
Глава 11. Гидравлические двигатели
11.1. Основные определения. Классификация гидравлических турбин
Гидравлические турбины и водяные колеса относятся к многочисленному классу гидравлических машин, называемых гидравлическими двигателями динамического действия. В настоящее время гидравлические турбины практически полностью вытеснили водяные колеса, поэтому последние мы изучать не будем. Гидродвигатели объемного действия будут рассмотрены в гл. 12 как составная часть гидропривода. В данной главе мы остановимся лишь на гидротурбинах.
Гидравлическая турбина - это машина, в которой рабочий орган получает энергию от движущейся жидкости и преобразует ее в механическую энергию вращения вала; причем энергия жидкости на входе в турбину всегда больше, чем на выходе. Следовательно, в турбинах происходит рабочий процесс, обратный тому, который имеет место в насосах.
Т
урбины
устанавливают на гидроэлектрических
станциях (ГЭС), где они служат для привода
электрических генераторов. Принципиальная
схема установки турбины на ГЭС показана
на рисунке 1. Вода из верхнего бьефа (ВБ)
через
водоприемник и напорный водовод
подводится к турбине и, пройдя через
нее, выпускается через отсасывающую
трубу в нижний бьеф (НБ).
Разность
отметок верхнего и нижнего бьефов
называется статическим напором ГЭС Нст
(м):
Нст = zВБ – zНБ. (1)
Турбина использует не весь статический напор ГЭС, а только часть его - так называемый напор турбины, который представляет собой разность удельных энергий на входе в турбину и на выходе из нее:
Н = е1 – евых. (2)
Удельная энергия на входе согласно уравнению Бернулли:
,
(3)
где v1 - скорость на входе в турбину (в сечении I-I).
Пьезометрический
напор
в
сечении I-I
можно найти, составив уравнение Бернулли
для двух сечений 0-0
и
I-I
относительно уровня воды в нижнем
бьефе:
,
(4)
где
-
пьезометрический напор перед
водоприемником; hпот
-
гидравлические
потери в подводящем водоводе.
Принимая во внимание, что
z0 + h0 = Hст,
можно из уравнения (4) определить пьезометрическую высоту:
.
(5)
Подставив уравнение (5) в (3), получим значение удельной энергии на входе:
.
(6)
С определенной степенью допущения можно принять, что удельная энергия на выходе равна удельной энергии потока жидкости уровня нижнего бьефа е2 , т. е.
.
(7)
Тогда с учетом формул (6) и (7) уравнение (2) принимает вид:
.
(8)
Этот напор называется напором турбинной установки нетто в отличие от напора брутто, который представляет собой разность удельных энергий верхнего е0 и нижнего е2 бьефов:
.
(9)
Как видно из уравнений (8) и (9), напор Нбр отличается от напора нетто на величину потерь hпот.
Обычно разностью скоростных напоров в уравнении (9) пренебрегают ввиду ее малости, и напор турбины выражают как
Н = Нст – hпот. (10)
Следует иметь в виду, что hпот в этом выражении представляет сумму гидравлических потерь в водоводах, не только подводящих воду к турбине, но и отводящих ее от турбины в нижний бьеф.
Мощность потока жидкости Nпот, поступающей в турбину, зависит от напора Н (м) и расхода Q (м3/с). Так как весовой расход равен pgQ, то мощность потока будет (Вт):
Nпот = pgQН. (11)
Однако не вся мощность потока передается валу и является полезной, так как имеются потери в самой турбине, которые учитываются КПД турбины:
,
(12)
где N - полезная мощность на валу турбины.
Для пресной воды = 1000 кг/м3. Учитывая, что g = 9,81 м/с2, а 1 кВт =1000 Вт, можно выразить полезную мощность (кВт):
N = 9,81QHт. (13)
Эта формула широко применяется при расчетах турбин и проектировании ГЭС.
Количество энергии, полученной рабочим колесом от 1 кг жидкости, может быть определено из турбинного уравнения Эйлера (10.12) с учетом т:
Нн =т (u1v1 cos 1 - u2v2 cos 2)/g.
По принципу работы турбины могут быть разделены на две основные группы: активные и реактивные.
В активных турбинах, которые называют также свободно-струйными, статический напор переходит в кинетическую энергию раньше, чем струя воды соприкоснется с рабочим колесом. Вода с большой скоростью выбрасывается через один или несколько сопловых насадков в виде струй, которые ударяются о лопатки открытого рабочего колеса, сообщая ему момент вращения. Наиболее характерной для этого типа турбин является кошевая турбина Пельтона.
В реактивных турбинах (напороструйных) потенциальная энергия давления используется в большей степени, чем кинетическая. В этих турбинах рабочее колесо полностью погружается в жидкость и находится в ней под давлением, а все его лопасти постоянно обтекаются потоком. Скорость потока перед входом на рабочее колесо даже при высоких напорах сравнительно небольшая; поэтому значение потенциальной энергии, используемой реактивной турбиной, всегда больше, чем кинетической.
Для оценки степени реактивности турбин вводится так называемый коэффициент реактивности, который показывает, какая доля статического напора (удельной энергии) используется в турбине в виде энергии давления:
,
(14)
где v - скорость воды при выходе ее из направляющего аппарата.
Для активных турбин = 0, для реактивных > 0,5 и возрастает при увеличении коэффициента быстроходности турбин.