Файл: Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет.pdf

использование энергии приливов и отливов, явления периоди­ чески имеющего место под влиянием притяжения океанских вод луной и солнцем. Значительную роль сыграли в этом главным об­ разом французские энергетики. Они начали проектировать, из­ готовлять и исследовать агрегаты малой мощности, исчисляв­ шейся несколькими сотнями киловатт, а в настоящее время ра­ ботают и успешно эксплуатируются опытная ПЭС Сен-Мало, ПЭС Ране (240 тыс. кВт) и др.

Поначалу использование энергии приливов и отливов каза­ лось нерентабельным. И в самом деле, представим себе, что мы отделили плотиной морской залив (бассейн) от моря. Во время при­ лива уровень воды в море выше уровня воды в заливе (бассейне); и если в плотине установить турбины, то, «срабатывая» создавашийся перепад (напор), мы получим электроэнергию. Поскольку бассейн при этом наполнится, то уменьшится напор, а вскоре он станет настолько мал, что турбины остановятся. С наступлением отлива цикл повторится, но в обратном направлении, из бассейна в море.

Работа турбин осложняется прежде всего реверсивным харак­ тером самого процесса в течение суток, а также малыми напорами (ощутимая их величина весьма кратковременна). Кроме того, не­ равномерность мощности в суточном цикле усугубляется месяч­ ной неравномерностью приливов вследствие их зависимости от положения луны на небесном своде; сказывается также ежеднев­ ный сдвиг фазы прилива. Были попытки сбалансировать эту энергию с помощью двухбассейновых схем, удорожающих, од­ нако, строительство, поскольку требуются дополнительные пло­ тины и водопропускные отверстия. В этом случае, как и без двух­ бассейновых схем, для выравнивания мощности в соответствии с потреблением требовались компенсирующие установки (насосноаккумулирующие станции —■НАЭС). А это безусловно оказы­ валось нерентабельно.

В большой мере решил эту проблему советский ученый Л. Б. Бернштейн. Он предложил использовать в момент выравни­ вания уровней воды в бассейне и в море турбины ПЭС в качестве насосов для повышения уровня в бассейне, с тем, чтобы потом сработать этот уровень и возвратить затраченную энергию. Осо­ бенно это целесообразно в ночные часы, когда имеется «избыточная» энергия тепловых электростанций, а возвращается эта энергия в часы пик. Таким образом, переводится энергия из лунного вре­ мени в солнечное. Появляются вполне определенные требования к турбинам ПЭС. Они должны работать в шести режимах: тур­ бина — в одном направлении, турбина — в противоположном; насос — в одном направлении, насос — в противоположном; про­ пуск воды без вращения в одном направлении, пропуск — в про­ тивоположном.

В настоящее время практически единственно приемлемыми аг­ регатами для ПЭС считаются капсульные обратимые агрегаты;

Г Л А В А II

ПРОТОЧНЫЙ ТРАКТ

6.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Кэнергетическим показателям турбины относятся пропуск­ ная способность и к. п. д. Пропускная способность турбины — количество воды (расход), пропускаемое через турбину в секунду. Пропускная способность определяется величиной максимального

приведенного расхода Qi [11, 17]. Коэффициент полезного дей­ ствия (к. п. д.) определяется величиной потерь. Величина потерь энергии зависит от принятой схемы проточного тракта и конструк­ ции турбины. Потери энергии в турбине складываются из гидрав­ лических, объемных и механических.

К гидравлическим относятся потери: на удар при входе в на­ правляющий аппарат и на рабочее колесо; на гидравлическое со­ противление трению из-за вязкости воды по всей длине проточного тракта в пределах турбины (путевые потери); на изменение ско­ рости по величине и направлению (местные потери); потери на выходе из отсасывающей трубы.

Кобъемным потерям, вообще говоря, относятся потери от про­ течек через щели и зазоры не попадающей на лопасти турбины воды. Однако в поворотнолопастных рабочих колесах эти потери неразделимы с концевыми потерями на лопастях в зоне между камерой и лопастями и между корпусом рабочего колеса и лопа­ стями.

Кмеханическим потерям относятся потери на трение в под­ шипнике и на привод вспомогательных механизмов.

Отдельные составляющие потерь энергии зависят от величины напора, схемы проточного тракта и режима работы турбины.

Для быстроходных гидротурбин, работающих при низких на­ порах и больших расходах, главными потерями будут гидравли­ ческие. При низких напорах относительная кинетическая энер­ гия турбины составляет значительную величину. Гидравличе­ ские потери АЯ пропорциональны квадрату скорости, и поэтому при низких напорах величина относительных потерь АН/Н бу­ дет велика. По сравнению с тихоходными турбинами, работаю­ щими при высоких напорах, гидравлический к. п. д. у быстро­

ходных турбин будет меньше.

37

Объемные и концевые потери энергии в поворотно-лопастных быстроходных гидротурбинах составляют небольшую величину. Снижение этих потерь вряд ли возможно, так как величины зазо­ ров между лопастями и камерой уже давно стали минимально допускаемыми технологией изготовления гидротурбин.

Механические потери энергии в гидравлических турбинах со­ ставляют довольно значительную величину 0,5—0,8%. Некото-

Рис. II.1. Проточный тракт горизонтальной прямоточной гидротурбины:

1 — подводящая камера; 2 — передний статор; 3 — радиальный направ­ ляющий аппарат; 4 — рабочее колесо; 5 — камера турбины; 6 — задний статор; 7 — отсасывающая труба

рое уменьшение этих потерь возможно только за счет улучшения качества обработки трущихся поверхностей в турбине.

Основным фактором улучшения гидравлических показателей горизонтальных турбин является наибольшее для каждой из схем спрямление проточного тракта, прежде всего в зоне отсасы-

Рис. II.2. Проточный тракт горизонтальной полупрямоточнон гидротурбины:

вания. Наибольший эффект для низконапорных быстроходных турбин оказывает применение прямоосной отсасывающей трубы и конического направляющего аппарата, расположенного в малоискривленной камере с достаточно большой площадью проходного сечения.

38

Горизонтальные прямоточные (рис. II. 1) и полупрямоточные турбины (рис. II.2) по сравнению с вертикальными имеют в зоне режимов с максимальными раходами некоторые преимущества по к. п. д. Однако существенная форсировка расхода в прямоточ­ ных турбинах лимитируется значительными потерями на ободе рабочего колеса. Что касается полупрямоточных, шахтных тур­ бин, то при большем размере генераторного помещения существен­ ная форсировка расхода невозможна.

Прямоточные гидротурбины обладают наиболее совершенным проточным трактом, однако, существенное увеличение их мощ-

Рис. П.З. Проточный тракт горизонтальной капсульной гидро­ турбины:

1 — подводящая камера; 2 — головная часть капсулы; 3 — статор турбины; 4 — направляющий аппарат; 5 — рабочее колесо; 6 — отса­

сывающая труба

ности тормозится трудностями конструктивного выполнения таких машин. В настоящее время в основном применяются капсуль­ ные гидротурбины (рис. П.З), которые могут работать с макси­ мальными приведенными расходами до 3500 л/с и более при вы­ соких значениях к. п. д. на всех режимах работы.

Применение горизонтальных капсульных турбин обеспечивает форсировку пропускной способности и позволяет при одинаковых с вертикальной турбиной размерах рабочего колеса на 20—25% увеличить мощность турбины практически без ухудшения к. п. д.

7. ПОДВОДЯЩАЯ КАМЕРА, СТАТОР, НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ

Подводящая камера. Подводящие камеры горизонтальных тур­ бин по сравнению с применяемыми в вертикальных турбинах спиральными имеют лучшие гидравлические качества. Скорости и направление потока в таких камерах по всему периметру прак­ тически одинаковы, благодаря чему обеспечивается более равно­ мерное обтекание колонн статора и всех лопаток направляющего аппарата.

Размеры и очертания подводящей камеры выбираются из ус­ ловия обеспечения таких величин скоростей потока и такого ха­ рактера их изменения по длине проточного тракта, при которых гидравлические потери в камере были бы минимальными. Для

39

увеличения пропускной способности турбины следует по возмож­ ности увеличивать проходные сечения камеры в области направ­ ляющего аппарата. Форма подводящей камеры также зависит от схемы проточного тракта и типа направляющего аппарата.

В прямоточных турбинах (рис. II. 1), в которых находят при­ менение, как правило, радиальные направляющие аппараты, при­ нимается круглая форма подводящей камеры. Ее диаметр на входе равен (1,3— 1,4) D lt что обеспечивает среднюю скорость потока на входе в направляющий аппарат порядка 4,5—5 м/с при ма­ ксимальном расходе.

В капсульных турбинах (рис. П.З) форма подводящей камеры на входе — прямоугольная; по мере приближения к статору она плавно переходит в круглую. Диаметр камеры у таких турбин в зоне направляющего аппарата принимается значительно боль­ шим по сравнению с камерами прямоточных турбин. Эго объяс­ няется наличием в потоке капсулы и необходимостью снизить скорость в зоне конического направляющего аппарата для умень­ шения гидравлических потерь. Диаметр подводящей камеры в зоне направляющего аппарата у горизонтальных турбин принимается равным (1,8-н1,9) D], что соответствует средним скоростям по­ тока 3—4 м/с при максимальной мощности.

В капсульных турбинах для обеспечения вибрационной стой­ кости агрегата в подводящей камере устанавливаются крепящие капсулу растяжки или распоры. В тех случаях, когда растяжки не могут быть установлены, применяется опорный бычок, толщина которого составляет 0,4—0,45 от диаметра капсулы.

Исследования показывают, что расположение в потоке растяжек или распоров существенного влияния на гидравлические качества камеры не оказывает. Что касается опорного бетонного бычка, то его наличие в потоке приводит к значительным потерям, осо­ бенно при форсированных приведенных расходах. При приведен­ ных расходах порядка Q1 = 3000 л/с потери составляют —1,5%, при Qi = 2000 л/с потери уменьшаются до —1,0%. При неболь­ ших приведенных расходах потери существенно уменьшаются.

Форма подводящей камеры полупрямоточной турбины (рис. II.2) значительно отличается от камер других типов горизонтальных турбин. Это объясняется наличием в камере бычка для размеще­ ния внутри него генератора. Поэтому здесь подводящая камера принимает форму двух каналов, огибающих указанный выше бы­ чок. На входе каналы имеют прямоугольную форму, а по мере приближения к статору плавно переходят в полукруглую. Опти­ мальные формы и размеры каналов определяются при испытании модели установки. Гидравлические качества подводящей камеры полупрямоточной трубины выше спиральной, однако они уступают камерам прямоточных и капсульных турбин.

Статор. Статор непосредственно примыкает к подводящей камере и является ее продолжением. В прямоточных и капсуль­ ных турбинах колонны статора расположены в потоке радиально.

40