 |
Процесс преобразования гидроэнергии в электрическую на различных типах гидроэнергоустановок
|
|
|
|
Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение — створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м3/с) и напора (м)
P = 9,81Q (4.1)
В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия КПД.
Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 4.1, а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис. 4.1, б).
В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движущейся воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины разделяют на два класса: активные и реактивные.
Активные гидротурбины используют только кинетическую энергию потока. Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые (рис. 4.2).
Реактивные гидротурбины (рис. 4.3) используют и потенциальную энергию. К реактивным гидротурбинам относятся: пропеллерные, поворотно-лопастные, диагональные, радиально-осевые.
Каждая система гидротурбины оптимально работает при определенном напоре.
Турбина называется активной, если используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном эффекте.
|
|
|
Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые (за рубежом их называют турбинами Пельтона). В ковшовой активной турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке — сопле — полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 4.2, а. Вода из верхнего бьефа 1 подводится трубопроводом 2 к рабочему колесу 4, выполненному в виде диска, закрепленного на горизонтальном или вертикальном валу турбины и вращающегося в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) 7. На ковшах происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса (рис.4.2, б) и последовательно, один за другим, при его вращении «принимают» струю.
Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла 3,внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет собой сходящийся насадок, из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды. В сопле вся энергия воды, подведенной к нему по трубопроводу за вычетом потерь, обращается в кинетическую. Рабочее колесо и сопла размещаются внутри замкнутого кожуха 5.
Игла, перемещаясь в сопле в продольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым регулирует диаметр выходящей струи, а значит, и расход воды через сопло.
Игла в одном из крайних своих положений полностью закрывает сопло и останавливает турбину. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал (нижний бьеф).
В целях предотвращения значительного повышения давления в подводящем воду трубопроводе, являющегося следствием гидравлического удара, игла закрывается медленно. Для быстрого отвода струи от рабочего колеса применяется отклонитель 6, отбрасывающий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонителя производится одновременно. Таким образом, в ковшовых турбинах осуществляется регулирование расхода и мощности турбины.
|
|
|
Конструктивные формы ковшовых турбин очень разнообразны и могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные) и по числу сопл и рабочих колес на одном валу.
Ковшовые турбины используются в диапазоне напора 300— 1770 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 300 МВт..
В России мало ГЭС с ковшовыми турбинами. Наиболее крупная турбина создана на Ленинградском металлическом заводе для Татевской ГЭС (мощность 54,6 МВт).
В реактивной гидравлической турбине на лопастях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энергию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо турбины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию рабочего колеса турбины.
За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия центробежных сил превращается в механическую энергию.
Рис. 4.1. Схема создания напора:
а — с помощью плотины; б — с помощью деривационного канала:
1 — канал; 2— напорный бассейн; 3 — турбинные водоводы; 4 — здание ГЭС; 5 — русло реки; 6 — плотина.
Рис. 4.2. Схема работы активной турбины:
а — схема турбинной установки; б — рабочее колесо; 1 — верхний
бьеф; 2— трубопровод; 3— сопло; 4— рабочее колесо; 5 — кожух;
3— отклонитель; 7 — лопасти (ковши турбины).
Рис. 4.3. Общий вид рабочих колес реактивных турбин:
а — радиально-осевая, б — пропеллерная; в— поворотно-лопастная;
г —двухперовая; д — диагональная.
Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т. е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса. Различные конструкции рабочих колес реактивных турбин показаны на рис. 4.3. Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная представлена потенциальной энергией, соответствующей разности давлений до и после колеса. Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего вследствие увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего вследствие изменения направления потока.
|
|
|
У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода; поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. Рабочее колесо радиально-осевой гидротурбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружности ступицы 1и обода 3(рис.4.4). Все три элемента объединены и представляют
Рис. 4.4. Рабочее колесо поворотно-лопастной турбины 1— корпус рабочего колеса; 2 — обтекатель; 3 — лопасти; 4—камера рабочего колеса; 5 — лопатки направляющего аппарата.
одну жесткую конструкцию. Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принимается максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D. Перед рабочим колесом гидротурбины устанавливаются направляющий аппарат, вращающиеся лопатки 4которого обеспечивают необходимое изменение расхода воды, проходящей через рабочее колесо, и наилучшее для обтекания его лопастей направление потока, что повышает к. п. д. гидротурбины.
Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по линии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходимой прочности. Высоконапорные гидротурбины иногда оборудуют холостыми выпусками для отвода воды из рабочего колеса и уменьшения за счет этого гидравлического удара при сбросе нагрузки.
|
|
|
В настоящее время созданы уникальные турбины радиально-осевого типа (Красноярская, Саяно-Шушенская в СССР, Грэнд Кули в США) как по единичной мощности (600—700 МВт), так и по размерам (диаметр рабочего колеса 9,5 м).
Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается. Рабочее колесо (рис. 4.3) состоит из корпуса (втулки) с обтекателеми лопастей,установленных под углом разворота ф. Оно, как видно из рисунка, отличается от колес радиально-осевых гидротурбин отсутствием обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа на форму гребного винта или пропеллера). На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, вследствие чего такие гидротурбины называют также осевыми.
Для подвода воды к направляющему аппарату гидротурбины служит турбинная камера. Чтобы обеспечить равномерное по всему периметру направляющего аппарата питание рабочего колеса турбинную камеру выполняют с суживающимся поперечным сечением.
Число лопастей рабочего колеса зависит от напора и может колебаться от 3 до 8 (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом ф—10°, —5°, 0°, +5°, +10°, +15°, +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (ф=0). Обычно на гидротурбине с диаметром рабочего колеса Z=l,6 м при их остановке предусматривается возможность перестановки лопастей на тот или иной угол. Основными достоинствами пропеллерных турбин являются простота конструкции и сравнительно высокий к. п. д. Однако они имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется их к. п. д. Зона высоких значений к. п. д. наблюдается только в узком диапазоне мощностей. Из-за этого недостатка резко снижается эффективность пропеллерных турбин при использовании их в системах с дефицитом энергии. Однако он становится несущественным, если основным назначением ГЭС является покрытие пика графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использования установленной мощности ГЭС. Иногда на крупных ГЭС пропеллерные гидротурбины устанавливаются вместе с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения к. п. д.
У поворотно-лопастных гидротурбин вотличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД. Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой гидротурбины, и его к. п. д. при заданном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла поворота ф лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором к. п. д. гидротурбины будет иметь наибольшее значение.
|
|
|
Рис. 4.5. Рабочее колесо двухперовой турбины
Конструктивно поворотно-лопастные гидротурбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса при работе гидротурбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает большие преимущества, так как обеспечивается автоматическое поддержание высокого значения к. п. д. в широком диапазоне мощностей.
Поворотно-лопастные гидротурбины используют в диапазоне напоров от 3—5 до 35—45 м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих гидротурбин перед радиально-осевыми, предпринимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70—75 и даже 90 м.
Самые большие в мире по размеру поворотно-лопастные гидротурбины установлены на Саратовской ГЭС (диаметр рабочего колеса 10,3 м). Изготовлены они на Харьковском турбинном заводе.
Двухперовые турбины имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды.Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (dBr/Di) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 4.5), что позволяет повысить пропускаемый турбинный расход. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями.
Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.
Диагональные гидротурбины (Д). Появление этих гидротурбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых гидротур 
бин двойного регулирования в области повышенных напоров, используемых радиально-осевыми турбинами. Отличие диагональных гидротурбин от радиально-осевых заключается в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастей (число их доходит до 14), поворачивающихся относительно своих осей (см. рис. 4.3, д). Втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры, чем размеры втулки у поворотно-лопастных гидротурбин, не создает стеснения потока, и благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетические качества. Максимальное значение к. п. д. диагональной гидротурбины на 1,5—2,5 % выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые, а в ряде случаев уступают последним и по кавитационным качествам.
Диагональные гидротурбины еще не имеют широкого распространения (они установлены на Бухтарминской и Зейской ГЭС), однако, как показывают исследования, они могут оказаться очень эффективными в диапазоне напоров от 35— 40 до 150—200 м и особенно при больших колебаниях нагрузки.
Часть из рассмотренных гидротурбин может быть использована не только в вертикальном, но и в горизонтальном исполнении. Кроме того, реактивные турбины могут быть выполнены обратимыми, что, в частности, очень важно при строительстве ГАЭС.
|
|
|
