Гідравлічні турбіни
Гідравлічною турбіною називається пристрій, що перетворює енергію води, що рухається в механічну енергію обертання його робочого колеса.
З основного закону механіки рідини - закону Бернуллі - випливає, що питома енергіяН1на вході в робоче колесо гідротурбіни складає
(7.7)
а на виході з робочого колеса
(7.8)
деp- тиск, Па; q - щільність рідини, кг/м 3; g - прискорення вільного падіння, м/с 2; z - позначка рівня центру потоку щодо прийнятої площини порівняння (висота) м; v - швидкість, м / с.
ЗначенняH, м або Дж/Н.
Віддана водою робочому колесу енергія дорівнюватиме різниці енергій у потоці до робочого колеса і після нього:
. (7.9)
Таким чином, вся енергія потоку стоїть з енергії положення z1-z2 , енергії тиску (утворюють разом потенційну енергію) та кінетичної енергії
Гідротурбіни, які використовують хоча б частково потенційну енергію,називаютьсяреактивними.
У таких гідротурбінах процес перетворення енергії на робочому колесі відбувається з надлишком тиску. Крім того, у робочому колесі турбіни частково використовується і кінетична енергія потоку.
Якщо гідротурбіни використовують тільки кінетичну енергію потоку, то вони називаютьсяактивними. У таких турбінах Z1 = Z2, P1 = Р2, тобто вода надходить на робоче колесо без надмірного тиску, а майже весь натиск перетворюється на 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 гідротурбіниподіляти на класи, системи, типи та серії.
Клас реактивних гідротурбін поєднує такі системи:осьові (пропелерні та поворотно-лопатеві),діагональні та 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 та однакову швидкохідність (частота обертання турбіни, що працює під напором 1 м і розвиває потужність в 1 л. с), але різняться за розмірами. Геометрично подібні гідротурбіни різних розмірів утворюють серію.
Крім того, всі гідротурбіни умовно ділятьна низько-, середньо-і високонапірні.
Гідротурбіни умовно поділяютьна малі, середні та великі.
До малих відносяться гідротурбіни, у яких потужність не перевищує 1000 кВт.
До середніх відносяться гідротурбіни потужністю від 1000 кВт до 15000 кВт.
До великих відносяться гідротурбіни, які мають потужність більшу, ніж середні.
Активні гідротурбіни. Найбільш поширеними активними гідротурбінами єковшові (за кордоном їх називаютьтурбінами Пельтона ). Принципова схема ковшової турбіни наведена на малюнку. 7.4. Вода з верхнього б'єфу 1 підводиться трубопроводом 2 до робочого колеса 4, виконаного у вигляді диска, закріпленого на горизонтальному валу турбіни і обертається в повітрі. По колу диска розташовані ковшеподібні лопаті (ковші) 7. Ковші рівномірно розподіляються по обіді робочого колеса і послідовно, один »а іншим, при його обертанні «приймають» струмінь води.
Підведення води до робочого колеса здійснюється через сопло 3, всередині якого розташована регулюючаголка. Сопло є насадок, що збігається, з отвору якого при роботі турбіни викидається струмінь води, вся енергія якої, за вирахуванням втрат, звертається в кінетичну енергію обертання колеса турбіни. Робоче колесо та сопло розміщуються всередині замкнутого кожуха 5.
Голка може переміщатися в насадці в поздовжньому напрямку, змінювати його вихідний переріз і цим регулювати витрату води через турбіну.
В одному із крайніх положень голка повністю закриває сопло, що веде до зупинки турбіни. Вода, віддавши свою енергію робочому колесу, стікає з нього в канал (нижній б'єф).
Малюнок 7.4 – Схема активної турбіни (Алматинська ГЕС-1, АПК)
При раптовому відключенні гідроагрегату від електричної мережі та при швидкій зупинці турбіни в трубопроводі, що підводить, може виникнути дуже небезпечний для трубопроводу гідравлічний удар. З метою запобігання гідравлічному удару голка закривається повільно. А для запобігання розгону турбіни до небезпечних оборотів і швидкої зупинки застосовується відведення струменя від робочого колеса в нижній б'єф за допомогою відхилювача 6. При екстреному виведенні турбіни з роботи введення відхилення струменя та переміщення голки проводиться одночасно.
Конструктивні форми ковшових турбін дуже різноманітні, вони можуть відрізнятися за розташуванням валу (вертикальні та горизонтальні), за кількістю 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 реактивних гідротурбін відносяться: радіально-осьові, пропелерні, поворотно-лопатеві та діагональні. Загальний вигляд робочих коліс представлений малюнок 7.5.
Для реактивних гідротурбінхарактерні такі основні ознаки. Робоче колесо знаходиться повністю у воді, тому потік передає енергію одночасно всім лопатям робочого колеса.
Перед робочим колесом лише частина енергії води знаходиться у кінетичній формі, решта представлена потенційною енергією, що відповідає різниці тисків до та після колеса.
Надлишковий тиск p/(Qg) принаймні протікання води проточним трактом робочого колеса витрачається збільшення відносної швидкості, тобто. 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) двоперова; д) діагональна.
Рисунок 7.5 - Загальний вигляд робочих коліс реактивних турбін
Пропелерні гідротурбіни (Пр). Робоче колесо 1 (див. рисунок 7.6) складається з корпусу (втулки) з обтічником 2 і лопатей 3, встановлених під кутом розвороту φ. На лопаті робочого колеса потік надходить лише в осьовому напрямку, внаслідок чого такі гідротурбіни називають також осьовими (за кордоном турбіни Каплана).
Рисунок 7.6 - Робоче колесо пропелерної турбіни 123
Для підведення води до направляючого апарату гідротурбіни 5 служить турбінна камера 4.
Кількість лопат 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 валу (див. рис. 7.6 і 7.7).
Потужність, що віддається робочим колесом такийгідротурбіни та його ККД при заданому натиску залежать як від відкриття лопаток напрямного апарату 5, так і від кута поворотуфлопатей по відношенню до втулки. Змінюючи кут установки лопатей при різних відкриттях направляючого апарату, а отже, при різній 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, оскільки забезпечується автоматична підтримка високого значення ККД у широкому діапазоні потужностей.
1) корпус робочого колеса, 2) обтічник, 3) лопаті, 4) камера робочого колеса, 5) лопатки направляючого апарату
Малюнок 7.7 - Робоче колесо поворотно-лопатевої турбіни