RU2489597C1 - Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine - Google Patents
Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2489597C1 RU2489597C1 RU2011150593/06A RU2011150593A RU2489597C1 RU 2489597 C1 RU2489597 C1 RU 2489597C1 RU 2011150593/06 A RU2011150593/06 A RU 2011150593/06A RU 2011150593 A RU2011150593 A RU 2011150593A RU 2489597 C1 RU2489597 C1 RU 2489597C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- impeller
- radial
- nozzle
- suction pipe
- air
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Landscapes
- Hydraulic Turbines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидромашиностроения и может быть использовано в отсасывающих трубах радиально-осевых гидротурбин.The invention relates to the field of hydraulic engineering and can be used in the suction pipes of radial-axis hydraulic turbines.
Известно устройство для повышения устойчивости работы гидротурбины, содержащее направляющий аппарат, напорный воздушный коллектор и подсоединенные к нему выпускные трубки, сообщенные с проточным трактом, при этом устройство снабжено выполненными в статорных колоннах со стороны направляющего аппарата продольными пазами, а выпускные трубки установлены в пазах с возможностью продольного перемещения и подсоединены к воздушному коллектору при помощи гибких шлангов с дозирующими элементами (SU №1263902, МПК F03B 11/04, 15.10.1986).A device for increasing the stability of a hydraulic turbine is known, comprising a guiding apparatus, a pressure air manifold and exhaust pipes connected to it, connected to the flow path, the device being provided with longitudinal grooves made in the stator columns from the side of the guiding apparatus, and the exhaust tubes are installed in the grooves with the possibility of longitudinal movement and connected to the air manifold using flexible hoses with metering elements (SU No. 1263902, IPC
Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченную область положительного влияния на демпфирование пульсаций гидродинамического давления в виду неравномерного распределения газовой фазы по площадям диска рабочего колеса турбины, невозможности подать в область рабочего колеса гомогенизированную однородную водовоздушную смесь с пузырями примерно одинакового размера.A disadvantage of the known device is that it has a limited area of positive influence on the damping of hydrodynamic pressure pulsations due to the uneven distribution of the gas phase over the areas of the turbine impeller disk, the inability to supply a homogenized homogeneous air-water mixture with bubbles of approximately the same size to the region of the impeller.
Известно устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины, содержащее выполненный по оси втулки рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины канал подачи сжатого воздуха, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины (JP. №63-59026 (В), МПК F03B 11/04, 17.11.1988).A device is known for increasing the stability of operation of a radial-axial hydraulic turbine, comprising a channel for supplying compressed air made along the axis of the impeller sleeve of the radial-axial turbine, communicated at the outlet with the space behind the exit cut of the blades of the impeller of the radial-axial turbine (JP. No. 63-59026 ( B), IPC
Это известное устройство позволяет улучшить эффективность работы гидротурбины на нерасчетном режиме, в частности, при снижении нагрузки.This known device allows to improve the efficiency of the turbine in off-design mode, in particular, while reducing the load.
Недостатком этого известного устройства является то, что оно не позволяет в должной мере уменьшить формирование вихревого жгута в осевой области за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, что не позволяет устранить в полной мере вибрации из-за пульсации гидродинамического давления жидкости при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.The disadvantage of this known device is that it does not allow to adequately reduce the formation of a vortex bundle in the axial region behind the output cut of the impeller of a radial-axial hydraulic turbine, which does not completely eliminate vibration due to pulsation of the hydrodynamic pressure of the liquid during operation of the turbine on off-design mode.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины, включающее выполненный вдоль оси рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины перепускной канал, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, при этом рабочее колесо снабжено закрепленным на втулке рабочего колеса и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток рабочего колеса соосно последнему сужающийся в направлении отсасывающей трубы и выполненный осесимметричным обтекатель, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы, перепускной канал выполнен в обтекателе и сообщен с отсасывающей трубой и с каналами, выполненными в радиальном направлении (см. патент US 2182974, кл. F03B 11/04, 12.12.1939).Closest to the claimed device in technical essence and the achieved result is a device for increasing the stability of the radial-axis hydraulic turbine, including a bypass channel made along the axis of the impeller of the radial-axial turbine, communicated at the outlet with the space behind the exit cut of the blades of the impeller of the radial-axial turbine while the impeller is provided with a fixed on the impeller bushing and located in space behind the output edges of the impeller blades coaxial to the latter tapering in the direction of the suction pipe and made axially symmetric cowl, the outlet portion of which is located in the area of the inlet section of the suction pipe, the bypass channel is made in the cowl and communicated with the suction pipe and with channels made in the radial direction (see patent US 2182974, cl.
Данное техническое решение, принятое за прототип, позволяет уменьшить вибрации, вызванные пульсациями гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе при работе гидротурбины на нерасчетном режиме.This technical solution, adopted as a prototype, allows to reduce the vibrations caused by pulsations of the hydrodynamic pressure of the liquid in the suction pipe when the turbine is in off-design mode.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что оно имеет ограниченную область положительного влияния на демпфирование пульсаций гидродинамического давления в виду того, что подача сжатого воздуха в область за выходной кромкой лопаток рабочего колеса, обеспечивая более равномерное распределение пузырьков сжатого воздуха в потоке жидкости, не позволяет создать гомогенизированную однородную водовоздушную смесь с пузырями примерно одинакового размера во всей области за выходным срезом рабочего колесом, что снижает эффективность данного устройства по демпфированию пульсаций гидродинамического давления.A disadvantage of the known device adopted for the prototype is that it has a limited area of positive influence on the damping of pulsations of hydrodynamic pressure in view of the fact that the supply of compressed air to the area beyond the outlet edge of the impeller blades, providing a more uniform distribution of compressed air bubbles in the fluid flow , does not allow you to create a homogenized homogeneous water-air mixture with bubbles of approximately the same size in the entire area beyond the output section of the impeller, which lowers the efficiency of the device by hydrodynamic pressure pulsation damping.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий для формирования гомогенизированной однородной водовоздушной смеси с пузырями примерно одинакового размера в зоне за выходным срезом рабочего колеса с одновременным устранением дефекта массы на режимах частичной нагрузки и, за счет этого, расширение диапазона устойчивой работы гидротурбины.The problem to which the present invention is directed, is to create conditions for the formation of a homogenized homogeneous water-air mixture with bubbles of approximately the same size in the area behind the exit cut of the impeller while eliminating the mass defect under partial load conditions and, due to this, expanding the range of stable operation of the hydraulic turbine .
Технический результат заключается в том, что достигается снижение интенсивности пульсаций давления потока в проточной части радиально-осевой гидротурбины в зоне за выходным срезом рабочего колеса. Устраняется дефект массы за рабочим колесом и, кроме того, осуществляется «акустическая развязка», т.е. исключение распространения возмущений между источником пульсаций (вихревым жгутом) и ротором гидротурбины с рабочим колесом за счет создания рабочего тела в виде водовоздушной смеси с равномерным распределением воздушных пузырей примерно одинакового размера, обладающего минимальной скоростью звука, вследствие чего происходит расширение диапазона устойчивой работы радиально-осевой гидротурбины.The technical result consists in the fact that a reduction in the intensity of the pulsations of the flow pressure in the flow part of the radial-axial hydraulic turbine is achieved in the area behind the output section of the impeller. The mass defect behind the impeller is eliminated and, in addition, “acoustic isolation” is carried out, i.e. the elimination of disturbance propagation between the pulsation source (vortex bundle) and the rotor of the turbine with the impeller due to the creation of a working fluid in the form of a water-air mixture with a uniform distribution of air bubbles of approximately the same size with a minimum sound velocity, as a result of which the range of stable operation of the radial-axial hydraulic turbine is expanded .
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины содержит выполненный вдоль оси рабочего колеса перепускной канал, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса, при этом рабочее колесо снабжено закрепленным на втулке рабочего колеса и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток рабочего колеса соосно последнему сужающийся в направлении отсасывающей трубы и выполненный осесимметричным обтекатель, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы, перепускной канал выполнен в обтекателе и сообщен со стороны входа с отсасывающей трубой, а со стороны выхода перепускной канал сообщен с пространством за выходным срезом лопаток рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины через выполненные в обтекателе в радиальном направлении выпускные каналы.This problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the device for increasing the stability of the radial-axial hydraulic turbine contains a bypass channel made along the axis of the impeller, communicated at the outlet with the space behind the exit cut of the impeller blades, while the impeller is secured to the impeller sleeve and located in the space behind the outlet edges of the impeller vanes coaxially to the latter tapering in the direction of the suction pipe and made axially trican cowl, the outlet section of which is located in the area of the inlet section of the suction pipe, the bypass channel is made in the cowl and communicated on the inlet side with the suction pipe, and on the outlet side the bypass channel is communicated with the space behind the exit cut of the impeller vanes of the radial-axial hydraulic turbine through radial fairing exhaust ducts.
Выходное сечение каждого выпускного канала может быть расположено в выполненном в обтекателе углублении с образованием над выходным сечением каждого выпускного канала козырька.The output section of each exhaust channel may be located in a recess made in the fairing to form a visor above the output section of each exhaust channel.
В обтекателе могут быть выполнены дополнительные впускные каналы, сообщенные с перепускным каналом, расположенные в зоне входного участка отсасывающей трубы.In the fairing can be made additional inlet channels in communication with the bypass channel located in the area of the input section of the suction pipe.
В обтекателе со стороны входа в дополнительные впускные каналы могут быть выполнены уступы.In the fairing on the side of the entrance to the additional inlet channels can be made ledges.
В обтекателе колеса может быть выполнен канал подвода сжатого воздуха, сообщенный со стороны входа через выполненный во втулке рабочего колеса канал с источником сжатого воздуха и со стороны выхода с радиальными каналами подачи сжатого воздуха.A channel for supplying compressed air can be made in the fairing of the wheel, communicated from the inlet side through a channel with a source of compressed air made in the impeller sleeve and from the outlet side with radial channels for supplying compressed air.
В перепускном канале со стороны входа может быть закреплено лопаточное колесо.In the bypass channel, an impeller can be fixed on the inlet side.
Отсасывающая труба выполнена с соплом или соплами для подвода в нее в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины водовоздушной смеси. Сопло выполнено в стенке отсасывающей трубы за выходным срезом рабочего колеса, со стороны выходного сечения сопло представляет собой кольцевую щель или одно или несколько отверстий в стенке отсасывающей трубы.The suction pipe is made with a nozzle or nozzles for supplying to it in the area behind the exit cut of the impeller of the radial-axial turbine of the air-water mixture. The nozzle is made in the wall of the suction pipe behind the outlet slice of the impeller, from the side of the outlet section the nozzle is an annular gap or one or more holes in the wall of the suction pipe.
Данное сопло или сопла снабжено двумя насадками - водяным и воздушным, - расположенными внутри сопла, причем водяной насадок сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода с ниже расположенным участком отсасывающей трубы по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины, а воздушный насадок сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного трубопровода, сообщенного с воздушной емкостью либо атмосферой.This nozzle or nozzle is equipped with two nozzles - water and air - located inside the nozzle, and the water nozzle is communicated from the entrance to it by means of at least one bypass pipe with a lower section of the suction pipe in the direction of flow of the working medium from it radially - an axial hydraulic turbine, and the air nozzle is communicated from the input side through at least one pipeline in communication with the air tank or atmosphere.
Насадок для подвода воздуха в отсасывающую трубу располагается, предпочтительно, ниже насадка для подачи воды, что, вследствие всплытия воздушных пузырей с прохождением их через водяную струю, позволяет добиться получения пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения на выходе из сопла водовоздушной смеси более однородного характера.The nozzles for supplying air to the suction pipe are preferably located below the nozzle for supplying water, which, due to the emergence of air bubbles with their passage through a water stream, allows to obtain smaller bubbles, and, subsequently, to obtain a water-air mixture at the outlet of the nozzle more homogeneous nature.
Выпускные каналы обтекателя и сопло или сопла отсасывающей трубы расположены встречно друг к другу.The exhaust ducts of the fairing and the nozzle or nozzles of the suction pipe are located opposite to each other.
В ходе проведенного исследования было выявлено, что работа гидротурбин Френсиса и обратимых радиально-осевых гидротурбин на режимах частичной нагрузки приводит к отрывным режимам течения рабочей воды в окрестности рабочего колеса. Наиболее сильно указанные явления проявляются при работе гидротурбин на нерасчетных режимах, составляющих 50-70% от номинальной мощности гидротурбины. Следствием работы гидротурбины в сугубо нерасчетном режиме может быть аварийная ситуация, обусловленная задеванием ротора об элементы статора ввиду сильных вибраций ротора из-за пульсаций гидродинамического давления жидкости в отсасывающей трубе. Пульсации давления жидкости на выходе из рабочего колеса и в отсасывающей трубе (вплоть до резонансных явлений) обусловливаются в основном наличием вращающегося вихревого жгута. Вращающийся жгут представляет собой двухфазную среду с пульсирующей границей раздела водовоздушной (жгут) и жидкой (рабочая вода) фаз. Появление двухфазного вихревого жгута в составе рабочего тела является первопричиной возникновения существенных вибраций агрегатов и последующего ограничения мощностного диапазона безаварийного использования радиально-осевых турбин. Данный вихревой водовоздушный жгут, как было сказано, является источником вибраций агрегата вследствие пульсаций гидродинамического давления, и скорость распространения возмущений от него (в частности, в сторону рабочего колеса) приблизительно равна скорости звука в жидкости.In the course of the study, it was revealed that the operation of Francis hydraulic turbines and reversible radial-axial hydraulic turbines at partial load conditions leads to detached modes of working water flow in the vicinity of the impeller. The most strongly indicated phenomena are manifested during the operation of hydroturbines in off-design modes, comprising 50-70% of the nominal capacity of a hydroturbine. A consequence of the operation of a hydraulic turbine in a purely non-design mode may be an emergency caused by grazing of the rotor against the stator elements due to strong vibrations of the rotor due to pulsations of the hydrodynamic pressure of the liquid in the suction pipe. The pulsations of the fluid pressure at the exit of the impeller and in the suction pipe (up to resonance phenomena) are caused mainly by the presence of a rotating vortex rope. A rotating harness is a two-phase medium with a pulsating interface between the water-air (tow) and liquid (working water) phases. The appearance of a two-phase vortex bundle in the composition of the working fluid is the root cause of the occurrence of significant vibration of the units and the subsequent limitation of the power range of the trouble-free use of radial-axis turbines. This vortex water-air tourniquet, as was said, is a source of vibration of the unit due to pulsations of hydrodynamic pressure, and the propagation velocity of disturbances from it (in particular, towards the impeller) is approximately equal to the speed of sound in the liquid.
При создании между вихревым жгутом и рабочим колесом области, заполненной однородной двухфазной средой с воздушными пузырями примерно одинакового размера, вследствие того, что пульсации гидродинамического давления из отсасывающей трубы передаются лопастям рабочих колес со скоростью распространения малых возмущений, передача упругих колебаний среды к лопастной системе будет существенно ослаблена, практически исключена. Сказанное происходит вследствие того, что скорость распространения малых возмущений в указанной среде минимальна. Кроме того, такая двухфазная среда, будучи рабочим телом, обладает еще и демпфирующими свойствами, это усиливает положительный эффект по локализации упругих возмущений непосредственно в источнике их возникновения.When creating a region between a vortex bundle and an impeller filled with a homogeneous two-phase medium with air bubbles of approximately the same size, due to the fact that the hydrodynamic pressure pulsations from the suction pipe are transmitted to the impeller blades with the propagation velocity of small perturbations, the transmission of elastic medium vibrations to the blade system will be significant weakened, practically excluded. The aforesaid occurs because the propagation velocity of small perturbations in the indicated medium is minimal. In addition, such a two-phase medium, being a working fluid, also has damping properties, this enhances the positive effect on the localization of elastic disturbances directly in the source of their occurrence.
Для расширения диапазона устойчивой работы гидротурбины путем исключения распространения пульсаций гидродинамического давления в отсасывающей трубе вверх по потоку используется сама водовоздушная структура вихревого жгута для перемешивания с основным потоком воды и дополнительной его турбулизации с целью достижения равномерного распределения водовоздушной среды, что позволяет существенно снизить скорость распространения малых возмущений от жгута вверх по потоку, и таким образом, исключить причину повышенной вибрации ротора и, как следствие, расширить диапазон устойчивой работы гидротурбины.To expand the range of steady operation of a hydraulic turbine by eliminating the propagation of hydrodynamic pressure pulsations in the suction pipe upstream, the air-air structure of the vortex bundle is used to mix with the main water stream and its additional turbulization in order to achieve a uniform distribution of the water-air medium, which can significantly reduce the propagation velocity of small disturbances from the tow upstream, and thus, eliminate the cause of increased vibration of the rotor and, to in consequence, to expand the range of stable operation of the hydraulic turbine.
Сосредоточение водовоздушной фазы непосредственно в жгуте не сопровождается изменением скорости распространения малых возмущений в потоке рабочей жидкости отсасывающей трубы в целом. Таким образом, пульсации гидродинамического давления распространяются вверх по течению потока до рабочего колеса, воспринимающего эти пульсации, со скоростью, приблизительно равной скорости распространения ударных волн в жидкости.The concentration of the water-air phase directly in the bundle is not accompanied by a change in the propagation velocity of small disturbances in the flow of the working fluid of the suction pipe as a whole. Thus, the hydrodynamic pressure pulsations propagate upstream to the impeller perceiving these pulsations at a speed approximately equal to the velocity of shock waves in the fluid.
Забор рабочей среды, преимущественно водовоздушной смеси, осуществляется из области вихревого шнура; это достигается тем, что выходы выпускных каналов расположены выше входа в перепускной канал по ходу потока среды. Использование в отсасывающей трубе воды, поступающей по перепускному трубопроводу в отсасывающей трубе снизу вверх, т.е. против хода потока в отсасывающей трубе (из зоны повышенного давления в область пониженного давления) позволяет организовать дополнительную подачу воды в составе водовоздушной смеси в зону вихревого жгута. Кроме того, диаметр обтекателя в области выхода водоводяной смеси из выпускных каналов больше диаметра обтекателя рабочего колеса гидротурбины в области входа в перепускной канал, - что позволяет дополнительно к созданию вакуума на срезе выпускных каналов использовать центробежные силы для обеспечения устойчивой циркуляции газоводяного потока.The intake of the working medium, mainly water-air mixture, is carried out from the region of the vortex cord; this is achieved by the fact that the outputs of the outlet channels are located above the entrance to the bypass channel along the flow of the medium. Use in the suction pipe of water flowing through the bypass pipe in the suction pipe from bottom to top, i.e. against the flow in the suction pipe (from the zone of high pressure to the region of low pressure) allows you to organize an additional supply of water in the composition of the air-water mixture in the zone of the vortex bundle. In addition, the diameter of the fairing in the region of the outlet of the water-water mixture from the outlet channels is larger than the diameter of the fairing of the impeller of the turbine in the region of the entrance to the bypass channel, which, in addition to creating a vacuum at the section of the outlet channels, uses centrifugal forces to ensure stable circulation of the gas-water stream.
При этом водовоздушные струи, истекающие из радиальных каналов обтекателя, и водовоздушные струи, истекающие из сопел, расположенных по периферии отсасывающей трубы и направленных встречно друг к другу, обеспечивают перемешивание и турбулизацию потока, что с учетом действия центробежных сил закрученного в рабочем колесе потока рабочей воды обеспечивает равномерное распределение воздушной фазы двухфазного потока вдоль всей выходной поверхности рабочего колеса.In this case, water-air jets flowing out from the radial channels of the fairing and water-air jets flowing out from nozzles located on the periphery of the suction pipe and directed counter-to each other provide mixing and turbulization of the flow, which, taking into account the action of centrifugal forces of the working water flow swirling in the impeller, provides uniform distribution of the air phase of the two-phase flow along the entire output surface of the impeller.
Учитывая, что движущей силой, формирующей подачу водовоздушной среды из сопел в стенке отсасывающей трубы, является разница давлений по ходу потока среды за выходным срезом рабочего колеса, устройство работает в режиме саморегулирования с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции среды из низлежащей области потока в верхлежащую, при этом происходит частичное преобразование кинетической энергии закрученного потока в потенциальную с одновременным движением среды в область разрыва сплошности потока с формированием зоны смешения, расположенной за выходным сечением выпускных каналов из сопла или сопел в отсасывающей трубе. Смешение сред происходит в общем потоке в непосредственной близости от выходной кромки рабочего колеса в начале отсасывающей трубы.Considering that the driving force that forms the supply of the air-water medium from the nozzles in the wall of the suction pipe is the pressure difference along the medium flow behind the outlet cut of the impeller, the device operates in self-regulation mode using negative feedback embedded in the medium’s ejection mechanism from the lower region flow to the upstream, in this case, the kinetic energy of the swirling flow is partially converted into potential, with the simultaneous motion of the medium in the flow discontinuity region to form a mixing zone located behind the outlet section of the outlet channel of the nozzle or nozzles in the suction pipe. The mixture of media occurs in a common stream in the immediate vicinity of the outlet edge of the impeller at the beginning of the suction pipe.
Причинами узкого диапазона регулирования гидротурбины являются дефект массы за рабочим колесом и отсутствие «акустической развязки» между областями вихревого жгута и диском рабочего колеса. Устранение указанных первопричин (дефекта массы и отсутствия «акустической развязки») осуществляется за счет подачи в область за выходным срезом рабочего колеса двухфазных струй с последующим созданием области гомогенизированной двухфазной среды с равномерным распределением воздушной фазы между выходным срезом рабочего колеса и вихревым жгутом. Производится подача водогазовой смеси, полученной в результате смешения воды, поступающей по перепускному трубопроводу в отсасывающей трубе снизу вверх, т.е. против хода потока в отсасывающей трубе (из зоны повышенного давления в область пониженного давления) с воздухом, подаваемым в район среза воздушного насадка по трубопроводу извне (например, из атмосферы, т.к. в данном месте отсасывающей трубы всегда имеет место вакуум вследствие наличия разрежения). При этом водяная компонента двухфазных струй, как из выходных каналов обтекателя, так и из сопла (сопел) отсасывающей трубы, обеспечивает ликвидацию дефекта массы, а сама двухфазная среда обеспечивает исключение распространения малых возмущении (пульсаций давления) от источника -вихревого жгута - к рабочему колесу, подвергающемуся вибрациям вследствие воздействия на него указанных пульсаций давления.The reasons for the narrow regulation range of the hydraulic turbine are the mass defect behind the impeller and the absence of “acoustic isolation” between the regions of the vortex bundle and the impeller disk. The elimination of the indicated root causes (mass defect and the absence of “acoustic isolation”) is carried out by supplying two-phase jets into the area behind the output section of the impeller, followed by creating a region of a homogenized two-phase medium with a uniform distribution of the air phase between the output section of the impeller and the vortex bundle. A water-gas mixture is obtained, obtained by mixing water entering the bypass pipe in the suction pipe from bottom to top, i.e. against the flow in the suction pipe (from the high pressure zone to the low pressure region) with the air supplied to the region of the air nozzle cut through the pipeline from the outside (for example, from the atmosphere, because vacuum always occurs at this point in the suction pipe due to the presence of vacuum ) At the same time, the water component of two-phase jets, both from the exit channels of the fairing and from the nozzle (s) of the suction pipe, eliminates the mass defect, and the two-phase medium itself prevents the propagation of small disturbances (pressure pulsations) from the source of the vortex bundle to the impeller subjected to vibrations due to exposure to these pressure pulsations.
Исключение негативного влияния пульсаций давления, вызванных вихревым жгутом, улучшение демпфирования пульсаций давления, сокращение объема подаваемого воздуха, исключение распространения упругих колебаний вследствие пульсаций давления вверх по потоку, исключение дефекта массы и, как результат, расширение диапазона устойчивой работы гидротурбины на нерасчетных (частичных) режимах достигается за счет равномерного распределения воздушных пузырей в составе водовоздушной смеси в области за выходом из рабочего колеса, а также за счет генерирования воздушных пузырей в составе этой смеси приблизительно одинакового размера. Подачу воздуха производят в составе водовоздушной смеси, при этом последнюю подают за счет создания эффекта эжекции непосредственно в область выхода потока из рабочего колеса, а исключение дефекта массы осуществляется за счет подачи водяной компоненты в составе этой водовоздушной смеси.Elimination of the negative impact of pressure pulsations caused by the vortex tow, improving damping of pressure pulsations, reducing the volume of air supplied, eliminating the propagation of elastic vibrations due to pressure pulsations upstream, eliminating mass defect and, as a result, expanding the range of stable operation of the turbine in off-design (partial) modes is achieved due to the uniform distribution of air bubbles in the composition of the air-water mixture in the area beyond the exit of the impeller, as well as due to nerirovaniya air bubbles in the composition of the mixture of approximately equal size. Air is supplied as part of the air-water mixture, the latter being supplied by creating an ejection effect directly in the region where the flow exits the impeller, and the elimination of mass defect is achieved by supplying the water component in the composition of this air-air mixture.
Однородная двухфазная смесь пузырьковой структуры имеет скорость звука, существенно меньшую, чем в легкой фазе, а следовательно, исключает распространение упругих колебаний, генерируемых вихревым жгутом, вверх по потоку - к рабочему колесу, что исключает первопричину возникновения вибраций ротора турбины. Водяная компонента заданной смеси, подаваемая в область за срезом рабочего колеса, кроме того, устраняет дефект массы на нерасчетных режимах работы радиально-осевой гидротурбины.A homogeneous two-phase mixture of a bubble structure has a sound speed substantially lower than in the light phase and, therefore, excludes the propagation of elastic vibrations generated by the vortex bundle upstream to the impeller, which eliminates the root cause of turbine rotor vibrations. The water component of the given mixture, supplied to the region beyond the cutoff of the impeller, in addition, eliminates the mass defect in the off-design operating modes of the radial-axial turbine.
Расположение воздушного насадка ниже водяного насадка позволяет добиться получения воздушных пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения водовоздушной смеси более однородного характера.The location of the air nozzle below the water nozzle makes it possible to obtain smaller air bubbles, and, subsequently, to obtain a more uniform air-water mixture.
Расположение воздушного насадка внутри водяного сопла, а также расположение водяного насадка внутри воздушного сопла позволяет впоследствии добиться получения гомогенизированной однородной водовоздушной смеси с пузырями примерно одинокого размера во всей области за выходным срезом рабочего колеса.The location of the air nozzle inside the water nozzle, as well as the location of the water nozzle inside the air nozzle, subsequently makes it possible to obtain a homogenized homogeneous water-air mixture with bubbles of approximately the same size in the entire area beyond the exit section of the impeller.
Изобретение иллюстрируется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
На фиг.1 показан продольный разрез устройства для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины с обтекателем.Figure 1 shows a longitudinal section of a device to increase the stability of the radial-axial turbine with a cowl.
На фиг.2 показан вид А на фиг.1.Figure 2 shows a view A of figure 1.
На фиг.3 показан выходной участок одного из выпускных каналов с козырьком.Figure 3 shows the output section of one of the exhaust channels with a visor.
На фиг.4 показано выполнение обтекателя с дополнительными впускными каналами.Figure 4 shows the implementation of the fairing with additional inlet channels.
На фиг.5 показан разрез А-А на фиг.3.Figure 5 shows a section aa in figure 3.
На фиг.6 схематически показан вариант выполнения обтекателя е каналом подвода сжатого воздуха.Figure 6 schematically shows an embodiment of a fairing e with a channel for supplying compressed air.
На фиг.7 схематически показан продольный разрез участка обтекателя со стороны входного участка перепускного канала с закрепленным в нем лопаточным колесом.7 schematically shows a longitudinal section of a section of the fairing from the side of the inlet section of the bypass channel with a blade wheel fixed therein.
На фиг.8 показано расположение воздушного насадка ниже водяного насадка.On Fig shows the location of the air nozzle below the water nozzle.
На фиг.9 показано расположение воздушного насадка внутри водяного сопла.Figure 9 shows the location of the air nozzle inside the water nozzle.
На фиг.10 показано расположение водяного насадка внутри воздушного сопла.Figure 10 shows the location of the water nozzle inside the air nozzle.
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины содержит выполненный вдоль оси рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 перепускной канал 3, сообщенный на выходе с пространством за выходным срезом лопаток 4 рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2. Рабочее колесо 1 снабжено закрепленным на втулке 5 рабочего колеса 1 и расположенным в пространстве за выходными кромками лопаток 4 рабочего колеса 1 соосно последнему сужающимся в направлении отсасывающей трубы 6 и выполненным осесимметричным обтекателем 7, выходной участок которого расположен в зоне входного участка отсасывающей трубы 6. Перепускной канал 3 выполнен в обтекателе 7 и сообщен со стороны входа с отсасывающей трубой 6, а со стороны выхода перепускной канал 3 сообщен с пространством за выходным срезом лопаток 4 рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 через выполненные в обтекателе 7 в радиальном направлении выпускные каналы 8. Выходное сечение каждого выпускного канала 8 расположено в выполненном в обтекателе 7 углублении 9 с образованием над выходным сечением каждого выпускного канала 8 козырька 10. В обтекателе 7 выполнены дополнительные впускные каналы 11, сообщенные с перепускным каналом 3, расположенные в зоне входного участка отсасывающей трубы 6. В обтекателе 7 со стороны входа в дополнительные впускные каналы 11 выполнены уступы 12. В перепускном канале 3 со стороны входа, предпочтительно, закреплено лопаточное колесо 19. Отсасывающая труба 6 выполнена с соплом или соплами 13 для подвода в нее в область за выходным срезом рабочего колеса 1 радиально-осевой гидротурбины 2 водовоздушной смеси, причем водовоздушная струя, истекающая из сопла 13, подается в область за выходным срезом рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины 2. Сопло 13 выполнено в стенке отсасывающей трубы 6 за выходным срезом рабочего колеса 1, со стороны выходного сечения сопло 13 представляет собой кольцевую щель или одно или несколько отверстий в стенке отсасывающей трубы 6. Данное сопло или сопла 13 снабжено двумя насадками - водяным насадком 15 и воздушным насадком 14, - расположенными внутри сопла 13, причем водяной насадок 15 сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного перепускного трубопровода 21 с ниже расположенным участком отсасывающей трубы 6 по ходу потока в ней рабочей среды из радиально-осевой гидротурбины 2, а воздушный насадок 14 сообщен со стороны входа в него посредством, по крайней мере, одного трубопровода 20, сообщенного с воздушной емкостью (на рисунке не показана) либо атмосферой. Воздушный насадок 14, предпочтительно, расположен не выше водяного насадка 15.A device for increasing the stability of operation of a radial-axial hydraulic turbine contains a radial-axial hydraulic turbine 2 made by the axis of the impeller 1 and a
Кроме того, возможны варианты конструктивного расположения воздушного насадка 14 относительно водяного насадка 15. Воздушный насадок 14 может быть выполнен, например, внутри перепускного трубопровода 21 с водяным насадком 15, соосно с ним. А также выпускные каналы обтекателя 8 и сопло или сопла 13 отсасывающей трубы 6 расположены встречно друг к другу.In addition, there are possible options for the structural arrangement of the
Устройство для повышения устойчивости работы радиально-осевой гидротурбины работает следующим образом.A device to increase the stability of the radial-axial turbine works as follows.
Рабочая среда, покидающая рабочее колесо 1 гидротурбины, попадает в отсасывающую трубу 6 и обтекает обтекатель 7 и сопло 13, создавая в зоне выходного сечения выпускных каналов 8 и сопла 13 разрежение, что вызывает забор водовоздушной смеси из области вихревого шнура в перепускной канал 3 с формированием на выходе из выпускных каналов потока газоводяной смеси, отбор части рабочей среды из низлежащей по потоку области отсасывающей трубы 6 в сопло 13 по перепускному трубопроводу 21 и забор воздушной среды, подаваемой каким-либо способом из атмосферы, из воздушного насадка 14. Поступившая в отсасывающую трубу 6 из выпускных каналов 8 и сопла 13 среда смешивается с рабочей средой из рабочего колеса 1, что позволяет, как указано выше, компенсировать дефект массы на нерасчетном режиме работы гидротурбины 2, а также увеличить демпфирующую способность самой смеси и исключить распространение пульсаций давления, вызывающих вибрации, от вихревого жгута к рабочему колесу, что, в свою очередь, позволяет расширить зону регулирования режима работы гидротурбины.The working medium leaving the impeller 1 of the hydraulic turbine enters the
Создание водовоздушной среды на выходе из сопла 13 происходит за счет смешения рабочей и воздушной сред, поступающих на вход сопла 13 соответственно по трубопроводам 21 и 20 через насадки 14 и 15, расположенные внутри сопла 13. При этом рабочая среда (в основном водяная компонента создаваемой двухфазной смеси) подается из низлежащей области отсасывающей трубы 6 в вышележащую по трубопроводу 21 (из области повышенного давления в область пониженного давления), а воздух, подаваемый по трубопроводу 20, поступает (забирается) извне: из атмосферы - при наличии достаточного вакуума на срезе сопла 13 либо принудительно от компрессора (на рисунке не показан).The creation of a water-air medium at the outlet of the
Устройство саморегулируемо с использованием отрицательной обратной связи, заложенной в сам механизм эжекции рабочей среды из низлежащей области потока в верхлежашую, поскольку количество среды, поданной из выпускных каналов 8 и сопла 13, полностью зависит от режима течения рабочей среды за рабочим колесом 1. Если образуются большие разрывы сплошности, то давление в этих областях уменьшается, что приводит к увеличению подачи среды из выпускных каналов 8 и сопла 13, за счет более высокого разрежения, созданного за выходным сечением сопла 13 более скоростным потоком рабочей среды в отсасывающей трубе 6 и наоборот. Расположение воздушного насадка 14 ниже водяного насадка 15 позволяет добиться получения воздушных пузырей более мелкого размера, и, впоследствии, получения водовоздушной смеси более однородного характера, что, в конечном счете, приводит к уменьшению вибраций гидроагрегата, вследствие увеличения демпфирующей способности самой водовоздушной смеси и уменьшения скорости распространения в направлении рабочего колеса гидротурбины упругих колебаний, генерируемых вихревым жгутом.The device is self-regulating using negative feedback embedded in the mechanism of ejection of the working medium from the lower flow region to the upper one, since the amount of medium supplied from the
Настоящее изобретение может быть использовано на гидроэлектростанциях для повышения устойчивости работы радиально-осевых гидротурбин.The present invention can be used in hydroelectric power plants to increase the stability of radial-axis hydraulic turbines.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150593/06A RU2489597C1 (en) | 2011-12-12 | 2011-12-12 | Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011150593/06A RU2489597C1 (en) | 2011-12-12 | 2011-12-12 | Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011150593A RU2011150593A (en) | 2013-06-20 |
| RU2489597C1 true RU2489597C1 (en) | 2013-08-10 |
Family
ID=48785098
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011150593/06A RU2489597C1 (en) | 2011-12-12 | 2011-12-12 | Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2489597C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU202408U1 (en) * | 2020-10-01 | 2021-02-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | STAND FOR SIMULATION OF FLOW REGIMES IN THE SUCTION PIPE OF A HYDRAULIC TURBINE |
| WO2021112811A1 (en) * | 2019-12-06 | 2021-06-10 | Иван Иванович КОТУРБАЧ | Low-cost anti-cavitation hydraulic turbine |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1962380A (en) * | 1932-06-21 | 1934-06-12 | James Leffel & Company | Hydraulic turbine |
| US2182974A (en) * | 1937-12-10 | 1939-12-12 | Newport News S & D Co | Hydraulic turbine |
| SU931935A1 (en) * | 1980-12-31 | 1982-05-30 | Научно-Исследовательский Сектор Всесоюзного Ордена Ленина Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Гидропроект" Им. С.Я.Жука | Pelton hydraulic turbine guiding apparatus |
| CA1259248A (en) * | 1985-05-23 | 1989-09-12 | Voith Hydro, Inc. | Hydraulic turbine aeration apparatus |
-
2011
- 2011-12-12 RU RU2011150593/06A patent/RU2489597C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US1962380A (en) * | 1932-06-21 | 1934-06-12 | James Leffel & Company | Hydraulic turbine |
| US2182974A (en) * | 1937-12-10 | 1939-12-12 | Newport News S & D Co | Hydraulic turbine |
| SU931935A1 (en) * | 1980-12-31 | 1982-05-30 | Научно-Исследовательский Сектор Всесоюзного Ордена Ленина Проектно-Изыскательского И Научно-Исследовательского Института "Гидропроект" Им. С.Я.Жука | Pelton hydraulic turbine guiding apparatus |
| CA1259248A (en) * | 1985-05-23 | 1989-09-12 | Voith Hydro, Inc. | Hydraulic turbine aeration apparatus |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021112811A1 (en) * | 2019-12-06 | 2021-06-10 | Иван Иванович КОТУРБАЧ | Low-cost anti-cavitation hydraulic turbine |
| RU202408U1 (en) * | 2020-10-01 | 2021-02-16 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | STAND FOR SIMULATION OF FLOW REGIMES IN THE SUCTION PIPE OF A HYDRAULIC TURBINE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011150593A (en) | 2013-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101680422B (en) | Wind turbine with mixers and ejectors | |
| JP4961439B2 (en) | Jet pump and reactor | |
| RU2015101349A (en) | PLANT FOR TRANSFORMING A FLUID FLOW TO ENERGY | |
| CN101158328B (en) | Novel draft-tube and preparation method thereof | |
| CN201083177Y (en) | Draft tube | |
| CN103781996A (en) | Diffuser with backward facing step having varying step height | |
| CN104895852B (en) | Spiral-flow type jet pump | |
| CN208984322U (en) | A kind of hydraulic propeller smooth water test device | |
| RU2489597C1 (en) | Device for improvement of operating stability of radial-axial hydraulic turbine | |
| KR101849765B1 (en) | Turbine Apparatus | |
| US8800459B2 (en) | Rudder resistance reducing method | |
| JP2021161998A (en) | Water turbine device and air supply mechanism | |
| US11067054B2 (en) | Vortex generator | |
| RU2422733C1 (en) | Heat cavitation generator | |
| Masoodi et al. | Efficacy of ancillary fluid injection technique for mitigation of vortex rope in hydraulic turbines: A review | |
| CN105057250A (en) | Embedded type reinforcement cavitation jet cleaning device of energy converter | |
| JP5439445B2 (en) | Jet pump and reactor | |
| TWI557023B (en) | Hydraulic propeller enhancement method | |
| CN109356888B (en) | Jet pump | |
| RU2470178C1 (en) | Device for increasing stable operation of axial-radial hydraulic turbine (versions) | |
| JP4886095B1 (en) | Water cone body with built-in rectifier | |
| EP2562075A1 (en) | Rudder resistance reducing method | |
| CN111271205A (en) | Water turbine runner with vortex inhibiting function and using method | |
| RU2525993C1 (en) | Exhaust unit for gas-turbine plant | |
| JP2010168984A (en) | Jet pump and nuclear reactor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191213 |