9.4. Основні елементи проточного тракту реактивних гідротурбін

Кожному типу гідротурбін властиві свої особливості в їх проточному тракті. Розглянемо тільки найбільш часто вживані реактивні гідротурбіни.

Основними елементами проточної частини реактивних гідротурбін (мал. 9.6) окрім описаного раніше робочого колеса є: турбінна (спіральна) камера 1, статор турбіни 2, що направляє апарат 3, камера з робочим колесом 4, відсмоктуюча труба 5, камера робочого колеса 6.

Вода з верхнього б'єфу низьконапірних ГЕС поступає безпосередньо до турбінної камери, призначеної для підведення води на робоче колесо. У високонапірних гідроелектростанціях вода до турбінної камери прямує по трубопроводу.

Турбінні камери. Розрізняють відкриті і спіральні турбінні камери. Для малих турбін (0.1< l.6м) низьких натисків (9—10 м) турбінні міри виконуються відкритими. Для середніх і крупних турбін — спіральними. При цьому, якщо натиск менше 40 м, спіралі виготовляються бетонними таврового перетину (мал. 9.7,а), при вищих натисках — металевими (зварними) круглого перетину (мал. 9.7.б).

Площа вхідного перетину спіралі залежить від витрати і швидкості потоку. Для збереження постійної швидкості в спіралі перетин останньої зменшується у міру надходження води в направляючий апарат.

Мал. 9.6. Проточний тракт поворотно-лопатевої турбіни.

1. Спіральна камера; 2 — статор 3- направляючий апарат; 4 — робоче колесо; 5- відсмоктуюча труба; 6 — камера робочого колеса.

Кут обхвату спіралі максимально відрізняється від початкового перетину до її кінцевої частини, званої зубом спіралі. У бетонних спіральних камерах цей кут приймається не менше 180°, для сталевих досягає 345—360°.

Мал. 9.7. Схеми спіральних камер.

а — бетонна таврового перетину; б — металева круглого перетину; 1 — колона статора; 2 — зуб спіралі.

Зниження кута φ°_макс для низьконапірних ГЕС приводить до зменшення ширини водовода (розмір В на мал. 9.7) і об'єму будівельних робіт.

Статор турбіни служить для передачі навантаження на фундамент ГЕС від частин агрегату, що обертаються, осьового зусилля води і масиву будівлі електростанції, розташованої над спіраллю. Статор зазвичай складається з окремо поставлених колон, зв'язаних між собою за допомогою верхнього і нижнього поясів. Число колон з міркувань зменшення опорів потоку зазвичай вибирається удвічі менше числа направляючих лопаток. Конструктивно колони розташовуються так, щоб між вихідною кромкою колони і направляючою лопаткою залишався достатній зазор. Розміри колони в плані, їх конфігурації і розташування цілком визначаються геометричними даними спіралі, умовами обтікання, а також умовами міцності.

Направляючий апарат служить для підведення води до робочого колеса, регулювання витрати відповідно до потужності генератора, що розвивається, закриття доступу води до турбіни при її зупинці і створення певного напряму (закручування) потоку.

Направляючий апарат складається з двох опорних кілець і рухомих лопаток обтічної форми, розміщених між цими кільцями. Лопатки за допомогою регулюючого кільця 1 (мал. 9.8) можуть одночасно повертатися навколо власних осей 5 на певний кут, утворюючи однакові просвіти, звані відкриттям направляючого апарату.

Регулююче кільце повертається під впливом спеціальних механізмів системи регулювання (сервомоторів), що прикріплюються тягою 4. Число рухомих лопаток залежить від розмірів турбіни, визначуваних діаметром робочого колеса, і коливається від 12 до 32 (при D1>8,5 м).

Камера робочого колеса є металевим кільцем (див. мал. 9.4), в якому розміщується робоче колесо осьових турбін. До нижньої частини камери безпосередньо примикає відсмоктуюча труба.

Відсмоктуюча труба призначена для відведення води з робочого колеса турбіни в нижній б'єф і робить великий вплив на енергетичні показники турбіни.

При прямоосній відсмоктуючій трубі використовуваний турбіною натиск визначається не різницею відміток між верхнім і нижнім б'єфом, а різницею відміток між верхнім б'єфом і виходом з робочого колеса. В цьому випадку натиск, рівний по величині висоті розташування робочого колеса над рівнем нижнього б'єфу, званий висотою відсмоктування(мал. 9.9).

При такій конструкції швидкості в потоці води на виході з відсмоктуючої труби значно менше, ніж на вході в неї, а отже, втрати кінетичної енергії зменшуються.

Мал. 9.8. Схема дії лопаток направляючого апарату.

1 — регулююче кільце; 2 —паводок; 3 — палець; 4 — тяга; 5 — вісь лопатки; 6 —лопатка; 7 — опорне кільце

Мал. 9.9. Схема прямовісної відсмоктуючої труби

Мал. 9.10. Схема зігнутої відсмоктуючої труби.

1 — патрубок; 2 — коліно; 3 — горизонтальний розтруб.

Проте застосування конічних прямоосних відсисаючих труб для великих турбін приводить до необхідності значного заглиблення підземної частини будівлі ГЕС, що тягне за собою додаткову витрату засобів і збільшення об'єму робіт. Тому такі труби застосовуються для турбін з діаметром до 1,5—2 м. При великих діаметрах турбін використовуються зігнуті відсмоктуючі труби (мал. 9.10), що складаються з патрубка, що конічно розходиться 1, коліна 2 і горизонтального розтруба 3. Такі труби дають можливість зменшити заглиблення будівлі ГEС.

Основні габарити зігнутої відсмоктуючої труби визначаються для поворотно-лопатевих турбін заввишки h= (1,9-2,3)D₁ і довжиною L=(3,5-4,5)D₁. Для радіально-осьових турбін ці розміри декілька вище. Взагалі за енергетичними показниками завжди переважно вища труба, проте, як указувалося вище, із зростанням h збільшується об'єм робіт і вартість споруди ГЕС.

9.5. КАВІТАЦІЯ

Кавітація є фізичним явищем, що виникає в потоці при швидкому перебігу рідини, і робить вплив на енергетичні і механічні показники турбін, погіршуючи їх з моменту своєї появи.

Відомо, що чим менший тиск, що надається на рідину, тим нижче температура її кипіння. Якщо швидка проточна вода зустрічає на своєму шляху будь-яку перепону, то за нею з'явиться область зниженого тиску, і якщо тиск в цій області буде менше пружності водяної пари, то вода там закипить і утворюватимуться бульбашки пари. У міру подальшого просування бульбашок з потоком води в зону вищого тиску пар конденсату і в них утворюються порожнечі, а гори об'єднанують їх в крупні каверни. Ці порожнечі миттєво заповнюються водою і в центрі їх виникає гідравлічний удар з тиском до декількох тисяч атмосфер. Якщо порожнечі стуляються в потоці на металевій поверхні якої-небудь деталі або на бетоні, то останні починають руйнуватися.

Крім того, в зоні зниженого тиску починають інтенсивно виділятися з води гази (повітря), які потрапляючи в бульбашки пари, що стуляються, сильно стискаються, унаслідок чого температура газів різко підвищується. Кисень же (з повітря) при високій температурі, активно впливаючи на метал, сприяє корозії і додатковому його руйнуванню.

У реактивних турбін до кавітаційного руйнування схильні головним чином нижні (по потоку) поверхні лопатей робочого колеса, його камера, а також інші частини турбіни, де утворюється знижений тиск. У ковшових турбін при кавітації руйнуються в першу чергу сопла.

При кавітації виникає характерний шум і вібрація машини (іноді удари). Кавітація знижує ККД, пропускну спроможність в потужність турбін. Все це є украй небажаним, а у ряді випадків неприпустимим.

Руйнівну дію кавітації можна значно зменшити ретельною обробкою схильних до неї елементів турбіни, а також застосуванням для них особливо стійких матеріалів (хромонікелеві сталі).

Особливе значення має забезпечення безкавітаційних умов роботи реактивних турбін. Ці умови визначаються вибором відповідного заданому натиску швидкохідності турбіни , а також висоти відсмоктування Hs, визначуваної розміщенням турбіни щодо рівня нижнього б'єфу.

Кавітація буде відсутня, якщо буде дотримано наступну умову:

(9.1)

де В — барометричний тиск, мм. вод. ст., який визначається розташуванням турбіни над рівнем моря по формулі В=10,33— /900 (10,33 — атмосферний тиск на рівні моря,мм. вод. ст., а — абсолютна відмітка місцеположення турбіни над рівнем моря, м); σ — коефіцієнт кавітації, що змінюється в залежності типа турбіни і їхнавантаження.Зазвичай визначається при випробуванні моделі турбіни. Практично вважається, що кавітація буде відсутня, якщо

(9.2)

k — поправочний коефіцієнт, що вводиться при перерахунку коефіцієнта з моделі на натуру (k= 1,05-1,1).Висоту відсмоктування Hs прийнято відлічувати: для вертикальних радіально-осьових турбін — від нижньої площини направляючого апарату;для горизонтальних радіально-осьових і поворотний-лопатевих — від найвищої точки робочого колеса; i для вертикальних пропелерних і певеротно-лопатевих турбін — від осі розвороту лопатей робочого колеса.

Висота відсмоктування приймається додатньою, якщо площина відліку її знаходиться вищим за рівень води в нижньому б'єфі (див. мал. 9.9), інакше, коли робоче колесо турбіни знаходиться нижче за рівень нижнього б`єфа— негативною.