Раздел 2. Источники энергии водных масс Земли и технологии их преобразования. Гидросиловые установки для производства и потребления энергии

Лекция 4. Гидравлические установки, предназначенные для производства и потребления энергии. – Понятие о гидросиловых и гидроэлектрических установках. – Водяные мельницы и гидроэлектростанции, водоподъемные и насосные установки

Наиболее общим техническим понятием, к которому относится понятие "гидравлический двигатель", является понятие "машина". Под "машиной" подразумевается механизм (или сочетание механизмов), элементы которого осуществляют определенные целесообразные движения для преобразования энергии или производства работы.

В гидравлических машинах (гидромашинах) осуществляется обмен энергией между жидкостью и каким-либо рабочим органом, с которого или снимается механическая энергия (гидромашина — двигатель, или турбина), или к нему подводится механическая же (не химическая, электрическая, тепловая) энергия от привода (гидромашина — орудие, или насос). Таким образом, гидравлические машины представляют собой устройства для преобразования механической энергии воды и других жидкостей. В современном промышленном обществе они являются совершенно необходимым оборудованием практически во всех отраслях народного хозяйства.

Гидравлические машины относятся к классу так называемых проточных машин, в который, кроме них, входят и газовые машины, являющиеся устройствами для преобразования энергии воздуха и различных газов. Физические принципы действия гидравлических и газовых машин практически одинаковы, поскольку свойства жидкостей и газов во многом сходны, жидкости и газы относятся к одному классу вещества, называемого сплошной средой; отличия состоят в том, что газы сжимаемы, а жидкости практически несжимаемы.

К машинам обычно не причисляются устройства, в которых преобразование одного вида энергии в другой происходит без посредства твердого движущегося тела, как, например: гальванический элемент (перевод химической энергии в электрическую), трансформатор (перевод электрической энергии с одного напряжения на другое), паровой котел (перевод химической энергии топлива в энергию давления пара) и т. п. Подобные устройства часто называются аппаратами.

Жидкость может также служить средой, с помощью которой изменяются параметры подводимой энергии (например, давление), а преобразования энергии из одного вида в другой не происходит (гидропередачи).

Рабочим органом гидромашины может быть как твердое тело (лопасть вращающегося колеса, винт, шток, поршень и т. п.), так и жидкость или газ (в струйных гидромашинах).

Сегодня наиболее часто гидравлические машины применяются в следующих областях народного хозяйства:

• гидравлические двигатели — гидравлические турбины (гидротурбины) устанавливаются на гидроэлектростанциях (ГЭС), где они, преобразуя энергию потока воды, служат для привода генераторов; а также применяются в буровых установках для привода так называемых шарошек, разрабатывающих твердые горные породы;

• гидравлические машины — орудия — насосы служат для перекачивания (подъема на определенную высоту или передачи по горизонтали на некоторое расстояние за счет повышения давления в жидкости) жидкостей или их смесей или смесей жидкостей с твердыми телами, состоящими из мелких фракций, или газами;

• имеются также гидравлические машины для создания вакуума — вакуум-насосы.

Гравитационные водоподъемные машины — черпаковые насосы, были первой машиной, изобретенной человеком, они приводились в действие мускульной силой человека (рабов) или животных. В зеркальном энергетическом отображении аналогом черпаковых насосов стали появившиеся несколькими тысячелетиями позже наливные водяные колеса, ставшие приводом мукомольных и других водяных мельниц.

Несколько позже появились динамические водяные колеса, действовавшие за счет удара свободной струи воды о лопасти. Динамическое мутовчатое водяное колесо, уже называвшееся мутовчатой турбиной, или мутовкой, стало прообразом наклонноструйной турбины. Затем появились турбины других типов. Общим практически для всех видов гравитационных и динамических гидродвигателей является вращательная форма движения лопастного колеса. В гравитационных водяных колесах вода заполняет находящиеся по одну сторону от оси вращения лопасти — ковши, и тем самым создается вращающий момент, в динамических двигателях вода так или иначе обтекает лопасти, помещенные в поток, и за счет этого также создается вращающий момент.

Лопастные гидравлические двигатели принято делить на гидравлические турбины и водяные колеса. Максимально четкое разделение гидродвигателей на турбины и колеса заключается в том, что в водяных колесах вода работает преимущественно "ударом" струи о лопасти, в турбинах же ударного действия воды избегают, так как оно снижает КПД. Вторым отличием водяных колес от турбин является сход воды с их лопастей на тех же их кромках, на которых она на них вошла; у турбин же вода проходит через колесо насквозь.

Особую группу динамических насосов составляют насосы трения, к которым относятся струйные насосы (эжекторы) и эрлифты, а также вихревые насосы. В них используется внутреннее трение, возникающее в жидкости при ее активном взаимодействии с движущимся внутри нее рабочим органом, в качестве которого может выступать твердое тело, струя жидкости или газа.

Совершенно своеобразную группу динамических насосов составляют гидротараны, основанные на использовании такого гидравлического явления, как гидравлический удар.

Объемные гидравлические машины, или машины вытеснения, действуют за счет изменения давления жидкости в замкнутом пространстве, объем которого изменяется посредством механического устройства. Простейшие объемные гидромашины представляют собой закрытый с одной стороны цилиндр, внутренний объем которого циклически изменяется за счет движения внутри цилиндра поршня; при движении поршня из цилиндра внутрь последнего поступает жидкость через всасывающий клапан, а при движении поршня внутрь цилиндра давление в жидкости повышается, и она выталкивается через нагнетательный клапан.

Особую группу гидравлических двигателей, предназначенных для преобразования энергии волновой формы движения водных масс со свободной поверхностью, составляют волновые гидродвигатели.

Гидравлический двигатель (гидродвигатель) преобразует механическую энергию капельной жидкости в механическую же энергию твердого тела, движущегося поступательно (поршня, штока, скалки) или чаще вращательно (вала). Такой жидкостью чаще всего являются пресная вода и масло, гораздо реже — химические растворы, морская вода.

Механическая энергия текущей жидкости может быть трех видов: положения, давления и движения. Энергия первых двух видов (а иногда только первого) именуется потенциальной (запасенной), энергия последнего вида — кинетической (скоростной). Для характеристики количества механической энергии текущей жидкости традиционно применялось понятие удельной энергии, то есть энергии жидкости, взятой в количестве единицы ее веса. Если при этом механическая энергия измеряется килограммометрами, то такая отнесенная к 1 кг жидкости энергия Е будет иметь размерность длины, то есть измеряться метрами. Именно в метрах или других единицах длины и выражаются отдельные виды энергии, входящие в суммирующее их уравнение Даниила Бернулли для несжимаемой и невязкой жидкости:

,

где z — удельная энергия положения над какой-то горизонтальной плоскостью сравнения; р — давление, кг/м², отсчитываемое от нуля или атмосферного давления и тогда называемое избыточным; ∙g =  — объемный вес жидкости, т. е. вес ее в килограммах в объеме 1 м³; v — скорость жидкости, м/с; g — ускорение силы тяжести, м/с².

Небольшими колебаниями плотности пресной воды при ее температуре в естественных условиях между 0 и 20ºС и при изменении ее давления обычно пренебрегают и принимают для нее  = 1000 кг/м³. Для океанской соленой воды (в приливных гидростанциях)   1030 кг/м³.

Принято считать g = 9,81 м/с², хотя на крайнем севере России его значение повышается до 9,825, а на юге снижается до 9,782 в соответствии с формулой

,

где º — широта местности; м — отметка ее над уровнем моря.

На рис. 4.1 изображены три принципиально разных вида гидродвигателей, каждый из которых использует преимущественно один из трех видов энергии.

Слева наливное водяное колесо вращается потому, что одна его наполненная водой половина тяжелее другой. Справа груз поднимается вверх, так как на служащий ему опорой поршень вода оказывает давление. Посредине кинетическая энергия воды заставляет вращаться колесо турбины.

Рис. 4.1. Схемы трех видов гидродвигателей

Недоумения необходимо сделать оговорку, что введение в состав удельной энергии жидкости энергии давления является условным. Жидкости почти несжимаемы. Уединенный элемент несжимаемой жидкости (например, массой 1 кг) при уменьшении давления почти не расширяется, а следовательно, и не может производить работы, соответствующей изменению его давления; располагаемый им запас энергии определяется лишь энергиями положения и кинетической. Поэтому по существу член нельзя причислять к энергии, несомой самой частицей. Однако при рассмотрении вопросов, связанных с течением жидкости, удобно и эту величину включать в энергию частицы, в удельную энергию жидкости. В действительности же при использовании энергии, соответствующей этому члену, работу затрачивает не данная частица, а ряд частиц той же струйки, одновременно изменяющих свои энергии положения и скоростную и воздействующих на данную частицу. Таким образом, постановка буквыЕ перед трехчленом Бернулли является удобной условностью.

В соответствии с тем, какой вид энергии воды преобразует лопастной гидродвигатель, и водяные колеса, и турбины делятся на два класса — активные и реактивные. Активные двигатели преобразуют в механическую энергию только кинетическую энергию потока воды, реактивные — кинетическую энергию совместно с энергией давления, причем последняя составляет основную долю энергии, преобразованной гидродвигателем. Для использования энергии давления рабочее колесо гидродвигателя должно быть полностью погружено в поток. Энергия положения переводится еще до входа в рабочее колесо в эти два вида энергии, а сама как таковая внутри колеса почти не используется, так современные колеса вообще имеют относительно малый размер по высоте.

Под гидроэнергетической установкой понимают техническую систему (комплекс сооружений, оборудования, устройств) для преобразования энергии воды, в которой, независимо от первичного источника энергии воды (химической, тепловой, механической), на последнем этапе энергетических преобразований создается напор (концентрированный перепад уровней), преобразуемый в другие виды энергии, преимущественно электроэнергию, традиционным гидротурбинным агрегатом. Под первичным источником энергии воды понимают энергетический ресурс (энергетическое состояние) водных масс, присущий им в их естественном состоянии. Энергия, полученная водными массами в результате искусственного воздействия человека (например, нагревание и превращение в пар в тепловых электростанциях, в солнечных нагревательных установках, в тепловых прудах и т. п.), не входит в состав первичных источников, а относится к технологическому процессу подобных установок, поэтому такие энергетические установки не являются гидроэнергетическими.

Гидроэнергетическую установку любой мощности, любой конструкции и на любом первичном источнике энергии воды, предназначенную исключительно для производства электроэнергии, называют гидравлической электрической станцией, гидроэлектростанцией (ГЭС). Гидроэнергетическую установку, предназначенную для получения механической силы или производства промежуточного энергоносителя неэлектрической природы (например, жидкого водорода), называют гидросиловой установкой.

Лекция 5. Общая классификация гидравлических машин. – Машины-двигатели (турбины) и машины-орудия (насосы). – Типы гидромашин по принципу их действия. – Понятие об обратимости гидромашин. – Динамические (в том числе лопастные) и объемные насосы

Множество гидравлических машин делает возможной их классификацию по самым разнообразным признакам:

• по энергетическому признаку;

• по принципу действия;

• по конструктивному признаку, связанному, в том числе, с назначением и свойствами рабочей жидкости;

• по размерам, мощности;

• по типу привода или исполнительного органа;

• по материалу изготовления и т. д.

Большинство гидравлических машин обладает свойством обратимости, то есть одна и та же машина может использоваться и как машина-двигатель (турбина), и как машина-орудие (насос). Исходя из этого, дадим краткую, принципиальную классификацию гидромашин по энергетическому признаку, принципу действия и важнейшим конструктивным признакам. Основная цель классификации — показать единство принципов рабочего процесса различных типов машин, независимо от того, двигатель это или насос, то есть независимо от направления процесса преобразования энергии (сообщается энергия жидкости или отбирается от нее).

Действие известных гидравлических машин основано на небольшом числе физических явлений; в соответствии с используемыми явлениями гидравлические машины подразделяются на динамические, объемные и гравитационные.

На рис. 5.2 в развитие рис. 5.1 приведена более подробная классификация гидравлических двигателей.

В классификацию включены и гидравлические двигатели, действующие по иному принципу — принципу вытеснения (объемные). Они применяются в отдельных отраслях техники, но область их применения гораздо ýже, чем динамических двигателей. Они применяются лишь в виде мелких подсобных механизмов в ряде специальных машин, в частности, в станках для обработки металлов. Поршневые двигатели без кривошипного механизма, а лишь с передвижением напряженного штока применяются в гидротехнических устройствах для обслуживания затворов, в гидравлических прессах, а также в виде сервомоторов при обслуживании гидротурбин.

Наиболее простой по своей физической природе вид энергии жидкости — энергию положения (силу тяжести) — преобразует наливное водяное колесо.

Рис. 5.1. Общая классификация гидравлических машин

Рис. 5.2. Классификация гидравлических двигателей

Все другие гидравлические двигатели преобразуют кинетическую энергию текущей жидкости или одновременно кинетическую энергию и энергию давления; процесс преобразования энергии так или иначе связан с протеканием жидкости через рабочий орган, поэтому эта группа двигателей объединена термином "динамические".

Подавляющее большинство из этой группы составляют лопастные (водяные колеса и турбины), имеющие вращающийся рабочий орган в виде рабочего колеса (с одной осью вращения), снабженного лопастями той или иной формы, размеров и количества. При протекании потока жидкости через лопасти рабочего колеса тем или иным образом изменяется структура потока, это является основным условием преобразования энергии. При изменении скорости поток оказывает давление на лопасти и тем самым заставляет их двигаться, а несущее лопасти рабочее колесо — вращаться.

Несколько особняком по отношению к большой группе лопастных гидродвигателей стоят несколько двигателей, названных условно "водяными контурами". Эти двигатели имеют рабочей орган в виде бесконечной ленты, вращающейся как минимум на двух валах и, следовательно, имеющей две оси вращения. К бесконечной ленте прикреплены лопасти или заменяющие их устройства (паруса, парашюты), которые с одной стороны ленты расположены (развернуты) поперек потока, а с другой они расположены вдоль потока, или свернуты, или подняты над уровнем воды. Лопасти, расположенные в потоке и поперек него, под действием скоростного напора движутся вместе с потоком; лопасти с противоположной стороны ленты по возможности не препятствуют этому движению. За счет разности усилий на лопасти, расположенные на противоположных сторонах ленты, возникает крутящий момент, заставляющий ленту вращаться на валах, к одному из которых может быть подсоединен электрогенератор.

Поскольку в активных двигателях не предусмотрено преобразовывать энергию давления, то отсутствует необходимость погружения рабочего колеса в водный поток; рабочее коле­со целиком (в активных турбинах и во многих водяных колесах) или большей своей частью (в не­ко­торых водяных колесах) вращается в воздухе. При размещении колеса целиком в возду­хе давление воды на входе в колесо, в его пределах и на выходе одно и то же и в подавляю­щем числе случае равно атмосферному. Вся располагаемая энергия воды должна находиться пе­ред колесом в виде кинетической энергии. Тогда скорость истечения из подводящего элемен­та при­ближается к напорной скорости и лишь немного меньше ее из-за потерь в подводе.

Применение водяных колес может рассматриваться в экзотических целях как памятников технической мысли и технического искусства, в составе, например, водяных мельниц или водоподъемных систем, но их функциональные возможности не вызывают сомнений.

Объективные законы развития техники вообще и электроэнергетики (гидроэлектроэнергетики) в частности, обусловили в XX веке достижение исключительно высоких технологических, конструктивных и эксплуатационных показателей гидравлических турбин для гидроэлектростанций. Мощность гидротурбин достигла 730 МВт, максимальный КПД — более 96%.

Лекция 6. Классификация источников энергии водных масс Земли, традиционные и нетрадиционные способы их преобразования. – Речные и приливные гидроэлектростанции, волновые энергетические установки, установки для преобразования энергии течений, осмотические электростанции, океанские тепловые электростанции и другие

Наряду с широко используемой человеком гидравлической энергией рек, водные массы нашей планеты обладают огромным потенциалом механической (течения, приливы, волны), тепловой (градиент температур), химической (градиент солености, биомасса), атомной ("тяжелая" вода) энергии, способы использования которой находятся только в начальной стадии разработки, такие источники энергии называются нетрадиционными (табл. 6.1).

Таблица 6.1