Энергетическая классификация и основные рабочие параметры гидротурбин

Направление подготовки: «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» Профиль: Гидроэнергетика ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ (лекционный курс) Автор: доц. Орахелашвили Б. М. 2016 Лекция 2. Глава 2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОТУРБИН Виды гидравлических машин и основные рабочие параметры. 2.1 Гидравлическими машинами называются устройства, в которых происходит взаимное преобразование гидравлической и механической энергии. 𝐸1г > 𝐸2г - турбина (энергия отбирается от жидкости на генератор); Eпотерь E2гидр E1гидр Eвнешняя (механическая) 𝐸1г < 𝐸2г – насос (энергия передается жидкости от привода); 𝐸1г ≅ 𝐸2г – гидропередача (происходит изменение частоты вращения). В качестве основных параметров рассматриваются: 1) Полная энергия жидкости, отнесенная к весу и выраженная в метрах столба жидкости: E=z+ p ρg Eпот = z + Eкин = + v2 2g p ρg v2 2g [м]; (2.1) [м] – потенциальная энергия; [м] – скоростной напор. 2) Напор – разность полных удельных энергий в 2-х характерных сечениях (см. рис. 2.1): 1) Напор брутто – разность отметок ВБ и НБ 2) Напор нетто (турбины) – разность полных, удельных энергий во входном (вход в спиральную камеру) и выходном (выход из отсасывающей трубы) сечениях турбины. НН = Нбр - h (2.2) 2 h – сумма гидравлических потерь в подводящих и отводящих элементах станции.  Р  Рвых Н Н  Евх  Евых  z вх  z вых    вх g  2   вхVвх2   выVвых   2g  (2.3) Рис. 2.1 Схема определения напора 3) Расход - количество жидкости, проходящей через характерное сечение гидромашины в единицу времени, Q [м3/с]; 4) Частота вращения - n [об/мин] или угловая скорость - ω [1/сек]; Поскольку в качестве электрической машины обычно используются синхронные генераторы, то для обеспечения требований ГОСТ по частоте электрического тока необходимо строго контролировать частоту вращения турбины. nсинхр  60  50 f р где f=50 Гц (частота электрического тока); (2.4) р – число пар полюсов генератора. 3 5) Мощность гидравлическая – механическая работа в единицу времени; N = ρgQE = ρgQ [z + p ρg + v2 2g ] [ Нм сек ] (2.5) 6) КПД, % – отношение полезной мощности (для турбины это механическая мощность на валу) к затраченной мощности водотока. Гидравлические машины, в которых передача энергии происходит в основном за счет изменения давления "p", а доля изменения геометрического и "z" скоростного " 𝐯𝟐 𝟐𝐠 " напора мала, называются объемными гидромашинами. В них используется принцип вытеснения жидкости и существует жесткая связь между перемещением рабочего органа и количеством перемещенной жидкости. Гидравлические машины, в которых передача энергии происходит за счет изменения давления «p», изменения геометрического «z» и скоростного « 𝐯𝟐 𝟐𝐠 » напоров в соизмеримых долях, называются динамическими гидромашинами. В них отсутствует жесткая связь между перемещением рабочего органа и количеством перемещенной жидкости. Если основным рабочим органом динамической гидромашины является вращающееся рабочее колесо, то такие машины называются лопастными гидромашинами, которые можно разделить по энергетическому признаку (см. рис. 2.2). ЛГМ Насос Турбина Гидропередача Обратимая ГМ Одна лопастная система для передачи мощности Рис. 2.2 Классификация гидравлических машин по энергетическому признаку 4 2.2 Классификация гидротурбин Гидротурбины подразделяются по классам, системам и типам. Класс гидротурбины определяется в зависимости от составляющих энергии, преобразуемой в рабочем колесе. Степень реактивности определяется в виде  Епотенц (2.6) Еобщая Соответственно, активные гидротурбины имеют  = 0, а реактивные турбины - в диапазоне 1 ≥  >0. Система гидротурбины определяется в зависимости от характера течения в рабочем колесе. Таблица 2.1 Основные параметры по системам гидротурбин Классы Системы Реактивные Осевые Диагональные (Каплан) (Квятковский) Активные РО Ковшовые Тюрго Банки ПР ПЛ ДПР ДПЛ (Фрэнсис) (Пельтон) Напор, м 370 480 30-200 30-250 40-650 300-2000 40-400 6-150 Диаметр Р.К., м. 10 10,3 <10 10 10 6 - - Мощность, МВт 400 400 400 400 (1000*) 850 (1000*) 300 4 1  турбины 0,925 0,92 0,945 0,94 0,95 0,90 0,80 0,80 ПР – пропеллерные осевые; ПЛ – поворотно-лопастные осевые (см. рис. 2.3 и 2.4); ДПР – пропеллерные диагональные; ДПЛ – поворотно-лопастные диагональные (см. рис. 2.5 и 2.6); РО - радиально-осевые (см. рис. 2.7 и 2.8); К – ковшовые (см. рис. 2.9 и 2.10). 5 Рис. 2.3 Разрез осевой поворотно-лопастной гидротурбины (ПЛ) Рис. 2.4 Рабочее колесо ПЛ гидротурбины 6 Рис. 2.5 Разрез диагональной поворотно-лопастной гидротурбины (ДПЛ) Рис. 2.6 Рабочее колесо ДПЛ гидротурбины 7 Рис. 2.7 Разрез радиально-осевой гидротурбины (РО) Рис. 2.8 Рабочее колесо РО гидротурбины 8 Рис. 2.9 Разрез ковшевой гидротурбины (К) Рис. 2.10 Двухколесная ковшовая гидротурбина 9 Рис. 2.11 Гидротурбина Тюрго (наклонно-струйная) Рис. 2.12 Гидротурбина Банки (поперечно-струйная или двукратная) 10 Рис. 2.13 Горизонтальная гидротурбина Киевской ГЭС Рис. 2.14 Конструкция горизонтальной капсульной гидротурбины 11 Тип гидротурбины определяется в соответствии с коэффициентом быстроходности в оптимальном режиме ns  n N л .с Н 5 4 N кВт  1,167  n  Н (2.7) 5 4 Таблица 2.3 Типы гидротурбин Класс Реактивные Осевые Активные Диагональные Радиальноосевые Ковшовые Система ПЛГК ПЛ ПР ПЛД ПРД РО К Тип (в соответствии с максимальным допустимым напором Н пред ) 7,10,15,20,25 10,15,20,30,40, 50,60,70,80 50,70,90,115,140, 170,220 45,75,115,140,170, 230,310,400,500,600 400,600,1000,1500 ns 10002000 3001200 150500 60400 по числу сопел По конструктивному исполнению гидротурбины подразделяются на: 1) Вертикальные и горизонтальные; 2) Одноколесные, двухколесные, спаренные… 3) Прямоточные, капсульные, S-образные… 4) По типу отсасывающей трубы и подвода. Маркировка гидротурбин включает в себя следующую информацию: - система гидротурбины (для диагональных турбин добавляется угол расположения лопастей относительно вала); - тип рабочего колеса и максимально допустимый напор; - заводской номер рабочего колеса (не обязательно); - положение вала агрегата; - диаметр рабочего колеса (в см.). Например: РО 115/(810) – В – 420 ПЛ 30/800-В-600 12 Для выбора типа гидротурбины, наилучшим образом соответствующего гидрологическим условиям будущей ГЭС, определяются значения расчетного, максимального и минимального напоров станции. Значение Н max должно быть близко к предельному напору Н пред выбранного типа, но не превышать его, т.е. Н max  Н пред. Н р =  ВУ р -  НУ р ; Н max =  ВУ max -  НУ min ; Н min =  ВУ min -  НУ max , (2.8) где  - отметки горизонтов верхнего и нижнего бьефов. На первом этапе оценки в формулах (2.8) не учитываются потери энергии в водоподводящих сооружениях ГЭС, что вносит определенную погрешность в значения действующих напоров. Обычно, на одни и те же заданные условия можно выбрать 2 – 3 различных типа турбин и выполнить оценку возможной мощности турбин ГЭС по среднегодовому расходу. N уст = 9,81*Н р *Q ср*η [квт] (2.9) Годовая выработка станции производится с учетом прогнозируемого коэффициента использования установленной мощности. Э год = 365*24*N уст *К исп [квт-час] (2.10) К исп = Т раб/(365*24) (2.11) 13