Реактивная гидротурбина

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕАКТИВНАЯ ГИДРОТУРБИНА

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных гидротурбинах через сопла, в реактивных - через направляющий аппарат. В активной гидротурбине (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

Рис. 1. - Схема активной гидротурбины:

Где:

а - рабочее колесо;

б - сопла.

Рис. 2. - Схема реактивной гидротурбины:

Где:

а - рабочее колесо;

б - направляющий аппарат.

В реактивной гидротурбине (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Рис. 3. - Агрегат гидротурбины:

Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Б. Фурнероном. В 1855 американский инженер Дж. Френсис изобрел радиально-осевое рабочее колесо - гидротурбину с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками.

В 1889 американский инженер А. Пелтон запатентовал активную - ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер В. Каплан получил патент на поворотно-лопастную гидротурбину.

Реактивные гидротурбины по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые.

По способу регулирования мощности реактивные гидротурбины бывают одинарного и двойного регулирования. К гидротурбинам одинарного регулирования относятся гидротурбины содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих гидротурбинах производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастно-регулируемые гидротурбины, у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих гидротурбин производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса).

Гидротурбина двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями. Поворотно-лопастные гидротурбины, применяемые на напоры до 150 м., могут быть осевыми и диагональными гидротурбинами.

По расположению вала рабочего колеса гидротурбины делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Гидротурбина с гидрогенератором называют гидроагрегатом. Горизонтальные гидроагрегаты с поворотно-лопастными или пропеллерными гидротурбинами могут выполняться в виде капсульного гидроагрегата. Основными тенденциями в развитии гидротурбины являются: увеличение единичной мощности, продвижение каждого типа гидротурбины в область повышенных напоров, совершенствование и создание новых типов гидротурбин.

Гидротурбины применяются на гидроэлектростанциях, где они приводят в движение генераторы электрического тока.

Гидроэлектрическая станция, гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Регулятор частоты вращения гидротурбины предназначен для регулирования скорости вращения гидроагрегата и для предотвращения недопустимого повышения давления в водоводах и недопустимых забросов скорости вращения турбины при сбросах полной нагрузки.

Экономичная и безаварийная работа гидроагрегата зависит от правильной наладки системы регулирования.

Принцип действия системы регулирования скорости вращения гидротурбины.

Принцип действия системы регулирования скорости гидротурбины поясняется упрощенной схемой, показанной на рис. 4.

Рис. 4. - Схема регулирования скорости турбины:

Чувствительный элемент регулятора скорости - центробежный маятник 2 связан с валом турбины 1.

Рис. 5. - Схема комплексного регулятора скорости:

При изменении скорости вращения вала турбины грузы маятника изменяют свое положение. Их перемещение вызывает перемещение золотника 3, управляющего серводвигателем 4, Серводвигатель перемещает орган 5, изменяющий количество воды, поступающей из водоема 6 по трубопроводу 7 в турбину в единицу времени. Рассмотрим несколько более детально принципиальную кинематическую схему комплексного регулятора, который предназначен для регулирования скорости мощных поворотно-лопастных турбин на электростанциях. Чувствительным элементом регулятора (рис. 5) является центробежный маятник, приводимый во вращение синхронным электродвигателем 1.

Последний получает питание от специального синхронного генератора (педаль генератора), насаженного на вал турбины.

Синхронный электродвигатель заменяет механическую передачу от вала турбины к маятнику. Скорость вращения синхронного электродвигателя пропорциональна частоте переменного тока генератора, т. е., скорости вращения вала турбины. Вместе с диском маятника 2 вращаются два цилиндрических груза 3, охваченных гибкой стальной лентой 4. К лапам грузов 5 прикреплены две пружины 6, которые стремятся сблизить грузы друг с другом. Сближению грузов препятствует центробежная сила. При изменениях центробежной силы грузы перекатываются по диску и ленте. Давление ленты передается на пяту и штифт 7 маятника. При возрастании скорости грузы расходятся и лента перемещает штифт 7 вниз. При уменьшении скорости грузы сближаются и пружина 9 поднимает штифт вверх. Трение скольжения при такой конструкции регулятора незначительно и чувствительность маятника очень высока.

Усилия, передаваемые штифтом 7, весьма малы для перестановки громоздкого направляющего устройства турбины, поэтому между чувствительным элементом регулятора и направляющим устройством необходимо включить несколько усилителей. Таким образом, рассматриваемая схема является примером схемы непрямого регулирования.

Первым усилителем служит так называемый побудительный золотник 13, управляющий вспомогательным серводвигателем 18.

При перемещении тела побудительного золотника 14, например, вверх (при уменьшении скорости) масло, поступающее из маслонапорной установки (не показанной на рисунке), направляется в верхнюю трубку серводвигателя 18 и заставляет поршень 17 перемещаться вниз, вытесняя по нижней трубке масло из нижней полости в сливной бак.

Перемещаясь вниз, поршень через тягу обратной связи 15 тянет вниз золотник 14. Одновременно, при движении вниз поршня 17 вспомогательного серводвигателя происходит перемещение главного золотника 16 второго усилителя. При этом по нижней трубке масло поступает в исполнительное устройство - серводвигатель 37 регулирующего органа - направляющего устройства турбины, который изменяет (в рассматриваемом случае увеличивает) доступ воды в турбину, в результате чего скорость вращения вала турбины начинает возрастать. Если произошло возрастание скорости, то движения всех рассмотренных элементов происходят в противоположных направлениях, в результате чего подача воды в турбину уменьшается и ее скорость начинает падать.

Одновременно с перемещением направляющего устройства поршень серводвигателя 37 через рычаг 35 поворачивает вал жесткой обратной связи 29 (так называемый вал выключателя). Стрелкой указано направление поворота вала при открытии направляющего устройства. Поворот вала приводит в действие ряд механизмов.

Прежде всего с помощью тяг 24, 28 и золотникового рычага 8 перемещается тело золотника 14 в сторону, обратную перемещению маятника, и осуществляется таким образом жесткая отрицательная обратная связь. Благодаря этой связи равновесие наступит не при заданной, а при несколько меньшей скорости.

Таким образом, приведенная выше схема является примером системы статического регулирования. Переставляя ползунок 25, можно изменять соотношения длин плеч рычага обратной связи и тем самым регулировать величину статизма. Однако, если бы система состояла только из указанных устройств, процесс регулирования был бы или неустойчивым, или неудовлетворительным по качеству.

Для обеспечения устойчивости в регуляторе имеется дополнительный корректирующий элемент - гибкая, или изодромная, обратная связь. При повороте вала 29 с помощью рычагов 28 и 24 производится перемещение стакана изодрома 11. Движение стакана через заполняющее его масло передается на поршень 12 изодрома, который, в свою очередь, воздействует на золотниковый рычаг 8. В процессе движения масло в изодроме под давлением пружин 10 перегоняется по узкой трубке (байпасу) 23 из одной половины стакана в другую. Сопротивление перетеканию масла может регулироваться вручную винтом 22.

Изодромная обратная связь называется гибкой, потому что действие ее возрастает с возрастанием скорости движения серводвигателя. При неподвижном серводвигателе пружина 10 приводит постепенно поршень 12 в исходное состояние и действие гибкой обратной связи прекращается.

Если исключить действие механизма изменения статизма, убрав, например, рычаг 28, то система регулирования станет астатической, так как установившийся режим будет возможен лишь при строго определенном положении золотникового рычага 8, при котором пружина 10 будет находиться в ненапряженном состоянии. Но на практике всегда настраивают регулятор так, чтобы он имел определенный статизм. Объясняется это тем, что на электрических станциях электроэнергия вырабатывается несколькими агрегатами, работающими на общую электрическую сеть. Нагрузка каждого из параллельно работающих агрегатов будет обратно пропорциональной статизму его регулировочной характеристики.

Заключение

Гидротурбина, как и любая сложная система, функционирует в условиях действия различных внешний и параметрических возмущений со стороны внешней среды.

При наличии наихудших возмущений возникает необходимость построения таких законов управления гидротурбиной, которые при минимальной информации о структуре внешних воздействий обеспечивали бы устойчивость гидротурбины в целом и стабилизацию частоты вращения ротора гидротурбины. вал реактивный гидротурбина

Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности функционирования гидроагрегатов ГЭС, оснащенных предлагаемым регулятором.

Размещено на Allbest.ru