5. Турбинные камеры, назначение, классификация. Потери энергии в спиральной камере. Отсасывающие трубы гидротурбин. Направляющий аппарат.

Спиральная (турбинная) камера. Первым по потоку рабочим органом турбины является спиральная камера, обеспечивающая организованный подвод воды к НА с минимально возможными потерями, а также создание предварительной закрутки потока.

В зависимости от величины напора и типа гидроэлектростанции применяют различные типы турбинных камер. Бетонная спиральная камера с неполным углом охвата и трапециевидной формой поперечных сечений нашла наибольшее применение при малых и средних напорах Н = 3 ÷ 45 м. Угол охвата φ = (180 ÷ 225)°;

Бетонная спиральная камера состоит из входной открытой части и спирального канала, характеризуемого углом j_сп. В месте соединения спирального канала с правой по направлению потока стенкой неспиральной части размещается так называемый зуб спирали. Угол охвата j_сп спиральной камеры отсчитывают от зуба до входного сечения. Спиральные камеры с неполным углом охвата имеют угол ф < 360°.

Металлические сварные спиральные камеры с круглыми сечениями применяют при средних и высоких напорах Н = (150 ÷ 700) м. j_сп = (345 ÷ 360)°; а = 0,5 ÷ 1.

Металлические спиральные камеры и статоры крупных турбин обычно изготовляют сварными, в виде металлических конструкций, восприни­мающих часть или полное усилие, с круглыми или овальными сечениями. Компоновка высоконапорных радиально-осевых турбин обычно предусматривает частичное или полное бетонирование спирали.

Выбор типа конструкции связан с величиной напора и размером турбины. Для напоров меньше 200 м спиральные камеры изготовляются, как правило, из листового проката и свариваются непосредственно при монтаже.

Потери энергии в СК. Движение жидкости в СК является существенно трехмерным. Скорости потока варьируются как в поперечном, так и в продольном направлении. Определяющим видом потерь в СК являются потери по длине.

Если относительные шероховатости (Δ) модели и натуры близки, то и коэф. Сопротивления примерно совпадают.

Удобно выражать потери относительно скорости во входном сечении: , тогда относительные потери в СК получим в виде . Скорость во входном сечении . Введем понятие относительной площади: .

, выразим Q и подставим в выражение относит потерь: .

Относительная величина потерь в СК невелика, но от качества согласования спирали с последующими рабочими органами и равномерности создоваемого потока существенно зависят потери в них.

Направляющий аппарат. Направляющий аппарат состоит из одинаковых, равномерно расположенных лопаток, имеющих возможность синхронно поворачиваться относительно своих осей.

Функции направляющего аппарата: создание равномерного, осессиметричного потока, закрученного относительно оси вращения рабочего колеса; регулирование расхода и мощности турбины путем изменения проходного сечения и циркуляции на входе в Р.К.;полное перекрытие потока через турбину, в том числе и в аварийных случаях.

Радиальный (цилиндрический) направляющий аппарат применяют в радиально-осевых, диагональных и осевых вертикальных гидротурбинах. Конический направляющий аппарат находит при­менение в капсульных, реже в диагональных и вертикальных осе-ных гидротурбинах. Осевой направляющий аппарат применяют в прямоточных гидротурбинах. Отличия в этих конструкциях касаются в основ­ном формы профиля и схемы привода направляющих лопаток, конструкции стопора направляющего аппарата и предохранительных устройств, а также типа применен­ных уплотнений. Схемы привода различаются лишь принципом передачи усилия от сервомоторов, что осуществляется либо через центральное регулирующее кольцо и распредели­тельный механизм, либо непосредственным воздействием на рычаги направляющих лопаток от индивидуальных сервомоторов, управляющих положением каждой лопатки и имеющих ту или иную схему синхронизации. Преимущественное распро­странение получил привод с центральным регулирующим кольцом.

Поворот регулирующего кольца через соединенные с ним шарнирно серьги, пальцы, накладки и рычаги вызывает синхронный поворот всех направляющих лопаток на один и тот же угол.

Герметичность направляющего аппарата в закрытом положении обеспечивается системой уплотнений. Лопатка НА выполняется в виде литой или сварно-литой (сварно-кованой) конструкции, состоящей из профильной части и круглых опорных цапф, служащих для фиксирования положения лопатки и обеспечения поворота вокруг заданной оси.

В случае попадания между соседними лопатками посторонних предметов при ходе на закрытие срезной палец разрушается и лопатка с рычагом остается в прежнем положении, а накладка перемещается в со­ответствии с ходом регулирующего кольца. Такое устройство защищает другие детали механизма от возможных перегрузок.

Конструкция направляющего аппарата должна удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: мак­симальное открытие направляющего аппарата должно обеспечить расчетный расход через турбину (с запасом не менее 5%) и ее номи­нальную мощность; полное закрытие турбины при условии мини­мальных протечек через зазоры; при потере управления (разрушение предохранительного элемента) лопатка не должна поворачиваться под воздействием потока вокруг собственной оси.

Из направляющего аппарата вода поступает в пространство в котором она, направляясь поверхностями крышки турбины и нижнего кольца на­правляющего аппарата, подхо­дит к рабочему колесу.

Отсасывающая труба. Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для: отвода воды от рабочего колеса в нижний бьеф с минимальными потерями энергии; использования части геометрического напора, если рабо­чее колесо турбины расположено над нижним бьефом; преобразо­вания кинетической энергии потока, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления. Величина кинетической энергии потока на выходе из рабочего колеса зависит от типа гидротурбины и ре­жима ее работы.

При отсутствии отсасываю­щей трубы энергия потока после рабочего колеса теряется, и КПД турбины уменьшается. При установке отсасывающей трубы, которая представляет собою прямоосный или изогнутый диффузор определен­ных размеров, кинетическая энергия потока после рабочего колеса преобразуется в энергию давления. В результате под РК создается дополнительное разрежение, вследствие чего напор, используемый турбиной, возрастает.

Размеры и тип отсасывающей трубы также влияют на кавитационные и пульсационные характеристики турбины, габариты и стоимость подводной части здания ГЭС. Следовательно, при вы­боре типа и размеров отсасывающей трубы необходимо тщательно проанализировать ее влияние на характеристики гидротурбины и стоимость здания ГЭС и при помощи технико-экономических рас­четов выбрать оптимальный вариант.

В зависимости от компоновки гидроагрегата (вертикальное или горизонтальное расположение вала) применяются изогнутые с тем или иным типом ко­лена и прямоосные отсасывающие трубы. Основным параметром, определяющим гидравлические харак­теристики изогнутой отсасывающей трубы, является ее высота h.

Независимо от формы отсасывающей трубы уменьшение ее высоты приводит к паде­нию КПД турбины. При этом наиболее резкое снижение КПД наблюдается на тур­бинах большой пропускной способности. С уменьшением пропускной способности турбины влияние высоты отсасывающей трубы на ее энергетические показатели уменьшается.