RU2403433C1

RU2403433C1 - Device of air inlet to flow-through part of hydraulic turbine

Info

Publication number: RU2403433C1
Application number: RU2009128614/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Сотников (RU); Анатолий Александрович Сотников; Андрей Александрович Ткачев (RU); Андрей Александрович Ткачев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Силовые машины-ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт" (ОАО "Силовые машины")
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2010-11-10

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: air inlet device includes housing 1 and valve including seat 3 and shutoff member 4. Housing 1 has inner 9 and outer 8 walls of cylindrical shape, equipped with bottom 10 located between walls and separating the space between walls of housing 1 from flow-through part of hydraulic turbine. At bottom 10 there are through holes 12 the total area of which is less by 2-6 times than the passage area of valve in full opening position. In cavity of housing 1, which is restricted with its inner 9 wall, coaxially to walls of housing 1 there installed is hollow cylinder 14. Shutoff member 4 is equipped with piston 7 arranged in inner cavity of cylinder 14. Cavity 19 of cylinder 14, which is located under piston 7, is connected to flow-through part of hydraulic turbine, and cavity 20 above piston 7 is connected to atmospheric air. ^ EFFECT: reducing noise level during the operation of air inlet device at simultaneous increase of the device operating stability. ^ 3 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к конструкции устройства впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, преимущественно под рабочее колесо.The present invention relates to the field of power engineering, in particular to the design of a device for air intake into the flow part of a turbine, mainly under the impeller.

При работе радиально-осевой гидротурбины вне зоны оптимального режима возникают колебания мощности, а также повышенные пульсации давления в проточной части, в первую очередь - под рабочим колесом. Причиной пульсаций является спиральный вихрь, возникающий в отсасывающей трубе. В центре вихря, как правило, возникает кавитация, вследствие чего кроме низкочастотных пульсаций также возникают ударные процессы и колебания мощности, что в целом снижает ресурс работы гидротурбины. Для снижения пульсаций давления и колебаний мощности применяется впуск воздуха под рабочее колесо.When the radial-axial hydraulic turbine is operating outside the optimum mode zone, power fluctuations occur, as well as increased pressure pulsations in the flow part, primarily under the impeller. The cause of the pulsations is a spiral vortex arising in the suction pipe. As a rule, cavitation occurs in the center of the vortex, as a result of which, in addition to low-frequency pulsations, shock processes and power fluctuations also occur, which generally reduces the operating life of the turbine. To reduce pressure pulsations and power fluctuations, an air inlet under the impeller is used.

Известен клапан для впуска воздуха в зону рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины [авторское свидетельство СССР SU 194659 А1, МПК F03B, опубликовано 30.03.1967 г.], содержащий запорный орган, седло и поршневой сервопривод со шпинделем, запорный орган укреплен подшипниковым узлом на шпинделе, а сервопривод снабжен фиксатором шпинделя.A known valve for air inlet into the area of the impeller of a radial-axial hydraulic turbine [USSR author's certificate SU 194659 A1, IPC F03B, published March 30, 1967], comprising a locking member, a seat and a piston servo-drive with a spindle, a locking member is reinforced with a bearing assembly on the spindle , and the servo is equipped with a spindle lock.

Недостатком данного клапана является то, что шариковые подшипники между запорным органом и штоком довольно быстро выходят из строя при многократных ударных нагрузках. При этом работа клапана сопровождается значительным шумом, возникающим на всасывании воздуха, а многократные ударные нагрузки не позволяют добиться высокой надежности работы устройства.The disadvantage of this valve is that the ball bearings between the locking element and the stem quickly fail during repeated shock loads. In this case, the valve operation is accompanied by significant noise arising at the air intake, and multiple shock loads do not allow to achieve high reliability of the device.

В качестве прототипа предлагается выбрать устройство для впуска воздуха в зону рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины [авторское свидетельство СССР №SU 1406404 А1, МПК F03B 11/00, опубликовано 30.06.1988 г.], направленное на повышение надежности работы и снижение уровня шума при впуске воздуха, содержащее корпусной элемент - трубу, закрепленную в установленных в полостях вала заглушках, размещенные в ней клапаны, шумоглушитель и расположенную за ним по ходу воздуха дроссельную шайбу, и водоприемник.As a prototype, it is proposed to choose a device for air inlet into the impeller region of a radial-axial hydraulic turbine [USSR author's certificate No.SU 1406404 A1, IPC F03B 11/00, published on 06/30/1988], aimed at improving the reliability and reducing noise levels at an air inlet containing a housing element - a pipe fixed in plugs installed in the shaft cavities, valves placed therein, a muffler and a throttle washer located behind it along the air flow, and a water intake.

Данное устройство позволяет лишь незначительно снизить уровень шума при впуске воздуха. Кроме того, к недостаткам данного устройства также следует отнести неустойчивость его работы, поскольку после начала открытия тарелки обратного клапана перепад давлений на тарелке клапана уменьшается вследствие потерь давления в шумоглушителе при прохождении через него воздуха, что вызывает последующее закрытие обратного клапана, а затем многократные повторные открытия и закрытия ударного характера. Такая нестабильность работы при открытии и закрытии снижает надежность работы устройства, а также является причиной дополнительного повышения уровня шума при работе устройства.This device allows you to only slightly reduce the noise level at the air inlet. In addition, the disadvantages of this device should also be attributed to the instability of its operation, since after the opening of the check valve plate, the pressure drop across the valve plate decreases due to pressure losses in the silencer when air passes through it, which causes a subsequent check valve closing, and then repeated reopening and the closure of the shock character. Such instability of operation during opening and closing reduces the reliability of the device, and is also the reason for the additional increase in the noise level during operation of the device.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в снижении уровня шума в процессе работы устройства впуска воздуха при одновременном повышении устойчивости работы устройства.The technical result, which the claimed technical solution is aimed at, is to reduce the noise level during operation of the air intake device while increasing the stability of the device.

Для достижения указанного технического результата предлагается устройство впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, содержащее корпус и клапан, включающий седло и запорный орган. При этом согласно изобретению корпус содержит внутреннюю и наружную стенки цилиндрической формы, корпус снабжен днищем, расположенным между внутренней и наружной стенками и отделяющим пространство между цилиндрическими стенками корпуса от проточной части гидротурбины. В днище выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия. При этом в полости корпуса, ограниченной его внутренней цилиндрической стенкой, соосно стенкам корпуса установлен цилиндр, выполненный полым. Запорный орган снабжен поршневым элементом - поршнем, размещенным во внутренней полости цилиндра. Поршень может быть выполнен в виде единой детали с запорным органом либо представлять собой отдельную деталь. Полость цилиндра, находящаяся под поршнем, соединена с проточной частью гидротурбины, а полость над поршнем соединена с атмосферным воздухом.To achieve the indicated technical result, an air inlet device to the flow part of a hydraulic turbine is proposed, comprising a housing and a valve including a seat and a shutoff member. Moreover, according to the invention, the casing comprises an inner and outer wall of cylindrical shape, the casing is provided with a bottom located between the inner and outer walls and separating the space between the cylindrical walls of the casing from the flow part of the turbine. A lot of through holes are made in the bottom, the total area of which is 2-6 times less than the area of the valve passage in the fully open position. At the same time, a hollow cylinder is installed in the cavity of the housing limited by its inner cylindrical wall, coaxially to the walls of the housing. The locking body is equipped with a piston element - a piston located in the inner cavity of the cylinder. The piston can be made in the form of a single part with a locking body or be a separate part. The cylinder cavity located under the piston is connected to the flow part of the turbine, and the cavity above the piston is connected to atmospheric air.

Выполнение днища корпуса с множеством сквозных отверстий, суммарная площадь сечения которых меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия, позволяет уменьшить скорость прохождения воздуха через клапан, что ведет к снижению уровня шума.The execution of the bottom of the body with many through-holes, the total cross-sectional area of which is less than the area of the valve cross-section in the fully open position, reduces the speed of air passage through the valve, which leads to a decrease in noise level.

Заявителем экспериментальным путем установлено, что наилучший результат по снижению уровня шума (до нормативно установленных значений 85-90 дБ) достигается в случае, если суммарная площадь сквозных отверстий, выполненных в днище, в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия.The applicant experimentally established that the best result in reducing the noise level (to the standard values of 85-90 dB) is achieved if the total area of the through holes made in the bottom is 2-6 times less than the area of the valve in the fully open position .

Установка поршня, являющегося в предлагаемом устройстве силовым органом и перемещающегося под действием перепада давления, во внутренней полости цилиндра, размещенного в корпусе, в который осуществляется подача воздуха, также направлено на снижение уровня шума при работе устройства и, кроме того, обеспечивает независимость перепада давления на поршне от расхода воздуха через устройство, что, в свою очередь, позволяет устранить колебания и удары клапана и тем самым обеспечить устойчивость работы устройства в процессе открытия и закрытия клапана.The installation of the piston, which is a power element in the proposed device and moves under the influence of a pressure differential, in the internal cavity of the cylinder located in the housing into which the air is supplied, is also aimed at reducing the noise level during operation of the device and, in addition, ensures the independence of the pressure difference the piston from the air flow through the device, which, in turn, allows to eliminate fluctuations and strokes of the valve and thereby ensure the stability of the device during opening and closing I'm a valve.

Новым в предлагаемом техническом решении является следующее:New in the proposed technical solution is the following:

- корпус содержит внутреннюю и наружную стенки цилиндрической формы,- the housing contains the inner and outer walls of a cylindrical shape,

- корпус снабжен днищем, отделяющим пространство между цилиндрическими стенками корпуса от проточной части гидротурбины,- the housing is equipped with a bottom separating the space between the cylindrical walls of the housing from the flow part of the turbine,

- в днище выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия,- a lot of through holes are made in the bottom, the total area of which is 2-6 times less than the area of the valve passage in the fully open position,

- в полости корпуса, ограниченной его внутренней цилиндрической стенкой, соосно стенкам корпуса установлен полый цилиндр,- in the cavity of the housing, limited by its inner cylindrical wall, coaxially to the walls of the housing, a hollow cylinder is installed,

- запорный орган снабжен поршнем, размещенным во внутренней полости цилиндра, при этом полость цилиндра, находящаяся под поршнем, соединена с проточной частью гидротурбины, а полость над поршнем соединена с атмосферным воздухом.- the locking body is equipped with a piston located in the inner cavity of the cylinder, while the cavity of the cylinder under the piston is connected to the flow part of the turbine, and the cavity above the piston is connected to atmospheric air.

Для достижения указанного технического результата применены следующие решения. В предлагаемом техническом решении в днище корпуса выполнено множество сквозных отверстий, суммарная площадь которых в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия, а внутри корпуса, куда осуществляется подача воздуха, установлен цилиндр с размещенным внутри поршнем, являющимся силовым элементом клапана. Таким образом, применено оригинальное техническое решение, обеспечивающее снижение уровня шума при работе устройства, а размещение цилиндра с поршнем в трассе подачи воздуха в корпусе устройства позволяет, наряду с уменьшением уровня шума, также обеспечить стабильность работы устройства в процессе открытия и закрытия клапана.To achieve the specified technical result, the following solutions were applied. In the proposed technical solution, a plurality of through holes are made in the bottom of the body, the total area of which is 2-6 times smaller than the area of the valve passage in the fully open position, and inside the body where the air is supplied, a cylinder is installed with a piston located inside, which is a valve power element . Thus, an original technical solution was applied, which ensures a reduction in the noise level during operation of the device, and the placement of a cylinder with a piston in the air supply path in the device housing allows, along with a reduction in the noise level, also to ensure the stability of the device during opening and closing of the valve.

Для достижения более эффективного снижения уровня шума при работе устройства впуска воздуха днище может быть выполнено из эластичного материала.In order to achieve a more effective noise reduction during operation of the air intake device, the bottom can be made of an elastic material.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства впуска воздуха в открытом положении, на фиг.2 - выносной элемент I, на котором показан зазор S между седлом и запорным органом при открытом положении клапана.Figure 1 shows a longitudinal section of the air intake device in the open position, figure 2 is a remote element I, which shows the gap S between the seat and the locking element when the valve is open.

Устройство впуска воздуха в проточную часть гидротурбины, представленное на фиг.1, содержит корпус 1, клапан, включающий в себя седло 3 и запорный орган 4. Седло 3 снабжено уплотнением 5. Запорный орган 4 клапана выполнен с запирающим пояском 6, который при закрытом положении клапана контактирует с уплотнением 5 седла 3. Запорный орган 4 снабжен поршневым элементом - поршнем 7. На фиг.1 показан поршень 7, выполненный как единая деталь с запорным органом клапана. Следует также отметить, что конструктивно поршень может быть выполнен и в виде отдельной детали. Корпус имеет наружную 8 и внутреннюю 9 стенки цилиндрической формы, расположенные соосно, а также днище 10, выполненное в форме кольца, расположенное между внутренней и наружной стенками и отделяющее полость 11 между цилиндрическими стенками 8 и 9 корпуса 1 от проточной части гидротурбины. Днище 10 может быть выполнено стальным или изготовлено из эластичного материала, например резины. В днище выполнено множество сквозных отверстий 12. Размер отверстий и их количество определяются таким образом, чтобы суммарная площадь отверстий была в 2-6 раз меньше площади проходного сечения клапана в положении полного открытия. Проходное сечение клапана, показанное на фиг.2, образуется при открытии клапана и представляет собой кольцевой зазор между седлом 3 и запирающим пояском 6 запорного органа 4. Площадь проходного сечения клапана в положении его полного открытия определяется при максимальном значении величины зазора S. Во внутренней полости 13 корпуса 1, ограниченной внутренней стенкой 9, расположен цилиндр 14, представляющий собой полую цилиндрическую деталь, соединенную с корпусом 1 с помощью шпилечного соединения 15. Для обеспечения возможности точной регулировки давления, при котором происходит открытие клапана, в цилиндре установлена пружина 16 с механизмом регулировки сжатия 17, создающая усилие прижима запорного органа к седлу. Поршень 7 запорного органа размещен во внутренней полости цилиндра 14. Находящаяся под поршнем 7 полость 19 цилиндра 14 соединена с проточной частью гидротурбины, а полость 20 над поршнем - напрямую с атмосферным воздухом.The device for admitting air to the flow part of the hydraulic turbine shown in Fig. 1 comprises a housing 1, a valve including a seat 3 and a locking member 4. The saddle 3 is provided with a seal 5. The locking member 4 of the valve is provided with a locking girdle 6, which when closed the valve is in contact with the seal 5 of the seat 3. The locking member 4 is provided with a piston element - a piston 7. Figure 1 shows the piston 7, made as a single part with the locking member of the valve. It should also be noted that structurally the piston can be made as a separate part. The housing has an outer 8 and an inner 9 wall of cylindrical shape, located coaxially, as well as a bottom 10, made in the form of a ring located between the inner and outer walls and separating the cavity 11 between the cylindrical walls 8 and 9 of the housing 1 from the flow part of the turbine. The bottom 10 may be made of steel or made of an elastic material, such as rubber. A plurality of through holes 12 are made in the bottom. The size of the holes and their number are determined so that the total area of the holes is 2-6 times smaller than the area of the valve passage in the fully open position. The valve bore, shown in FIG. 2, is formed when the valve is opened and is an annular gap between the seat 3 and the locking belt 6 of the locking member 4. The valve bore in the fully open position is determined at the maximum value of the gap S. In the inner cavity 13 of the casing 1, bounded by the inner wall 9, a cylinder 14 is located, which is a hollow cylindrical part connected to the casing 1 by means of a hairpin connection 15. To enable fine adjustment In accordance with the pressure, at which the valve opens, a spring 16 is installed in the cylinder with a compression adjustment mechanism 17, which creates a clamping force of the locking member to the seat. The piston 7 of the locking member is located in the inner cavity of the cylinder 14. The cavity 19 of the cylinder 14 located under the piston 7 is connected to the flow part of the hydraulic turbine, and the cavity 20 above the piston is directly connected to atmospheric air.

Устройство впуска воздуха обычно устанавливается на торце полого вала гидротурбины и работает следующим образом.The air intake device is usually installed at the end of the hollow shaft of the turbine and works as follows.

При понижении давления в проточной части турбины, после рабочего колеса до уровня, предшествующего возникновению кавитации в вихревых зонах и связанных с ней повышенных пульсаций давления в потоке и мощности гидротурбины, на поршне 7 возникает перепад давления и усилие, достаточное для открытия запорного органа 4 клапана. Механизм сжатия пружины 17 позволяет осуществить точную регулировку давления, при котором происходит открытие клапана. При открытии клапана через входное отверстие между седлом 3 и запорным органом 4 клапана воздух поступает в полость 11 корпуса 1 и, пройдя через нее, далее через выходные отверстия 12, выполненные в днище 10 корпуса 1, выходит в полость вала в сторону рабочего колеса в проточную часть гидротурбины. При дальнейшем понижении давления за лопастями рабочего колеса вплоть до давления, близкого к давлению водяного пара, происходит полный ход поршня и полное открытие клапана до упора. При постоянном давлении в полости 20, соединенной с атмосферой, и понижении давления в полости 19, соединенной с зоной проточной части, происходит устойчивое движение поршня до положения полного открытия. Возникающее при этом увеличение расхода воздуха и возрастание потерь давления в полости 11 корпуса не уменьшает усилие на поршне и не приводит к обратному перемещению запорного органа в сторону закрытия, чем обеспечивается устойчивость процесса открытия клапана без колебаний запорного органа, ударов о седло и шумов ударного характера. Основная доля суммарных потерь давления в клапане и корпусе при полном открытии клапана приходится на выходные отверстия 12. Выполнение в днище 10 корпуса 1 большого количества отверстий 12 с малым диаметром позволяет при прохождении воздуха через корпус достичь снижения уровня шума, а выполнение входного отверстия, образующегося между седлом и запорным органом клапана, таким, что при полном открытии клапана площадь его проходного сечения в 2-6 раз больше суммарной площади выходных отверстий 12, выполненных в днище корпуса, обеспечивает наилучший результат уменьшения уровня шума. Проведенные заявителем экспериментальные исследования показали, что применение заявляемого технического решения обеспечивает снижение колебаний мощности до 1,5%, при этом перепад давления на входном отверстии не превышает 5-10% от общей разницы давления между окружающей атмосферой и местом впуска воздуха за рабочим колесом, а скорость воздуха не превышает 40-60 м/с; уровень шума при прохождении воздуха через устройство впуска согласно проведенным измерениям составляет 85-88 дБ. При выходе гидротурбины из зоны нестабильной работы давление за рабочим колесом повышается, что приводит к уменьшению перепада давления и усилия на поршне 7 до уровня, при котором оно преодолевается силой сжатия пружины 16. Происходит закрытие клапана и прекращение подачи воздуха в проточную часть гидротурбины. При этом не происходит повторного открытия и закрытия клапана, что обеспечивает устойчивость работы устройства впуска воздуха.When the pressure in the turbine flow section decreases, after the impeller to the level preceding the occurrence of cavitation in the vortex zones and the associated increased pressure pulsations in the flow and the power of the hydraulic turbine, a pressure drop arises on the piston 7 and a force sufficient to open the valve shut-off element 4. The compression mechanism of the spring 17 allows for precise adjustment of the pressure at which the valve opens. When you open the valve through the inlet between the seat 3 and the locking element 4 of the valve, the air enters the cavity 11 of the housing 1 and, passing through it, then through the outlet 12 made in the bottom 10 of the housing 1, enters the shaft cavity towards the impeller towards the flow part of the turbine. With a further decrease in pressure behind the impeller blades up to a pressure close to the pressure of water vapor, the piston travels completely and the valve fully opens to the stop. With a constant pressure in the cavity 20 connected to the atmosphere and a decrease in pressure in the cavity 19 connected to the flow part, the piston moves stably to the full opening position. The resulting increase in air flow and the increase in pressure loss in the cavity 11 of the housing does not reduce the force on the piston and does not lead to a reverse movement of the shut-off element toward the closed side, which ensures the stability of the valve opening process without fluctuations of the shut-off element, impacts on the seat, and shock noises. The main share of the total pressure loss in the valve and the housing when the valve is fully open is at the outlet 12. The bottom 10 of the housing 1 having a large number of holes 12 with a small diameter allows to reduce the noise level while air is passing through the housing, and the inlet formed between a seat and a locking element of the valve, such that when the valve is fully open, the area of its passage section is 2-6 times larger than the total area of the outlet openings 12 made in the bottom of the body, provides a nail chshy result of noise reduction. The experimental studies carried out by the applicant showed that the application of the proposed technical solution reduces power fluctuations by up to 1.5%, while the pressure drop at the inlet does not exceed 5-10% of the total pressure difference between the surrounding atmosphere and the air inlet behind the impeller, and air speed does not exceed 40-60 m / s; the noise level during the passage of air through the intake device according to the measurements is 85-88 dB. When the turbine leaves the zone of unstable operation, the pressure behind the impeller rises, which leads to a decrease in the pressure drop and force on the piston 7 to a level at which it is overcome by the compression force of the spring 16. The valve closes and the air supply to the flow part of the turbine closes. At the same time, the valve does not open and close again, which ensures the stability of the air intake device.

Claims

1. A device for air intake into the flowing part of a hydraulic turbine, comprising a housing and a valve including a seat and a locking member, characterized in that the housing contains an inner and outer wall of a cylindrical shape, equipped with a bottom separating the space between the cylindrical walls of the housing from the flowing part of the turbine and made a lot of through holes, the total area of which is 2-6 times less than the area of the valve cross-section in the fully open position, in the body cavity bounded by its inner cylindrical A wall made hollow is installed along the wall, coaxial to the walls of the body, and the shut-off element is equipped with a piston located in the cylinder cavity, while the cylinder cavity under the piston is connected to the flow part of the turbine, and the cavity above the piston is connected to atmospheric air.

2. The device for air intake into the flowing part of a hydraulic turbine according to claim 1, characterized in that the bottom is made of elastic material.