Способ регулирования мощности реактивных гидротурбин
METHOD OF THE JET HYDRO TURBINES POWER REGULATION

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к гидравлическим турбинам гидроэлектростанций, и может быть использовано для регулирования мощности реактивных гидравлических турбин.
Мощность гидравлических гидротурбин, входящих в состав гидроагрегатов, устанавливаемых на гидроэлектростанциях, определяется формулой:
3
Здесь: N - мощность гидротурбины в кВт; Q - расход воды в м/с; Н - действующий напор в м вод. ст.; η - коэффициент полезного действия, учитывающий гидравлические, механические и объемные потери энергии в гидротурбине.
Исходя из приведенной формулы, мощность гидравлической турбины можно изменять за счет изменения величины проходящего через рабочее колесо расхода воды Q или действующего напора Н. В реальных условиях величина напора изменяется слабо и варьируется в пределах колебания уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроузла в течение одного года или нескольких лет (годичное или многолетнее регулирование речного стока), или в течение суток (суточное регулирование). Расходом воды можно управлять в широком диапазоне его значений - от нуля до максимального значения, на которое рассчитана конкретная гидротурбина. Поэтому на практике регулирование мощности осуществляется в основном изменением расхода воды с помощью регулирующего органа. В современных реактивных гидротурбинах роль регулирующего органа выполняет направляющий аппарат. Направляющий аппарат устанавливается в подводящей части гидротурбины между спиральной камерой и входными кромками вращающегося рабочего колеса турбины и представляет собой круговую решетку поворотных профилированных лопаток, которые синхронно поворачиваются вокруг своих осей вращения с помощью механизма поворота на определенный одинаковый для всех лопаток угол в зависимости от режима работы гидроагрегата. Лопатки направляющего аппарата могут полностью перекрыть расход воды, поступающий на рабочее колесо, выполняя роль запорного органа. При этом рабочее колесо гидротурбины останавливается.
Известен способ регулирования мощности гидротурбины, заключающийся в том, что с помощью круговой решетки поворотных лопаток изменяется проходящий через турбину расход воды. Круговая решетка поворотных лопаток - направляющий аппарат, устанавливается после спиральной камеры перед лопастями рабочего колеса. При регулировании мощности лопатки направляющего аппарата с помощью механизма привода синхронно поворачиваются вокруг своих осей и изменяют площадь проходных отверстий, которые образуют смежные лопатки. При этом изменяется расход, поступающий на рабочее колесо турбины и при неизменном напоре и коэффициенте полезного действия, согласно формуле (1), изменяется мощность гидротурбины (авторское свидетельство №1208296, кл. F03B 3/18, заявка №3782534/25-06 от 22.08.84 г., опубликовано 30.01.86 г., бюл. №4).
Известен способ регулирования мощности гидротурбины, заключающийся в том, что с помощью круговой решетки поворотных лопаток изменяется проходящий через турбину расход воды. Круговая решетка поворотных лопаток - направляющий аппарат, устанавливается после спиральной камеры перед лопастями рабочего колеса. Кроме этого рабочее колесо снабжено наряду с неподвижной также и перемещающейся по оси турбины ступицей с прорезями, через которые проходят лопасти, а направляющий аппарат имеет перемещающуюся по оси турбины верхнюю крышку с установленными в ней поворотными шайбами с прорезями. В этом способе изменение расхода воды происходит и за счет поворота лопаток направляющего аппарата и за счет изменения площади проходных сечений проточной части гидротурбины (авторское свидетельство №151650, МПК F03B, Кл. F88a, 6, заявка №771317/24-6 от 28.03.62 г., опубликовано 14.09.67 г., бюл. №19).
Недостатком описанных способов регулирования мощности турбины является то обстоятельство, что лопатки направляющего аппарата, синхронно поворачиваясь вокруг своих осей, не только изменяют проходящий через рабочее колесо расход воды и тем самым мощность гидротурбины, но и изменяют кинематику потока перед входом на лопасти рабочего колеса. Существует один единственный режим работы гидротурбины, при котором ее энергетические характеристики наивысшие. Этот режим называется оптимальным. Изменение кинематики потока перед лопастями рабочего колеса приводит к ухудшению энергетических и эксплуатационных характеристик турбины на режимах, отличных от оптимальных. На этих режимах турбина резко теряет свой КПД, увеличиваются вибрационные нагрузки. В ряде случаев возникает кавитация и, как следствие, повышенный износ проточной части рабочего колеса за счет кавитационной эрозии.
На фиг. 1-4 показаны параллелограммы осредненных скоростей на входной и выходной кромках лопасти рабочего колеса гидротурбины типа Френсиса. Регулирование мощности при такой схеме происходит традиционным способом с помощью направляющего аппарата.
На фиг. 1 показано распределение скоростей на входной кромке лопасти при наличии направляющего аппарата перед рабочим колесом. На фиг. 2 - то же, на выходной кромке лопасти. На фиг. 3 показана схема, иллюстрирующая образование вихревых зон, создающих дополнительные потери энергии, вызывающие вибрацию и кавитационную эрозию на напорной поверхности лопасти. На фиг. 4 – то же, на тыльной поверхности.
На фиг. 5 показаны треугольники скоростей на входной кромке лопасти при регулировании мощности по новому техническому решению (направляющий аппарат отсутствует). На фиг. 6 показана принципиальная схема проточной части гидротурбины для реализации предлагаемого способа регулирования мощности. Показаны векторы скоростей перед рабочим колесом при трех режимах работы устройства, регулирующего расход воды, поступающей к рабочему колесу турбины, и закручивающего устройства.
Рассмотрим кинематику потока в области рабочего колеса при регулировании мощности. На схеме фиг. 1-4 показаны параллелограммы осредненных скоростей на входной и выходной кромках лопасти рабочего колеса гидротурбины типа Френсиса, где регулирование мощности происходит традиционным способом с помощью направляющего аппарата.
1
Рассмотрим кинематику потока в области рабочего колеса при регулировании. На фиг. 1-2 показаны векторы абсолютной , переносной (окружной)  и относительной  скоростей на входных кромках лопастей рабочего колеса, расположенных на диаметре D (линия 1-1 на фиг. 1). Рассматриваются режимы работы турбины, при которых переносная (окружная) скорость входной кромки лопасти (точка 1 на схеме) постоянная, т.е. . Данный режим соответствует реальной работе гидроагрегата с синхронным генератором, требующим постоянной (синхронной) частоты вращения. Расход, проходящий через рабочее колесо, при этом изменяется от малого значения (скорость  на схеме) до большого значения (скорость ). Нижний индекс обозначает принадлежность скорости к входной кромке. Из приведенных треугольников следует, что при изменении расхода, проходящего через гидротурбину, изменяется величина абсолютного вектора скорости  и направление вектора абсолютной скорости , и как следствие, изменяется величина относительного вектора скорости  и его направление. Наиболее благоприятным режимом работы гидротурбины является режим безударного входа, когда вектор относительной скорости  совпадает с касательной к средней (скелетной) линии 3 лопасти в данной точке. На схеме фиг. 1-2 приведены обозначения:
1
1
- угол δ - угол между касательной к средней (скелетной) линии лопасти рабочего колеса и касательной к окружности с диаметром D в точке 1;
- углы  и  - углы между переносной (окружной) и относительной скоростями;
- n - направление вращение рабочего колеса турбины.
2
2
На фиг. 2 показана кинематика потока на выходе из рабочего колеса. Выходная кромка (линия с индексом 2-2) находится на диаметре D. Режим, соответствующий условию α=90°, называется режимом нормального выхода. Режим, при котором одновременно удовлетворяются и условия безударного входа и нормального выхода, обеспечивающие минимальные потери, то есть наивысший КПД гидротурбины, является оптимальным режимом. Однако оптимальный режим можно получить только при одном значении мощности. Действительно, при регулировании мощности турбины лопатки направляющего аппарата не могут постоянно формировать оптимальную кинематику потока, поступающего на рабочее колесо. Поэтому зависимости - мощностная - N=ƒ(η) и расходная - Q=f(η) реактивной гидротурбины одиночного регулирования (турбины типа Френсиса) имеют остропиковый характер, при котором наивысшие значения КПД могут быть получены в очень узком диапазоне изменения расхода или мощности. На фиг. 2 введены следующие обозначения:
- средняя (скелетная) линия профиля лопасти в выходной ее части обозначена цифрой 4;
- , ,  - векторы переносной (окружной) скорости в выходной точке 2 лопасти;
- , ,  - векторы абсолютной скорости в выходной точке 2 лопасти;
- , ,  - векторы переносной скорости в выходной точке 2 лопасти;
2
- α - угол межу векторами переносной (окружной) и абсолютной скоростями;
2
- β - угол межу векторами переносной (окружной) и относительной скоростями.
1
1
Из построения (фиг. 1) видно, что вектор относительной скорости  при регулировании меняет свое направление. При малом расходе он отклоняется в сторону, противоположную вращению , а при большом - в сторону вращения, . Когда β больше или меньше δ, натекание жидкости на входные кромки лопасти происходит под углом, отличным от оптимального. Это обстоятельство, как показано на схемах фиг. 3 и 4, сопровождается образованием вихревых зон, создающих дополнительные потери энергии, вызывающие вибрацию и кавитационную эрозию. На фиг. 3 схематично изображена вихревая зона на входной части лопасти с рабочей ее стороны. На фиг. 4 - то же, со стороны тыльной части лопасти.
1
1
Цель изобретения заключается в создании кинематики потока на лопасти рабочего колеса гидротурбины, обеспечивающей оптимальный режим работы лопастной системы во всем диапазоне изменения проходящего через турбину расхода, следовательно и мощности. Данная цель иллюстрируется схемой, показанной на фиг. 5. При любых величинах и направлениях вектора абсолютной скорости  вектор относительной скорости  должен всегда быть направлен по касательной к средней (скелетной) линии профиля лопасти в точке 1, т.е β=δ. Здесь угол γ - угол, определяющий диапазон изменения направления вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо во всем диапазоне регулирования мощностью гидротурбины.
Для этого необходимо отказаться от традиционного направляющего аппарата, расположенного в виде круговой решетки непосредственно перед лопастями рабочего колеса, и перенести орган регулирования расходом в проточную часть турбины перед спиральной камерой (по потоку). Это устройство (орган регулирования) предназначено для изменения вектора абсолютной скорости по величине, т.е. предназначено для регулирования расхода. Для изменения направления вектора абсолютной скорости непосредственно перед лопастями рабочего колеса поток перед входным сечением спиральной камеры гидротурбины надо закрутить. Причем циркуляция этого закрученного потока должна быть управляемой. Для этого предназначено другое устройство - управляемое закручивающее устройство, установленное в потоке также перед спиральной камерой но после (по потоку) регулирующего расход устройства (фиг. 6).
0
0
На схеме, фиг. 6, цифрой 5 обозначено устройство (орган регулирования) для регулирования расхода воды, проходящей через рабочее колесо гидротурбины. Цифрой 6 - управляемое закручивающее устройство, ν, α - соответственно: модуль абсолютной скорости потока воды непосредственно перед лопастями рабочего колеса (поток еще находится в спиральной камере в непосредственной близости от входных кромок рабочего колеса, поэтому здесь индекс «0»); угол между касательной к окружности в рассматриваемой точке и направлением вектора абсолютной скорости.
В качестве устройства (органа регулирования) для регулирования расхода воды (позиция 5 на фиг. 6), проходящей через рабочее колесо гидротурбины, можно использовать уже известные в гидротехнике и гидроэнергетике конструкции. Например - плоский, дисковый или шаровой затворы. Хорошо подойдет также в качестве рассматриваемого устройства игольчатый затвор с плавным регулированием расхода. В качестве управляемого закручивающего устройства (позиция 6 на фиг. 6) для создания закрученного потока перед спиральной камерой можно использовать многочисленные конструкции завихрителей (например лопаточных), широко используемые не только в гидротехнике, но и в других отраслях техники (1. Гидротехнические сооружения. Часть 2. Под ред. Л.Н. Рассказова Л.Н. М.: Издательство АСВ. 2008, с. 528; 2. Кривченко Г.И. Гидравлические машины. М.: Энергоатомиздат. 1983, с. 320; 3. Моделирование и расчет контрвихревых течений. Под ред. А.Л. Зуйкова. М.: МГСУ, 2012, с. 252).
Таким образом в спиральной камере формируется сложное течение, состоящее из суперпозиции двух течений: во-первых, течение, закрученное спиральной камерой турбины, с распределением скоростей по закону постоянства момента скорости (гипербола) и постоянной циркуляцией, и, во-вторых, продольно-циркуляционное течение, сформированное управляемым закручивающим устройством 6, установленным в проточной части перед спиральной камерой.
0
На фиг. 6 показана принципиальная схема проточной части гидротурбины для реализации предлагаемого способа регулирования мощности. На схеме показаны модули векторов абсолютной скорости ν, формирующиеся в сложном закрученном потоке в спиральной камере гидротурбины непосредственно перед лопастями рабочего колеса. Видно, что векторы меняют свое значение и направление в зависимости от проходящего расхода и степени закрутки. Для гидротурбин типа Френсиса диапазон изменения направления векторов (угол γ на схеме) абсолютной скорости для обеспечения оптимальных режимов работы лопастной системы рабочего колеса гидротурбины во всем возможном диапазоне изменения расхода (и следовательно мощности) составляет около 30 градусов.
Величина расхода, проходящая через турбину и степень закрутки потока воды перед спиральной камерой могут быть связаны между собой комбинаторной зависимостью. Это значит, что работа регулирующего расход устройства 5 и устройства 6, закручивающего поток, должна управляться автоматически по определенному закону, основанному на комбинаторной зависимости.