19. Гідравлічні машини, їх класифікація та галузі використання. Гідравлічний удар. Явище кавітації

Гідравлічні машини призначені для переміщення рідини, перетворення енергії потоку рідини в механічну енергію, а також передачі механічної енергії від двигуна до машини, яка виконує корисну роботу, або перетворення різних видів рухів і швидкостей за допомогою рідин. Гідромашини поділяться на три основні класи: насоси, гідродвигуни і гідроприводи. Вони відрізняються своїми енергетичними і конструктивними особливостями, але загальним для них є те, що робочим тілом є рідина.

Насос – машина, призначена для створення потоку рідинного середовища. За характером силової дії насоси поділяються на динамічні та об’ємні. У насосах динамічної дії рідинне середовище переміщується за рахунок силової дії на нього в робочій камері, що постійно сполучена із входом і виходом насоса. До них відносять: відцентрові, осьові, струминні тощо. У насосах об’ємної дії рідинне середовище переміщається за рахунок періодичної зміни об’єму камери, яку воно займає, поперемінно сполучаючись із входом і виходом насоса. До них відносять: поршневі, плунжерні, діафрагмові, роторні, крильчаті та інші. Всього нараховують близько 130 видів насосів.

Гідравлічні двигуни, як і насоси, діляться на машини динамічної і об’ємної дії. До них відносять гідротурбіни, водяні колеса, гідроциліндри, роторні гідромотори. Їх широко застосовують у гідроенергетиці, нафтодобуванні, транспорті тощо.

Гідроприводом називається сукупність пристроїв, призначених для приведення в рух механізмів та машин за допомогою рідини. Гідропривід складається з трьох основних частин: гідропередачі, пристрою керування та обслуговуючого пристрою. Силовою частиною гідроприводу є гідропередача, що складається із насоса і гідродвигуна. Гідроприводи широко застосовують у машинобудуванні, транспорті тощо. Різноманіття рухів і операцій, отриманих від гідроприводів у різних машинах, сприяло створенню різноманітних схем передачі енергії. Робочим органом у кожній зі схем об'ємних гідропередач є гідродвигун. У залежності від руху вихідної ланки гідродвигуни поділяються на три класи:

• гідроциліндри – об'ємні гідродвигуни з поступальним рухом вихідної ланки;

• поворотні гідродвигуни – об'ємні гідродвигуни з обмеженим кутом повороту вихідної ланки;

• гідромотори – об'ємні гідродвигуни з обертальним рухом вихідної ланки.

Гідравлічна турбіна відноситься до гідравлічних машин динамічної дії. Гідротурбіна — це машина, в якій робочий орган одержує енергію від рухомої рідини і перетворює її на механічну енергію вала, причому енергія рідини на вході в турбіну завжди більша, ніж на виході. Це означає, що в гідравлічних турбінах проходить процес, обернений тому, що має місце в насосах.

Гідравлічні турбіни за принципом роботи поділяться на:

• активні;

• реактивні.

В активних турбінах вода з великою швидкістю виходить через один або декілька соплових насадок у вигляді струменів, які вдаряються об лопатки відкритого робочого колеса і надають йому деякий момент обертання. До таких турбін належать ковшові турбіни (рис.5.10). Турбіна складається з робочого колеса 7, закріпленого на валу 8 вище рівня води. Колесо обертається в повітрі, й тільки частина лопаток взаємодіє з водою. Вода подається на робочі лопатки 6 по трубопроводу 2 через сопло 1. Робоче колесо складається з диска, по колу якого закріплені робочі лопатки. Кожна лопатка виконана у вигляді напівсфер, розділених ножем 5. Робоче колесо встановлене в корпусі таким чином, що ножі співпадають з віссю струменя. При натіканні на лопатки струмені розділяються ножем на дві частини. Кожна з частин обтікає свою напівсферу, діючи на лопатки з деякою силою F. У залежності від діаметра робочого колеса загальна кількість лопаток коливається від 12 до 40.

Рис.5.10. Ковшова турбіна

Потужність, яку розвиває турбіна, регулюють зміною подачі води через сопло. Для цих цілей застосовують голку 2, яка дозволяє змінювати або повністю перекривати вихідний переріз сопла.

У реактивних турбінах потенціальна енергія тиску рідини використовується в більшій мірі, ніж кінетична. У таких турбінах робоче колесо повністю занурене в рідину. Швидкість потоку рідини перед входом на робоче колесо при великому напорі порівняно невелика, тому потенціальна енергія, що використовується в реактивних турбінах, завжди більша від кінетичної. До реактивних турбін належать: осьові, діагональні та радіально-осьові.

Спожита потужність гідравлічної турбіни залежить від напору і витрат рідини. Спожита потужність N_спож визначається:

N_спож=ρgНQ,

де Н – напір рідини; Q – витрати рідини.

Але не вся потужність напору, що передається на вал, є корисною. Це обумовлюється втратами енергії в самій турбіні, що впливають на ККД:

,

,

де – корисна потужність гідравлічної турбіни.

Для прісної води при ρ=1000 кг/м³ корисна потужність визначається як:

N_кор=9,8HQ η_т.

Ця формула широко застосовується при проектуванні ГЕС та при розрахунках гідравлічних турбін.

20. Парові турбіни, класифікація сучасних турбін, коефіцієнт корисної дії. Теплові електричні станції, їх схеми і основне устаткування. Економічні показники теплоелектростанцій. Сучасні атомні електростанції, перспективи атомної енергетики.

Основним двигуном на теплових станціях є парова турбіна (рис.6.5), де процес перетворення теплової енергії в механічну роботу здійснюється безперервно. Робота парової турбіни основана на витіканні водяної пари і використанні її кінетичної енергії для одержання механічної роботи.

Д

Рис.6.5. Парова турбіна

ля цього з котельного агрегату перегріта пара високого тиску та високої температури подається до соплового апарата 1 турбіни. У соплах пара розширюється, при цьому кінетична енергія її різко збільшується. Виходячи з великою швидкістю з соплового апарата, пара попадає на лопатки 2, які знаходяться на ободі диска 3, що жорстко закріплений на валу 4.

Пара, яка проходить по криволінійному каналу між лопатками змінює напрямок руху і втрачає швидкість. При цьому пара віддає більшу частину своєї кінетичної енергії лопаткам, перетворюючи її в механічну енергію обертання вала турбіни. Вал і диск з лопатками утворюють ротор турбіни, встановлений у корпусі.

Перетворення кінетичної енергії пари в механічну роботу обертання вала може проходити по активному та реактивному принципах.

Турбіни, в яких розширення пари проходить тільки в соплах, а на робочих лопатках використовується лише кінетична енергія пари при сталому тиску, називають активними. Принцип роботи активної турбіни характеризується такими показниками:

– абсолютна швидкість пари при виході на лопатки відповідає швидкості витікання пари із сопла;

– перетворення енергії тиску пари в кінетичну енергію здійснюється тільки в соплах;

– на робочих лопатках не проходить розширення пари і тому відносна швидкість майже не змінюється;

– корисна робота отримується за рахунок зменшення абсолютної швидкості пари.

Активні парові турбіни використовують для привода невеликих допоміжних механізмів.

Реактивними турбінами називаються такі, в яких розширення пари відбувається не тільки в соплах, а і на лопатках робочого колеса. Це досягається тим, що канал, утворений робочими лопатками, робиться звуженим. Розширення пари в каналах супроводжується її прискоренням по відношенню до робочих лопаток, внаслідок чого пара створює на лопатках турбіни, крім активного тиску, ще й реактивний тиск. Реактивний тиск напрямлений в протилежний бік швидкості витікаючого струменя.

Реактивні турбіни характеризуються такими показниками:

– перетворення потенціальної енергії пари в кінетичну проходить не тільки в соплах, а й на робочих лопатках;

– внаслідок розширення пари у робочих лопатках по різних боках робочого колеса будуть різні значення тисків, тому в турбінах виникають осьові тиски, спрямовані вздовж вала;

– абсолютна швидкість пари на вході завжди більша абсолютної швидкості виходу пари з робочих лопаток.

Порівнюючи активну і реактивну турбіни можна стверджувати, що основним недоліком реактивної турбіни є виникнення великих осьових зусиль на валу турбіни в порівнянні з активною турбіною.

Реактивні турбіни не одержали самостійного застосування. На практиці застосовують комбіновані турбіни, в яких спочатку пара високого тиску проходить через активну ступінь турбіни, а потім зі зниженим тиском проходить ступені реактивної турбіни.

Газотурбінні установки. Газотурбінною установкою (ГТУ) називається установка з двигуном у вигляді турбіни, робочим тілом в якій є продукти згорання рідкого або газоподібного палива, що згорає в спеціальних камерах згорання. ГТУ працює або із згоранням палива при сталому тиску, або при сталому об’ємі. На практиці переважно використовують ГТУ, що працює із згоранням палива при Р = const. Газотурбінну установка цього типу використовують в авіації, транспорті тощо.

Теплові електростанції (ТЕС) – це підприємства, які виробляють електроенергію для споживачів, а також тепло і гарячу воду. У нашій країні ТЕС виробляють 42% всієї електроенергії.

ТЕС класифікуються:

1. За типом двигунів (паротурбінні, газотурбінні та станції з двигунами внутрішнього згорання).

2. За способом вироблення енергії теплові станції поділяють на дві групи:

–конденсаційні (КЕС) – станції, які виробляють тільки електроенергію для споживача і для своїх потреб;

–теплоелектроцентралі (ТЕЦ) – станції, які виробляють не тільки електричну енергію, а й пару та гарячу воду для споживачів.

3. За потужністю:

• до 25 000 кВт – станції малої потужності;

• до 100 000 кВт – середньої потужності;

• більше 100 000 кВт – великої потужності.

4. За початковими параметрами пари:

• низького тиску (до 3 МПа);

• середнього тиску (до 5 МПа);

• високого тиску (до 20 МПа).

Основним типом ТЕС середньої і великої потужності є станції, які обладнані паровими турбінами.

Атомні електростанції. Природною сировиною, яку використовують в атомній енергетиці, є уран. Він складається з ізотопів , , . В атомних реакторах використовують, крім природного урану, штучний плутоній – 239 і уран – 233.

Установка, в якій відбувається спонтанно-регульована реакція розщеплення ядер і перетворення вивільненої енергії в теплоту, називається реактором. Реактори бувають гомогенні та гетерогенні (гомогенні практично не використовуються). Оскільки теплоносій після атомного реактора є радіоактивним і небезпечним для обслуговуючого персоналу, на атомних електростанціях використовують двоконтурні теплові схеми.

В Україні працюють такі АЕС: Рівненська, Хмельницька, Запорізька, Південно-Українська. Чорнобильська АЕС виведена з роботи у зв’язку з небезпекою при її експлуатації. У нашій країні атомні електростанції виробляють 50–52% всієї електричної енергії.

Атомна енергетика на Україні має широкі перспективи. Планується до 2030 року побудувати і ввести в дію п’ять нових реакторів на вже працюючих АЕС.

