Разработка экономичных гидроагрегатов для низконапорных малых гидроэлектростанций

Разработка надежного и экономичного оборудования для малых ГЭС является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение при строительстве и реконструкции гидроузлов. Больший практический интерес представляют реки России, на которых могут быть построены низконапорные малые ГЭС. Выполненные проектные проработки низконапорных малых ГЭС показывают, что из-за высокой стоимости гидротурбинного оборудования эти станции имеют низкую экономическую эффективность, в связи с чем возведение малых ГЭС напрямую зависит от удешевления стоимости гидроэнергетического оборудования. Отечественное гидромашиностроение не располагает необходимой номенклатурой турбин для ГЭС с малыми напорами (менее 5 м) или для безнапорных, бесплотинных ГЭС, которые используют кинетическую энергию водных потоков. Особого внимания заслуживают так называемые свободно-поточные микро-ГЭС, для работы которых не требуется создание статического напора с помощью дорогостоящих гидротехнических сооружений [1].

Как правило, при проектировании гидротурбинного оборудования малых низконапорных ГЭС основное внимание уделяется не столько получению высоких энергокавитационных показателей турбины, сколько созданию надежного и дешевого оборудования,

обеспечивающего заданную мощность. При этом в условиях малых перепадов между верхним и нижним бьефом нет необходимости в обеспечении высоких кавитационных показателей гидротурбины. Эти обстоятельства позволяют отказаться от дорогостоящих автоматизированных поворотно-лопастных конструкций направляющего аппарата и рабочего колеса и использовать сравнительно дешевую автоматизированную систему управления гидроагрегатом. Также в условиях малых низконапорных ГЭС целесообразно применять технологически простые в изготовлении лопастные системы гидротурбин, уменьшая тем самым трудоемкость и стоимость изготовления оборудования. Применение простых и технологичных в изготовлении лопастных систем приводит к некоторому снижению энергетических показателей гидротурбины, однако в каждом конкретном случае необходимо технико-экономическое обоснование конструкции лопастных систем на основе расчетной или экспериментальной оценки их гидравлических характеристик.

При разработке экономичного капсульного гидроагрегата для низконапорных малых ГЭС исходили из следующих условий:

• -    гидроагрегат может быть свободнопоточным или установленным в здании ГЭС низконапорного гидроузла;

• -    гидроагрегат имеет технологически простые в изготовлении лопастные системы, что определяет сравнительно небольшую трудоемкость и стоимость их изготовления;

• -    рабочее колесо гидротурбины пропеллерного типа с жестко закрепленными на втулке лопастями. В гидротурбине отсутствует

направляющий аппарат. Закрутка потока перед рабочим колесом создается колоннами статора, которые расположены на цилиндрическом участке капсулы;

• -    гидротурбина должна работать в широком диапазоне режимов с достаточно высокими энергетическими показателями. В частности, на всех рабочих режимах необходимо обеспечить бескавитационную работу гидротурбины, при этом коэффициент полезного действия гидротурбины не должен быть ниже, чем на 5% лучшего из существующих вариантов;

• -    в период эксплуатации регулирование выдачи мощности гидроагрегатом осуществляется с помощью балластной нагрузки.

Определения энергетических и кавитационных показателей разработанного капсульного гидроагрегата проводилось с помощью автоматизированного программного комплекса «ГРАНИТ» (АПК «ГРАНИТ»)[2].

Описание конструкции гидроагрегата «РАНД-1». В данной работе в качестве базового варианта рассматривается капсульный гидроагрегат с диаметром рабочего колеса D 1 [1]. Компоновка гидроагрегата горизонтальная с прямоосной отсасывающей трубой. Внутри корпуса гидроагрегата расположена капсула, удерживаемая растяжками. В капсуле располагаются гидрогенератор и мультипликатор. Рабочее колесо пропеллерного типа консольно насажено на вал, передающий крутящий момент на мультипликатор и генератор. Необходимая закрутка потока перед рабочим колесом создаётся изогнутыми колоннами статора, расположенными на цилиндрическом участке капсулы. Отвод воды после рабочего колеса осуществляется отсасывающей трубой.

Вал рабочего колеса установлен в подшипниках и вращается с частотой вращения, зависящей от напора H и равной n ≈ 300 H . С помощью мультипликатора осуществляется увеличение оборотов на валу генератора до n =1500 об/мин. С целью уменьшения трудоемкости и стоимости изготовления гидротурбины рабочее колесо и статор имеют простые по форме и технологичные в изготовлении лопастные системы.

Статор гидротурбины представляет собой круговую решетку профилей. Он состоит из 16 колонн, приваренных к капсуле и наружному контуру проточной части гидротурбины. Статор служит для передачи нагрузок от веса вращающихся частей, восприятия осевого гидравлического усилия, возникающего при обтекании потоком лопастных систем, а также для создания закрутки потока перед рабочим колесом. Колонны статора цилиндрические, имеют одинаковую технологически простую в изготовлении форму поперечных сечений. В качестве заготовки в данном случае используется сектор цилиндрической трубы толщиной δтр и наружным радиусом Rтр. К указанному сектору приваривается плоская стальная пластинка длиной Lпл и толщиной δпл, которая в районе выходной кромки статора уменьшается до толщины δпл.вых (рис. 1). В данной работе рассматривалось несколько вариантов формы сечений колонны статора с различными углами α между плоским выходным участком колонны статора и плоскостью, нормальной к оси вращения турбины.

Рис. 1. Сечение колонны статора

Рабочее колесо состоит из цилиндрической втулки радиусом R вт и 4 лопастей. В зависимости от заданных значений расхода, напора и мощности ГЭС предусмотрена возможность установки лопастей рабочего колеса на различные углы. Лопасть рабочего колеса изготавливается из плоского диска, у которого впоследствии скашиваются участки на рабочей и тыльной поверхностях лопасти в районе выходной кромки.

Рис. 2. Подрезка лопасти рабочего колеса: ______ по тыльной стороне лопасти; _______ по рабочей стороне лопасти

Для улучшения условий обтекания входной кромки рабочего колеса дополнительно проводилась также подрезка входного участка тыльной стороны заготовки лопасти. При этом толщина входной кромки и длина зоны подрезки задавались одинаковыми для всех цилиндрических сечений лопасти и, соответственно, принимались равными δвх и L1. На рис. 3 показано цилиндрическое сечение лопасти рабочего колеса.

Рис. 3. Цилиндрическое сечение лопасти

Расчетные исследования энергетических показателей гидроагрегата «РАНД-1». Для расчета энергетических показателей гидроагрегата «РАНД-1» был использован АПК «ГРАНИТ», который позволяет определить кинематические, энергокавитационные и силовые характеристики гидромашины и хорошо зарекомендовал себя в инженерной практике [2]. Предварительно с помощью указанного программного комплекса были выполнены расчетные исследования энергетических и кавитационных показателей капсульной гидротурбины ПЛГ-548, установленной на Саратовской ГЭС. В исследовании на основе сопоставления результатов расчета с экспериментом выполнялась оценка точности определения гидравлических характеристик гидротурбины ПЛГ-548 с помощью АПК «ГРАНИТ», поскольку ранее такие исследования для капсульных гидроагрегатов практически не проводились. При этом проводилась разработка рекомендации для прогнозирования энергетических показателей капсульного гидроагрегата «РАНД-1» имеющего технологически простые в изготовлении лопастные системы. Действительно, используя результаты расчетных и экспериментальных характеристик гидротурбины ПЛГ-548, можно затем с учетом их отличия друг от друга дать достаточно надежный прогноз фактических характеристик капсульной гидротурбины «РАНД-1» близкой быстроходности.

Выполненные расчетные исследования показали, что в зоне рабочих режимов гидроагрегата «РАНД-1» отличие расчетных значений коэффициента полезного действия гидротурбины ПЛГ-548, полученных с помощью АПК «ГРАНИТ», от соответствующих экспериментальных значений незначительны. Это обстоятельство свидетельствует о возможности прогнозирования с помощью АПК «ГРАНИТ» гидравлических характеристик капсульных гидротурбин на указанных выше режимах их работы. Следует отметить, что в гидротурбине ПЛГ-548 Саратовской ГЭС установлен конический направляющий аппарат, имеющий 16 пространственных по форме лопаток. В целях уменьшения стоимости изготовления капсульной гидротурбины «РАНД-1» в ней установлен цилиндрический направляющий аппарат (статор), расположенный на капсуле гидротурбины. Для обоснования целесообразности применения указанного направляющего аппарата были выполнены расчетные исследования с помощью АПК «ГРАНИТ» энергетических показателей гидротурбины ПЛГ-548 с этим цилиндрическим аппаратом. Этот вариант гидротурбины условно назван ПЛГ-548А. Результаты расчетов показали, что замена конического направляющего аппарата с пространственными лопатками на цилиндрический аппарат с простыми по форме сечениями лопаток (рис. 1) приводит к незначительному изменению энергетических показателей гидротурбины ПЛГ-548 и дает близкие по величине значения коэффициента полезного действия этой гидротурбины на всех комбинаторных режимах ее работы.

Далее был рассмотрен вариант гидротурбины ПЛГ-548Б, в которой пространственные лопастные системы направляющего аппарата и рабочего колеса гидротурбины ПЛГ-548 заменены предложенными выше простыми по форме лопастными системами гидротурбины «РАНД-1». Выполненные расчетные исследования показали, что замена пространственных лопастей рабочего колеса гидротурбины ПЛГ-548 на плоские лопасти гидротурбины «РАНД-1» приводит к снижению энергетических и кавитационных показателей гидротурбины ПЛГ-548Б (рис.4).

Приведенный расход, м3/с

Эксперимент для ПЛГ-548      Расчет для ПЛГ-548Б

Рис. 4. Сопоставление коэффициента полезного действия гидротурбин ПЛГ-548 и ПЛГ-548Б

Как видно из рис. 4. в зоне небольших приведенных расходов различия коэффициентов полезного действия гидротурбины ПЛГ-548 Саратовской ГЭС, который был получен экспериментально, и гидротурбины ПЛГ-548Б с простыми по форме лопастными системами, не превышает 2%. В зоне режимов работы малых низконапорных ГЭС, которые характеризуются большими приведенными расходами, коэффициент полезного действия гидротурбины ПЛГ-548Б на 4-5% меньше гидротурбины ПЛГ-548 Саратовской ГЭС.

Вывод: технико-экономический анализ полученных результатов свидетельствует о целесообразности применения разработанного экономичного гидроагрегата «РАНД-1» на низконапорных малых ГЭС.