RU2166121C2 - Francis turbine runner - Google Patents

Abstract

FIELD: runners for hydraulic turbines running under head greatly deviating from rated value. SUBSTANCE: runner has device for erosion protection of its blades incorporating water intake channel running through runner shaft and header with outgoing pipes running along each blade to convey air to flow-path air admission devices. These devices are made in the form of hollow fins each stretching from entrance edge of blade towards current line in flow path under rated conditions; there is at least one air-vent hole in exit edge. Each blade has front edge of its fin spaced from hub through 0.2-0.8 of blade entrance edge projection onto runner axis; fin length equals 0.05-02 of nominal diameter of runner. EFFECT: augmented suppression of cavitation processes in turbine running under conditions other than those rated. 3 dwg

Description

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. The invention relates to hydraulic engineering and can be used in radial-axis hydraulic turbines designed to work with large pressure fluctuations at hydroelectric power stations or during operation in the start-up period at low pressures.

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]. The main cavitation destruction of the radial-axial wheel occurs on the rear surfaces of the blades. When the turbine is operating at design pressures, the zone of cavitation destruction can appear directly behind the input edges of the blades at the wheel rim, while working at higher pressure, the cavitation process in this zone is intensified, in addition, a zone of cavitation destruction appears, shifted along the rim towards the output edges, and when work on low heads formed zone of cavitation destruction near the outlet edges of the blades [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. Known means of protection against cavitation destruction in the form of a pair of ribs installed in the zone of occurrence of cavitation [2] or along the boundaries of the zone of cavitation destruction [3]. However, according to the given operational data, the effectiveness of such solutions is not high enough, especially when the turbine is operating in modes that differ from the calculated one.

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. Also known are means of protection against cavitation damage in the form of devices for supplying air to the cavitation zone. An impeller of a radial-axial hydraulic turbine with such a device containing an air intake channel passing through the wheel shaft, a manifold on the wheel hub and means for introducing air into the flowing part on each blade connected to it is the closest analogue of the present invention [4]. In such a well-known wheel, cavitation erosion was most significantly reduced in the area located directly behind the used means of introducing air into the flow part, and in areas located downstream, a decrease in erosion was observed to a lesser extent [5]. The latter is especially unfavorably manifested when the turbine operates at high or low pressure.

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. The basis of the present invention is the task of creating an impeller of a radial-axial hydraulic turbine with such a device for supplying air to the flow path, which would provide significantly more active than in the known impellers, the effect on cavitation processes, suppressing them during operation of a turbine that differs from the calculated .

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. This problem is solved in the impeller of a radial-axial hydraulic turbine, which contains an air intake channel passing through the wheel shaft, a manifold on the wheel hub and means for introducing air into the flowing part on each blade connected to it and in which, in accordance with the essence of the invention, the input means air on each blade is made in the form of a hollow rib extending from the input edge of the blade in the direction of the streamline in the flow part in the design mode of operation, and in the trailing edge of this rib, opposite to relative to the input edge of the blade, made at least one hole for discharging air into the flowing part. In this case, the hollow rib on each blade is located with its front edge at the same distance from the hub, which is 0.2 - 0.8 from the length of the projection of the input edge of the blade on the axis of the impeller, and the length of each hollow rib is 0.05 - 0.2 from nominal impeller diameter.

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. This solution was created and justified as a result of three-dimensional mathematical modeling of the flow in a radial-axial impeller, which made it possible to establish that in operating modes of a hydraulic turbine that differ from the calculated one, the cavitation process is intensified by an additional vortex flow in the flow, which originates in the region of the input edges of the blades at hubs. At elevated pressures, this vortex flow arises on the back surface of the blades and propagates along the input edge of the blades to the rim, then turns and passes along it, leading to an additional decrease in pressure in areas subject to cavitation. When working at low pressures, an additional vortex flow occurs on the working surface of the blades and, propagating from the hub to the rim, rotates and detaches from the working surface of this blade with the transition to the back surface of the adjacent blade and then passes along it to the outlet edge.

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. To neutralize the negative impact of the additional vortex flow, it was proposed to install dividing ribs on the blades that impede the passage of this vortex flow into zones subject to cavitation [6]. The installation of dividing ribs on the path of additional vortex flows, changing their trajectory, can significantly reduce the cavitation erosion, which the impellers are subject to during operation of hydraulic turbines with a large seasonal deviation of pressure from the calculated one. However, as additional experimental studies on the cavitation bench have shown, in addition to the known zones of development of cavitation erosion, when these dividing ribs are installed in the form of continuous deflectors, additional zones of development of cavitation erosion appear on the blades behind the rear ends of these ribs.

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. When the separating ribs are hollow in accordance with the present invention, the organization of the air inlet through them into the flowing part behind the trailing edge of the ribs allows eliminating the occurrence of these additional zones of development of cavitation erosion and further reducing erosion in the known zones characteristic of hydraulic turbine operating modes that deviate significantly from settlement. The rib is made and installed, basically, in the same way as the ribs for deviating the trajectory of additional vortex flows arising behind the input edges of the impeller blades. However, in order to achieve the effect of ejection air supply, the hollow rib according to the invention must be installed a little further from the hub.

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.The essence of the present invention is illustrated by the following example of its use, illustrated by the drawings, in which:
figure 1 shows the impeller of a radial-axial hydraulic turbine in longitudinal section;
FIG. 2 is a fragment of a blade at the location of a hollow rib according to the invention, in a section along AA in FIG. 1 on an enlarged scale;
FIG. 3 shows a hollow rib according to the invention in section BB in FIG. 2
The impeller of a radial-axial hydraulic turbine, shown in the drawings, contains a hub 1, a rim 2 and its associated blades 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. To suppress cavitation processes, the impeller is equipped with an air supply system to the flow part. This system includes an intake channel 4 passing through the impeller shaft, a collector 5 connected thereto for distributing air among the blades 3, supply pipes 6 connected thereto, which are installed in the longitudinal grooves of the blades 7, and means for introducing air into the flow part.

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. Means for introducing air according to the invention are made in the form of hollow ribs 8 located in the direction of the streamlines of the main water flow through the impeller in the calculated operating mode and having a streamlined hydrodynamic wing shape in this direction. On the trailing edge of each rib there is a slotted hole 9 for discharging air into the flow part.

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.Rib 8 for reliable overlapping and changing the trajectory of the additional vortex flow should have a length l of 0.05 - 0.2 of the diameter D ₁ of the impeller and a height t in the range of 0.010 - 0.012 D ₁ . In this case, the rib 8 on each blade 3 with its leading edge should be located directly behind the input edge of the blade and stand at a distance h from the hub 1, which is 0.2 - 0.8 from the length b _{0 of the} projection of the input edge of the blade on the axis of the impeller. This arrangement of the ribs 8 is determined by the results of mathematical modeling carried out in connection with the solution of the problem of eliminating the additional vortex motion that arises at the input edge of the blades, and also due to the need to ensure a reliable ejection effect for supplying air to the flow part.

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. As was previously established for the ribs with the corresponding functional purpose, they should be located on the back surface of the blades 3 for the predicted mode of operation at seasonal increased pressures, and should be located on the working surface of the blades for the predicted mode of operation at seasonal reduced pressures.

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.The invention passed a pilot test for two years at one of the hydroelectric power plants with a radial-axial hydraulic turbine operated with a seasonal significant increase in pressure. On two blades of the impeller of this hydraulic turbine D ₁ = 4.1 m, a hollow rib was installed in the form of a wing directly behind the inlet edge of the blade at a distance h from the hub of 0.72 of the length b _{0 of the} projection of the input edge of the blade on the axis of the impeller. The length of the rib l was 0.05 D ₁ , and its height t was 0.01 D ₁ . The results of the examination of these blades showed:
before the installation of the rib, the intensity of cavitation damage on these blades during operation of the turbine at high pressures was I _v = 0.23 cm ³ / h;
when only air is supplied, the intensity of cavitation destruction is I _v = 0.07 cm ³ / h;
when installing on the blades of the ribs with air inlet cavitation damage was not found.

Источники информации
1. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.35-36, рис 4.7.Sources of information
1. Hydropower and auxiliary equipment of hydroelectric power plants, t.1. M., 1988, p. 35-36, Fig 4.7.

2. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.40. 2. Hydropower and auxiliary equipment of hydroelectric power plants, t.1. M., 1988, p. 40.

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

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

5. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций, т.1. М., 1988 г., с.39-40. 5. Hydropower and auxiliary equipment of hydroelectric power plants, t.1. M., 1988, p. 39-40.

6. Заявка на патент РФ N 99.100253 от 11.01.99. 6. Application for a patent of the Russian Federation N 99.100253 from 01/11/99.

Claims (1)

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. The impeller of a radial-axial hydraulic turbine, containing an air intake channel passing through the wheel shaft, a manifold on the wheel hub and means for introducing air into the flowing part on each blade connected to it, characterized in that the means for introducing air into the flowing part is made in the form of a hollow rib, extending from the input edge of the blade in the direction of the streamline in the flow part in the design mode of operation, and at least one opening is made in the trailing edge of this rib for venting air into the flow part b, the rib on each blade is located with its front edge at a distance from the hub equal to 0.2 - 0.8 of the length of the projection of the input edge of the blade on the axis of the impeller, and its length is 0.05 - 0.2 of the nominal diameter of the working wheels.

Images