Устройство и принцип работы гидротурбин

Реферат по машиностроению

Устройство и принцип работы гидротурбин

Калуга

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных гидротурбинах через сопла, в реактивных -- через направляющий аппарат. В активной гидротурбине (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

Рис.1

В реактивной гидротурбине (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Рис. 2

Первая реактивная гидротурбина была изобретена в 1827 году, французским инженером Б. Фурнероном. Эта гидротурбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные. гидротурбины уже не применяются. В 1855 году американский инженер Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо гидротурбины с неповоротными лопастями, а в 1887 году немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками. В 1889 году американский инженер А. Пелтон запатентовал активную -- ковшовую гидротурбину, в 1920 году австрийский инженер В. Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые гидротурбины широко применяются для выработки электрической энергии.

Для расчёта профиля лопасти рабочего колеса гидротурбины, вращающегося с постоянной угловой скоростью, используется уравнение (рис. 3):

где Н -- рабочий напор гидротурбины, т. е. запас энергии 1 кг воды (разность отметок горизонтов воды перед входом в сооружения гидравлической силовой установки и по выходе из них за вычетом потерь на сопротивление во всех сооружениях, но без вычета потерь в самой гидротурбина);

U₁ и U₂ -- окружные скорости лопастей на входе воды в рабочее колесо и на выходе из него, м/сек;

V₁ и V₂ -- абсолютные скорости воды на входе и выходе, м/сек;

cos a₁ и cos a₂ -- углы между направлениями окружных и абсолютных скоростей в точках, соответствующих осереднённой по энергии поверхности тока, град;

g -- ускорение свободного падения.

Рис. 3

В левую часть уравнения вводится множитель, являющийся гидравлическим кпд гидротурбины. Часть мощности, полученная колесом, расходуется на преодоление механических сопротивлений, эти потери учитываются механический кпд гидротурбин. Утечка воды в обход рабочего колеса учитывается объёмным кпд гидротурбины.

Полный кпд гидротурбины -- это отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через гидротурбину воды. В современной гидротурбине полный кпд равен 0,85%-0,92%; при благоприятных условиях работы лучших образцов гидротурбин он достигает 0,94%-0,95%.

Геометрические размеры гидротурбина характеризуются номинальным диаметром Д, рабочего колеса. гидротурбина разных размеров образуют турбинную серию, если обладают однотипными рабочими колёсами и геометрическими подобными элементами проточной части. Определив необходимые параметры одной из гидротурбин данной серии, можно подсчитать, пользуясь формулами подобия, те же параметры для любой гидравлической турбины этой серии. Каждую турбинную серию характеризует коэффициент быстроходности, численно равный частоте вращения вала гидротурбины, развивающей при напоре 1 м мощность 0,7355 квт (1 л. с.). Чем больше этот коэффициент, тем больше частота вращения вала при заданных напоре и мощности. Гидротурбина и электрический генератор обходятся дешевле при увеличении частоты их вращения, поэтому стремятся строить гидротурбину с возможно большим коэффициентом быстроходности. Однако в реактивных гидротурбинах этому препятствует явление кавитации, вызывающее вибрацию агрегата, снижение кпд и разрушение материала гидротурбин.

Графики, выражающие зависимости величин, характеризующих гидротурбину, называются турбинными характеристиками. На рис. 4 представлены характеристики гидротурбины при постоянном напоре и частоте вращения колеса, но при различных нагрузках и расходе воды. В реальных условиях гидротурбины работают при меняющемся напоре; их поведение в этом случае изображается универсальными характеристиками для модели и эксплуатационными характеристиками -- для натурной гидротурбины. Универсальные характеристики строятся на основании лабораторных исследований модели, проточная часть которой геометрически подобна натурной.

Рис.5

На универсальных характеристиках (рис. 5), исходя из условий моделирования, в координатах приведённых величин расхода и частоты вращения (характерных для гидротурбин данной серии диаметром рабочего колеса 1 м, работающих при напоре 1 м) наносятся изолинии равных кпд, коэффициент кавитации и открытия направляющего аппарата.

Рис. 5

Эксплуатационные характеристики (рис. 6) строятся на основании универсальных и показывают зависимость кпд натурной турбины от нагрузки N Мвм и напора Нм при номинальной частоте вращения турбины n=const. Здесь же обычно наносят линию ограничения мощности, выражающую зависимость гарантированной мощности от напора. На этих же характеристиках изображают линии равных допустимых высот отсасывания H_S м, показывающих заглубление рабочего колеса Гидротурбина под уровень воды в нижнем бьефе (разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа).

Рис. 6

Проточная часть реактивных гидротурбин состоит из следующих основных элементов (рис. 7): спиральной камеры гидротурбины 1; направляющего аппарата 2, регулирующего расход воды; рабочего колеса 3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от гидротурбины. Реактивные гидротурбины по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые. По способу регулирования мощности реактивные гидротурбины бывают одинарного и двойного регулирования. К гидротурбинам одинарного регулирования относятся гидротурбины, содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих гидротурбинах производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастнорегулируемые.

Рис. 7

Гидротурбины, у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих гидротурбинах производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса). Гидротурбины двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями. Поворотнолопастные гидротурбины, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными гидротурбинами. Разновидностью осевых являются двухперовые, в которых на каждом фланце размещаются по две лопасти вместо одной. Радиально-осевые гидротурбины одиночного регулирования применяют на напоры до 500--600 м. Активные гидротурбины строят преимущественно в виде ковшовых гидротурбин и применяют на напоры выше 500--600 м; их делят на парциальные и непарциальные. В парциальных гидротурбинах вода к рабочему колесу подводится в виде струй через одно или несколько сопел и поэтому одновременно работает одна или несколько лопастей рабочего колеса. В непарциальных гидротурбинах вода подводится одной кольцевой струей и поэтому одновременно работают все лопасти рабочего колеса. В активных гидротурбинах отсасывающие трубы и спиральные камеры отсутствуют, роль регулятора расхода выполняют сопловые устройства с иглами, перемещающимися внутри сопел и изменяющими площадь выходного сечения. Крупные гидротурбины снабжаются автоматическими регуляторами скорости.

По расположению вала рабочего колеса гидротурбины делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Сочетания гидротурбины с гидрогенератором называют гидроагрегатом. Горизонтальные гидроагрегаты с поворотно-лопастными или пропеллерными гидротурбинами могут выполняться в виде капсульного гидроагрегата.

Широкое распространение получили обратимые гидроагрегаты для гидроаккумулирующих и приливных электростанций, состоящие из насосо-турбины (гидромашины, способной работать как в насосном, так и в турбинном режимах) и двигателя-генератора (электромашины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах). В обратимых гидроагрегатах применяются только реактивные гидротурбины. Для приливных электростанций используются капсульные гидроагрегаты.

В 1962 году в СССР разработана номенклатура поворотнолопастных и радиально-осевых гидротурбин, в которой дается система типов и размеров гидротурбин и их основные гидравлические и конструктивные характеристики. Эта номенклатура основана на закономерном изменении зависимостей геометрических и гидравлических параметров рабочих колёс от напора.

Основными тенденциями в развитии гидротурбин являются: увеличение единичной мощности, продвижение каждого типа гидротурбин в область повышенных напоров, совершенствование и создание новых типов гидротурбин, улучшение качества, повышение надёжности и долговечности оборудования. В СССР созданы и успешно работают гидротурбины радиально-осевого типа мощностью 508 Мвт на расчётный напор 93 м с диаметром рабочего колеса 7,5 м для Красноярской ГЭС, разрабатываются гидротурбины такого же типа для Саянской ГЭС (единичная мощность 650 Мвт, расчётный напор 194 м, диаметр рабочего колеса 6,5 м).

Список используемой литературы

1. Гидравлические турбины и насосы. Учеб. пособие для энерг. и политехнич. вузов. М., «Высш. школа», 1969 - 400 стр. с. илл.

2. Шварцбурд Б. И. Технология производства гидравлических машин. М., «Машиностроение», 1978 - 352 стр. с илл.

3. Гидравлические турбины. Барлит В. В. Киев, Издательское объединение «Высшая школа», 1977 - 360 стр. с илл.