Аннотация

Цель: рассмотрение возможных вариантов сброса холостых расходов через проточную часть турбинного блока средне- или высоконапорной гидроэлектростанции, оснащенной реактивными турбинами. 

Материалы и методы. В качестве исходных данных принята ГЭС с напором порядка 50 м, оснащенная радиально-осевой турбиной. Мощность турбины в номинальном режиме около 30 МВт. По рабочей гипотезе в камеру рабочего колеса турбины устанавливается контрвихревой гаситель кинетической энергии потока (рабочее колесо турбины демонтируется), который предназначен для гашения избыточной энергии в области конуса и колена отсасывающей трубы, обеспечивая гидравлический режим течения воды, выходящей в нижний бьеф таким же, как и при работе штатного рабочего колеса турбины. 

Результаты. Проведен гидравлический расчет двух закрученных потоков, которые создают штатный направляющий аппарат и дополнительная неподвижная решетка лопаток, установленная коаксиально направляющему аппарату в камере рабочего колеса турбины. Обе решетки формируют контрвихревое течение в отсасывающей трубе, обеспечивая гашение энергии за счет сил вязкости воды. В процессе исследований получены расчетные геометрические характеристики решеток завихрителей, обеспечивающих закрутку: углы входных и выходных кромок лопаток и их радиусы. При установке контрвихревого гасителя в камере рабочего колеса гидротурбины пропускаемый расход при напоре Н = 49,35 м составит Q = 63,3 м³/с, при этом в контрвихревом гасителе обеспечивается рассеивание мощности NКГ = 29688 кВт. Отсутствие контрвихревого гасителя приводит к тому, что пульсации давления составляют 32 % от действующего напора. 

Выводы. Выполненные расчеты показывают, что пропуск потока большой энергоемкости через проточную часть турбинного тракта возможен. Это достигается установкой в камере рабочего колеса контрвихревого гасителя кинетической энергии потока.

doi: 10.31774/2712-9357-2025-15-2-380-400

Для цитирования

Орехов Г. В., Скляднев М. К. Использование проточной части реактивных турбин для сброса холостых расходов // Мелиорация и гидротехника. 2025. Т. 15, № 2. С. 380–400. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2025-15-2-380-400.

Список литературы

1. Проектирование и строительство больших плотин: по материалам IX Междунар. конгресса по большим плотинам. Вып. 2: Постоянные и временные водосбросные сооружения / под общ. ред. А. А. Борового, сост. М. Б. Гинзбург. М.: Энергия, 1972, 155 с.

2. Рубинштейн Г. Л., Рудакова М. Д. Энергетика и электрификация. Обзорная информация. Серия «Гидроэлектростанции». Вып. 1: Пропуск строительных расходов через недостроенные бетонные сооружения гидроузлов. М.: Информэнерго, 1980, 85 с. 

3. Волшаник В. В., Зуйков А. Л., Мордасов А. П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. М.: Энергоатомиздат, 1990. 280 с. EDN: RFDQCL.

4. Пономарев Н. К., Щесняк Л. Е. Сопряжение вихревого водосброса с нижним бьефом путем отброса струи // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14, № 2. С. 142–153. DOI: 10.22363/1815-5235-2018-14-2-142-153. EDN: XQIAZF.

5. Orekhov G. Cavitation in swirling flows of hydraulic spillways // E3S Web of Conferences: 2018 Topical Problems of Architecture, Civil Engineering and Environmental Economics (TPACEE 2018), Moscow, 3–5 Dec. 2018 year. 2019. Vol. 91. Article number: 07022. DOI: 10.1051/e3sconf/20199107022. EDN: MYGDRX.

6. Гурьев А. П., Ханов Н. В., Абидов М. М. Рекомендуемые условия работы вихревых водосбросов // Гидротехническое строительство. 2021. № 3. С. 15–21. EDN: HBBICQ.

7. Численное исследование конструктивных способов подавления низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины / Г. А. Семёнов, А. Ю. Смирнова, А. А. Дектерёв, А. В. Минаков, А. В. Сентябов // Труды Академэнерго. 2013. № 3. С. 26–40. EDN: REAMRT.

8. Numerical and physical modelling of the performance of the pro-vortex vanes in shaft spillways / M. Broucek, L. Satrapa, M. Kralik, J. Soucek // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: WMCAUS 2021. 2021. Vol. 1203, no. 3. Article number: 032082. DOI: 10.1088/1757-899X/1203/3/032082. EDN: BJONDA.

9. Three-dimensional flow of a vortex drop shaft spillway with an elliptical tangential inlet / Zh. Yang, J. Yin, Ya. Lu, Zh. Liu, H. Yang, G. Xu // Water. 2021. Vol. 13, no. 4. Article number: 504. DOI: 10.3390/w13040504. EDN: EJAAUK.

10. Kobayashi K., Tamura Yu. Solution of unstable problem for hydraulic turbine in order to promote usage of hydraulic energy // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: 29th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. Vol. 240(2). Article number: 022048. DOI: 10.1088/1755-1315/240/2/022048.какой год?

11. Artemyeva T. V., Zuikov A. L. Hydraulic modeling of surface vortex funnels // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Conference on Digital Solutions for Automotive Industry, Roadway Maintenance and Traffic Control (DS ART 2020), Moscow, 14–16 Dec. 2020 year. 2021. Vol. 1159. Article number: 012006. DOI: 10.1088/1757-899X/1159/1/012006. EDN: UICAEM.

12. Условия работы совмещенных блоков ГЭС в строительные и эксплуатационный периоды / И. И. Иванов, Г. А. Иванова, В. М. Семенков, Т. В. Семенова // Методы исследований и гидравлических расчетов водосбросных гидротехнических сооружений: материалы совещ. Л.: Энергоатомиздат, 1985. С. 143–148.

13. Расчетное исследование пространственного вязкого течения жидкости в отсасывающей трубе осевой гидротурбины / А. В. Русанов, Ю. В. Городецкий, Д. Ю. Косьянов, П. Н. Сухоребрый, О. Н. Хорев // Проблемы машиностроения. 2011. Т. 14, № 4. С. 16–24. EDN: VQYJGX.

14. Sutherland R. A. Free Discharge through a Turbine Distributer, Case, and Draft Tube // Journal of Basic Engineering. 1959. Vol. 81(4). Р. 488–490. DOI: 10.1115/1.4008531.

15. Study on Flow Characteristics of Francis Turbine Based on Large-Eddy Simulation / T. Xu, Q. Cheng, Ch. Lin, Q. Yu, X. Hu // Water. 2023. Vol. 15, no. 19. Article number: 3372. DOI: 10.3390/w15193372. EDN: PHEODS.

16. The effect of damping grid on vortex rope and pressure fluctuation in the draft tube of Francis turbine / S. Wang, S. Pang, J. Ding, M. Wang, Z. Chen // Journal of physics: Conference series: The 17th Asian International Conference on Fluid Machinery (AICFM 17 2023). 2024. Vol. 2707. Article number: 012062. 7 р. DOI: 10.1088/1742-6596/2707/1/012062.

17. Абелев А. С., Соловьева А. Г. Гидравлические условия пропуска расходов через здания строящихся гидростанций // Известия ВНИИГ. 1983. Т. 168. С. 71–78.

18. Гаген А. В. О холостых попусках воды через проточную часть капсульного агрегата // Труды Ленинградского политехнического института. 1968. № 289. С. 131–134.

19. Горбачев С. И., Саркисова М. Ф. Пропуск воды через проточный тракт гидротурбины при отсутствии рабочего колеса // Гидротехническое строительство. 1970. № 10. С. 30–33.

20. Пропуск холостых расходов через турбинный блок средне- или высоконапорной ГЭС (часть 1) / В. В. Волшаник, А. Л. Зуйков, Г. В. Орехов, П. С. Чурин // Гидротехническое строительство. 2013. № 4. С. 51–56. EDN: PZUBWL.

21. Пропуск холостых расходов через турбинный блок средне- или высоконапорной ГЭС (часть 2) / В. В. Волшаник, А. Л. Зуйков, Г. В. Орехов, П. С. Чурин // Гидротехническое строительство. 2013. № 5. С. 32–40. EDN: QBBQQJ.