RO137523B1 - Dispozitiv pentru reducerea instabilităţilor curgerii cu rotaţie din difuzorul conic al turbinelor hidraulice - Google Patents

Description

RO 137523 Β1

Invenția se referă la un dispozitiv de control și atenuare al instabilităților curgerii cu rotație din difuzorul conic al turbinelor hidraulice, care funcționează la debit parțial.

Curgerile cu rotație sunt specifice funcționării turbomașinilor și în special turbinelor hidraulice cu palete fixe sau radial-axiale (turbinele Francis). Configurația generală a turbinelor de tip Francis include o cameră spirală, care generează o curgere cu o componentă tangențială a vitezei, în aval de camera spirală, care este ghidată prin două rețele radiale de palete: prima este fixă (statorul) iar cea de a doua este reglabilă (aparatul director), permițând reglarea debitului turbinei. Ansamblul paletajelor de stator și aparat director poartă denumirea de distribuitor. Curgerea cu rotație generată de ansamblul cameră spirală - distribuitor intră în rotorul turbinei, unde se transformă energia hidraulică disponibilă în energie mecanică la arborele mașinii.

Turbinele hidraulice modeme, în special turbinele Francis de cădere mică sau medie, sau turbinele Kaplan, au în general un difuzor conic compact, cu unghi de evazare relativ mare. Prin urmare, pentru evitarea desprinderii curgerii de pe peretele difuzorului conic, asociată cu pierderi hidraulice suplimentare și deteriorarea performanțelor hidrodinamice ale tubului de aspirație, este benefică prezența unei componente de rotație a curgerii la ieșire din rotor, chiar la punctul nominal de funcționare. Astfel, turbinele hidraulice modeme au încă din proiectare un nivel a curgerii cu rotație introdus în difuzorul conic. în plus, cerințele actuale ale pieței de energie necesită operarea turbinelor hidraulice pe o plajă largă de valori ale debitului, pentru a compensa atât fluctuațiile de consum dar mai ales fluctuațiile date de energia eolienă sau solară. Astfel, la regimuri depărtate de cel nominal, rotația curentului în aval de rotor devine semnificativ mai mare decât valoarea de la punctul nominal. Turbinele hidraulice trebuie să funcționeze într-un domeniu mult mai larg, departe de punctul de randament maxim, pentru a compensa fluctuațiile surselor de energie regenerabilă. Astfel, turbinele cu palete fixe, de tip Francis, care funcționează la debite parțiale, prezintă o valoare ridicată a rotației fluidului la intrarea în difuzorul conic, datorită necorelării dintre curgerea cu rotație generată de aparatul director și impulsul unghiular extras de la rotorul turbinei.

Curgerea decelerată cu rotație în aval de rotor dezvoltată la regimuri departe de cel optim (uneori chiar și la regimuri nominale) produce instabilități auto-induse care se manifestă sub diferite forme funcție de regimul de funcționare. Atunci când această curgere cu rotație din difuzorul conic se decelerează, aceasta devine instabilă ducând la apariția vârtejului elicoidal (sau „vârtejul funie). Vârtejul funie este principala cauză pentru apariția fluctuațiilor de presiune în tubul de aspirație la turbinele hidraulice care funcționează la sarcină parțială. Instabilitatea curgerii este asociată cu severe pulsații de presiune, oscilații ale puterii turbinei, vibrații ce pot produce ruperea paletelor, limitând potențialul de utilizare ale turbinelor hidraulice.

Efectele funcționării turbinelor hidraulice la sarcină parțială sunt: I) ruperea bolțurilor de legătură a tubului de aspirație, II) smulgeri de ogive, III) ruperi de palete, IV) distrugerea garniturilor de etanșare, V) uzura neuniformă a lagărelor.

Metodele pentru eliminarea fenomenului de vârtej funie în turbinele hidraulice modeme, vizează fie înlăturarea cauzelor instabilității curgerii, fie diminuarea efectelor acestuia. Astfel de tehnici pot fi active sau pasive. Se cunosc următoarele soluții tehnice: I) admisia de aer, II) aripioare stabilizatoare introduse in difuzorul conic al turbinei, III) introducerea de cilindri concentrici în conul difuzorului, IV) metoda J-Groove, V) stator aval de rotor, VI) introducerea de palete separatoare în cotul difuzorului, VII) introducerea de palete directoare în cotul tubului de aspirație, VIII) introducerea de corpuri centrale alungite cu prinderea în vecinătatea butucului rotorului. Deși aceste tehnici au condus la îmbunătățiri semnificative în funcționarea turbinei, în ceea ce privește regimurile departe de punctul optim

RO 137523 Β1 de funcționare, aceste soluții nu pot fi eliminate atunci când nu mai este necesară prezența 1 lor, introducând astfel pierderi hidraulice suplimentare nedorite, atunci când se operează în vecinătatea punctului optim. 3

Admisia aerului chiar dacă este eficientă în cazul funcționării la debit parțial, poate declanșa apariția rezonanței sistemului hidraulic. Metodele active de control a curgerii cu 5 rotație utilizează, în general, fie injecție de aer sau injecție de apă, folosind o sursă de energie externă, cum ar fi: I) injecție de aer la bordul de fugă al paletelor aparatului director, 7 II) injecție de aer printr-o cameră inelară ce înconjoară difuzorul conic, III) introducerea în interiorul difuzorului conic a unui colector de aer la perete, IV) injecție mixtă de aer și apă prin 9 capacul turbinei, VI) injecție de apă la bordul de fugă al paletelor aparatului director, V) injecție cu jet de apă tangent la peretele difuzorului conic, VI) injecție cu jet de apă axial cu 11 viteză mare și debit mic, VII) injecție cu jet de apă axial cu viteză mică și debit mare.

Metodele prezentate mai sus arată în mod clar că o tehnică eficientă de control a 13 curgerii cu rotație ar trebui să abordeze cauza principală a instabilității auto-induse, mai degrabă, decât atenuarea efectelor vârtejului funie cu mișcare de precesie. Injecția de apă 15 prin coroana rotorului de-a lungul axei turbinei, s-a dovedit eficientă la un debit al jetului de 10% până la 12% din debitul nominal. Din punct de vedere practic, acestă tehnică ridică o 17 nouă problemă în ceea ce privește aprovizionarea debitului necesar jetului de control. O abordare simplă este de a alimenta jetul de control cu apă din amonte de rotor, dar apare 19 o creștere inacceptabilă a așa-numitelor pierderi volumetrice, datorită faptului că debitul din jet de control nu va fi valorificat la transformarea energetică. Alternativă este de a alimenta 21 jetul de control prin colectarea unei fracțiuni din debit din avalul difuzorului conic prin instalarea unei camere spirală dublă, care conduce apa prin conducte de retur prin arborele 23 turbinei și ogiva rotorului (metoda flow-feedback). Această din urmă metodă este costisitoare de implementat în centrale hidroelectrice, din punct de vedere constructiv. O altă metodă de 25 eliminare a pulsațiilor de presiune, o reprezintă introducerea unei diafragme ajustabilă/ retractabilă al cărui rol este de a închide zona de stagnare asociată vârtejului funie. Prin 27 închiderea zonei de stagnare, se elimină instabilitățile auto-induse a curgerii și astfel dispar fluctuațiile de presiune și vibrațiile dar această metodă introduce pierderi hidraulice semni- 29 ficative în sistem.

Documentul RO 131408 B1 descrie un echipament pentru controlul instabilităților 31 curgerilor cu vârtej din difuzorul conic al turbinelor hidraulice, care funcționează la debit parțial. Echipamentul conform invenției este alcătuit dintr-o conductă de bypass, o vană de 33 reglare, o vană rotativă, un rezervor de liniștire și o conductă de injecție a apei, care, înseriate, fac legătura între un lac amonte și un rotor al turbinei, conducta de bypass se 35 racordează la o conductă de aducțiune din lacul amonte, iar în continuarea conductei de bypass se află vana de reglare, ce reglează debitul jetului pulsant. Un echipament ce gene- 37 rează un jet de apă pulsator legat printr-un sistem de bypass la rotorul turbinei, poate reduce fluctuațiile de presiune ce apar în difuzorul conic, atunci când turbina funcționează la debit 39 parțial. Această soluție tehnică folosește, pentru eliminarea vârtejului funie, un jet pulsator obținut cu ajutorul unei vane rotative, care însă induce pierderi hidraulice semnificative ce 41 pot afecta randamentul sistemului hidraulic.

Documentul CN 202010660445 A dezvăluie un tub de tiraj care utilizează un 43 dispozitiv de deviere format din cilindri ca metodă de suprimare a vortexului pentru o turbină cu apă. Tubul include un dispozitiv de deviere compus dintr-un cilindru exterior, un cilindru 45 mijlociu și un cilindru interior, dispozitivul fiind situat în mijlocul interiorului tubului; cilindrul exterior, cilindrul mijlociu și cilindrul interior sunt distanțate și nu intră în contact unul cu 47 celălalt, cei trei cilindri au aceeași axă centrală, axa centrală este coliniară cu axa centrală a conului, iar cei trei cilindri sunt conectați fix cu peretele conului. 49

RO 137523 Β1

Documentul JPH 03975 A descrie o turbină hidraulică având palete mobile și un mecanism cu cilindru rotativ pe arborele principal care conduc la o funcționare a turbinei prevenind apariția cavitației.

Documentul AU 2013221948 A1 se referă la o turbină hidraulică având un senzor de presiune și un element de introducere a aerului pentru a reduce pulsațiile de presiune a apei la funcționarea în regim de debit parțial.

Este cunoscută invenția US 20140079532 A1 în care se arată că prin introducerea unui corp central (o coloană centrală) de-a lungul axei de rotație a arborelui mașinii hidraulice și având diametrul mai mic decât diametrul ogivei, acesta poate umple zona de quasi-stagnare și astfel se pot elimina pulsațiile de presiune datorate funcționării la debit parțial.

Este cunoscută invenția JP 11153081 A în care se arată că în interiorul conului tubului de aspirație la perete se atașează un corp închis realizat dintr-un material elastic în care se introduce aer pentru a elimina rezonanța ce poate apărea în urma funcționării la debit parțial a mașinii.

Este cunoscută invenția JP 11280634 A în care se arată că prin introducerea unei aripioare în difuzorul conic de-a lungul axei, pulsațiile de presiune ce apar la debit parțial se reduc.

Este cunoscută invenția US 20070009352 A1 în care se arată că prin introducerea a diferite corpuri alungite la ieșire din ogiva rotorului al unei turbine sau pompe, se minimizează turbulențele și variațiile de presiune ce apar la debit parțial.

Invențiile de mai sus prezintă dezavantajul că odată instalate, atunci când turbina funcționează la debitul optim, ele pot introduce pierderi hidraulice suplimentare, scădere în randament și vibrații care pot conduce la rezonanța organelor mașinii hidraulice.

De asemenea aceste soluții prezintă o construcție complicată, sunt dificil de manevrat și de întreținut.

Problema tehnică a invenției constă în realizarea unui dispozitiv care să asigure reducerea pulsațiilor de presiune și vibrațiilor datorate instabilității curgerii cu vârtej funie din difuzorul conic al turbinelor hidraulice, ce apar la debit parțial, în condițiile unor pierderi hidraulice inferioare față de cele înregistrate prin folosirea dispozitivelor actuale.

Dispozitivul propus înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că este alcătuit din două părți, una fixă și una rotitoare acționată de un motor electric ce produce jetul pulsant aferent frecvenței dorite pentru reducerea instabilităților curgerii cu rotație, odată cu trecerea debitului de apă prin partea fixă și înlocuiește vana rotativă clasică din echipamentul ce produce jet de apa pulsator conform invenției RO131408 B1.

Dispozitivul de control al instabilităților curgerii cu vârtej din difuzorul conic al turbinelor hidraulice, conform invenției prezintă următoarele avantaje:

- prezintă o construcție simplă, se montează ușor pe traseul hidraulic al turbinelor printrun sistem de bypass de la conducta de aducțiune la arborele turbinei;

reduce pulsațiile de presiune asociate vârtejului funie;

- atunci când turbina funcționează la punctul optim și când nu e necesară folosirea lui, acesta poate fi închis automat;

- utilizarea dispozitivului conform invenției și introducerea jetului pulsant în zona de formare a vârtejului poate fi controlată și optimizată printr-un modul de automatizare care monitorizează parametrii de funcționare a turbinei și comandă incremental viteza de rotație a motorului până la o valoare convenabilă pentru optimizarea acestora;

RO 137523 Β1

- dispozitivul va putea fi utilizat în cadrul noilor construcții de centrale hidroelectrice 1 cât și în cazul centralelor în curs de retehnologizare, dispozitivul nu produce pierderi hidraulice mari comparativ cu vana rotativă și realizează frecvența necesară pentru eliminarea 3 fluctuațiilor de presiune la debit parțial.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu figurile 5 care reprezintă:

- fig. 1, schița unei turbine hidraulice Francis cu noul dispozitiv de producere a jetului 7 pulsant;

- fig. 2, dispozitiv de generare a jetului pulsant, conform invenției. 9

Dispozitivul pentru controlul curgerii cu vârtej din difuzorul conic al turbinelor hidraulice conform invenției realizează reducerea instabilității autoinduse a curgerii, a fluctuațiilor 11 de presiune și a vibrațiilor prin introducerea unui jet pulsator de apă, controlat de către un operator sau printr-un mecanism de automatizare, în zona superioară a difuzorului conic al 13 turbinelor prin capătul coroanei rotorului turbinei cu centrul în axa principală a turbinei. Atunci când turbina funcționează la sarcină parțială și apar pulsațiile de presiune asociate „vârtejului 15 funie, introducerea jetului de apă pulsator elimină zona de quasi-stagnare asociată „vârtejului funie. 17

Dispozitivul D pentru controlul curgerii cu vârtej din difuzorul conic al turbinelor hidraulice conform invenției este cuprins in construcția turbinei așa cum este descrisă în 19 fig. 1 (conform invenției RO 131408 B1) prin care trece apa dintr-un lac amonte 1 către un lac aval 10 și care se compune dintr-o conductă de aducțiune 2 conectată cu o cameră 21 spirală 3 care conduce către un stator 4 și un aparat director 5 care ghidează apa spre un rotor 6. 23

Datorită puterii generate de rotorul 6, un arbore 7 învârte un generator 8 care produce energie electrică. La ieșire din rotorul 6, apa trece printr-un difuzor conic 9 al cărui rol este 25 de a transforma energia cinetică a apei în energie potențială. Atunci când turbina funcționează la regim de debit parțial, apare vârtejul funie descris mai sus cu fluctuațiile de 27 presiune asociate care afectează randamentul turbinei și chiar integritatea acesteia.

Dispozitivul D este alcătuit din 2 părți cilindrice cu fante axiale sau oblice (cu o29 înclinare de 2-20° față de generatoare) în corpul dispozitivului 13, una fixă 14, solidară cu corpul dispozitivului și una rotitoare, 15, așa cum se arată în fig. 2. Partea rotitoare 15 este31 antrenată în mișcare de rotație cu ajutorul unui motor, astfel încât debitul de apă tranzitat este fragmentat datorită mișcării relative a fantelor de pe cele două părți cilindrice 14 și 1533 generând un efect de închidere/deschidere a traseului de curgere și, în funcție de viteza de rotație indusă părții rotitoare 15 se poate ajusta frecvența jetului pulsant la o valoare care 35 conferă eficiență maximă pentru anihilarea pânzei de vârtej ce apare atunci când turbina funcționează la regimul de debit parțial. 37

Dispozitivul propus D este montat în sistemul hidraulic al turbinei printr-un sistem de bypass 11 la conducta de aducțiune 2, este străbătut de un debit de apă ce trece printr-un 39 rezervor de liniștire R și este controlat prin vană de reglare VR și servește astfel la obținerea jetului pulsator de fluid, care introdus printr-un orificiu central al arborelui turbinei, trece mai 41 departe la ieșire prin capătul coroanei 12 a turbinei, în zona de formare a vârtejului, pentru a reduce fluctuațiile de presiune asociate vârtejului funie prin fragmentarea pânzei de vârtej. 43 Astfel, jetul pulsant injectat prin orificiul central al arborelui turbinei în corpul turbinei, în zona de formare a vârtejului (difuzorul conic al turbinei) poate anihila vârtejul funie și fluctuațiile 45 de presiune aferente lui pot fi evitate, dar oferă și avantajul diminuării sau chiar eliminării

RO 137523 Β1 componentei hidrodinamice de tip piston (sincronă) cărora li se atribuie cele mai multe probleme în exploatarea unor astfel de echipamente hidraulice. Fluctuațiile de presiune 3 sincrone pot produce variații în cădere, de debit, cuplu, și putere, ruperi și fisuri de palete, smulgeri ale ogivei.

Dispozitivul pentru controlul curgerii cu vârtej din difuzorul conic al turbinelor hidraulice poate fi instalat atât pe turbinele noi cât și pe cele existente. Utilizarea 7 dispozitivului conform invenției și introducerea jetului pulsantîn zona de formare a vârtejului poate fi controlată și optimizată printr-un modul de automatizare care monitorizează 9 parametrii de funcționare ai turbinei și comandă incremental viteza de rotație a motorului până la o valoare convenabilă pentru optimizarea acestora.

Claims (3)

1. RO 137523 Β1

   Revendicări 1

   1. Dispozitiv (D) pentru reducerea instabilităților curgerii cu rotație din difuzorul conic 3 al turbinelor hidraulice în a căror schemă hidraulică este prevăzut un sistem de bypass (11) care preia apă din conducta de aducțiune (2) și o transmite printr-o vană de reglare (VR) 5 către un rezervor de liniștire (R), caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un corp (13) în interiorul căruia se află două părți (14,15) cilindrice cu fante axiale sau oblice, o parte (14) 7 fixă, solidară cu corpul (13) dispozitivului și o a doua parte (15) rotitoare care este antrenată în mișcare de rotație cu ajutorul unui motor, intrarea în dispozitiv este conectată la rezervorul 9 de liniștire (R) și alimentată cu apă de la acesta, la un debit continuu care este însă fragmentat datorită mișcării relative a fantelor de pe cele două părți (14,15) cilindrice prin care 11 este obligat să treacă, generând, la ieșirea din dispozitiv (D), printr-un efect de închidere/ deschidere a traseului de curgere, un jet pulsant care, introdus printr-un orificiu central al 13 arborelui (7) turbinei, trece mai departe la ieșire prin capătul coroanei (12) turbinei, în zona de formare a pânzei de vârtej pe care o anihilează atunci când turbina funcționează la regim 15 de debit parțial.
2. 2. Dispozitiv conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că cea de-a doua parte 17 (15) rotitoare este rotită cu turație variabilă cu ajutorul unui motor de curent continuu, astfel încât traseul de curgere a apei ce traversează dispozitivul prin fantele celor două părți (14, 19

   15) cilindrice cu fante axiale sau oblice este intermitent închis și deschis și oferă posibilitatea reglării frecvenței jetului pulsator la o valoare eficientă pentru anihilarea pânzei de vârtej ce 21 apare atunci când turbina funcționează la regimul de debit parțial.
3. 3. Dispozitiv conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că frecvența și 23 debitul jetului pulsant în zona de formare a vârtejului pot fi controlate printr-un modul de automatizare care monitorizează parametrii de funcționare ai turbinei și comandă incre- 25 mental vana de reglare (VR) și viteza de rotație a motorului de acționare a părții cilindrice (15) până la o valoare convenabilă pentru eliminarea pânzei de vârtej. 27