УСТРОЙСТВО ВПУСКА ВОЗДУХА В ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ ГИДРОТУРБИНЫ
DEVICE OF AIR INLET TO FLOW-THROUGH PART OF HYDRAULIC TURBINE

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции устройства впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, преимущественно под рабочее колесо.
При работе радиально-осевой гидротурбины вне зоны оптимального режима возникают колебания мощности, а также повышенные пульсации давления в проточной части, в первую очередь - под рабочим колесом. Причиной пульсаций является спиральный вихрь, возникающий в отсасывающей трубе. В центре вихря, как правило, возникает кавитация, вследствие чего кроме низкочастотных пульсаций также возникают ударные процессы и колебания мощности, что в целом снижает ресурс работы гидротурбины. Для снижения пульсаций давления и колебаний мощности применяется впуск воздуха под рабочее колесо.
Известен клапан для впуска воздуха в зону рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины [авторское свидетельство СССР SU 194659 А1, МПК F03B, опубликовано 30.03.1967 г.], содержащий запорный орган, седло и поршневой сервопривод со шпинделем, запорный орган укреплен подшипниковым узлом на шпинделе, а сервопривод снабжен фиксатором шпинделя.
Недостатком данного клапана является то, что шариковые подшипники между запорным органом и штоком довольно быстро выходят из строя при многократных ударных нагрузках. При этом работа клапана сопровождается значительным шумом, возникающим на всасывании воздуха, а многократные ударные нагрузки не позволяют добиться высокой надежности работы устройства.
В качестве прототипа предлагается выбрать устройство для впуска воздуха в зону рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины [авторское свидетельство СССР №SU 1406404 А1, МПК F03B 11/00, опубликовано 30.06.1988 г.], направленное на повышение надежности работы и снижение уровня шума при впуске воздуха, содержащее корпусной элемент - трубу, закрепленную в установленных в полостях вала заглушках, размещенные в ней клапаны, шумоглушитель и расположенную за ним по ходу воздуха дроссельную шайбу, и водоприемник.
Данное устройство позволяет лишь незначительно снизить уровень шума при впуске воздуха. Кроме того, к недостаткам данного устройства также следует отнести неустойчивость его работы, поскольку после начала открытия тарелки обратного клапана перепад давлений на тарелке клапана уменьшается вследствие потерь давления в шумоглушителе при прохождении через него воздуха, что вызывает последующее закрытие обратного клапана, а затем многократные повторные открытия и закрытия ударного характера. Такая нестабильность работы при открытии и закрытии снижает надежность работы устройства, а также является причиной дополнительного повышения уровня шума при работе устройства.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении уровня шума в процессе работы устройства впуска воздуха при одновременном повышении устойчивости работы устройства.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, содержащее корпус и клапан, включающий седло и запорный орган. При этом согласно изобретению корпус содержит внутреннюю и наружную стенки цилиндрической формы, корпус снабжен днищем, расположенным между внутренней и наружной стенками и отделяющим пространство между цилиндрическими стенками корпуса от проточной части гидротурбины. В днище выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия. При этом в полости корпуса, ограниченной его внутренней цилиндрической стенкой, соосно стенкам корпуса установлен цилиндр, выполненный полым. Запорный орган снабжен поршневым элементом - поршнем, размещенным во внутренней полости цилиндра. Поршень может быть выполнен в виде единой детали с запорным органом либо представлять собой отдельную деталь. Полость цилиндра, находящаяся под поршнем, соединена с проточной частью гидротурбины, а полость над поршнем соединена с атмосферным воздухом.
Выполнение днища корпуса с множеством сквозных отверстий, суммарная площадь сечения которых меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия, позволяет уменьшить скорость прохождения воздуха через клапан, что ведет к снижению уровня шума.
Заявителем экспериментальным путем установлено, что наилучший результат по снижению уровня шума (до нормативно установленных значений 85-90 дБ) достигается в случае, если суммарная площадь сквозных отверстий, выполненных в днище, в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия.
Установка поршня, являющегося в предлагаемом устройстве силовым органом и перемещающегося под действием перепада давления, во внутренней полости цилиндра, размещенного в корпусе, в который осуществляется подача воздуха, также направлено на снижение уровня шума при работе устройства и, кроме того, обеспечивает независимость перепада давления на поршне от расхода воздуха через устройство, что, в свою очередь, позволяет устранить колебания и удары клапана и тем самым обеспечить устойчивость работы устройства в процессе открытия и закрытия клапана.
Новым в предлагаемом техническом решении является следующее:
- корпус содержит внутреннюю и наружную стенки цилиндрической формы,
- корпус снабжен днищем, отделяющим пространство между цилиндрическими стенками корпуса от проточной части гидротурбины,
- в днище выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия,
- в полости корпуса, ограниченной его внутренней цилиндрической стенкой, соосно стенкам корпуса установлен полый цилиндр,
- запорный орган снабжен поршнем, размещенным во внутренней полости цилиндра, при этом полость цилиндра, находящаяся под поршнем, соединена с проточной частью гидротурбины, а полость над поршнем соединена с атмосферным воздухом.
Для достижения указанного технического результата применены следующие решения. В предлагаемом техническом решении в днище корпуса выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия, а внутри корпуса, куда осуществляется подача воздуха, установлен цилиндр с размещенным внутри поршнем, являющимся силовым элементом клапана. Таким образом, применено оригинальное техническое решение, обеспечивающее снижение уровня шума при работе устройства, а размещение цилиндра с поршнем в трассе подачи воздуха в корпусе устройства позволяет, наряду с уменьшением уровня шума, также обеспечить стабильность работы устройства в процессе открытия и закрытия клапана.
Для достижения более эффективного снижения уровня шума при работе устройства впуска воздуха днище может быть выполнено из эластичного материала.
На фиг.1 представлен продольный разрез устройства впуска воздуха в открытом положении, на фиг.2 - выносной элемент I, на котором показан зазор S между седлом и запорным органом при открытом положении клапана.
Устройство впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, представленное на фиг.1, содержит корпус 1, клапан, включающий в себя седло 3 и запорный орган 4. Седло 3 снабжено уплотнением 5. Запорный орган 4 клапана выполнен с запирающим пояском 6, который при закрытом положении клапана контактирует с уплотнением 5 седла 3. Запорный орган 4 снабжен поршневым элементом - поршнем 7. На фиг.1 показан поршень 7, выполненный как единая деталь с запорным органом клапана. Следует также отметить, что конструктивно поршень может быть выполнен и в виде отдельной детали. Корпус имеет наружную 8 и внутреннюю 9 стенки цилиндрической формы, расположенные соосно, а также днище 10, выполненное в форме кольца, расположенное между внутренней и наружной стенками и отделяющее полость 11 между цилиндрическими стенками 8 и 9 корпуса 1 от проточной части гидротурбины. Днище 10 может быть выполнено стальным или изготовлено из эластичного материала, например резины. В днище выполнено множество сквозных отверстий 12. Размер отверстий и их количество определяются таким образом, чтобы суммарная площадь отверстий была в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия. Проходное сечение клапана, показанное на фиг.2, образуется при открытии клапана и представляет собой кольцевой зазор между седлом 3 и запирающим пояском 6 запорного органа 4. Площадь проходного сечения клапана в положении его полного открытия определяется при максимальном значении величины зазора S. Во внутренней полости 13 корпуса 1, ограниченной внутренней стенкой 9, расположен цилиндр 14, представляющий собой полую цилиндрическую деталь, соединенную с корпусом 1 с помощью шпилечного соединения 15. Для обеспечения возможности точной регулировки давления, при котором происходит открытие клапана, в цилиндре установлена пружина 16 с механизмом регулировки сжатия 17, создающая усилие прижима запорного органа к седлу. Поршень 7 запорного органа размещен во внутренней полости цилиндра 14. Находящаяся под поршнем 7 полость 19 цилиндра 14 соединена с проточной частью гидротурбины, а полость 20 над поршнем - напрямую с атмосферным воздухом.
Устройство впуска воздуха обычно устанавливается на торце полого вала гидротурбины и работает следующим образом.
При понижении давления в проточной части турбины, после рабочего колеса до уровня, предшествующего возникновению кавитации в вихревых зонах и связанных с ней повышенных пульсаций давления в потоке и мощности гидротурбины, на поршне 7 возникает перепад давления и усилие, достаточное для открытия запорного органа 4 клапана. Механизм сжатия пружины 17 позволяет осуществить точную регулировку давления, при котором происходит открытие клапана. При открытии клапана через входное отверстие между седлом 3 и запорным органом 4 клапана воздух поступает в полость 11 корпуса 1 и, пройдя через нее, далее через выходные отверстия 12, выполненные в днище 10 корпуса 1, выходит в полость вала в сторону рабочего колеса в проточную часть гидротурбины. При дальнейшем понижении давления за лопастями рабочего колеса вплоть до давления, близкого к давлению водяного пара, происходит полный ход поршня и полное открытие клапана до упора. При постоянном давлении в полости 20, соединенной с атмосферой, и понижении давления в полости 19, соединенной с зоной проточной части, происходит устойчивое движение поршня до положения полного открытия. Возникающее при этом увеличение расхода воздуха и возрастание потерь давления в полости 11 корпуса не уменьшает усилие на поршне и не приводит к обратному перемещению запорного органа в сторону закрытия, чем обеспечивается устойчивость процесса открытия клапана без колебаний запорного органа, ударов о седло и шумов ударного характера. Основная доля суммарных потерь давления в клапане и корпусе при полном открытии клапана приходится на выходные отверстия 12. Выполнение в днище 10 корпуса 1 большого количества отверстий 12 с малым диаметром позволяет при прохождении воздуха через корпус достичь снижения уровня шума, а выполнение входного отверстия, образующегося между седлом и запорным органом клапана, таким, что при полном открытии клапана площадь его проходного сечения в 2-6 раз больше суммарной площади выходных отверстий 12, выполненных в днище корпуса, обеспечивает наилучший результат уменьшения уровня шума. Проведенные заявителем экспериментальные исследования показали, что применение заявляемого технического решения обеспечивает снижение колебаний мощности до 1,5%, при этом перепад давления на входном отверстии не превышает 5-10% от общей разницы давления между окружающей атмосферой и местом впуска воздуха за рабочим колесом, а скорость воздуха не превышает 40-60 м/с; уровень шума при прохождении воздуха через устройство впуска согласно проведенным измерениям составляет 85-88 дБ. При выходе гидротурбины из зоны нестабильной работы давление за рабочим колесом повышается, что приводит к уменьшению перепада давления и усилия на поршне 7 до уровня, при котором оно преодолевается силой сжатия пружины 16. Происходит закрытие клапана и прекращение подачи воздуха в проточную часть гидротурбины. При этом не происходит повторного открытия и закрытия клапана, что обеспечивает устойчивость работы устройства впуска воздуха.