Выбор основных параметров и элементов проточной части реактивных гидротурбин

Содержание
Введение 3
1. Гидроэлектрические станции 5
1.1. Конструкция элементов гидротурбин 6
2. Выбор основных параметров гидротурбины 12
2.1. Типы гидравлических турбин и их характеристики 12
2.2. Элементы реактивных турбин 16
2.3. Номенклатура гидротурбин 18
2.4. Определение диаметра рабочего колеса 21
2.5. Построение зоны рабочей турбины на
универсальной характеристике
22
2.6. Разгонная частота вращения 23
2.7. Осевое усилие 24
2.8. Определение критической высоты отсасывания 25
3. Эксплуатационная характеристика гидротурбины 25
3.1. Построение линий равных значений КПД турбины 26
3.2. Построение линий равных высот отсасывания 29
4. Спиральная камера гидротурбины 32
4.1. Основные положения 32
4.2. Последовательность расчёта спиральной камеры 35
5. Статор гидротурбины 37
6. Направляющий аппарат 39
6.1. Выбор формы сечения лопатки 40
6.2. Построение кинематической схемы 41
7. Рабочие колёса гидротурбин 43
7.1. Рабочие колёса радиально-осевых гидротурбин 43
8. Отсасывающие трубы гидротурбин 44
Список использованной литературы 46

В большинстве случаев, при наличии большого или малого потока воды, а также при разных уровнях напора, используется турбина радиального потока или турбина Фрэнсиса. Вода на рабочее колесо радиально-осевой турбины поступает с наружной стороны колеса и движется по радиусу к центру турбины (рис. 17). Пройдя между лопастями сложной пространственной изогнутой формы, вода отдает энергию ротору, заставляя его вращаться.
Рис. 17. Радиально-осевая (турбина Френсиса).
Для правильной и равномерной подачи воды по всей окружности рабочего колеса, оно оснащено спиральной камерой (рис. 18). Между спиральной камерой и колесом помещается направляющий аппарат, состоящий из лопастей, направляющих воду на рабочее колесо турбины под нужным углом.
Рис. 18. Схема спиральной камеры и направляющего аппарата турбины.
Направляющие лопасти в турбине направляют поток воды. Вода «освобождается» через выходное отверстие в центре турбины.
В радиально-осевых турбинах существует опасность гидравлического удара в напорном трубопроводе. Для предотвращения гидравлического удара вследствие резкого изменения потока воды турбина оснащена клапанами сброса давления, которые не только ограничивают увеличение давления, но и предотвращают взбалтывание осадка в трубах вследствие гидравлического удара.
Существует множество конструкций турбины Фрэнсиса, благодаря чему может быть использован напор воды от 30 м до 700 м. Наиболее мощные турбины Фрэнсиса имеют номинальную мощность до 800 MВт.
Форма радиальных сечений спиральной камеры тесно связана с ее изготовлением, а оно определяется напором и размерами трубы.
При высоких напорах (Н > 40 м), когда железобетонные конструкции не в состоянии воспринять усилие от воздействия давления воды на стенки, спиральные камеры выполняются металлическими. В этих случаях становятся целесообразными круглые поперечные сечения. Таким образом, для РО гидротурбин применяют в основном металлические камеры.
4.2. Последовательность расчёта спиральной камеры
Угол охвата между подводящим каналом и спиральной камерой φ0 = 330°.
Для радиально-осевых гидротурбин принимаются:
м, м.
Диаметр входной и выходной кромок статора:
м, м.
Определяем расход через турбину:
находим
Определяем значение средней скорости во входном сечении спирального канала:
Находим радиус входного сечения спиральной камеры:
. Вычисляем интеграл:
По данным входного сечения определяем постоянную величину:
Задаем углы в пределах от 0 до φ0 с интервалами 13,75° и находим соответствующие радиусы круглых расчетных сечений и наружные радиусы, а результаты заносим в табл. 3, по результатам расчётов построен график (рис. 19), ρi и Ri вычисляем по формулам:
Рис. 19. Зависимость φ = f(R).
Таблица 3
№ сеч. φ, град R, м ρ № сеч. φ, град R, м ρ 1 0 2,58 0 13 192,5 2,701 0,06 2 13,75 2,59 0,00507 14 206,25 2,711 0,065 3 27,5 2,6 0,01 15 220 2,721 0,07 4 68,75 2,61 0,015 16 233,75 2,731 0,075 5 82,5 2,62 0,02 17 247,5 2,741 0,08 6 96,25 2,63 0,025 18 261,25 2,751 0,085 7 110 2,641 0,03 19 275 2,761 0,09 8 123,75 2,651 0,035 20 288,75 2,77 0,095 Продолжение таблицы 3
№ сеч. φ, град R, м ρ № сеч. φ, град R, м ρ 9 137,5 2,661 0,04 21 302,5 2,78 0,1 10 151,25 2,671 0,045 22 316,25 2,79 0,105 11 165 2,681 0,05 23 330 2,8 0,11 12 178,75 2,691 0,055 24 343,75 2,81 0,115
Вычисляем по формулам значение постоянной K и угла спирали δ:
Рис. 20. Спиральная камера.
5. Статор гидротурбины
Статор гидротурбины выполняет важные роли в ее конструкции. Он является главным несущим элементом, который передает на фундамент здания нагрузки от массы бетонной шахты турбины, деталей гидроагрегата и осевого направления воды на колесо. Так же статор участвует в формировании потока перед направляющим аппаратом и влияет на его гидродинамические и силовые характеристики.
Конструкция статора вертикальных гидротурбин определяется их размерами и напорами.
Для крупных РО гидротурбин, работающих при напорах 60...200 м, применяют статор с колоннами, объединенными верхними и нижними кольцевыми поясами. Число колонн статора zк выбирается в зависимости от числа лопаток направляющего аппарата z0. Статоры металлических турбинных камер в настоящее время выполняют с 19 и 23 колоннами для направляющего аппарата соответственно с 20 и 24 лопатками.
Размеры колонн в лане, 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 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 γ у вершины конуса.
В применявшихся ранее конструкциях статоров угол γ принимался постоянным по окружности поясов и равным 55°. 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 γ. 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 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: Da = 2771 мм, Db = 2346 мм.
6. Направляющий аппарат
Направляющий 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 дальнейших расчетов выбираем величины: D1 = 1,7 м, D0 = 4,5 м ‒ диаметр окружности осей поворота лопаток вокруг рабочего колеса; z0 = 20 ‒ лопатки направляющего аппарата.
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 D0 = 4020 мм применяют внутренне расположение регулирующего кольца.
6.1. Выбор формы сечения лопатки
Лопатка 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, то есть спиральной турбинной камеры и рабочего колеса.
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.
Применим симметричный профиль лопатки. Размеры профиля указаны в табл. 4.
Таблица 4
Наименование Относительные размеры Абсолютные размеры L 0,16798 0,75591 L1 0,07867 0,354015 r 0,00337 0,015165 k 0,0011 0,00495 a 0,00524 0,02358 b 0,0093 0,04185 c 0,0133 0,05985 d 0,01648 0,07416 e 0,01826 0,08217 g 0,01845 0,083025 h 0,01755 0,078975 m 0,01508 0,06786 n 0,01105 0,049725 p 0,0074 0,0333
Рис. 21. Форма сечения профильной лопатки.
6.2. Построение кинематической схемы
После 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:
мм.
Знание 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.
Таблица 5
Размеры механизма поворота лопаток направляющего аппарата D0, мм z0 φ, град Dс, мм Lн, мм Lp, мм Lс, мм Тип направляющего аппарата 4500 20 36 3100 500 250 470 IB
Диаметр соединения регулирующего кольца с сервомотором:
мм,
где Dc ‒ диаметр соединения регулирующего кольца с серьгами; Lн ‒ длина накладки; Lс ‒ длина серьги.
Рис. 22. Кинематическая схема.
Рис. 23. Зависимость открытия НА от хода поршня сервомотора.
Из графика зависимости определяем максимальный ход поршня сервомотора при вычисленной а0max = 265 мм, получаем Smax = 252,63 мм.
7. Рабочие колёса гидротурбин
Преобразование 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.
7.1. Рабочие колёса радиально-осевых гидротурбин
Рабочие колеса радиально-осевого типа применяют для широкого диапазона напоров и коэффициентов быстроходности. Рабочее колесо состоит из ступицы, посредством которой оно крепится болтами к фланцу вала; лопастей, соединенных со ступицей корневыми сечениями и образующих сложную обтекаемую потоком решетку профилей; обода. связывающего концы лопастей. Рабочие колеса радиально-осевого типа применяют для широкого диапазона напоров и коэффициентов быстроходности. Рабочее колесо состоит из ступицы, посредством которой оно крепится болтами к фланцу вала; лопастей, соединенных со ступицей корневыми сечениями и образующих сложную обтекаемую потоком решетку профилей; обода. связывающего концы лопастей.
Рабочие колеса современных крупных РО гидротурбин выполняют сварными. Сварной вариант позволяет получить более точную форму и лучшее качество поверхности элементов рабочего колеса, а так же изготовить их из материалов, обладающих необходимыми прочностными свойствами. Для защиты от кавитационной эрозии лопасти выполняют из коррозионно и кавитационностойкой стали или углеродистой стали с кавитационностойким покрытием.
Для снижения протечек через зазоры между вращающимися частями рабочего колеса и неподвижными элементами предусматривают специальные лабиринтные уплотнения. Уплотнения в зависимости от напора выполняют: щелевые, елочные или гребенчатые.
Для уменьшения осевого усилия действующего на подпятник агрегата, в ступице рабочего колеса выполняют разгрузочные отверстия, сообщающие полость над ступицей с областью пониженного давления под колесом.
Для уменьшения пульсационных и кавитационных явлений при работе радиально-осевых турбин в неблагоприятных режимах предусматривают впуск воздуха в рабочее колесо.
8. Отсасывающие трубы гидротурбин
Основным рабочим органом гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных гидротурбинах через сопла, в реактивных ‒ через направляющий аппарат. В активной гидротурбине вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной Гидротурбине давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.
Проточная часть реактивных гидротурбин состоит из следующих основных элементов (рис. 24): спиральной камеры гидротурбины 1; направляющего аппарата 2, регулирующего расход воды; рабочего колеса 3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от гидротурбины. Реактивные гидротурбины по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые. По способу регулирования мощности реактивные гидротурбины бывают одинарного и двойного регулирования. К гидротурбинам одинарного регулирования относятся гидротурбины содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих гидротурбинах производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастнорегулируемые гидротурбины, у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих гидротурбин производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса). Гидротурбина двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями.
Рис. 24. Проточная часть реактивной гидротурбины.
Список использованной литературы
1. Броновский Г.А., Гольдфарб А.И., Фасулати Р.К. Технология гидротурбостроения. – Л.: Машиностроение, 1978. – 192 с.
2. Бугов А.У., Плетнев Д.И. Конструкция и расчет фланцевого соединения ротора гидроагрегата с полуприпасованными втулками // Гидравлические машины и средства гидроавтоматики. – Перьм, ППИ, 1986. – 118 с.
3. Бусырев А.И. Кавитационные и эрозионные испытания радиально-осевых гидротурбин: Учеб. Пособие. – Л.: ЛПИ, 1977. – 39 с.
4. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. – Л.: Машиностроение, 1971. – 573 с.
5. Справочник по гидротурбинам / В.Б. Андреев, Г.А. Броновский, И.С. Веремеенко и др. Под общ. ред. Н.Н. Ковалева. – Л.: Машиностроение, 1984. – 496 с.
6. Пылаев Н.И., Эдель Ю.У. Кавитация в гидротурбинах. – Л.: Машиностроение, 1974. – 25 с.
3
а)
б)
в)
г)
д)
а
б
в
η
N
Н = 150
Н = 160
Н = 170
Н = 180
Н = 190
ηmax
Н
N
Н = 150
Н = 160
Н = 170
Н = 180
Н = 190
N
Hs
Н = 150
Н = 160
Н = 170
Н = 180
Н = 190
φ
R
φ0=330°
Db
Da
B
b0
а
S
Smax