Гидротурбины

Размеры колонн в плане, их конфигурация и расположение определяются геометрическими характеристиками спиральной камеры, условиями обтекания и условиями прочности. Помимо обеспечения прочности статора, колонны должны оказывать минимальное сопротивление потоку и направлять его по требуемому направлению.Преимущественным способом формообразованием статоров крупных и средних гидротурбин является изготовление их в виде сварной конструкции из листового проката в комбинации с литыми и сварными(для низконапорных ПЛ гидротурбин) колоннами. Обтекаемые поверхности сварных поясов статора для достижения гладкого обтекания должны плавно сопрягаться с обтекаемой поверхностью металлической спиральной камеры. Образующая этих обтекающих поверхностей задается внешним углом у вершины конуса.В применявшихся ранее конструкциях статоров угол принимался постоянным по окружности поясов и равным 550 . Естественно, что при этом плавное сопряжение спирали и статора обеспечивается в одном радиальном сечении. В остальных сечениях имеет место перегиб обтекаемых поверхностей спирали и статора.Для исключения этого в последнее время применяют конструкции статоров, имеющие переменный по окружности угол . Его значения выбирают таким образом, чтобы избежать переломов в месте примыкания звена спирали к статору. Пояса статора выполняют не штампованными, а вальцованными. При этом общая высота статора получается переменной по окружности, и в плане он имеет вид многогранника. Размеры граней такого «гранёного» статора совпадают с размерами примыкающих к нему звеньев спирали. Обеспечиваемая при этом плавность сопряжения статора и спирали приводит к улучшению обтекания и снижению напряжений в месте их соединения.При проектировании гидротурбины необходимо знать характерные размеры статора(которые мы выбираем из таблицы4.1[1]):Da= 4050 ммDb= 4350 мм5. Направляющий аппаратНаправляющий аппарат реактивных турбин создает закрученный относительно оси вращения турбины поток на входе в рабочее колесо и регулирует расход воды через турбину с полным перекрытием рабочей части при остановке турбины как при нормальной ее работе, так и в случае разгона.Наибольшее распространение для вертикальных гидротурбин получил радиальный направляющий аппарат. Оси его направляющих лопаток расположены на цилиндрической поверхности параллельного агрегата, а поток направлен радиально по отношению к оси турбины. Он наиболее прост в изготовлении и сборке, а так же обеспечивает высокий КПД турбины.Для вертикальных гидротурбин преимущественное распространение получила конструкция направляющего аппарата с центрально расположенным регулирующим кольцом. Она нормализована и предусматривает внутреннее или наружное расположение регулирующего кольца по отношению к лопаткам направляющего аппарата. в соответствии с этим направляющий аппарат называют направляющим аппаратом с внутренним или наружным регулированием. Для дальнейших расчетов выбираем величины, приведенные в табл. 5.1[1]D1=8 мDо=1,2 м -диаметр окружности осей поворота лопаток вокруг рабочего колесаzo= 20 - лопатки направляющего аппарата5.1 Выбор формы сечения лопаткиЛопатка направляющего аппарата выполняется в виде литой или сварно-литой конструкции, состоящей из профильной части и круглых опорных цапф. Верхняя цапфа имеет 2 опорные шейки (диаметры db и dc), она значительно длиннее нижней цапфы, диаметром da.Форма сечения профильной лопатки и его относительные размеры оказывают влияние на КПД турбины и силовые характеристики направляющего аппарата. Профиль лопатки направляющего аппарата должен проектироваться с учетом конструкции элементов проточной части , находящихся до и после направляющего аппарата, т.е. спиральной турбинной камеры и рабочего колеса.Исходя из этих соображений в реактивных гидротурбинах в зависимости от их быстроходности, типа и относительных размеров турбинных камер, а так же в зависимости от необходимости получения желаемых силовых и моментных характеристик в настоящее время применяют две группы профилей: симметричные и асимметричные. Для бетонных турбинных камер с углом охвата до 2400 и сравнительно обширных металлических турбинных камер применяют лопатки симметричного профиля. Они обеспечивают высокий КПД турбины и являются более простыми по сравнению с точки зрения производства.Размеры профиля указаны в таблице 5.2[1], в которой приведены относительные размеры. Для получения абсолютных размеров профиля лопатки натурной гидротурбины необходимо их относительные размеры умножить на Do.Размеры профиля лопатки направляющего аппарата.НаименованиеОтносительные размерыАбсолютные размерыL0,139890,4700304L10,065580,2203488r0,002780,0093408k0,001100,003696a0,003750,0126b0,005990,0201264c0,008330,0279888d0,010490,0352464e0,011610,0390096g0,011700,039312h0,011240,0377664m0,009640,0323904n0,006800,022848p0,004590,0154224Рис. 6 Профиль лопатки5.2 Построение кинематической схемыПосле выбора размеров и профиля лопатки выполняют построение кинематической схемы направляющего аппарата. Основная цель этого построения - определить ход поршня сервомоторов, осуществляющих поворот регулирующего кольца, необходимый для обеспечения максимального открытия направляющего аппарата aomax . Величина эта определяется для модели в точке Р по универсальной характеристике. Для натурной турбины: ммЗнание хода поршня сервомоторов необходимо в дальнейшем для выбора типа сервомоторов направляющего аппарата и разработки их конструкции.Построение кинематической схемы позволяет так же увидеть, не задевают ли накладки или серьги при крайних положениях механизма поворота и в случае среза предохранительного пальца.Размеры механизма поворота лопаток направляющего аппаратаDo, ммZoϕ, градDс, ммLн, ммLр, ммLс, ммТип направляющего аппарата355020704250380190490ПНLн- длина накладкиLс- длина серьгиDс - диаметр соединения регулирующего кольца с серьгамиДиаметр Dу зависит от типа и расположения сервомоторов направляющего аппарата, выбирается из соотношения Dу/Dс=0.9…1.1=0.9*4250=3825 ммDy - диаметр соединения регулирующего кольца с сервомотором.Рис. 7 Кинематическая схемаИзмерив на чертеже соответствующие величины а0 и S с учётом масштаба построения, получают зависимость а0(S). Эта зависимость и позволяет определить максимальный ход поршня сервомотора Smax для обеспечения необходимого значения a0max. Smax=248 мм а0, ммS, мм100253,450,43100,6105,44150159,35197218,16235286,1Рис. 8 Зависимость а0(S)6. Рабочие колеса гидротурбинПреобразование механической энергии потока в механическую энергию вращения вала происходит на рабочем колесе гидротурбины. Взаимодействуя с лопастями рабочего колеса, поток создает крутящий момент. Эффективность этого взаимодействия в значительной мере определяет уровень использования энергии потока и, следовательно, КПД гидротурбины.На показатели рабочего колеса существенное влияние оказывают не только формы лопастей, но и контуры проточной части, образующие меридиональное сечение в области колеса, особенно в области зоны перехода от направляющего аппарата к нижнему ободу рабочего колеса.6.1 Рабочие колеса ПЛ гидротурбинРабочие колёса с поворотными лопастями, имеют преимущество перед колёсами с жёстко закреплёнными лопастями. Они находят широкое применение в осевых и диагональных гидротурбинах.Основными элементами рабочего колеса ПЛ гидротурбины являются: втулка(корпус), лопасти, детали поворота механизма лопастей и обтекатель.Выбор диаметра втулки и количество лопастей рабочего колеса зависят от коэффициента быстроходности ns. В таблице приведены относительные размеры проточной части для ПЛ-40 в зависимости от D1Z1b0dвтd1R0h2h3R160,3750,440,380,30,40,120,43h1=0.2085D1=0.2085*8=1,668;d=0.1D1=0.1*8=0,8;δ=(0,001….0,0005)D1=0.001*8=0,008Для создания наилучших условий обтекания лопастей потоком механизм поворота лопастей рабочего колеса должен обеспечить изменение угла и точную установку всех лопастей при работающей гидротурбине в требуемом диапазоне углов поворота лопастей. Устройство привода лопастей должно быть способны преодолеть значительные моменты на лопастях и момент сил трения в подвижных элементах механизма поворота. Механизмы поворота должны размещаться в ограниченном пространстве корпуса рабочего колеса и обладать высокой надёжностью , так как ремонт его возможен только при полной разборке колеса.Имеется большое число различных конструктивных решений механизма поворота[1]. В практике отечественного гидротурбостроения принимают в основном кривошипно-рычажный механизм.Применяемые схемы механизмов поворота лопастей с кривошипно-рычажным механизмом разнообразны и отличаются в основном способом соединения поршня сервомотора с рычагами.7.Отсасывающие трубы гидротурбин. Выбор основных размеровОтсасывающая труба является элементом проточной части гидротурбины, предназначена для отвода воды от рабочего колеса и восстановления кинетической энергии потока. При отсутствии отсасывающей трубы вся кинетическая энергия потока после рабочего колеса теряется, и КПД турбины уменьшается. Особенно значительна роль отсасывающей трубы в рабочем процессе быстроходной осевой гидротурбины, у которой кинетическая энергия потока за рабочим колесом может достигать 50% от полного напора. Отсасывающая труба оказывает существенное влияние на эксплуатационные качества турбины[8, 9, 11], поэтому большое значение имеет правильный выбор ее размеров и формы.Основным габаритным размером отсасывающей трубы является ее высота, отсчитываемая от плоскости нижнего кольца направляющего аппарата до дна колена. При выборе высоты следует иметь ввиду, что ее увеличение обеспечит высокие эксплуатационные показатели турбины, но при этом возрастут затраты на строительство ГЭС.Габаритные размеры отсасывающей трубы должны выбираться на основе технико-экономических расчетов с учетом надежности работы гидроагрегата. В тех случаях, когда такие расчеты выполнить затруднительно, можно воспользоваться опытом эксплуатации гидротурбин. Он показывает, что для ПЛ гидротурбин необходимо принимать размер h не менее 2D1.Остальные габаритные размеры отсасывающей трубы рекомендуется задавать в следующих пределах:В=(2,2…2,7)D1, L=(4,0…4,5)D1- для ПЛ гидротурбинЕсли размер В превышает 10 м, то в диффузоре целесообразно предусмотреть вертикальный бычок толщиной Sб=(0,1-0,2)ВДиаметр D2 входного диффузора отсасывающей трубы определяется размерами камеру рабочего колеса у ПЛ гидротурбины.Размер h1 выходного диффузора отсасывающей трубы при курсовом проектировании рекомендуется выбирать равным 1,17D1Выбор типа колена и определения его размеров при курсовом проектировании рекомендуется производить по таблице:КУ-1ПЛh/D12R1/Dk0,46Dk/D11,25R2/Dk1,31ε/Dk0,2R3/Dk0,87B/D12,2hk'/Dk0,48L/D14h1/Dk0,98hk/Dk0,87β, град11Lk/Dk1,5α, град12R/Dk2,14Sб/B10,1Lc/Dk0,96D2/D10,98После определения размеров отсасывающей трубы следует определить значение кинетической энергии на выходе из трубы и при правильно выбранных ее размерах оно должно находить в пределах 4...0,65%.h3,229328Dk3,6ε0,63B6,072241L11,04044hk2,47Lk4,81R7,16Lc3,21R11,48R24,51R32,71hk'1,41h13,05Sб0,607224D22,14Рис.9 Тип коленоЗаключениеЛопастные гидромашины используются в качестве гидромоторов. Достоинство лопастных гидромоторов состоит в том, что давление рабочей жидкости на лопасти создает тангенциальное усилие, передающееся ротору гидромотора. В связи с этим гидромоторы этого типа могут быть компактнее.Лопастные гидромашины нормального ряда должны обеспечивать необходимый напор, чтобы отвечать требованиям, предъявляемым той или иной отраслью промышленности. Различный напор насоса может быть получен конструктивным сочетанием частоты вращения привода насоса, основных геометрических размеров колеса (Z) H / Z) B) и числом ступеней насосаСписок используемой литературыБутырев А.И. Топаж Г.И. Лопастные гидромашины. Выбор основных параметров и элементов проточной части реактивных гидротурбин. Учеб..пособие. Ред. Е.А. Пряникова. СПб, 2007 г.Бусырев А.И. Кавитационные и эрозионные испытания радиально-осевых гидротурбин. Учеб.пособие. Л.:ЛПИ, 1977, 39 с.Васильев Ю.С., Саморуков И.С., Хлебников С.Н. Основное энергетическое оборудование гидроэлектростанций. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002, 134 с.Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций: Справ.пособие: В 2 т./Под ред. Д.С. Шевелева. Т.К. Основное оборудование гидроэлектростанций. М.:Энергоатомиздат. 1988, 400 с.Орго В.М. Гидротурбины (рабочий процесс, конструкции, подобие и выбор). Л.:ЛГУ, 1975, 314 с.