2. (56) Классификация гидротурбин (класс, тип, конструктивная схема).

Классификация гидротурбин

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 РК турбины.

В реактивных гидротурбинах потенциальная энергия потока на входе в РК (z₁ + ) больше, чем на выходе из него (z₂ + ). Кроме того, в РК реактивных гидротурбин частично используется кинетическая энергия потока.

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

В активной гидротурбине практически вся удельная потенциальная энергия потока преобразуется в направляющем аппарате в кинетическую энергию струи (или 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.

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

• Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы:

осевые гидротурбины — вертикальные поворотнолопастные и пропеллерные, а также горизонтальные (капсульные и прямоточ­ные) поток в рабочем колесе этих турбин движется вдоль оси турбины;

диагональные поворотнолопастные гидротурбины; поток в рабочем колесе движется вдоль конических поверхностей тока;

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

• Класс активных турбин подразделяют на такие системы:

ковшовые гидротурбины; оси струй касательны к средней окружности ковшей и находятся в плоскости рабочего колеса;

наклонно-струйные гидротурбины; струя подводится к РК под некоторым углом;

двукратные гидротурбины – двойного действия; струя проходит через каналы РК дважды;

3. (58) Основные рабочие органы гидротурбинных установок (конструкция, назначение).

Спиральная (турбинная) камера. Первым по потоку рабочим органом турбины является спиральная камера, обеспечивающая организованный подвод воды к направляющему аппарату с минимально возможными потерями, а также создание предварительной закрутки потока.

В зависимости от величины напора и типа гидроэлектростанции применяют различные типы турбинных камер. Бетонная спиральная камера с неполным углом охвата и трапециевидной формой поперечных сечений нашла наибольшее применение при малых и средних напорах Н = 3 ÷ 45 м. Угол охвата φ = (180 ÷ 225)

Бетонная спиральная камера состоит из входной открытой части и спирального канала, характеризуемого углом j_сп. В месте соединения спирального канала с правой по направлению потока стенкой неспиральной части размещается так называемый зуб спирали. Угол охвата j_сп спиральной камеры отсчитывают от зуба до входного сечения. Спиральные камеры с неполным углом охвата имеют угол ф < 360°. Ширина спиральной камеры в плане зависит от типа турбины, угла охвата, принятой скорости во входном сечении спиральной части и его формы. Площадь входного сечения определяется в зависимости от скорости v_ВХ или принятого скоростного коэффициента ά.

Металлические сварные спиральные камеры с круглыми сечениями применяют при средних и высоких напорах Н = (150 ÷ 700) м. j_сп = (345 ÷ 360)°.

Металлические спиральные камеры и статоры крупных турбин обычно изготовляют сварными, в виде металлических конструкций, воспринимающих часть или полное усилие, с круглыми или овальными сечениями.

Статор турбины. Статор турбины предназначен исключительно для передачи осевых нагрузок гидроагрегата, бетонного массива и вспомогательного оборудования на фундамент здания станции.

С конструктивной точки зрения он представляет собою колонны, связанные между собой при помощи верхнего и нижнего поясов. Иногда при небольших напорах вместо общего нижнего пояса каждая колонна статора имеет специальную опору — башмак. В отечественной практике число колонн статора обычно принимают равным половине числа лопаток направляющего аппарата, причем зуб спирали является одной из колон.

Статоры выполняются либо в виде отливок, либо сварных или сварно-литых конструкций. Радиальные размеры и формы поясов статора определяются спиральной камерой, шахтой и крышкой турбины, а также нижним кольцом направляющего аппарата. Колонны могут быть сплошного сечения или пустотелые. В этом случае толщины стенок выбираются с учетом применяемых марок сталей из условий прочности и технологичности.

Направляющий аппарат. Направляющий аппарат состоит из одинаковых, равномерно расположенных лопаток, имеющих возможность синхронно поворачиваться относительно своих осей.

Функции направляющего аппарата: создание равномерного, осессиметричного потока, закрученного относительно оси вращения рабочего колеса; регулирование расхода и мощности турбины путем изменения проходного сечения и циркуляции на входе в Р.К.; полное перекрытие потока через турбину, в том числе и в аварийных случаях.

Радиальный (цилиндрический)направляющий аппарат применяют в радиально-осевых, диагональных и осевых вертикальных гидротурбинах. Конический НА находит применение в капсульных, реже в диагональных и вертикальных осевых гидротурбинах. Осевой направляющий аппарат применяют и прямоточных гидротурбинах.

Отличия в этих конструкциях касаются в основном формы профиля и схемы привода направляющих лопаток, конструкции стопоров НА и предохранительных устройств, а также типа примененных уплотнений. Схемы привода различаются лишь принципом передачи усилия от сервомоторов, что осуществляется либо через центральное регулирующее кольцо и распределительный механизм, либо непосредственным воздействием на рычаги направляющих лопаток от индивидуальных сервомоторов, управляющих положением каждой лопатки и имеющих ту или иную схему синхронизации.

Конструкция НА должна удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: максимальное открытие направляющего аппарата должно обеспечить расчетный расход через турбину (с запасом не менее 5%) и ее номинальную мощность; полное закрытие турбины при условии минимальных протечек через зазоры; при потере управления (разрушение предохранительного элемента) лопатка не должна поворачиваться под воздействием потока вокруг собственной оси.

Из направляющего аппарата вода поступает в пространство в котором она, направляясь поверхностями крышки турбины и нижнего кольца направляющего аппарата, подходит к рабочему колесу.

Камера рабочего колеса. Камера рабочего колеса имеет мощную стальную облицовку, закрепленную в бетоне анкерами и тягами. Это объясняется тем, что при работе турбины стенки камеры воспринимают большие пульсирующие нагрузки от давления воды, которые способны раскачать и разрушить облицовку камеры.

Для поворотно-лопастных турбин существенное значение имеют зазоры между концами лопастей рабочего колеса и камерой. Чтобы зазор сохранялся постоянным при изменении угла установки лопастей, камера рабочего колеса должна быть сферической. Однако в этом случае возникнут трудности с установ­кой собранного рабочего колеса на место. Поэтому часть камеры выше оси поворота лопастей делается цилиндрической. Отсасывающая труба. Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для: отвода воды от рабочего колеса в нижний бьеф с минимальными потерями энергии; использования части геометрического напора, если рабо­чее колесо турбины расположено над нижним бьефом; преобразо­вания кинетической энергии потока, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.

Величина кинетической энергии потока на выходе из рабочего колеса зависит от типа гидротурбины и режима ее работы. При отсутствии отсасывающей трубы энергия потока после рабочего колеса теряется, и КПД турбины уменьшается. При установке отсасывающей трубы, которая представляет собою прямоосный или изогнутый диффузор определенных размеров, кинетическая энергия потока после рабочего колеса преобразуется в энергию давления. В результате под рабочим колесом создается дополнительное разрежение, вследствие чего напор, используемый турбиной, возрастает.

Размеры и тип отсасывающей трубы также влияют на кавитационные и пульсационные характеристики турбины, габариты и стоимость подводной части здания ГЭС. Следовательно, при вы­боре типа и размеров отсасывающей трубы необходимо тщательно проанализировать ее влияние на характеристики гидротурбины и стоимость здания ГЭС и при помощи технико-экономических рас­четов выбрать оптимальный вариант.

В зависимости от компоновки гидроагрегата (вертикальное или горизонтальное расположение вала) применяются изогнутые с тем или иным типом ко­лена и прямоосные отсасывающие трубы. Основным параметром, определяющим гидравлические характеристики изогнутой ОТ, является ее высота h. Независимо от формы отсасывающей трубы уменьшение ее высоты приводит к падению КПД турбины.