Основные параметры гидротурбины

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 26Следующая ⇒

Историческая справка

Свыше 3000 лет до н.э. в Китае и Египте уже использовались простые гидравлические машины – водные колеса, водоподъемные машины, для мельниц, для ирригационных каналов. Такие колеса, диаметр которых равнялся около 7 метров, использовали только кинетическую энергию потока со скоростью не менее 1 м/с.

Такие гидравлические машины имели большие недостатки: очень большие размеры, небольшую частоту вращения около (3-10 об/мин.) и использовали малые давления.

Значительным шагом в использовании энергии водного потока было создание гидравлической турбины, которая использовала все виды энергии: кинетическую, потенциальную и потенциальную энергию положения.

Особый вклад в развитие гидротурбин внес член Российской Академии Наук Леонард Ейлер, который в 1745 году создал теорию лопастных гидравлических машин, он выдвинул идею использования направляющего аппарата.

В практике впервые гидравлические турбины появились в 1834 году в Франции (Б. Фурнейрон) и на Урале в 1837 году (Г. Сафонов).

В них использовались рабочие колеса центробежного типа (вода двигается от центра к периферии). Это был недостаток разработанных машин. КПД подобных турбин составлял 50-60 %.

В 1849 году англичанин Дж. Френсис конструктивно усовершенствовал реактивную турбину Фурнейрона. Вокруг рабочего колеса он разместил направляющий аппарат, превратив турбину в радиально-осевую.

  Такие турбины продолжают называться – турбины Френсиса или радиально-осевыми (рис. 1).  

1 – колоны статора, а и б - верхний и нижний пояса статора, 2 – направляющие лопатки, 3 – нижнее кольцо направляющего аппарата, 4 – крышка турбины, 5 – стаканы опор верхней цапфы направляющих лопаток, 6 – крепление крышки к верхнему поясу статора, 7 – фланец вала, 8 – вал, 9 и 10 – верхний и нижний обод рабочего колеса, 11 – лопасти рабочего колеса, 12 – рычаги, 13 – серьги, 14 – регулирующее кольцо, 15 – тяга сервомотора, 16 – подшипник, 17 – опора подпятника, 18 – обтекатель, 19а и 19б – уплотнения обода рабочего колеса,
20 – разгрузочные отверстия, 21 – уплотнение камеры подшипника

Рис. 1. Радиально-осевая гидротурбина (turbine Francis)

В 1880 году американец А. Пельтон создал активную ковшовую турбину, рабочее колесо которой использует только кинетическую энергию потока. Но регулирование расхода с помощью иглы было запатентовано Доблем лишь в 1900 г. Эти турбины используют при высоких напорах свыше 400 м (рис. 2).

1 – регулирующая игла, 2 – кожух, 3 – отражатель, 4 – стальной щит,

5 – тормозное сопло

Рис. 2. Ковшовая гидротурбина (turbine Pelton)

Процесс усовершенствования турбин длится и в ХХ веке. Самое большое значение имело изобретение Виктора Каплана (Чехословакия), что в 1913 г. предложил систему поворотно-лопастной турбины с двойным регулированием, которое позволяет улучшить энергетические показатели, и в 1917 г. получил на нее патент. Значительные преимущества поворотно-лопастных турбин Каплана перед турбинами Френсиса, особенно при малых напорах, содействовали быстрому их усовершенствованию и широкому распространению (рис. 3). 

Для строительства низконапорных установок большое значение имело создание в 50-х годах капсульных агрегатов с осевыми турбинами. Сначала в этой области много было сделано во Франции в связи с планами строительства больших приливных электростанций (ПЭС).

В 1950 г. проф. В. С. Квятковский (Россия) предложил использовать новый вид поворотно-лопастных турбин – диагональных, а в 1952 г. в Великобритании аналогичное предложение было сделано Дериазом. Диагональная поворотно-лопастная турбина (рис. 4) соединила наилучшие качества поворотно-лопастной турбины (уровень КПД) и радиально-осевой (высокие кавитационные качества).

   Значительный вклад в развитие теории гидромашин внесли ученые С.О. Чаплигин, Н.Є. Жуковкий, І.І. Куколевский и выдающийся украинский ученый Г.Ф. Проскура, которые создали основу современных методов расчетов проточной части гидромашин.

1 – колоны статора, 2 – направляющие лопатки, 3 – нижнее кольцо, 4 – крышка турбины, 5 – лопасти рабочего колеса, 6 – втулка, 7 – фланец вала, 8 – вал,
9 – обтекатель рабочего колеса, 10 – камера рабочего колеса, 11 – выдвижной сегмент, 12 – рычаг направляющей лопатки, 13 – серьга, 14 – регулирующее кольцо, 15 – сервомоторы, 16 – подшипник, 17 - опорная конструкция подпятника генератора

Рис. 3. Поворотно-лопастная гидротурбина (turbine Kaplan)

1 – рабочее колесо, 2 – цапфа, 3 – втулка, 4 – рычаг, 5 – тяга, 6 – поршень,

7 – камера

Рис. 4. Диагональная поворотно-лопастная гидротурбина (turbine Deriaz)

2.2 Классификация гидротурбин.

    В зависимости от особенностей преобразования энергии потока в механическую энергию на валу гидравлической турбины их разделяют на два класса: реактивные и активные гидротурбины.

Реактивные и активные гидротурбины разделяют на разные системы в зависимости от потока в рабочем колесе и образе регулирования расхода.

Каждая система турбины имеет несколько типов рабочих колес разных размеров в зависимости от заданной мощности. Геометрически подробные турбины разных размеров образовывают серию.Таким образом, общая классификация гидротурбин может быть представлена следующей схемой:

Класс – система – тип – серия (размер и мощность)

 Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы:

осевые гидротурбины – вертикальные поворотно-лопастные и пропеллерные, а также горизонтальные (капсюльные и прямоточные); поток в рабочем колесе этих турбин движется вдоль оси турбины;

диагональные поворотно-лопастные гидротурбины – поток в рабочем колесе движется вдоль конических поверхностей тока;

радиально-осевые гидротурбины – в пределах рабочего колеса поток меняет свое направление из радиального в осевое.

Все перечисленные системы реактивных гидротурбин широко применяются в практике гидротурбостроения (рис. 5).

а – осевая вертикальная, б – капсульная, в – диагональная, г – радиально-осевая

Рис. 5. Схемы проточных частей реактивных гидротурбин:

Класс активных турбин разделяют на такие системы:

ковшовые гидротурбины - ось потоков касательна к средней окружности ковшей и находятся в плоскости рабочего колеса;

наклонно-струйные гидротурбины –поток подходит к рабочему колесу под некоторым углом;

турбины двойного действия - поток проходит через каналы рабочего колеса два раза.

кольцеструйные гидротурбины – поток подходит к рабочему колесу не парциально, а по всему периметру в виде кольцевого потока.

Из перечисленных типов активных гидротурбин более всего применяются ковшовые гидротурбины.

Таблица. Классификация современных гидротурбин

Класс

Реактивные

Активные

Системы

Осевые

Радиально-осевые

Ковшовые

Наклонно-струйные

Двукратные

Поворотно-лопастные

Пропеллерные

Диагональные

Граница

применения

Н=2  80м

Н=2  70 м

Н= 40

220 м

Н= 30

600 м

Н=300

1800 м

Н= 30

400 м

Н=10  60м

Гидротурбина в общем случае состоит из следующих основных элементов: спиральная камера, статор, направляющий аппарат, рабочее колесо, камера рабочего колеса, отсасывающая труба, вал, подшипники.

В реактивных турбинах подводящая камера имеет спиральную форму и обеспечивает полный и равномерный по всей окружности подвод воды к направляющему аппарату. В активных турбинах вода подводится к рабочему колесу, как правило не по всей окружности, а отдельными потоками. Поэтому подводящая камера активной, в частности, ковшовой турбины, представляет собой трубопровод (в случае нескольких потоков – соответственно разветвленный – коллектор).

Направляющий аппарат турбины предназначен обеспечить необходимое на входе в рабочее колесо направление потока, создание необходимой циркуляции перед рабочим колесом, прекращение доступа воды к рабочему колесу и остановки турбины а также для регулирования расхода турбины. В реактивных турбинах направляющий аппарат состоит из системы, которая поворачивается вокруг своей оси с помощью специального привода лопаток. В зависимости от конструкции турбины оси могут быть параллельные оси турбины (радиальный направляющий аппарат), перпендикулярные ей (осевой направляющий аппарат) и наклоненный к нее (диагональный направляющий аппарат). Направляющий аппарат ковшовой турбины называется сопло. Сопло представляет собой сужающийся насадок в середине которого в осевом направлении перемещает ся грушевидная игла. При перемещении иглы меняется проходное сечение сопла и таким образом регулируется расход (рис 6).

г)

а) радиальный б) конический (диагональный), в) осевой, г) сопло

Рис. 6. Направляющие аппараты

В зоне рабочего колеса поворотно-лопастной турбины основное направление движения потока параллельно оси турбины. Именно поэтому эти турбины называются осевыми. Лопасти рабочего колеса имеют возможность в процессе работы поворачиваться вокруг своей оси, которая перпендикулярна оси турбины. Таким образом, обеспечивается удовлетворительное обтекание лопастей, из этого следует, высокий КПД при любом режиме работы турбины.

В зоне рабочего колеса радиально-осевые турбины основное направление потока понемногу переходит от радиального к осевому. Лопасти неповоротные и охвачены ободом.

Лопасти рабочего колеса ковшовой турбины по форме напоминают ковши откуда и походит название турбины.

Отсасывающая труба с диффузором, обеспечивает снижение скоростей на выходе из турбины и соответствующее восстановление давления. В большинстве случаев отсасывающую трубу приходится делать выгнутой из конструкторских соображений. В ковшовых турбинах, как уже отмечалось, на выходе из рабочего колеса давление равняется атмосферному и потому нет необходимости в отсасывающей трубе.

Гидроагрегаты ГЭС работают с разными мощностями согласно графику нагрузки энергосистемы. Для обеспечения нужных мощностей сквозь турбины нужно пропускать определенные расходы воды. При увеличении расхода через гидротурбины верхний бьеф снижается, а нижний увеличивается. Кроме этого уровень воды в верхнем и нижнем бьефах зависит от поры года, годового, месячного и суточного регулирования стока.

Таким образом, турбины работают при разных напорах и расходах. Для проектирования и определения характеристик в условиях их работы на ГЭС должны быть заданы расчетная (номинальная) мощность и диапазон колебания напора на турбине. При движении потока из верхнего (В.Б) в нижний бьеф (Н.Б) часть его энергии теряется в водоподводных устройствах на преодоление гидравлических сопротивлений. В связи с этим при проектировании ГЭС и турбин вводят следующие виды напоров: брутто (напоры на станции) и напоров нетто (напоры на турбинах).

Напор брутто Н  на станции представляет – разность отметок верхнего и нижнего бьефа, когда расход через турбину равняется нулю; при работающих турбинах он определяется как разность полных удельных энергий потока в верхнем и нижнем бьефах.

Полезный напор на турбине Н  (напор нетто) меньше чем напор брутто на ГЭС при тех самых отметка верхнего и нижнего бьефов на величину потерь энергии в подводных устройствах и представляет – разность удельных энергий потока на входе и выходе из турбины, то есть это рабочий напор на турбине. При проектировании турбины необходимо знать расчетный Н , средневзвешенный Н , максимальный Н  и минимальный Н  напоры на турбине. При расчетном напоре и синхронной частоте оборотов турбина должна развивать расчетную мощность. Для заданного диапазона напоров Н -Н  выбирают определенный тип гидротурбинного оборудования (pиc. 7-10).

Объемный расход Q, м /с, представляет собой количество воды, которая проходит сквозь турбину за одну секунду (включая объемные протечки и собственные нужды). При проектировании гидротурбины необходимо знать следующие величины расходов: расчетный расход Q  , максимальный Q  и расход холостого хода Q . Расчетный расход Q  - это расход сквозь турбину при расчетных значениях напора, мощности и синхронной частоте оборотов турбины. Максимальный расход сквозь турбину Q  может иметь место при минимальном напоре для обеспечения заданной мощности турбины. Расход холостого хода Q  - это величина расхода при расчетном напоре Н  и синхронной частоте оборотов, когда полезная нагрузка на турбине равняется нулю.

Подводимая к турбины мощность представляет собой гидравлическую мощность потока на входе в турбину:

QH  , кВт

Эффективная мощность турбины – это механическая мощность на валу турбины, которая является суммой мощности, замеренной на зажимах генератора; механических и электрических потерь в генераторе; потерь в подпятнике; мощности потребляемой вспомогательными механизмами.

Эффективная мощность турбины:

, кВт

Расчетная мощность турбины N  - это мощность, которую она развивает при выбранном диаметре рабочего колеса и расчетных величинах напора и частоты оборотов. Гидротурбину проектируют и изготовляют на расчетную мощность.

В процессе преобразования гидравлической энергии потока в механическую часть энергии в гидротурбине безвозвратно теряется. В результате механическая мощность турбины N  меньше подводимой мощности. Отношение мощности на валу гидротурбины к подводимой мощности потока называется полным КПД гидротурбины:

%

Полный КПД гидротурбины учитывает гидравлические, объемные, механические и дисковые потери. Перечисленные потери энергии зависят от нагрузки, поэтому КПД турбины определяется ее режимом работы. Режим, при котором КПД турбины достигает максимального значения, называетсяоптимальным. Соответственно режим (N , Н ), на который рассчитывают турбину и определяют ее основные параметры (диаметр рабочего колеса D , м, синхронную частоту оборотов n, об/мин, и высоту отсасывания H , м), называют расчетным. В зависимости от типа турбины, ее размеров, качества изготовления и других факторов КПД мощных гидротурбин на оптимальном режиме достигает 93-95%, снижаясь на не расчетных режимах.

Современные мощные и средние гидротурбины непосредственно объединены с генераторами. Потому что в генераторе при преобразовании механической энергии в электрическую возникают электрические, механические и другие потери, поэтому КПД гидроагрегата . Коэффициент полезного действия генератора = 96  98% для средних и мощных генераторов и мало меняется при изменению нагрузки.

Мощность гидроагрегата, учитывая потери в турбине и генераторе

, кВт

Для характеристики энергетических показателей гидроагрегата при разных напорах и мощностях вводят средневзвешенный КПД . Он равняется отношению действительной произведенной энергии гидроагрегатом при его работе по графику нагрузки к выработке, которую он мог бы обеспечить при тех самых затратах воды и при = 1:

=

Так как гидротурбина объединена с синхронным генератором переменного тока, то ее частота оборотов должна быть четко определенной, то есть синхронной. Синхронную частоту оборотов турбины и генератора определяют, пользуясь зависимостью:

f =

В Украине частота переменного тока принята f = 50Гц, тогда синхронная частота оборотов гидроагрегата:    

n =  , об/мин

где: р – число пар полюсов генератора.

При проектировании гидроагрегата используют значение расчетной частоты оборотов n  и разгонной частоты оборотов n  . Расчетная частота оборотов n  равняется синхронной частоте оборотов на которую гидротурбина проектируется. Частота оборотов холостого походка n  - это частота оборотов возбужденного генератора, отключенного от системы. Разгонной частотой оборотов n  называется максимальное число оборотов, которое достигается при полном сбрасывании нагрузки и при полностью открытом направляющем аппарате (для поворотно-лопастных гидротурбин – промежуточное положение лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса).

Сечение А - А – вход в водоприемник; сечение В - В – нижний бьеф за отсасывающей трубой

Рис. 7. Определение напора на ГЭС.

Рис. 8. Определение напора низконапорной реактивной гидротурбины

Рис. 9 Определение напора среднее- и высоконапорних реактивных гидротурбин

Рис. 10. Определение напора ковшовой гидротурбины.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности