Активная гидротурбина вода поступает через сопло

АКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТУРБИН

Гидравлические турбины.

Гидравлической турби­ной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию враще­ния его рабочего колеса. Из основ­ного закона механики жидкости — закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия еди­ницы массы, Я на входе в рабочее колесо составляет

(9.1)

на выходе из рабочего колеса

(9.2)

Обозначения всех входящих в фор­мулы (91) и (9.2) величин приве­дены в § 3 2.

В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различа­ются типы турбин.

Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего ко­леса

(9.3)

Таким образом, вся энергия по­тока состоит из энергии поло­жения Z₁-Z₂ энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии

Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энер­гию, называются реактивными. В таких турбинах

(9.4)

и, следовательно, процесс преобра­зования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе ча­стично используется и кинетическая энергия потока.

Если в гидротурбинах использу­ется только кинетическая энергия потока, то они называются актив­ными.

В таких турбинах Z₁=Z₂, p₁=p₂ т. е. вода поступает на рабочее ко­лесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется

Мощность турбины согласно уравнению (3.54) может быть вы­ражена

(9.5)

В практике принято гидротурби­ны подразделять на классы, систе­мы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые – пропеллерные и поворотно — липастные, диагональные поворотно – лопастные и радиально -осевые турбины.

В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин, двойного действия. Последние две системы не имеют столь ши­рокого распространения, как ковшовые.

Каждая система турбин содержит несколько типов., имеющих геометрически, подобные проточные части и одинаковую быстроход­ность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко-напорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н 80 м.

Турбины подразделяются на ма­лые, средние и крупные.

К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D_i ≤ l,2 м при низких, напорах и D_i ≤ 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним — те турбины, у которых l,2 ≤ D_i ≤ 2,5 м при низких напорах и 0,5 м ≤ Di ≤ l,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт

Таким образом, в ковшовых тур­бинах осуществляется регулирова­ние расхода и мощности турбины.

Конструктивные формы ковшо­вых турбин довольно разнообразны и могут различаться по расположе­нию вала (вертикальные и горизон­тальные), по числу сопл и рабочих колес на одном валу. Турбины используются в диапазоне напора 300—2000 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 200 МВт (ГЭС Мон-Се-пи, Франция).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Сердце ГЭС

В сентябрьском номере газеты «Энерговектор» за 2013 г. мы уже рассматривали основные виды гидроэлектростанций. Сегодня хотелось бы вернуться к этой теме, вспомнить историю развития гидроэнергетики и более подробно остановиться на вопросе эффективности применения различных гидравлических турбин в зависимости от конкретных условий работы — напора, мощности потока, вида плотины.

От Древнего Китая до XXI века

С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного дела на Урале. Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов, поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных насосов и других машин.

Для дальнейшего развития промышленности потребовалось создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.

Современные гидравлические турбины по принципу подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.

• Осевые (турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с осью вращения рабочего колеса.
• Радиально-осевые (турбина Френсиса).В этих турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса, а затем изменяет свое направление с радиального на осевое.
• Ковшовые (турбина Пелтона), поток воды в которых поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к рабочему колесу.

По второму способу классификации гидравлических турбин — в зависимости от изменения давления воды — различают реактивные турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).

Источник

Гидротурбины.

Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, текущей под напором, в механическую энергию вращения вала.

По принципу действия гидротурбины делят на реактивные (напороструйные) и активные (свободноструйные). Вода к рабочему колесу поступает либо через сопла (в активных гидротурбинах), либо через направляющий аппарат (в реактивных гидротурбинах).

Наиболее распространённой разновидностью активной гидротурбины является ковшовая турбина. Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространенных реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подается через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. Вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более), при расходах до 100 м³/сек. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично. Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины — неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) — реактивная турбина. В рабочем колесе турбин данного типа поток сначала движется радиально (от периферии к центру), а затем в осевом направлении (на выход). Применяют при напорах до 600 м. Мощность до 640 МВт.

Основным преимуществом турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток — менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.

Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) — реактивная турбина, лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Поток воды в поворотно-лопастной турбине движется вдоль её оси. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. При вертикальном расположении оси поток перед поступлением в рабочую камеру турбины закручивается в спиральной камере, а затем спрямляется с помощью обтекателя. Это необходимо для равномерной подачи воды на лопасти турбины, а значит, уменьшения её износа. Применяется в основном на средненапорных ГЭС.

Диагональная турбина — реактивная турбина, используемая на средних и высоких напорах. Диагональная турбина представляет собой поворотно-лопастную турбину, лопасти которой расположены под острым (45-60°) углом к оси вращения турбины. Такое расположение лопастей позволяет увеличить их количество (до 10-12 штук) и применять турбину на более высоких напорах. Диагональные турбины применяются на напорах от 30 до 200 метров, конкурируя на низких напорах с классическими поворотно-лопастными турбинами, а на высоких — с радиально-осевыми турбинами. По сравнению с последними, диагональные турбины имеют несколько более высокий КПД, но конструктивно более сложны и более подвержены износу.

Гидрогенератор — электрическая машина, предназначенная для выработки электроэнергии на гидроэлектростанции. Обычно гидрогенератор представляет собой синхронную явнополюсную электрическую машину вертикального исполнения, приводимую во вращение от гидротурбины, хотя существуют и гидрогенераторы горизонтального исполнения (в том числе капсульные гидрогенераторы).

Гидрогенераторы имеют сравнительно малую частоту вращения (до 500 об/мин) и достаточно большой диаметр (до 20 м), чем в первую очередь определяется вертикальное исполнение большинства гидрогенераторов, так как при горизонтальном исполнении становится невозможным обеспечение необходимой механической прочности и жесткости элементов их конструкции.

Гидрогенераторы состоят из следующих основных частей: статор, ротор, верхняя крестовина, нижняя крестовина, подпятник (упорный подшипник, который воспринимает вертикальную нагрузку от вращающихся частей гидрогенератора и гидротурбины), направляющие подшипники. По особенностям конструкции подразделяются на подвесные и зонтичные. У подвесных подпятник располагается над ротором в верхней крестовине, у зонтичных подпятник располагается под ротором в нижней крестовине или опирается на крышку турбины (в этом случае нижняя крестовина у гидрогенератора отсутствует).

На гидроаккумулирующих электростанциях используются обратимые гидрогенераторы (гидрогенераторы-двигатели), которые могут как вырабатывать электрическую энергию, так и потреблять ее. От обычных гидрогенераторов они отличаются особой конструкцией подпятника, позволяющей ротору вращаться в обе стороны.

Гидрогенераторы для ГЭС специально проектируются соответственно частоте вращения и мощностью гидротурбин, для которых они предназначаются. Гидрогенераторы на большую единичную мощность обычно устанавливают вертикально на подпятниках с соответствующими направляющими подшипниками. Они, как правило, трехфазные и рассчитаны на стандартную частоту. Система воздушного охлаждения — замкнутая, с теплообменниками воздух — вода.

Источник

9.2. Активные гидротурбины.

Наиболее распространенными активными гидротурбина­ми являются ковшовые. Принци­пиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 9.1. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполнен­ному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные ло­пасти (ковши) (рис. 9.2). На ков­шах, происходит преобразование гидравлической энергии, заключен­ной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по обо­ду рабочего колеса и последова­тельно один за другим при его вра­щении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло пред­ставляет, собой сходящийся наса­док из отверстия которого при ра­боте турбины выбрасывается струя воды. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопрово­ду за вычетом потерь, обращается в кинетическую.

Игла, перемещаясь в сопле в про­дольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым диаметр выходящей струи. При измене­нии диаметра струи изменяется рас­ход через сопло.

Игла в одном из крайних своих положений полностью закрывает сопло и останавливает турбину. Во­да, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал.

Для быстрого отвода струп от рабочего колеса, необходимого для предотвращения гидравлического удара, возникающего при медлен­ном закрытии сопла иглой, приме­няется отклонитель, отбрасываю­щий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонителя производится одновременно.

Таким образом, в ковшовых тур­бинах осуществляется регулирова­ние расхода и мощности турбины.

Конструктивные формы ковшо­вых турбин довольно разнообразны и могут различаться по расположе­нию вала (вертикальные и горизон­тальные), по числу сопл и рабочих колес на одном валу. Турбины используются в диапазоне напора 300—2000 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 200 МВт (ГЭС Мон-Се-пи, Франция).

9.3. Реактивные гидротурбины

К реактивным гидротур­бинам относятся: радиально-осевые пропеллерные, поворотно-лопа­стные (включая двухперовую) и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рис. 9.3.

Для реактивных турбин харак­терны следующие основные при­знаки.

Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток поды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в ки­нетической форме, остальная же — потенциальная энергия, соответст­вующая разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходу­ется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактив­ного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет, кривизны лопастей приводит к возникновению активного давле­ния потока. Таким образом, дейст­вие потока на лопасти рабочего ко­леса складывается из реактивного воздействия, возникаю­щего из-за увеличения относитель­ной скорости, и активного давления, возникающего из-за изме­нения направления потока

Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной пло­скости, а после рабочего колеса — в осевом направлении, и использу­ются в довольно широком диапазоне напоров — от 30—40 м до 500— 550 м Талой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопа­стей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределен­ных по окружностям ступицы 1 (верхний обод) и нижнего обода 3 (рис 93,а и 94) Все три части объединены между собой и пред­ставляют одну жесткую конструк­цию Число лопастей может коле­баться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D₁.

Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по ли­нии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходи­мой прочности

С увеличением используемого напора форма рабочего колеса радиально-осевых турбин меняется, отношение выходного диаметра к входному D₂/D₁ уменьшается.

Так, для Красноярской ГЭС (Н макс ≈101м) D₂/D₁ = 1,13, а для Ингурской ГЭС (Н мак °≈ 410 м) D₂/D₁=0,68

Высоконапорные турбины обору­дуются холостыми выпусками для отвода воды от рабочего колеса и уменьшения за этот счет гидрав­лического удара при сбросе на­грузки Caмая мощная турбина та­кого типа в СССР (650 МВт) уста­новлена на Саяно-Шушенской ГЭС.

Пропеллерные турбины (Пр).Рабочее колесо такой турбины располагается в камере ниже направ­ляющего аппарата Поэтому между направляющим аппаратом и рабо­чим колесом осуществляется нера­бочий поворот потока На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Рабочее колесо (рис 9 3,6 и 9 5) состоит из втулки / с обтекателем 2 и рабочих лопастей 3 и, как видно из рисунков, отличается от колес радиально-осевых турбин отсутстви­ем нижнего обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа па форму гребного винта или пропеллера).

Число лопастей зависит от напо­ра и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напо­ра). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом φ=-10°;-5°; 0°; +5°; +10°; 15°; +20°, от­считываемым от некоторого средне­го положения (φ=0). Обычно на турбинах с диаметром рабочего ко­леса D_i ≥ l,6 м имеется возмож­ность перестановки лопастей при останове турбины на тот или иной угол, если такая потребность воз­никнет во время эксплуатации.

Основным достоинством пропел­лерных турбин является простота конструкции и сравнительно высо­кий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заклю­чающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД, Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазо­не изменения мощности. Этот недо­статок существенно снижает эффек­тивность пропеллерных турбин при использовании их в системах с де­фицитом энергии. Однако это несу­щественно, если основным назначе­нием ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использова­ния установленной мощности ГЭС, Иногда на крупных ГЭС пропеллер­ные турбины устанавливаются со­вместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выпол­нению поворотно-лопастные турби­ны (за рубежом их называют тур­бины Каплана) отличаются от про­пеллерных только тем, что у них ло­пасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см. рис. 9.3,е).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД при постоянном напоре зависят как от открытия лопаток направляюще­го аппарата (см. § 9.4), так и от угла поворота лопастей по отноше­нию к втулке. Изменяя угол установ­ки лопастей при различных откры­тиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощ­ности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турби­ны будет иметь наибольшее значе­ние. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего коле­са на ходу турбины могут автома­тически поворачиваться на некото­рый (оптимальный) угол ср (отсюда название поворотно лопастные) одновременно с изменением откры­тия направляющего аппарата. Та­кое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматиче­ское поддержание высокого значе­ния КПД в широком диапазоне из­менения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров-от 3—5 до 35—45 м. В последнее время, стремясь использовать неко­торые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпри­нимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70— 75 м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178 МВт) изго­товлена в СССР и установлена па ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого на­пора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт/D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турби­ны. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 9.3,г; 9.6), что позволяет повы­сить пропускаемый турбиной рас­ход. Двухперовые турбины не тлеют пока широкого распространения.

Диагональные турбины (Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых турбин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми турбинами.

Отличие диагональных турбинот поворотно-лопастных заключает­ся в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусо­образную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущи­ми поворачиваться вокруг своих осей (рис. 9.3, 37 / 44 37 38 39 40 41 42 43 44 > Следующая > >>

Источник