2. Классы турбин и их типы

Турбины, устанавливаемые на ГЭС, в зависимости от того какая часть энергии - кинетическая или потенциальная - подразделяются на два класса: активные и реактивные.

1. Активные турбины

Активные турбины используют кинетическую энергию потока. Наиболее распространенной системой активных турбин являются ковшевые (турбины Пельтона). В ней вода подводится трубопроводом к рабочему колесу через сопло, на выходе которого струя воды приобретает высокую скорость V. Для регулирования расхода воды внутри сопла имеется регулирующая игла. Турбины могут выполняться как с горизонтальным, так и вертикальным расположением оси вращения рабочего колеса. Ковшовые турбины применяются на высоконапорных ГЭС в диапазоне напоров Н = 300-2000 метров.

Реактивные турбины (рис. 2.1)используют и кинетическую, и потенциальную энергию потока. В зависимости от направления воды, поступающей на лопасти рабочего колеса, они бывают радиально-осевые, осевые (пропеллерные и поворотно-лопастные) и диагональные.

В радиально-осевых турбинах (РО) (рис. 2.1а) поток воды на входе движется в радиальной плоскости, а на выходе в осевом направлении. Диапазон напоров, при которых широко применяются турбины этого класса от 40 до 600 м.

Пропеллерные турбины (Пр) (рис. 2.1б) поток воды на входе и выходе с рабочего колеса имеют одно и тоже осевое направление. Отличаются жестким креплением лопастей к корпусу рабочего колеса. Применение Пр-турбин в настоящее время ограничено из-за небольшой величины диапазона напоров, при которых они могут применяться (10-20 м).

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ) (рис. 2.1в) отличаются от пропеллерных тем, что лопасти их могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса, которые, вращаясь, обеспечивают оптимальное обтекание водяного потока в довольно широком диапазоне напоров. Для каждого установившегося режима работы существует наивыгоднейшее положение разворота лопастей и лопаток направляющего аппарата. Эту оптимальную зависимость между их взаимными положениями определяют по комбинаторной зависимости. Диапазон применения ПЛ-турбин значительно шире, чем у Пр-турбин и достигает напора Н = 70-80 м, наибольшее распространение турбины получили в диапазоне Н = 20 -50 м.

Диагональные турбины (Д) (рис. 2.1.д) отличаются от других тем, что лопасти рабочего колеса расположены под некоторым углом к оси вращения турбины и поток воды движется по радиальному направлению и при этом лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси согласно комбинаторной зависимости. Форма лопастей отличаются от лопастей ПЛ–турбин, что позволяет эти турбины использовать в диапазоне напоров Н = 50-150 м.

Обратимые турбины (О) используются на гидроаккумулирую­щих станциях и могут работать как в режиме турбины, так и в режиме насоса. По своим характеристикам О-турбины выгодно отличаются от другого класса турбин, уступая лишь в кавитационных характеристи­ках. Применяются в диапазоне напоров Н = 50-150 м.

2. Характеристики турбин

Характеристики гидротурбин важны для представления об энергетических и кавитационных показателях турбин они дают возможность сравнения разного типа рабочих колес при выборе турбины.

Рис. 2.1. Рабочие колеса реактивных турбин

а - радиально-осевая; б - пропеллерная; в - поворотно-лопастная; г - двухперовая; д – диагональная.

Главной характеристикой каждой турбины является главная универсальная характеристика n_I = F(Q'_I) (рис. 2.2) на которой в координатах приведенной скорости вращения n'_I- и приведенных расходов Q_I - наносятся линии равных к.п.д. , линии равных открытий направляющего аппарата , линии равных коэффициентов кавитации и линии равных углов поворота лопастей (для ПЛ–турбины).

Турбины разных типов имеют разные формы универсальных характеристик. Чем шире область высокого к.п.д., тем турбина совершеннее и лучше. У РО–турбин максимальные значения приведенных Q'_I и n'_I меньше чем у ПЛ–турбин.

Рис. 2.2. Главная универсальная характеристика поворотно-лопастной турбины

Универсальные характеристики турбин имеют большое значение в практике Гидротурбостроения. Они дают возможность просто и удобно определять к.п.д., открытия направляющего аппарата, кавитационный коэффициент угол открытия лопастей ПЛ-турбины в зависимости от режимов турбины. При этом по характеристикам определяют для заданных напоров и мощностей основные параметры турбины, а именно: диаметр D_I, скорость вращения, а также энергетические показатели турбины при переменных режимах работы агрегата. Универсальные характеристики строятся в приведенных величинах, что неудобно пользоваться при эксплуатации натурных турбин. Поэтому на основе универсальных характеристик составляются рабочие характеристики зависимости к.п.д. от нагрузки N_т, т.е. зависимость =F(N) при Н = const и n = const.

Рис. 2.3. Рабочие характеристики турбин разных типов

1 - радиально-осевая; 2 - пропеллерная; 3 - поворотно-лопастная; 4 - ковшовая

Из сравнения этих важных для эксплуатации характеристик, можно увидеть, что наиболее узкую зону высоких к.п.д. имеют Пр-турбины и это понятно, если вспомнить конструкцию рабочего колеса с жестким креплением лопастей его: оптимальное обтекание потока воды можно обеспечить только при определенных открытиях направляющего аппарата, при остальных величинах открытий не обеспечивается обтекание лопастей без гидравлических потерь. Работа Пр–турбин в других зонах характеристики, не оптимальных, сопряжена с большими потерями энергии. Характеристика ПЛ-турбины за счет возможностей поворота рабочего колеса на оптимальный угол, поэтому кривые к.п.д. имеют вытянутую в направлении мощности форму. Диапазон сохранения высоких значений к.п.д. в достаточно большом интервале изменений мощности. Характеристика РО–турбины показывает, что значения к.п.д. этих турбин в оптимуме очень высоки, но зона их максимальных значений достаточно узка. В Д–турбинах сочетаются положительные энергетические качества ПЛ–турбин с хорошими кавитационными качествами РО–турбин. Однако, по рабочим характеристикам трудно получить наглядное представление о режимах работы во всем диапазоне напоров и расходов, т.к. для каждого напора надо иметь отдельную кривую, а кроме того, эти характеристики не показывают кавитационные свойства турбины. Поэтому, пользуясь отдельными рабочими характеристиками, строят эксплуатационную универсальную характеристику (Рис. 2.4).

Рис. 2.4. Эксплуатационная универсальная характеристика поворотно-лопастной. турбины

Построение рабочих и эксплуатационных универсальных характеристик производится на основе универсальной характеристики модели выбранного типа рабочего колеса для данного диаметра D и скорости вращения n для диапазона напоров, в котором работает реальная ГЭС.

3. Насосы

Строителям гидротехнических сооружений и эксплуатационникам ГЭС в их практической деятельности всегда приходится использовать насосы. Потребители воды самого разного назначения в подавляющем большинстве случаев получают воду, которая подаётся насосами. В гидротехнике и энергетике наиболее крупными потребителями воды являются ТЭС и АЭС.

В социальной сфере насосы незаменимы в водоснабжении, теплофикации, канализации; в сельском хозяйстве - в системах ирригации и др. Насосные агрегаты достигают единичной мощности тысяч кВт, а обратимые насосы - турбины, как мы видели, сотен тысяч кВт.

Рис. 3.1. Принципиальная схема насосной установки

1 - входной {всасывающий) патрубок; 2 - выходной (напорный) патрубок; 3 - подводящий (всасывающий) трубопровод; 4 - напорный трубопровод; 5 - резервуар с избыточным давлением

Работу насосной установки можно рассмотреть на принципиальной схеме (рис. 3.1). Основными элементами установки являются насос, имеющий входной (всасывающий) и выходной (напорный) патрубки, а также подводящий (всасывающий) и напорный трубопроводы.

Выделяют следующие показатели насосной установки:

Статический или геометрический напор (Н_сm), представляющий собой разность отметок в верхнем и нижнем бассейнах, т.е. Н_сm - высота, на которую поднимается жидкость.

Н_ст = ВБ'- HБ, м. (рис. 3.1)

Если жидкость подаётся в резервуар, в котором поддерживается избыточное давление Р, как показано на рис. 3.1 поз. 5, то статический напор равен:

Н_ст = ВБ'- HБ + , м,

где:  - удельный вес перекачиваемой жидкости, кг/м³;

Р - давление в резервуаре, кг/см².

Примером такой насосной установки являются маслонапорные установки турбин. Они служат аккумуляторами энергии для питания маслом под давлением системы регулирования турбины и обеспечивают энергией гидравлический привод поворота лопаток направляющих аппаратов, а также лопастей в турбинах Каплана.

Высота всасывания (H_s), представляющая собой разность отметок оси насоса и поверхности в нижнем бассейне, т.е. H_s,- высота установки насоса над уровнем в нижнем бассейне.

Одним из главных параметров, характеризующих работу насоса, является подача (расход) жидкости (Q), т.е. объём жидкости, подаваемой насосом в напорный патрубок в единицу времени л/с, или м³/с, или м³/час.

Давление во входном патрубке при H_s>0 всегда ниже атмосферного, т.е. там всегда вакуум, величина которого определяется двумя показателями: высотой всасывания H_s и переменной составляющей, зависящей от подачи насоса Q. Значение переменной составляющей тем больше, чем больше коэффициент потерь (к) во всасывающем трубопроводе, определяемый в основном его размерами. С ростом Q вакуум во входном патрубке возрастает. Поскольку абсолютное давление не может упасть ниже нуля, принимая во внимание, что обычная вода не сопротивляется разрыву сплошности, то Н, предельная всегда должна быть меньше 10 м.

Напор насоса (Н) представляет собой разность удельной энергии жидкости в напорном патрубке и во входном патрубке, т.е. он (напор) показывает, какое количество энергии сообщается насосом единице веса жидкости, поступающей в напорный трубопровод.

H = H_cm + (3.1)

Суммарные потери напора по длине и местные потери (h) пропорциональны квадрату подачи Q, т.е. h = kQ². Следовательно,

Н = H_cm+ kQ²,

т.е. напор насоса, необходимый для работы насосной установки, состоит из двух частей: постоянной (статической) и переменной, зависящей от величины подачи Q.

Мощность насоса. Энергия, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости, согласно выражению (3.1), равна Н кг-м/кг. Весовой расход жидкости . Следовательно, мощность передаваемая жидкости, N_ж = QH, кгм/с, или учитывая, что 102 кгм/с = 1 кВт, получим:

N_ж = , кВт (3.2)

где: - удельный вес, кг/м³;

Q - расход, м³/с;

Н - напор, м.

Не вся мощность, развиваемая двигателем на валу (N), передаётся жидкости. Потери учитываются КПД (). т.е. N = N_ж/. Используя 3.2 получим:

N = , кВт

Фактически мощность двигателя принимается с запасом, на 15-20% выше расчётной.

Существует несколько видов насосов. Объёмные насосы и гидродвигатели работают на принципе вытеснения жидкости поршнем, который совершает возвратно-поступательное движение. Особенность таких насосов (это и их недостаток) в том, что жидкость движется толчками.

Рис. 3.2. Схемы: а) винтового, б) шестеренчатого насосов

1 - ведущая шестерня (винт.); 2 - ведомая шестерня (винт.); 3 - корпус; 4 - входная труба; 5 - напорная труба

К объёмным насосам относится большое число машин, в которых рабочий орган имеет вращательное движение (ротационные насосы). Рабочие органы выполняются в виде шестерён, винтов и т.п. (рис. 3.2). Подача таких насосов равномерная.

Особенность этих насосов в том, что развиваемый ими напор теоретически ничем не ограничен и в действительности бывает очень большим. Он зависит только от усилия, которое может быть создано на рабочем органе, герметичности системы и прочности элементов насоса. В связи с этим, если между вентилем напорной линии и насосом нет сбросного (предохранительного) клапана, ни в коем случае нельзя закрывать этот вентиль при работе такого насоса.

Лопастные насосы осуществляют преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкости и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое и является рабочим органом насоса.

Рабочее колесо в насосе, вращаясь, увлекает лопастями жидкость и отбрасывает её к периферии. Это и послужило основанием называть такой насос «центробежный» (рис. 3.2б). Существуют и чисто осевые насосы (рис. 3.2а).

Рис. 3.3. Схемы: а) лопастного осевого, б) лопастного центробежного насосов

1 - рабочее колесо; 2 - вал, 3 - корпус; 4 - всасывающий патрубок: 5 - лопасти; 6 - подшипник. 7 - решетка (выправляющий аппарат); 8П - всасывающий патрубок; НП - напорный патрубок

Напор и перепад давления, создаваемый вращающимся рабочим колесом центробежного насоса, определяется метрами столба жидкости, заполняющей рабочее колесо. Если колесо вращается в воздухе, то напор будет составлять Н м возд.ст., т.е. насос может работать и как воздуходувка, но создаваемый им напор будет очень мал.

Воздуходувки применяют при эксплуатации турбин в режиме синхронного компенсатора (СК) для регулирования гидрогенератором реактивной мощности (напряжения) в электрической сеты (см. сле­дующую главу). Этот резким турбины целесообразно выполнять с наименьшими потерями энергии в энергетической системе, т.е. необ­ходимо освободить рабочее колесо от воды, чтобы оно не «перемеши­вало» воду и не затрачивало на это энергию. Схема освобождения ра­бочего колеса турбины от воды дм ввода режима СК действует на принципе отжатия воды из камеры рабочего колеса давлением воздуха и дальнейшей подкачки воздуха для поддержания заданного уровня воды ниже рабочего колеса. Для такой подкачки воздуха в ряде слу­чаев и применяются воздуходувки.

Поскольку все воздуха примерно в 800 раз меньше веса воды, то напор при вращении рабочего колеса в воздухе составит всего 0,03-0,08 м вод. ст., т.е. после включения электродвигателя создаваемый рабочим колесом перепад будет способен поднять «подсосать» воду во всасывающую линию всего на 3 8 см. Так как обычно H_s превышает эту величину, то вода не заполнит корпус и рабочее колесо лопастного (центробежного) насоса и поэтому не будет поступать в напорный патрубок, т.е. насос не запустится. Для того, чтобы лопастной насос запустился, необходимо предварительно перед включением электро­двигателя обеспечить заполнение жидкостью всей всасывающей линии насоса и камеры его рабочего колеса. Существуют разные способы заполнения указанных объёмов водой. Один из индустриальных спо­собов для крупных насосов заключается в том, что к всасывающей линии пристраиваются вакуумные насосы (водокольцевые или струй­ные), которые запускаются перед включением насоса, чтобы поднять воду во всасывающую линию. Существуют и самовсасывающие цен­тробежно-вихревые насосы.

Струйные насосы (эжекторы) работают на принципе использо­вания кинетической энергии жидкости или газов, движение которых в диффузоре создаёт разрежение и за счёт этого происходит подсос от­качиваемой жидкости.

Эрлифты (воздухоподъёмники). Эрлифт состоит из вертикаль­ной трубы, конец которой на высоту Н_п погружён под уровень воды. Внутри проходит трубка, по которой подаётся сжатый воздух и распы­ляется через отверстия на конце трубки. В результате в трубе образу­ется воздушно-водяная смесь (среда), удельный вес которой меньше удельного веса воды, в результате чего смесь поднимается по трубе и таким образом происходит откачка воды. Эрлифты применяются в основном для откачки воды из скважин. Недостаток их в том, что за­глубление трубы под уровень должно быть достаточно большим.

Существует много насосов различного назначения и различных типов (многоступенчатые, погружные, артезианские, грунтовые земле­сосы, багерные, песковые, бетоно-насосы, растворо-насосы и др.). Для изучения характеристик приведенных типов насосов и их свойств су­ществует специальная литература.