Гідравлічні турбіни - студопедія
Гідравлічної турбіною називається пристрій, що перетворює енергію води, що рухається в механічну енергію обертання його робочого колеса.
З основного закону механіки рідини - закону Бернуллі - слід, що питома енергія Н1 на вході в робоче колесо гідротурбіни становить
а на виході з робочого колеса
де p - тиск, Па; q - щільність рідини, кг / м 3; g - прискорення вільного падіння, м / с 2; z - відмітка рівня центру потоку щодо прийнятої площині порівняння (висота), м; v - швидкість, м / с.
Значення H. в м або Дж / Н.
Віддана водою робочого колеса енергія буде дорівнює різниці енергій в потоці до робочого колеса і після нього:
Таким чином, вся енергія потоку варто з енергії положення z1 -z2. енергії тиску (утворюють разом потенційну енергію) і кінетичної енергії
Гідротурбіни, що використовують хоча б частково потенційну енергію, називаються реактивними.
У таких гідротурбінах процес перетворення енергії на робочому колесі відбувається з надлишком тиску. Крім того, в робочому колесі турбіни частково використовується і кінетична енергія потоку.
Якщо гідротурбіни використовують тільки кінетичну енергію потоку, то вони називаютсяактівнимі. У таких турбінах Z1 = Z2, P1 = Р2, т. Е. Вода надходить на робоче колесо без надлишкового тиску, а майже весь натиск перетворюється в швидкість.
Потужність гідротурбіни згідно з раніше наведеним рівнянням може бути виражена так:
З цієї формули випливає, одну і ту ж потужність від декількох сотень кіловат до декількох сотень мегават можна отримати при малому QT і великому hт і навпаки.
У практиці прийнято гідротурбіни поділяти на класи, системи, типи і серії.
Клас реактивних гідротурбін об'єднує такі системи: осьові (пропелерні і поворотно-лопатеві), діагональні і радіально-осьові гідротурбіни.
У класі активних гідротурбін найбільшого поширення набули, так звані, ковшові гідротурбіни.
Кожна система містить кілька типів, що мають геометрично подібні проточні частини і однакову швидкохідні (частота обертання турбіни, що працює під напором 1 м і розвиває потужність в 1 л. С), але розрізняються за розмірами. Геометрично подібні гідротурбіни різних розмірів утворюють серію.
Крім того, всі гідротурбіни умовно ділять на низько-, середньо-і високонапорние.
Гідротурбіни умовно поділяють на малі, середні та великі.
До малих належать гідротурбіни, у яких потужність складає не більше 1000 кВт.
До середніх належать гідротурбіни потужністю від 1000 кВт до 15 000 кВт.
До великих належать гідротурбіни, які мають потужність більшу, ніж середні.
Активні гідротурбіни. Найбільш поширеними активними гідротурбінами є ковшові (за кордоном їх називають турбінами Пельтона). Принципова схема ковшового турбіни приведена на малюнку. 7.4. Вода з верхнього б'єфу 1 підводиться трубопроводом 2 до робочого колеса 4, виконаному у вигляді диска, закріпленого на горизонтальному валу турбіни і обертового в повітрі. По колу диска розташовані ковшеподібні лопаті (ковші) 7. Ковші рівномірно розподіляються по обіду робочого колеса і послідовно, один »а іншим, при його обертанні« беруть »струмінь води.
Підведення води до робочого колеса здійснюється через сопло 3, всередині якого розташована регулююча голка. Сопло являє собою сходиться насадок, з отвору якого при роботі турбіни викидається струмінь води, вся енергія якої, за вирахуванням втрат, звертається в кінетичну енергію обертання колеса турбіни. Робоче колесо і сопло розміщуються всередині замкнутого кожуха 5.
Голка може переміщатися в насадці в поздовжньому напрямку, змінювати його вихідну перетин і тим самим регулювати витрата води через турбіну.
В одному з крайніх положень голка повністю закриває сопло, що веде до зупинки турбіни. Вода, віддавши свою енергію робочого колеса, стікає з нього в відвідний канал (нижній б'єф).
Рисунок 7.4 - Схема активної турбіни (Алматинская ГЕС-1, АПК)
При раптовому відключенні гідроагрегату від електричної мережі і при швидкій зупинці турбіни в трубопроводі, що підводить може виникнути дуже небезпечний для трубопроводу гідравлічний удар. З метою запобігання гідравлічного удару, голка закривається повільно. А для запобігання розгону турбіни до небезпечних обертів і швидкої зупинки застосовується відведення струменя від робочого колеса в нижній б'єф з допомогою отклонітеля 6. При екстреному виведення турбіни з роботи введення отклонітеля струменя і переміщення голки виробляється одночасно.
Конструктивні форми ковшових турбін досить різноманітні, вони можуть відрізнятися за розташуванням вала (вертикальні і горизонтальні), по числу сопел і робочих коліс на одному валу.
Ковшові турбіни використовуються в діапазоні напору 300 - 1770 м з діаметром робочого колеса до 7,5 м. Відома турбіна потужністю 300 МВт.
Клас реактивні гідротурбіни. До реактивним гідротурбін відносяться: радіально-осьові, пропелерні, поворотно-лопатеві і діагональні. Загальний вигляд робочих коліс представлений на малюнок 7.5.
Для реактивних гідротурбін характерні наступні основні ознаки. Робоче колесо розташовується повністю в воді, тому потік передає енергію одночасно всім лопатей робочого колеса.
Перед робочим колесом тільки частина енергії води знаходиться в кінетичної формі, інша представлена потенційної енергією, відповідної різниці тисків до і після колеса.
Надмірний тиск p / (Qg) у міру протікання води за проточним тракту робочого колеса витрачається на збільшення відносної швидкості, тобто на створення реактивного тиску потоку на лопаті. Зміна напрямку потоку за рахунок кривизни лопатей призводить до виникнення активного тиску потоку.
а) радіально-осьова; б) пропелерна; в) поворотно-лопатева;
г) двухперовая; д) діагональна.
Малюнок 7.5 - Загальний вигляд робочих коліс реактивних турбін
Пропелерні гідротурбіни (Пр). Робоче колесо 1 (см.рисунок 7.6) складається з корпусу (втулки) з обтічником 2 і лопатей 3, встановлених під кутом розвороту # 966 ;. На лопаті робочого колеса потік надходить тільки в осьовому напрямку, внаслідок чого такі гідротурбіни називають також осьовими (за кордоном турбіни Каплана).
Малюнок 7.6 - Робоче колесо пропелерної турбіни 123
Для підведення води до направляючої апарату 5 гідротурбіни служить турбінна камера 4.
Число лопатей робочого колеса залежить від напору і може коливатися від 3 до 8 (зростає зі збільшенням напору).
Поворотно-лопатеві гідротурбіни (ПЛ). За конструктивним виконанням поворотно-лопатеві турбіни не відрізняються від пропелерних, але у них в процесі роботи лопаті робочого колеса можуть повертатися навколо своїх осей, перпендикулярних осі вала (см.рисунок 7.6 і 7.7).
1) корпус робочого колеса, 2) обтічник, 3) лопаті, 4) камера робочого колеса, 5) лопатки направляючого апарату
Малюнок 7.7 - Робоче колесо поворотно-лопатевої турбіни
Потужність, що віддається робочим колесом такий гідротурбіни і його ККД при заданому напорі залежать як від відкриття лопаток направляючого апарату 5, так і від кута повороту ф лопатей по відношенню до втулки. Змінюючи кут установки лопатей при різних відкриттях направляючого апарату, а отже, при різної потужності, можна знайти таке положення лопатей, при якому ККД гідротурбіни матиме найбільше значення. Лопаті робочого колеса при роботі гідротурбіни можуть повертатися на деякий (оптимальний) кут (звідси назва поворотно-лопатеві) одночасно зі зміною відкриття направляючого апарату. Таке подвійне регулювання дає великі переваги, так як забезпечується автоматична підтримка високого значення ККД в широкому діапазоні потужностей.