Активные гидротурбины

Классификация гидротурбин

Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий механическую энергию движущейся воды в механическую энергию вращения рабочего колеса двигателя.

Для потока жидкости удельная энергия потока на входе в рабочее колесо гидротурбины ,м, равна

, (5.1)

а на выходе рабочего колеса

. (5.2)

Здесь z ₁ и z ₂ - высоты расположения входа и выхода рабочего колеса турбины относительно плоскости сравнения; p ₁, p ₂, v ₁, v ₂ - давления и скорости потока жидкости на его входе и выходе соответственно. Величина удельной энергии, отданной потоком рабочему колесу турбины гидроагрегата (напор, используемый в агрегате), равна разности удельных энергий потока до и после рабочего колеса:

= H_{g 1} - H_{g 2} = (z ₁ - z ₂ ) + (p ₁ - p ₂ )/ g + (v ₁² - v ₂² )/2 g. (5.3)

В (5.3) слагаемое (z ₁ - z ₂) характеризует так называемую удельную энергию положения потока, слагаемое (p ₁ - p ₂)/ g - удельную энергию давления, слагаемое (v ₁² - v ₂²)/2 g - удельную кинетическую энергию. Удельные энергии положения и давления составляют вместе удельную потенциальную энергию, отданную потоком жидкости в агрегате. В зависимости от того, какие из трех слагаемых выражения (5.3) доминируют при работе турбины, различают активные и реактивные классы турбин.

В активных турбинах используется только кинетическая энергия потока жидкости. В таких турбинах z ₁ = z ₂, p ₁ = p ₂. Для достижения высокого КПД практически весь напор на ГЭС преобразуется перед рабочим колесом в скоростной напор потока. Непосредственно перед рабочим колесом турбины поток воды достигает максимально возможной скорости. В класс активных турбин входят ковшовые, наклонно-струйные турбины и турбины двойного действия. На ГЭС основное распространение получили ковшовые турбины.

В реактивных турбинах хотя бы частично используется и потенциальная энергия потока. Для них (z ₁ - z ₂ ) + (p ₁ - p ₂ )/ g 0. Процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. В рабочем колесе реактивной турбины используется и кинетическая энергия потока. Класс реактивных турбин в зависимости от конструкции рабочего колеса делится на следующие системы: радиально-осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные и диагональные.

В качестве представителя класса активных гидротурбин рассмотрим здесь наиболее распространенную ковшовую турбину с основными элементами конструкции (рис.5.1). Главными составными частями ковшовой турбины являются рабочее колесо, сопло и игла с регулирующим механизмом.

  Рис. 5.1. Ковшовая турбина: а - схема установки турбины; б - общий вид рабочего колеса

Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска и закрепленному на валу турбины. Колесо вращается в воздухе. По окружности колеса равномерно расположены ковшеобразные лопасти (ковши). Чтобы максимально преобразовать кинетическую энергию воды в механическую энергию вращения рабочего колеса, ковши выполняют эллиптической формы. На эллиптических частях ковша вода меняет свое направление на 180и сходит с них с очень малой скоростью.

Формирование струи, придание ей необходимой скорости и преобразование энергии подводимой трубопроводом воды в кинетическую производится с помощью сопла 1, в котором помещается игла 2 для регулирования расхода и мощности турбины. При перемещении иглы изменяется выходное сечение струи и тем самым ее расход. Скорость перемещения иглы ограничена из-за опасности возникновения гидравлического удара. Для исключения появления гидравлического удара закрытие иглы идет медленно, в течение 20-40 с. В случае необходимости быстрого снижения мощности используется отклонитель струи, который за 2-3 с отводит струю от лопаток.

У ковшовых турбин лопасти рабочего колеса испытывают переменную нагрузку. В связи с этим возникают усталостные явления в металле, приводящие к расслаблению крепления. В настоящее время стали применять цельнолитые и сварнолитые рабочие колеса с повышенной надежностью.

Конструктивно ковшовые турбины могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины, диаметр рабочего колеса которых достигает 7,5 м, используются в диапазоне напоров 300-2000 м и имеют мощность до 200 МВт. КПД таких турбин составляет 88-91 %.

Дата добавления: 2014-01-06