Автореферат Кулжабаева Б.Д.


УДК 621.224.001                                                                      На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

КУЛЖАБАЕВ БАУРЖАН ДЖАМАЛБЕКОВИЧ

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВИХРЕВОЙ ТУРБИНЫ МИКРОГИДРОСТАНЦИИ

 

 

 

 

05.03.01 – Технология и оборудование механической и физико-технической     обработки

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

            

 

 

Алматы, 2009

 

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете

им. К.И.Сатпаева

 

 

 

Научный руководитель                                      доктор технических наук,

                                                      Мендебаев Т.М.

 

 

Официальные оппоненты:                                  доктор технических наук,

                                                    Аликулов Д.Е.

 

                                                                   кандидат технических наук,

                                                Абсадыков Б. Н.

 

                  

Ведущая организация                                          Павлодарский государственный

                                                                               университет им. С. Торайгырова

 

 

     Защита состоится «29» мая  2009 года в  1600 часов на заседании диссерта-ционного  совета  Д 14.17.02  КазНТУ им.  К.И.Сатпаева  по адресу:  050013,  г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, МСК-21. Тел. (727)292-60-25

 

 

 

 

     С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева, 22, ГМК.

 

 

Автореферат разослан «27» апреля 2009 года

 

 

 

 

Ученый секретарь                                                             

диссертационного Совета                                                    Сазамбаева Б.Т.

 

 

Введение

 

Актуальность темы. В Республике Казахстан имеются значительные гидроэнергетические ресурсы, из которых для энергоснабжения используются менее  пяти процентов. Вместе с тем в южных регионах Казахстана дефицит энергии, особенно тепловой, с каждым годом возрастает.

Особенностью горных рек и водосбросов по трубопроводам  Заилийского и  Жетысуйского Алатау заключается в их малой локальной гидравлической мощности. Поэтому строительство традиционных гидроэлектростанций плотинного типа с экономической точки зрения нецелесообразно.

Традиционные тепловые станции, работающие на твердом, жидком и газообразном топливе становятся все менее привлекательными не только с точки зрения постоянного роста цен на топливо, но и с позиции охраны окружающей среды. Обеспечение экологической безопасности этих станций требует огромных капиталовложений и не всегда приводит к допускаемой эффективности.

Таким образом, комплексные поэтапные исследования и разработка конструкций и технологического обеспечения гидростанций для выработки разнообразных видов энергии (электрической, тепловой и других) малой мощности (до 1 МВт), учитывая высокую прибавочную стоимость зарубежных аналогов, являются весьма актуальными задачами, решение которых позволит создать базу для организации производства отечественных микро (до 100 кВт) и мини (от 100 до 1000 кВт) гидроэнергетических станций. 

Целью настоящей работы является разработка конструкции вихревой турбины микрогидростанции с оптимизацией параметров вихревой камеры и отработка технологичности её конструкции.

Идея работы заключается в использовании вихревого эффекта для ускорения потока воды и преобразования энергии этого потока в тепло.

В связи с этим в работе поставлены следующие задачи:

  -  разработка конструкции вихревой гидротурбины;

  - исследование распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере гидротурбины;

 - изучение силового взаимодействия потока жидкости с конусными винтовыми каналами вихревой гидротурбины;

   -   экспериментальное определение  параметров вихревой  камеры;

    -  экспериментальное исследование влияния входных параметров потока жидкости на  динамические характеристики турбины;

   - разработка приспособления для изготовления винтовых канавок конусной гидротурбины;

     - разработка методики построения развертки конусно-винтового спирального лезвия.

Методы исследования. В работе сочетаются теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений механики жидкости, дифференциальных уравнений Навье – Стокса, теории Эйлера и теории гидротурбин, а также математического анализа и технологии машиностроения.

При проведении экспериментальных исследований использовались методы планирования эксперимента,  математической статистики и теории оптимизации параметров. Обработка результатов эксперимента и необходимые расчеты осуществлялись при помощи компьютерной программы для построения графиков математических зависимостей и аппроксимации экспериментальных данных Advanced Grapher.

Объектом исследования является вихревая  турбина  микрогидростанции.

Предметом исследования является вихревой поток воды и динамика его взаимодействия с винтовыми лопастями конусной гидротурбины.

Научную новизну работы составляют:

- предложенная конструкция гидростанции малой мощности на базе вихревой турбины и роторно-вихревого теплогенератора;

- математическая модель распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере турбины;

- аналитические зависимости для определения полных значений сил и моментов от взаимодействия потока жидкости и конусной турбины с винтовыми лезвиями;

-  аналитические зависимости для определения геометрических параметров вихревой камеры турбины в зависимости от  расхода воды;

- методика построения конусно-винтового спирального лезвия  на плоскости и технология изготовления турбины.

На защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты:

- математическая модель для определения геометрических параметров вихревой камеры гидротурбины в зависимости от  расхода воды;

- аналитические зависимости распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере гидротурбины,  позволяющие определить силовые параметры при взаимодействии потока жидкости с винтовыми лезвиями конусной турбины;

- конструкция теплогидростанции малой мощности на базе вихревой гидротурбины и роторно-вихревого теплогенератора;

-  методика проектирования и изготовления гидростанции малой мощности, связанные с ее гидродинамическими параметрами за счет модульности конструкции и унификации отдельных агрегатов;

      - концепция гибридных систем альтернативной гидроэнергетики.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе проведенных исследований разработаны конструкция вихревой гидротеплостанции,  позволяющая преобразовывать энергию потока воды непосредственно в тепло, методика расчета оптимальных конструкторских параметров вихревой камеры и гидротурбины, а также методика построения конусно-винтового спирального лезвия  на плоскости и технология изготовления турбины.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы и определения задач исследования;  разработке конструкции и технологичности изготовления основных узлов вихревой гидротурбины; разработке методик инженерных расчетов распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере, ее оптимальных параметров и основных геометрических параметров гидротурбины;  разработке гибридных систем гидроустановок и обеспечения их технологичности.

Реализация работы.  Изготовлен лабораторный образец вихревой турбины и опытно-промышленный образец роторно-вихревого теплогенератора, которые были  испытаны в аккредитованной лаборатории ТОО «Центр сертификации продукции и услуг» при заводе им. Кирова.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментами на макетах вихревой гидротурбины и натурных опытно-промышленных образцах роторно-вихревого теплогенератора,  а также использованием методов математического анализа и математической статистики при обработке данных научных положений. Теоретические зависимости дополнительно подтверждаются методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях механики жидкости и  гидротурбин.

     Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане» (Алматы, 2007), 6-ой Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Алматы, 2008), Международной научно-практической  конференции  «Научно-образовательный потенциал нации и конкурентоспособность страны» (Тараз, 2008),  II Международном инновационно-инвестиционном форуме «Наука и инновации на железнодорожном транспорте» (Алматы, 2008),  Шестой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, Россия, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-2008 (Москва, Россия, 2008), Четырнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, Россия, 2008),  XIII ВНТК «Современные промышленные технологии» (Нижний Новгород, Россия, 2008).

Публикации.  По материалам диссертации опубликовано  15 работ, поданы две заявки на изобретения  и получено одно положительное решение о выдаче инновационного патента на изобретение Республики Казахстан.

Структура и объем диссертации. Структура работы определена содержанием темы и представлена введением, 4 разделами, заключением, списком использованной литературы 111 наименований  и приложениями. Текст диссертации изложен на 126 страницах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

 

      Во введении в соответствии с обоснованием актуальности темы определяются идея, цель и задачи исследования, обозначаются методологические и теоретические основы исследования, практическая значимость работы, формулируется научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

      В первом разделе диссертации выполнен обзор и анализ современного состояния проблемы и исследований по разработке традиционной и альтернативной гидроэнергетики и современных методов решения технологических проблем производства гидроэнергетических установок.

      Проблемы традиционной гидроэнергетики исследованы и подробно изложены в работах Александрова И.Г., Балашкина А.С., Веденеева Б.Е., Золоторева Т.Л., Ковалева Н.Н., Потапова В.М., Ткаченко Н.Е. и  Орго В.М.

Существенный вклад в развитие нетрадиционной гидроэнергетики, в частности вихревой,  внесли Байбаков О.В., Болотов Б.В. Потапов Ю.С., Тесла Н., Шаубергер В. и Финько В.Е.

Анализ направлений исследовательских работ,  проводимых учеными разных стран в области альтернативных энергетических устройств для использования возобновляемых геофизических источников энергии, убедительно показывает, что  одним из перспективных направлений энергетики является использование вихревого эффекта, особенно для гидроэнергетики, которая базируется на силовом потоке жидкости.  Теоретических разработок адекватно описывающих весь аспект физических парадоксов вихревого течения жидкости и его внутреннюю энергетику до настоящего времени пока нет. Однако во всем мире ведутся интенсивные работы в области теоретического решения этой проблемы.

     Практическое применение энергетических устройств основанных на вихревом эффекте значительно опережает теоретические и экспериментальные работы.

Задачи вихревой энергетики имеют большой спектр нерешенных проблем  как теоретического, так и экспериментального характера. В связи с этим исследования в этой области имеют большое практическое значение.

Анализ конструкций  гидроэнергетических установок показал все возрастающую тенденцию к преодолению существующих барьеров  традиционного гидротурбиностроения и все более широкому применению в конструкторских решениях микро гидроэнергетических установок перспективных  технических идей, использующих  альтернативные физические эффекты, в частности вихревой эффект.

Мировой опыт развития гидроэнергетики все больше склоняется в сторону использования микро и мини гидроэнергостанций, которые предназначены для обеспечения энергией локальных объектов,  а  строительство и эксплуатация их  связаны с минимальным воздействием на экологию и с возможностью использования разнообразных гидротехнических сооружений (напорные водопроводы, каналы и другие).

Широкое использование мини гидротеплостанций для отопления и горячего водоснабжения объектов, расположенных в предгорьях и вдали от энергетических магистралей возможно при условии значительного снижения  себестоимости их изготовления за счет обеспечения высокой технологичности производства. Последнее может быть достигнуто высокой унификацией, модульностью конструкции отдельных агрегатов и узлов.

      Данная работа направлена на решение первого этапа комплексных исследований,  направленных на создание оптимальной с точки зрения  экологии, экономичности и технологичности микро гидростанции   состоящей из вихревой гидротурбины, преобразующей энергию потока жидкости в механическое движение и роторно-вихревого теплогенератора,  преобразующего механическое движение в тепло.

      В результате анализа выполненных ранее теоретических и экспериментальных работ и для достижения поставленной цели диссертации сформулированы основные задачи исследования и пути их реализации:      разработка принципиальной схемы вихревой гидротурбины; теоретическое исследование распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере гидротурбины; теоретическое исследование силового взаимодействия потока жидкости с конусно- винтовыми лезвиями вихревой гидротурбины; экспериментальные исследование винтовых водоводов; экспериментальные исследования и оптимизация параметров вихревой  камеры; экспериментальные исследование влияния входных параметров потока жидкости на  динамические характеристики турбины; экспериментальные исследования влияния шероховатости поверхности вихревой камеры на коэффициент полезного действия турбины;   разработка приспособления для изготовления винтовых канавок конусной гидротурбины;  разработка методики построения конусно-винтового спирального лезвия  на плоскости и технологии изготовления турбины; разработка технологичной схемы микро гидротеплостанции; обеспечение технологичности посредствам использования гибридных систем возобновляемой гидроэнергетики; оценка эффективность применения вихревой микро гидротеплостанции.

Во втором разделе рассмотрена конструкция разработанной вихревой гидротурбины,  разработана математическая модель течения воды в вихревой камере, выполнены теоретические исследования распределения скоростей потока в вихревой камере и силового взаимодействия потока жидкости с конусно-винтовыми лезвиями вихревой турбины.

Существенным отличием  предлагаемой вихревой гидротурбины от прототипа (турбина Шаубергера)  является то, что завихрение жидкости создается за счет:

 - тангенциального ввода жидкости в вихревую камеру;

 - оптимальных размеров вихревой камеры;

 - упрощения конструктивных элементов вихревой гидротурбины.

Вихревая гидротурбина (Заключение о выдаче инновационного патента по заявке № 2007/1323.1 от 23.06.2008г.), принципиальная схема которой представлена на рисунке 1, состоит из вихревой камеры 1, диффузора 2, турбины 3, лопастей 4,  сливной емкости 5 и подшипниковых опор 6, в которой вращается вал 7 жестко соединенный с турбиной 3. Подача воды в вихревую камеру 1 осуществляется напорным водоводом (не показан) через инжектор, а отбор воды из сливной емкости 5 производится по сливному водоводу (не показан). Турбина 3 выполнена в форме конуса со спиральными лезвиями или канавками, переходящими у основания в лопасти.   

Рисунок 1 - Принципиальный сборочный чертеж вихревой гидротурбины

 

     Особенностью турбины 3 является то, что она не имеет лопастей. Спиральные лезвия или канавки выполнены по коническим винтовым линиям в виде штопора. Эти лезвия или канавки ввинчиваются в вихревой поток воды,  не разрывая его и не создавая кавитации. В обычных турбинах лопасти пересекают поток воды и разрывают его. При этом много энергии расходуется впустую на преодоление сил поверхностного натяжения и сцепления молекул воды. Это ведет  к потерям энергии и к появлению кавитационных явлений. Последние обуславливают эрозию металла турбины и значительно сокращают срок её эксплуатации.

Рассматривался случай, когда вихревая камера цилиндрической формы не сообщается с атмосферой, а подача воды осуществляется тангенциально внутреннему диаметру вихревой камеры (рисунок 2). В этом случае вихревая камера  внутреннего радиуса R  имеет глухой торец  z = 0, а подвод воды осуществляется через тангенциальный проход шириной b и высотой  h. На выходе из вихревой камеры вода под давлением попадает в винтовые пазы  конусной турбины и приводит её во вращение.

Рисунок 2 – Модель вихревой камеры

 

В периферийной зоне  a < r < R, здесь aусловный радиус раздела вихревого потока (a = Rb)  В этой зоне поток близок к одномерному вихревому стоку. Во внутренней области  r0 < r < a течение значительно сложнее. Течение в этой зоне оказывается сильно турбулизованным.

Течение жидкости во внутренней  области  r0 < r < a представлялось в виде системы дифференциальных уравнений Навье – Стокса  в случае вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической системе координат (r, φ, z). Решением этих уравнений для краевых условий получены законы распределения скоростей потока жидкости в этой зоне.

Для радиальной скорости     

 Vr = Sin (πr2/2) /r.                                         (1)

      Для осевой скорости       

   Vz  = - z π Cos πr2/2.                                          (2)

Для тангенциальной скорости

Vφ=aVφarS-1)/raSR-1),                                          (3)

 

где S  =  Vr /αr;   α = (0,25 π a Cosπ a2/2)0,5.

   Анализ полученных теоретических зависимостей скоростей Vr (r),  Vz (z,r), Vφ (r, Q) при помощи компьютерной программы Advanced Grapher для построения графиков и обработки экспериментальных данных показал, что максимальный модуль радиальной скорости Vr составляет около 1% от тангенциальной, а осевой соответственно 2%. Следовательно, для практических расчетов ими можно пренебречь.

Для описания распределения скоростей потока  в     зоне  a < r < R  воспользовались гипотезой Дриссена, согласно которой  Vφ  rn =const. Для определения n использовалась формула  Жангарина А.И. ,  которая позволяет определить тангенциальную скорость Vφ  в зависимости от средней скорости Vср на входе в гидроциклон, схема подачи жидкости в который идентична рассматриваемого в данной работе случая и имеет вид

  Vφ = Vcp (R/r)2/3,                                                          (4)        

где  Vcp = Q0 / b h– средняя скорость на входе в вихревую камеру,  Q0 – расход воды расход воды на входе в вихревую камеру, м3/с.                                                    

На рисунке 3 представлены графики зависимостей тангенциальной скорости  Vφ   от радиуса вихревой камеры, вычисленные по формулам (3) и (4) при помощи компьютерной программы.

1 -  по формуле (3) и  2 – по формуле (5).

Рисунок 3 – Графики распределения тангенциальных скоростей

     Из рисунка 3 видно, что расчетные графики распределения скоростей  по формулам (3) и  (4) имеют одинаковый характер,  и максимальное различие модулей скоростей не превышает 20% в зоне ro < r > a  и  7%  в  зоне  a < r <R. Таким образом, зависимость (4) при  n=2/3 можно использовать для практического расчета распределения тангенциальных скоростей во всей зоне  вихревой камеры гидротурбины.

В третьем разделе представлены результаты экспериментальных исследований влияния пространственной формы водовода на скорость истечения жидкости и оптимизация параметров вихревой камеры гидротурбины.

Экспериментальные исследования  влияния пространственной формы спиральных каналов турбины на  скоростные параметры потока жидкости проведены  косвенным методом, то есть определялась скорость истечения воды из емкости через сливные трубки разной пространственной конфигурации  посредствам замера времени опорожнения емкости.  Целью данного эксперимента является проверка гипотезы пространственного вихревого естественного течения воды. В эксперименте использовались сливные трубки 3 одинакового диаметра и  длины  и разной конфигурации, а именно,  прямая,  в форме пространственной винтовой линии из двух витков и конусностью (угол при вершине конуса) 30, 60 и 90 градусов. Напор Н = 95cм для всех испытаний устанавливался одинаковым.

      Серия из семи опытов для каждого водовода обеспечивала доверительную вероятность  α = 0,78÷0,83.

Обработку полученных экспериментальных данных производили в компьютерной программе Advanced Grapher для построения графиков и обработки экспериментальных данных. График зависимости построен в координатах времени опорожнения напорной емкости и угла при вершине конусной винтовой линии сливной трубки, принимая для прямой сливной трубки угол конуса равный нулю. График экспериментальных зависимостей и функций аппроксимации полинома второй степени (график 1) и полинома третьей степени (график 2) представлен на рисунке 4.

       

 

Рисунок 4 – График экспериментальных зависимостей времени опорожнения напорной емкости в зависимости от конфигурации сливной трубки.

 

       Из графика функции аппроксимации полиномом третьей степени видно, что наилучшие условия истечения воды через конусные винтовые трубки, то есть наибольшую скорость течения воды в трубке можно ожидать при значениях угла при вершине конуса конусной  винтовой спирали в пределах 25 – 45 градусов.

       На основе полученных зависимостей распределения тангенциальных скоростей и из условия постоянства расхода получены аналитические зависимости для определения радиуса вихревой камеры

                                    R =[ ro2 ( Vφro bh/ Q0)3]0,5                                             (5)

и длину вихревой камеры

                                L = Q0 / π ro2 [( Vφro bh/ Q0)3 - 1].                              (6)

 Для реальных размеров экспериментальной установки и параметров потока воды, а именно  -   радиус посадочного вала турбины r0 = 0,005м; производительность насоса Q=2,25м³/час; размера входного канала в=0,006м и h=0,01м будем иметь, учитывая,  что ro = (0,08 ÷0,1)R и Vφro /Vcp = (R/ro)2/3,

Vφro /Vcp =4,6÷5,4. И окончательно теоретические соотношения радиуса вихревой камеры  R и её длины L в диапазоне реальных скоростей будут равны  R =(0,5÷1,4) L.

Экспериментальные исследования по оптимизации геометрических параметров вихревой камеры и влияния напора жидкости на динамические характеристики турбины были проведены на специальном стенде.

 В качестве метода экспериментального поиска оптимальных размеров вихревой камеры использовался метод Гаусса-Зайделя, который заключается в последовательном варьировании каждым фактором до достижения оптимального отклика «черного ящика».

 Первую серию экспериментов проводили при внутреннем диаметре вихревой камеры R=0,02м. Варьировалась длина вихревой камеры при помощи промежуточного звена и резьбовых вставок разной длины. При этом варьировались следующие размеры длины вихревой камеры  L=0,015;  0,02; 0,025; 0,03; 0,035; 0,04; 0,05м.  

 Экспериментальны данные аппроксимированы полиномом второй     степени (кривая 1) и полиномом третьей степени (кривая 2) и представлены на рисунок 5.

      Рисунок 5 – График зависимости к.п.д. турбины от длины вихревой камеры L при R= 0,02 м

 Из графика видно, что максимальный к.п.д. достигается при L=0,025м. Таким образом, в соответствии с планом эксперимента следующая серия экспериментов проводилась при постоянной длине вихревой камеры  L=0,025м. Варьированию подвергался радиус вихревой камеры со следующими параметрами  R = 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05. Изменение диаметра вихревой камеры осуществлялось при помощи кольцевых вкладышей разного диаметра.

      Экспериментальны данные аппроксимированы полиномом второй     степени (кривая 1) и полиномом третьей степени (кривая 2) и представлены на рисунок 6.

Рисунок 6 – График зависимости к.п.д. турбины от радиуса вихревой камеры R при L = 0,025 м

 

      По виду графиков аппроксимирующих функций оптимальные значения соотношения геометрических размеров вихревой камеры находятся в пределах R =(0,7÷1,2) L.

      Таким образом, полученные экспериментальные значения соотношения радиуса и длины вихревой камеры сочетаются с  аналитическими.

В четвертом разделе произведен анализ и разработка технологичности конструкции вихревой  гидростанции.

Для обеспечения технологичности вихревой гидротурбины на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований  была разработана методика определения основных конструктивных параметров гидротурбины. Размеры канавки выражаются через коэффициент k, тогда высота канавки будет равна c = k d  и выражение для ширина винтового канавок d из условия постоянства расхода жидкости имеет вид

d = {Q2[1 +(R/ro)2/3] / 2 b h k n}1/2,                                        (7)

где nчисло заходов винтовых канавок, b и h – размеры входного отверстия.

       Высота конусной турбины определяется из условия обеспечения m полных оборотов конусной винтовой линии канавок и числа заходов  винтовых канавок  n.

                                   hT  = m(d + e)n cosβ,                                             (8)

где e – толщина ребра между винтовыми канавками.

       Разработанная методика позволяет рассчитать конструкторские параметры основных узлов гидротурбины в зависимости от конкретного водосброса, то есть от величины расхода воды Q и напора H (высоты водосброса).

      Основными технологическими параметрами вихревой камеры вихревой гидротурбины являются шероховатость внутренней  поверхности вихревой камеры.

Для анализа влияния шероховатости внутренней поверхности вихревой камеры изготавливались цилиндрические вставки из конструкционной стали марки 45.

Внутренние размеры вставок  (вихревой камеры)  выбрали с учетом оптимальных значений, а именно R = 0,02м и L= 0,025м. Было изготовлено десять вставок, внутренняя поверхность которых обрабатывалась различными способами, а именно черновым, чистовым и тонким протачиваем, сверлением, черновым и чистовым зенкерованием, нормальным и точным развертыванием, предварительным и чистовым шлифованием. Это  позволяло достичь различной шероховатости внутренней поверхности диаметра 40 мм.

     Шероховатость поверхности замерялась при помощи профилографа-профилометра модели 201 ПС производства завода  «Калибр» в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

      Для исследования влияния шероховатости внутренней поверхности вихревой камеры на динамические характеристики вихревой гидротурбины (крутящий момент на турбине, угловая скорость вращения турбины и коэффициент полезного действия турбины) использовался стенд и методика эксперимента, представленные  в третьем разделе. Эксперименты проводились для каждого образца при одинаковых значениях давления насоса и соответственно расхода жидкости.      

     Результаты экспериментов обработаны на компьютерной программе Advanced Grapher для построения графиков и обработки экспериментальных данных и представлены в виде графика зависимости коэффициента полезного действия турбины η от шероховатости Rz  внутренней поверхности радиуса R  на рисунке 8 и аппроксимированы линейной функцией  со стандартным отклонением 0,0067 и среднеквадратичной ошибкой 0,366 в виде уравнения

                                           η = - 0,000436Rz + 0,841.                                      (9)

     С учетом  погрешности прибора (1,5 %) и доверительной вероятности результатов измерений (0,68) можно записать выражение для определения влияния шероховатости вихревой камеры на К.П.Д. вихревой гидротурбины

 η = - (4÷5)10-4 Rz + ηи ,                                             (10)

где  ηи  - К.П.Д. турбины для идеальной поверхности вихревой камеры.

 

Рисунок 8 – график зависимости К.П.Д. от шероховатости вихревой камеры

         

      Анализ зависимости аппроксимации экспериментальных данных показывает, что шероховатость вихревой камеры оказывает влияние на эффективность вихревой гидротурбины в пределах двух  процентов. Так как это влияние незначительно, то шероховатость обработки внутренней поверхности вихревой камеры следует выбирать исходя из обеспечения минимальных технологических затрат на изготовление деталей вихревой камеры.

      Материал вихревой камеры должен обеспечивать долговечность в условиях влажной среды. Наиболее пригодной  для вихревых камер является сталь 25ГСЛ или её заменители 20ГСЛ и 30ГСЛ, которые имеют хорошие показатели свариваемости и пригодности для литья.

     На основе анализа математического описания различных видов конусно-винтовых линий разработана методика  построения плоской проекции конусно-винтовой лезвия для изготовления его из листового материала.

Эта методика позволяет обрабатывать конусно-винтовые пазы на станках с ЧПУ. Координаты траектории в зависимости от программного обеспечения станка могут задаваться либо системой уравнений, либо координатами точек траектории, рассчитанными с заданным шагом при помощи компьютерных программ (Advanced Grapher или других).

С целью минимизации механических операций разработана технология изготовления турбины, основанная на описанной выше методике.

На рисунке 9 представлен сборочный чертеж турбины, поясняющий разработанную технологию. По этой технологии  турбины с конусной частью 1 снабжена конусно-винтовыми лезвиями 2 и вкладышами 3, количество которых определяется целым числом n. Эти лезвия 2 и вкладыши 3 попарно в определенном количестве собираются на конусной части 1 турбины и стягиваются при помощи, жестко закрепленной на нижнем основании конусной части 1  нижней планшайбы 4 изготовленной совместно с лопастями 5 и верхней планшайбы 6 при помощи гайки  7 или иного крепежного средства. Планшайбы 4 и 6 имеют специальные проточки для фиксации выходящих концов конусно-винтовых вкладышей 3.

Рисунок 9 – Сборочный чертеж турбины.

 

Получены соотношения между геометрическими размерами лезвий 2  (толщина  e,  ширина l )  и вкладышей 3 (толщина d, ширина k), числом их пар n, числом витков конусной спирали m  и высотой сборки (конусной части турбины) h. Это соотношение  иметь вид

                                          h = m n (e+d).                                                 (11)

Из выражения (11), задавая необходимые параметры, можно определить остальные.  При  этом  следует  учитывать то, что  ширина  винтовой  канавки

соответствует толщине вкладыша d,  а  высота  или  глубина  канавки  равна

c =( lk ).

Технология изготовления турбины заключается в следующем.

Для каждого типоразмера (мощности) турбины изготавливаются штампы для вырубки конусно-винтовых лопастей 2 и конусно-винтовых вкладышей 3   из листового материала.

Далее плоские спирали растягиваются в конусно-винтовые формы по шаблонам, соответствующим реальным параметрам конусно-винтовых линий.

После этого лопасти 2 и вкладыши 3 собираются попарно в необходимом количестве на конусной части 1 турбины и стягиваются при помощи планшайб 4, 6 и крепежных средств, в частности при помощи гайки 7.

Описанная технология позволяет значительно сократить механические операции и тем самым повысить производительность и снизить себестоимость изготовления турбин. 

      Для прямого преобразования энергии водосброса в тепло разработана тепловая гидростанция состоящая из вихревой турбины и роторно-вихревого теплогенеретора со стандартными комплектующими узлами.

Опытные образцы теплогенератора с приводом от электродвигателей номинальной мощностью 7 и 11 кВт изготовлены и последний испытан в аккредитованной лаборатории  испытательного центра ТОО «Центр сертификации продукции и услуг». Испытания производились в сравнении с аналогичной мощности электроТЭНовым котлом производства фирмы «КЕЛЕТ». Испытания показали, что эффективность выработки тепловой энергии роторно-вихревым теплогенгератором на 3-8% выше, чем у традиционного электроТЭНового нагревателя.

Для расширения области применения вихревой гидротурбины разработаны гибридные системы, позволяющие наряду с энергией потока воды использовать другие возобновляемые источники (энергия солнца, низкотемпературная энергия водоема, гравитацию и другие) для выработки разнообразных видов энергии (тепло, сжатый воздух, электроэнергия, холод и др.)

Гибридные (комплексные) системы позволяют максимально унифицировать энергетические установки за счет использования стандартных агрегатов (компрессор, насос и других). Расширяется область применения и снижается технологическая трудоемкости производства этих систем, ориентированных на производства разнообразных видов энергии в зависимости от нужд потребителя и от геологических особенностей локального объекта.

 

Заключение

 

      На основе теоретических и экспериментальных исследований распределения скоростей потока жидкости в вихревой камере и силового взаимодействия потока с винтовыми лезвиями конусной турбины разработаны методики расчета геометрических параметров основных узлов вихревой гидротурбины и обеспечения технологичности конструкции гидротеплостанции.

     Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы заключаются в следующем:

1.     Разработана конструкция вихревой гидротурбины, особенностью которой является наличие вихревой камеры, а конусная турбина снабжена спиральными лезвиями или канавками,  выполненными по коническим винтовым линиям.

2.   Разработана модель вихревой камеры и при помощи уравнений Навье-Стокса для вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрической системе координат получены аналитические зависимости распределения скоростей потока и давления в зоне ro < r < a наибольшей турбулентности и в периферийной зоне a < r < R вихревой камеры, где поток жидкости близок к одномерному вихревому стоку по гипотезе Дриссена  и формуле Жангарина А.И.  Анализ полученных зависимостей распределения скоростей в вихревой камере показал возможность их применения для расчетов распределения скоростей для вихревой камере гидротурбины малой мощности.

3.   Получены аналитические зависимости силового взаимодействия потока жидкости с конусной турбиной, которые позволяют определить факторы влияния на эффективность преобразования энергии потока, а именно геометрических параметров выхода жидкости из пазов конусной турбины. Получена система уравнений,  определяющая значения сил и моментов на конусной турбине от воздействия элементарных струй потока жидкости, то есть от геометрических параметров турбины и распределения скорости потока

4.     Экспериментальные исследования скорости истечения воды по сливным трубкам разной пространственной конфигурации показали,  что при истечении воды из трубки  конусной конфигурацией и углом при вершине 30 градусов средняя скорость истечения на 6% выше, чем при истечении по прямой трубке, а оптимальный угол конусности находится в пределах 30 – 50 градусов.

5.   Из условия постоянства расхода жидкости получены аналитические зависимости для определения соотношения между радиусом  R и длиной L вихревой камеры гидротурбины, которое  составляет R =(0,5÷1,4) L и допустимо совпадают с экспериментальными исследованиями по оптимизации геометрических параметров вихревой      камеры показавшие соотношения  R =(0,7÷1,2) L.

6.     Предложена методика расчета основных геометрических параметров конусной турбины, а именно размеров винтового паза, угла конусности и высоты турбины .

7.     Предложена методика построения конусно-винтового спирального лезвия  на плоскости и технология изготовления турбины методом штамповки, навивки на шаблон или обработки конусной спиральной канавки на станках с ЧПУ, а также приспособление для обработки спиральной канавки на универсальном токарном станке.

8.    Разработана  гидротеплостанции,  состоящей из вихревой гидротурбины и роторно-вихревого теплогенератора, технологичность последнего  обеспечена за счет модульности его конструкции, а испытания показали высокую эффективность выработки тепла.

9.    Для обеспечения технологичности конструкций альтернативных энергетических установок использующих возобновляемые источники энергии предложены гибридные системы, позволяющие использовать унифицированные агрегаты.

10.                         Экономическая эффективность использования вихревых гидротеплостанций составляет 15 тысяч тенге за отопительный сезон на один киловатт установленной мощности.

                                 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1.      Поветкин В.В., Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. Вихревая гидроэнергетическая установка. Материалы международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане». Алматы, 2007. – С. 214 – 219.

2.      Кулжабаев Б.Д. Тепловая гидростанция. Новости науки Казахстана, № 1, 2008. – С. 50 – 54.

3.      Кулжабаев Б.Д. Вихревая гидротурбина. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, №1, 2008. С. 154-158.

4.      Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Гибридные системы альтернативной энергетики для промышленности и транспорта. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, №1, 2008. С. 150 - 154.

5.      Поветкин В.В., Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Распределение скоростей потока в вихревой камере гидротурбины. Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, №2, 2008. С. 138 - 144.

6.      Поветкин В.В., Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Исследование распределения скоростей потока в вихревой трубе. Вестник КНТУ, №3, 2008. – С. 55-59.

7.      Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Альтернативная энергетика для легкой промышленности. Материалы международной научно-практической конференции «Научно-образовательный потенциал нации и конкурентоспособность страны». Тараз, 2008. – С. 377-380.

8.      Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Гидротурбина и распределение скоростей потока в вихревой камере. Материалы международной научно-практической конференции «Научно-образовательный потенциал нации и конкурентоспособность страны». Тараз, 2008. – С. 380-384.

9.      Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Проектирование вихревой гидротеплостанции и обеспечение технологичности ее изготовления. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» - НМТ-2008 Москва, МАТИ, т.2. Проектирование и эксплуатация изделий машиностроения. С. 84-85.

10.   Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Обеспечение технологичности изготовления вихревой гидротурбины. Высокие технологии, фундаментальные исследования, промышленность. Сборник трудов. Под редакцией А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. Санкт-Петербург, 2008. – С. 198-199.

11.   Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. Альтернативные вихревые теплогенераторы для снабжения теплом пассажирских вагонов и цистерн. Материалы II международного инновационно-инвестиционного форума «Наука и инновации на железнодорожном транспорте»,  Алматы, 2008. – С.60-62.

12.    Кулжабаев Б.Д., Мендебаев Т.М., Лысенко В.С. Вихревая микрогидротеплостанция. Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии», Нижний Новгород, 2008. – С. 3.

13.    Кулжабаев Б.Д., Мендебаев Т.М., Лысенко В.С. Повышение технологичности изготовления вихревой гидростанции. Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии», Нижний Новгород, 2008. – С. 9. 

14.            Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С. Экологически чистая комплексная энергетика для промышленности и транспорта. Материалы четырнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», Томск, 2008. – С. 67- 69.

15.            Мендебаев Т.М., Кулжабаев Б.Д., Лысенко В.С., Габдуллина А.З.

Повышение технологичности изготовления роторно-вихревых теплогенераторов для гидростанций. Доклады Национальной Академии наук. № 6, 2008. – С. 72-75.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Шағын су станциясы құйын турбинасын дайындаудың

конструкторлық-технологиялық ерекшеліктерін зерттеу

 

Кулжабаев Бауржан Джамалбековичтің 05.03.01 – Механикалық және физико-техникалық өңдеу құрал-жабдықтары мен технологиясы мамандығы бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін алу үшін жазған диссертациясының авторефераты 

 

                                                  Түйін

 

Зерттеу нысаны. Шағын су станциясы құйын турбинасы

 

Жұмыстың мақсаты. Шағын су станциясы құйын турбинасының құрылымына құйын камерасы өлшемдерін жетілдіру және оның құрылымын технологиялық өңдеу  арқылы талдау жасау

 

Зерттеудің әдіснамалық негіздері. Зерттеулер сұйықтық механикасының негізгі күйін пайдалана отырып, Навье – Стокстің дифференциалдық теңдеулерін, сондай-ақ математикалық анализ, машинажасау технологиялары, тәжірибені жоспарлау, математикалық статистика мен өлшемдерді жетілдіру теориясы әдістерін қолдану арқылы жүргізілді.

 

Жұмыстың нәтижесі. Зерттеу жүргізу барысында жүргізілген жұмыстардың нәтижесі  төмендегідей:

-         құйын турбинасы мен роторлық-құйын жылу генераторының базасы негізінде аз қуатты су станциясының құрылымы жасалды;

-         турбинаның құйын камерасында сұйықтық ағуының жылдамдығын бөлудің аналитикалық тәуелділігінің нәтижелеріне қол жеткізілді;

-         бұрама айналымды конустық турбина және сұйықтық ағуының жылдамдығының өзара әсері жағдайлары мен күштердің толық маңыздылығын анықтаудың аналитикалық тәуелділігі айқындалды;

-         су шығынына орай турбинаның құйын камерасындағы геометриялық өлшемдерді анықтаудың аналитикалық тәуелділігі нақтыланды;

-         турбинаны дайындау технологиясы мен жазықтықтағы конустық-бұрамалы спиральды кескішті құрастырудың әдістемесі жасалынды.

 

Конструкторлық, технологиялық және техникалық қолданудың негізгі сипаттамалары. Жасалынған әдістеме құйын турбинасының суды жіберудің сипаты орай әрбір нақты жағдайға сәйкес, соның ішінде суды пайдалану мен қысымға байланысты құрылымдық өлшемдерді есептеуге мүмкіндік береді. Төменде 10, 50 және 100 кВт қуатты құйын турбиналарының өлшемдері берілген:

 

Турбинаның қуаттылығы, кВт

   10

   50

   100

Шығын, Q, м³/с

   0,2

   0,6

   0,9

Қысым, H, м

   8

 10 

  15

Валдың радиусы, r, мм

   20          

 35

  45

Құйын камерасының радиусы, R, мм

   40

 100

  150

Құйын камерасының ұзындығы, L, мм

   40

 100

  150

Кіру тесігінің биіктігі, h, мм

   30

 70

  100

Кіру тесігінің ені, b, мм

   20

 50

  70

Бұрама ұңғысының тереңдігі, c, мм

   18

 54

  96

Бұрама ұңғысының ені, d, мм

   6

 18

  32

Кіру саны, m

   6

 6

  6

Конус бұрыштарының градустары, β

   19

 19

  19

Турбинаның конустық бөлімінің биіктігі, hт,мм

   102

 238

  420

 

Өндіріске ендірілу деңгейі. Құйын турбинасының лабораториялық нұсқасы жасалынды және роторлық-құйын жылу генераторының тәжірибелік-өндірістік нұсқасы С.М.Киров ат. зауыттың жанындағы «Өнімдерді сертификаттау мен қызмет көрсету орталығы» ЖШС аккредитталған лабораториясында сынақтан өткізілді.

 

Өндіріске ендіруге нұсқаулар. Алматы қалалық әкімдігінде 500 кВт қуатты тәжірибелік су-жылу станциясын салу үшін су тоғаны мен жер телімін бөлу туралы мәселе қарастырылуда.

 

Қолданылатын саласы. Гидроэнергетика.

 

Жұмыстың маңызы. Құйын су-жылу станциясы құрылымы, құйын камерасы мен су турбинасының конструкторлық нақты өлшемдерін есептеудің әдістемесі, сол сияқты турбинаны дайындау технологиясы мен жазықтықтағы конустық-бұрамалы спиральды кескішті салудың әдістемесі жасалынды.

 

Зерттеу нысанының дамуы туралы болжамдық көзқарастар. АВЕ корпорациясымен бірлесе отырып, шағын су-жылу станциясы өндірісін ұйымдастыру мәселесі қарастырылуда.

 

 

Researching constructor-technological peculiarities of manufacturing vortical turbines of micro hydroelectric-station.

 

Abstract of dissertation of Kulzhabaev Baurzhan Zhamalbekovich to research scientific staff of candidate technical science by specialists 05.03.01. – Technology and mechanical and physical-technological equipment  of manufacture.

 

Resume

 

Object of research. Vortical  turbines of micro hydroelectric-station.

 

 Aim of research. To elaborate construction of  vortical turbines of micro hydroelectric-station with optimization parameters of vertical cameras and working off techno logics  of its construction.

 

Methodology of research. Research is made of using main position of mechanical fluid, differential equalization of  Nave – Stoks, theory of  Eliera and theory of hydro turbine and also mathematical analyses, technology  of machinery building, experimental planning, mathematical statistics and theory  of optimization parameters.

 

Results of the work. Research of the work is considered in following:

- worked out construction of    hydroelectric-station in low power on the base of vortical turbines and rotor – vertical heat generator.

- was taken analytical dependence  division of speeds stream fluid on vertical camera turbine.

- was taken   analytical dependence   for defining full meaning of power and moments of interaction stream fluid and cone turbine with spiral blade.

- was taken   analytical dependence   for defining geometrical parameters of vertical camera turbine in dependence expense of water.

- worked out methods of formation cone – spiral blade on flatness and technology of preparing turbines.

 

The main construction, technological and techno – operating characteristics. Elaborated methods  is allowed to calculate construction parameters of vertical turbines for every concrete event in dependence characteristics of water overflow disposal, exactly expense of water and pressure. Below it was given parameters of

Vertical turbine capacity 10, 50 and 100 k.w.t.

 

Power of turbine , kwt

10

50

100

Expense, Q , m3/ s

0.2

0.6

0.9

Pressure, H, m

8

10

15

Radius of shaft, r 0, mm

20

35

45

Radius of vortical camera, R, mm

40

100

150

Length  of  vortical camera,L,mm

40

100

150

Height entrance slot, h,mm

30

75

100

Width of entrance slot ,b, mm

20

50

70

Depth of spiral ditch, s, mm

18

54

96

Width of spiral ditch, d, mm

6

18

32

Number of attempt, m

6

6

6

Corner of cone, B, degree

19

19

19

Height of cone part of turbine,ht,mm

102

238

420

 

Degree of introduction. It was made laborite sample of  vertical turbines and experimental manufacturing sample of rotor – vortical heat generator was tried in accreditation  laboratory  “Center of certification of production and services” at the factory named by Kirova.

 

Recommendation on introduction. In Almaty is considered matter about apportionment of water overflow disposal and to land section for building experimental hear generator on power 500 k.w.t.

Place of application. Hydro energy.

 

Significant of the work.  It was worked out construction of vortical  hydro heat station, methods of estimate optimal constructional parameters of vertical cameras and hydro turbines and also methods of   formation cone – vertical spiral blade in flatness  and technology of preparing turbines.

 

Proposal  prognosis about development of object research.

In common with corporation ABE is considered matter about  organizing  production  of micro hydro heat station.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУЛЖАБАЕВ БАУРЖАН ДЖАМАЛБЕКОВИЧ

 

 

 

Исследование конструкторско-технологических особенностей изготовления вихревой турбины микрогидростанции

 

 

 

 

05.03.01 – Технология и оборудование механической и физико-технической     обработки

 

 

 

 

 

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

Подписано в печать 21. 04. 2009 г.

Обьем  1,6   усл. печ. лист.

Формат  60 х 84 /16

Гарнитура Times New Roman

Печать “Ризо”

Тираж  100  экз.

Заказ  62

____________________________

____________________________________

 

050000, г. Алматы 

ул. Масанчи  20/22

ТОО  “Полиграфия-сервис и К0