Раздел 5. Гидроэнергетическое оборудование. Классификация гидротурбин. Активные и реактивные гидротурбины. Основное уравнение гидротурбины.
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, Н на входе в рабочее колесо составляет
на выходе из рабочего колеса
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
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
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 в скорость.
Мощность турбины может быть выражена
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-лопастные, 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 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 высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н 80 м.
Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.
К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D1
К средним — те турбины, у которых 1,2
Не останавливаясь на роли крупных ГЭС в энергетическом обеспечении регионов страны, влиянии на экономическое развитие регионов, выделим основные эколого-социальные проблемы, которые появляются как на стадии проектирования и строительства, так и те проблемы, которые появляются в процессе эксплуатации их, как следствие взаимодействия водохранилищ с окружающей природной средой.
Гидротехническое строительство, связанное с перераспределением стока, созданием водохранилищ с огромными запасами воды и значительными глубинами, затоплением пахотных угодий и лесов, оказывает влияние на природную среду непосредственно или косвенно. При этом воздействие на окружающую природную среду сказывается как сразу, так и по истечении многих лет.
Проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией крупных гидротехнических сооружений, можно разделить на первичные, предвиденные на стадии проектирования, и вторичные, возникающие как следствие сооружения гидросооружений и водохранилищ.
Кроме того, возникают научно-технические проблемы, как на стадии проектирования и строительства, так и в процессе эксплуатации водохранилищ.
Из первичных проблем можно выделить следующие:
— выбор генеральной схемы использования водных ресурсов;
— обоснование оптимальных параметров гидроузлов и водохранилищ;
— мониторинг водных, земельных и лесных ресурсов в зоне строительства гидроузла;
— эколого-экономическое обоснование подготовки ложа водохранилища под затопление;
— инженерная защита от затопления и подтопления городов, населенных пунктов, отдельных предприятий;
— восстановление на новом месте сельскохозяйственных угодий вместо затопленных водохранилищем;
— рыбохозяйственное освоение водоема, строительство рыбоходов, восстановление естественного воспроизводства рыб;
— транспортное освоение водохранилища: увеличение глубин, устройство убежищ для судов и плотов при штормах; создание новой судовой обстановки, строительство пристаней; перевалка грузов через плотины;
— санитарная подготовка ложа перед затоплением (дезинфекция населенных пунктов, кладбищ, скотомогильников, ликвидация различных вредных загрязнений);
-агролесомелиоративные гидротехнические мероприятия по предотвращению водной и ветровой эрозии в зоне водохранилищ;
— лесосводка и лесоочистка ложа перед затоплением, посадка лесных насаждений на новом месте.
Более сложны и взаимосвязаны вторичные проблемы, последствия которых проявляются через многие годы после завершения строительства, их во многих случаях трудно предсказать с достаточной научной обоснованностью. Многие из этих проблем так и остаются неразрешимыми в обозримом будущем.
Вторичные проблемы можно подразделить на экологические и социальные.
Выделим основные экологические проблемы:
— эрозия береговой линии водохранилищ, переформирование берегов, дна, устьевых участков рек, впадающих в водохранилища, формирование баров;
— появление на акватории водохранилищ запасов плавающей древесины вследствие береговой эрозии;
— изменения уровня грунтовых вод;
— изменения температурного режима водной массы и окружающей среды, повышенная влажность, появление интенсивных и продолжительных по времени туманов;
— дополнительные потери воды на испарение;
— изменения качественного состава воды в водохранилище;
— изменения растительного и животного мира;
— нарушения условий нерестилищ рыбы;
— опасность провокации колебания земной коры в связи с сооружением крупных плотин и водохранилищ.
Суммируя перечень первичных и вторичных проблем, можно выделить основные последствия регулирования стока рек гидроузлами, оказывающих положительное или отрицательное влияние на хозяйственную деятельность и окружающую природу:
— изъятие земель под водохранилище и строительные площадки для возведения основных сооружений гидроузла, создания стройбазы и переустройства объектов хозяйства и выноса из зоны затопления, а также в связи с берегопереработкой и подтоплением территории выше критического уровня;
— ухудшение мелиоративного состояния земель в связи с подтоплением водохранилищами;
— увеличение продолжительности затопления земель в верхнем бьефе гидроузлов, особенно в хвостовой части водохранилищ в связи с подпором стока реки;
— сокращение частоты (вероятности) и продолжительности затопления пойменных земель в период весеннего половодья на участке, расположенном в нижнем бьефе гидроузла;
— изменение санитарного состояния реки, физико-химических и медико-биологических свойств воды;
— изменение климатических и ландшафтных условий.
Опыт эксплуатации водохранилищ показал, что при проектировании и эксплуатации недостаточно рассматривать обозначенные проблемы и их последствия только с экономической точки зрения. Необходима комплексная эколого-экономическая оценка последствий создания водохранилищ.
Недостаточно глубокая проработка проблем и отступление от обоснованных проектных решений в период строительства и эксплуатации зачастую приводит не только к огромным материальным убыткам, но и к необратимым экологическим последствиям.
Гидравлические турбины
Рассмотрим принципиальную схему установки турбины (рис. 4а). Из верхнего бьефа вода через водоприёмник и напорный водовод подводится к турбине (сеч. I-I) и, пройдя через неё, выпускается из отсасывающей трубы (сеч. В-В) в нижний бьеф или отводящий водовод. Разность отметок бьефов называется статическим напором ГЭС Нст, м,
Напор турбины Н, м, представляет собой разность удельных энергий е1 на входе в турбину и евых на выходе из неё:
Рис. 4 Схема установки турбины на гидроэлектростанции
В соответствии с уравнением для определения удельной энергии потока можно записать:
,
где v1 — средняя скорость в сечении I-I
Для нахождения составим уравнение Бернулли для сечений 0-0 в верхнем бьефе и I-I – у входа в турбину относительно отметки уровня нижнего бьефа
,
где
hпот — гидравлические потери в подводящем водоводе по длине и местные (на вход в водоприёмник, на повороты и др).
учитывая, что , из уравнения определяем пьезометрическую высоту
(3)
Если отнести выходное сечение турбины к нижнему бьефу (сеч. 2-2), то удельная энергия евых относительно уровня нижнего бьефа будет равна:
В итоге напор турбины согласно (2) представляется соотношением
Этот напор называется напором турбинной установки нетто.(Разность удельных энергий верхнего и нижнего бьефов называется напором бруттоНб = е0 – е2 или , т.е. он отличается то напора нетто на размер потерь).
Поскольку разность скоростных напоров в (4) мала, её можно не учитывать. Тогда получаем выражение для напора турбины
которое широко используется при расчётах. Следует иметь в виду, что hпот представляет сумму всех гидравлических потерь в водоводах, подводящих воду к турбине из верхнего бьефа и отводящих её от турбин в нижний бьеф.
При точных расчётах, например, при проверке гарантий на мощность и КПД турбины, напор определяют в соответствии с принятыми международными правилами.
В этом случае выходная энергия берётся по выходящему сечению отсасывающей трубы В-В (рис. 4, а и б), причём давление находится по показанию установленных здесь пьезометров.
Часто уровень в этих пьезометрах оказывается ниже уровня нижнего бьефа на Δ hвых . Эта величина называется перепадом восстановления и является результатом восстановления части кинетической энергии воды на выходе из отсасывающей трубы :
.
При расчётах принимают наиболее благоприятные условия, когда αвых= 1 и напор турбины выражается формулой:
.
Напор Н по (2) показывает, насколько уменьшается удельная энергия воды, Дж/н, при прохождении через турбину.
Поскольку расход, пропускаемый турбиной, Q , м 3 /с, а весовой расход ρgQ , н/с, то энергия, теряемая жидкостью в 1с при прохождении через турбину, т.е. мощность NЖ, отбираемая турбиной от протекающей жидкости, составляет:
Однако не вся эта мощность передаётся валу и полезно используется, так как имеются потери энергии в самой турбине, что учитывает коэффициент полезного действия (КПД) турбины η
(7)
где N – полезная мощность на валу.
Из (6) и (7) находим формулу для определения полезной мощности турбины:
Здесь N — в Вт. В подавляющем большинстве случаев турбины работают на чистой пресной воде, у которой ρ = 1000 кг/м 3 . Для этих условий при g = 9,81 м/с 2 , учитывая, что 1000 Вт = 1 кВт, получаем
Здесь Q – в м 3 /с, H — в м, при этом N – в кВт.
Эта формула широко используется при проектировании ГЭС и расчётах турбин.
КПД турбин достигает достаточно высоких значений и при наиболее благоприятном режиме работы составляет 0,94 – 0,95 или 94 – 95 %; в условиях максимальной нагрузки 0,88 – 0,93 или 88 – 93 %.
Турбина предназначена для преобразования механической энергии протекающей через неё воды в полезную энергию на вращающемся валу. В связи с этим главным показателем, характеризующим вид (систему) турбины, является форма и устройство её проточного тракта, состоящего из трёх основных элементов: рабочего колеса (рабочий орган турбины), устройств, подводящих воду к рабочему колесу, устройств, отводящих воду от рабочего колеса.
Существует большое количество различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используются лишь четыре вида турбин:
Осевые, диагональные, радиально – осевые и ковшовые.
Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия
2.1.Осевые турбины (рис. 5) (за рубежом их обычно называют турбины Каплана) являются низконапорными турбинами, они используются при малых напорах – от 1-3 до 60-70 м.
Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укреплённых на втулке 2 с обтекателем 3, соединено с валом 12. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8: чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жёстко, с каким-то определённым углом наклона, в этом случае турбина называется пропеллерной. Однако для крупных ГЭС лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу, в зависимости от условий работы (нагрузка, напор), угол установки лопастей может изменяться. Такие турбины называются поворотно — лопастными.
Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.
Рабочее колесо с валом представляет собой вращающуюся часть турбины. Диаметр рабочего колеса D1 является параметром, характеризующим размер турбины.
Как видно из рисунка, поток входит на рабочее колесо и выходит в осевом направлении. Это и послужило основанием для названия этого вида турбины – «осевая».
Подвод воды к рабочему колесу осуществляется по турбинной камере, через статор (крышка турбины — 7) и направляющий аппарат.
Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток 8, образующих кольцевую решётку лопастей, создающую закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Эта закрутка проявляется в том, что вектор скорости v0 на выходе из направляющего аппарата направлен под некоторым углом к радиусу.
Кроме того, лопатки направляющего аппарата используются для регулирования мощности, развиваемой турбиной. С этой целью каждая лопатка может поворачиваться на оси и, при синхронном повороте всех лопаток на некоторый угол, изменяется открытие d0 от некоторого максимального значения до нуля. Соответственно изменяется пропускной расход и мощность.
Отвод воды от рабочего колеса осуществляется с помощью отсасывающей трубы, представляющей собой расширяющийся водовод (диффузор), обеспечивающий плавное снижение скорости до выхода потока в нижний бьеф. Такое снижение скорости позволяет уменьшить кинетическую энергию потока при выходе из турбины и за счёт этого повысить её КПД.
Важным конструктивным элементом является крышка турбины 7, воспринимаюшая нагрузку от давления воды. Кроме того, на крышке крепятся оси лопаток 8 направляющего аппарата и здесь же установлен направляющий подшипник 5 турбины, ограничивающий радиальные перемещения вала и рабочего колеса.
2.2. Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45 – 60 0 ).
2.3. Радиально-осевые турбины (рис. 6а) (за рубежом их обычно называют турбины Френсиса), являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазонах от 20-25 м до 500-700 м. Радиально-осевая турбина показана на рис. 6а.
Рис. 6. Реактивные турбины малых ГЭС:
/ — рабочее колесо; 2 — вал турбины; 3 — отсасывающая труба; 4 — шестеренчатая передача; 5 — генератор
Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из 12-17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решётку лопастей. Лопасти жёстко заделаны в ступицу и обод, благодаря чему всё рабочее колесо получает необходимую прочность и жёсткость.
Рабочее колесо соединено с валом турбины 2. Рабочее колесо с валом представляет собой вращающуюся часть турбины. Диаметр рабочего колеса D1 , по входным кромкам лопастей, является параметром, характеризующим размер турбины. Из рис. 6а видно, что поток входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него – в осевом. Это и послужило основанием для названия этого вида турбин – «радиально-осевая».
Подвод воды к рабочему колесу осуществляется через статор и направляющий аппарат.
Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток. Он предназначен для создания требуемого направления скорости перед входом на рабочее колесо (закрутка потока) и для регулирования расхода и мощности турбины за счёт поворота лопаток.
Отвод воды от рабочего колеса производится с помощью диффузорной отсасывающей трубы, обеспечивающей плавное снижение скорости и уменьшение кинетической энергии потока при выходе из турбины.
2.4. Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбины Пельтона, иногда — «свободноструйные») – высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400-600 м. Для малых ГЭС – 150-200 м. Схема ковшовой турбины показана на рис.7.
Рис. 7. Схема ковшовой турбины
Основными её элементами являются: сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2 и рабочее колесо 3, укреплённое на валу 4. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды так, что рабочее колесо вращается в воздухе.
Струя воды под действием напора Н выбрасывается из сопла со скоростью vс , которая определяется зависимостью
(10)
Коэффициент скорости φ = 0,98 – 0,99.
Если учесть напоры, при которых используются ковшовые турбины, то видно, что скорость vс получается очень большой: так, при Н = 600 м скорость vс = 105 м/с.
При истечении из сопла проявляется эффект сжатия струи, в результате чего диаметр струи dс меньше диаметра сопла.
Рабочее колесо 3 состоит из диска с рабочими лопастями 5, похожими по форме на ковши (отсюда название – «ковшовая»). Общее число лопастей – 12-14. Каждая из лопастей выполнена в виде двух криволинейных поверхностей, разделённых ножом 6. Рабочее колесо устанавливается таким образом, что ножи совпадают с осью струи: при падении на лопасть она делится на две равные части и каждая обтекает криволинейную поверхность. За счёт изменения как направления скорости воды, так и её значения создаётся давление на лопасть и образуется момент рабочего колеса, вращающий его вместе с валом. Поскольку вода натекает на лопасти (ковши) с огромной скоростью, то предъявляются очень высокие требования к точности и чистоте обработки их поверхности. Чтобы устранить при вращении удар тыльной стороны лопасти о струю, в лопасти предусмотрена специальная прорезь 7.
Мощность, развиваемую ковшовой турбиной, регулируют за счёт изменения расхода. Для этого служит игла 8: когда игла вдвинута внутрь, сопло работает полным сечением и пропускает наибольший расход (диаметр струи dс – наибольший). По мере выдвигания иглы проходное сечение сопла сокращается, уменьшается диаметр струи и соответственно уменьшается пропускаемый расход. Игла может полностью перекрыть сопло и тогда расход будет равен нулю.
Размеры лопастей рабочего колеса ковшовой турбины обычно составляют: d = (2,8 -3,6) dс , с = (2,5 – 2,8) dс и е = (0,9 – 1,0) dс .
- Области использования турбин различных видов
Рекомендации по выбору турбин для малых ГЭС, разработанные разными фирмами, в определённой мере отличаются друг от друга, но в общем сходятся в том, что для напоров выше 200 м рекомендуются только ковшовые турбины, для меньших напоров – радиально-осевые турбины со спиральной камерой, предпочтительно с горизонтальным валом.
Вертикальные радиально-осевые турбины могут применяться при напоре до 25 м с открытой прямоугольной камерой; при низких напорах – вертикальные поворотно-лопастные турбины, капсульные с мультипликатором и без него, трубные с S-образной отсасывающей трубой (рис. 6 б).
Достаточно широко начинают применяться двукратные турбины (турбины Банки), единичная мощность которых достигает 1000 кВт. Схема двукратной турбины приведена на рис. 8.
Рис. 8. Двухкратная турбина:
/ — рабочее колесо; 2 — вал; 3 — регулирующий затвор; 4 — сопло с регулирующей иглой; 5 — трубопровод
Эти турбины имеют цилиндрическое рабочее колесо с горизонтальной осью, установленное выше уровня нижнего бьефа. Вода на рабочее колесо поступает в виде струи прямоугольного сечения и дважды протекает через лопасти (отсюда название – двукратная). Регулирование мощности производится поворотным козырьком-затвором. Эти турбины относятся к классу активных. Работа двукратных турбин возможна в диапазоне расходов от 0,02 до 8 м 3 /с, напоров – от 1 до 200 м. Их отличают простота конструкции рабочего колеса и регулятора, высокий КПД – до 80 % при нагрузках от10 дл 100 % номинальной, малая зависимость КПД от напора, дешевизна и малый срок сооружения здания МГЭС.
Продолжаются работы по обоснованию технической и экономической целесообразности использования серийных насосов и их двигателей в качестве гидротурбин и гидрогенераторов для МГЭС мощностью до 40 МВт. Для этого могут использоваться центробежные и осевые насосы с асинхронными двигателями в диапазоне мощностей от 50 до 5000 кВт и напоров от 3 до 100 м..
Стоимость насосных агрегатов примерно на 10 % ниже стоимости стандартных турбин, а общая стоимость оборудования МГЭС при этом может быть снижена на 50 %.
Области применения турбин для малых ГЭС
| | следующая лекция ==> | |
Парогазотурбинные установки с внутрицикловой газификацией биомассы (ПГТУ ВГ). | | | Технология сжигания соломы с целью выработки электроэнергии. |
Дата добавления: 2016-04-14 ; просмотров: 4506 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Основное уравнение турбомашин (уравнение Эйлера) и его анализ
Теоретическая работа, сообщенная 1 кг газа (напор), Дж/кг, при изоэнтропном (адиабатном) сжатии его от давления Р1 до давления Р2 может быть вычислена по известному из термодинамики соотношению (6.2):
= .
Эта же работа может быть найдена из уравнения Эйлера:
, (6.19)
где u2 и u1 – окружные скорости концов рабочих лопаток, м/с; с2u и c1u – окружные составляющие абсолютных скоростей потока на выходе и входе рабочего колеса (см. рис. 6.2).
Рис. 6.2. Треугольники скоростей газового потока на входе и выходе рабочего колеса центробежного компрессора (ЦБК)
Используя соотношения для треугольников скоростей, преобразуем уравнение Эйлера. В соответствии с теоремой косинусов из выходного треугольника можно записать:
, где ,
. (6.20)
Аналогично из входного треугольника:
. (6.21)
Подставив эти выражения в уравнение Эйлера (6.19) получим:
. (6.22)
Это преобразованное уравнение Эйлера, удобное для анализа. Здесь два последних члена выражают часть работы ТК, затраченной на прирост давления газа в рабочем колесе. Это статический напор колеса. Первый член – это динамический напор колеса, который может быть преобразован в статический напор в диффузоре ТК.
Из уравнения (6.19) видно, что максимальный напор, а следовательно, максимальное давление, развиваемое ступенью ТК, будут при , т.е. при a1=90° (вход потока в колесо без предварительной закрутки): . Иначе
, (6.23)
где – коэффициент закрутки потока, который является характеристикой геометрии рабочего колеса. Отсюда важный вывод:
· при постоянном значении j (для одного и того же колеса), напор (удельная работа сжатия) развиваемый компрессором пропорционален квадрату частоты вращения колеса.
Максимальная окружная скорость u2 лимитируется условиями прочности. В стационарном компрессоростроении при загнутых рабочих лопатках для применяемых материалов обычно принимают u2@250 м/с. В таких ступенях ЦБК степени повышения давления составляют eст=1,3-1,5.
На практике в ЦБК могут быть использованы рабочие колеса с лопатками следующих форм (см. рис. 6.3):
Рис. 6.3. Схемы рабочих колес ЦБК: а – лопатки загнуты назад; б – лопатки радиальные; в – лопатки загнуты вперед
В соответствии с (6.23), если все три колеса одного диаметра, то при неизменной частоте вращения (u2=const) и одинаковых условиях входа потока наименьший напор будет в колесе а) и наибольший – в колесе в).
Преобразование кинетической энергии потока в потенциальную происходит в диффузоре и обратном направляющем аппарате. Оно сопровождается значительными газодинамическими потерями. Эти потери растут с увеличением скорости c2 (в соответствии с законом Дарси). Отсюда области применения центробежных компрессоров с разными типами колес:
1) в стационарных крупных компрессорах, для которых экономичность имеет первостепенное значение, используют рабочие колеса с лопатками, загнутыми назад (b2л=35-55°);
2) загнутые вперед лопатки применяют в тех случаях, когда необходимо получить высокий напор в одной ступени, а величина КПД играет второстепенную роль;
3) наиболее прочные – радиальные лопатки. Они позволяют получать окружную скорость до 500 м/с. Кроме того, эти лопатки обеспечивают максимальную диффузорность, т.е. наибольший член уравнения (6.22): .
Благодаря этому в одном колесе с радиальными лопатками достижимы более высокие статические давления. Такие колеса применяются тогда, когда требуются высокие давления при минимальных габаритах и массе. Обычно в транспортных конструкциях.
В осевых компрессорах (ОК) обычно u1=u2, т.е. в уравнении (6.22) отсутствует член , отражающий влияние центробежных сил.
Вследствие этого ступень ОК развивает значительно меньший напор, чем ступень ЦБК. Так что при равных степенях повышения давления и других равных условиях ОК имеет значительно большее число ступеней, чем ЦБК.
http://helpiks.org/7-86057.html
http://megalektsii.ru/s37950t2.html