СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ГИДРОТУРБИНЕ Российский патент 2024 года по МПК F03B3/02 F03B11/04 

Изобретение относится к области работы гидротурбин, в частности к области активного управления потоком в радиально-осевой гидротурбине.

Эффективная и безопасная работа турбины зависит в значительной степени от формирования закрученного потока и передачи крутящего момента рабочему колесу от закрученного водного потока. При этом в отсасывающей трубе, установленной ниже по течению, может формироваться режим сильно закрученного потока при нерасчетном режиме работы. При частичных нагрузках в области отсасывающей трубы возникают вихревые структуры, которые вызывают сильные колебания давления в трубе и могут (в случае резонанса) вызвать разрушение конструкции гидротурбины. При нерасчетных и неоптимальных режимах работы гидротурбины за рабочим колесом могут возникать опасные гидродинамические неустойчивости в виде распада вихря и прецессии вихревого ядра (ПВЯ).

Также частота вращения вихря может совпадать с собственными частотами составляющих частей конструкций ГЭС, вызывая опасный резонанс.

Известно, что при неоптимальных нагрузках гидротурбины имеют место синхронные и асинхронные пульсации давления в отсасывающей трубе. Эти пульсации давления и вызванные ими вибрации элементов гидротурбины оказывают отрицательное воздействие на работу гидротурбины.

В качестве ключевой причины таких колебаний было определено явление генерации и распада вихрей. Для подавления таких колебаний необходимо управлять частотой прецессии вихрей или исключить нестационарный процесс распада вихря. [Shtork, S.; Suslov, D.; Skripkin, S.; Litvinov, I.; Gorelikov, E., An Overview of active control techniques for vortex rope mitigation in hydraulic turbines, Energies, 2023, 16, 5131. https://doi.org/10.3390/en16135131].

В гидроэнергетике часто применяют радиально-осевые турбины (турбины Френсиса). После рабочего колеса (runner - eng.) турбины Френсиса вода поступает в отсасывающую трубу (draft tub - eng.), в которой могут развиваться гидродинамические нестабильности в виде пульсаций давления. Из отсасывающей трубы вода выпускается в нижний бьеф гидросооружения.

При этом важно, чтобы средства управления вихревыми течениями для подавления пульсаций давления в гидротурбине не снижали КПД работы гидротурбины. Пассивные средства управления вихревым течением включают различные геометрические компоненты (ребра, направляющие лопатки и пр.), которые меняют картину течения в трубе. Но пассивные элементы управления потоком могут вызывать вторичные нестабильности течения или повышают гидравлическое сопротивление в трубе.

Другой подход для управления вихревыми структурами - это активные методы контроля турбулентным течением через организацию водных или воздушных струй, что позволяет перераспределить зоны с низким давлением. Но подача струй в отсасывающую трубу требует дополнительной энергии и повышает гидравлическое сопротивление.

В публикации [Tanasa C. et al. Flow-Feedback for Pressure Fluctuation Mitigation and Pressure Recovery Improvement in a conical diffuser with swirl //International Journal of Fluid Machinery and Systems. - 2011. - Т. 4. - №. 1. - С. 47-56.] рассмотрен случай подачи воды в приосевую область трубы через инжектор. Такой активный способ разрушает зону возвратного течения и само ядро вихря, а также снижает градиенты давления. В частности, введение водяной струи в поток может предотвратить образование вихревого жгута и помогает избежать резонансных явлений в трубе. С другой стороны, при других режимах течения инжекция воды в трубу не вызывает существенного изменения в уровне пульсаций давления. Описанный способ является ближайшим прототипом описанного ниже изобретения.

Таким образом, есть необходимость управления пульсациями давления в отсасывающей трубе радиально-осевой гидротурбины с помощью способа подачи струй воды в отсасывающую трубу.

В качестве технической проблемы существует необходимость управления пульсациями давления в отсасывающей трубе радиально-осевой гидротурбины. Техническим результатом решения проблемы является повышение безопасности работы гидротурбины за счет подавления вихревых структур в отсасывающей трубе гидротурбины.

Задача изобретения решается тем, что подают поток воды через полый вал гидротурбины и далее через инжектор, размещенный на конце полого вала, задают пороговый уровень шума в отсасывающей трубе, соответствующий безопасному режиму работы гидротурбины, и устанавливают по меньшей мере два датчика противоположно на стенках отсасывающей трубы, отличающийся тем, что при превышении уровня шума выше порогового уровня увеличивают объемный расход воды через инжектор, при понижении уровня шума ниже порогового уровня понижают объемный расход воды через инжектор, причем измеряют уровень шума в виде разности сигналов шума от двух датчиков, выполненных акустическими, которые располагают на внутренних стенках отсасывающей трубы.

Способ активного подавления пульсаций давления в отсасывающей трубе радиально-осевой гидротурбины поясняется на следующих чертежах.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показана общая диаграмма способа подавления пульсаций давления в турбине Френсиса, которые диагностируются в отсасывающей трубе.

На фиг. 2 показан пример реализации инжектора для подачи водяных струй в отсасывающую трубу турбины.

На фиг. 3 показан пример другой рабочей геометрии для подачи водяных струй из полого вала в отсасывающую трубу турбины.

На фиг. 4 показаны примеры снижения пульсаций давления в виде уменьшения амплитуды шума от двух низкочастотных акустических датчиков. Показаны уровни пульсаций давления для инжекторов различной конфигурации относительно амплитуды пульсаций для конфигурации без активного управления (без ввода струй в отсасывающую трубу).

Способ подавления пульсаций давления иллюстрируется с помощью схемы гидротурбины на фиг. 1.

Ротором гидротурбины является рабочее колесо 1, соединённое с полым валом турбины 2. Статором 4 является несущий элемент проточной части турбины, содержащий профилированные колонны, которые придают направление потоку воды. Также в статор входит направляющий аппарат 5, который изменяет закрутку потока и регулирует расход турбины (то есть режим работы) за счет поворота лопаток. Снаружи к статору 4 подсоединяется спиральная камера, которая предназначена для подвода воды к направляющему аппарату 5. Особая форма камеры служит для равномерного распределения потока по всей окружности статора 4. Отвод воды от рабочего колеса 1 осуществляется через отсасывающую трубу 6. Далее вода из отсасывающей трубы 6 попадает в нижний бъеф.

В отсасывающей трубе 6 могут развиваться пульсации давления, связанные с движением генерированного вихря 3 (в случае если не вся энергия вращения потока передается рабочему колесу турбины). Для мониторинга пульсаций давления на стенках отсасывающей трубы 6 устанавливают по меньшей мере два акустических датчика 7 (два гидрофона). Полый вал турбины 2 используется как канал для подачи воды (далее в рамках данного описания это эквивалентные признаки). На входе канала установлен расходомер для контроля потока воды (не показан) и вентиль, который обеспечивает различные значения расхода воды через полый вал.

На выходе вала (на валу 2) установлен инжектор 8, который размещают на выходе из рабочего колеса 1. Инжектор 8 имеет совокупность узких отверстий с выбранной геометрией. Вода выходит в виде отдельных струй через отверстия инжектора 8 и далее взаимодействует с потоком. Подача воды под давлением в полый канал 2 гидротурбины осуществляется посредством байпасной трубы (не показана) или с помощью водяного насоса.

Способ подавления пульсаций давления в радиально-осевой гидротурбине осуществляют следующим образом.

При оптимальном режиме работы гидротурбины (который известен из рабочей характеристики турбинной машины) имеет место низкий уровень шумов. Вначале измеряют этот низкий уровень шумов турбины с помощью низкочастотных акустических датчиков 7, размещенных на внутренних стенках отсасывающей трубы 6. Этот уровень шумов соответствует безопасному уровню пульсаций давления.

Шумы, измеряемые низкочастотными акустическими датчиками, имеют в качестве компонент широкополосный шум (вызван различными источниками - течением воды в самой турбине, кавитацией, вращением механических компонентов турбины, шумом от инжектора) и квазипериодический шум, вызванный прохождением прецессирующего ядра вихря 3 вблизи акустических датчиков. Именно этот процесс движения вихря связан с сильными колебаниями давления в гидротурбине (например, распад вихря вызывает колебания давления). Интенсивность такого квазипериодического шума измеряют, вычитая сигнал от одного датчика (вблизи от ядра вихря) из сигнала от противоположного датчика (в этот момент находится вдали от ядра вихря). Вычитание сигнала осуществляется простой аналоговой электронной схемой (не показано). Подавление пульсаций давления с помощью струй напрямую видно по уменьшению амплитуды разности двух акустических сигналов от двух датчиков.

При неоптимальном режиме работы турбины уровень шума обычно повышается. Если уровень шума превышает установленный ранее «безопасный уровень шума» турбины, то включают подачу воды через полый вал 2. На выходном конце полого вала 2 установлен инжектор 8 с совокупностью отверстий. Вода в виде отдельных струй попадает в конус отсасывающей трубы 6.

В одном из вариантов осуществления изобретения инжектор 8 имеет совокупность отверстий с осевой направленностью - вдоль оси отсасывающей трубы (см. фиг. 2).

В другом варианте осуществления изобретения отверстия в инжектор имеют и радиальную и осевую направленность (фиг. 3) - в центре отверстия ориентированы вдоль оси, а по периметру инжектора имеются отверстия с радиальной направленностью. Как будет показано в примерах реализации, не все конфигурации инжектора обеспечивают подавление пульсаций давления. Отдельные конфигурации инжектора не снижают существенно интенсивность акустического сигнала (и вихревых структур). Отдельные варианты инжектора, напротив, усиливают вращение вихря и усиливают колебания давления в отсасывающей трубе.

Хотя относительный объемный расход воды через полый вал 2 и инжектор 8 довольно низкий (от 0 до 5-6% от объемного расхода воды через турбину), но такого расхода воды достаточно для эффективного подавления пульсаций давления на выходе. Геометрия инжектора (количество и направление отверстий) существенно влияет на эффективность способа подавления пульсаций давления в гидротурбине. В большинстве эффективных вариантов инжектора число малых отверстий лежит в интервале от 20 до 80 отверстий. Суммарная площадь отверстий составляет менее 15% от общего сечения инжектора.

Диаметр инжектора 8 больше внешнего диаметра вала 2 и в предпочтительных вариантах находится в интервале от 10% до 20% от диаметра рабочего колеса.

Способ подавления пульсаций давления обеспечивает экономный расход воды - воду подают через инжектор 8 в начало отсасывающей трубы 6 в случае, если регистрируются высокая разность сигналов от двух противоположных акустических датчиков. При низком уровне шума необходимости управлять шумом уже нет и подача воды через вал прекращается.

Примеры.

Способ подавления пульсаций давления в турбине (турбина Френсиса) был протестирован с помощью стенда для испытания гидротурбины, описанной в патенте на полезную модель U202408 U1 (патентообладатель - Институт теплофизики СО РАН). Стенд обеспечивает поток с числом Рейнольдса, находящимся в области автомодельности течения. Вместо водяной среды на стенде используется воздушная, а правомерность такого подхода также описана в патенте на полезную модель U202408 U1 (обеспечивается корректная имитация течения водных струй в гидротурбине). Стенд позволяет оценить наличие и интенсивность вихревых течений в отсасывающей трубе турбины Френсиса.

На стенде был установлен компрессор для подачи воздуха через полый вал 2 турбины и на стенках отсасывающей трубы укреплены два противоположно размещенных гидрофона (измерения в частотном интервале от 2 до 200 Гц).

Оптимальные геометрии для инжектора 8 показаны на фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 2 показаны инжекторы (с резьбовым креплением на конец полого вала) с отверстиями с диаметром 1 мм. Такой размер отверстий позволяет свободно выходить воздуху в виде направленных воздушных струй.

Показан многоструйный инжектор с осевыми отверстиями (36 отверстий - фиг. 2), которые равномерно распределены по поперечной площади инжектора. Радиально-осевой инжектор на фиг. 3 имеет 72 отверстия (диаметром 1 мм), равномерно расположенных по периметру инжектора (36 отверстий) и по сечению инжектора (еще 36 отверстий). Диаметр каждого инжектора составляет 20% от диаметра рабочего колеса 1 (фиг. 1). Суммарная площадь всех осевых отверстий для выбранных конфигураций составляет 9% от площади сечения инжектора.

Диаметр инжектора больше диаметра вала 2 и составляет приблизительно 20% от диаметра рабочего колеса 1.

Когда турбина работает в неоптимальном режиме (недогрузка или перегрузка), то появляются низкочастотные шумы, регистрируемые акустическими датчиками. Амплитуда таких шумов для случая отсутствия инжектора обозначена за 1 условную единицу (усл. ед.), относительно которой далее определяют эффект подавления шумов (пульсаций).

На фиг. 4 в виде столбчатых диаграмм показана результативность вдува воздушных струй для различных расходов воздуха (последовательно испытаны варианты с расходом воздуха 1%, 2%, и 3% от общего расхода флюида). Пульсации давления представлены в виде относительной амплитуды пульсаций по сравнению с конфигурацией без управления потока посредством струй (без инжектора). Этот исходный уровень пульсаций показан утолщенной горизонтальной линией.

При этом уверенное подавление пульсаций давления (то есть амплитуды шума) отмечено для инжекторов с маркировкой R3610 (изображен на фиг. 3) и с маркировкой AR-3610 (фиг. 3).

Как видно из графика относительной амплитуды пульсаций (фиг. 4), инжекторы с иными вариантами размещения отверстий (не показаны на фиг. 2 и 3) оказались неэффективными. Отдельные образцы инжекторов даже усиливают вихревое течение в отсасывающей трубе гидротурбины.

Хотя изобретение описано для турбины Френсиса, способ подавления пульсаций давления применим и к другим турбинным машинам, например для турбины Каплана.

Использование изобретения позволяет повысить безопасность работы гидротурбины за счет подавления вихревых структур в отсасывающей трубе гидротурбины.

Изобретение относится к способу подавления пульсаций давления в радиально-осевой гидротурбине. Способ заключается в том, что подают поток воды через полый вал 2 гидротурбины и далее через инжектор 8, размещенный на конце вала 2. Задают пороговый уровень шума в отсасывающей трубе 6, соответствующий безопасному режиму работы гидротурбины. Устанавливают по меньшей мере два акустических датчика 7 противоположно на внутренних стенках трубы 6. При превышении уровня шума выше порогового уровня увеличивают объемный расход воды через инжектор 8. При понижении уровня шума ниже порогового уровня понижают объемный расход воды через инжектор 8. Измеряют уровень шума в виде разности сигналов шума от двух датчиков 7. Изобретение направлено на повышение безопасности работы гидротурбины. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ подавления пульсаций давления в радиально-осевой гидротурбине, заключающийся в том, что подают поток воды через полый вал гидротурбины и далее через инжектор, размещенный на конце полого вала, задают пороговый уровень шума в отсасывающей трубе, соответствующий безопасному режиму работы гидротурбины, устанавливают по меньшей мере два датчика противоположно на стенках отсасывающей трубы, отличающийся тем, что при превышении уровня шума выше порогового уровня увеличивают объемный расход воды через инжектор, при понижении уровня шума ниже порогового уровня понижают объемный расход воды через инжектор, причем измеряют уровень шума в виде разности сигналов шума от двух датчиков, выполненных акустическими, которые располагают на внутренних стенках отсасывающей трубы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимальный объемный расход воды через инжектор составляет 6% от объемного расхода воды через гидротурбину.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инжектор имеет отверстия с осевой направленностью.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инжектор имеет отверстия с радиальной и осевой направленностью.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инжектор имеет от 20 до 80 отверстий.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что совокупная площадь отверстий инжектора составляет менее 15% от площади поперечного сечения инжектора.