Содержание к диссертации
Введение
Обоснование актуальности проблемы и причины ее возникновения 13
1.1 Анализ различных вариантов компоновки гидроэнергетических установок малых и микро ГЭС 16
1.2 Сравнение различных вариантов компоновки гидроэнергетических установок малых и микро ГЭС 41
1.3 Экспериментальное исследование лопастного насоса двустороннего входа в турбинном режиме 44
Методика проектирования повышающего гидротрансформатора 50
2.1 Получение исходной геометрии и параметров ГДТ 50
2.2 Оценка подачи и напора 57
2.3 Расчет основных параметров лопастных систем 58
2.4 Схема последовательного расположения лопастных колес в развертке на плоскость 67
2.5 Теоретические характеристики повышающей ГДТ
2.5.1 Внешняя характеристика 68
2.5.2 Внутренняя характеристика 69
2.6 Уточнение параметров лопастных систем повышающей ГДТ 73
2.6.1 Теоретическое согласование лопастных систем при учете потерь в
круге циркуляции на заданном режиме работы 73
2.6.2 Ударные потери в лопастных системах 75
2.6.3 Потери в межлопаточных каналах 81
2.6.4 Оценка оптимума КПД 82
2.6.5 Уточняющий расчет на параметры рабочей точки 85
Трехмерное гидродинамическое моделирование 87
3.1 Постановка задачи, задание целей моделирования, выбор расчетной области... 89
3.2 Создание геометрической модели выбранной расчетной области 92
3.3 Наложение на геометрическую модель сетки контрольных объемов 94
3.4 Задание условий моделирования 95
3.5 Численное решение системы уравнений Навье-Стокса 96
3.6 Анализ полученных результатов з
3.6.1 Оценка корректности результатов 99
3.6.2 Работа в расчетной точке 1 3.7 Математическая модель повышающей Г ДІЇ 106
3.8 Моделирование характеристик лопастных систем ГДТ 107
3.9 Система уравнений математической модели повышающего ГДТ
3.9.1 Решение системы уравнений для повышающего ГДТ 122
3.9.2 Решение системы уравнений для повышающей Г ДІЇ при работе от реальной гидротурбины 124
3.10 Пути улучшения свойства самоторможения повышающей Г ДІЇ 126
3.10.1 Улучшение свойства торможения путем изменения характеристики НК. 128
3.10.2 Улучшение свойства торможения путем изменения характеристики ТК. 132
3.11 Регулирование выходной частоты вращения повышающей Г ДІЇ 135
3.11.1 Способы регулирования выходной частоты вращения повышающей ГДП 135
3.11.2 Регулирование выходной частоты вращения повышающей ГДП байпасированием 137
4. Конструкция повышающего ГДТ 142
4.1. Расчет опорных узлов 143
4.1.1 Вал и опоры валов 143
4.1.2 Кавитационные явления и выбор давления питания 145
4.1.3 Расчет действующих сил 148
4.1.4 Расчет подшипников по динамической грузоподъемности 158
4.1.5 Уплотнения подшипников 160
4.2 Расчет корпусных элементов 161
4.2.1 Корпусные элементы 161
4.2.2 Уплотнение гидравлической полости
4.3 Размерно-технологический анализ 163
4.4 ГДТ как сборочная единица 168
4.4.1 Реализация системы подпитки и охлаждения 171
Основные выводы и результаты 176
Список использованной литературы
- Сравнение различных вариантов компоновки гидроэнергетических установок малых и микро ГЭС
- Схема последовательного расположения лопастных колес в развертке на плоскость
- Наложение на геометрическую модель сетки контрольных объемов
- Кавитационные явления и выбор давления питания
Сравнение различных вариантов компоновки гидроэнергетических установок малых и микро ГЭС
Синхронный генератор - это электрическая машина, работающая в режиме генератора в которой частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора, ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку статора, наводит в ней ЭДС.
В синхронном генераторе ротор выполнен виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но кратно двум. На малых электростанциях используется, как правило, ротор с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения 3000 об/мин.
Ротор, при запуске электростанции, создает слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Например, подключенная индуктивная нагрузка размагничивает генератор и снижает напряжение, а при подключении емкостной нагрузки происходит подмагничивание генератора и повышение напряжения. Это называется "реакцией якоря". Для обеспечения стабильности выходного напряжения необходимо изменять магнитное поле ротора путем регулирования тока в его обмотке, что и обеспечивается блоком AVR.
Преимуществом таких генераторов является высокая стабильность выходного напряжения, а недостатком - возможность перегрузки по току, так как при завышенной нагрузке, регулятор может чрезмерно повысить ток в обмотке ротора. Еще к недостаткам синхронного генератора можно отнести наличие щеточного узла, который рано или поздно придется обслуживать.
Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее, но дороже.
АД-18С-Т400-2Р ГМ2001 18,0 1500 Стоит отметить, что в представленной таблице генераторы производства концерна «РУСЭЛПРОМ» и ОАО «Силовые машины» представляют собой гидрогенераторы, и при этом обладают более высокой стоимостью (с ориентировочным коэффициентом равным 2). Общей особенностью серийно выпускаемых синхронных генераторов, как это можно увидеть, является их высокая частота вращения.
Представим также модельный ряд синхронных генераторов выпускаемых на территории Европы и Китая:
Асинхронный генератор - асинхронная машина (двигатель) работающая в режиме торможения, ротор которой вращается с опережением, но в том же направлении что и магнитное поле статора.
Несмотря на простоту обслуживания, малую чувствительность к короткому замыканию и невысокую стоимость, асинхронные генераторы применяются достаточно редко, так как имеются ряд недостатков: асинхронный генератор всегда потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы необходим источник реактивной мощности (конденсаторы), зависящий от активно-индуктивного характера нагрузки; ненадежность работы в экстремальных условиях; возбуждение асинхронного генератора зависит от случайных факторов и происходит, как правило, при скорости превышающей или равной синхронной; зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя; способность "проглатывать" пусковые перегрузки у них ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток решается путем оснащения станций системой "стартового усиления".
Из представленных материалов видно, что наибольший диапазон мощностей синхронных генераторов закрывается на высоких частотах вращения. Этому в частности способствует более низкая стоимость данного оборудования. Покажем зависимость стоимости от частоты вращения для генераторов на 1000 и 315 кВт на следующем графике: Зависимость стоимости асинхронных генераторов от частоты вращения Как видно из представленной зависимости (Рис. 1.7) стоимость генератора при изменении частоты вращения с 250 об/мин до 1000 об/мин может снизиться практически в 1,5-2 раза. Стоит отметить, что подобная тенденция присутствует и у синхронных генераторов.
Генераторы постоянного тока выполняются с независимым возбуждением или с самовозбуждением. Независимое возбуждение в большинстве случаев электромагнитное, т. е. на полюсах имеется обмотка возбуждения, по которой проходит постоянный ток от постороннего источника. В машинах малой мощности для создания основного магнитного потока могут применяться постоянные магниты и такие машины называются магнитоэлектрическими.
В генераторе с самовозбуждением ток для обмотки возбуждения поступает с якоря генератора. Возможны три варианта соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря: параллельное, последовательное и смешанное. Ясно, что на выходе генератора постоянного тока необходимо устанавливать дополнительное оборудование для преобразования тока в переменный.
Преобразование постоянного тока в переменный производится с помощью инверторов, в которых используются управляемые вентили: транзисторы, тиристоры и др. Включение вентилей инвертора производится поочередно каждый полупериод таким образом, чтобы направление тока во вторичной обмотке трансформатора было противоположно направлению ЭДС в этой обмотке, т. е. чтобы энергия передавалась от источника постоянного тока в сеть переменного тока.
Инверторы имеют сравнительно сложную систему автоматического управления, что ведет к повышению их стоимости и уменьшению надежности (низкая наработка на отказ).
Кроме того, в инверторе возможно появление режима сквозного горения, когда ток в обмотке совпадает по фазе с ее ЭДС. Такой режим возможен либо при неисправности в системе управления, либо при слишком большом угле коммутации. При сквозном горении обычно ток возрастает до недопустимого значения и обычно полупроводниковые вентили выходят из строя.
Схема последовательного расположения лопастных колес в развертке на плоскость
Наложение на геометрическую модель сетки контрольных объемов
Внешней характеристикой ГДП называют зависимость внешних показателей от передаточного отношения при постоянных вязкости и плотности рабочей жидкости, частоте вращения или крутящем моменте входного звена. Чаще всего внешнюю характеристику представляют в виде зависимостей М\, Мг, Ц от і ИЙ2, где моменты М\, М_2 относятся к входному и выходному валу соответственно, и в условиях установившегося режима для рассматриваемой ГДП М\ = Мп и М\ = Мт.
Рассмотрим указанные выше зависимости для насосного и турбинного колес ГДП. Для насосного колеса с учетом треугольников скоростей Анализируя полученное уравнение, можно заключить, что момент Мн является квадратичной функцией величины расхода Q и явно зависит от і. Если предположить, что Q = const для всех і, то прямая линия момента Мн будет падающей, то есть с увеличением і линейно стремиться к нулю.
Для турбинного колеса аналогично получаем выражение для момента Мт: Мт = pQ(vUT2R2T-vUTlRlT) = pQ(vUT2R2T-vup2R2p) 2.56 = PQ ( #2т ( T#2T - у- ctg(p2T) ]-R2p — ctg(a2p) J = pQ ia)HRl - Q \- -ctg{fi2T) +- tg(a2p) Анализируя полученное уравнение, можно заключить, что момент Мт является квадратичной функцией величины расхода Q и явно зависит от і. Если предположить, что Q = const для всех і, то прямая линия момента Мт будет возрастающей (поскольку находится в IV квадранте), то есть с увеличением і линейно стремиться к нулю.
О характере кривой КПД можно получить представление, составив выражение для КПД с учетом выражений для Мн и Мт. Анализируя полученное уравнение, можно заключить, что КПД явно зависит от і и Q, однако установить характер кривой затруднительно. При Q = const кривая имеет гиперболический характер, что не соответствует физическим представлениям о КПД. А значит изменение расхода в круге циркуляции необходимо учитывать.
Для повышающей гидродинамической передачи содержащей три рабочих органа, расположенных в рабочей полости в последовательности НК-РК-ТК, аналогично разделу «Уточнение параметров лопастных систем повышающей Г ДІЇ», при условии, что входные условия последующего элемента определяются выходными условиями предыдущего, а проекция абсолютной скорости на окружное направление определяется с учетом конечного числа лопастей, можем записать:
В общем случае полученное выражение для зависимости Q = f(i) представляет собой кривую второго порядка, которая может быть различного вида в зависимости от соотношения геометрических параметров Г ДІЇ.
Можно отметить следующие особенности повышающей Г ДІЇ: коэффициент а -всегда положительный; коэффициент / - всегда отрицательный; коэффициент m имеет малую величину, поскольку RlH « R2l; коэффициент d - отрицательный, поскольку
Теоретическое согласование лопастных систем при учете потерь в круге циркуляции на заданном режиме работы Учет потерь в круге циркуляции на заданном режиме способствует уточнению расчетных параметров, полученных ранее. Это возможно при совместном решении следующих задач: 1) выполнение заданной внешней характеристики, то есть функции Мт = /(ит), что ведет к установлению определенной зависимости между Мт, nT, Q, и углами потоков при выбранной геометрии решеток. При этом можно рассматривать два случая: а) установление связи с углами лопастей насосного колеса ГДП; б) установление связи с углами лопаток реакторного колеса ГДП; 2) Удовлетворение в каждом режиме Мт, пт уравнению баланса энергии при максимально возможном КПД, что приводит к необходимости расчета возникающих потерь. Решая поставленные задачи можно уточнить параметры ГДП в расчетной точке с точки зрения минимизации потерь, а многократное решение позволит уточнить параметры для получения требуемой характеристики. При этом считаем известными параметры согласно
Используя уравнение Эйлера, установим связь момента на турбинном колесе с режимными и геометрическими параметрами при выбранном круге циркуляции и геометрии лопаток турбины и реактора: расход, соответствующий безударному входу на турбинную решетку, а значит, обеспечивающий в ней минимальные потери.
В общем случае действительный расход, который устанавливается в круге циркуляции в некотором режиме М2, п2 из условия выполнения баланса энергии, будет отличаться от расхода Q0. Запишем действительный расход в виде некоторой непрерывной функции Q = Q0e x, где Q0 - постоянная величина расхода для фиксированных значений М2, шт из зависимости М2 = f(o j) (режим работы ГДП), х -неизвестная переменная.
Функция е х связана с геометрическими и кинематическими параметрами потока и решеток лишь постольку, поскольку связан с ними расход. В силу непрерывности и монотонности функции каждому значению параметра х, полученного в результате решения полученных уравнений, соответствует вполне определенное значение Q.
Кавитационные явления и выбор давления питания
В результате проведенного исследования было получено, что изменение частоты вращения выходного вала повышающей ГДП в большей степени зависит от величины изменения расхода в круге циркуляции, которая в свою очередь определяется видом характеристик насосного и турбинного колес.
Данное обстоятельство подтверждается также видом полученных выражений для теоретических внешних и внутренних характеристик повышающей ГДП. Момент на турбинном колесе, согласно выражению (2.55) зависит на прямую как от передаточного отношения, таки от величины расхода, а значит, изменение расхода в круге циркуляции в зависимости от изменения нагрузки будет пропорционально влиять на изменение частоты вращения выходного вала. Сам расход зависит от режима работы согласно выражению (2.72).
Для обеспечения меньшего изменения частоты вращения выходного вала Г ДІЇ необходимо стремиться к меньшему изменению расхода в круге циркуляции при смене режимы работы. Для этого необходимо обеспечивать большую крутизну напорных характеристик ЇЖ и ТК, как это показано на Рис.3.35 и Рис.3.36 пунктирной линией.
Рассмотрим возможность получения более крутой характеристики насосного колеса. Улучшение свойств торможения путем изменения характеристики НК Как известно, более крутая характеристика насосного колеса соответствует меньшему углу лопасти на выходе из рабочего колеса. Напорная характеристика насоса в зависимости от величины выходного угла лопасти По Рис.3.37 видно, что простое изменение угла на выходе из рабочего колеса приводит для одного и того же расхода к различным напорам. Для сохранения работы насосного колеса в рабочей точке необходимо добиться развития большего напора. Этого можно добиться, увеличив выходной диаметр колеса.
Учитывая необходимые изменения, было спроектировано и рассчитано в среде Ansys следующее насосное колесо: Рис.3.38. Меридианное сечение измененного НК (слева), эпюры распределения давления (справа сверху) и скорости (справа снизу) НК в расчетном режиме (Q=0.315M3/C, ю=62,83 1/с) Стоит отметить, что поскольку насосное колесо рассчитывалось на прежнюю рабочую точку, то лопастные системы остались согласованными. Интегральные значения параметров лопастных систем сведем в следующую таблицу: Зона I - зона с положительной кривизной (dN/du) 0). Работа повышающей ГДП на данном участке исследовалась в пункте «Работа ГДП с реальной гидротурбиной» и показала, что подобная характеристика ухудшает свойство самоторможения, поскольку и повышение мощности и повышение частоты вращения на насосном колесе приводят к увеличению расхода в круге циркуляции, а значит и к увеличению выходной частоты вращения. Зона II - зона, в которой мощность практически не зависит от частоты вращения (dN/du =0). Зона III - зона с отрицательной кривизной (dN/du) 0). Работа повышающей ГДП на данном участке не исследовалась, поскольку для рассматриваемой приводной гидротурбины он соответствует малым значениям КПД, а также не соответствует требуемым параметрам по мощности и частоте вращения. 000
Схема изменения характеристики приводной гидротурбины для исследования влияния ее наклона на частоту вращения выходного вала ГДП
Для теоретического исследования процессов в ГДП при работе от гидротурбины с падающей характеристикой перенесем график функции влево, как это показано на Рис. 3.42. Такая зависимость мощность от частоты вращения соответствует определенным напору и диаметру рабочего колеса. Тогда в расчетной области имеем следующие значения мощностей и частоты вращения:
Построим по полученным данным безразмерные характеристики и сравним их с характеристиками, полученными при расчете ГДП при работе от гидротурбины с падающей характеристикой (зона I). 1 0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0 -1 -0,2 --0,4 - 1 / 2 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 2 7 2 1 \ 2 Рис. 3.43. Сравнение внешних характеристик ТДЦК=/(і), КТЩ=/(і) при работе от гидротурбины с положительной (1) и отрицательной (2) кривизной характеристики.
По полученным данным можно сделать следующие выводы: 1) Спроектированная ГДП позволяет повысить частоту выходного вала по отношению к входному с передаточным числом, зависящим от режима работы. При этом изменение частоты вращения выходного вала не зависит от знака кривизны характеристики приводной гидротурбины, но зависит от ее величины. 2) Рекомендуется работа повышающей ГДП с приводной гидротурбиной обладающей характеристикой, для которой большие изменения по мощности приводят к малым изменениям частоты вращения (более крутая характеристика). 3) Не рекомендуемой зоной работы для повышающей ГДП является II зона (Рис. 3.42), для которой характерно большое изменение частоты при малых изменениях мощности. 3.11. Регулирование выходной частоты вращения повышающей ГДП байпасированием
Как уже отмечалось ранее - в условиях применения повышающей гидродинамической передачи на гидроэнергетических установках МГЭС важным свойством является возможность регулирования.
