Гидравлические турбины

Гидравлической турбиной называется устройство, преобразующее энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса.

Из основного закона механики жидкости — закона Бернулли — следует, что удельная энергия Н1 на входе в рабочее колесо гидротурбины составляет

(7.7)

а на выходе из рабочего колеса

(7.8)

где p — давление, Па; q — плотность жидкости, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; z — отметка уровня центра потока относительно принятой плоскости сравнения (высота), м; v — скорость, м/с.

Значения H, в м или Дж/Н.

Отданная водой рабочему колесу энергия будет равна разности энергий в потоке до рабочего колеса и после него:

. (7.9)

Таким образом, вся энергия потока стоит из энергии положения z₁-z₂ , энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию) и кинетической энергии

.

Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию, называются реактивными.

В таких гидротурбинах процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе турбины частично используется и кинетическая энергия потока.

Z₁-Z_{2 +} (P₁-P₂)/qg>0 . (7.10)

Если гидротурбины используют только кинетическую энергию потока, то они называются активными. В таких турбинах Z1 = Z2, P1 = Р2, т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления, а почти весь напор преобразуется в скорость.

Мощность гидротурбины согласно ранее приведенному уравнению может быть выражена так:

W_t = 9,81Q_t H_t. (7.11)

Из этой формулы следует, одну и ту же мощность от нескольких сотен киловатт до нескольких сотен мегаватт можно получить при малом Q_T и большом H_т и наоборот.

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии.

Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы: осевые (пропеллерные и поворотно-лопастные), диагональные и радиально-осевые гидротурбины.

В классе активных гидротурбин наибольшее распространение получили, так называемые, ковшовые гидротурбины.

Каждая система содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные проточные части и одинаковую быстроходность (частота вращения турбины, работающей под напором 1 м и развивающей мощность в 1 л. с), но различающихся по размерам. Геометрически подобные гидротурбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все гидротурбины условно делят на низко-, средне- и высоконапорные.

Гидротурбины условно подразделяют на малые, средние и крупные.

К малым относятся гидротурбины, у которых мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним относятся гидротурбины мощностью от 1000 кВт до 15 000 кВт.

К крупным относятся гидротурбины, которые имеют мощность большую, чем средние.

Активные гидротурбины. Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые (за рубежом их называют турбинами Пельтона). Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рисунке. 7.4. Вода из верхнего бьефа 1 подводится трубопроводом 2 к рабочему колесу 4, выполненному в виде диска, закрепленного на горизонтальном валу турбины и вращающегося в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) 7. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно, один »а другим, при его вращении «принимают» струю воды.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется через сопло 3, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет собой сходящийся насадок, из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды, вся энергия которой, за вычетом потерь, обращается в кинетическую энергию вращения колеса турбины. Рабочее колесо и сопло размещаются внутри замкнутого кожуха 5.

Игла может перемещаться в насадке в продольном направлении, менять его выходное сечение и тем самым регулировать расход воды через турбину.

В одном из крайних положений игла полностью закрывает сопло, что ведет к остановке турбины. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал (нижний бьеф).

Рисунок 7.4 - Схема активной турбины (Алматинская ГЭС-1, АПК)

При внезапном отключении гидроагрегата от электрической сети и при быстрой остановке турбины в подводящем трубопроводе может возникнуть очень опасный для трубопровода гидравлический удар. В целях предотвращения гидравлического удара, игла закрывается медленно. А для предотвращения разгона турбины до опасных оборотов и быстрой остановки применяется отвод струи от рабочего колеса в нижний бьеф с помощью отклонителя 6. При экстренном выводе турбины из работы ввод отклонителя струи и перемещение иглы производится одновременно.

Конструктивные формы ковшовых турбин весьма разнообразны, они могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины используются в диапазоне напора 300 - 1770 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 300 МВт.

Класс реактивные гидротурбины. К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рисунок 7.5.

Для реактивных гидротурбин характерны следующие основные признаки. Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток передает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная представлена потенциальной энергией, соответствующей разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление p/(Qg) по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т.е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока.

а) радиально-осевая; б) пропеллерная; в) поворотно-лопастная;

г) двухперовая; д) диагональная.

Рисунок 7.5 - Общий вид рабочих колес реактивных турбин

Пропеллерные гидротурбины (Пр). Рабочее колесо 1 (см.рисунок 7.6) состоит из корпуса (втулки) с обтекателем 2 и лопастей 3, установленных под углом разворота φ. На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, вследствие чего такие гидротурбины называют также осевыми (за рубежом турбины Каплана).

Рисунок 7.6 - Рабочее колесо пропеллерной турбины 123

Для подвода воды к направляющему аппарату 5 гидротурбины служит турбинная камера 4.

Число лопастей рабочего колеса зависит от напора и может колебаться от 3 до 8 (растет с увеличением напора).

Поворотно-лопастные гидротурбины (ПЛ). По конструктивному исполнению поворотно-лопастные турбины не отличаются от пропеллерных, но у них в процессе работы лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см.рисунок 7.6 и 7.7).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой гидротурбины и его КПД при заданном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата 5, так и от угла поворота ф лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД гидротурбины будет иметь наибольшее значение. Лопасти рабочего колеса при работе гидротурбины могут поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает большие преимущества, так как обеспечивается автоматическое поддержание высокого значения КПД в широком диапазоне мощностей.

1) корпус рабочего колеса, 2) обтекатель, 3) лопасти, 4) камера рабочего колеса, 5) лопатки направляющего аппарата

Рисунок 7.7 - Рабочее колесо поворотно-лопастной турбины