ЛекцииГМ

Рисунок 4. Плотинная схема. Приплотинная ГЭС.

а – план сооружений; б — поперечный разрез по плотине и зданию.

1 — плотина глухая; 2 – водоводы; 3 — здание ГЭС; 4 — гидроагрегат; 5 — плотина водосливная; 6 — судоподъемник.

Пример русловой станции – Майнская ГЭС, приплотинной – Саяно-

Шушенская ГЭС.

Напор, создаваемый плотиной, обычно небольшой, но он может доходить до 230 м; например, на Нурекской ГЭС на реке Вахш высота плотины около 300 м. (Саяно-Шушенская ГЭС: Нпл = 242 м, Нрасч=194 м) Высота плотины и создаваемый ею напор определяются топографическими условиями местности, расположенной выше плотины, и допустимыми пространствами затопления.

Деривационная схема (рис 2б, 2в). При больших уклонах рек с относительно малыми расходами воду отводят в так называемую деривацию

(канал или туннель). Гидравлический уклон деривации выбирают ми-

нимальным, обеспечивающим необходимый расход. Таким образом,

значительный перепад реки, в естественном состоянии рассредоточенный на

11

большом протяжении, при помощи деривации концентрируют в одном месте,

где строят здание ГЭС и устанавливают гидроагрегаты. Трасса деривации должна быть по возможности кратчайшей, чтобы избежать дополнительных потерь напора. Деривация может быть подводящей (рис 2б) или отводящей

(рис. 2в). Одна из возможных схем указана на рис. 5.

Рис. 5. Деривационная схема:

а — план сооружений; б — вертикальный разрез: / — плотина; 2 — деривация; 3 — турбинные водоводы; 4 — здание ГЭС.

Напоры, создаваемые при помощи деривации, находятся в пределах Н =

200 – 2000 м и зависят от природных и других условий. На деривационных ГЭС применяют следующие типы турбин: радиально-осевые (Н < 650 м) или ковшовые (Н > 300 м).

Плотинно-деривационная схема (рис. 4г). Напор на станции создается при помощи плотины и деривации одновременно. Если река на верхнем участке имеет малый уклон, там целесообразно построить плотину и создать водохранилище, которое будет использовано для регулирования расхода на ГЭС. Основная часть напора создается, как правило, деривацией. Величина напоров и используемое турбинное оборудование такие же, как и в случае деривационной схемы.

12

Рис. 5. Плотинно-деривационная схема:

а — план сооружений; 6 — вертикальный разрез: 1 — плотина; 2 — деривация; 3 — уравнительный резервуар; 4 — турбинные водоводы; 5 — здание ГЭС.

13

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

1

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
	Радиально-осевые		Гидропривод
	Обратимые
	гидромашины
	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

2

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:

Евх = z1 +

и на выходе из рабочего колеса :

р1

+

v		2
1	1
2g

		p2			2
	Евых = z2 +		+		2v2
				2g

представляет собой срабатываемый напор, используемый на рабочем колесе гидротурбины:

p

v 2

p

2

v 2

Нт = (z1 +

1

+

1

) – (z2 +

+

2

), м.

2g

2g

В реактивных гидротурбинах потенциальная энергия потока на входе

в рабочее колесо (z1

+

p

)

больше, чем на выходе из него (z2 +

p

2

), т. е.

1

разность потенциальных энергий: ∆П =

p	p	2
1

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 =	v2	v2	, подводимая к нему в виде
	1	2
		2g

свободных струй.

3

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:

p	p		z		z
1		2
				1		2
ρ =
		Н
				Т
Для чисто реактивной турбины v1 = v 2	и p1 > р2 > Ратм, z1 > z2 поэтому ρ = 1.

Для активной гидротурбины v1»v2; р1 = р2 = Ратм 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.

Внаправляющем 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.

Вактивной 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 2gHТ , 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.

4

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

ns =

	1,167 n	NккВ
		Н	5 / 4

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 пред-

ставлена следующей схемой:

Класс → Система → Тип → Серия (размер и мощность)

Рис. 2.2 Схемы турбин.

а – поворотно-лопастная, б – диагональная, в – радиально-осевая, г – горизонтально-осевая, д – ковшовая (турбина Пельтона).

5

Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы:

осевые гидротурбины — вертикальные поворотнолопастные и пропеллерные, а также горизонтальные (капсульные и прямоточные) (рис.

2.2 а, г) поток в рабочем колесе этих турбин движется вдоль оси турбины;

диагональные поворотнолопастные гидротурбины; поток в рабочем колесе движется вдоль конических поверхностей тока (рис. 2.2 б);

радиально-осевые гидротурбины; в пределах рабочего колеса поток изменяет свое направление из радиального в осевое (рис. 2.2 в).

Все перечисленные системы реактивных гидротурбин широко применяются в практике гидротурбостроения.

Класс активных турбин подразделяют на такие системы:

ковшовые гидротурбины; оси струй касательны к средней окружности ковшей и находятся в плоскости рабочего колеса (рис. 2.2 д);

наклонно-струйные гидротурбины; струя подводится к рабочему колесу под некоторым углом;

двукратные гидротурбины – двойного действия; струя проходит через каналы рабочего колеса дважды;

Распределение отдельных видов турбин по классам приведено в таблице 2.1, по типам турбин в таблице 2.2.

Таблица 2.1 Классификация гидротурбин.

Классы				Реактивные				Активные
		Осевые			Диагональ-	Радиально-	Ковшовая	Наклонно-	Двукрат-
					ные	осевые
									ные
Системы								струйные
	Пр	ПЛ		ПЛГ	ПЛД	РО	К	-	-
Напор, м	3 -	4 - 80		3 – 25	30 – 150	40 – 650	30 –1700	30 – 400	10 – 60
	70
Диаметр	0,35	1,0 -			2,2 –
РК(Д1),м	–			4,0 – 9,0		0,35 – 7,5	0,35 – 6,0	-	-
		10,0			7,65
	9,0
Мощность	150	250		55*	350	700	250	4,0	0,15
мВт
КПД ή, %		92,5			94,5	95,0	90,0	80,0	80,0

6

Таблица 2.2. Классификация гидротурбин по типам.

Класс		Система	Тип		ns
Реактивные	Осевые	ПЛГК	7, 10, 15, 20, 25	1000 ÷ 2000
		ПЛ	10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80	300	÷ 1200
		ПР*
	Диагональ.	ПЛД	50, 70, 90, 115, 140, 170, 220	150	÷ 500
		(Д)
	Радиально-	РО	45, 75, 115, 140, 170, 230, 310,	60 ÷ 400
	осевые		400, 500, 600
Активные	Ковшовые	К	400, 600, 1000, 1500

2. 3. Схемы гидротурбинных установок.

2.3.1.Конструкции гидротурбин.

По конструкции турбины разделяются:

по форме турбинной камеры — открытые (D < 1,2 м; Н < 8 м) и

закрытые (кожуховые Н < 25 м; спиральные металлические и бетонные;

прямоточные и капсульные);

по расположению вала — горизонтальные, вертикальные;

по числу колес на валу — одноколесные, многоколесные.

Кроме того, гидротурбины делятся по размерам и мощности на

крупные, средние и малые. К крупным относятся гидротурбины диаметр рабочего колеса которых равен и более 1,8 м, а мощность доходит до 700

мВт. Средние гидротурбины имеют диаметр рабочего колеса не более 2,75

м при низких и 1,6 м при высоких напорах, а их мощности находятся в пределах от 1 до 20 мВт. Малые гидротурбины имеют диаметр рабочего колеса не более 1,2 м при низких и 0,5 м при высоких напорах, а мощность

не более 1,0 мВт.

Как видно из табл. 2.1, для напоров от 30 до 80 и от 300 до 550 м

могут применяться различные системы турбин. Выбор между возможными

вариантами производится на основе учета специфических

7