CC BY
34
ВЕСТНИК г/2о12_
УДК 621.67
И.Е. Михайлов
ФГБОУВПО «МГСУ»
СПИРАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ ОБРАТИМЫХ ГИДРОМАШИН И ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ
Приведен анализ потока и потерь напора в спиральных камерах турбин и насосов, отмечены отрицательные стороны, даны рекомендации по гидромеханическому расчету и конструктивному оформлению спиральных камер обратимых гидромашин и центробежных насосов.
Ключевые слова: спиральная камера, потери напора, обратимая гидромашина, насос, тор, конфузор, диффузор, течение, вихрь, циркуляционное течение.
Вопросы гидромеханического расчета спиральных камер радиально-осевых (РО) гидротурбин, центробежных насосов и обратимых гидромашин достаточно широко экспериментально и теоретически изучены и в целом решены. В данной статье мы не будем затрагивать деталей, теоретических предпосылок и их обоснования, поскольку они освещены в печати и известны специалистам, работающим в этой области.
Движение жидкости в рассматриваемых спиральных камерах пространственное. Скорость в каждой точке потока имеет три составляющих: Уи — окружную, которая определяет значения расхода в поперечных сечениях камеры, Уг — радиальную и Уг — вертикальную (здесь и далее предполагается вертикальное расположение оси турбины, центробежного насоса и обратимой гидромашины).
Окружные и радиальные составляющие полной скорости по высоте поперечных сечений спиральной камеры в турбинных режимах работы изменяются незначительно и их значения уменьшаются от внутренней к периферийной стенке камеры, т.е. вдоль радиуса. Вертикальные составляющие полной скорости Уг, как правило, по высоте сечения меняют знак. В нижней половине сечения они направлены снизу вверх, а в верхней половине сечения — сверху вниз. Значения указанных скоростей существенно различаются. На одних и тех же вертикалях скорости Уи примерно в 4,5.. .6 раз больше радиальных скоростей Уг ив 8-9 раз больше вертикальных Уг. Другими словами, характер течения в спиральных камерах радиально-осевых (РО) турбин и обратимых гидромашин в турбинных режимах работы определяется окружными скоростями Уи, значения которых характеризуют величины расходов воды в поперечных сечениях спирали [1—5].
Необходимо отметить также еще одну очень важную деталь. В РО турбинах и в турбинных режимах работы обратимых гидромашин вода поступает из спиральной камеры в статор и далее на рабочее колесо, а в насосных режимах работы обратимых гидромашин и в центробежных насосах наоборот — от рабочего колеса в спиральную камеру. В связи с этим в первом случае в камере течение конфузорное, а во втором — диффузорное. Известно, что в конфузорных потоках угол конфузорности может изменяться в широком диапазоне без негативных энергетических последствий, а в диффузорных потоках при углах диффузорности более ~5° потери энергии (напора) существенно возрастают и образуются вихревые зоны. Кроме того, спиралевидное движение жидкости в камерах способствует возникновению вторичных циркуляционных течений в них. Интенсивность этих течений в турбинных режимах работы существенно снижается конфузорностью потока в самой спирали и наличием поступления воды (расхода) в статор и далее на рабочее колесо примерно равномерно по всему внутреннему периметру спирали.
В центробежных насосах и в насосных режимах работы обратимых гидромашин прямо противоположная картина течения жидкости. Вода поступает в спиральную камеру по всему ее внутреннему периметру слоем, толщина которого меньше высоты
112
© Михайлов И.Е., 2012
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
поперечных сечений спирали, и движение жидкости в самой камере диффузорное. В результате этого в верхней и нижней половинах поперечных сечений спирали возникают вихревые течения противоположного направления, интенсивность которых возрастает в направлении от зуба камеры к ее наибольшему по размерам сечению.
Размеры поперечных сечений по длине спиральных камер определяются расчетом по условию постоянства момента окружной скорости — Vu • r = A = const. Этот метод называют также расчетом по закону площадей. В некоторых случаях расчет выполняется по условию постоянства средней скорости в поперечных сечениях спирали по ее длине — Vcp = const, т.е. постоянства средней окружной (расходной) составляющей скорости в поперечных сечениях камеры.
Экспериментальные исследования спиральных камер, рассчитанных по отмеченным двум условиям, показали, что в этих камерах формируется поток, в котором скорости Vu в поперечных сечениях, удаленных от входного сечения спирали на угол ф! > 45.. .55°, изменяются практически по закону площадей Vu • r = A = const. На начальном участке спирали ф! > 45.55° эпюра скоростей Vu переформировывается из более равномерной во входном сечении в эпюру Vu = const/r. Различие в потоках состоит в том, что в камерах, рассчитанных по закону площадей, значение А примерно сохраняется по длине спирали и средние скорости Vcp увеличиваются к зубу спирали, а в камерах, рассчитанных по условию Vcp = const, значение А изменяется по длине спирали, т.е. A=f (ф°) (здесь ф° — значение угла, определяющего положение поперечного сечения камеры; отсчитывается от зуба спирали).
Требования, предъявляемые к спиральным камерам центробежных насосов, ради-ально-осевых (РО) турбин и обратимых гидромашин различны.
Спиральные камеры РО турбин должны обеспечивать наименьшие потери напора в расчетных режимах работы в системе: спиральная камера — статор — направляющий аппарат гидротурбины. Задачей спиральной камеры центробежного насоса является обеспечение наименьшей суммы потерь напора в ней и на начальном участке напорного трубопровода. Спиральная камера обратимой гидромашины в турбинном режиме работает как спиральная камера РО турбины, а в насосном — как спиральная камера центробежного насоса. В связи с этим ее функции существенно сложнее. А именно, в ее гидромеханическом расчете необходимо стремиться к уменьшению потерь напора в системе: спиральная камера — статор — направляющий аппарат и одновременно с этим к приемлемой сумме потерь в ней и отводящем станционном водоводе.
В спиральных камерах, рассчитанных по условию Vu • r = const, средние скорости в поперечных сечениях, как уже отмечалось, увеличиваются вдоль спирали по направлению к зубу, т.е. течение в камерах конфузорное. В результате этого такие камеры РО гидротурбин и обратимых гидромашин в турбинных режимах их работы формируют поступающий в статор поток с заданным направлением скоростей и обеспечивают минимально возможные потери напора в системе: спиральная камера — статор — направляющий аппарат в расчетных режимах работы.
В спиральных камерах центробежных насосов и в насосных режимах работы обратимых гидромашин вода движется в обратном направлении — от зуба к наибольшему по размерам поперечному сечению и течение оказывается диффузорным. Угол диффузорности потока достигает 7.9°. Кроме этого, в поперечных сечениях спиральных камер (см. выше) наблюдаются вторичные противоположно направленные течения: одно в верхней, а второе в нижней половине сечения [6—8]. Наличие вихрей и диффузорный характер течения вывывают увеличение неравномерности распределения скоростей и, как следствие этого, увеличение потерь напора в самих камерах и напорных водоводах.
Очевидно, что уменьшение указанных потерь напора может быть достигнуто только в том случае, если будут полностью или частично исключены причины, вызывающие неравномерность распределения скоростей, особенно на участках спиральных
2/2012
Рис. 1. Исследованные спиральные камеры радиально-осевой турбины
камер, примыкающих к напорному трубопроводу, т.е. на участках с наибольшими размерами поперечных сечений.
Автором данной статьи были выполнены [1] широкие экспериментальные исследования спиральных камер РО турбин с целью решения задачи уменьшения размеров входного (наибольшего) сечения спиральной камеры турбин Красноярской ГЭС без снижения КПД турбины. Этими исследованиями установлено, что эта задача может быть решена следующим путем. Для этого надо размеры поперечных сечений спиральной камеры рассчитать по закону площадей Vu • r = const. На участке с центральным углом ф1 = 45...55°, отсчитываемым от входного сечения в направлении к зубу, спираль выполнить в виде тора, т.е. с одинаковыми по размерам поперечными сечениями, равными поперечному сечению
в конце этого участка (рис. 1), которое было получено при расчете камеры по условию Vu • r = const. Энергетические исследования показали, что КПД турбины с этой камерой и камерой, рассчитанной по закону площадей, на всей ее длине имеют одинаковые значения. Такие спиральные камеры применены в настоящее время на Красноярской, Саяно-Шушенской, Нурекской и других гидростанциях.
Это наше предложение для РО турбин может быть успешно использовано для спиральных камер центробежных насосов и обратимых гидромашин с целью снижения неравномерности распределения скоростей, исключения диффузорности потока, сокращения интенсивности циркуляционных течений в наибольших по размерам поперечных сечениях, а следовательно, и уменьшения потерь напора.
В самом деле, на участке спиральной камеры, выполненной в виде тора, течение становится конфузорным. Поэтому в его пределах исключаются какие-либо отрывы потока от стенок и существенно выравнивается распределение скоростей по сечению. Все это обязательно приведет к уменьшению потерь напора в спиральной камере и напорном трубопроводе. -------------
На рис. 2 показано, какие спиральные камеры и последующие участки напорных
трубопроводов (водоводов) мы рекомендуем принимать для обратимых гидромашин РО типа и центробежных насосов. Участок I-AMM'A' выполняется в виде тора, а участок II представляет собой спираль, рассчитанную по условию Vu • r = const, и (или) по условию Vcp = const. Площадь поперечного сечения тора должна быть равна площади поперечного сечения спирали в створе ММ'. Угол ф1, определяющий длину тора, следует принимать равным ф1 = 45.55°. Если
Напорный трубопровод
Рис. 2. Рекомендуемая спиральная камера для обратимых и центробежных насосов
поперечные сечения спирали отличаются от круглого, то в пределах тора следует выполнить переход на круглое сечение. За патрубками спиральной камеры необходимо
Технология строительных процессов. Механизмы и оборудование
предусмотреть конус с углом днффузорностн не более 4-5°, который соединяется с напорным трубопроводом принятого диаметра.
Выводы. 1. В спиральных камерах центробежных насосов и обратимых гидромашин в насосных режимах работы движение жидкости диффузорное, возникают циркуляционные противоположно направленные течения — в нижней половине поперечных сечений по часовой, а в верхней — против часовой стрелки (если смотреть по направлению движения воды в камерах).
2. Наличие циркуляционных течений и диффузорность потока в спиральных камерах центробежных насосов и обратимых гидромашин приводят к росту неравномерности распределения скоростей и увеличению потерь напора в самих камерах и отводящих водоводах.
3. Потери энергии (напора) в спиральных камерах и отводящих водоводах рассматриваемых гидромашин можно сократить, если выходной участок спирали выполнить в виде тора с центральным углом ф1= 45.55°, отсчитываемым от выходного сечения спирали по направлению к ее зубу, и площадью поперечных сечений, равной площади сечения, полученной расчетом спиральной камеры по условию Vu • r = const или VCp r = const (это сечение спирали является начальным сечением тора).
4. Для подтверждения наших предложений необходимо провести лабораторные экспериментальные исследования.
Библиографический список
1. Михайлов И.Е. Турбинные камеры гидроэлектростанций. М. : Энергия, 1970.
2. Ласенко В.Е., Булгаков В.А., Дранковский В.Э. Формирование потока в спиральной камере высоконапорной радиально-осевой гидротурбины // Гидравлические машины. Харьков, 1982. Вып. 16. С. 51—54.
3. Ласенко В.Е. Сравнительный анализ некоторых опытных данных по исследованию течения в спиральных камерах гидротурбин // Гидравлические машины. Харьков, 1983. Вып. 17. С. 44—47.
4. Табакофф, Шеоран, Кролл. Измерения параметров течения в улитке турбин. Теоретические основы инженерных расчетов. М. : Мир, 1980. № 3. С. 113—119.
5. Хамед, Баскаропе. Анализ трехмерного течения в улитке турбины. Теоретические основы инженерных расчетов. М. : Мир, 1980. № 3. С. 119—124.
6. Kaufmann J.P. The dimensioning of pump-turbines. Water Power and Dam Constr., 1977, 29, p. 34—37.
7. Toyokura T., Akaike S., Kanemoto T. Study on turbine flow through guide vanes and stay vanes for a reversible pump-turbine. Proc. 10-th IAHR Symposium, Vol.1, Tokyo, 1980, p. 353—364; Vol. 2, Tokyo, 1980, p. 162—164.
8. ERH-ROHG WU, Staff Engineer (USA) "Finite element modeling and flow prediction for a spiral case". Proc. 11-th IAHR Simposium, Vol. 3, Amsterdam, 1982.
Поступила в редакцию в январе 2012 г.
Об авторе: Михайлов Иван Евграфович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гидроэнергетики и использования водных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, Россия, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, tai35@mail.ru.
Для цитирования: Михайлов И.Е. Спиральные камеры обратимых гидромашин и центробежных насосов // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 112—116.
I.E. Mihajlov
SPIRAL CHAMBERS OF COMBINED PUMP-TURBINE UNITS AND CENTRIFUGAL PUMPS
Flow analysis and pressure loss in spiral chambers of turbines and pumps are considered in
the paper. Drawbacks are also specified, and recommendations are provided in terms of the hydro-
BECTMK 2/2o12_
mechanical analysis and the construction of spiral chambers of combined pump-chamber units and centrifugal pumps.
Liquid flow pattern in spiral chambers of centrifugal pumps and combined pump-chamber units, when operating in the pump mode, has a diffuser character, and circulatory streams, flowing in opposite directions, evolve there; streams move clockwise in the bottom area of the cross section, and in the upper area, stream move counter clockwise (when directions of water flows inside chambers are considered).
The presence of circulatory streams and the diffuser nature of the flow inside spiral chambers of centrifugal pumps and combined pump-chamber units boost uneven distribution of velocities and the loss of pressure inside chambers and trail races.
The loss of energy (pressure) in spiral chambers and trail races of the above machines can be reduced, if the output section of the spiral has the shape of a torus with a central angle 9= 45....55°, taken in-between the output section of the spiral and its tooth, while the cross sectional area is equal to the section area calculated as Vu • r = const or Vcp ■ r = const (this section of the spiral is the initial section of the torus).
Key words: spiral chamber, pressure loss, combined pump-chamber unit, pump, torus, confusor, diffuser, stream, vortex, circulatory stream.
References
1. Mihajlov I.E. Turbinnye kamery gidrojelektrostancij [Turbine Chambers of Hydraulic Power Stations]. Moscow, Jenergija, 1970.
2. Lasenko V.E., Bulgakov V.A., Drankovskij V.Je. Formirovanie potoka vspiral'noj kamere vysokona-pornoj radial'no-osevoj gidroturbiny [Flow Formation in a Spiral Chamber of a High-Pressure Radial Axial Turbine]. Gidravlicheskie mashiny [Hydraulic Machines], Har'kov, 1982, Issue # 16, pp. 51—54.
3. Lasenko V.E. Sravnitel'nyj analiz nekotoryh opytnyh dannyh po issledovaniju techenija v spir-al'nyh kamerah gidroturbin [Comparative Analysis of Some Experimental Data within the Framework of Research of Streams Inside Spiral Chambers of Hydraulic Turbines]. Gidravlicheskie mashiny [Hydraulic Machines]. Har'kov, 1983, Issue # 17, pp. 44—47.
4. Tabakoff, Sheoran, Kroll. Izmerenija parametrov techenija v ulitke turbin. Teoreticheskie osnovy inzhenernyh raschetov [Alteration of Stream Parameters Inside Spirals of Turbines]. Moscow, Mir, 1980, Issue # 3, pp. 113—119.
5. Hamed, Baskarope. Analiz trehmernogo techenija v ulitke turbiny. Teoreticheskie osnovy inzhenernyh raschetov [Analysis of the Three-Dimensional Stream Inside Spirals of Turbines]. Moscow, Mir, 1980, Issue # 3, pp. 119—124.
6. Kaufmann J.P. The Dimensioning of Pump-Turbines. Water Power and Dam Constr., 1977, 29, pp. 34—37.
7. Toyokura T., Akaike S., Kanemoto T. Study on Turbine Flow through Guide Vanes and Stay Vanes for a Reversible Pump-Turbine. 10-th IAHR Symposium, Vol.1, Tokyo, 1980, pp. 353—364; Vol. 2, Tokyo, 1980, pp. 162—164.
8. ERH-ROHG WU, Staff Engineer (USA) Finite Element Modeling and Flow Prediction for a Spiral Case. 11-th IAHR Symposium, Vol. 3, Amsterdam, 1982.
About the author: Mihajlov Ivan Evgrafovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulic Power Generation and Use of Aquatic Resources, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, tai35@mail.ru.
For citation: Mihajlov I.E. Spiral"nye kamery obratimyh gidromashin i centrobezhnyh nasosov [Spiral Chambers of Combined Pump-Turbine Units and Centrifugal Pumps], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 112—116.
