преобразователя установлены на стенке спиральной камеры или на статорных колоннах, а отражатели установлены, соответственно, на статорных колоннах или на стенке спиральной камеры, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.
Во втором варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающее акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, двумя отражателями акустического сигнала преобразователя, при этом один акустический преобразователь и половина отражателей установлены на стенке спиральной камеры, а другой акустический преобразователь и вторая половина отражателей - на статорных колоннах, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.
Акустические преобразователи и отражатели установлены с помощью накладных или закладных приспособлений, снабженных котировочными устройствами.
Акустические преобразователи и отражатели могут размещаться в пределах высоты статорных колонн, а также между двумя соседними статорными колоннами на верхнем или нижнем поясах, объединяющих статорные колонны.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 и фиг.2 изображено размещение акустических преобразователей (АП1 и АП2) и отражателей (А, В и С) на стенке спиральной камеры или на ее статорных колоннах (первый вариант полезной модели); на фиг 3 - изображено размещение акустических преобразователей (АП1 и АП2) и отражателей (А и В) на стенке спиральной камеры и на ее статорных колоннах (второй вариант полезной модели); на фиг.4 и фиг.5 - схематический разрез участка спиральной камеры в плане.
Устройство для измерения расходов жидкости в гидравлических машинах, включающих электрическую и гидравлическую машины, статор 2 с неподвижные статорными колоннами 5 и спиральную камеру с внешним контуром 1 (фиг.1-5), содержит расходомерный узел, выполненный в виде ультразвукового расходомера с двумя акустическими преобразователями 3 (АП1 и АП2) и отражателями 4 (А, В и С), установленными либо на статорных колоннах 5, либо на стенке спиральной камеры 1, либо один на стенке спиральной камеры 1 и другой - на статорной колонне 5, как показано на фиг.1 - 3.
Монтаж акустических преобразователей и настройка расходомера выполняется с помощью крепежных и котировочных приспособлений.
Способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами 5 заключается в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров, причем два акустических преобразователя 3 устанавливаются на статорных колоннах 5 спиральной камеры, а на стенке спиральной камеры 1 устанавливаются отражатели 4, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя, или два акустических преобразователя 3 устанавливаются на стенке 1 спиральной камеры, а на статорных колоннах 5 устанавливаются отражатели 4, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя, или один акустический преобразователь 3 устанавливаются на стенке 1 спиральной камеры, а другой - на статорной колонне 5, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей 4 попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.
Многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями (И.Е.Михайлов. Турбинные камеры гидроэлектростанций. Энергия. Москва, 1970) установлено, что эпюры окружных, радиальных и вертикальных составляющих скоростей течения воды в спиральной камере при различных величинах расхода подобны, т.е. безразмерные поля течения воды в спиральной камере практически не
зависят от величины расхода и определяются только размерами камеры, ее формой и условиями входа.
Характер изменения величин окружных скоростей в спиральной камере подчиняется закону постоянства произведения величины окружной скорости на радиус.
ст
Отношение радиальной составляющей скорости к окружной составляющей равно тангенсу угла установки статорных колонн δ (фиг.5).
Эти свойства течения воды в спиральных камерах позволяют производить измерение расхода с помощью предлагаемого способа, как показано ниже.
Разницу во времени прямого и обратного пробега по всем акустическим лучам Δt, опираясь на приведенные ниже вывод, можно представить в виде (см. фиг.4):
i
i
2
где d=2f(α)k/Ic (2)
Q - полный расход агрегата,
i
i
i
cт
i
2
f(α)=arctg((ξ+sinα)/cosαi)-α±(δ/2)ln(ξ+2ξsinα+1), (6)
o
ξ=Li/r, Li - длина i-го акустического луча,
k=φ/360,
с - скорость звука в воде,
n - число акустических лучей.
Вывод расчетных соотношений
В соответствии со свойствами потока воды в спиральной камере можно записать, что (см. фиг.5)
cт
х
Urx/Utx=tgδ и rUtх=К.
o
x
Из треугольника АВС по теореме синусов r/sinβ=r/cosα. Поэтому
1
o
x
sinβ=cosα=rcosα/r.
Из треугольника АВС по теореме косинусов
х
o
o
2
2
2
r =х+r +2xrsinα.
С учетом этого проекция вектора скорости на УЗ луч Uпp будет равна
1
cт
Uпp=Utx(cosα+tgδcosβ)
и после преобразований и подстановок получим
o
cт
o
cт
х
2
Uпp=K(rсosα+tgδrsinα+xtgδ)/r .
Разница во времени пробега прямого и обратного УЗ лучей Δt составит
где с - скорость звука в воде.
После интегрирования получаем формулы (1) и (2).
Оценим погрешность измерений согласно формулам (1) и (2) для случая применения устройства с двумя акустическими лучами (фиг.4).
Погрешность определится формулой
σ=δt/Δt,
где δt - погрешность в измерении интервала времени Δt.
Поскольку Δt=dQ, отсюда следует, что
σ=δt/dQ.
Для двух УЗР - одного с одним акустическим лучом с коэффициентом d1 и погрешностью σ1 и другого с двумя акустическими лучами с коэффициентом d2 и погрешностью σ2 - отношение погрешностей х будет равно
x=d1/d2.
o
Для примера по вышеприведенным формулам был проведен расчет отношения погрешностей х для спиральной камеры Нижнекамской ГЭС с параметрами: уравнение спирали - r=9Ехр(0,2φ) м, угол φ отсчитывается от зуба спирали, наружный радиус статора - r=8,1 м, углы φ1, φ2 и φо равны 100,40 и 70 градусов соответственно.
При этом при применении двухлучевого УЗР по сравнению с однолучевым х=0,6, т.е. погрешность уменьшается на 40%, а при применении трехлучевого УЗР - х=0,45 т.е. погрешность уменьшается более, чем вдвое.
Предлагаемое устройство измерения расхода воды в спиральной камере обладает следующими преимуществами:
- повышение точности измерений за счет увеличения длины акустического луча,
- повышение качества исполнения и, как следствие, надежности работы измерительной системы за счет отказа от установки акустических преобразователей на стенке спиральной камеры, где условия их установки и работы значительно хуже, чем на статорных колоннах,
- повышение качества настройки и, как следствие, надежности работы измерительной системы за счет применения юстировочных приспособлений, встроенных в крепежные приспособления,
применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность.