СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДОВ ВОДЫ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Российский патент 2003 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к способам измерения расходов воды в гидравлических установках с гидротурбинами, насос-турбинами или насосами, в состав которых входят спиральные камеры.

Известен способ измерения расходов жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами или в подводящих напорных водоводах круглого сечения (International Standard IEC 41-1991-11).

В данном способе используется измерение перепада давления в двух точках одного из поперечных сечений спиральной камеры. Расход определяется в виде:
Q = K₁Δhⁿ (1)
где K₁ - постоянный коэффициент;
Δh - перепад давления в двух точках спиральной камеры;
n = 0,5-степенной показатель.

К недостаткам данного способа измерения расходов следует отнести:
Значительный разброс коэффициентов K₁ даже для однотипных агрегатов многоагрегатных гидравлических установок.

Непостоянство степенного показателя n (по стандарту IEC 41-1991-11 величина n прогнозируется в пределах 0,52-0,48).

Инерционность измерительной системы в целом.

Потеря со временем герметичности импульсных трубок, соединяющих точки отбора давлений с вторичной аппаратурой. Трубки прокладываются в бетонном массиве и недоступны для ремонта.

Известен способ измерения расходов воды в гидравлических установках в подводящих напорных водоводах круглого сечения (International Standard IEC 41-1991-11). В этом способе применен ультразвуковой расходомер, размещенный в подводящих водоводах круглого сечения.

Недостатками этого способа являются:
Ограниченность области применения из-за требования протяженного прямолинейного участка водовода постоянного сечения.

Удаленность створа размещения ультразвукового расходомера от здания гидросилового оборудования.

В связи с этим вышеуказанный способ не применим для низконапорных гидравлических установок, которые имеют либо короткие водоводы без требуемых протяженных прямолинейных участков, либо водоводы вообще отсутствуют (доприемники сопрягаются непосредственно со спиральной камерой).

Известен способ применения ультразвуковых расходомеров на низконапорных гидроэлектростанциях, не имеющих подводящих водоводов [Publicationon: presented at IGHEM 98 (pdf format-172 kb) and Publication: Hydro Vision 98, Reno, Nevada (pdf format-99 kb). В этом способе ультразвуковой расходомер устанавливается на раме, размещаемой в пазах сороудерживающих решеток или в пазах аварийно-ремонтных затворов.

Такой способ пригоден только при проведении испытаний гидротурбинного оборудования и не является эксплуатационным, когда требуется выполнять непрерывный контроль за величинами расходов воды и объемом стока в течение длительного времени, так как пазы сороудерживающих решеток или аварийно-ремонтных затворов не могут быть длительно заняты посторонним оборудованием.

Ближайшим аналогом (прототипом) настоящего изобретения является описанный выше способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, заключающийся в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров (International Standard, IEC 41-1991-11), расход жидкости определяется степенной зависимостью от величин перепада давлений в двух точках спиральной камеры.

Техническим результатом использования настоящего изобретения является повышение надежности и точности измерений, применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность, а также расширение области применения ультразвукового расходомера.

Задача заявленного изобретения достигается за счет того, что в известном способе определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, заключающемся в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров, один из акустических преобразователей устанавливают на стенке спиральной камеры, а второй - на одной из статорных колонн, причем акустический луч формируют под углом к касательной к окружности, проведенной по входным кромкам статорных колонн, лежащим в диапазоне от 0^o до угла установки статорных колонн +15÷20^o.

Акустические преобразователи могут размещаться в пределах высоты статорных колонн.

Для монтажа акустических преобразователей могут применяться накладные или закладные крепежные приспособления.

На фиг.1 - гидравлическая установка со спиральной камерой;
фиг.2 - геометрическая схема формирования акустического луча в плане;
фиг. 3 - график зависимости коэффициента - K(α, ϕ₁) от величин углов α, ϕ₁;
фиг.4 - входное сечение бетонной спиральной камеры;
фиг.5 - входное сечение металлической спиральной камеры;
фиг.6 - схема расположения акустических преобразователей;
фиг.7 - внешний вид статорных колонн;
фиг. 8 - накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя на входной кромке статорной колонны;
фиг. 9 - накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя на стенке спиральной камеры;
фиг. 10 - закладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя в теле входной кромки статорной колонны;
фиг. 11 - закладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя в стенке спиральной камеры;
фиг. 12 - накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя между соседними статорными колоннами на верхнем или нижнем поясах, объединяющих статорные колонны.

Устройство для реализации способа измерения расходов жидкости в гидравлических установках, включающих электрическую машину (двигатель, генератор, генератор-двигатель) 1, гидравлическую машину (гидротурбина, насос-турбина, насос) 2, неподвижные статорные колонны 3 и спиральную камеру 4 (бетонную или металлическую) с зубом 5 (фиг.4, 5) внешним контуром 6 (фиг.1), содержит расходомерный узел, выполненный в виде ультразвукового расходомера с первым акустическим преобразователем 7, установленным на стенке 8 спиральной камеры 4, вторым акустическим преобразователем 9, установленным на одной из статорных колонн 3 или между статорными колоннами 3 на верхнем 10 или нижнем 11 поясах, объединяющих статорные колонны 3, на фиг 6 и 7 под поз. 12 указана входная кромка статорной колонны, под поз. 13 - входное сечение спиральной камеры, под поз. 14 - внешняя граница спиральной камеры.

Монтаж акустических преобразователей выполняется с помощью крепежных приспособлений, показанных на фиг.8-12.

На фиг.8 (узел А) изображено накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя на входной кромке статорной колонны, где:
12 - входная кромка статорной колонны;
15 - крепежное приспособление обтекаемой формы;
9 - акустический преобразователь.

На фиг. 9 (узел Б) показано накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя на стенке спиральной камеры, где:
16 - крепежное приспособление обтекаемой формы;
7 - акустический преобразователь;
8 - стенка спиральной камеры.

На фиг. 10 (узел В) изображено закладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя в теле входной кромки статорной колонны, где:
17 - тело входной кромки статорной колонны;
9 - акустический преобразователь;
18 - крепежное приспособление.

На фиг. 11 (узел Г) показано закладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя в стенке спиральной камеры, где:
7 - акустический преобразователь;
8 - стенка спиральной камеры;
19 - закладное крепежное приспособление.

На фиг. 12 (узел Д) показано накладное крепежное приспособление для монтажа акустического преобразователя между соседними статорными колоннами на верхнем или нижнем поясах, объединяющих статорные колонны, где:
3 - статорная колонна;
9 - второй акустический преобразователь;
20 - накладное крепежное приспособление обтекаемой формы;
верхний 10 или нижний 11 - пояс, объединяющий статорные колонны.

На фиг.2 представлены окружность 21 радиусом -r₀, проведенная по входным кромкам статорных колонн, 22 - траектория окружной скорости, α-угол трассировки акустического луча, АП1 - акустический преобразователь 7, установленный в точке N, АП2 - акустический преобразователь 9, установленный в точке К, La-длина акустического луча от точки К до точки N, О - ось вращения рабочего колеса гидромашины, Ur.

На фиг. 4 и 5 О - ось вращения агрегата, АП1 - акустический преобразователь 7 на стенке спиральной камеры, АП2₁- акустический преобразователь 9, установленный на одной из статорных колон, АП2₂-акустический преобразователь 9, установленный между статорными колоннами 3 на верхнем или нижнем поясах 10, 11, объединяющих статорные колонны 3.

Способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами 4 и размещенными в них статорными колоннами 3 заключается в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями 7 и 9 и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров, один из акустических преобразователей 7 устанавливают на стенке спиральной камеры, а второй 9 - на одной из статорных колонн, причем акустический луч формируют под углом к касательной к окружности, проведенной по входным кромкам 12 статорных колонн 3, лежащим в диапазоне от 0^o до угла установки статорных колонн +15÷20^o.

Акустические преобразователи 7 и 9 могут быть размещены в пределах высоты статорных колонн.

Многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями (И.Е. Михайлов. Турбинные камеры гидроэлектростанций. Энергия, Москва, 1970) установлено:
Эпюры окружных, радиальных и вертикальных составляющих скоростей течения воды в спиральной камере при различных величинах расходов подобны, то есть безразмерные поля течения воды в спиральной камере не зависят от величины расхода и определяются только размерами камеры, ее формой и условиями входа.

Характер изменения величин окружных скоростей не зависит от метода расчета спиральной камеры и подчиняется закону постоянства произведения величины окружной скорости на радиус.

Отношение радиальной составляющей скорости к окружной составляющей равно тангенсу угла установки статорных колонн δ_ст (фиг.2).

Эти свойства течения воды в спиральных камерах позволяют предложить новый принцип измерения расходов, применимый для всех типов спиральных камер (бетонных с углами охвата от 180 до 345^o и металлических с углами охвата 345^o и более).

Учитывая свойства течения воды в спиральных камерах и рассматривая геометрическую схему трассировки акустического луча L_a, приведенную на фиг.2, можно представить среднюю величину проекций абсолютной скорости течения воды Va на акустический луч в виде:

где I - интеграл проекций скорости Va на акустический луч в пределах от r₀ до r;
B₀ - высота статорной колонны;
δ_ст - угол установки статорных колонн.

Коэффициент К₂ зависит только от геометрических параметров (В₀ и δ_ст) конкретной гидравлической установки и поэтому для данной установки является постоянной величиной. Коэффициент K(α, ϕ₁) для выбранной трассировки луча (по величинам α и ϕ₁) также величина постоянная. В связи с этим:
Q_ϕ1 = K_Q(V_α)_cp, (3)
где K_Q - коэффициент расхода, постоянный при любом расходе конкретной установки и имеет размерность м².

Полный расход гидравлической установки равен:

Выражение (4) справедливо при условии относительно равномерного распределения расхода по всему периметру статорных колонн (360^o), где ϕ₁ - угол, отсчитываемый от зуба спиральной камеры в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса гидравлической установки.

Анализ выражения коэффициента K(α, ϕ₁) показывает (фиг.3):
Угол трассировки акустического луча, а может быть выбран в диапазоне от α= 0 до α = δ_ст+15÷20^°. Максимальная величина K(α, ϕ₁) имеет место при α, равном углу установки статорных колонн α = δ_ст для любых типов и конструкций спиральных камер (фиг. 2), кривые I для металлической спиральной камеры с углом охвата ϕ = 345^° с установкой акустического преобразователя 9 на второй (2 м), четвертой (4 м) и шестой (6 м) статорных колоннах 3, кривые II для бетонной спиральной камеры 3 с неполным углом охвата (ϕ = 180^°) с установкой акустического преобразователя 9 на первой, второй и третьей статорных колоннах 3 от зуба 5 спиральной камеры 4. Один из акустических преобразователей 9 (АП2₁) (АП2₂) может быть установлен на любой из статорных колонн 3 или между двумя соседними статорными колоннами 3 на верхнем 10 или нижнем 11 поясах, объединяющих статорные колонны 3, но так, чтобы место установки акустического преобразователя 7 АП1 не пересекало границу входного сечения 13 спиральной камеры 4 (фиг.5 и 6). Величина коэффициента K(α, ϕ₁) тем больше, чем меньше угол, то есть, чем ближе установка акустических преобразователей 9 (AП2₁) и (АП2₂₎ к зубу 5 спиральной камеры. В поперечном сечении спиральной камеры 3 акустический преобразователь 9 на статорной колонне или между двумя соседними статорными колоннами на верхнем или нижнем поясах, объединяющих статорные колонны, и акустический преобразователь 7 на стенке спиральной камеры могут устанавливаться в диапазоне высоты - Во статорной колонны 3.

При установке акустического преобразователя 9 на статорной колонне 3 в плоскости, проведенной посередине статорных колонн 3 (на высоте Во/2), вертикальная составляющая скорости течения будет равна нулю, что обеспечивает оптимальную величину коэффициента K(α, ϕ₁).

Изобретение может быть использовано для измерения объемного расхода жидкости в действующих гидравлических установках, включающих турбины, насос-турбины или насосы со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами. Среднюю скорость потока, по которой определяют расход, измеряют с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями, один из которых устанавливают на стенке спиральной камеры, а второй - на одной из статорных колонн. Акустический луч формируют под углом к касательной к окружности, проведенной по входным кромкам статорных колонн, в диапазоне от 0^o до угла установки статорных колонн +15÷20^o. Изобретение обеспечивает повышение надежности и точности измерения. 2 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, заключающийся в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров, отличающийся тем, что один из акустических преобразователей устанавливают на стенке спиральной камеры, а второй - на одной из статорных колонн, причем акустический луч формируют под углом к касательной к окружности, проведенной по входным кромкам статорных колонн, лежащим в диапазоне от 0 до угла установки статорных колонн + 15÷20^o. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что акустические преобразователи размещают в пределах высоты статорных колонн. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для монтажа акустических преобразователей применяют накладные или закладные крепежные приспособления.