автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Энергетические характеристики модели гидроагрегатного блока низконапорных ГЭС с модифицированным подводом воды

ВВЕДЕНИЕ.

I. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОМПОНОВКИ АГРЕГАТНЫХ БЛОКОВ ГЭС . . Ю

1. Характеристики компоновочных решений агрегатных блоков низконадорных ГЭС.

2. Влияние элементов водоярювзднщего тракта гидротурбинного блока на энергетические характеристики

3. Классификация элементов водододводящего тракта гидротурбинного блока

4. Турбинные камеры низконадорных ГЭС, характеристики их форм и компоновок л.

П. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Постановка задачи энергетических и гидравлических исследований гидроагрегатного блока

2. Исходный вариант турбинной камеры модели гидроагрегатного блока.

3. Варианты модификаций водододводящего тракта гидроэнергетических установок.

Ш. ЭКСПЕРЖШТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕШИЛ

ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛИ ЩРОТУРБИННОГО БЛОКА.

1. Энергетический стенд.

2. Модель блока с гидротзр бинной повышенной быстроходностью

3. Методика проведения эксперимента и характеристика контрольно-измерительной аппаратуры.

4. Условия моделирования. о. Оценка погрешностей измерений и вычислений

6. Обработка данных энергетических исследований

1У. РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Программа гидроэнергетических исследований

2. Анализ результатов энергетических экспершленталь- 83 ных исследований

3. Расчет экономического эффекта.

У. ГдаШЖЕЖИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ потом в подводящих

ЭЛЕМЕНТАХ МОДЕЛИ ГВДРОАГРЕГАТНОГО БЛОКА НИЗКШАПОРШХ

1. Поле скоростей в подводящей части турбинной камеры и во входном сечении сшграли.

2. Условия проведения исследований и способ измерений

3. Анализ результатов исследований гидравлических характеристик потока.III

Проблема повышения экономической эффективности гидроэнергетических установок являлась и является первоочередной задачей на всех этапах развития энергетики. Она имеет важное значение и при модернизации оборудования действующих гидроэнергетических установок. Вопрос о совершенствовании элементов проточного тракта гидротурбинных блоков, а так же влияние их формы и размеров на энергетические характеристики еще полностью не решен.

Возможность изменения формы элементов проточного тракта гидроагрегатного блока без ухудшения его эксплуатационных характеристик является целью данной работы.

Создание гидроэнергетического объекта с уменьшенными объемами земляных и бетонных работ являлось предпосылкой для проведения исследований на физической модели гидротурбинного блока с элементами водопрово дящего тракта, отличающихся от действующих.

Тема исследования диссертационной работы основывалась на задаче повышения экономической эффективности гидроэлектростанций. В частности, при выборе темы диссертации принимали во внимание конкретных случай для Колумбии. Поэтому в основном исследования проведены для низконапорных ГЭС, так как в Колумбии строительство таких ГЭС имеет наибольшие перспективы.

Совершенствование подводной части гидротурбинного блока с целью уменьшения стоимостных показателей электростанции рассматривается в диссертациис учетом сохранения высокого уровня энергетических и эксплуатационных характеристик гидротурбинного оборудования.

Конкретной целью энергогидравлических исследований являлась оптимизация входных элементов подводящего тракта гидроагрегата. В диссертационной работе использован комплексных подход к изучению поставленной задачи. Автором работы проведен цикл лабораторных исследований по определению энергетических характеристик гидроэнергетической установки и изучению формы потока при изменении геометрических параметров отдельных фрагментов входных элементов гидроагрегата.

Диссертант познакомился с исследованиями советских и зарубежных авторов в области разработки конструкций подводной части зданий ГЭС и выбором ее оптимальной формы. Следует отметить работы П.А.Вальтера, Ю.С.Васильева, Н.Ф.Губина, Ф.Ф.Губина, Р.А.Ка-рапетяна, Е.Л.Митюрева, И,Е.Михайлова, П.Н.Никольского, Р.Л.Но-водережкина, В.М.Сименкова, Е.Л.Егоршина, Й.С.Розенберга, И.Н.Смирнова, А.М.Чистякова, И.Э.Этинберга. Полученные сведения легли в основу дальнейших научных исследований автора данной работы.

Задача исследования была решена в два этапа, на которых испытывали разные модификационные варианты формы элементов водопод-водящего тракта турбинного блока с определением энергетических показателей гидротурбины.

На первом этапе проведены исследования влияния формы угла опорного конуса во входной части турбинной камеры на энергетические характеристики агрегата. Величину угла опорного конуса изменяли от 15° до 0°. В практике лабораторных исследований гидроагрегатных блоков такого рода экспериментов не проводилось. Эксплуатация гидроэнергетических объектов с гидроаграгатами вертикального исполнения, снабженных турбинными камерами с неполным углом охвата показывает, что расход воды распределяется по окружности радиального направляющего аппарата неравномерно [S5j . Через просветы между направляющими лопатками, находящимися в неспиральной части турбинной камеры расход воды поступает к лопаетной системе рабочего колеса гидромашины на 10-15$ больше, чем в спиральной части. Изучение условий возможного перераспределения расхода в турбинной камере явилось одним из последующих шагов проведения исследований гидроаграгета с турбиной повышенной быстроходности типа П1-1100.

На втором этапе на энергетическом стенде последовательно были испытаны ряд модификаций турбинной камеры. Было изменено сечение правого пролета турбинной камеры по направлению движения вода. В сопоставимых условиях были подвергнуты энергетическим испытаниям четыре варианта модели с замером поля скоростей в характерных сечениях модифицированной турбинной камеры. Зондирование потока проведено для того, чтобы выяснить влияние предлагаемого варианта на формирование штока в турбинной камере и соответственно его влияние на работу гидроагрегатного блока в целом.

Полученные результаты исследований сравнивались с результатами исходного варианта, т.е. энергогидравлическими характеристиками гидротурбинного блока при отсутствии всяких изменений. Анализ этих исследований показал, что имеются возможности влиять на структуру потока перед входом его в направляющий аппарат турбины. В некоторых случаях это способствует улучшению энергетических и эксплуатационных показателей гидроагрегата.

Новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые изучено влияние величины угла конуса в отбытой части спиральной камеры на энергетические показатели гидротурбинного блока. В этой работе осуществлено ряд изменений подводящей части турбинной камеры и изучено их влияние на энергетические показатели гидротурбины.

Предлагаемая модернизация подводящей части турбинной камеры низконапорных ГЭС позволяет лучше распределить расход воды по периферии регулирующего органа гидротурбины. Спиральная часть турбинной камеры составляет около 58% всего периметра направляющего аппарата при угле охвата V =210°. В результате модернизации турбинной камеры протекающий расход воды через статор в спирали увеличивается на 13$ по сравнению с исходным вариантом. Благодаря этому расход распределяется более равномерно по всему периметру направляющего аппарата.Для подземных типов гидроэлектростанций модернизация турбинной камеры с неполным углом охвата позволяет уменьшить объем скальных выемок при создании стационарной части здания ГЭС, а также объем бетона. На русловых и припло-тинных гидроэнергетических установках появляется также возможность создания дополнительных помещений в подводной части здания ГЭС. На русловых ГЭС за счет модификаций турбинной камеры объем бетона уменьшится на 3. Л%,

Исследование, описанное в диссертации провел ее автор под руководством профессора, д.т.н. Ю.С.Васильева. Экспериментальный этап исследования проведен на физической модели низконалорной ГЭС установленной в лаборатории гидроэнергетических установок кафедры использования водной энергии ИЛИ им.М.И.Калинина. Автору этой работы помогали в течение исследований сотрудники лаборатории гидроэнергетических установок. Особую благодарность выражает автор доценту к.т.н. И.С.Саморукову и ст.н.с. к.т.н. Л.И.Кубышкину. В совершенствовании диссертации с автором сотрудничал к.т.н. А.П.Гришкевич.

Обработка экспериментальных данных энергетических исследований сделана с помощью электронной вычислительной машины ЭВМ ЕС-1022, установленной в учебно-вычислительной лаборатории гидроэнергетики. В диссертации дается описание методики обработки экспериментальных данных энергетических исследований.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенные в работе изменения конструкции турбинной камеры позволяют сократить объем бетонного массива здания ГЭС, а также использовать дополнительные помещения для вспомогательного оборудования электростанции. Кроме того, такие изменения турбинной камеры для ГЭС подземного типа могут обеспечить существенное уменьшение скальной выемки.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Величина угла опорного конуса в открытой части турбинной камеры незначительно влияет на энергетические показатели гидротурбинного блока. Разница результатов лежит в пределах точности эксперимента.

2. Из всех исследованных вариантов лучшим является вариант 83 , при котором наблюдается тенденция к повышению к.п.д. £ на 0,5-1,0$ на основных режимах работы гидроагрегата с углами установки лопастей рабочего колеса ^0=0° и ^=20°.

3. Влияние на энергетические показатели гидротурбины исследованных модификаций турбинной камеры, кроме вариантов В2 и , незначительно и находится в пределах точности эксперимента.

4. Результаты исследований первого варианта ( ) показывают, что более целесообразная длина вставки ( ) является так как уменьшение этой длины ухудшает энергетические показатели гидроагрегатного блока. о. Исследование структуры потока (варианта З3 ) говорит о перераспределении поля скоростей и расхода на входе в направляющий аппарат. При этом поток стабилизируется и улучшаются энергетические и эксплуатационные качества гидроагрегатного блока.

6. Предлагаемая в данной работе модификация турбинной камеры (вариант ) позволяет существенно сократить объем бетона подводного массива здания гидроэлектростанции плотинного типа, поднять отметку дна по.дводящей части камеры в правом пролете и уменьшить объем земляных и скальных работ особенно при сооружении подземных ГЭС.

Форма и размеры отдельных элементов турбинной камеры не могут быть определены только расчетными методами.

Совершенствование подводной части гидротурбинных блоков связано с необходимостью дальнейших лабораторных исследований.

В частности, результаты исследований структуры потока в турбинной камере модели гядроагрегатного блока низконапорных ГЭС показали, что в центральной части входного сечения турбинной камеры (отверстие 4° мерного створа 1-1) наблюдается наихудшее распределение поля скоростей (см.рис.35). С целью ликвидации неблагоприятных условий натекания потока на статор турбины предлагается провести серию исследований модификаций турбинной камеры представленную на рис.38.

Кроме того, можно сделать предположение, что конструкции представленные на рис.39, не ухудшат условия работы гидроагрегата, т.к. площадь любого из этих вариантов находится между значениями 33600-89100 мм? соответствующими исследованным вариантам

Во, Ва . заделка потолка стенка с заделка днища

Предлагаемая модификация турЁиннои камеры для дальнейших исследовании .

Рис.38

777777777777777777777?

Возможныё Варианты изменения гамеры

Рис. 39

01230200010100000202

01010201022302000102

1. Айвазьян В.Г. О методике анализа потерь энергии в блоках гидравлических турбин. Гидротехническое строительство, 1951, JS Ю,

2. Бабурин Б.Л., Файн И.И. Экономическое обоснование гидроэнерго-строительства. М.: Энергия, 1975.

3. Богданова В.В., Течение в спиральных камерах. Труды ЛИИ, № 176, Машгиз, 1955.

4. Бережной A.A. Силовые здания гидроэнергетических станций и их оборудование. Изд.Энергия, Москва, 1964.

5. Вальтер П.Л. Основания гидродинамической теории камер, подводящих воду к турбине. Ч.1-Ш. Труды ЦАГИ I929-I93I гг.

6. Вальтер П.А.Камера, подводящая воду к турбине, и ее целесообразная форма. Вестник инженеров и техников, )£ II, 1937.

7. Вальтер П. А. Изучение потока в подводящих камерах турбин различной формы. Вестник инженеров и техников, № I, 1932.

8. Васильев П.И., Кононов Ю.И., Чирков Я.Н. Железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. Учеб.пособие. Киев Донецк, Вища школа, 1982.

9. Васильев Ю.С. Основы и методы расчетов оптимальных параметров водопроводящих сооружений ГЭС. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Л., 1972.

10. Васильев Ю.С. Учебно-методическое пособие по специальности гидроэнергетические установки. Ленинградский политехнический институт им.М.И.Калинина. Л., 1967.

11. Васильев Ю.С. Лабораторные энергетические исследования блока Череповецкой ГЭС. Труды ЛПИ, Машгиз, № 289, 1968.

12. Васильев Ю.С., Кубышкин Л.И. Система обработки данных лабораторных исследований агрегатных блоков ГЭС. Известия ВНИЙГ им.Б.Е.Веденеева, Энергоатомиздат, 1983.

13. Васильев Ю.С., Кубышкин Л.И., Стрижкеен В.В. Автоматизации исследований в лаборатории гидроэнергетических установок. Труды ЛИИ, 401, Ленинград, 1984.

14. Воробьев Б.В., Телешев В.И. Определение сметной стоимости строительства гидротехнических сооружений. Методическое пособие. Ленинград, 1983.

15. Гинко С.С. Основы гидротехники. Гидрометеоиздат. Л., 1976.

16. Губин Н.Ф. Исследования спиральных турбинных камер гидроэлектростанций. Труды МИ0И, вып.16, Госэнергоиздат, 1956.

17. Губин Ф.Ф. Некоторые проблемы исследований проточной части гидротурбины современных гидро электростанций. Труды МИСИ, № 35, Госэнергоиздат, 1961.

18. Губин Ф.Ф. Гидроэлектрические станции. Госэнергоиздат, Москва, 1949.

19. Губин Ф.Ф. и Кривченко Г.И. Гидроэлектрические станции. Энергия, Москва, 1980.

20. Губин Ф.Ф., Михайлов И.Е. и Митюров Е.Л., К вопросу выбора величины скорости во входном сечении спирали бетонных турбинных камер гидроэлектростанций. Известия высших учебных заведений, "Строительство и фхитектура", 1959, )£ 8.

21. Гришкевич А.П. Анализ влияния износа турбин на энергетические показатели ГЭС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1973.

22. Золотов Л.А. и Горбачев С.И. Гидравлические исследования турбинных блоков гидроэлектростанций, Труды Гидроцроекта, № II, 1964.

23. Карапетян P.A. Влияние ширины входного сечения и бычков на характер потока в бетонных спиральных камерах. Известия ВНИИГ, выпуск 64, i960.

24. Кац С.М. Балансирные динамометры для измерения вращающего момента. Госэнергоиздат, 1962.

25. Ковалев H.H. Справочник по гидротурбинам. Машиностроение, Л., 1984.

26. Ковалев H.H. Справочник конструктора гидротурбин. Машиностроение. Л., 1971.

27. Ковалев H.H. Проектирование гидротурбин. Машиностроение, Л., 1974.

28. Коновалов A.B. Исследования параметров элементов водоприемни-ков-водовыпусков ГАЗС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л., 1979.

29. Координационное совещание по гидравлике гидротурбинных блоков. Л., 1964.

30. Кривченко Г. И. Гидравлические машины. Энергоатомиздат, Москва, 1983 г.

31. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд.Наука, Москва, 1970.

32. Методические указания по определению экономической эффективности капитальных вложений при проектировании гидроэнергетических объектов. Минэнерго, Главниипроект, 1981.

33. Митюрев Е.Л. Исследования работы турбинных спиральных камер уменьшенных размеров. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. МИСИ, 1962.

34. Минигулов А.Х. Исследование пропуска сборных расходов воды через модель гидроагрегатного блока низконапорной ГЭС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. ЛПИ, 1982.

35. Михайлов Й.Е. Турбинные камеры гидроэлектростанции. Энергия, Москва, 1970.

36. Михайлов И.Е. и Митюрев Е.Л. Влияние расположения раздельных бычков в спиральных камерах на характеристики гидротурбины. ТрУДы МЕСИ, $ 35, Госэнергоиздат, 1961.

37. Михайлов И.Е. и Митюрев Е.Л. Потери энергии в спиральных турбинных камерах с различными поперечными сечениями. Труды МЕСИ, & 35, Госэнергоиздат, 1961.

38. Морозов А.А. Турбинное оборудование гидроэлектростанций. Руководство для проектирования. Госэнергоиздат, 1958.

39. Мустафин Х.Ш. К вопросу о влиянии гидротурбинного оборудования на строительную часть здания гидроэлектростанции. Гидротехническое строительство, 1957, $ 6.

40. Мустафин Х.Ш., Васильев Ю.С. Выбор основного оборудования зданий гидроэлектростанций. Учебное пособие. Куйбышев, издательство Университет, 1972.

41. МЭК. Резолюция МЭК международный код. Модельных приемосдаточных испытаний гидравлических турбин. Женева, публикация Я 193, 1967.

42. Непорожний П.С., Обрезков В.И. Гидроэлектроэнергетика, Энер-гоиздат, Москва, 1982.

43. Никольский П.Н. Влияние формы подводящей камеры и расположения лопаток направляющего аппарата гидротурбины на его силовые характеристики. Труды ЛМЗ, Гидротурбиностроение, 4, 1957.

44. Новодережкин Р.А. Исследования потока и потерь энергии в спиральных камерах, статоре и направляющем аппарате турбин гидроэлектростанций. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1969.

45. Новожилов В.В. Измерение затрат и результатов. М.: Экономика, 1967.

46. Обухов Е.В. Определение некоторых технико-экономических показателей агрегатных блоков ГЭС. Известия вузов СССР. Энергетика № 3, 1981.

47. Обухов Е.В. Обобщенные оценки технико-экономических показателей гидроэнергоблоков ГЭС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1982.

48. Павлов Я.П. Влияние гидротурбинного оборудования на строительную часть здания гидроэлектростанции. Гидротехническое строительство. 1953, № I.

49. Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Машиностроение. Л., 1969.

50. Претро Г.А. Специальные типы зданий гидроэнергетических установок. Энергия. М., 1975.

51. Раабе И. Гидравлические машины и установки. Энергия, Москва, 1974.

52. Сборник у!фупненных показателей стоимости для технико-экономических обоснований строительства ГЭС и ГАЭС (УПС ГЭС-78). "Гидропроект" им.С.Я.Жука. Москва, 1983.

53. Семенков В.М., Егоршин С.И, и Розенберг И.С. Результаты и методика сопоставительных гидравлических исследований подводящих турбинных камер упрощенных форм. Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып.22, изд-во "Энергия", 1955.

54. Семенов В.В. Прямоточные гидроагрегаты высокой и сверхвысокой быстроходности. ГЭИ, М.-Л., 1959.

55. Симонов Л.А. Взаимодействие потоков в спирали, направляющем аппарате и рабочем колесе гидротурбин, "Инженерный сборник", 1943, т.2, выл.I.

56. Сименков В.М., Егоршин С.Л., Розенберг И.С. Результаты и методика сопоставительных гидравлических исследований подводящих турбинных камер упрощенных форм. Труды координационных

57. Сквайре Д.Ж. Практическая физика, перевод с английского под редакцией Е.Н.Лейкина. Москва, 1971.

58. Слисский С.М, Гидравлика зданий гидроэлектростанций, "Энергия", Москва, 1970.

59. Смирнов И.Е. Гидравлические турбинные насосы. Изд.Высшая школа, Москва, 1969.

60. Смирнов И.Н. О влиянии на энергетические качества поворотно-лопастных турбин, размеров и формы радиальных сечений турбинной спиральной камеры. Труды ЛПИ, J6 215, Машгиз, Москва, I9SI.

61. Соколов Д.Я. Использование водной энергии. Сельхозизд, Москва, 1953.

62. Стопе кий С. Б. Индукционные тормозные динамометры. Энергомашиностроение, tè 12, 1967.

63. Чистяков A.M. Исследование гидротурбинных блоков ГЭС. Л., Энергия, 1972.

64. Чистяков A.M. Новая методика модельных исследований турбин реактивного типа и гидротурбинных блоков ГЭС, Госэнергоиздат, М.-Л., 1958.

65. Щавелев Д.С. Гидроэнергетические установки. Энергоиздат, Л., 1981.

66. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений, Изд-во "Наука", Москва, 1969.

67. Этинберг И.Э. Теория и расчет проточной части поворотнолопа-стных гидротурбин. Изд.Машиностроение. М.-Л., 1955.