УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ГИДРОТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR INCREASING STABLE OPERATION OF AXIAL-RADIAL HYDRAULIC TURBINE (VERSIONS)

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в отсасывающих трубах радиально-осевых гидротурбин на гидроэлектростанциях для повышения устойчивости работы радиально-осевых гидротурбин.
Известна отсасывающая труба радиально-осевой гидротурбины, содержащая диффузорные входной и выходной участки, соединенные криволинейным коленом (Степеньков Ю.А. Устройство и ремонт оборудования машинных цехов гидроэлектростанций. М.: Высшая школа, 1985, с.22, 38).
Недостатком известной отсасывающей трубы является повышенный уровень кавитационной эрозии и шума из-за возникновения пульсаций потока в проточной части.
Известна отсасывающая труба радиально-осевой гидротурбины, содержащая диффузорные входной и выходной участки, соединенные криволинейным коленом, при этом она снабжена профилированными лопатками, установленными вдоль ее проточной части на выпуклой и вогнутой стенках криволинейного колена с наклоном по потоку, и перепускными трубопроводами, сообщающими межлопаточные каналы вогнутой стенки криволинейного колена с межлопаточными каналами его выпуклой стенки. Данное устройство позволяет снизить уровень кавитационной эрозии и уменьшить уровень шума за счет снижения интенсивности пульсаций потока в отсасывающей трубе (RU №2188965, MПK F03B 11/04, 10.09.2002).
Недостатком 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 вибрации из-за пульсаций гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины, содержащее сопло для подвода жидкой среды в отсасывающую трубу в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины (см. заявку WO 2007/142709, кл. F03B 11/00, 13.12.2007).
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, является то, что данное техническое решение не позволяет уменьшить вибрации из-за пульсаций гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.
Данное техническое решение не позволяет автоматически без использования специального диагностического оборудования, например датчиков давления и средств регулирования, обеспечить подачу жидкой среды в зону за выходным срезом рабочего колеса в требуемом количестве.
Заявляемое техническое решение позволяет снизить интенсивность пульсаций потока в отсасывающей трубе в зоне за выходным срезом рабочего колеса гидротурбины и посредством автоматического регулирования подачи жидкой среды (рабочей среды гидротурбины) в зону за выходным срезом рабочего колеса повысить устойчивость работы радиально-осевых гидротурбин.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что согласно первому варианту выполнения устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины включает сопло для подвода жидкой среды в отсасывающую трубу, в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, при этом сопло выполнено в стенке отсасывающей трубы за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины и сообщено со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода с нижерасположенным участком отсасывающей трубы по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины, со стороны выходного сечения сопло выполнено в виде кольцевой щели или отверстий в стенке отсасывающей трубы с образованием косого среза выходного сечения сопла и уступа на стенке отсасывающей трубы, причем по ходу потока в отсасывающей трубе край уступа, расположенный ближе к рабочему колесу радиально-осевой гидротурбины, выступает над краем уступа, расположенным дальше от рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины.
Сопло может быть выполнено многоярусным.
Угол наклона оси продольного сечения сопла к плоскости поперечного сечения отсасывающей трубы предпочтительно составляет от 0 до 60° в направлении потока в отсасывающей трубе.
Перепускной трубопровод или перепускные трубопроводы могут охватывать отсасывающую трубу по винтовой линии.
Перепускной трубопровод в месте его сообщения с отсасывающей трубой предпочтительно снабжен направляющим козырьком, выполненным на внутренней поверхности отсасывающей трубы.
Согласно второму варианту выполнения устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины включает сопло для подвода жидкой среды в отсасывающую трубу в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, при этом сопло или сопла закреплены на стенке отсасывающей трубы за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины и каждое сопло сообщено со стороны входа в него посредством закрепленного на стенке отсасывающей трубы перепускного трубопровода с нижерасположенным участком отсасывающей трубы по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины.
Сопло может быть направлено в сторону вращения рабочей среды в отсасывающей трубе.
Входной участок перепускного трубопровода предпочтительно направлен в тангенциальном направлении навстречу потоку рабочей среды в отсасывающей трубе.
Перепускной трубопровод или перепускные трубопроводы могут быть расположены на поверхности отсасывающей трубы в плоскости продольного сечения отсасывающей трубы или под углом к плоскости продольного сечения отсасывающей трубы.
Сопло может быть выполнено в виде бокового отверстия в стенке перепускного трубопровода.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что работа гидротурбин Френсиса и обратимых радиально-осевых гидротурбин на режимах частичной нагрузки приводит к нежелательным гидродинамическим явлениям при обтекании потоком воды рабочего колеса. Наиболее ярко указанные явления проявляются при эксплуатации гидротурбин вдали от расчетной рабочей точки, соответствующей максимальному значению КПД. Следствием работы гидротурбины в сугубо нерасчетном режиме может быть аварийная ситуация, обусловленная усталостными нагрузками, накопившимися в металле вследствие сильных вибраций из-за пульсаций гидродинамического давления в жидкости. Пульсации давления на выходе из рабочего колеса и в отсасывающей трубе (вплоть до резонансных явлений) обусловлены в том числе наличием и прецессией вихревого жгута в указанной области вследствие разрыва сплошности водяного потока. Образование вращающихся в жгуте двухфазных структур с ярко выраженной границей раздела фаз в центральной части канала предопределяет наличие сложных, зачастую встречных циркуляционных потоков жидкости в ядре и на периферийных участках отсасывающей трубы. Реализация и трансформация указанных вихревых зон происходит только за счет перераспределения энергии внутри потока рабочей воды гидротурбины и ее потерь на поддержание указанных «самоорганизующихся» структур. Наличие центральной парогазовой прецессирующей полости является следствием процесса сепарации более легкой фракции и концентрации ее в средней части отсасывающей трубы вследствие больших по своему значению центробежных сил и тангенциальных составляющих скоростей потока на выходе из рабочего колеса. Величины этих скоростей возрастают по мере удаления рабочей точки турбины от ее расчетного значения на номинальном режиме.
Причиной наличия узкого диапазона устойчивой работы радиально-осевых гидротурбин является наличие прецессирующего вихревого жгута в отсасывающей трубе гидротурбины, появляющегося на нерасчетных режимах работы вследствие разрыва сплошности потока в условиях действия больших по своему значению центробежных сил и тангенциальных составляющих вектора скорости в отсасывающей трубе. Следствием наличия жгута в отсасывающей трубе являются сильные вибрации гидротурбинного агрегата в целом, что и является основной причиной неустойчивой работы радиально-осевой гидротурбины. Основной причиной разрыва сплошности потока с образованием вихревого жгута на нерасчетных режимах работы турбины является дефект массы (по сравнению с расчетным режимом) и наличие тангенциальных составляющих скорости жидкости (рабочей среды) на выходе из рабочего колеса. (Тангенциальные составляющие скорости на выходе из рабочего колеса на расчетном режиме отсутствуют.) Это явление присуще только радиально-осевым (РО) и обратимым радиально-осевым (ОРО) гидротурбинам - при их работе на режимах частичной нагрузки.
Для расширения диапазона устойчивой работы гидротурбины путем исключения дефекта массы в отсасывающей трубе и исключения закрутки потока на нерасчетных режимах (частичных режимах мощности гидротурбины) используется энергия закрученного потока на выходе из рабочего колеса гидротурбины для подачи воды из низлежащей области отсасывающей трубы в верхлежащую область, что и позволяет расширить диапазон устойчивой работы гидротурбины и устранить дефект массы.
Выполнение сопла с косым срезом используется для увеличения скорости циркуляции за счет создания дополнительного вакуума непосредственно в косом срезе, а окончательное смешение осуществляют за косым срезом в потоке набегающей рабочей среды из рабочего колеса. Дополнительная масса рабочего тела - воды - из низлежащей области отсасывающей трубы компенсирует дефект массы на нерасчетном режиме с одновременным расширением диапазона устойчивой работы радиально-осевой гидротурбины. Устройство саморегулируемо с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции рабочей среды из низлежащей области потока в верхлежащую, при этом происходит частичное преобразование кинетической энергии закрученного потока в потенциальную с одновременным движением рабочей среды в область разрыва сплошности потока с формированием зоны смешения, расположенной за выходным сечением сопла или сопел, а набегающий на сопло или сопла поток рабочей среды из рабочего колеса создает разрежение в окрестности выходного сечения сопла, куда и подсасывается рабочая среда из низлежащей области потока рабочей среды в отсасывающей трубе. Смешение сред происходит в общем потоке в непосредственной близости от выходной кромки рабочего колеса в начале отсасывающей трубы.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 показана схема выполнения первого варианта устройства с отсасывающей трубой радиально-осевой гидротурбины с перепускными трубопроводами и одноярусными соплами.
На фиг.2 показана отсасывающая труба радиально-осевой гидротурбины с перепускными трубопроводами и многоярусным соплом.
На фиг.3 показан первый вариант выполнения уступа на стенке отсасывающей трубы.
На фиг.4 показан второй вариант выполнения уступа на стенке отсасывающей трубы.
На фиг.5 схематично показан вариант выполнения кольцевого многоярусного сопла.
На фиг.6 схематически показана отсасывающая труба второго варианта выполнения устройства с перепускными трубопроводами на поверхности отсасывающей трубы.
На фиг.7 показан вид снизу (вид К по фиг.6) на отсасывающую трубу с перепускными трубопроводами.
На фиг.8 схематично показана перепускная труба с соплом и входным участком в виде бокового отверстия в стенке перепускного трубопровода.
На фиг.9 схематично показан выходной участок перепускной трубы с соплом и направляющим козырьком.
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины согласно первому варианту выполнения содержит сопло 1 для подвода рабочей среды в отсасывающую трубу 2 в область за выходным срезом рабочего колеса 3 радиально-осевой гидротурбины. Сопло 1 выполнено в стенке отсасывающей трубы 2 за выходным срезом рабочего колеса 3 радиально-осевой гидротурбины и сообщено со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода 4 с нижерасположенным участком отсасывающей трубы 2 по ходу потока в ней рабочей среды из рабочего колеса 3 радиально-осевой гидротурбины. Со стороны выходного сечения сопло 1 выполнено в виде кольцевой щели или отверстий в стенке отсасывающей трубы 2 с образованием косого среза выходного сечения сопла 1 и уступа 5 на стенке отсасывающей трубы 2, причем по ходу потока в отсасывающей трубе 2 край 6 уступа 5, расположенный ближе к рабочему колесу 3 радиально-осевой гидротурбины, выступает над краем 7 уступа 5, расположенным дальше от рабочего колеса 3 радиально-осевой гидротурбины.
Сопло 1 может быть выполнено многоярусным.
Угол α наклона оси продольного сечения сопла 1 к плоскости поперечного сечения отсасывающей трубы 2 предпочтительно составляет от 0 до 60° в направлении потока в отсасывающей трубе 2.
Перепускной трубопровод 4 или перепускные трубопроводы 4 могут охватывать отсасывающую трубу 2 по винтовой линии (не показано).
Перепускной трубопровод 4 в месте его сообщения с отсасывающей трубой 2 предпочтительно снабжен направляющим козырьком 8, выполненным на внутренней поверхности отсасывающей трубы 2 и размещенным перед соплом и входным участком 9 перепускного трубопровода 4.
Согласно второму варианту выполнения устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины содержит сопло 1 или может быть выполнено несколько сопел 1, закрепленных на стенке отсасывающей трубы 2 и равномерно распределенных по поперечному сечению отсасывающей трубы 2 за выходным срезом рабочего колеса 3 радиально-осевой гидротурбины. Каждое сопло 1 сообщено со стороны входа в него посредством закрепленного на стенке отсасывающей трубы 2 перепускного трубопровода 4 с нижерасположенным участком отсасывающей трубы 2 по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины.
Сопло 1 может быть направлено в сторону вращения рабочей среды в отсасывающей трубе 2, причем сопло 1 может быть цилиндрическим или сужающимся по ходу потока в нем.
Входной участок 9 перепускного трубопровода 4 предпочтительно направлен в тангенциальном направлении навстречу потоку рабочей среды в отсасывающей трубе 2.
Перепускной трубопровод 4 или перепускные трубопроводы 4 могут быть расположены на поверхности отсасывающей трубы 2 в плоскости продольного сечения отсасывающей трубы 2 или под углом к плоскости продольного сечения отсасывающей трубы 2.
Сопло 1 может быть выполнено в виде бокового отверстия в стенке перепускного трубопровода 4.
Перепускной трубопровод 4 в поперечном сечении может быть круглый, овальный или в виде многоугольника.
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины работает следующим образом.
Рабочая среда, покидающая рабочее колесо 3 гидротурбины, попадает в отсасывающую трубу 2 и обтекает сопло 1, создавая в зоне выходного сечения сопла 1 разрежение, что вызывает подачу части рабочей среды из низлежащей по потоку области отсасывающей трубы 2 в сопло 1 по перепускной трубе. Поступившая в отсасывающую трубу 2 из сопла 1 рабочая среда смешивается с рабочей средой из рабочего колеса 2, что позволяет, как указано выше, компенсировать дефект массы на нерасчетном режиме работы гидротурбины, что, в свою очередь, позволяет повысить устойчивость работы гидротурбины. Устройство саморегулируемо с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции рабочей среды из низлежащей области потока в верхлежащую, поскольку количество рабочей среды, поданной из низлежащей области отсасывающей трубы в верхлежащую, полностью зависит от режима течения рабочей среды за рабочим колесом 3. Если образуются большие разрывы сплошности, то скорость потока в области сопла 1 увеличивается, что приводит к увеличению подачи рабочей среды из сопла 1 за счет более высокого разрежения, созданного за выходным сечением сопла 1 более скоростным потоком рабочей среды в отсасывающей трубе 2, и наоборот.