Технологический расчет гидротурбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу «ГИДРОМАШИНЫ»



1. ВЫБОР ГИДРОТУРБИНЫ

Выбираем систему и тип турбины, номинальный диаметр рабочего колеса D₁ и частоту вращения n таким образом, чтобы при наименьших размерах турбины и генератора и при возможно больших значениях КПД обеспечить получение заданной номинальной мощности. При этом требуемая высота отсасывания Н_s для данной турбины должна соответствовать заданной величине (с точностью 0,5 м).

1.1 Определим рабочие напоры гидротурбины

– расчётный напор:

Н_р =ВУ_р - НУ_р, (1.1)

где - отметки горизонтов верхнего и нижнего бьефов;

Н_р =89,9-50=39,9 (м);

– максимальный напор:

Н_max =ВУ_max - НУ_min (1.2)

Н_max =101 -49 =52 (м);

– минимальный напор:

Н_min =ВУ_min - НУ_max (1.3)

Н_min = 88 - 52 = 36(м).

В формулах (1.1), (1.2), (1.3) не учитываются потери энергии в водоподводящих сооружениях ГЭС.

1.2 Выбор системы и типа гидротурбины

производится по величине максимального напора (см. таблицу 1 в приложении), так чтобы значение Н_max было бы близко к предельному напору Н_пред выбранного типа, но не превышало его, т.е. Н_max Н_пред.

Как видно из таблицы№1 приложения, где приведены основные параметры перечисленных типов турбин, на одни и те же заданные условия можно выбрать 3 различных типа турбин.

Для полученных напоров выбираем следующие реактивные гидротурбины:

- осевая поворотно-лопастная ПЛ60-В;

- осевая поворотно-лопастная ПЛД60-В60⁰;

- радиально-осевая РО75-В;

Составим таблицу параметров моделей данных гидротурбин.

Таблица 1-1.

Марка	ПЛ60-В	ПЛД60-В600	РО75 - В
Нпред, м	60	60	75
Нmin/Нmax	0.50	0.50	0.60
nI'opt, об/м	116	111	83
QI'opt, л/с	1080	1130	1020
м opt	0.913	0.906	0.920
QI max, л/с	1500	1600	1200
(QI'max)	0.55	0.65	0.13
D1мод, м	0.460	0.460	0.460
Нмод, м	12	12	4
tмод, 0С	20	20	20

1.3 Рассчитаем номинальный диаметр рабочего колеса D₁

для выбранных типов турбин (предварительно) по формуле:

, (1.4)

где N [кВт] и H_p [м] - определены заданием;

значения Q_I^', м³/с и КПД модельной турбины _м принимаются в «расчетной точке» её универсальной характеристики. Предварительно «расчетная точка» выбирается в области значений максимального приведенного расхода Q_I^'_max на линии, соответствующей оптимальной приведенной частоте вращения n_I^'_opt. Универсальные характеристики моделей выбранных машин представлены в приложении.

Полученная по (1.4) величина D^*₁ округляется до ближайшего стандартного значения (см. таблицу 2 в приложении).

· Для ПЛ60-В - Q_I^'= 1,45 (м³/с), _м= 0,853;

(м).

Выбираем следующие стандартные диаметры: D₁=4,5 (м); D₁=4,750 (м).

· Для ПЛД60-В60⁰ - Q_I^'= 1,56 (м³/с), _м= 0,892;

(м);

Выбираем следующие стандартные диаметры: D₁=4,5 (м); D₁=4,75 (м).

· Для РО75-В - Q_I^'=1,17 (м³/с), _м= 0,885:

(м).

Выбираем следующие стандартные диаметры: D₁=4,5 (м); D₁=4,75 (м).

1.4 Максимальное значение КПД натурной машины

определяем по формуле:



, (1.5)

где Re - число Рейнольдса, причем:

, (1.6)

где - коэффициент кинематической вязкости воды, зависящей от её температуры (см. таблицу 3 в приложении);

параметры _{м орt}, D_1м, Н_м для каждой турбины принимаются из таблицы 1(см. приложение).

Средняя температура воды для натурной турбины назначается в зависимости от предполагаемого места расположения ГЭС. По согласованию с консультантом принимаем t = 10 ^оС. Средняя температура воды для модельной турбины принимается из таблицы 1(см. Приложение).

· Для ПЛ60-В-450:

;

.

· Для ПЛ60-В-475:

;

.

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

;

;

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

;

.

· Для РО75-В-450:

;

.

· Для РО75-В-475:

;

.

1.5.Определяем поправку КПД за счет масштабного эффекта и отношение КПД натурной и модельной турбин в оптимальном режиме

Д_м = _{н оpt} - _{м оpt} (1.7)

m = _{н оpt} /_{м оpt} (1.8)

· Для ПЛ60-В-450:

Д_м = 0,944 - 0,913 = 0,031;

m = 0,942/0,913 = 1,034.

· Для ПЛ60-В-475:

Д_м = 0,944 - 0,913 = 0,031;

m = 0,944/0,913 = 1,034.

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

Д_м = 0,94 - 0,906 = 0,034;

m = 0,94/0,906 = 1,038.

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

Д_м = 0,939 - 0,906 = 0,033;

m = 0,939/0,906 = 1,036.

· Для РО75-В-450:

Д_м = 0,955 - 0,920 = 0,035;

m = 0,955/0,920 = 1,038.

· Для РО75-В-475:

Д_м = 0,955 - 0,920 = 0,035;

m = 0,955/0,920 = 1,038.

2.6 Определяем частоту вращения турбины

(1.9)

где n_I^'_p , об/мин - расчетное значение приведенной частоты вращения. Предварительно принимаем n_I^'_p = n_I^'_оpt .

Полученное по (1.9) значение частоты округляется до ближайшего синхронного значения частоты вращения n_синхр.

· Для ПЛ60-В-450:

(об/мин);

принимаем n_синхр= 166,6 (об/мин) - гидрогенератор с 18 парами полюсов.

· Для ПЛ60-В-4,75:

(об/мин);

принимаем n_синхр= 157,9 (об/мин) - гидрогенератор с 19 парами полюсов.

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

(об/мин);

принимаем n_синхр= 157,9 (об/мин) - гидрогенератор с 18 парами полюсов.

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

(об/мин);

принимаем n_синхр= 150(об/мин) - гидрогенератор с 20 парами полюсов.

· Для РО-75-В-450:

(об/мин);

принимаем n_синхр= 120,0(об/мин) - гидрогенератор с 25 парами полюсов.

· Для РО-75-В-475:

(об/мин);

принимаем n_синхр=111,1 (об/мин) - гидрогенератор с 27 парами полюсов.

Принятые значения синхронных частот вращения являются единственно возможными для выбранных турбин и исходных начальных данных. При использовании других, близких синхронных частот вращения рабочая зона турбины на универсальной характеристике удаляется от области оптимума КПД.

1.7 Уточняем значение расчётной приведенной частоты вращения

. (1.10)

· Для ПЛ60-В-450:

(об/мин).

· Для ПЛ60-В-475:

(об/мин).

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

(об/мин).

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

(об/мин).

· Для РО75-В-450:

(об/мин).

· Для РО75-В-475:

(об/мин).



1.8. Определяем рабочую зону турбины на УХ по формулам

(1.11)

(1.12)

· Для ПЛ60-В-450:

(об/мин),

(об/мин).

· Для ПЛ60-В-475:

(об/мин),

(об/мин).

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

(об/мин),

(об/мин).

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

(об/мин),

(об/мин).

· Для РО75-В-450:

(об/мин),

(об/мин).

· Для РО75-В-475:

(об/мин),

(об/мин).

1.9 Определяем «расчетную точку» турбины на универсальной характеристике

Для этого вычисляем произведение

(1.13)

· Для ПЛ60-В-450:

.

· Для ПЛ60-В-475:

.

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

.

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

.

· Для РО75-В-450:

· Для РО75-В-475:

Далее определяем в какой точке УХ, расположенной на линии n_I^'_p= Const, произведение Q_I^' и КПД модели отвечает условию (1.13). Поиск ведём методом последовательных приближений.

Для найденной «расчетной точки» выписываем значения Q_I^' , _м и коэффициента кавитации .

· Для ПЛ60-В-450:

Q_I^' = 1,41 (м³/с);

_м= 0,863;

=0,412.

· Для ПЛ60-В-475:

Q_I^' = 1,24 (м³/с);

_м= 0,881;

= 0,325.

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

Q_I^' = 1,34(м³/с);

_м= 0,902;

=0,46.

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

Q_I^' = 1,205 (м³/с);

_м= 0,9035;

= 0,39.

· Для РО75-В-475:

Q_I^' = 1,260 (м³/с);

_м= 0,86;

= 0,21.

Можно отбросить турбину РО75-В-450, т.к. расчётная точка для неё не попадает на универсальную характеристику модели. Т.е. дальнейшие расчёты для РО75-В-450 проводиться не будут.



1.10 Определяем допустимую высоту отсасывания:

Н^доп_s = 10 - /900 - ?Н_p - ДН_s + ДZ_х.пл, (1.14)

где - отметка расположения рабочего колеса турбины, которая принимается предварительно равной НУ_р;

ДН_s = 1,5 м - дополнительное заглубление рабочего колеса, учитывающие неточности определения при модельных испытаниях, масштабный эффект и антикавитационный запас; ДZ_х.пл - разность отметок характерных плоскостей модельной и натурной турбин, которая определяется следующим образом:

- для осевых вертикальных турбин (ПЛ)

Д Z _х.пл = 0;

- для вертикальных диагональных и радиально-осевых турбин (ПЛД и РО)

Д Z _х.пл = B_ом · D_{1 н} / ( D_{1 м} · 2 ). (1.15)

Для РО:

Для ПЛД:

· Для ПЛ60-В-450:

Н^доп_s = 10 - 50/900 - 0,412 ? 39,9 - 1,5 + 0 = -7,99 (м).

· Для ПЛ60-В-475:

Н^доп_s = 10 - 50/900 - 0,325 ? 39,9 - 1,5 + 0 = -4,52 (м).

· Для ПЛД60-В60⁰-450:

Д Z _х.пл = 0,353 · 4,50 / 2 = 0,792 (м);

Н^доп_s = 10 - 50/900 - 0,46 ? 39,9 - 1,5 + 0,792 = -9,118 (м).

· Для ПЛД60-В60⁰-475:

Д Z _х.пл = 0,353 · 4,75 / 2 = 0,84 (м);

Н^доп_s = 10 - 59/900 - 0,39 ? 39,9 - 1,5 + 0,84 = -6,28 (м).

· Для РО75-В-475:

Д Z _х.пл = 0,35 · 4,75 / 2 = 0,84 (м);

Н^доп_s = 10 - 50/900 - 0,21 ? 39,9 - 1,5 +0,84 = 0,905 (м).

1.11 Сопоставление вариантов турбин и выбор оптимального

Сведём данные расчетов по всем рассматриваемым вариантам турбин в таблицу 1-2.

2.При определении _{н р.т.} в «расчетной точке» (графа 7) следует учитывать поправку на масштабный эффект:

_н = _м + Д (1.16)

где Д - поправка, определенная ранее по (1.5).

· Для ПЛ60-В-450: _{н р.т} = 0,863 + 0,031 = 0,894.

· Для ПЛ60-В-475: _{н р.т} = 0,881 + 0,031 = 0,912.

· Для ПЛД60-В60⁰-450: _{н р.т} = 0,902 + 0,034 = 0,936.

· Для ПЛД60-В60⁰-475: _{н р.т} = 0,904 + 0,033 = 0,937.

· Для РО75-В-450: _{н р.т} = + =.

· Для РО75-В-475: _{н р.т} = 0,86 + 0,035 = 0,895.

ПОКАЗАТЕЛИ НАТУРНЫХ ГИДРОТУРБИН

Таблица 1-2

№ вар.	Марка турбины	D1, м	nсинх, об/мин	Ндопs , м	н оpt	н р.т.	nI'p, об/мин	nI'оpt, об/мин
1	ПЛ60-В-450	4,50	166,6	-7,99	0,913	0,894	116,7	116
2	ПЛ60-В-475	4,75	157,9	-4,52	0,913	0,912	116,7	116
3	ПЛД60-В600-450	4,50	150,0	-9,118	0,906	0,936	110,41	111
4	ПЛД60-В600-475	4,75	120,0	-6,28	0,906	0,937	110,82	111
5	РО75-В-475	4,75	111,1	0,905	0,920	0,895	82,0	83

Сравнивая полученные варианты турбин для дальнейших расчётов выбираем турбину ПЛД60-В60⁰-475, так как высота отсасывания Н^доп_s = -6,28 (м.), для этой турбины соответствует заданной величине Н_s = - 6,5(м.) с точностью 0,5 (м.),т. е. выполняется условие: Н^доп_s ? Н_s. . Рабочая зона турбины ПЛД60-В60⁰-475 на УХ лежит в зоне оптимума.



2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОТУРБИНЫ

Для выбранной турбины рассчитаем и построим зависимости = f₁(N), Н^доп_s = f₂(N) и Q = f₃(N) при синхронной частоте вращения n _синх для четырех значений напора (H_max, H_ср, H_p, H_min).

Среднее значение напора Н_ср определяется следующим образом:

Н_ср = (Н_р + Н_max)/2, если (Н_max - Н_p) > (Н_р - Н_min);

Н_ср = (Н_р + Н_min)/2, если (Н_max - Н_p) < (Н_р - Н_min).

Н_max - Н_p =52,0 - 39,9=12,1 (м);

Н_р - Н_min=39,9-36,0=3,9 (м);

(Н_max - Н_p) > (Н_р - Н_min) >

Н_ср = (52+39,9)/2 = 45,92 (м).

Расчет производим на основании универсальной характеристики выбранной модели. Результаты расчёта сведём в таблицы 2.

2.1 Расчет выполняем для каждого напора

Каждому напору соответствует определенное значение приведенной частоты вращения, определяемое по формуле:

, (2.2)

где = 150,0 (об/мин) - синхронная частота вращения (см. п.1);

= 4,75 (м) - диаметр рабочего колеса (см. п.1);

= 1,036 - отношение КПД натурной и модельной турбин в оптимальном режиме (формула 1.8).

Ш Для Н_min = 36,0 (м):

(об/мин).

Ш Для Н_ср = 45,92 (м):

(об/мин).

Ш Для Н_р = 39,9 (м):

(об/мин).

Ш Для Н_max = 52,0 (м):

(об/мин).

В графы 2 и 3 таблиц 2 записываем значения КПД модели и приведённого расхода, определяемые по УХ в точках пересечения линии n_I^' = Const с изолиниями КПД.

В графы 4, 5 и 6 таблиц 2 записываем значения коэффициента кавитации у, КПД модели и приведенного расхода, определяемые по УХ в точках пересечения линий n_I^' = Const с изолиниями у. При этом значения КПД модели определяем путем линейной интерполяции.

В графу 7 таблиц 2 записываем значения КПД натурной турбины, вычисленные по формуле:

_н = _м + Д , (2.3)

где Д - поправка на масштабный эффект, вычисленная для оптимального режима, и условно принимаемая постоянной для всей рабочей зоны турбины;

_м - КПД модели, берём из графы 2 таблиц 2.

В графу 8 таблиц 2 записываем значения расхода натурной турбины, вычисленные по формуле:

Q = k_Q • Q_I^' , (2.4)

где k_Q = D₁² •(m • H_i)^0,5;

Q_I^' - приведённый расход, берём из графы 3 таблиц 2.

В графу 9 таблиц 2 записываем значения мощности натурной турбины, вычисленные по формуле:

N = k_N • Q_I^' • _м (2.5)

где k_N = 9,81•D₁² • (m • H_i)^1,5.

Ш Для Н_min = 36,0 (м):

k_Q = 4,75² • (1,036 • 36,0)^0,5 = 137,79;

k_N = 9,81• 4,75² • (1,036 • 36,0)^1,5 = 50413,8.

Ш Для Н_ср = 45,92 (м):

k_Q = 4,75² • (1,036 • 45,92)^0,5 = 155,621;

k_N = 9,81• 4,75² • (1,036 • 45,92)^1,5 = 72627,1

Ш Для Н_р = 39,9 (м):

k_Q = 4,75² • (1,036 • 39,9)^0,5 = 145,062;

k_N = 9,81• 4,75² • (1,036 • 39,9)^1,5 = 58824,1.

Ш Для Н_max = 52,0 (м):

k_Q = 4,75² • (1,036 • 52,0)^0,5 = 165,603;

k_N = 9,81• 4,75² • (1,036 • 52,0)^1,5 = 87518,7.

В графах 10 и 11 таблиц 2 записываем значения допустимой высоты отсасывания, вычисляемые по (1.14) для рассчитываемого значения напора, и соответствующие им значения мощности натурной турбины:

N_у = k_N • Q_I^'_,у• _м,у, (2.6)

где k_N - определен в (2.4);

значения , _м,у и Q_I^' _у берём из граф 4, 5 и 6 таблиц 2.

Составляем сводные таблицы для четырех напоров.

Таблица 2-1

	Модель	Натура H=36,0м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0,87	0,660	0,25	0,903	1,105	0,903	90,941	28947,60	-2,196	50303,65
2	0,88	0,720	0,30	0,906	1,115	0,913	99,209	31942,18	-4,492	50927,52
3	0,89	0,800	0,35	0,905	1,200	0,923	110,232	35894,63	-6,788	54749,39
4	0,90	0,920	0,40	0,903	1,270	0,933	126,767	41742,63	-9,084	57815,05
5	0,90	1,440	0,45	0,902	1,320	0,933	198,418	65336,28	-11,380	60024,69
6	0,89	1,625	0,50	0,901	1,410	0,903	90,941	28947,60	-13,676	64046,20
			0,55	0,898	1,470				-15,972	66549,24
			0,60	0,894	1,530				-18,268	68957,00
			0,65	0,891	1,600				-20,564	71869,91

Таблица 2-2

	Модель	Натура H=39,9м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0,88	0,675	0,15	0,893	0,770	0,913	97,92	34941,52	3,30	40448,04
2	0,89	0,720	0,20	0,901	0,935	0,923	104,44	37694,48	1,30	49555,48
3	0,90	0,860	0,25	0,904	1,020	0,933	124,75	45529,85	-0,69	54240,53
4	0,90	1,400	0,30	0,906	1,105	0,933	203,09	74118,37	-2,69	58890,57
5	0,89	1,600	0,35	0,905	1,180	0,923	232,10	83765,52	-4,68	62818,26
6			0,40	0,904	1,240				-6,68	65939,46
7			0,45	0,902	1,315				-8,67	69773,03
8			0,50	0,900	1,385				-10,67	73324,24
9			0,55	0,898	1,445				-12,66	76330,74
10			0,60	0,894	1,510				-14,66	79409,01



Таблица 2-3

	Модель	Натура H=45,92
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0,88	0,615	0,15	0,897	0,810	0,913	95,707	31835,60	2,396	52768,67
2	0,89	0,700	0,20	0,901	0,920	0,923	108,935	36647,41	0,100	60202,06
3	0,90	0,860	0,25	0,903	1,005	0,933	133,834	45529,85	-2,196	65910,18
4	0,90	1,220	0,30	0,905	1,085	0,933	189,858	64588,86	-4,492	71314,37
5	0,89	1,460	0,35	0,905	1,160	0,923	227,207	76436,04	-6,788	76243,93
6			0,40	0,901	1,220				-9,084	79833,16
7			0,45	0,897	1,290				-11,380	84039,00
8			0,50	0,893	1,355				-13,676	87879,88

Таблица 2-4

	Модель	Натура H=52,0м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	0,87	0,570	0,15	0,892	0,840	0,903	94,394	43400,52	2,396	65576,01
2	0,88	0,615	0,20	0,893	0,910	0,913	101,846	47365,12	0,100	71120,32
3	0,9	0,9	0,25	0,893	1,000	0,933	149,043	70890,15	-2,196	78154,20
4	0,9	1,020	0,30	0,892	1,075	0,933	168,915	80342,17	-4,492	83921,68
5	0,89	0,710	0,35	0,891	1,145	0,923	117,578	55303,07	-6,788	89286,14
6	0,89	1,200	0,40	0,890	1,205	0,923	198,724	93469,97	-9,084	93859,43

По данным таблиц 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 построим рабочие характеристики турбины для четырех напоров: = f(N) (Рис. 2.1); Н^доп_s = f(N) (Рис. 2.2); Q = f(N) (Рис. 2.3).



Рисунок 2.1. Характеристика з=f(N).

Рисунок 2.2. Характеристика H^s_доп.= f(N).



Рисунок 2.3. Характеристика Q = f₃(N).



3. ПОСТРОЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБИНЫ

Построим эксплуатационную напорно-мощностную характеристику турбины, используя для этого построенные рабочие характеристики, а также вспомогательные зависимости открытий направляющего аппарата a_o = f(N) и углов установки лопастей рабочего колеса поворотно-лопастных турбин ц = f (N).

Расчет зависимостей a_o = f₄ (N) и ц = f₅ (N) проводим на основании УХ турбины для четырех напоров. Данные расчетов сведём в таблицы 3-1 и 3-2.

В графу 5 таблиц 4-1 записываем значения a_oн натурной турбины, рассчитываемые по формуле:

, (4.1)

где D_0м = 0,575(м) и z_0м = 24 - диаметр окружности расположения осей лопаток направляющего аппарата и число этих лопаток (указаны на УХ);

D_0н и z_0н - то же для натурной турбины.

Для ПЛ турбин:

D_0н = 1,2 · D₁.

D_0н = 1,2 · 4,75= 5,70(м);

Так как D_0н < 7 (м), то число лопаток направляющего аппарата:

z_0н = 20.

В графу 1 таблиц 3-2 записываем значения угла установки лопасти модели, обозначенные на УХ. Эти же значения угла ц принимаем и для натурной турбины.

В графы 2 и 3 таблиц 3-2 записываем значения КПД модели и приведенного расхода, определяемые на УХ в точках пересечения горизонталей n_I^' = Const с линиями угла установки ц (значения _м определяем интерполяцией).

Мощность турбины во всех таблицах определяется по формуле (2.5).

Составляем сводные таблицы для четырех напоров.

Таблица 3-1-1

Модель nI' = 116,669 (об/мин)	Натура Нmin = 36,0 м.
№ точек	aoм, мм	м	QI', м3/с	aoн, мм	N, кВт
1	2	3	4	5	6
1	30	0,893	0,830	297,39	37366,20
2	35	0,904	1,100	346,96	50131,48
3	40	0,900	1,440	396,52	65336,28

Таблица 3-2-1

ц0	Модель nI' = 116,669 (об/мин)	Натура Нmin = 36,0 м.
	м	QI', м3/с	N, кВт
1	2	3	4
-5	0,870	0,655	28728,30
0	0,900	0,905	41062,04
+5	0,903	1,150	52352,21
+10	0,901	1,400	63591,97
+15	0,889	1,645	73725,39

Таблица 3-1-2

Модель nI' = 110,8 (об/мин)	Натура Нср = 39,9.
№ точек	aoм, мм	м	QI', м3/с	aoн, мм	N, кВт
1	2	3	4	5	6
1	25	0,883	0,635	247,83	32982,97
2	30	0,901	0,870	297,40	46110,45
3	35	0,905	1,150	346,96	61221,18
4	40	0,894	1,510	396,53	79409,01



Таблица 3-2-2

ц0	Модель nI' = 110,8 (об/мин)	Натура Нmin = 39,9 м.
	м	QI', м3/с	N, кВт
1	2	3	4
-5	0,872	0,620	31802,66
0	0,900	0,860	45529,85
+5	0,905	1,090	58027,03
+10	0,901	1,335	70755,69
+15	0,891	1,560	81763,15

Таблица 3-1-3

Модель nI' = 103,309 (об/мин)	Натура Нр = 45,92 м.
№ точек	aoм, мм	м	QI', м3/с	aoн, мм	N, кВт
1	2	3	4	5	6
1	25	0,888	0,685	247,83	44177,61
2	30	0,902	0,930	297,40	60923,97
3	35	0,900	1,215	346,96	79417,73

Таблица 3-2-3

ц0	Модель nI' = 103,309 (об/мин)	Натура Нр = 45,92 м
	м	QI', м3/с	N, кВт
1	2	3	4
-5	0,879	0,580	37026,75
0	0,896	0,810	52709,84
+5	0,903	1,010	66238,09
+10	0,900	1,245	81378,67
+15	0,890	1,470	95018,03

Таблица 3-1-4

Модель nI' = 97,04 (об/мин)	Натура Нmax = 52 м
№ точек	aoм, мм	м	QI', м3/с	aoн, мм	N, кВт
1	2	3	4	5	6
1	25	0,890	0,720	247,83	56081,98
2	30	0,895	0,975	297,40	76371,01
3	40	0,889	1,270	346,53	98811,24

Таблица 3-2-4

ц0	Модель nI' = 97,04 (об/мин)	Натура Нmax = 52 м
	м	QI', м3/с	N, кВт
1	2	3	4
-5	0,869	0,550	41829,56
0	0,891	0,765	59654,06
+5	0,895	0,960	75196,07
+10	0,890	1,175	91522,68
+15	0,882	1,395б	107682,13

Построим графики зависимостей угла открытия направляющего аппарата и угла поворота лопасти рабочего колеса от мощности, рисунки 3.1-3.2

Рисунок 3.1. Зависимость угла открытия направляющего аппарата от мощности.



Рисунок 3.2. Зависимость угла поворота лопасти рабочего колеса от мощности.

Построим эксплуатационную характеристику турбины

В координатах N - Н наносим изолинии КПД турбины (8 -10 кривых через 1 - 2%), линии равных допустимых высот отсасывания (4 - 5 линий), линии равных открытий направляющего аппарата а_0н и линии равных углов установки лопастей ф. Для этой цели полученные выше графики соответствующих зависимостей рассекаем горизонтальными линиями и точки их пересечения переносим на поле N - H (по значениям мощности при данном напоре). Соединяя точки равных значений соответствующих параметров, получаем эксплуатационную характеристику.

На эксплуатационной характеристике наносим линии ограничения мощности, причем:

§ На участке от до линия ограничения, как правило, является вертикальной N = const и соответствует номинальной мощности турбины (ограничение по генератору).

§ На участке от линия ограничения является наклонной и соответствует постоянству одного из следующих параметров:

- а_0н = const (ограничение по а_0max);

- ф = const (ограничение );

- (ограничение по ).

При этом ограничивающее значение принятого параметра соответствует его значению в «рабочей» точке и определяется из построенных графиков для заданной нормальной мощности. Из этих же графиков определяется и N*, которое соответствует линии ограничения при .

Конструктивная реализация линии ограничения проще всего осуществляется при выполнении условий а₀ = const или ф = const. Поэтому предпочтение следует отдавать этим параметрам.

Эксплуатационная характеристика турбины ПЛД60-В60⁰-475 представлена на рисунке 3.3.



4. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ БЕТОННОЙ СПИРАЛЬНОЙ КАМЕРЫ

Для турбины ПЛД60-В60⁰-475 , принимаем бетонную спиральную камеру, с плоским потолком и углом охвата ц^? = 225^?

В основу гидромеханического расчета спиральной камеры заложены три условия, которым должен подчиняться поток протекающей в ней жидкости:

1. Равномерное распределение расхода по окружности направляющего аппарата. Это условие обеспечивается, если в любом радиальном сечении будут одинаковы радиальные составляющие скорости u_г.

2. Одинаковая закрутка потока перед направляющим аппаратом т.е. х_ur = const, где х_u - окружная составляющая скорости в любой точке потока; r - радиус расположения точки.

3. Размеры радиальных сечений спиральной камеры должны быть такими, чтобы средние скорости потока в них не превосходили предельных значений, определяемых уровнем допустимых потерь.

Исходными данными для расчета спиральной камеры являются:

Форму входного сечения развитой вниз (с горизонтальным потолком).

1. Угол охвата спиральной камеры -

2. Диаметр расположения входных кромок статора:

3. Диаметр расположения выходных кромок статора:

4. Высота статора:

5. Закон изменения положения вершин сечений - линейный;

6. Допустимые средние скорости воды во входном сечении по рис. 4.1.

Рисунок 4.2.Тавровое сечение бетонной спиральной камеры с плоским потолком.

Введем некоторые обозначения:

4.1 Полный расход через турбину при расчетных значениях напора и мощности:

Где N - установленная мощность; КПД турбины в расчетной точке.

Расход через входное сечение спиральной камеры:

4.2 По рисунку 3 определяем значение допустимой средней скорости по заданному и вычисляем площадь входного сечения для бетонной спиральной камеры:

4.3 Вычислим радиус входного сечения

Площадь входного сечения по его геометрическим параметрам:

;

Выразим из приведенного выше рисунка входного сечения спиральной камеры

- т.к. принята спиральная камера с плоским потолком (n = 0), развитая вниз отсюда получаем:

;

;

Решая полученное квадратное уравнение в программе MathCad, получаем:

ринимаем положительный корень решения уравнения.



4.4 Разобьём входное сечение на элементы простой формы и для каждого из них найдем геометрический параметр J

Угол при таком расходе:

Из закона постоянства момента скорости:

Закон изменения высоты полоса:



Принимаем шаг равным::

Шаг для m = 4,07/9 = 0,452;

Для остальных радиальных сечений спиральной камеры, расположенных в промежутке от входного сечения до зуба спирали проводим аналогичные расчеты подобные приведенным выше и сводим их в таблицу 4.1.

Таблица4.1.

	Ri	m	I1	I3	I5	Ii	Ii	Qi	цi	ai	bi	Fi	Vi	Q	ц
1(вх)	7,47	4,068	1,393	0,757	1,054	3,203	3,20	109,00	225	3,60	5,76	13,45	8,10	109,00	225,0
2	7,01	3,616	1,284	0,614	0,839	2,737	2,85	96,89	200	3,14	5,02	11,19	8,66	93,12	192,2
3	6,54	3,164	1,168	0,483	0,639	2,290	2,49	84,78	175	2,67	4,27	9,07	9,35	77,91	160,8
4	6,08	2,712	1,043	0,365	0,457	1,865	2,14	72,67	150	2,21	3,53	7,09	10,25	63,45	131,0
5	5,61	2,260	0,908	0,261	0,295	1,465	1,78	60,56	125	1,74	2,78	5,24	11,55	49,83	102,9
6	5,15	1,808	0,762	0,172	0,159	1,093	1,42	48,44	100	1,28	2,04	3,54	13,70	37,18	76,8
7	4,68	1,356	0,602	0,100	0,053	0,754	1,07	36,33	75	0,81	1,30	1,97	18,45	25,66	53,0
8	4,22	0,904	0,424	0,046	-0,016	0,454	0,71	24,22	50	0,35	0,55	0,75	44,85	15,45	31,9
9	3,75	0,452	0,227	0,012	-0,038	0,200	0,36	12	25	0,12	0,21	0,54	16,13	6,82	14,1
10	3,29	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,00	0	0	-0,58	0,19	0,25	0,00	0,00	0,0

4.5 Используя данные таблицы 4.1. построим график зависимости ц_сп = f (R_i)

Он представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Зависимость ц_сп = f (R_i)

Разбиваем угол охвата спиральной части камеры на интервалы по 15 градусов ,с характеристики на рисунке 4.1. снимаем значения R_i для каждого значения угла ц. Сведём значения углов и соответствующих им радиусов в таблицу 4.2. По данным таблицы 4.2. построим план спиральной камеры, он представлен на рисунке 4.2.

Таблица 4.2.

ц	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180	195	210	225
R		3,53	4,19	4,50	4,90	5,10	5,40	5,61	5,90	6,15	6,39	6,60	6,80	7,05	7,25	7,47

Рисунок 4.2. Спиральная камера.

При ширине подвода более 7 - 8 м нужно установить промежуточный бычок.

Ширина подвода:

Примем толщину бычка равной 1,50 м, чтобы ширина водовода была равной 15,5 м.

5. Подбор и контрольный расчет отсасывания трубы

В проекте для вертикальных агрегатов будем принимать изогнутые отсасывающие трубы и использовать отсасывающую трубу геометрически подобную модельной турбине.

Основные размеры отсасывающей трубы пересчитываем по отношению диаметров модели и турбины.Пересчитаем размеры с универсальной характеристики:

· Размеры конического раструба диффузора трубы:

· Размеры колена отсасывающей трубы:

· Размеры горизонтального раструба:

Принимаем равным 14,0 м для обеспечения стандартных щитовых затворов.

Рассчитаем средние скорости и средние удельные кинетические энергии потока для: 1. Оптимального режима, при рабочем напоре ;

1. Максимального режима, при максимальном напоре

· Средние скорости в сечениях:

· Рассчитаем средние удельные кинетические энергии:

=4,15;

Средние скорости в сечениях:



· Рассчитаем средние удельные кинетические энергии:

=4, 25;

· Рассчитаем длины участков отсасывающей трубы:

По окончательно принятым размерам отсасывающей трубы построим графики изменения средней меридианной скорости и средней удельной кинетической энергии потока для оптимального режима при расчётном напоре и максимальном расходе.



Рисунок 9. Распределение параметров по длине отсасывающей трубы турбины ПЛД60 - В60⁰ - 475



6. Формулирование требований к гидрогенератору

Для проектирования генератора, который будет работать в составе гидроагрегата совместно с выбранной турбиной, необходимо задать требуемую частоту вращения (число полюсов для синхронного генератора), номинальную мощность, требующуюся величину махового момента его вращающихся частей. Также нужно оценить осевую гидравлическую и весовую нагрузку от турбины, которая должна будет восприниматься подпятником агрегата (обычно подпятник входит в комплект поставки генератора).

Кроме того рассчитаем величину разгонной частоты вращения турбины, которая определяет расчетные по прочности нагрузки генератора.

6.1 Номинальная частота вращения генератора

Номинальная частота вращения генератора принимается равной назначенной частоте вращения турбины, поскольку для крупных агрегатов не предусматривается установка редуктора или мультипликатора между турбиной и генератором.

Разгонная частота вращения задается соотношением:

гидротурбина вращение генератор мощность

6.2 Номинальная активная мощность генератора

Номинальная активная мощность определяется в виде:



Полная мощность генератора:

6.3 Вес ротора генератора маховой момент

Вес ротора генератора и его маховый момент на этой стадии могут быть приближенно оценены по эмпирическим соотношениям.

Диаметр расточки статора:

Вес ротора генератора:

.

Маховый момент инерции ротора генератора:

6.4 Осевое усилие

Осевое усилие на подпятник агрегата складывается из трех основных составляющих: веса ротора , веса рабочего колеса и вала турбины и осевого гидравлического усилия на рабочем колесе

Вес рабочего колеса с валом турбины можно оценить по эмпирической зависимости в виде:

,

для ПЛД принимаем:

Гидравлическое осевое усилие на рабочем колесе ПЛД:

Определим осевое усилие на подпятник агрегата:

7. 

8. Разработка схемы установки

7.1 Конструктивная схема компоновки гидротурбины

Конструктивная схема компоновки гидротурбины в здании ГЭС должна быть выбрана в соответствии с ГОСТ 108.023.105-84.

Таблица 7.1.

тип генератора	номинальные значения D1	расположение подпятника генератора	Расположение подшипников генератора	схема компоновки
			верхнего	нижнего
зонтичный	от 1800 до 5000 включительно	на нижней крестовине	в верхней крестовине	=	1
			=	на нижней крестовине	2
			в верхней крестовине	на нижней крестовине	3
	от 5000 до 10600 включительно	на опоре подпятника, установленной на крышке гидротурбины	в верхней крестовине	=	4
			=	совместно с подпятником	5
			в верхней крестовине	совместно с подпятником	6
подвесной	от 1800 до 10600 включительно	на верхней крестовине	в верхней крестовине	=	7
			в верхней крестовине	в нижней крестовине	8

Проведя анализ, выбираем конструктивную схему компоновки гидротурбины №1.

7.2 Выбор отметки расположения рабочего колеса

Выбор отметки расположения рабочего колеса, т.е. отметки характерной плоскости турбины (середины высоты направляющего аппарата) производится из условия обеспечения безкавитационной работы турбины во всех режимах.

Где - фактическая высота отсасывания,

- допустимая высота отсасывания в данном режиме работы турбины.

Значение может быть определено по эксплуатационной характеристике или рабочей характеристике в любом режиме в пределах рабочей зоны, а фактическая будет изменяться в связи с колебаниями нижнего бьефа.

Для выполнения (7.1) необходимо определить отметки характерной плоскости для трех режимов работы:

· для расчетного напора и номинальной мощности:

,

Где - отметка нижнего уровня по заданию;

- минимальное значение допустимой высоты отсасывания при и это значение берем из рабочей характеристики номинальной мощности N.

· для максимального напора



,

Где =49 - отметка нижнего уровня по заданию;

- минимальное значение допустимой высоты отсасывания при и это значение берем из рабочей характеристики номинальной мощности N.

· для минимального напора

,

Где - отметка нижнего уровня по заданию;

- минимальное значение допустимой высоты отсасывания при и это значение берем из рабочей характеристики мощности N.

Теперь из трех полученных выбираем наименьшее значение, которое отмечается на компоновочном чертеже установки:

7.3 Расчет вала на прочность

Вал агрегата предназначен для передачи крутящего момента от рабочего колеса к ротору генератора. Расчет вала на прочность необходимо производить с учетом совместного действия скручивающих, изгибающих и растягивающих усилий.

Предварительно рассчитываем наружный диаметр вала:

Где

полученное значение диаметра округляем до стандартного

7.3.Расчет подшипника.

Направляющий подшипник турбины предназначен для восприятия радиальных нагрузок. В проекте примем подшипник на водяной смазке, который может быть кольцевого или сегментного типа.

Расчет подшипника сводится к определению его размера и проверке по критерию работоспособности.

Радиальная сила на рабочем колесе определяется по эмпирической зависимости:

Диаметр вала под подшипником , с учетом облицовки, обычно принимается на 15-20 мм больше

Для сегментного подшипника предварительно выбирается число и высота сегментов по таблице 11:

Таблица 11

	500 - 800	850 - 1100	1200 - 1600	1700 - 2200
	300	400	500	600
	8	8	10	12

Принимаем

Определяем усилие на наиболее нагруженный сегмент:

Где а - центральный угол расположения сегментов, равный:

Рассчитаем удельную нагрузку на сегмент:

Где длина сегмента в окружном направлении:

Для таких подшипников экспериментально установлено, что

Где

Отсюда следует, неравенство значит нагрузка на сегменте не превышает предельно допустимую.

Размещено на Allbest.ru