Гидроэнергетика, как быстродействующий возобновляемый источник энергии, обычно играет роль регулирования пиковых нагрузок и частоты в энергосистеме, что означает, что гидроэнергетические установки часто должны работать в условиях, отклоняющихся от проектных. Анализ большого количества экспериментальных данных показывает, что при работе турбины в непроектных условиях, особенно при частичной нагрузке, в отводящей трубе турбины возникают сильные пульсации давления. Низкая частота этих пульсаций давления негативно влияет на стабильную работу турбины, а также на безопасность установки и цеха. Поэтому пульсации давления в отводящей трубе вызывают широкую обеспокоенность в промышленности и научных кругах.
С тех пор как в 1940 году впервые была предложена проблема пульсации давления в отводящей трубе турбины, ее причины стали предметом изучения и обсуждения многих ученых. В настоящее время ученые в целом считают, что пульсация давления в отводящей трубе при частичной нагрузке вызвана движением спиральных вихрей в трубе; наличие вихрей приводит к неравномерному распределению давления на поперечном сечении отводящей трубы, а с вращением вихревого пояса асимметричное поле давления также вращается, вызывая периодическое изменение давления во времени и формирование пульсации давления. Спиральный вихрь возникает из-за завихрения потока на входе в отводящую трубу при частичной нагрузке (т.е., при наличии тангенциальной составляющей скорости). Бюро мелиорации США провело экспериментальное исследование завихрения в отводящей трубе и проанализировало форму и поведение вихрей при различных степенях завихрения. Результаты показывают, что спиральная вихревая полоса в отводящей трубе появляется только тогда, когда степень завихрения достигает определенного уровня. Вихревой поток возникает при частичной нагрузке, поэтому сильные пульсации давления в отводящей трубе появляются только тогда, когда относительный расход (Q/Qd, где Qd — расчетный расход) турбины находится в диапазоне от 0,5 до 0,85. Частота основной составляющей пульсаций давления, вызванных вихревым потоком, относительно низка и эквивалентна 0,2–0,4 частоты вращения рабочего колеса, причем чем меньше Q/Qd, тем выше частота пульсаций давления. Кроме того, при возникновении кавитации пузырьки воздуха, образующиеся в вихре, увеличивают его размер и усиливают пульсации давления, а также изменяют их частоту.
В условиях частичной нагрузки пульсация давления в отводящей трубе может представлять серьезную угрозу для стабильной и безопасной работы гидроэлектростанции. Для подавления этой пульсации давления было предложено множество идей и методов, например, установка ребер на стенке отводящей трубы и вентиляция в отводящую трубу являются двумя эффективными мерами. Ниши и др. использовали экспериментальные и численные методы для изучения влияния ребер на пульсацию давления в отводящей трубе, включая влияние различных типов ребер, влияние количества ребер и мест их установки. Результаты показывают, что установка ребер может значительно уменьшить эксцентриситет вихря и снизить пульсацию давления. Дмитрий и др. также обнаружили, что установка ребер может уменьшить амплитуду пульсации давления на 30–40%. Вентиляция через центральное отверстие главного вала в отводящую трубу также является эффективным методом подавления пульсации давления. Кроме того, Ниши и др. Также попытались вентилировать вентиляционную трубу через небольшие отверстия на поверхности стабилизатора и обнаружили, что этот метод позволяет подавить пульсацию давления, а количество воздуха, необходимое при неисправности стабилизатора, очень мало.
Дата публикации: 09.08.2022
