6. Турбины и их установка на гэс.

Водяная турбина - это двигатель, превращающий потенциальную и кине­тическую энергию движущегося потока воды в полезную механическую работу.

Подразделяют два принципа работы турбины:

• активные схемы,

• пассивные схемы.

Общая схема активной турбины (струйно-ковшовой) имеет вид:

Схема активной гидротурбины: а - рабочее колесо; б - сопла.

Рис. 13

Схема реактивной гидротурбины: а - рабочее колесо; б - направляющий аппарат.

Рис. 14

На горизонтальном валу насажано колесо с лопатками, размещенными по всей длине окружности, которая называется рабочее колесо. Лопатки имеют форму ковшей. Вода из ВБ к рабочему колесу подводится при помощи трубопровода, который заканчивается - с о п л о м . Напор перед соплом целиком превращается в силу струи. Струя встречает на своем пути лопатки рабочего колеса и производит давление, которое поворачивает колес, тем самым производя работу. При этом процесс вращения колеса происходит непрерывно. Использование водной энергии идет при атмосферном давлении. Само производство энергии осуществляется за счет кинетической энергии струи. Здесь используется напор между УВБ и отметкой сопла. Ставят такие агрегаты на высоконапорных ГЭС.

Реактивными называют турбины, в которых колесо целиком находится в потоке воды под напором, и приводится во вращение реактив­ным давлением струй, протекающих между его изогнутыми лопатками. При этом давление передается на все лопатки одновременно. Обычно рабочее колесо насажено на вертикальном валу, который передает вращение генератору.

1. Наиболее распространённые типы турбин

1. радиально-осевые – лопасти рабочего колеса неподвижно закреплены на ободе.

Рис. 15. Схема улитки гидроагрегата

2. Поворотно-лопастные – также неподвижны на втулке. Однако они могут вращаться в цапфах соответственно напору для максимального коэффициента п.д.

Рис. 16. Схема установки ПЛ турбины

3. Пропеллерные

Рис. 17. Схема установки ПР турбины

Рис. 18. Наиболее распространённые схемы малых гидротурбин:

а - вертикальная Френсиса в открытой камере;  б - вертикальная пропеллерная в открытой камере;  в - горизонтальная в открытой камере;  г - горизонтальная кожуховая с лобовым (фронтальным) подводом;  д - горизонтальная в металлическом спиральном корпусе;  е - вертикальная Френсиса с металлической спиральной камерой;  ж - вертикальная с автоматически поворачивающимися лопастями рабочего колеса, или пропеллерная, в бетонной спиральной камере;  з - вертикальная Френсиса  в бетонной спиральной камере.

2. Реактивные гидротурбины

Гидротурбина с реактивной установкой состоит из:

• рабочего колеса,

• направляющего аппарата,

• турбинной камеры,

• отсасывающей трубы.

Направляющий аппарат служит для изменения расхода воды, поступающей на рабочее колесо, что необходимо для регулирования мощнос­ти турбины и поддержания постоянного числа ее оборотов. Частота тока в СССР 50 периодов в секунду. Максимальное отклонение от стандарта (300,250,214,.. 75, 60, 50 оборотов гидроагрегата) не более 5-6%. Для этого расход через турбину должен соответствовать мощности отдаваемой генератором:

Если нагрузка меньше - турбина пойдет в разгон, если нагрузка больше, то турбина сбавит обороты и не даст нормального напряжения и мощности.

Направляющий аппарат состоит из системы лопаток, расположенных вокруг колеса турбины. Каждая лопатка закреплена на оси и поворачивается одновременно с остальными на один и тот же угол. Они могут смыкаться за 3-8 сек, в зависимости от мощности управляющего сервомотора.

Турбинная камера - это место установки турбины в здании. Различают :

• открытые

• закрытые

Открытые – устраивают при напорах менее 6-8 м и малых диаметрах рабочего колеса.

Закрытые - это спиралевидные камеры, обеспечивающие равномерную подачу воды по всей окружности направляющего аппарата.

При напорах до 25 м изготавливают из ж/б, более 25 м - в виде улитки из металла.

Отсасывающая труба позволяет частично использовать кинетическую энергию потока из верхнего бьефа за счет разрежения в ней. Она заполнена водой полностью и выведена под УНБ. Имеет форму конфузора, т.е. расширяется и уменьшает потери напора. Все это вызвано нежеланием потерять напор, равный высоте турбины над УНБ.

Характеристика турбин

Основной характеристикой турбины является ее быстроходность, которая характеризуется коэффициентом быстроходности, или числом оборотов, даваемых геометрически подобной ей турбиной-моделью, кото­рая развивает мощность в 0,73 кВт при напоре I м.

Число оборотов турбины прямо пропорционально коэффициенту быст­роходности при данном напоре и мощности (это доказывается в теории гидравлических двигателей).

Желательно иметь более быстроходную турбину. Из формулы следует, что коэффициент быстроходности обратно пропорционален напору. Следовательно, каждая турбина хороша для своего напора. Имеются и другие ограни­чения. Например, кавитация, т.е. возникновение местных гидравлических ударов на поверхности обтекания в связи с пульсацией скорости, отчего происходит коррозия, усталость и разрушение металла.

Поэтому поворотно-лопастные используются при напорах менее 25-ЗО м, причем при коэффициенте 700-800 допустимы напоры 6-7 м. Зато радиально-лопастные при напорах от 25 до З00 м. При напорах выше 300-350 м только ковшовые.

Основные типы турбин имеют следующие коэффициенты:

1. ковшовые – 4-24;

2. радиально-осевые:

а) тихоходные 50-150,

б) нормальные 150-200,

в) быстроходные250-450;

3) Пропеллерные и поворотно-лопастные 300-1000

Эксплуатационные качества турбин

Их определяют во всем диапазоне напора и расхода ГЭС по величине КПД турбины. Для этого проводят испытание моделей всех типов турбин (их характеристики различны). Результаты наносят на график: где по оси абсцисс отложены

расходы (мощности) в % от макс., на оси ординат - КПД в %. При постоянном напоре получаем кривую, которая называется – расходная характеристика турбины

Наносят такие характеристики для разных турбин. И тогда хорошо видно, что во всем диапазоне изменения мощности КПД сохраняется лучше всего у ковшовых и ПЛ турбин. Все турбины на малых мощностях работают с малым КПД.

Для каждой турбины строят универсальные эксплуатационные характеристики, т.е. изменение КПД от изменения мощности и напора.

По оси абсцисс отложены значения напоров, по оси ординат – соответствующие мощности. Линии разных открытий направляющего аппарата проводятся прямыми лучами, Линии равных значений КПД имеют петлеобразный вид.

Число водяных турбин на ГЭС определяется по сезонным колебаниям расходов воды в реке. Конфигурацией графика нагрузки, режимом работы и строительно-экономическими соображениями. При всех колебаниях расходов - покрытие графика нагрузки или его части должно производиться с максимальным КПД.

N

Активные

Пропеллерные

Поворотно-лопастные

Френсиса

V

Рис. 19. Характеристики турбин