Реактивна гідротурбіна
Технічна характеристика пристроїв, призначених для перетворення механічної енергії води в енергію валу, що обертається. Принцип дії активної та реактивної гідротурбін. Параметри статичного регулювання швидкостей обертання механізму.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Гідротурбіна, гідравлічна турбіна, водяна турбіна, ротаційний двигун, що перетворює механічну енергію води (енергію положення, тиску та швидкісну) в енергію валу, що обертається. За принципом дії гідротурбіни поділяються на активні та реактивні. Основним робочим органом гідротурбіни, у якому відбувається перетворення енергії, є робоче колесо. Вода підводиться до робочого колеса в активних гідротурбінах через сопла, реактивних - через направляючий апарат. В активній гідротурбіні (рис. 1) вода перед робочим колесом і за ним має тиск, що дорівнює атмосферному.
Мал. 1. - Схема активної гідротурбіни:
а – робоче колесо;
Мал. 2. - Схема реактивної гідротурбіни:
а – робоче колесо;
б - спрямовуючий апарат.
У реактивній гідротурбіні (рис. 2) тиск води перед робочим колесом більше атмосферного, а за ним може бути як більше, так і менше атмосферного тиску.
Мал. 3. - Агрегат гідротурбіни:
Перша реактивна гідротурбіна була винайдена в 1827 французьким інженером Б. Фурнероном. У 1855 американський інженер Дж. Френсіс винайшов радіально-осьове робоче колесо - гідротурбіну з неповоротними лопатями, а в 1887 німецький інженер Фінк запропонував напрямнийапарат із поворотними лопатками.
У 1889 р. американський інженер А. Пелтон запатентував активну - ковшову гідротурбіну, в 1920 р. австрійський інженер В. Каплан отримав патент на поворотно-лопатеву гідротурбіну.
Реактивні гідротурбіни за напрямом потоку в робочому колесі поділяються на осьові та радіально-осьові.
За способом регулювання потужності реактивні гідротурбіни бувають одинарного та подвійного регулювання. До гідротурбін одинарного регулювання відносяться гідротурбіни, що містять направляючий апарат з поворотними лопатками, через який вода підводиться до робочого колеса (регулювання в цих гідротурбінах проводиться зміною кута повороту лопаток напрямного апарату), і лопатево-регульовані гідротурбіни, у яких лопаті робочого колеса (регулювання цих гідротурбін проводиться зміною кута повороту лопатей робочого колеса).
Гідротурбіни подвійного регулювання містять напрямний апарат з поворотними лопатками та робоче колесо з поворотними лопатями. Поворотно-лопатеві гідротурбіни, що застосовуються на напори до 150 м, можуть бути осьовими та діагональними гідротурбінами.
За розташуванням валу робочого колеса гідротурбіни діляться на вертикальні, горизонтальні та похилі. Гідротурбіну з гідрогенератором називають гідроагрегатом. Горизонтальні гідроагрегати з поворотно-лопатевими або пропелерними гідротурбінами можуть виконуватися у вигляді капсульного гідроагрегату. Основними тенденціями у розвитку гідротурбіни є: збільшення одиничної потужності, просування кожного типу гідротурбіни в область підвищених напорів, удосконалення та створення нових типів гідротурбін.
Гідротурбіни застосовуються на гідроелектростанціях, де вони надають руху генераториелектричний струм.
Гідроелектрична станція, гідроелектростанція (ГЕС), комплекс споруд та обладнання, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється на електричну енергію.
Регулятор частоти обертання гідротурбіни призначений для регулювання швидкості обертання гідроагрегату і для запобігання неприпустимому підвищенню тиску у водоводах і неприпустимим закиданням швидкості обертання турбіни при скиданнях повного навантаження.
Економічна та безаварійна робота гідроагрегату залежить від правильної налагодження системи регулювання.
Принцип дії системи регулювання швидкості обертання гідротурбіни.
Принцип дії системи регулювання швидкості гідротурбіни пояснюється спрощеною схемою, показаною на рис. 4.
Мал. 4. - Схема регулювання швидкості турбіни:
Чутливий елемент регулятора швидкості - відцентровий маятник 2 пов'язаний із валом турбіни 1.
Мал. 5. - Схема комплексного регулятора швидкості:
При зміні швидкості обертання валу турбіни вантажі маятника змінюють своє становище. Їх переміщення викликає переміщення золотника 3, керуючого серводвигуном 4, Серводвигун переміщає орган 5, змінює кількість води, що надходить з водоймища 6 трубопроводом 7 в турбіну в одиницю часу. Розглянемо дещо детальніше принципову кінематичну схему комплексного регулятора, який призначений для регулювання швидкості потужних поворотно-лопатевих турбін на електростанціях. Чутливим елементом регулятора (рис. 5) є відцентровий маятник, що приводиться в обертання синхронним електродвигуном 1.
Останній отримує харчування від спеціального синхронного генератора (педаль генератора), насадженого на вал турбіни.
Синхронний електродвигун замінює механічнупередачу від валу турбіни до маятника. Швидкість обертання синхронного електродвигуна пропорційна частоті змінного струму генератора, тобто швидкості обертання валу турбіни. Разом з диском маятника 2 обертаються два циліндричні вантажі 3, охоплених гнучкою сталевою стрічкою 4. До лапів вантажів 5 прикріплені дві пружини 6, які прагнуть зблизити вантажі один з одним. Зближення вантажів перешкоджає відцентрова сила. При змінах відцентрової сили вантажі перекочуються по диску та стрічці. Тиск стрічки передається на п'яту та штифт 7 маятника. При зростанні швидкості вантажі розходяться і стрічка переміщує штифт 7 вниз. При зменшенні швидкості вантажі зближуються та пружина 9 піднімає штифт вгору. Тертя ковзання за такої конструкції регулятора незначне і чутливість маятника дуже висока.
Зусилля, що передаються штифтом 7, дуже малі для перестановки громіздкого направляючого пристрою турбіни, тому між чутливим елементом регулятора і направляючим пристроєм необхідно увімкнути кілька підсилювачів. Таким чином, схема, що розглядається, є прикладом схеми непрямого регулювання.
Першим підсилювачем служить так званий спонукальний золотник 13, що керує допоміжним серводвигуном 18.
При переміщенні тіла спонукального золотника 14, наприклад, вгору (при зменшенні швидкості) масло, що надходить з маслонапірної установки (не показаної на малюнку), прямує у верхню трубку серводвигуна 18 і змушує поршень 17 переміщатися вниз, витісняючи по нижній трубці масло з нижньої порожнини зливний бак.
Переміщаючись вниз, поршень через тягу зворотного зв'язку 15 тягне золотник 14. Одночасно, при русі вниз поршня 17 допоміжного серводвигуна відбувається переміщення головного золотника 16 другого підсилювача.При цьому по нижній трубці олія надходить у виконавчий пристрій - серводвигун 37 регулюючого органу - напрямного пристрою турбіни, який змінює (в даному випадку збільшує) доступ води в турбіну, в результаті чого швидкість обертання валу турбіни починає зростати. Якщо відбулося зростання швидкості, то рухи всіх розглянутих елементів відбуваються у протилежних напрямках, внаслідок чого подача води в турбіну зменшується та її швидкість починає падати.
Одночасно з переміщенням направляючого пристрою поршень серводвигуна 37 через важіль 35 повертає жорсткий вал зворотного зв'язку 29 (так званий вал вимикача). Стрілка вказує напрямок повороту валу при відкритті напрямного пристрою. Поворот валу приводить у дію низку механізмів.
Насамперед за допомогою тяг 24, 28 і золотникового важеля 8 переміщається тіло золотника 14 у бік, зворотну переміщенню маятника, і здійснюється таким чином жорсткий негативний зворотний зв'язок. Завдяки цьому зв'язку рівновага настане не за заданої, а за дещо меншої швидкості.
Таким чином, наведена схема є прикладом системи статичного регулювання. Переставляючи повзунок 25 можна змінювати співвідношення довжин плеч важеля зворотного зв'язку і тим самим регулювати величину статизму. Однак, якби система складалася тільки із зазначених пристроїв, процес регулювання був або нестійким, або незадовільним за якістю.
Для забезпечення стійкості в регуляторі є додатковий коригуючий елемент - гнучкий або ізодромний зворотний зв'язок. При повороті валу 29 за допомогою важелів 28 і 24 проводиться переміщення склянки ізодрому 11. Рух склянки через масло, що заповнює, передається на поршень 12 ізодрому,який, своєю чергою, впливає на золотниковий важіль 8. У процесі руху масло в ізодромі під тиском пружин 10 переганяється по вузькій трубці (байпасу) 23 з половини склянки в іншу. Опір перетіканню олії може регулюватися вручну гвинтом 22.
Ізодромний зворотний зв'язок називається гнучким, тому що дія її зростає зі зростанням швидкості руху серводвигуна. При нерухомому серводвигуні пружина 10 призводить поступово поршень 12 вихідний стан і дія гнучкого зворотного зв'язку припиняється.
Якщо виключити дію механізму зміни статизму, прибравши, наприклад, важіль 28, то система регулювання стане астатичною, так як режим, що встановився, буде можливий лише при строго визначеному положенні золотникового важеля 8, при якому пружина 10 буде перебувати в ненапруженому стані. Але практично завжди налаштовують регулятор те щоб він мав певний статизм. Пояснюється це тим, що на електричних станціях електроенергія виробляється кількома агрегатами, які працюють на загальну електричну мережу. Навантаження кожного з паралельно працюючих агрегатів буде обернено пропорційною статизму його регулювальної характеристики.
Гідротурбіна, як і будь-яка складна система, функціонує в умовах дії різних зовнішніх та параметричних збурень з боку зовнішнього середовища.
За наявності найгірших збурень виникає необхідність побудови таких законів управління гідротурбіною, які за мінімальної інформації про структуру зовнішніх впливів забезпечували б стійкість гідротурбіни в цілому та стабілізацію частоти обертання ротора гідротурбіни. вал реактивний гідротурбіну
Технічний результат полягає у підвищенні надійності та безпеки функціонуваннягідроагрегатів ГЕС, оснащених пропонованим регулятором.