Лекция 2.

Виды гидромашин. Классификация гидротурбин. Схемы гидротурбинных установок.

2.1 Виды гидромашин.

*Гидравлическая машина – это устройство, в котором происходит передача механической энергии от протекающей через неё жидкости рабочему органу гидромашины, или наоборот, от рабочего органа гидромашины к протекающей через нее жидкости.

Е₁ > Е₂ – турбина Е₁ < Е₂ – насос Е₁ = Е₂ - гидропередача

Рис. 2.1 Схема к определению видов гидромашин.

** Гидравлические турбины – гидравлические машины, в которых рабочий орган получает энергию от потока жидкости и энергия на входе в ГМ больше, чем на выходе.

** Насосы – гидравлические машины, в которых энергия от рабочего органа передается протекающей жидкости и энергия на входе в ГМ меньше, чем на выходе.

*** Объемные гидромашины – гидромашины, в которых преобразование энергии происходит в основном за счет изменения давления рабочей среды. Принцип действия объемных ГМ основан на вытеснении жидкости рабочим органом, в них существует тесная взаимосвязь между перемещением рабочего органа и объемом перемещаемой жидкости. (Пример: гидроцилиндры)

*** Динамические гидромашины – гидромашины, в которых преобразование энергии происходит за счет всех составляющих энергии потока. Динамические гидромашины, в которых происходит обмен энергией между жидкостью и вращающимся рабочим колесом называются лопастными гидромашинами. В них нет жесткой связи между перемещением рабочего колеса и объемом перемещаемой жидкости.

Лопастные гидромашины

Турбины

Гидропередачи

Осевые Гидротрансфоматоры

Диагональные Гидромуфты

Обратимые гидромашины

Радиально-осевые Гидропривод

Осевые

Диагональные

Радиально-осевые

Насосы

Осевые

Диагональные

Радиально-осевые

Рис. 2.1 Виды гидромашин

2. 2 Классификация гидротурбин.

Гидравлические турбины применяют на напоры Н = 2 ÷ 2000 м при различных величинах расхода. Самой высоконапорной в настоящее время является ГЭС Райсек в Австрии, имеющая напор 1767 м. Для того, чтобы эффективно ис­пользовать энергию потока при различном сочетании расхода и на­пора, необходимо располагать набором турбин, которые различа­ются между собой как по особенностям рабочего процесса, так и по конструкции и размерам. В зависимости от особенностей преобра­зования энергии потока в механическую энергию на валу гидравли­ческие турбины разделяют на классы: реактивные (с избытком давления) и активные (свободноструйные).

Реактивные гидротурбины (напорноструйные), в которых давление в потоке на входе в рабочее колесо больше, чем на выходе из него.

Активные турбины (свободноструйные)— давление в потоке на входе и выходе из рабочего колеса одинаково и равно, как пра­вило, атмосферному давлению.

Деление на классы производится в зависимости от того, за счет какого вида энергии работает рабочее колесо турбины.

Разность удельных энергий потока на входе:

Е_вх = z₁ + +

и на выходе из рабочего колеса :

Е_вых = z₂ + +

представляет собой срабатываемый напор, используемый на рабочем колесе гидротурбины:

Н_т = (z₁ + + ) – (z₂ + + ), м.

В реактивных гидротурбинах потенциальная энергия потока на входе в рабочее колесо (z₁ + ) больше, чем на выходе из него (z₂ + ), т. е. разность потенциальных энергий: ∆П =z₁ – z₂ > 0.

Кроме того, в рабочем колесе реактивных гидротурбин частично используется кинетическая энергия потока.

В активных гидротурбинах давление на входе и на выходе из рабочего колеса одинаково. Следовательно, в рабочем колесе используется только кинетическая энергия потока: К = , подводимая к нему в виде свободных струй.

Для установления соотношения между степенью использования потенциальной и кинетической энергии потока в рабочем колесе и классификации гидротурбин вводят понятие коэффициента реак­тивности – ρ, который характеризует отношение использованной в рабочем колесе удельной потенциальной энергии потока ко всему рабочему напору:

ρ =

Для чисто реактивной турбины v₁ = v ₂ и p₁ > р₂ > Р_атм, z₁ > z₂ поэтому ρ = 1.

Для активной гидротурбины v₁»v₂; р₁ = р₂ = Р_атм и z₁ ≈ z₂, следовательно ρ = 0.

Чем выше степень реактивности турбины, тем большая часть энергии давления потока используется в рабочем колесе. Величина коэффициента реактивности для различного типа реактивных гидро­турбин в зависимости от их быстроходности находится в пределах 0,5 < ρ < 1.

В направляющем аппарате реактивной гидротурбины только часть потенциальной энергии потока преобразуется в кине­тическую энергию, и на входе в рабочее колесо давление в потоке больше атмосферного. Поток по всему периметру рабочего колеса подводится равномерно. Поскольку в проточной части реактивной гидротурбины давление непрерывно изменяется, то она должна быть полностью герметичной.

В активной гидротурбине практически вся удельная потенциаль­ная энергия потока преобразуется в направляющем аппарате в ки­нетическую энергию струи (или струй). Средняя скорость потока на выходе из сопла равна v = ф, м/с, где ф = 0,97 ÷ 0,985 — скоростной коэффициент.

Движение струи на ковшах рабочего колеса безнапорное, так как происходит при наличии сво­бодной поверхности. Поэтому относительная скорость потока на рабочем колесе почти не меняется. Поскольку в рабочем колесе про­исходит преобразование кинетической энергии абсолютного потока в механическую энергию гидротурбины, абсолютная скорость по­тока на выходе из рабочего колеса мала. Подвод воды к рабочему колесу активной гидротурбины парциальный, в виде отдельных струй.

Реактивные и активные гидротурбины подразделяют на различ­ные системы в зависимости от направления потока в рабочем колесе и способа регулирования расхода.

Каждая система имеет тихоходные, нормальные и быстроходные типы турбин, характеризуемые значением коэффициента быстроходности

n_s =

Быстроходность турбины определяется в основном формой рабочего колеса и его лопастей.

Гео­метрически подобные турбины различных размеров образуют серию. Таким образом, общая классификация гидротурбин может быть пред­ставлена следующей схемой: