7 Гидротурбины

7.1 Основные показатели гидротурбин

Гидравлические турбины в качестве гидродвигателей нашли широкое использование как стационарные машины на гидроэлектростанциях, а также как передвижные - в турбобурах, применяемых при бурении скважин для добычи нефти и газа. Конкретные условия эксплуатации гидравлических турбин определяют большое разнообразие их конструкций.

Гидротурбина, являясь гидродвигателем, характеризуется такими показателями работы, как крутящий момент на валу М, угловая скорость вращения вала , эффективная мощность Nэф и коэффициент полезного действия .

Размерности этих параметров следующие:

где - частота вращения в секунду (число оборотов вала в единицу времени).

Произведение крутящего момента на угловую скорость вала называется эффективной мощностью - мощность, которая может быть использована исполнительной машиной (например, долотом).

Мощность потока жидкости, обеспечивающего действие гидротурбины, представляет собой гидравлическую мощность:

где Q - объемный расход жидкости в турбобуре, соответствующий подаче насоса;

р- перепад давления, т.е. разность давлений на входе в гидротурбину и на выходе из нее.

Коэффициент полезного действия турбины - это отношение эффективной мощности к гидравлической

Необходимость соединения производного двигателя большой мощности с исполнительными машинами (насосами, лебедками и др.), выполняющими технологические процессы с колеблющимися нагрузками, потребовала создания трансмиссий, которые воспринимают такие нагрузки, позволяют работать при переменной скорости выходного звена и облегчают автоматизацию процесса передачи энергии. Такими трансмиссиями являются гидропередачи (турбопередачи), которые включают лопастные колеса насоса и турбины.

В технической литературе одинаково используются термины: гидропередачи и турбопередачи, гидромуфты и турбомуфты,гидротрансформаторы и турботрансформаторы. В тексте используется термин «турбо».

7.2 Устройство и классификация турбин

Гидравлической турбиной называется гидравлический двигатель, служащий для преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию вращения вала турбины.

Гидравлическая турбина состоит из двух основных частей: неподвижного направляющего аппарата - статора, придающего потоку жидкости вполне определенное направление, и вращающегося рабочего колеса - ротора, имеющего лопасти, воздействуя на которые поток жидкости передает свою энергию, приводя ротор во вращение.

Помимо этих частей турбина имеет регулирующее устройство, чтобы поддерживать определенный режим работы турбины, отсасывающую трубу для отвода жидкости из турбины.

Гидравлическая турбина состоит из двух основных частей: неподвижного направляющего аппарата - статора, придающего потоку жидкости вполне определенное направление, и вращающегося рабочего колеса - ротора, имеющего лопасти, воздействуя на которые поток жидкости передает свою энергию, приводя ротор во вращение.

Помимо этих частей турбина имеет регулирующее устройство, чтобы поддерживать определенный режим работы турбины, отсасывающую трубу для отвода жидкости из турбины.

Представим принципиальную схему турбины (рисунок 7.1), она имеет основные части: вращающий ротор с лопатками 1, неподвижный лопаточный статор 2, отсасывающую трубу 3 и вал 4.

Рисунок 7.1

Рассмотрим некоторые принципы классификации гидравлических турбин:

1 По направлению движения жидкости в роторе турбины бывают: радиальные (рисунки 7.2 и 7.3), радиально-осевые, осевые и тангенциальные.

Рисунок 7.2

На рисунке 7.2 представлена схема гидравлической турбины с внешним подводом жидкости центростремительная турбина Френсиса. Она состоит из статора 1, ротора 2, вала 3 и подводящего канала 4.

Рисунок 7.3

На рисунке 7.3 изображена гидравлическая турбина с внутренним подводом жидкости - центробежная турбина Сафонова. Она имеет статор 1, ротор 2, вал 3 и подводящий канал 4.

Радиально-осевые и осевые турбины представлены на рисунке 7.4 и 7.5, они имеют статор 1, ротор 2 и вал 3.

Рисунок 7.4 Рисунок 7.5

Радиально-осевые турбины обеспечивают изменение направления потока в роторе турбины с радиального на осевое. В осевых турбинах ротор имеет лопасти, направляющие поток параллельно оси вала.

Рисунок 7.6

Тангенциальная турбина Пелтона (рисунок 7.6) имеет ротор с ковшами 1, сопло 2, представляющие направляющие аппарат, вал 3, с которого снимается мощность.

2 По положению в жидкости турбины делят на погружные и непогружные. Все турбины работают погруженные в жидкость, за исключением тангенциальных.

3 По характеру преобразования энергии турбины бывают активные и реактивные.

Активной турбиной называется турбина, в которой при постоянном давлении (атмосферном) происходит преобразование кинетической энергии в механическую вращения ротора.

Если составить уравнения удельной энергии при входе и выходе потока жидкости из рабочего колеса (ротора), то получим:

на входе: ;

на выходе: .

Напор, срабатываемый в турбине составит . Следовательно, гидравлическая энергия, преобразуемая в турбине в механическую, состоит из удельной потенциальной энергии

и кинетической:

Для активной турбины (р = const) удельная потенциальная энергия равна нулю, т.е. срабатываемый напор представляет удельную кинетическую энергию

Реактивные двигатели - это турбины, в которых давление на входе больше давления на выходе , т.е. уменьшение давления вызывает ускорение движения потока, что приведет к появлению реактивного воздействия потока на лопасти, приводя во вращение вал турбины.

4 По числу ступеней гидравлические турбины бывают: одноступенчатые (одна ступень состоит из ротора и статора) и многоступенчатая, рабочая жидкость движется последовательно через ряд ступеней.