Лекция 8.

Турбинные камеры. Статорное кольцо гидротурбины.

8.1 Влияние спиральной камеры на энергетические характеристики турбины.

8.1.1 Потери энергии в спиральной камере.

Потери энергии в спиральной камере, статоре и направляющем аппарате уменьшают энергию потока на входе в рабочее колесо и, следовательно, влияют на КПД турбины. Основными потерями энер­гии в спиральной камере являются потери по длине, которые можно приближенно определить по формуле Дарси

Так как в спиральных камерах натурных гидротурбин движение жидкости развитое турбулентное (Re > 10⁶ ), величина λ не зависит от числа Re, и потери энергии в спиральной камере под­чиняются квадратичному закону

,

тогда относительные потери в спирали получим в виде

(8.1)

здесь коэффициент потерь ζ (дзета).

Средняя скорость по­тока v_ВХ во входном сечении спиральной камеры

, с учетом получим:

=

Если ввести понятие относительной площади входного сечения спиральной камеры , и с учетом выражения для приведенного расхода и подставив значение средней скорости в (8.1), получим формулу для относительных потерь в СК:

²

В общем случае коэффициент потерь энергии ζ зависит от угла охвата спиральной камеры, изменения средней скорости по длине спирального канала и формы его поперечного сечения. Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что величина отно­сительной кинетической энергии в спиральной камере невелика

2 ÷4 %

и следовательно потери энергии в ней незначительны.

Со­гласно опытным данным для турбинной камеры трапециевидного сечения с углом охвата φ = 180°, коэффициент потерь ζ_СП = 0,07 ÷ 0,09.

Относительные потери энергии в спиральных камерах осевых турбин на режиме номинальной мощности можно принять:

Например: для ПЛ 20; Н = 20 м, v_ВХ = 4 м/с, φ = 180°, ζ_СП = 0,1

h_СП = 0,1∙3,5² / 2∙9,81∙20 = 0,3%

для РО 170; Н = 170 м, v_ВХ = 10 м/с, φ = 345°, ζ_СП = 0,18

h_СП = 0,18∙10² / 2∙9,81∙170 = 0,54%

8.1.2 Влияние угла потока на энергетические характеристики спиральной камеры.

Спиральные камеры различной формы и размеров формируют разные потоки на входе в статор и направляющий аппарат, влияя на величину потерь энергии в них и КПД гидротурбины. Углы потока в различных спиральных камерах существенно отличаются между собой (δ = 25° ÷ 45°). В результате лопатки направляющего аппарата обтекаются потоком при различных углах атаки. Поэтому форму лопатки направляющего аппарата следует согласовывать с типом спиральной камеры.

Спиральная камера гидротурбины подводит поток с определен­ной циркуляцией

Г = 2π∙R_ВХ ∙v_ВХ ,

величина которой, зависит от площади входного сечения и угла охвата.

При увеличении входной площади F_ВХ и уменьшении угла охвата φ циркуляция Г, создаваемая спиральной камерой, уменьшается, а поток становится более радиальным (большие углы потока δ на входе в статор и направляющий аппарат). В результате минимальные потери в направляющем аппа­рате имеют место при больших открытиях, и оптимальный режим турбины смещается в зону увеличенных расходов (рис. 8.1).

Рисунок 8.1. Влияние размеров входного сече­ния и угла охвата бетонной спиральной камеры на КПД осевой гидротурбины:

1 — φ =180°; α = 0,7; 2 – φ =180°; α = 1,2; 3 – φ =135°; α =1.

Умень­шение площади входного сечения спиральной камеры F_ВХ, спроектиро­ванной по закону v_U ∙ r = const, как правило, приводит к снижению КПД, а уменьшение угла охвата одновременно ухудшает пульсационные характеристики турбины.

Увеличение F_ВХ и следовательно размеров спиральных камер, с одной стороны, при­водит к удорожанию здания ГЭС, а с другой стороны, обеспечивает рост КПД турбины, ее мощности и выработки электроэнергии. По­этому задача по выбору оптимальных размеров турбинной камеры должна решаться на основе технико-экономического анализа ряда, ее вариантов.