Содержание материала

Использование регулируемых эжекторов для систем технического водоснабжения высоконапорных ГЭС в настоящее время ограничивалось отсутствием как опыта проектирования, так и опыта их эксплуатации. В имеющейся по этому вопросу литературе помещается только популярный материал и отсутствуют рекомендации по проектированию и эксплуатации. Так, например, в работе [4] упоминается о работе регулируемых эжекторов технического водоснабжения на ГЭС Грэнд-Кули в США, отмечается экономичность подобной эжекторной системы ТВС, простота в эксплуатации и приводятся исходные технические данные эжекторов: Нр = 80—100 м, Нвс = 0,5-9 м, НВЬ1Х = 35 м, Qвых ≈ 0,160 м3/с, q ≈0,5. Высказывалось опасение, что применение регулируемых эжекторов приведет к снижению коэффициента полезного действия эжекторов из-за введения в сопло регулирующей иглы, к возникновению вибрационных и кавитационных явлений. Все эти соображения обусловливали необходимость, помимо создания методики расчета, экспериментальной проверки надежности и оптимальности работы регулируемых эжекторов в целом и отдельных его элементов. Проектирование уникального регулируемого эжектора ТВС для Саяно-Шушенской ГЭС потребовало проведения серии модельных и натурных исследований, а также определения масштабного эффекта при переходе от модели к натуре.

Экспериментальные исследования модели регулируемого эжектора системы технического водоснабжения агрегатов Саяно-Шушенской ГЭС. Критерии подобия.

Как известно, в тех случаях, когда отсутствует система уравнений гидромеханики, описывающих движение жидкости в сложных системах, применяется теория подобия и постановка экспериментов на моделях [8]. Физическое моделирование как один из основных методов изучения гидравлических явлений ставит цель - воспроизвести в уменьшенном масштабе изучаемое гидравлическое явление при обеспечении полного подобия натурного и модельного процессов, т. е. на модели воспроизводятся процессы той же физической природы, что и в натуре. Результаты, полученные на модели, могут быть затем пересчитаны на натуру.
Моделирование гидравлических явлений в сложных системах, к которым относится и движение жидкости в эжекторах, позволяет решать задачи:
а)  определения основных физических закономерностей, управляющих процессом протекания жидкости в системе;
б)  проверки допущений и гипотез, введенных в расчеты при решении системы уравнений, описывающих изучаемый процесс;
в)     разработки методов расчета основных характеристик процесса.

При моделировании требуется соблюдение законов подобия, что позволяет обеспечить правильное воспроизводство явления и последующий перенос результатов эксперимента на натуру. Теория подобия формулирует все требования, которым должна удовлетворять модель, и величины, которые необходимо измерять в опытах, порядок обработки результатов эксперимента и пределы их применимости.
При исследовании движения жидкости в сложных системах основным требованием подобия является обеспечение механического подобия изучаемого процесса, т. е. кинематического и динамического подобия при геометрическом подобии потоков.
Кинематическое подобие процесса требует соблюдения сходности скоростей движения частиц жидкости. Понятие ’’сходность скоростей” означает, что во всех сходственных точках потока скорости частиц жидкости должны быть пропорциональны друг другу и одинаково направлены по отношению к границам потока. Это обеспечивает геометрическое подобие траекторий движения сходственных частиц жидкости.
Динамическое подобие требует соблюдения параллельности и пропорциональности действующих в сходственных точках потока сил при постоянном отношении между массами двух любых сходственных частиц (т. е. при постоянстве отношений плотностей по всему полю течения).
Для сложных напорных систем, к которым относятся эжекторы, силами, определяющими в целом весь процесс течения жидкости, являются силы вязкости, силы тяжести, а также поля абсолютных значений давлений [8 |. Моделирование действия этих сил требует обеспечения постоянства соответствующего комплекса величин, входящих в уравнения движения жидкости и называемых критериями подобия: Рейнольдса (Re), Фруда (Fr) , а также Эйлера (Еu).
Критерий Рейнольдса (Re) играет важную роль при моделировании сил вязкости. Он представляет собой меру отношения сил инерции к силам вязкости:
(28)
где L - линейный размер какого-либо основного элемента системы или характерного линейного параметра потока (например, диаметр или радиус трубы, глубина потока, напор); v - скорость течения; v - кинематический коэффициент вязкости жидкости. Подобие систем, находящихся под действием сил вязкости, определяется постоянством безразмерного числа Re.
При моделировании систем, находящихся под действием сил тяжести, важную роль играет критерий Фруда:
(29)
где L — линейный размер (например, диаметр или радиус трубы) ; v - скорость течения; g - ускорение силы тяжести. Подобие систем, находящихся под действием сил тяжести, определяется постоянством безразмерного числа Fr .
При изучении явлений аэрации, кавитации появляется потребность использования и других критериев подобия. Например, при моделировании кавитационных явлений с целью изучения влияния на процесс разности давлений в различных зонах

(30) где ∆р - перепад давлений, определенный в различных характерных точках потока; и -скорость течения: р - плотность жидкости.
В природе нет таких явлений, когда действует лишь одна из перечисленных выше сил. Обычно действующих сил в системах несколько, и при моделировании явления необходимо соблюдать постоянство нескольких критериев подобия. Основы теории подобия формулируют условия, необходимые и достаточные для обеспечение подобия различных по своему характеру и действующим силам явлений. При этом основные критерии подобия, называемые определяющими, тождественность значений которых обеспечивает подобие изучаемых явлений, должны быть составлены из заданных величин.
В зависимости от решаемой задачи устанавливают, какие из критериев являются определяющими, т. е. какие критерии могут быть вполне определенно подсчитаны исходя из заданных граничных условий (например, в граничном створе потока могут быть известны глубины и скорости потока), а какие критерии являются лишь функциями определяющих критериев, т е. содержат неизвестные величины. которые могут быть получены при решении соответствующих критериальных  уравнений.

Для установившегося движения жидкости справедливо следующее критериальное уравнение в общем виде
(31)
В большинстве гидравлических задач числа Re и Fr являются определяющими, а число Eu - зависит от них.
В некоторых задачах тот или иной из определяющих критериев может не учитываться, что упрощает моделирование (явления автомодельности) . Например, для горизонтального напорного водовода, когда можно пренебречь влиянием объемной силы, можно считать, что критерием Фруда тоже можно пренебречь, и остаются два критерия, один из которых (например, Re) будет определяющим. Тогда критериальное уравнение упрощается:
(32)
Наиболее часто встречающимся в практике случаем является такой, при котором силы вязкости оказывают незначительное влияние на все изучаемые параметры потока. В таких случаях в автомодельной области по числу Re при моделировании достаточно соблюдать подобие только по числу Fr , т. е. обеспечивать моделирование сил тяжести. Как показывают эксперименты, это имеет место в большинстве сложных систем при больших числах Re (около 1 · 105 - 1 · 106) . В связи с тем, что одновременное моделирование гидравлических явлений в эжекторных системах (если используется одна и та же жидкость) и по Fr и по Re невозможно, то необходимо выбирать такие масштабы моделей и масштабы скорости течений, при которых значения Re обеспечивают автомодельность явлений. При этом моделирование по числу Fr требует соотношений напоров, скоростей и расходов на модели и в натуре:
(33)
(34)
(35)
При моделировании регулируемого эжектора по числу Fr для условий Саяно-Шушенской ГЭС был выбран масштабный коэффициент для линейных размеров Mq = 2,5, что обусловило масштабный коэффициент по расходам Mq ≈10. Числа Re составляли более 1 · 106 и это позволяло считать, что при моделировании эжектора автомодельность режима обеспечивалась.

Цель и этапы исследований.

Целью исследований модели регулируемого эжектора ТВС Саяно-Шушенской ГЭС было, в первую очередь, опытное подтверждение впервые разработанной на ЛМЗ методики расчета регулируемых эжекторов, а также разработка рекомендаций по проектированию конструкции регулируемых эжекторов, получение опытных данных для анализа эффективности работы эжектора в широких диапазонах изменения напорных режимов.

 


Рис. 48. Схема испытания модели регулируемого эжектора ТВС в условиях Саяно-Шушенской ГЭС
1 — уравнительный бак; 2 — напорная линия; 3 — задвижка; 4 — манометр; 5 — всасывающая линия; 6 — расходомер; 7— насос ЗВ 200, 8 — бассейн; 9 — выходная линия; 10 — регулируемый эжектор для испытаний

 Для испытания (на основании методики расчета) была спроектирована и изготовлена модель регулируемого эжектора ТВС Саяно-Шушенской ГЭС в масштабе 1 : 2,5 со значительным числом модификаций. Модельные исследования эжекторов разных типоразмеров позволили решить следующие задачи: подтверждена оптимальность расчетных диаметров насадка и камеры смешивания, окончательно отработана конструкция сопла, т. е. определены оптимальные углы конусности иглы а и насадка γ, удаление среза насадка от начала камеры смешивания х, проверена оптимальная длина камеры смешивания LKCM. Исследования также позволили проверить регулируемый эжектор оптимальной конструкции во всем диапазоне изменения напоров на ГЭС с точки зрения надежности бескавитационной работы, гарантированного обеспечения потребителя ГЭС необходимым расходом охлаждающей воды, плавности изменения эксплуатационных характеристик эжектора (т. е. плавности регулирования) и прочее. Попутно с гидравлическими испытаниями были проведены акустические и вибрационные испытания.

Испытательный стенд.

 Расположенный в комплексной лаборатории гидротурбинных блоков ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева испытательный стенд состоит из трех основных линий (рис. 48): напорной, всасывающей и отводящей. Напор рабочего потока (Hр) создавался насосом типа ЭВ200Х2 мощностью 200 кВт, напором до 95 м, максимальным расходом до 0,07 м3/с. Для создания всасываемого потока была использована разомкнутая линия с уравнительным баком. Здесь подача воды осуществлялась насосом типа 8К-18а мощностью 20 кВт, напором до 20 м, максимальным расходом до 0,09 м3/с. Уравнительный бак позволял поддерживать постоянными заданные напоры на всасывающей линии Hвс.


Рис. 49. Типы испытанных насадков

 Отводящая линия соединялась с общим сборным бассейном, откуда происходил забор воды в напорную и всасывающую линии. Регулирование напоров и расходов во всех линиях осуществлялось с помощью задвижек. Измерение напоров на всех линиях эжектора осуществлялось с помощью образцовых манометров с пределами измерений на напорной линии 0—1 МПа и ценой деления 0,005 МПа на всасывающей линии: 0—0,1 МПа и ценой деления 0,0005 МПа, на отводящей линии 0—0,4 МПа и ценой деления 0,002 МПа. Основные измерения расхода осуществлялись на рабочей и отводящей линиях эжектора с помощью мерных устройств с набором измерительных шайб и ртутных дифференциальных манометров типа ДТ-50, а некоторые поверочные измерения осуществлялись турбинными датчиками расхода (ТДР). Исходя из условий моделирования были определены диапазоны измерения расходов: на рабочей линии 0,004—0,04 м3/с; на отводящей линии 0,004—0,1 м3/с.
Методика проведения исследований. При исследовании модели (М 1:23) регулируемого эжектора для системы ТВС агрегатов Саяно-Шушенской ГЭС было испытано 25 модификаций эжекторов, в которых диаметры насадок DH изменялись от 34 до 38 мм (рис. 49), углы конусности иглы а от 45 до 60°, углы конусности насадка от 60 до 90°, относительное удаление среза сопла от начала камеры смешивания х/DH = 0,44-3,1, диаметр камеры смешивания DK Dк. см = 64:72:80 мм. Все эти конструктивные модификации модели регулируемого эжектора испытывались при всевозможных сочетаниях напоров, соответствующих напорам Саяно-Шушенской ГЭС в строительный и эксплуатационный периоды, с соблюдением масштаба моделирования. Так, напор рабочего потока эжектора задавался в диапазоне Нр = 29:85 м, напор всасываемого потока Нр=5,2:7,4 м. Каждая конструктивная модификация эжектора при определенном сочетании напоров рабочего и всасываемого потоков испытывалась при разных открытиях регулирующей иглы S . Установка напорного режима каждой конструктивной модификации эжектора при определенном открытии S' производилась путем дросселирования выходного потока, т. е. с помощью выходной задвижки, при этом для каждого напорного режима оставались постоянными напоры Нр и Нвс, а менялся напор Нвых и соответственно расход на выходе из эжектора QВЬ1Х (а также и расходы (Qвс и Qр).

Проведение модельных исследований эжектора осуществлялось в следующем порядке. Собирался регулируемый эжектор определенной модификации, устанавливалось заданное открытие сопла S', напоры рабочего Нр и всасываемого потоков Нвс. Далее, при каждом фиксированном значении напора выходного потока Hвых производились замеры напоров рабочего Hр, всасываемого Нвс и выходного Нзых потоков, расходов рабочего Q? и выходного Qвых потоков, расход всасываемого потока определялся разностью  Qвых и Qp. С помощью произведенных замеров рассчитывались дополнительно необходимые данные (все формулы приведены в гл. 2) для построения графиков различных зависимостей. Анализ построенных таким образом опытных гидравлических характеристик регулируемого эжектора позволял использовать их для сравнения с подобными расчетными характеристиками и давал возможность определить оптимальность каждого конструктивного элемента регулируемого эжектора. Оценка оптимальности модификаций эжектора производилась по следующим критериям:

  1. Способность удовлетворить требования потребителя системы ТВС ГЭС к выходным параметрам эжектора ( Qвых и нвых).
  2. Экономичность эжектора (сравниваются значения коэффициентов полезного действия).
  3. Надежность расчета эжектора (сопоставляются экспериментальные и расчетные данные).
  4. Зона регулирования (определяется по эксплуатационной характеристике эжектора в координатах Qвых, Нвых).
  5. Плавность регулирования, исключающая резкие изменения Qвыx при незначительных изменениях S.
  6. Акустические характеристики работы эжектора.