2.9. Общие сведения в конструкциях гидротурбин.

Большинство современных гидроагрегатов выполняется в двух вариантах компоновки с вертикальной осью вращения или с горизонтальной.

Проточная часть реактивной вертикальной гидротурбины состоит из основных элементов: спиральной камеры, статора, направляющего аппарата, рабочего колеса, камеры рабочего колеса и отсасывающей трубой.

Из спиральной камеры вода подходит к статору турбины, проходя между колонами которого, поступает на лопатки направляющего аппарата. От направляющего аппарата вода поступает в рабочий колесо, конструкция которого зависит от класса и типа турбины, а дальше в отсасывающую трубу и в нижний бьеф.

Проточная часть активных ковшовых турбин отличается от проточной части реактивных турбин. Подача воды с напорного трубопровода к рабочему колесу осуществляется через направляющий аппарат, который состоит из конфузорного сопла с иглой.

Современные мощные ковшовые гидротурбины применяются с подведением воды через несколько сопл.

Рабочее колесо ковшовой турбины с диском, ступицей и ковшом, количество которых выбирается при условии отсутствия проскока струй.

Спиральная камера – обеспечивает равномерную подачу воды по периметру статора и направляющего аппарата.

К вертикальным турбинам вода поступает с одной стороны и для них применяются спиральная камера с очертанием внешней стенки по спиральной линии, которая полностью или частично охватывает статор. Такие турбинные камеры называются спиральными.

Угол , измеренный между радиальными плоскостями, проведенными через конечное и входное сечения спиральной камеры, называется углом охвата и является основным параметром камеры.

Существуют два основных типа спиральных камер: бетонные с углом охвата и металлические с углом охвата .

Бетонные камеры применяются при напорах до 80м. Они могут иметь радиальные поперечные сечения твердой формы трех типов: симметричные, развитые вниз, развитые вверх. При напорах больше 50м. камеры облицовывают металлом. Бетонные камеры обычно применяются для турбин ПЛ (значительно реже – для низконапорных турбин РО).

Металлические камеры применяются при напорах от 40м. для турбин РО и высоконапорных турбин ПЛ, все их сечения – круглые или эллиптические.

Для горизонтальных капсульных гидротурбин применяют конические отвесные спиральные камеры, которые на входе имеют прямоугольную форму.

Для определения габаритов, угла охвата, размеров входного сечения и закона изменения площади сечений, выполняется гидромеханический расчеты спиральной камеры. Обычно спираль рассчитывается на расход, который соответствует максимальной мощности при расчетном напоре. Допустимые средние скорости во входном сечении спиральных камер: бетонные камеры турбины - 2 5 м/с, металлические камеры - 6 10 м/с. Обычно металлическая спиральная камера рассчитывается на прочность, на полную нагрузку.

2.9.1. Турбине камеры

Камеры бывают открытые, кожуховые и спиральные (бетонные и металлические).

Конструкция спиральной камеры зависит от размеров турбины и напора воды.

Открытые спиральные камеры применяются при напорах до 5-6м в небольших турбинах с диаметром рабочего колеса до 1.2 м.

Для получения хороших гидравлических качеств необходимы относительно большие размеры камеры, чтобы скорость в ней не превышала 1 м/с. Ширина камеры В (в площади, перпендикулярной оси турбины) должна быть не менее 3 .

Кожуховые (котельные) металлические камеры с фронтальным подводом воды применяются для напоров от 5.5 до 25 м. в турбинах с диаметром рабочего колеса от 0.5 до 1 м. при горизонтальном расположении их осей.

Наиболее распространенной формой подводной камеры есть спиральная камера.

Спиральная камера имеет радиальные сечения, постоянно уменьшаемые от входного сечения к ее концу или так называемому зубу спирали.

Подводная камера в виде спирали позволяет осуществить удовлетворительное подвод воды при минимальных габаритах и малых потерях.

Спиральная камера в отличии от кожуховой позволяет вынести значительную часть механизмов гидротурбины из воды в сухое помещение, которое улучшает условия эксплуатации.

В зависимости от напора спиральные камеры делают бетонными или металлическими.

Бетонные спиральные камеры с неполным углом охвата и трапециевидной формой поперечных сечений применяются при напорах Н=3 45 м.

Рекомендованные осевые параметры: ширина в плане В=(2.4 3.5)Д ; угол охвата .

Бетонная спиральная камера состоит из входной открытой части и спирального канала, который характеризуется углом , который отсчитывается от зуба до входного сечения.

Ширина спиральной камеры в плане зависит от типа турбины, угла охвата, принятой скорости во входном сечении спиральной части и его формы. Площадь входного сечения определяется в зависимости от скорости или принятого скоростного коэффициенту .

Сечения могут располагаться симметрично относительно оси направляющего аппарата и не симметрично. Форма сечения с плоским статором наиболее удобная для компоновки вспомогательного гидротурбинного оборудования и трубопроводов.

Однако бетонного массива между дном спиральной камеры и потолком горизонтальной части отсасывающей трубы может быть недостаточно. При форме бетонной камеры развитой вверх, ухудшаются условия компоновки гидротурбинного оборудования в шахте турбины, однако пространство между спиралью и отсасывающей трубой может быть использовано для водосборных каналов.

Во входной части камеры для уменьшения ее пролета устанавливаются один или два бычка.

Металлические спиральные камеры с круглыми сечениями применяются для напоров свыше 30м. Рекомендованные параметры: В=(2.5 4)Д ; ; .

Применяются и смешанные (со стали и железобетона) камеры с передачей нагрузки на бетон для напоров Н=200 300м.

Турбинные камеры капсульных турбин для напоров Н=3 20 м. имеют кольцевидную форму с переходом на прямоугольное сечение водоприемника.

Обычно спираль рассчитывается на расход, который отвечает максимальной мощности при расчетном напоре.

Зная расход турбины и задавшись значением средней скорости во входном сечении спирали V , можно определить площадь входного сечения.

Зная площадь входного сечения, можно его построить, избрать форму сечения спирали.

При принятом входном сечении спирали определяют следующие сечения, необходимые для равномерного подвода воды по всей окружности НА.

Величину средней скорости во входном сечении спирали выбирают в зависимости от напора по формуле ; ;

Обычно принимается скорость во входном сечении спиральной камеры:

- бетонные камеры 2.25 5 м/с

- металлические спирали с ПЛ ГТ 5 6 м/с

- металлические спирали с РО ГТ 6 10 м/с

Спиральную камеру проектируют, допуская, что поток жидкости в ней потенциальный и имеет осевую симметрию (двумерный поток).

Рассчитывают спиральную камеру при условии, постоянства средней скорости потока вдоль спирального канала ( =const) или .

Потери энергии в спиральной камере влияют на КПД турбины. Основными потерями энергии в спиральной камере являются потери по длине, которые можно определить по формуле:

где: V – средняя скорость потока во входном сечении спиральной камеры.

Коэффициент потерь энергии зависит от угла охвата спиральной камеры, изменения средней скорости по длине спирального канала и формы его поперечного сечения.

Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что величина относительной кинематической энергии в спиральной камере небольшие , а потери энергии в ней незначительные.

Относительные потери в спиральных камерах осевых турбин при повышенной мощности представляет от 0.26% до 0,41% в зависимости от размеров камеры и напора.

Для радиально-осевых турбин относительные потери энергии в спиральных камерах при составляет 0.22 0.25% (Н=400 500 м) и 0.6 (Н=45м).

Форму статорных колонн и лопаток НА надо согласовать с типом спиральной камеры.

В зависимости от размера входного сечения и габаритов самой спирали звенья спирали делаются составными с возможностью их транспортировки, и полностью собираются при монтаже.

Металлическая спиральная камера рассчитывается на внутреннее давление воды. Толщина листов сваренных спиральных камер выбирается из условий нагрузки только внутреннего давления воды, так как спиральная камера является тонкостенной оболочкой и не может воспринимать значительных внешних усилий, которые могут ее сплющить.

Поэтому спираль устанавливают на ГЭС так, чтобы она сверху была открытой. Если она бетонируется, то между внешней поверхностью опирали и бетоном предполагается упругая прокладка, которая предохраняет спиральную камеру от внешнего давления бетона и не передает давление от спирали к бетону.