Гидравлические машины n n Гидравлическими машинами называются

Гидравлические машины

n n Гидравлическими машинами называются устройства, которые служат для преобразования механической энергии двигателя в энергию перемещаемой жидкости (насосы) или для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию (гидравлические турбины). К гидравлическим машинам также относятся некоторые специальные устройства, служащие для подъема и перемещения жидкостей: гидравлические тараны, работа которых основана на принципе использования давления, получающегося при гидравлическом ударе; водоструйные насосы, в которых подъем и перемещение жидкости происходит за счет использования кинетической энергии струи; эрлифты — устройства, в которых в результате нагнетания воздуха в скважины создается разность объемных масс в столбе эмульгированной поднимаемой жидкости и в массе жидкости, окружающей этот столб.

n Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса. 1 Е 1 2 Е 2 ГМ 1 E=Hg 2 энергия единицы массы Н на входе в рабочее колесо составляет на выходе из рабочего колеса Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего колеса

В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различаются типы турбин. Вся энергия потока состоит из энергии положения z 1 -z 2, энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энергию, называются реактивными. В таких турбинах процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе частично используется и кинетическая энергия потока Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия потока, то они называются активными. В таких турбинах z 1=z 2, p 1=p 2, т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется в скорость. Мощность турбины может быть выражена Nт=9, 81 Qт. Hтηт

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые. Рабочее колесо ковшовой турбины В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. При этом вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего использования энергии и предотвращения быстрого разрушения лопаток. На рабочем колесе может быть установлено до 40 лопаток.

n Рабочее колесо с лопатками может быть установлено как на горизонтальном, так и на вертикальном валу. При горизонтальном расположении вала, к каждому рабочему колесу может подводиться до двух форсунок; поскольку пропускная способность каждой форсунки ограничена, при больших расходах воды применяют установку на одном валу двух рабочих колес либо используют вертикальную турбину. К последней может подводиться до шести форсунок. Скорость потока воды из форсунок зависит от напора и может достигать значительных величин, порядка 500— 600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об. мин. n Патент на ковшовую турбину был выдан американскому инженеру А. Пелтону в 1889 году Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300— 500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200— 250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при бо льших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Ковшовые турбины очень часто применяются на малых ГЭС, сооружаемых на небольших реках с большими падениями в горных районах.

Активная (струйно-ковшовая) турбина. а - продольный разрез; б - поперечный разрез; 1 - рабочее колесо; 2 - вал рабочего колеса; 3 - насадок (сопло); 4 - напорный (турбинный) трубопровод, подводящий воду к турбине; 5 - игольчатый затвор; 6 - кожух. На горизонтальном валу насажено колесо с лопатками, размещенными по всей длине окружности; оно называется рабочим колесом. Лопатки имеют форму ковшей. Вода из верхнего бьефа к рабочему колесу подводится при помощи трубопровода, заканчивающегося насадком - соплом. Напор Н перед насадком превращается целиком в живую силу струи и вода вытекает из сопла в атмосферу с большой скоростью. Встречая на своем пути лопатки рабочего колеса, струя из сопла попадает на какую-либо из них и поворачивает колесо, совершая при этом работу. После отклонения струёй одной лопатки под удар воды подходит другая, т. е. процесс вращения колеса происходит непрерывно. В активных турбинах функции аппарата, направляющего поток воды на рабочее колесо и регулирующего ее количество, т. е. изменяющего мощность, выполняет насадок с игольчатым затвором с помощью которого можно прекратить подачу воды в рабочее колесо турбины и остановить ее.

У потока есть два параметра, которые необходимо знать для расчета. • Напор H в метрах, т. е. разница высот между забором воды и турбиной; • Расход Q, измеряемый в килограммах в секунду или литрах в секунду; Мощность потока в ваттах N = g. QH где g = 9, 81 м/с2 ускорение свободного падения Мощность, которую сможет выдать самодельная установка, будет значительно ниже рассчитанной величины. Скорость истечения воды из сопла В реальности скорость истечения будет меньше на коэффициент μ.

Отсюда нетрудно посчитать диаметр сопла в мм В реальных условиях расход воды очень сильно меняется по сезонам, из-за дождей, и. т. д. Поэтому диаметр выбирают из наибольшего расхода, а сопло делают регулируемым. Вставляют, допустим, в сопло конусную иглу. Диаметр напорного коллектора дожен быть больше диаметра сопла по двум соображениям. Если диаметр коллектора равен диаметру сопла, то вода по всей длине коллектора должна двигаться с одинаковой скоростью. Со скоростью истечения из сопла. Из этого следует, что в самом начале коллектора вода должна скачком увеличивать свою скорость до рабочей скорости, что неизбежно приведет к потерям. По этой причине диаметр напорного коллектора лучше сделать больше диаметра сопла или входную, верхнюю часть коллектора сделать плавно расширяющейся формы. Вторая причина в потерях на трение о стенки напорного коллектора, которые возрастают с увеличением скорости движения и длины коллектора. Если задаться потерей энергии в коллекторе, равными 10%, то внутренний диаметр труб коллектора для склона в 45 градусов должен быть примерно таким в зависимости от расхода: 0, 1 л/с - 15 мм 0, 5 л/с - 28 мм 1 л/с - 36 мм 5 л/с - 66 мм 10 л/с - 85 мм 50 л/с - 160 мм 100 л/с - 210 мм 500 л/с - 380 мм 1000 л/с - 500 мм

Для склонов с другими углами наколона длина коллектора будет больше или меньше, и потери, соответственно, тоже больше или меньше. Более точно потери напора из-за трения можно посчитать по формулам проф. А. В. Теплова: Для труб диаметром менее 0, 1 м Для труб диаметром более 0, 1 м ΔH - величина, на которую надо уменьшить значение H в формулах. Q - расход кг/с. L - длина напорного коллектора м. D - диаметр напорного коллетктора м. Коллектор должен плавно сужаться к соплу. Если просто вварить сопло меньшего диаметра в большую трубу, то потери могут быть до 30

n n Вода ударяется в движущуюся лопатку, отскакивает назад и передает лопатке импульс. Если лопатка будет двигаться со скоростью, равной половине скорости струи, то отскочившая струя будет неподвижна относительно корпуса аппарата, т. е. энергию уносить с собой не будет. Отсюда вытекает условие, чтобы линейная скорость лопаток была бы равна половине скорости струи. В физике рассматривается три типа столкновения двух тел: упругое, неупругое и смешанное. Особенность неупругого (и смешанного) типа в том, что часть энергии при неупругом столкновении расходуется на деформацию тел, теплоту и часть энегии уходит с отходящей водой. КПД неупругого столкновения не превышает 50%.

Выгоднее, но сложнее технически, использовать упругое столкновение. Но вода - не мячик и отскакивать от поверхности не будет. Поэтому используется следующий любопытный прием. В реальной турбине Пелтона струя поступает на край лопатки, имеющую вид вогнутой чашки. Струя прокатывается по криволинейной поверхности чашки и изменяет свое направление на противоположное. Этот прием хорош еще и тем, что отходящий поток не мешает набегающему. Ну и наконец, для того, чтобы не возникал боковой момент, нагружающий подшипники, чашки делают спаренными, а струю подают на стык чашек. Промышленные турбины Пелтона делают часто с двумя соплами, разнесенными на 90 градусов по окружности турбины. Частота вращения турбины будет зависеть от скорости струи и диаметра рабочего колеса турбины. где: n -об/мин, Dt - средний диаметр рабочего колеса в метрах, H - напор в метрах.

На рисунках изображены две конструкции турбины с аксиальным и радиальным расположением лопаток. Сопла прямоугольные. Одна стенка у сопел подвижная для регулировки площади сопла. Площадь сопла в квадратных миллиметрах равна Сопло желательно располагать как можно ниже, чтобы не уменьшать перепад высот. Для этого ось турбины можно расположить вертикально. На торцы лопаток лучше поставить заглушки или кольцо, охватывающее все лопатки. Шаг лопаток Lb должен быть в 5 - 10 раз больше толщины струи a. При слишком частом расположении лопаток КПД турбины упадет, поскольку отходящая струя будет узкая и будет иметь большую скорость. Если шаг лопаток Lb будет в 3, 2 раза больше толщины струи a, то потери мощности с отходящей струей составят 10%. При шаге лопаток в 4, 5 толщины струи потери с отходящей струей составят 5%. Потери в процентах можно посчитать по формуле:

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые-пропеллерные и поворотно-лопастные, диагональные, поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины. Реактивными называют турбины, в которых рабочее колесо находится целиком в потоке воды под напором и приводится во вращение реактивным давлением струй, протекающих между его изогнутыми лопатками, причем это давление передается на все лопатки одновременно. Рабочее колесо насажено, как правило. на вертикальный вал, через который приводится в действие электрический генератор. Наиболее распространенными реактивными турбинами явится радиальноосевые турбины (РО) и поворотно-лопастные (ПЛ). Реже применяются пропеллерные турбины (ПР) У турбин РО лопасти рабочего колеса неподвижно закреплены на ободе, а у турбин ПР - на втулке. У турбин ПР лопасти могут вращаться в цапфах и в зависимости от напора и расхода занимать положение, обеспечивающее наибольший коэффициент полезного действия турбины. Разновидностью поворотно-лопастной турбины являются: двухперовая турбина, у которой к одной цапфе прикреплены две лопасти, и диагональная поворотно-лопастная турбина

Рабочие колеса реактивных турбин. а - радиально-осевой; б - пропеллерной; в - поворотно-лопастной; г - двухперовой поворотно-лопастной; д - диагональной поворотно-лопастной.

Гидротурбинная установка с реактивной турбиной имеет следующие основные элементы: рабочее колесо, направляющий аппарат, турбинную камеру и отсасывающую трубу. Гидротурбинная установка с реактивной турбиной. 1 - камера водоприемника; 2 - статор турбины; 3 - направляющий аппарат; 4 генератор; 5 -рабочее колесо турбины; 6 - турбинная (спиральная) камера; 7 отсасывающая труба.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) — реактивная турбина. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Преимущественной сферой применения радиально-осевых турбин является гидроэнергетика, где они широко распространены. Применяют при напорах до 1000 м. Мощность до 640 МВт. Ротором турбины является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Рабочее колесо, как правило, состоит из ступицы, комплекта лопастей и обода. Ступица колеса соединяется с валом турбины. Все детали колеса соединены между собой неподвижно, — это обеспечивает ему хорошие прочностные свойства. Колесо является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Статором является несущий элемент проточной части турбины, содержащий профилированные колонны, которые придают необходимое направление потоку воды. Также в статор входит направляющий аппарат. Направляющий аппарат турбины является рабочим органом, изменяющим закрутку потока и регулирующим расход турбины за счет поворота лопаток.

Поворотно-лопастная турбина, турбина Каплана — реактивная турбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Последняя разновидность называется диагональной турбиной. Запатентована в 1920 году австрийским инженером Виктором Капланом (англ. ), благодаря чему во многих странах мира эта турбина носит имя изобретателя. Однако имя Каплана носит также турбина без возможности поворота лопастей. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, а значит, уменьшения её износа.

Каждая система турбин содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию. Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25<=Н<=80 м и высоконапорными при Н>80 м. Турбины подразделяются на малые, средние и крупные. К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D 1<=1, 2 м при низких напорах и D 1<=0, 5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 к. Вт. К средним — те турбины, у которых 1, 2<=D 1<=2, 5 м при низких напорах и 0, 5<=D 1<=1, 6 м при высоких, а мощность 1000

n n n n Современное гидротурбостроение развивается с учетом следующих основных тенденций: повышения экономичности и надежности в эксплуатации; дальнейшего увеличения быстроходности гидротурбин с целью обеспечения требуемой расчетной мощности при меньших габаритах и весах гидроагрегатов, что обеспечивает снижение стоимости энергетического оборудования и здания ГЭС; улучшения энергетических характеристик гидротурбин и повышения среднезксплуатационного КПД агрегатов при работе на нерасчетных нагрузках и напоре; улучшения кавитационных характеристик с целью уменьшения разрушений проточной части и снижения отметки установки турбины по отношению к нижнему бьефу, что приводит к существенному уменьшению стоимости строительных работ по зданию ГЭС; уменьшения пульсаций давления в проточной части (особенна за рабочим колесом радиально-осевой гидротурбины) и сопутствующих им вибраций агрегата; дальнейшего роста единичных мощностей гидроагрегатов; применение на ГЭС мощных гидроагрегатов позволяет уменьшить их число, повысить КПД и снизить стоимость энергетического оборудования и здания.

n Разработку высокоэффективного энергетического оборудования ведут в двух направлениях: – Дальнейшее совершенствование проточной части, технико-экономических характеристик и увеличение быстроходности обычных типов гидротурбин — вертикальных осевых поворотнолопастных, радиально -осевых и ковшовых турбин. – Разработка новых схем проточной части и конструкций гидротурбин с улучшенными энергетическими и кавитационными характеристиками.

Применение гидротурбин в соответствия с напорами Диапазон напоров Н, м Единичная максималь ная мощность N, Мет Диаметр турбины максимальный di, М Осевые капсульные, трубчатые и другие гидроагрегаты 2— 20 До 50 8 Вертикальные поворотнолопастные турбины 6 -80 250 10, 5 Пропеллерные 6— 80 150 9 Двухперовые 30— 100 . 250 8 Диагональные 30— 200 300 8 Радиально осевые 30— 700 800 10 Осевые 2 -15 30 8 Диагональные 20— 100 300 7, 5 Радиально-осевые одноступенчатые 30— 600 450 9, 5 Ковшовые 300— 2000 350 7, 5 Наклонно- струйные 50— 400 50 4 Двукратные 10— 100 «Сфиндекс» 200 -1500 Типы гидротурбин Реактивные гидротурбины Обратимые Активные гидротурбины

Направляющий аппарат служит для изменения расхода воды, поступающей на рабочее колесо, с целью регулирования мощности турбины и поддержания постоянным числа ее оборотов, что обусловлено необходимостью обеспечения стабильной скорости вращения генератора, от которого зависит частота вырабатываемого электрического тока (принятая в РФ повсеместно частота переменного тока составляет 50 периодов в секунду). Поэтому число оборотов турбины в минуту не может быть произвольным, а выбирается по конструкции генератора. На наших заводах выпускают гидроагрегаты со следующим числом оборотов в минуту: 300, 250, 214, 187, 5, . . . , 88, 3, 75, 60, 50 и другими, согласно справочникам. Максимальные допустимые в практике отклонения от нормального числа оборотов турбины в ту или другую сторону не должны превышать 5 - 6 %. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы расход воды через турбину в каждый момент соответствовал мощности, отдаваемой генератором. При нарушении этого соответствия и уменьшении нагрузки генератора турбина, обладая излишней мощностью, пойдет в разгон; при увеличении нагрузки на генератор турбина из-за недостатка мощности не в состоянии будет обеспечить генератору нормальное число оборотов, из-за чего последний не даст нормального напряжения и требуемой мощности. Конструктивно направляющий аппарат состоит из системы лопаток, окружающих рабочее колесо турбины. Каждая лопатка укреплена на вертикальной оси и может на ней поворачиваться, но таким образом, что одновременно все лопатки поворачиваются один и тот же угол. Вода на турбину может поступать только из щели между лопатками, а если направляющий аппарат вести в такое положение, при котором соседние лопатки сомкнутся друг с другом, то доступ воды на рабочее колесо будет прекращен и турбина остановится. Время полного открытия или закрытия турбины колеблется от 3 до 8 с в зависимости от мощности масляного сервомотора автоматического регулятора.

Турбинная камера является местом непосредственной установки турбины в здании ГЭС. Именно через эту камеру вода поступает к направляющему аппарату и далее на рабочее колесо турбины. Различают открытые и закрытые турбинные камеры. Открытые турбинные камеры обычно применяют при напорах не выше 6 -8 м и при небольших диаметрах рабочих колес. Потолок открытой камеры, как правило, находится выше свободной поверхности воды в камере. В плане такие камеры имеют прямоугольную, квадратную и криволинейную формы. Схема реактивной водяной турбины с открытой турбинной камерой. 1 - рабочее колесо; 2 - вал рабочего колеса; 3 - крышка турбины; 4 - направляющий аппарат; 5 - коническая отсасывающая труба; 6 - открытая турбинная камера.

Турбины средней и большой мощности устанавливают в спиральных закрытых камерах, обеспечивающих равномерную подачу воды по всей окружности направляющего аппарата С этой целью сечение спиральной камеры постепенно уменьшают например так

Спиральная турбинная камера из армированного бетона. А - план, б - продольный разрез, в - поперечные сечения (1, 2, 3, . . . , 8). При напорах до 25 м спиральные камеры изготавливают из железобетона, а на высокое напорных ГЭС их делают металлическими в виде улитки Металлическая спиральная турбинная камера

Отсасывающая труба служит для отвода воды от реактивной турбины. Необходимость такой трубы вызывается следующими обстоятельствами. Реактивная водяная турбина обычно располагается выше уровня воды в нижнем бьефе на некоторой минимальной высоте hs над ним Чтобы при этом избежать потери в напоре ГЭС, равные этой высоте hs, и хотя бы частично использовать кинетическую энергию потока, сходящего с лопастей рабочего колеса турбины, к выходному отверстию турбинной камеры присоединяется специальная труба, уходящая своим другим концом под уровень воды нижнего бьефа. Таким образом вода, выходя из рабочего колеса реактивной турбины, попадает не в атмосферу, а проходит в нижний бьеф через отсасывающую трубу, заполняя ее полностью. Использование в турбине напора hs обусловливается тем, что в отсасывающей трубе благодаря ее герметичности и погружению под уровень нижнего бьефа всегда имеется разрежение (вакуум). По форме отсасывающие трубы бывают прямоосными и изогнутыми. Выбор формы трубы для конкретной ГЭС зависит от напора, а также от типа, быстроходности и размеров турбины.

Параметры ГЭС и гидротурбины Основные параметры: напоры, расходы, мощности и к. п. д. Напоры: [м] Нст = ВУ - НУ - статический напор Н рабочий – располагаемый напор турбины Нт – теоретический напор = Нр-Σhw Расходы: Qвх≈Qвых [м 3/c] Σhw-потери Для радиально-осевых турбин: Qвх=Qвых+q-протечки Протечки должны быть минимальными

К. П. Д. гидротурбины А) гидравлический к. п. д. – соотношение полезного напора к располагаемому ηг=Нт/Н = 1 - Σ(hw/Н) Б) объемный к. п. д. ηоб=Q(через колесо)/Q(через тербину) = 1 - Σ(q/Q) ηоб – должен быть на уровне 99% В) механический к. п. д. ηмех=Nэф/Nг(мощность, которую преобразовало рабочее колесо) ηт= ηг* ηоб * ηмех г_) к. п. д. гидроагрегата ηа= ηт* ηгенератора

Мощности [к. Вт] N=9. 81*QγH - располагаемая мощность потока Nг=9. 81*QвыхγH - гидравлическая мощность турбины Nэф=Nг* ηмех - эффективная мощность - м-ть на валу турбины