CC BY
227
УЕБТЫНС
мвви
ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 621.224
М.И. Бальзанников, М.В. Иванов
ФГБОУВПО «СГАСУ»
ГИДРОТУРБИНА ДЛЯ МИНИ-ГЭС
Отмечено, что гидравлические турбины низконапорных мини-ГЭС не воспринимают больших нагрузок от воздействия водного потока. В связи с этим для таких ГЭС возможно применение более простых по конструктивному исполнению и дешевых турбин. Приведено описание разработанной упрощенной конструкции гидравлической турбины ортогонального типа, использующей энергию течения водного потока. В ней предложено выполнить лопасти в виде полой конструкции. Представлены результаты исследований обтекания водным потоком лопасти предложенной конструкции гидротурбины, полученные при помощи математической модели.
Ключевые слова: минигидроэлектростанция, гидротурбина, конструкция турбины ортогонального типа, обтекание лопасти.
Развитие возобновляемой энергетики и все более широкое применение энергетических установок, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ), признается учеными нашей страны в качестве одного из важнейших направлений устойчивого развития общества [1, 2]. При этом в соответствии с современным уровнем достижений техники и технологии наиболее эффективными энергетическими установками на основе ВИЭ остаются гидроэлектрические станции: ГЭС и ГАЭС. К их неоспоримым преимуществам относятся высокие значения КПД и низкая себестоимость, а также ряд других.
Исследованиям сооружений и оборудования гидроэлектростанций посвящены работы ученых кафедры природоохранного и гидротехнического строительства СГАСУ, выполняемые в соответствии с основными научными направлениями вуза [3]. В частности, в их публикациях показано, что большое значение имеет совершенствование конструкций элементов водопроводящего тракта ГЭС, гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающее повышение надежности работы и снижение потерь напора потока из-за гидравлических сопротивлений [4, 5]; выявлены и представлены основные направления совершенствования конструкций [4, 6]. Использование общих тенденций развития конструкций обеспечило целенаправленную разработку новых технических решений элементов турбинного агрегата [7], сооружений водопрово-дящего тракта [8—10], напорного водовода, а также рабочих гидравлических колес [11—13].
Опыт изучения конструкций составных элементов гидроэнергетических установок показал, что совершенно не обязательно предъявлять одинаковый уровень требований, например, по обеспечению прочности и надежности, к однотипным конструктивным элементам гидроэлектростанций, относящимся
к разным классам и эксплуатирующимся с различными напорами. В частности, гидравлические турбины мини- и микро-ГЭС, в отличие от гидроагрегатов средне- и высоконапорных станций, не воспринимают больших давлений водного потока и воздействий от гидродинамических нагрузок. Причем, в случае поломки элементов такой турбины в результате аварийной ситуации значительных повреждений конструкции проточной части не будет. К тому же и ущерб от недопоставки электроэнергии потребителю в период проведения ремонтных работ будет весьма незначительным. Все это свидетельствует о возможности использования более простых по конструктивному исполнению и дешевых конструкций турбин для мини- и микроГЭС со сравнительно небольшим сроком эксплуатации.
Авторами разработана упрощенная конструкция гидравлической турбины ортогонального типа для применения в миниустановках с малыми напорами [14]. Технический результат разработки — снижение материалоемкости гидравлической турбины ортогонального типа, уменьшение трудоемкости ее изготовления и стоимости.
Для достижения этого результата предложено лопасти, имеющие аэродинамический профиль, выполнить составными из напорных и тыльных отдельных элементов, снабженных соединительными пластинами, размещенными между ними. При этом напорный и тыльный элементы лопасти выполнены в виде криволинейных поверхностей из листового материала одинаковой толщины и жестко соединены с траверсой (рис. 1). Таким образом, соединительные пластины и траверса обеспечивают общую жесткость лопасти, а криволинейные поверхности образуют аэродинамический обтекаемый профиль.
Напорный и тыльный элементы лопасти образуют между собой полость и отстоят друг от друга на удалении, при котором их совместное очертание по общему внешнему контуру в профиле образует аэродинамический профиль лопасти. Траверсы жестко соединены с валом, с помощью крепежного устройства жестко соединены своей торцевой частью с тыльным элементом лопасти и пронизывают ее, а на удалении, соответствующем расстоянию между напорным элементом лопасти и тыльным элементом, также соединены крепежным устройством с напорным элементом лопасти и пронизывают ее, при этом участок тыльного элемента лопасти в непосредственной близости к входным кромкам лопасти имеет С-образную форму и изогнут к напорному элементу лопасти. Соединительные пластины обеспечивают прочное соединение напорного и тыльного элементов лопасти и надежную работу гидравлической турбины.
В описанном устройстве значительно снижается материалоемкость гидравлической турбины ортогонального типа мини-ГЭС за счет выполнения лопастей с полостями и использования отдельных элементов: напорного и тыльного — для обеспечения аэродинамического профиля. Наличие полостей существенно снижает расход высококачественного дорогостоящего металла, из которого изготавливаются лопасти. Кроме того, использование отдельных напорных и тыльных элементов, выполненных в виде криволинейных поверхностей, позволит использовать материал одинаковой толщины, например прокатный лист металла, что существенно уменьшит трудоемкость изготовления
лопасти. Вышесказанное позволит значительно уменьшить стоимость гидравлической турбины с лопастями аэродинамического профиля, применяемой в гидротурбинных установках, а следовательно, повысить их экономическую эффективность.
г
б
Рис. 1. Гидравлическая турбина: а — общий вид; б — поперечный разрез лопасти; 1 — рабочее колесо; 2 — вал турбины; 3 — лопасти, имеющие аэродинамический профиль; 4 — траверса; 5 — ось турбины; 6 — направление водного потока; 7 — напорный элемент; 8 — тыльный элемент; 9 — соединительные пластины; 10 — полость; 11 — крепежное устройство; 12 — входная кромка
а
Для анализа конкурентоспособности гидротурбин важны не только стоимостные показатели, но и гидроэнергетические, в т.ч. КПД оборудования и кинематические характеристики обтекания потока лопастной системы рабочего колеса.
Для изучения условий течения водного потока в зоне лопастей предложенной конструкции гидротурбины авторами выполнены исследования на математической модели. В качестве основы расчетной математической модели выбран программный комплекс ANSYS. Комплекс предназначен для расчета широкого
круга задач механики, в т.ч. расчета параметров водной среды, и использован авторами для получения качественных и количественных параметров потока в элементах гидроагрегатного блока ГЭС [15—17]. Более подробно процесс создания математических моделей приведен в [18—20]. Преимущество комплекса ANSYS состоит в том, что он позволяет создавать гидравлическую модель течения жидкости на основе конечных элементов, а также саму геометрическую модель лопасти гидротурбины.
Построение профилей лопастей в программном комплексе было начато с написания программы для решения плоской задачи. К основным этапам работы относится задание координат точек, по которым происходит построение криволинейных форм лопасти. После этого была выполнена разбивка плоскости на области, в которых формируются конечные элементы. Для ускорения процесса решения поставленной задачи было решено сформировать две области конечных элементов: 1) околомодельная область, в которой размеры конечного элемента достаточно малы; 2) граничная область, в которой размеры конечных элементов были заданы с градиентом, увеличение которого происходило от центральной области к краю (рис. 2).
Рис. 2. Сетка конечных элементов математической модели
Следующим этапом создания математической модели было задание граничных условий, выбор свойств конечных элементов, режим протекания потока, задание скорости потока и свойства самой жидкости. Результаты расчетов отображались в виде графических или векторных полей обтекания профиля. Использованная программа и математическая модель позволяла достаточно наглядно и точно представить картину обтекания профиля лопасти, а также детально проанализировать вопросы, возникающие при моделировании геометрии гидротурбины.
На рис. 3 представлены картины обтекания лопастей и скорости потока в зоне лопастей ортогональной турбины аэродинамического профиля при угле атаки потока, равном 10°.
б
Рис. 3. Пример результатов математического моделирования скоростей потока при обтекании лопасти ортогональной турбины аэродинамического профиля при угле атаки 10°: а — для полнопрофильной лопасти; б — предложенной полой лопасти
Данные расчетов приведены для полнопрофильной лопасти и предложенной полой лопасти. Сопоставление и анализ полученных результатов показывают, что кинематические параметры потоков в непосредственной близости к профилям лопастей практически одинаковы. Наличие конструктивных особенностей — прорезей между напорным и тыльным элементами — не влияет на параметры потока. Различия наблюдаются лишь в том, что в самой полости между напорным и тыльным элементами предложенной лопасти ортогональной турбины имеется жидкость, скорость перемещения которой близка к нулю. Таким образом, можно заключить, что условия формирования параметров подъемной силы для рассмотренных конструкций гидротурбин идентичны.
Это свидетельствует о том, что наличие прорезей в самой лопасти оказывает ничтожно малое влияние на энергетические и гидравлические характеристики гидравлической турбины.
Программа для моделирования обтекания потоком жидкости лопасти написана таким образом, чтобы ею удобно было пользоваться, так как при исследовании необходимо многократное проведение расчетов. Для этого в алгоритм программы были заложены переменные величины, такие как скорость, вязкость, угол атаки, плотность потока, размер конечного элемента в зоне подробного наблюдения и границы окружающей среды.
Возможности программы были использованы авторами при моделировании обтекания лопастей также с углами атаки 15 и 20°. Были получены аналогичные приведенным выше результаты.
Выводы. 1. К однотипным конструктивным элементам гидроэлектростанций, в частности, к гидравлическим турбинам, относящимся к разным классам и эксплуатирующимся с различными напорами, целесообразно предъявлять различные по уровню требования к прочности и надежности. В частности гидравлические турбины мини- и микро-ГЭС могут изготавливаться более простыми по конструктивному исполнению и дешевыми по используемому материалу.
2. Авторами разработана упрощенная конструкция гидравлической турбины ортогонального типа для мини- и микроГЭС, предназначенная для работы при малых напорах. Особенностью конструкции является изготовление лопасти, имеющей аэродинамический профиль, из отдельных напорных и тыльных элементов, снабженных соединительными пластинами, размещенными между ними. Напорный и тыльный элементы лопасти выполняются в виде криволинейных поверхностей из листового материала и жестко соединены с траверсой.
3. Создана и исследована математическая модель обтекания потоком лопасти разработанной конструкции гидравлической турбины. Результаты исследования показали, что на кинематические параметры потока в непосредственной близости к лопасти имеющиеся отдельные конструктивные особенности, в частности, наличие прорезей, практически не оказывают какого-либо влияния.
Библиографический список
1. Бальзанников М.И., Елистратов В.В. Возобновляемые источники энергии. Аспекты комплексного использования. Самара : Офорт, 2008. 331 с.
2. Бальзанников М.И. Актуальные направления развития возобновляемой энергетики в Среднем Поволжье // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2005. Вып. 8. С. 173—185.
3. Бальзанников М.И. 50 лет кафедре Природоохранного и гидротехнического строительства Самарской государственной архитектурно-строительной академии // Гидротехническое строительство. 2003. № 2. С. 55—57.
4. Бальзанников М.И. Совершенствование конструкций водоприемно-водовы-пускных устройств гидроэнергетических установок // Гидротехническое строительство. 1994. № 9. С. 30—35.
5. БальзанниковМ.И., Пиявский С.А., РодионовМ.В. Совершенствование конструкций низконапорных грунтовых переливных плотин // Известия вузов. Строительство. 2012. № 5. С. 52—59.
6. Бальзанников М.И. Направления совершенствования конструкций ветроэнергетических агрегатов // Энергетическое строительство. 1994. № 10. С. 14—24.
7. Бальзанников М.И., Евдокимов С.В. Отсасывающая труба гидроагрегата : патент РФ 2140486. 1999. Бюл. № 30.
8. БальзанниковМ.И., Евдокимов С.В., ГалицковаЮ.М. Водоприемник-водовыпуск : патент РФ 2169229. 2001. Бюл. № 17.
9. БальзанниковМ.И., Селиверстов В.А. Водоприемник : патент РФ 2389846. 2009. Бюл. № 14.
10. Бальзанников М.И., Селиверстов В.А. Водоприемник-водовыпуск : патент РФ 2389847. 2010. Бюл. № 14.
11. Осевой насос : авторское свидетельство 1756647 / М.И. Бальзанников, В.А. Шабанов, С.Г. Беляев, Д.Е. Куклин. 1992. Бюл. № 31.
12. Бальзанников М.И., Шабанов В.А., Олинер И.М. Осевой насос : патент РФ 2031252. 1995. Бюл. № 8.
13. Бальзанников М.И., Алексеев Е.И., Евдокимов С.В. Гидрогенератор морских течений : патент РФ 2372518. 2009. Бюл. № 31.
14. Бальзанников М.И., Евдокимов С.В., Иванов М.В. Гидравлическая турбина : патент РФ 2369770. 2009. Бюл. № 28.
15. Бальзанников М.И., Евдокимов С.В., Галицкова Ю.М. Влияние потоконаправ-ляющих устройств на характеристики установки, использующей энергию течения // Труды НГАСУ Новосибирск : НГАСУ, 2000. Вып. 2. С. 68—77.
16. Balzannikov M., Rodionov M. Improvement of Reliability of Earth Dams // Geotechnics for Sustainable Development: Proceedings of the Second International Conference GEOTEC. Hanoi, 2013, рр. 421—423.
17. БальзанниковМ.И., Селиверстов В.А. Исследования влияния разделителей потока для применения в водоприемных устройствах гидроэнергетических установок // Вестник СамГТУ Серия «Технические науки». 2009. № 3 (25). С. 199—205.
18. Попов В.П., МихасекА.А., Селиверстов В.А. Влияние геометрических характеристик входного участка водопропускного устройства гидротехнического сооружения на гидравлические параметры потока // Вестник КГУСТА (Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры имени Н. Исанова). 2013. № 1 (39). С. 73—80.
19. Селивёрстов В.А. Результаты исследований водоприемного устройства гидроэнергетической установки с использованием программы «Ansys» // Научно-технические ведомости СПбГПУ 2009. № 4—2 (89). С. 149—153.
20. Bal'zannikov M.I., Seliverstov V.A. Investigation of water-intake unit at pumped-storage power plant // Power Technology and Engineering. 2012, vol. 46, no. 3, pp. 210—214.
Поступила в редакцию в октябре 2013 г.
Об авторах: Бальзанников Михаил Иванович — доктор технических наук, профессор, ректор, профессор кафедры природоохранного и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, (846) 242-17-84, [email protected];
Иванов Михаил Владимирович — инженер кафедры природоохранного и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, (846) 242-17-84, [email protected].
Для цитирования: Бальзанников М.И., Иванов М.В. Гидротурбина для мини-ГЭС // Вестник МГСУ 2013. № 12. С. 139—147.
M.I. Bal'zannikov, M.V. Ivanov
HYDROTURBINE FOR MINI HYDROPOWER PLANTS
In the article it is stated that hydraulic turbines of low pressure mini power plants are not subject to great loads from water flow. Because of that in such hydropower plants it is possible to use the turbines that are cheaper and simpler from a design point of view. The authors offer the description of a developed simplified orthogonal hydraulic turbine using the energy of the water flow. It is suggested to make the blades hollow. It is also suggested to use curved sheet surfaces for the forcing and backside surfaces of blades. Such a design would reduce the consumption of materials and manufacturing costs for a hydraulic turbine.
The research is aimed at studying the water flow conditions in the blade area of the proposed hydraulic turbine design. Research methods include mathematical simulation using the software package ANSYS.
The results of investigation of water low bypass for such a hydroturbine design obtained with a mathematical model are given.
It is proved that the existing design features, and in particular the slits have no detrimental effect on the parameters of the water flow in the immediate vicinity of an orthogonal hydraulic turbine blade. Basing on the research it has been concluded that the use of a designed simplified orthogonal hydraulic turbine is expedient for low pressure mini and micro hydropower plants.
Key words: mini hydropower plant, hydroturbine, orthogonal type of turbine design, blade bypassing.
References
1. Bal'zannikov M.I., Elistratov V.V. Vozobnovlyaemye istochniki energii. Aspekty kom-pleksnogo ispol'zovaniya [Renewable Energy Sources. Aspects of Complex Use]. Samara, Ofort Publ., 2008, 331 p.
2. Bal'zannikov M.I. Aktualnye napravleniya razvitiya vozobnovlyaemoy energetiki v Srednem Povolzh'e [Priority Fields of Developing Renewable Power in the Middle Volga Region]. Vestnik Volzhskogo regional'nogo otdeleniya Rossiyskoy akademii arkhitektury i stroitelnykh nauk [Proceedings of Volga Regional Section of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences]. 2005, no. 8, pp. 173—185.
3. Bal'zannikov M.I. 50let kafedre prirodookhrannogo i gidrotekhnicheskogo stroitel'stva Samarskoy gosudarstvennoy arkhitekturno-stroitelnoy akademii [50th Anniversary of Environmental and Hydrotechnical Engineering Department of Samara State Academy of Architecture and Civil Engineering]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Engineering]. 2003, no. 2, pp. 55—57.
4. Bal'zannikov M.I. Sovershenstvovanie konstruktsiy vodopriemno-vodovypusknykh ustroystv gidroenergeticheskikh ustanovok [Improving the Design of Water Intakes and Outtakes at Hydrotechnical Plants]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Engineering]. 1994, no. 9, pp. 30—35.
5. Bal'zannikov M.I., Piyavskiy S.A., Rodionov M.V. Sovershenstvovanie konstruktsiy nizkonapornykh gruntovykh perelivnykh plotin [Improving the Design of Low-head Earth Overflow Dams]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of the Institutions of Higher Education. Construction]. 2012, no 5, pp. 52—59.
6. Bal'zannikov M.I. Napravleniya sovershenstvovaniya konstruktsiy vetroenerget-icheskikh agregatov [Ways of Improving the Design of Wind Power Generating Units]. Ener-geticheskoe stroitel'stvo. 1994, no. 10, pp. 14—24.
7. Bal'zannikov M.I., Evdokimov S.V. Otsasyvayushchaya truba gidroagregata. Patent RF 2140486 [Outlet Pipe of the Hydraulic Unit. Russian Federation Patent no. 2140486]. 1999, Bulletin 30.
8. Bal'zannikov M.I., Evdokimov S.V., Galitskova Yu.M. Vodopriyemnik-vodovypusk. Patent RF 2169229 [Water Intake - Water Outtake. Russian Federation Patent no. 2169229]. 2001, Bulletin 17.
9. Bal'zannikov M.I., Seliverstov V.A. Vodopriyemnik. Patent RF 2389846 [Water Intake. Russian Federation Patent no. 2389846]. 2009, Bulletin 14.
10. Bal'zannikov M.I., Seliverstov V.A. Vodopriyemnik-vodovypusk. Patent RF 2389847 [Water Intake- Water Outtake. Russian Federation Patent no. 2389847]. 2010, Bulletin 14.
11. Bal'zannikov M.I., Shabanov V.A., Belyaev S.G., Kuklin D.E. Osevoy nasos. Avtor-skoe svidetel'stvo 1756647 [Axial Pump. Copyright certificate 1756647]. 1992, Bulletin 31.
12. Bal'zannikov M.I., Shabanov V.A., Oliner I.M. Osevoy nasos. Patent RF 2031252 [Axial Pump. Russian Federation Patent no. 2031252]. 1995, Bulletin 8.
13. Bal'zannikov M.I., Alekseev E.I., Evdokimov S.V. Gidrogenerator morskikh tech-eniy. Patent RF 2372518 [Hydro-generator of Sea Currents. Russian Federation Patent no. 2372518]. 2009, Bulletin 31.
14. Bal'zannikov M.I., Evdokimov S.V., Ivanov M.V. Gidravlicheskaya turbina. Patent RF 2369770 [Hydraulic Turbine. Russian Federation Patent no. 2369770]. 2009, Bulletin 28.
15. Bal'zannikov M.I., Evdokimov S.V., Galitskova Yu.M. Vliyanie potokonapravlyayush-chikh ustroystv na kharakteristiki ustanovki, ispol'zuyushchey energiyu techeniya [Influence of Flow Control Devices on the Characteristics of a Current Energy Unit]. Trudy NGASU [Works of the Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering]. Novosibirsk, NGASU Publ., 2000, no. 2, pp. 68—77.
16. Balzannikov M., Rodionov M. Improvement of Reliability of Earth Dams. Geotechnics for Sustainable Development: Proceedings of the Second International Conference GEOTEC. Hanoi, 2013, pp. 421—423.
17. Balzannikov M.I., Seliverstov V.A. Issledovaniya vliyaniya razdeliteley potoka dlya primeneniya v vodopriemnykh ustroystvakh gidroenergeticheskikh ustanovok [Researching the Influence of Flow Splitters for Application in Water Intakes of Hydropower Units]. Vestnik SAMGTU. Seriya «Tekhnicheskie nauki» [Proceedings of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences]. 2009, no. 3 (25), pp. 199—205.
18. Popov V.P., Mikhasek A.A., Seliverstov V.A. Vliyanie geometricheskikh kharakteristik vkhodnogo uchastka vodopropusknogo ustroystva gidrotekhnicheskogo sooruzheniya na gi-dravlicheskie parametry potoka [The Influence of the Geometric Properties of Culvert Device Entrance of Hydraulic Structure on the Hydraulic Characteristics of a Flow]. Vestnik KGUSTA [Proceedings of Kyrgyz State University of Construction]. 2013, no. 1 (39), pp. 73—80.
19. Seliverstov V.A. Rezultaty issledovaniy vodopriemnogo ustroystva gidroenerget-icheskoy ustanovki s ispol'zovaniem programmy «Ansys» [Results of Investigating Water Intake of a Hydrotechnical Plant Using the Program «Ansys»]. Nauchno-tekhnicheskie ve-domosti SPbGPU [Scientific and Technical Journal of Saint Petersburg State Polytechnical University]. 2009, no. 4-2 (89), pp. 149—153.
20. Bal'zannikov M.I., Seliverstov V.A. Investigation of Water-intake Unit at Pumped-storage Power Plant. Power Technology and Engineering. 2012, vol. 46, no. 3, pp. 210—214.
About the authors: Balzannikov Mikhail Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Rector, Department of Environmental Protection and Hydraulic Engineering Structures, Rector, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU),
194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7 (846) 242-17-84; sgasu@ samgasu.ru;
Ivanov Mikhail Vladimirovich — Engineer, Department of Environmental Protection and Hydraulic Engineering Structures, Rector, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU), 194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7 (846) 242-17-84; [email protected].
For citation: Bal'zannikov M.I., Ivanov M.V. Gidroturbina dlya mini-GES [Hydroturbine for Mini Hydropower Plants]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 12, pp. 139—147.
