РАБОЧЕЕ КОЛЕСО РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F03B3/12 F03B11/04 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в радиально-осевых гидротурбинах, предназначенных для работы при больших колебаниях напоров на ГЭС или при эксплуатации в пусковой период на пониженных напорах.

Основные кавитационные разрушения радиально-осевого колеса происходят на тыльных поверхностях лопастей. При работе турбины на расчетных напорах зона кавитационных разрушений может появиться непосредственно за входными кромками лопастей у обода колеса, при работе на повышенных напорах процесс кавитации в этой зоне интенсифицируется, кроме того, появляется зона кавитационных разрушений, смещенная вдоль обода в сторону выходных кромок, а при работе на пониженных напорах образуется зона кавитационных разрушений вблизи выходных кромок лопастей [1].

Известны средства защиты от кавитационных разрушений в виде пары ребер, устанавливаемых в зоне возникновения кавитации [2] или вдоль границ зоны кавитационного разрушения [3]. Однако, по приводимым эксплуатационным данным, эффективность таких решений недостаточно высока, особенно при работе турбины на режимах, отличающихся от расчетного.

Известны также средства защиты от кавитационных разрушений в виде устройств подвода воздуха в зону кавитации. Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины с таким устройством, содержащим воздухозаборный канал, проходящий через вал колеса, коллектор на ступице колеса и соединенные с ним средства ввода воздуха в проточную часть на каждой лопасти, является ближайшим аналогом настоящего изобретения [4]. В таком известном колесе кавитационная эрозия наиболее существенно уменьшалась в зоне, расположенной непосредственно за применяемым средством ввода воздуха в проточную часть, а в зонах, расположенных ниже по потоку, снижение эрозии наблюдалось в меньшей степени [5] . Последнее особо неблагоприятно проявляется при работе гидротурбины на повышенных или пониженных напорах.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины с таким устройством подвода воздуха в проточный тракт, которое обеспечивало бы существенно более активное, чем в известных рабочих колесах, воздействие на кавитационные процессы, подавляя их при режимах работы гидротурбины, отличающихся от расчетного.

Эта задача решается в рабочем колесе радиально-осевой гидротурбины, которое содержит воздухозаборный канал, проходящий через вал колеса, коллектор на ступице колеса и соединенные с ним средства ввода воздуха в проточную часть на каждой лопасти и в котором, в соответствии с сущностью изобретения, средство ввода воздуха на каждой лопасти выполнено в виде пустотелого ребра, простирающегося от входной кромки лопасти в направлении линии тока в проточной части на расчетном режиме эксплуатации, и в задней кромке этого ребра, противоположном относительно входной кромки лопасти, выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска воздуха в проточную часть. При этом пустотелое ребро на каждой лопасти расположено своей передней кромкой на одинаковом расстоянии от ступицы, составляющем 0,2 - 0,8 от длины проекции входной кромки лопасти на ось рабочего колеса, а длина каждого пустотелого ребра составляет 0,05 - 0,2 от номинального диаметра рабочего колеса.

Это решение создано и обосновано в результате математического трехмерного моделирования течения потока в радиально-осевом рабочем колесе, которое позволило установить, что на режимах эксплуатации гидротурбины, отличающихся от расчетного, кавитационный процесс интенсифицируется дополнительным вихревым течением в потоке, которое зарождается в районе входных кромок лопастей у ступицы. При повышенных напорах это вихревое течение возникает на тыльной поверхности лопастей и распространяется вдоль входной кромки лопастей к ободу, затем поворачивает и проходит вдоль него, приводя к дополнительному понижению давления в зонах, подверженных кавитации. При работе на пониженных напорах дополнительное вихревое течение возникает на рабочей поверхности лопастей и, распространяясь от ступицы к ободу, осуществляет поворот и отрыв от рабочей поверхности этой лопасти с переходом на тыльную поверхность смежной лопасти и далее проходит по ней к выходной кромке.

Для нейтрализации негативного влияния дополнительного вихревого течения было предложено устанавливать на лопастях разделительные ребра, препятствующие прохождению этого вихревого течения в зоны, подверженные кавитации [6]. Установка разделительных ребер на пути движения дополнительных вихревых течений, изменяя их траекторию движения, позволяет существенно уменьшить кавитационную эрозию, которой подвержены рабочие колеса при работе гидротурбин с большим сезонным отклонением напора от расчетного. Однако, как показали дополнительные экспериментальные исследования на кавитационном стенде, кроме известных зон развития кавитационной эрозии, при установке указанных разделительных ребер в виде сплошных дефлекторов возникают дополнительные зоны развития кавитационной эрозии на лопастях за задними концами этих ребер.

При выполнении в соответствии с настоящим изобретением разделительных ребер пустотелыми, организация ввода воздуха через них в проточную часть за задней кромкой ребер позволяет устранить возникновение указанных дополнительных зон развития кавитационной эрозии и еще более снизить эрозию в известных зонах, характерных для режимов эксплуатации гидротурбин, значительно отклоняющихся от расчетных. Ребро выполняется и устанавливается, в основном, так же, как и ребра для отклонения траектории движения дополнительных вихревых течений, возникающих за входными кромками лопастей рабочего колеса. Однако для достижения эффекта эжекционной подачи воздуха пустотелое ребро, согласно изобретению, должно быть установлено несколько дальше от ступицы.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующим далее примером его использования, иллюстрируемого чертежами, на которых:
фиг.1 показывает рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины в продольном разрезе;
фиг. 2 - фрагмент лопасти в месте расположения пустотелого ребра согласно изобретению, в разрезе по А-А на фиг. 1 в увеличенном масштабе;
фиг. 3 - пустотелое ребро, согласно изобретению, в разрезе Б-Б на фиг. 2
Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины, изображенное на чертежах, содержит ступицу 1, обод 2 и сопряженные с ними лопасти 3.

Для подавления кавитационных процессов рабочее колесо оснащено системой подачи воздуха в проточную часть. Эта система включает воздухозаборный канал 4, проходящий через вал рабочего колеса, подключенный к нему коллектор 5 для распределения воздуха по лопастям 3, соединенные с ним подводящие трубки 6, которые установлены в продольных канавках 7 лопастей, и средства ввода воздуха в проточную часть.

Средства для ввода воздуха согласно изобретению выполнены в виде пустотелых ребер 8, расположенных в направлении линий тока основного потока воды через рабочее колесо на расчетном режиме эксплуатации и имеющих в этом направлении обтекаемую гидродинамическую форму крыла. На задней кромке каждого ребра выполнено щелевое отверстие 9 для выпуска воздуха в проточную часть.

Ребро 8 для надежного перекрытия и изменения траектории дополнительного вихревого течения должно иметь длину l 0,05 - 0,2 от диаметра D₁ рабочего колеса и высоту t в пределах 0,010 - 0,012 D₁. При этом ребро 8 на каждой лопасти 3 своей передней кромкой должно быть расположено непосредственно за входной кромкой лопасти и отстоять на расстоянии h от ступицы 1, составляющем 0,2 - 0,8 от длины b₀ проекции входной кромки лопасти на ось рабочего колеса. Такое расположение ребер 8 определено результатами математического моделирования, проведенного в связи с решением проблемы устранения дополнительного вихревого движения, зарождающегося у входной кромки лопастей, а также в связи с необходимостью обеспечения надежного эжекционного эффекта для подачи воздуха в проточную часть.

Как это было установлено ранее для ребер с соответствующим функциональным назначением, они, при прогнозном режиме работы на сезонных повышенных напорах, должны быть расположены на тыльной поверхности лопастей 3, а при прогнозном режиме работы на сезонных пониженных напорах должны быть расположены на рабочей поверхности лопастей.

Изобретение прошло опытную проверку в течение двух лет на одной из ГЭС с радиально-осевой гидротурбиной, эксплуатируемой с сезонным значительным повышением напора. На двух лопастях рабочего колеса этой гидротурбины D₁ = 4,1 м было установлено пустотелое ребро в виде крыла непосредственно за входной кромкой лопасти на расстоянии h от ступицы, составляющем 0,72 от длины b₀ проекции входной кромки лопасти на ось рабочего колеса. Длина ребра l была равна 0,05 D₁, а его высота t составляла 0,01 D₁. Результаты обследования этих лопастей показали:
до установки ребра интенсивность кавитационных разрушений на данных лопастях при эксплуатации турбины на повышенных напорах составляла I_v = 0,23 см³/час;
при подаче только воздуха интенсивность кавитационных разрушений составляет I_v = 0,07 см³/час;
при установке на лопастях ребра с впуском воздуха кавитационных разрушений не обнаружено.

Источники информации
1. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.35-36, рис 4.7.

2. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.40.

3. Авт. св. СССР N 1378492, F 03 B 3/12, 1988 г.

4. Авт. св. СССР N 399618, F 03 B 11/04, 1973 г.

5. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.39-40.

6. Заявка на патент РФ N 99.100253 от 11.01.99.

Рабочее колесо предназначено для работы с устройством, обеспечивающим защиту его лопастей от кавитационной эрозии при работе турбины со значительным отклонением напора от расчетного. Это устройство содержит воздухозаборный канал, проходящий через вал рабочего колеса, соединенный с ним коллектор, отходящие от него трубки, которые проходят вдоль каждой лопасти и подводят воздух к средствам для ввода воздуха в проточную часть. Эти средства выполнены в виде пустотелых ребер, каждое из которых простирается от входной кромки лопасти в направлении линии тока в проточной части при расчетном режиме и в задней кромке имеет, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска воздуха. При этом ребро на каждой лопасти расположено своей передней кромкой на расстоянии от ступицы, равном 0,2-0,8 от длины проекции входной кромки лопасти на ось рабочего колеса, а длина ребра составляет 0,05-0,2 от номинального диаметра рабочего колеса. Такое устройство обеспечивает активное подавление кавитационных процессов при работе турбины на режимах, существенно отличающихся от расчетного. 3 ил.

Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины, содержащее воздухозаборный канал, проходящий через вал колеса, коллектор на ступице колеса и соединенные с ним средства ввода воздуха в проточную часть на каждой лопасти, отличающееся тем, что средство ввода воздуха в проточную часть выполнено в виде пустотелого ребра, простирающегося от входной кромки лопасти в направлении линии тока в проточной части на расчетном режиме эксплуатации, и в задней кромке этого ребра выполнено, по меньшей мере, одно отверстие для выпуска воздуха в проточную часть, при этом ребро на каждой лопасти расположено своей передней кромкой на расстоянии от ступицы, равном 0,2 - 0,8 длины проекции входной кромки лопасти на ось рабочего колеса, а его длина составляет 0,05 - 0,2 от номинального диаметра рабочего колеса.