Экспериментальное исследование проточного тракта гидротурбины

Внедрение: 2017 г.

Экспериментальное исследование влияния подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины на пульсации давления в отсасывающей трубе было выполнено на учебно-исследовательской установке с радиально-осевой турбиной [1].  

Модельная гидротурбина с радиально-осевым колесом установлена на энергетическом стенде лаборатории гидравлики и гидромашин в Саяно-Шушенском филиале Сибирского федерального университета (рисунки 1, 2). Максимальный напор воды на стенде составляет 3,5 м, диаметр рабочего колеса турбины – 0,3 м. Стенд снабжён двумя насосами общей производительностью до 500 м³/час или 140 л/с. Насосы центробежные консольные типа К150‑125‑315.

Фиксация частоты и амплитуды пульсаций давления в проточном тракте гидротурбины производилась при помощи портативной измерительной системы, выполненной на базе АЦП E14‑140M и 4‑х канального усилителя заряда LE‑41. Стенд оснащен калиброванными пьезоэлектрическими датчиками давления типа 014МТ, предназначенными для преобразования быстропеременного и импульсного давления в электрический сигнал. 

Рисунок 1. Модельная гидротурбина с радиально-осевым колесом.

Рисунок 2. Модельная гидротурбина с радиально-осевым колесом (в разборе).

Результаты измерений с пьезоэлектрических датчиков давления записывались на компьютер при помощи программного обеспечения LGraph2. Датчики давления 014МТ установлены по схеме, представленной на рисунке 3. Датчик давления № 1 установлен в спиральной камере на входном радиусе, датчики № 2, 3  – в конусе отсасывающей трубы друг напротив друга и датчик № 4  – на выходе из отсасывающей трубы.

Рисунок 3. Схема установки пьезоэлектрических датчиков давления типа 014МТ.

В точку № 5 спиральной камеры производилась подача воздуха в проточный тракт гидротурбины. Подача воздуха осуществляется при помощи компрессора Remeza СБ4/С-50LB.30А с производительностью 420 л/мин и давлением 10 бар. Изменение расхода воздуха, подаваемого в проточный тракт гидротурбины, осуществлялось при помощи кислородного редуктора БКО-50-4. Расход воздуха контролировался ротаметром.

Анализировался спектр сигнала, полученного с датчиков давления. На рисунке 4 представлен спектр пульсаций давления, полученный в точке, лежащей на стенке конуса отсасывающей трубы при работе гидротурбины с открытием направляющего аппарата 55 % от оптимального режима.

Рисунок 4. Спектр пульсаций давления в конусе отсасывающей трубы.

В конусе отсасывающей трубы имеет место высокий уровень пульсаций давления, проявляющийся на частоте 2,37 Гц. Это свидетельствует об образовании под рабочим колесом ярко выраженного прецессирующего жгута (рисунок 5). При прохождении жгута вблизи датчика давления в сигнале регистрировался импульс. Амплитуда пульсаций давления достигает 0,92 кПа.

Рисунок 5. Конус отсасывающей трубы гидротурбины.

При осуществлении подачи воздуха в проточный тракт в объеме 2,4 м³/ч в спектре сигнала отмечалось очевидное снижение амплитуды основной гармоники пульсаций давления (рисунок 6). При этом наблюдалось увеличение частоты пульсаций давления до 2,6 Гц, что обусловлено изменением гидроакустических свойств жидкости.
 

Рисунок 6. Спектр пульсаций давления в конусе отсасывающей трубы (с подачей воздуха в проточный тракт).

На рисунке 7 представлена экспериментально полученная зависимость (синим цветом) и аппроксимация (черным цветом) изменения амплитуды пульсаций давления (2А) в конусе отсасывающей трубы от объемов подаваемого в гидротурбину воздуха, выраженного в процентах от расхода воды.
 

Рисунок 7. Зависимость изменения амплитуды пульсаций давления (2А) в конусе отсасывающей трубы от объема подаваемого воздуха.

На основании полученных результатов были определены оптимальные количественные соотношения расхода подаваемого воздуха для различного режима открытия гидротурбины с минимальными пульсациями давления. 

Найденные режимы актуальны с точки зрения уменьшения вибраций элементов конструкции гидротурбины и повышения КПД гидроагрегата. Уменьшение пульсации давления снижает кавитационную эрозию, повышая срок службы рабочих колес и элементов проточного тракта реактивных гидротурбин.

Источник:

Абрамов А.В., Масленикова А.В., Дектерев Д.А., Минаков А.В., Платонов Д.В. Экспериментальное исследование влияния подачи воздуха в проточный тракт гидротурбины на пульсации давления в отсасывающей трубе на учебно-исследовательской установке с радиально-осевой турбиной // Гидроэлектростанции в XXI веке: сборник материалов IV Всероссийской науч.-практич. конф. – Саяногорск; Черемушки. – 2017. – С. 302-308.

Разработчик: Абрамов А.В., Масленикова А.В. (СШФ СФУ), Дектерев Д.А., Минаков А.В., Платонов Д.В. (Институт теплофизики Сиб. отд РАН, СФУ)