1. Гидравлические турбины, использование энер­гии в гидравлических турбинах

1. Энергия и мощность гидротурбин

Гидравлическая турбина - это двигатель, преобразующий меха­ническую энергию потока в энергию вращения рабочего колеса гидро­турбины. Энергия потока состоит из 2-х частей - кинетической и по­тенциальной. Человек с давних времен использовал кинетическую часть водной энергии, создавая разные типы водоподливных и водона­ливных колес (рис. 1.1.), не строя для этого подпорных сооружений на естественных руслах рек.

Рис. 1.1 Схема работы: а) водоподливноео и 6) водоналивного колеса;

1 - наклонное русло реки (а), лоток, подводящий воду (б); 2 - лопасти колеса; 3 - вал колеса

Кинетическая энергия определяется выражением: .

Потенциальная энергия потока определяется высотным положе­нием географической точки местности над уровнем океана.

Таким образом, можно подсчитать мощность водоподливного колеса _Nк.с. и водоналивного колеса, которая в первом случае будет равна:

N_к.с. = = gQ ,

где:W - объем жидкости, имеющий массу gW;

g – плотность жидкости, 1000 кг/м³;

v – скорость потока м/с;

Q –объем жидкости в секунду (расход).

Сегодня при создании гидроэнергетических установок исполь­зуются оба вида энергии и кинетическую и потенциальную, а мощ­ность такой установки рассчитывают. применяя уравнение Бернулли, которое выражает постоянство энергии в потоке жидкости, т.е:

,

где:v - скорость м/сек;

P – давление, Па;

z – высота на уровнем сравнения, м;

g – плотность воды, кг/м³.

2. Гидродинамические характеристики турбин

Параметры турбины определяются их количественными и каче­ственными характеристиками: напором (Н), расходом (Q) и мощно­стью (N)

Рис. 1.2 Схема гидротурбинной реактивной установки

1 - водовод (напорный подводящий трубопровод); 2 - турбина; 3 - отсасывающая труба; 4 - отводящий канал.

Если обозначить уровень верхнего бьефа (УВБ) - Z_в, a нижнего бьефа (УНБ) - Z_h, то представляя, что поток воды подводится к рабо­чему колесу под давлением Р_в и скоростью V_в, a отводится через отса­сывающую трубу и отводящий канал под давлением Р_н и скоростью V_н, напишем величину напора:

Н_уст = Z_в – Z_н.

Согласно существующим нормам международной энергетиче­ской комиссии, рабочий напор гидроустановки должен учитывать по­тери в водоподводящем тракте установки, т.е.

Н = Н_уст – h_потерь – V₂/2g.

В гидроэнергетике различают три значения напора:

Н_расч - расчетный напор, т.е. напор, при котором турбина разви­вает номинальную (заданную) мощность;

Н_макс - максимальный напор, т.е. напор, при котором произво­дятся расчеты турбины на прочность;

Н_мин - минимальный напор, т.е. напор, при котором гарантиру­ется минимальная мощность.

Расход турбины выражается Q в м³/сек и определяется при про­ектировании ГЭС и задается для турбин как:

Q = Q_уст/m

где:Q_уст – расчетный расход через турбины ГЭС;

m – число агрегатов ГЭС.

3. Коэффициент быстроходности

Коэффициент быстроходности ns характеризует гидравлические качества турбины. Он равен скорости вращения турбины данного типа, которая работая под напором Н = 1 м развивает мощность Р = 1 МВт. Важный параметр турбины, т.к. дает возможность сравнить все типы турбин и классифицировать их по скорости вращения и пропускной способности.

Коэффициент быстроходности введен, как уже говорилось, для сравнения между собой различных систем турбин и типов рабочих колес, а также для характеристики гидравлических качеств турбин по скорости и пропускной способности.

Ns' =3,65

где следует брать в м³/сек.

Коэффициент быстроходности подсчитывается для режима но­минальной мощности турбины при расчетном напоре и нормальном числе оборотов.

Основной тенденцией в развитии турбиностроения является по­вышение быстроходности турбин. Увеличение коэффициента быстро­ходности при заданных мощности и напоре позволяют создать тур­бину меньших размеров и с большим числом оборотов, т.е. меньшего веса. Целесообразно увеличивать быстроходность за счет пропускной способности, т.к. при этом достигается уменьшение диаметра рабочего колеса пропорционально корню квадратному из приведенного расхода и увеличение оборотов турбины пропорционально коэффициенту бы­строходности, что в конечном итоге позволяет уменьшить вес и габа­риты колеса.

Рис. 1.3. Сравнительные размеры моделей рабочих колес и быстроходности, выполненные в одном масштабе

Размеры рабочих колес разной быстроходности при N = 1 л.с. и Н = 1 м.