RU49248U1

RU49248U1 - Устройство для измерения расходов жидкости в гидравлических установках (два варианта)

Info

Publication number: RU49248U1
Application number: RU2005122455/22U
Authority: RU
Inventors: С.О. Бритвин; С.Г. Дмитриев; А.М. Красильников; Т.М. Нэмени; А.В. Пилюзин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт энергетических сооружений"
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для измерения расходов воды в гидравлических установках с гидротурбинами, насос-турбинами или насосами, в состав которых входят спиральные камеры. Технической задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и точности измерения и применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность В первом варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающие акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, одним отражателем акустического сигнала преобразователя, при этом два акустических преобразователя установлены на стенке спиральной камеры или на статорных колоннах, а отражатели установлены, соответственно, на статорных колоннах или на стенке спиральной камеры, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя. Во втором варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающее акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, двумя отражателями акустического сигнала преобразователя, при этом один акустический преобразователь и половина отражателей установлены на стенке спиральной камеры, а другой акустический преобразователь и вторая половина отражателей - на статорных колоннах, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

Description

Полезная модель относится к устройствам для измерения расходов воды в гидравлических установках с гидротурбинами, насос-турбинами или насосами, в состав которых входят спиральные камеры.

Известно применение ультразвуковых расходомеров на низконапорных гидроэлектростанциях, не имеющих подводящих водоводов. При реализации этого способа измерения расхода, ультразвуковой расходомер устанавливается на раме, размещаемой в пазах сороудерживающих решеток или в пазах аварийно-ремонтных затворов.

Такой способ измерений пригоден только для проведения испытаний гидротурбинного оборудования и не является эксплуатационным, когда требуется выполнять непрерывный контроль за величинами расходов воды в течение длительного времени, так как пазы сороудерживающих решеток или аварийно-ремонтных затворов не могут быть длительно заняты посторонним оборудованием.

Ближайшим аналогом (прототипом) настоящей полезной модели является устройство для измерения расходов воды в гидравлических установках (патент РФ RU 2201579 С1, 2003 г.).

В известном устройстве для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающем акустические преобразователи, расход воды измеряется с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями, один из которых установлен на стенке спиральной камеры, а другой - на одной из статорных колонн.

Недостатками этого устройства являются недостаточно высокая точность измерения из-за сравнительно малой длины акустического луча и неудобство установки акустических преобразователей на стенке спиральной камеры, где условия их установки и работы значительно хуже, чем на статорных колоннах.

Технической задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и точности измерения и применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность

В первом варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающие акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, одним отражателем акустического сигнала преобразователя, при этом два акустических преобразователя установлены на стенке спиральной камеры или на статорных колоннах, а отражатели установлены, соответственно, на статорных колоннах или на стенке спиральной камеры, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

Во втором варианте поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающее акустические преобразователи снабжено, по крайней мере, двумя отражателями акустического сигнала преобразователя, при этом один акустический преобразователь и половина отражателей установлены на стенке спиральной камеры, а другой акустический преобразователь и вторая половина отражателей - на статорных колоннах, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

Акустические преобразователи и отражатели установлены с помощью накладных или закладных приспособлений, снабженных котировочными устройствами.

Акустические преобразователи и отражатели могут размещаться в пределах высоты статорных колонн, а также между двумя соседними статорными колоннами на верхнем или нижнем поясах, объединяющих статорные колонны.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 и фиг.2 изображено размещение акустических преобразователей (АП1 и АП2) и отражателей (А, В и С) на стенке спиральной камеры или на ее статорных колоннах (первый вариант полезной модели); на фиг 3 - изображено размещение акустических преобразователей (АП1 и АП2) и отражателей (А и В) на стенке спиральной камеры и на ее статорных колоннах (второй вариант полезной модели); на фиг.4 и фиг.5 - схематический разрез участка спиральной камеры в плане.

Устройство для измерения расходов жидкости в гидравлических машинах, включающих электрическую и гидравлическую машины, статор 2 с неподвижные статорными колоннами 5 и спиральную камеру с внешним контуром 1 (фиг.1-5), содержит расходомерный узел, выполненный в виде ультразвукового расходомера с двумя акустическими преобразователями 3 (АП1 и АП2) и отражателями 4 (А, В и С), установленными либо на статорных колоннах 5, либо на стенке спиральной камеры 1, либо один на стенке спиральной камеры 1 и другой - на статорной колонне 5, как показано на фиг.1 - 3.

Монтаж акустических преобразователей и настройка расходомера выполняется с помощью крепежных и котировочных приспособлений.

Способ определения объемного расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами 5 заключается в измерении параметров потока жидкости с помощью формирования акустического луча между двумя акустическими преобразователями и определении объемного расхода жидкости на основании измеренных параметров, причем два акустических преобразователя 3 устанавливаются на статорных колоннах 5 спиральной камеры, а на стенке спиральной камеры 1 устанавливаются отражатели 4, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя, или два акустических преобразователя 3 устанавливаются на стенке 1 спиральной камеры, а на статорных колоннах 5 устанавливаются отражатели 4, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя, или один акустический преобразователь 3 устанавливаются на стенке 1 спиральной камеры, а другой - на статорной колонне 5, причем отражатели 4 установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей 4 попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

Многочисленными теоретическими и экспериментальными исследованиями (И.Е.Михайлов. Турбинные камеры гидроэлектростанций. Энергия. Москва, 1970) установлено, что эпюры окружных, радиальных и вертикальных составляющих скоростей течения воды в спиральной камере при различных величинах расхода подобны, т.е. безразмерные поля течения воды в спиральной камере практически не

зависят от величины расхода и определяются только размерами камеры, ее формой и условиями входа.

Характер изменения величин окружных скоростей в спиральной камере подчиняется закону постоянства произведения величины окружной скорости на радиус.

Отношение радиальной составляющей скорости к окружной составляющей равно тангенсу угла установки статорных колонн δ_ст (фиг.5).

Эти свойства течения воды в спиральных камерах позволяют производить измерение расхода с помощью предлагаемого способа, как показано ниже.

Разницу во времени прямого и обратного пробега по всем акустическим лучам Δt, опираясь на приведенные ниже вывод, можно представить в виде (см. фиг.4):

где d_i=2f(α_i)k/Ic² (2)

Q - полный расход агрегата,

f(α_i)=arctg((ξ+sinα_i)/cosαi)-α_i±(δ_cт/2)ln(ξ²+2ξsinα_i+1), (6)

ξ=Li/r_o, Li - длина i-го акустического луча,

k=φ/360,

с - скорость звука в воде,

n - число акустических лучей.

Вывод расчетных соотношений

В соответствии со свойствами потока воды в спиральной камере можно записать, что (см. фиг.5)

Urx/Utx=tgδ_cт и r_хUtх=К.

Из треугольника АВС по теореме синусов r_o/sinβ=r_x/cosα. Поэтому

sinβ=cosα₁=r_ocosα/r_x.

Из треугольника АВС по теореме косинусов

r_х ²=х²+r_o ²+2xr_osinα.

С учетом этого проекция вектора скорости на УЗ луч Uпp будет равна

Uпp=Utx(cosα₁+tgδ_cтcosβ)

и после преобразований и подстановок получим

Uпp=K(r_oсosα+tgδ_cтr_osinα+xtgδ_cт)/r_х ².

Разница во времени пробега прямого и обратного УЗ лучей Δt составит

где с - скорость звука в воде.

После интегрирования получаем формулы (1) и (2).

Оценим погрешность измерений согласно формулам (1) и (2) для случая применения устройства с двумя акустическими лучами (фиг.4).

Погрешность определится формулой

σ=δt/Δt,

где δt - погрешность в измерении интервала времени Δt.

Поскольку Δt=dQ, отсюда следует, что

σ=δt/dQ.

Для двух УЗР - одного с одним акустическим лучом с коэффициентом d1 и погрешностью σ1 и другого с двумя акустическими лучами с коэффициентом d2 и погрешностью σ2 - отношение погрешностей х будет равно

x=d1/d2.

Для примера по вышеприведенным формулам был проведен расчет отношения погрешностей х для спиральной камеры Нижнекамской ГЭС с параметрами: уравнение спирали - r=9Ехр(0,2φ) м, угол φ отсчитывается от зуба спирали, наружный радиус статора - r_o=8,1 м, углы φ1, φ2 и φо равны 100,40 и 70 градусов соответственно.

При этом при применении двухлучевого УЗР по сравнению с однолучевым х=0,6, т.е. погрешность уменьшается на 40%, а при применении трехлучевого УЗР - х=0,45 т.е. погрешность уменьшается более, чем вдвое.

Предлагаемое устройство измерения расхода воды в спиральной камере обладает следующими преимуществами:

- повышение точности измерений за счет увеличения длины акустического луча,

- повышение качества исполнения и, как следствие, надежности работы измерительной системы за счет отказа от установки акустических преобразователей на стенке спиральной камеры, где условия их установки и работы значительно хуже, чем на статорных колоннах,

- повышение качества настройки и, как следствие, надежности работы измерительной системы за счет применения юстировочных приспособлений, встроенных в крепежные приспособления,

применимость на действующих гидравлических установках, где эксплуатационные расходомеры утратили работоспособность.

Claims

1. Устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающие акустические преобразователи, отличающееся тем, что оно снабжено, по крайней мере, одним отражателем акустического сигнала преобразователя, при этом два акустических преобразователя установлены на стенке спиральной камеры или на статорных колоннах, а отражатели установлены соответственно на статорных колоннах или на стенке спиральной камеры, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что акустические преобразователи и отражатели установлены с помощью накладных или закладных приспособлений, снабженных юстировочными устройствами.

3. Устройство для измерения расхода жидкости в гидравлических установках со спиральными камерами и размещенными в них статорными колоннами, включающее акустические преобразователи, отличающееся тем, что оно снабжено, по крайней мере, двумя отражателями акустического сигнала преобразователя, при этом один акустический преобразователь и половина отражателей установлены на стенке спиральной камеры, а другой акустический преобразователь и вторая половина отражателей - на статорных колоннах, причем отражатели установлены таким образом, чтобы центр акустического луча от одного из преобразователей после отражения от всех отражателей попал в центр акустической пластинки другого преобразователя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что акустические преобразователи и отражатели установлены с помощью накладных или закладных приспособлений, снабженных юстировочными устройствами.