Помощь студентам в учебе
Исследование нестационарных процессов в потоке в проточном тракте реактивных гидротурбин
|
Аннотация 2
Автореферат 3
Введение 7
1 Обзор исследований 9
1.1 Гидродинамические пульсации давления в проточном тракте реактивных
гидротурбин 9
1.2 Прецессия вихревого жгута 10
1.3 Исследование прецессирующего вихревого жгута в реактивных
гидротурбинах 11
1.4 Способы подавления гидродинамических пульсаций давления в
отсасывающей трубе гидротурбины 13
1.5 Вывод 14
2 Описание экспериментальной установки 16
2.1 Экспериментальная установка с радиально - осевым рабочим колесом... 16
2.2 Модернизация экспериментальной установки с радиально - осевым
рабочим колесом 18
3 Проведение экспериментальных исследований 26
3.1 Тестирование экспериментальной установки с радиально - осевым
рабочим колесом 26
3.2 Определение оптимальной области подвода воздуха в проточный тракт
гидротурбины 30
3.3 Исследование влияния величины расхода воздуха на гидродинамические
пульсации давления в конусе отсасывающей трубы 37
3.4 Экономическая оценка применения впуска воздуха в проточную часть
гидротурбины для существующих высоконапорных ГЭС 51
3.5 Математическое моделирование нестационарных процессов в
отсасывающей трубе гидротурбины 53
Заключение 59
Список сокращений 61
Список использованных источников 62
Автореферат 3
Введение 7
1 Обзор исследований 9
1.1 Гидродинамические пульсации давления в проточном тракте реактивных
гидротурбин 9
1.2 Прецессия вихревого жгута 10
1.3 Исследование прецессирующего вихревого жгута в реактивных
гидротурбинах 11
1.4 Способы подавления гидродинамических пульсаций давления в
отсасывающей трубе гидротурбины 13
1.5 Вывод 14
2 Описание экспериментальной установки 16
2.1 Экспериментальная установка с радиально - осевым рабочим колесом... 16
2.2 Модернизация экспериментальной установки с радиально - осевым
рабочим колесом 18
3 Проведение экспериментальных исследований 26
3.1 Тестирование экспериментальной установки с радиально - осевым
рабочим колесом 26
3.2 Определение оптимальной области подвода воздуха в проточный тракт
гидротурбины 30
3.3 Исследование влияния величины расхода воздуха на гидродинамические
пульсации давления в конусе отсасывающей трубы 37
3.4 Экономическая оценка применения впуска воздуха в проточную часть
гидротурбины для существующих высоконапорных ГЭС 51
3.5 Математическое моделирование нестационарных процессов в
отсасывающей трубе гидротурбины 53
Заключение 59
Список сокращений 61
Список использованных источников 62
Гидроэлектростанции занимают особое место в энергосистеме. Их роль связана с регулированием параметров электрической сети в нестационарных режимах и покрытия неравномерности графика нагрузки энергосистемы.
При регулировании мощности в энергосистеме гидроагрегат может эксплуатироваться на нерасчетных режимах работы. В таких режимах возникают нестационарные течения жидкости в проточном тракте, что, по классической теории, приводит к возникновению высокого уровня низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, вибрациям элементов конструкции гидротурбины и снижению коэффициента полезного действия гидроагрегата.
Одним из механизмов генерации низкочастотных пульсаций давления в гидротурбинах является прецессия вихревого жгута, образующегося за рабочим колесом в режимах недогрузки или перегрузки гидроагрегата, когда поток после прохождения через турбину имеет достаточно большую остаточную закрутку. Уровень закрутки потока растет при отдалении режима работы гидротурбины от точки оптимума. Закрученный поток способствует возникновению прецессирующего вихревого ядра, которое индуцирует низкочастотные гидродинамические пульсации давления, передающиеся по всему проточному тракту. Прецессия вихревого жгута представляет серьезную опасность для гидротурбинного оборудования так как является одной из причин вибрации элементов конструкции гидротурбины. В случае совпадения собственной гидроакустической частоты проточного тракта с частотой вынужденных колебаний вызванных пульсациями давления возможно возникновение явления резонанса. Резонанс способствует резкому увеличению амплитуды колебаний и как следствие приводит к скорейшему разрушению элементов конструкции гидроагрегата, а также возникновению аварийных ситуаций.
Пульсации давления также воздействуют на процессы кавитации, усиливая кавитационную эрозию внутренних элементов конструкции, тем самым значительно снижая срок службы рабочих колес и элементов проточного тракта реактивных гидротурбин.
В связи с этим все способы борьбы с пульсациями давления в проточном тракте реактивных гидротурбин направлены на управление вихревым ядром. Задача заключается в обеспечении устойчивости осевого вихря, а так же в управлении частотой и амплитудой пульсаций, вызываемых прецессирующим вихрем.
Ввиду большой актуальности данной проблемы различными институтами проводятся как экспериментальные, так и численные исследования процессов, происходящих в проточном тракте гидротурбин. С помощью математического моделирования удавалось оценить основную частоту гидродинамических пульсаций. Однако интенсивность динамического воздействия вихревого жгута на элементы проточного тракта и особенности его поведения в отсасывающей трубе фактически не исследовались. Открытым вопросом при численном моделировании гидравлических процессов является достоверность полученных результатов. Ввиду данной проблемы возникает необходимость проведения натурных исследований гидравлических процессов в турбине в широком диапазоне её режимов работы.
Проведение экспериментальных исследований на натурных турбинах представляет сложность. Одним из выходов является использование уменьшенных моделей, геометрически подобных натурным турбинам. Модельные стенды полностью воспроизводящие реальную геометрию проточного тракта высоконапорной ГЭС являются уникальными, в мире их насчитывается не больше десятка (например, Федеральный технологический институт в г. Лозанна, Швейцария, за рубежом; в России Ленинградский металлический завод (ЛМЗ) «Силовые машины», г. Санкт-Петербург).
Таким образом, становится очевидным, что исследование динамики нестационарных вихревых структур в турбулентных течениях, возникающих в элементах гидротурбин, является важной прикладной задачей, требующей серьезного экспериментального исследования.
При регулировании мощности в энергосистеме гидроагрегат может эксплуатироваться на нерасчетных режимах работы. В таких режимах возникают нестационарные течения жидкости в проточном тракте, что, по классической теории, приводит к возникновению высокого уровня низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, вибрациям элементов конструкции гидротурбины и снижению коэффициента полезного действия гидроагрегата.
Одним из механизмов генерации низкочастотных пульсаций давления в гидротурбинах является прецессия вихревого жгута, образующегося за рабочим колесом в режимах недогрузки или перегрузки гидроагрегата, когда поток после прохождения через турбину имеет достаточно большую остаточную закрутку. Уровень закрутки потока растет при отдалении режима работы гидротурбины от точки оптимума. Закрученный поток способствует возникновению прецессирующего вихревого ядра, которое индуцирует низкочастотные гидродинамические пульсации давления, передающиеся по всему проточному тракту. Прецессия вихревого жгута представляет серьезную опасность для гидротурбинного оборудования так как является одной из причин вибрации элементов конструкции гидротурбины. В случае совпадения собственной гидроакустической частоты проточного тракта с частотой вынужденных колебаний вызванных пульсациями давления возможно возникновение явления резонанса. Резонанс способствует резкому увеличению амплитуды колебаний и как следствие приводит к скорейшему разрушению элементов конструкции гидроагрегата, а также возникновению аварийных ситуаций.
Пульсации давления также воздействуют на процессы кавитации, усиливая кавитационную эрозию внутренних элементов конструкции, тем самым значительно снижая срок службы рабочих колес и элементов проточного тракта реактивных гидротурбин.
В связи с этим все способы борьбы с пульсациями давления в проточном тракте реактивных гидротурбин направлены на управление вихревым ядром. Задача заключается в обеспечении устойчивости осевого вихря, а так же в управлении частотой и амплитудой пульсаций, вызываемых прецессирующим вихрем.
Ввиду большой актуальности данной проблемы различными институтами проводятся как экспериментальные, так и численные исследования процессов, происходящих в проточном тракте гидротурбин. С помощью математического моделирования удавалось оценить основную частоту гидродинамических пульсаций. Однако интенсивность динамического воздействия вихревого жгута на элементы проточного тракта и особенности его поведения в отсасывающей трубе фактически не исследовались. Открытым вопросом при численном моделировании гидравлических процессов является достоверность полученных результатов. Ввиду данной проблемы возникает необходимость проведения натурных исследований гидравлических процессов в турбине в широком диапазоне её режимов работы.
Проведение экспериментальных исследований на натурных турбинах представляет сложность. Одним из выходов является использование уменьшенных моделей, геометрически подобных натурным турбинам. Модельные стенды полностью воспроизводящие реальную геометрию проточного тракта высоконапорной ГЭС являются уникальными, в мире их насчитывается не больше десятка (например, Федеральный технологический институт в г. Лозанна, Швейцария, за рубежом; в России Ленинградский металлический завод (ЛМЗ) «Силовые машины», г. Санкт-Петербург).
Таким образом, становится очевидным, что исследование динамики нестационарных вихревых структур в турбулентных течениях, возникающих в элементах гидротурбин, является важной прикладной задачей, требующей серьезного экспериментального исследования.
В ходе исследования проведена модернизация научно - исследовательского стенда с радиально - осевой гидротурбиной. Стенд был оснащен вихреакустическими расходомерами типа «Метран 300 ПР»; портативной измерительной системой выполненной на базе ноутбука с использованием 4-х канального усилителя сигнала LE - 41, аналоге - цифрового преобразователя Е14 - 140М, пьезоэлектрических датчиков давления типа 014МТ и программного обеспечения LGraph2 версии 2.34.47; системой подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины с использованием компрессора Remeza СБ4/С - 50LB.30A, кислородного редуктора БКО - 50 - 4 и лабораторного ротаметра.
Проведена оценка применимости данного стенда в исследовательских целях. Экспериментально полученные пульсационные и расходная характеристики гидротурбины качественно совпадают с характеристиками существующих высоконапорных радиально - осевых гидротурбин. Модельный гидравлический стенд полностью воспроизводит геометрию реального проточного тракта высоконапорной гидротурбины. На основании чего сделано заключение о возможности использования данной установки в исследовательских целях для изучения влияния подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины на ее пульсационные характеристики при эксплуатации в широком диапазоне режимов работы.
Экспериментально определена оптимальная область подвода воздуха в проточную часть гидротурбины. Рассмотрены четыре варианта впуска воздуха: в конус отсасывающей трубы; во входное сечение спиральной камеры; в выходное сечение спиральной камеры; осуществление двухстороннего подвода воздуха во входное и выходное сечение спиральной камеры одновременно. Подача воздуха в выходное сечение спиральной камеры способствует эффективному подавлению низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, а так же приводит к увеличению КПД гидротурбины на 0,5% при работе с открытием направляющего аппарата 60% от оптимального.
Проведено исследование влияния расхода подаваемого воздуха на интенсивность гидродинамических пульсаций давления в отсасывающей трубе и построены пульсационные характеристики для различных режимов работы (открытий направляющего аппарата) гидротурбины с отметкой верхнего бьефа ВБ = 350 см. Выявлено, что работа гидротурбины с открытием направляющего аппарата до 60% от оптимального сопровождается высоким уровнем низкочастотных гидродинамических пульсаций давления. Максимальная интенсивность пульсаций давления наблюдается при работе с открытием направляющего аппарата 40 - 50%. На данном режиме работы подача воздуха в объеме 1% от расхода воды через гидротурбину способствует эффективному подавлению основной гармоники пульсации. Увеличение расхода воздуха свыше 1% на данном режиме работы неэффективно. По мере увеличения открытия направляющего аппарата а0 ~ 60 - 80% интенсивность вихревого жгута значительно падает, что приводит к снижению пульсаций давления в
Экономическая оценка позволяет сделать вывод о возможности осуществления подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины, как способа подавления низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, применительно к действующим высоконапорным гидроэлектростанциям.
Создана математическая модель радиально - осевой гидротурбины, которая достаточно точно описывает поведение потока в отсасывающей трубе гидротурбины и может быть использована для дальнейшего исследования в области влияния впуска воздуха и различных стабилизирующих поток конструкций на нестационарные процессы в проточном тракте реактивных гидротурбин.
Результаты проведенного исследования могут быть использованы как при проектировании новых гидротурбин, так и при модернизации действующих гидравлических электростанций. Возможность осуществления подачи воздуха в предлагаемые точки спиральной камеры в действующих гидротурбинных установках должна решаться исходя из индивидуальных особенностей конструкции гидроагрегата, например в имеющиеся технологические отводы.
Проведена оценка применимости данного стенда в исследовательских целях. Экспериментально полученные пульсационные и расходная характеристики гидротурбины качественно совпадают с характеристиками существующих высоконапорных радиально - осевых гидротурбин. Модельный гидравлический стенд полностью воспроизводит геометрию реального проточного тракта высоконапорной гидротурбины. На основании чего сделано заключение о возможности использования данной установки в исследовательских целях для изучения влияния подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины на ее пульсационные характеристики при эксплуатации в широком диапазоне режимов работы.
Экспериментально определена оптимальная область подвода воздуха в проточную часть гидротурбины. Рассмотрены четыре варианта впуска воздуха: в конус отсасывающей трубы; во входное сечение спиральной камеры; в выходное сечение спиральной камеры; осуществление двухстороннего подвода воздуха во входное и выходное сечение спиральной камеры одновременно. Подача воздуха в выходное сечение спиральной камеры способствует эффективному подавлению низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, а так же приводит к увеличению КПД гидротурбины на 0,5% при работе с открытием направляющего аппарата 60% от оптимального.
Проведено исследование влияния расхода подаваемого воздуха на интенсивность гидродинамических пульсаций давления в отсасывающей трубе и построены пульсационные характеристики для различных режимов работы (открытий направляющего аппарата) гидротурбины с отметкой верхнего бьефа ВБ = 350 см. Выявлено, что работа гидротурбины с открытием направляющего аппарата до 60% от оптимального сопровождается высоким уровнем низкочастотных гидродинамических пульсаций давления. Максимальная интенсивность пульсаций давления наблюдается при работе с открытием направляющего аппарата 40 - 50%. На данном режиме работы подача воздуха в объеме 1% от расхода воды через гидротурбину способствует эффективному подавлению основной гармоники пульсации. Увеличение расхода воздуха свыше 1% на данном режиме работы неэффективно. По мере увеличения открытия направляющего аппарата а0 ~ 60 - 80% интенсивность вихревого жгута значительно падает, что приводит к снижению пульсаций давления в
Экономическая оценка позволяет сделать вывод о возможности осуществления подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины, как способа подавления низкочастотных гидродинамических пульсаций давления, применительно к действующим высоконапорным гидроэлектростанциям.
Создана математическая модель радиально - осевой гидротурбины, которая достаточно точно описывает поведение потока в отсасывающей трубе гидротурбины и может быть использована для дальнейшего исследования в области влияния впуска воздуха и различных стабилизирующих поток конструкций на нестационарные процессы в проточном тракте реактивных гидротурбин.
Результаты проведенного исследования могут быть использованы как при проектировании новых гидротурбин, так и при модернизации действующих гидравлических электростанций. Возможность осуществления подачи воздуха в предлагаемые точки спиральной камеры в действующих гидротурбинных установках должна решаться исходя из индивидуальных особенностей конструкции гидроагрегата, например в имеющиеся технологические отводы.