Гидравлические турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Гидравлические турбины

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТУРБИН

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:

(1)

На выходе из рабочего колеса:

(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:

(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:

(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, так же как 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:

(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-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 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 высоконапорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25?Н, следовательно Н?80 м, и высоконапорными при Н>80 м.

Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.

К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D_i?1,2 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 D_i ?2,5 м, при низких напорах и 0,5 Di?1,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт, N?15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

2. АКТИВНЫЕ ГИДРОТУРБИНЫ

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые.

Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 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. 2).

Рисунок 1. - Схема ковшевой турбины:

Рисунок 2. - Рабочее колесо ковшевой турбины:

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 отклонение, отбрасывающий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонения 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).

3. КАВИТАЦИЯ

Кавитация представляет собой физическое явление, возникающее в потоке при быстром течении жидкости, и оказывает влияние на энергетические и механические показатели турбин, ухудшая их с момента своего появления.

Известно, что чем меньше давление, оказываемое на жидкость, тем ниже температура ее кипения. Если быстро текущая вода встречает на своем пути какое-либо препятствие, то за ним появится область пониженного давления, и если давление в этой области будет меньше упругости водяных паров, то вода там закипит и будут образовываться пузырьки пара. По мере дальнейшего продвижения пузырьков с потоком воды в зону более высокого давления пар в них конденсируется и образуются пустоты, а при объединении их - крупные каверны. Эти пустоты мгновенно заполняются водой и в центре их возникает гидравлический удар с давлением до нескольких тысяч атмосфер. Если пустоты смыкаются в потоке на металлической поверхности какой-либо детали или на бетоне, то последние начинают разрушаться.

Кроме того, в зоне пониженного давления начинают интенсивно выделяться из воды газы (воздух), которые, попадая в смыкающиеся пузырьки пара, сильно сжимаются, вследствие чего температура газов резко повышается. Кислород же (из воздуха) при высокой температуре, активно воздействуя на металл, способствует коррозии и дополнительному его разрушению.

У реактивных турбин кавитационному разрушению подвержены главным образом нижние (по потоку) поверхности лопастей рабочего колеса, его камера, а также другие части турбины, где образуется пониженное давление. У ковшовых турбин при кавитации разрушаются в первую очередь сопла.

При кавитации возникает характерный шум и вибрация машины (иногда удары). Кавитация снижает КПД, пропускную способность и мощность турбин. Все это является крайне нежелательным, а в ряде случаев недопустимым.

Разрушительное действие кавитации можно значительно уменьшить тщательной обработкой подверженных ей элементов турбины, а также применением для них особо стойких материалов (хромо никелевые стали).

Особое значение имеет обеспечение без кавитационных условий работы реактивных турбин. Эти условия определяются, выбором соответствующего заданному напору типа и быстроходности турбины, а также высоты отсасывания H_s, определяемой расположение ем турбины относительно уровня нижнего бьефа.

Кавитация будет отсутствовать, если будет соблюдено следующее условие:

(6)

Где:

В - барометрическое давление, м вод. ст., которое определяется расположением турбины над уровнем моря по формуле:

В = 10,33 - V / 900

Где:

10,33 - атмосферное давление на уровне моря, вод;

V - абсолютная отметка местоположения турбины над уровнем моря, м;

а - коэффициент кавитации, изменяющийся в зависимости от типа турбины и их нагрузки.

Обычно «о» определяется при испытании модели турбины.

Практически считается, что кавитация будет отсутствовать, если:

(7)

Где:

k - поправочный коэффициент, вводимый при пересчете коэффициента с модели на натуру (k = 1,05ч1,1).

Высоту отсасывания H_s принято отсчитывать:

- для вертикальных радиально-осевых турбин - от нижней плоскости направляющего аппарата; энергия кинетический кавитация

- для горизонтальных радиально-осевых и поворотно-лопастных от наивысшей точки рабочего колеса;

- для вертикальных пропеллерных и поворотно-лопастных турбин от оси разворота лопастей рабочего колеса.

Высота отсасывания принимается положительной, если плоскость отсчета ее находится выше уровня воды в нижнем бьефе, в противном случае, когда рабочее колесо турбины находится ниже уровня нижнего бьефа - отрицательной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рожкова Л.Д., Карнеева Л.К., Чиркова Т.В. Электрооборудование электрических станций и подстанций, 2004.

2. Файбисович Д.Л. и др. Справочник по проектированию электрических сетей, 2006.

3. Неклепаев, Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций, 1989.

4. Бурман А.П., Строев В.А., Оснорвы современной энергетики. Часть 2. Современная электроэнергетика, 2003.

5. Ополева Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения, 2006.

6. Крючков И.П., Неклепаев Б.Н., Старшинов В.А. Расчет коротких замыканий и выбор электрооборудования, 2005.

7. Коновалова Л.Л., Рожкова Л.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок, 1989.

Размещено на Allbest.ru