Основные рабочие органы гидротурбин

Направление подготовки: «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» Профиль: Гидроэлектростанции ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ (лекционный курс) Автор: доц. Орахелашвили Б. М. 2016 Лекция 3. 2. 3 Основные рабочие органы гидротурбин Рис. 2.15 Схема гидроагрегата Спиральная камера (СК) является первым по потоку рабочим органом (см. рис. 2.16), который обеспечивает организованный подвод воды к направляющему аппарату с минимально возможными потерями (менее 11,5%), а также создает предварительную закрутку потока. Статор гидротурбины состоит из верхнего и нижнего поясов, между которыми расположены колонны, воспринимающие строительные нагрузки от вышерасположенных элементов конструкции (см. рис. 2.17). Колонн статора обычно вдвое меньше, чем лопаток Н.А., причем зуб спирали является одной из колонн. Направляющий аппарат (НА) представляет собой систему одинаковых, равномерно расположенных лопаток, имеющих силовой привод для их синхронного поворота относительно своих осей (см. рис. 2.18 и 2.19). 2 Рис. 2.16 Сборка спиральной камеры на заводе Рис. 2.17 Статор гидротурбины 3 Рис. 2.18 Конический направляющий аппарат гидротурбины Рис. 2.19 Сервомотор привода направляющего аппарата 4 Функции Н.А.: - создание равномерного, осесимметричного потока, закрученного относительно оси вращения рабочего колеса; - регулирование расхода и мощности турбины путем изменения проходного сечения и циркуляции на входе в Р.К.; - полное перекрытие потока через турбину, в том числе и в аварийных случаях. Рабочее колесо (РК) является основным органом гидротурбины, преобразующим энергию потока воды в механическую энергию на валу агрегата. Преобразование энергии происходит на лопастях РК, которые представляют собой систему удобообтекаемых, равномерно расположенных профилей. Геометрия лопастей определяет систему гидротурбин. Отсасывающая труба (ОТ) обеспечивает организованный отвод воды в НБ с минимальными потерями. Ось трубы может быть прямолинейной или изогнутой (см. рис. 2.20). Рис. 2.20 Монтаж отсасывающей трубы на ГЭС 5 Вследствие диффузорности отсасывающей трубы появляется возможность использовать значительную часть кинетической энергии воды, покидающей РК. При этом под РК. создается вакуум, что увеличивает перепад давления на рабочей и тыльной сторонах лопастей и: увеличиваются КПД и частота вращения при заданных величинах Q и Н. Но при этом увеличивается опасность возникновения кавитации на лопастях (см. рис. 2.21). Рис. 2.21 Течение в отсасывающей трубе на нерасчетном режиме 6 Глава 3. ОСНОВЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РЕАКТИВНЫХ ГИДРОТУРБИН 3.1 Кинематика потока в проточной части Течение в пределах направляющего аппарата (НА) является конфузорным, а густая решетка лопаток обеспечивает практически полное совпадение направления потока на выходе из аппарата с направлением выходных участков лопаток. Рис. 3.1 Схема течения в направляющем аппарата и рабочем колесе Положение лопатки характеризуется величиной открытия а0, которое определяет величину расхода и направление вектора V0 (см. рис. 3.1) При увеличении открытия увеличивается меридианная составляющая скорости, но происходит относительное уменьшение тангенциальной (окружной) составляющей скорости. 7 Меридианная составляющая абсолютной скорости в пределах НА: Vmo  Q Dо Во (3.1) Окружная составляющая абсолютной скорости Vuo  Vmo  ctg o (3.2) где  o  f ao  . В пространстве между НА и рабочим колесом (РК) движение подчиняется закону сохранения момента скорости: Dо  Vuo  R  Vu1 2 (3.3) Если РК вращается с угловой скоростью ω, то частица жидкости, перемещающаяся вдоль канала и находящаяся на поверхности лопасти, совершает вместе с ней вращательное движение, называемое переносным: ⃗ =𝜔 𝑈 ⃗ ×𝑟 (3.4) где 𝑟 - радиус-вектор частицы; Рис. 3.2 Схема движения частицы жидкости в канале Одновременно эта частица движется относительно лопасти со ⃗⃗⃗ , которая совпадает с направлением касательной к поверхности скоростью 𝑊 лопасти. Векторная сумма этих движений определяет величину и направление абсолютной скорости частицы жидкости: ⃗ =𝑈 ⃗ +𝑊 ⃗⃗⃗ 𝑉 (3.5) 8 Можно составить векторный треугольник, треугольником скоростей (см. рис. 3.3). который называется ⃗ 𝑈 𝛼 𝛾 ⃗ 𝑉 ⃗⃗⃗ 𝑊 Рис. 3.3 Векторный треугольник скоростей Рассмотрим процесс взаимодействия лопастной системы РК и протекающего потока жидкости. Для этого рассечем лопастную систему РК осевой гидротурбины цилиндром радиуса R и развернем полученное сечение на плоскость (см. рис. 3.4). Направление абсолютной скорости потока α1 на входе определяется положением лопатки направляющего аппарата W1 W2 Направление лопасти на входе должно соответствовать углу γ1 Угол потока на выходе практически совпадает с углом лопасти γ2 Рис. 3.4 Изменение скоростей от входа до выхода РК осевой турбины 9 Шаг решетки t 2R z лоп (3.6) Окружная скорость U R  n 30 R (3.7) Предполагается, что для осевой гидротурбины меридианная составляющая абсолютной скорости не изменяется от входа до выхода V m1  V m 2  Q  2 2   D1  d вт 4 (3.8) Изменение удельной энергии жидкости в РК, равное напору рабочего колеса запишем в виде:  P V2   P V2  Н к   z1  1  1    z 2  2  2  g 2 g   g 2 g   (3.9) Теоретический напор турбины Нтеор = Нк - hк (3.10) где hк – гидравлические потери в РК. Для сечений 1-2 запишем уравнение Бернулли в относительном движении: z2  P2 W22  U 22 P W 2  U12   z1  1  1  hk g 2g g 2g (3.11) Из -ов скоростей видно, что W2=V2 + U2 - 2VUcos (3.12) Подставляя в (3.11) с учетом (3.9), получим Нк  2U 1V1 cos 1  2U 2V2 cos  2  hk 2g Следовательно: НТ  1 U 1V1 cos 1  U 2V2 cos 2  g (3.13) или НТ  U 1Vu1  U 2Vu 2 g (3.14) 10 Величина Г=2RVu- называется циркуляцией абсолютной скорости Тогда НТ   Г 1  Г 2  2g Полученное (3.15) выражение обычно называется «основным уравнением гидротурбин» или уравнением Эйлера. Из него видно, для того чтобы передать энергию от потока жидкости к вращающемуся рабочему колесу, необходимо изменить циркуляцию абсолютной скорости от входа до выхода из РК Гидравлические потери в турбине "hгидр." оцениваются величиной гидравлического кпд - "г". Тогда, теоретический напор запишем в виде Нтеор = Нтурб - hгидр = НГ (3.16) Гидравлическую мощность записываем в виде: NГ = gQkHтеор (3.17) где Qk = Qтурб - qутечек = QТ0 (3.18) В итоге NГ = gQтурб.Нго (3.19) 11