МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

   МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА








           Б.П. Тихоненков



ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

      Часть 2. ТУРБИНЫ






                Библиотека МГАВТ





Москва-2005
Издательство «Альтаир»

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

   МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА








              Б.П.Тихоненков



ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

        Часть 2. ТУРБИНЫ

Москва-2005
Издатетельство «Альтаир»

УДК 621.224(075.8)

Тихоненков Б.П. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ. Часть 2. ТУРБИНЫ, М., Издательство «Альтаир» МГАВТ, 2005. 92 стр, ил.62.

  Данное учебное пособие является частью 2 общего курса «Гидравлические машины», читаемого для студентов-гидротехников.
  Рассматриваются гидравлические турбины. Основное внимание уделено описанию устройства, конструкций и эксплуатации гидротурбин. Теория рабочего процесса, т.е. кинематика и динамика жидкости в гидротурбинах рассматривается кратко, в объеме, необходимом для понимания условий их работы.
  Для студентов, бакалавров, магистров, стажеров вузов и факультетов, обучающихся по направлению «Гидрооличоское строительство» и др.

  Рецензент: к.т.н„ проф. Белоусов А.Р.               , ;

Печатается по решению Учебно-методического совета МГАВТ.










МГАВТ, 2005
Автор Тихоненков Б.П., 2005


1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ


      Введение

      Гидравлические. машины (гидротурбины, насосы, насосотурбины) - применяются для постоянной эксплуатации на гидроэлектрических, насосных и гидроаккумулирующих станциях, а насосы ещё и широко используются и при возведении гидротехнических сооружений:              плотин, каналов,
гидроэлектростанций, речнх и морских портов, ирригационных систем и других сооружений..
      Трудностью является уникальность таковых объектов. Компоновка, параметры и конструкции каждого объекта индивидуальны и в основном определяются местными природными условиями. Это несомненно накладывает специфические особенности на гидромашиностроение. При этом гидромашины, как правило, разрабатываются и выпускаются применительно к требованиям данного объекта, а не подбираются из готовых образцов, как это обычно практикуется в других случаях. В то же время принимаемые типы и параметры гидромашин оказывают существенное воздействие и на строительную часть гидроэнергетических сооружений, на объемы работ, стоимость и технико-экономические показатели гидроэнергетических объектов, включая насосные станции, т.е. на их эффективность.
     В данном учебном пособии, которое ориентировано на задачи гидротехнического строительства на речных просторах, дается описание устройства и конструкций гидромашин Теория рабочего

процесса, т.е. кинематика и динамика жидкости в гидромашинах, рассматривается лишь в объеме, необходимом для понимания условий их работы. Если студент прошляпил читаемый ранее курс гидравлики, то ему трудно придется при изучении курса гидромашин. Подтягивайся, студент!


                  1.1. Гидравлические машины


      Гидравлическая машина - устройство, в котором осуществляется передача механической энергии от протекающей через неб жидкости рабочему органу гидромашиггы (рабочее колесо, поршень и др.) или от рабочего органа гидромашины к протекающей через ней жидкости.
      Гидравлическая турбина (гидравлический двигатель)- это такая гидромашина, в которой рабочий орган получает энергию от протекающей жидкости, и энергия жидкости на входе в гидромашину больше, чем на выходе.                                   .
      Насос - гидравлическая машина, в которой энергия от рабочего органа передается протекающей жидкости и энергия на входе в гидромашину меньше, чем на выходе.
      Гидротурбины предназначены для установки на ГЭС (гидроэлектрических станциях), где они служат для привода электрических генераторов Принципиальная схема ГЭС показана на рис. 1.1а. Для сравнения на рис.1.1 б показана насосная установка.


Рис. 1.1. Принципиальные схемы турбинной (а) и насосной (б) установок

      Вода из верхнего бьефа (ВБ) по напорному водоводу подводится к турбине и из неб выпускается в нижний бьеф (НБ). В турбине энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения вала, от которого приводится во вращение ротор электрического генератора (гидрогенератора), где механическая энергия преобразуется в электрическую.
      Затем электроэнергия по линиям высокого напряжения передается в районы потребления, иногда на большие расстояния порядка тысяч километров.
      Турбина, соединенная с генератором, называется агрегатом ГЭС, или гидроагрегатом. Характерными его параметрами являются НАПОР (он определяется, в основном, разностью отметок ВБ и НБ) и МОЩНОСТЬ. Напоры на различных ГЭС изменяются в широком в широких пределах - от нескольких метров (низконапорные ГЭС) до сотен и тысяч метров (высоконапорные ГЭС). Мощность гидроагрегата может составлять от нескольких сотен киловатт (малые агрегаты, малые ГЭС) до сотен тысяч и миллионы кВт (крупные, сверхмощные гидроагрегаты). Подробнее см. литературу [ 4, 5, 6, 7].
      На рис. 1.2 показан гидроагрегат с низконапорной турбиной при вертикальной компоновке (вертикальное положение вала, оси вращения). Подобные агрегаты установлены на каскаде волжских

ГЭС (Рыбинская, Горьковская. Волжская им.Ленина, Саратовская и др). днепровских ГЭС (Каховская, Днепродзержинская, Кременчугская).


Рис. 1.1.. Вертикальный гидроагрегат с низхонапорной турбиной: 1 - рабочее колесо турбины; 2 - крышка турбины; 3 - вал; 4 - гидрогенератор.
     При очень низких напорах (10 - 15 м) в 70 -80 годы широко применялись горизонтальные капсульные агрегаты (рис. 1.3), которые установлены, например, на Киевской, Каневской ГЭС.

Рис. 1.3. Горизонтальный низконалорный капсульный гидроагрегат
1 — рабочее колесо турбины; 2—стальная капсула; 3—гидрогенератор

     На рис. 1.4 приведен гидроагрегат с высоконапорной турбиной, которая, как видно из сравнения с рис. 1.2, существенно отличается от низконапорной, особенно, по конструктивному исполнению. Впрочем, не по принципиальной схеме. Такие гидроагрегаты установлены на многих крупных высокоперепадных ГЭС - Братской, Красноярской. Нурекской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской, Рогунской, Богучанской и др.

Рис. 1.4. Гидроагрегат с высоконапорной турбиной: 1 —рабочее колесо турбины; 2 — вал; 3 — гидрогенератор

      Основным определяющим размером турбины считается' диаметр рабочего колеса D1. К малым относятся турбины, у которых сей диаметр не превышает 1,5 - 2,5 м. У крупных турбин таковой достигает 7,5 -10,5 и более метров.
      Судя хотя бы по рис. 1.2 - 1.4 видно, что гидротурбостроение -весьма сложная отрасль тяжелого машиностроения, традиционно в СССР гидротурбины разрабатывались и выпускались Ленинградским металлическим заводом (ЛМЗ) , и Харьковским турбинным заводом им.С.М.Кирова.
      Толчком к выпуску гидротурбин поступил знаменитый план В.И.Ленина ГОЭЛРО. Начало турбиностроения было положено на ЛМЗ, где в 1924 г была выпущена первая турбина мощностью 55 кВт.
      НАСОСЫ служат для перекачки жидкостей (для перекачки газов служат компрессоры, воздуходувки, вентиляторы) и устанавливаются на насосных станциях (НС) или насосных установках (НУ), принципиальная схема которых дана на рис. 1.1, б. Для привода насосов обычно применяются электродвигатели. Иногда, особенно на передвижных установках, применяют двигатели внутреннего сгорания (ДВС).
      Вода забирается насосом из нижнего бассейна (НБ) и по напорному трубопроводу подается в верхний бассейн (ВБ). Подводимая к насосу механическая энергия двигателя преобразуется в энергию жидкости, что заставляет её двигаться вверх по трубопроводу.
      По данным ЮНЕСКО по своей распространенности насос является машиной №1. Насосы участвуют в основном технологическом производстве, когда они перекачивают воду и другие жидкости в качестве как основных компонентов, так и для подачи реагентов, добавок, при перекачки неньютоновских жидкостей и т.д.
      Насосы являются основной технологической машиной в системах магистральных водоводов, нефтепродуктопроводов и др трубопроводов.

В гидротехническом строительстве (как и в других сферах хозяйства) насосы используются очень широко. Они имеют важное значение в строительстве в системах водоснабжения и водоотведения.
     Насосы устанавливаются на насосных станциях (НС) для переброски стока в системах ирригации и водоснабжения. Например, на канале Иртыш - Караганда длиной 450 км сооружены 22 НС мощностью 350 тыс. кВт, которые способны поднимать 2 млрд, куб.м в год на высоту 420 м.
     Большое число сверхмощных насосов намечалось для реализации предполагаемого проекта переброски части стока северных рек на юг в Казахстан, Узбекистан, Туркмению. Мощные НС сооружены на судоходных каналах имени Москвы, на канале Вол го -Дон. Крупные НС и НУ нужны для систем охлаждения тепловых и атомных электростанций, металлургических комбинатов, нефтеперерабатывающих заводов, химкомбинатов и т.д.
      Широко используются насосы в процессе возведёния гидротехнических сооружений, где они обеспечивают водоснабжение, водоотлив из котлованов, понижение грунтовых вод. Специальные грунтовые! насосы, служащие для перекачки смеси воды с грунтом -пульпы, применяются для разработки и транспорта грунта методом гидромеханизации.

      ОБРАТИМЫЕ ГИДРОМАШИНЫ (насосотурбины) получают все большее развитие в связи с интенсивным строительством гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), предназначенных для выравнивания графика нагрузки энергосистем. В ночные часы, когда в энергосистеме имеется избыток мощности, агрегаты ГАЭС работают в насосном режиме и аккумулируют энергию, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний (рис. 1.1, б). В часы максимума нагрузки - пика они включаются в турбинный режим и выдают электроэнергию


в энергосистему (рис. 1.1, а). Словом, обратимая гидромашина может использоваться и как насос, и как турбина.


     Ведущий институт в области гидромашиностроения -ВНИИгидромаш, в области гидротурбин - Центральный котлотурбинный институт имени И.И.Ползунова (ЦКТИ). Много работ по этим направлениям проводится в Ленинградском политехе им. Калинина, Московском энергетическом институте (МЭИ), МВТУ им. Баумана, МГСУ (МИСИ им. Куйбышева) и др.
     Теорию разрабатывали Н Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, И.Н. Вознесенский, И.И. Куколевский, Н.М. Щапов, А.А. Ломакин, Г.Ф. Проскура, В С. Квятковский, Н.Н. Ковалев, С.С.Руднев, Г.С.Щеголев и ДР-



1.2. ЭНЕРГИЯ ЖИДКОСТИ


  Условия работы гидромашин - турбин на ГЭС и насосов на НС и НУ - показывают, что и в тех и в других происходит преобразование энергии жидкости. В турбинах таковая преобразуется в энергию вращения, передаваемому генератору, а в насосах энергия, получаемая от двигателя, преобразуется в энергию жидкости. Поэтому вспомним гидравлику, определим —гидравлические показатели, характеризующие движение жидкости и ее энергию


       Давление жидкости.
     Абсолютное Ра и избыточное Р Причем


                 Ра = Ратм + Р


(1.1)

     Где Ратм - атмосферное давление, зависящее от отметки местности. На уровне моря Ратм = 100000 Па = 0,1 МПа

Ратм /др изменяется пьезометрической высотой в м ст. жидкости ; р- плотность жидкости, кг на куб.м, для воды плотность = 1000 кг на куб.м; g = 9,81м на сек в квадрате.
     Зависимость атмосферного давления в м вод.ст. от абсолютной отметки дана на рис.1.5.

-500 0 500 1000          2000
                   Абсолютная отметка, м ₜ Рис. "I.5. Зависимость атмосферного давления от абсолютной отметки'

       Приближенно атмосферное давление можно представить формулой


                Ратм/q р = 10,3 - <5/900 ,


(1.2)

       Где р - плотность; абсолютная отметка -5.


      Избыточное давление связано с пьезометрической высотой зависимостью Нп = Р/gp (рис.1.6, а), т е.


     Удельная энергия потока «е» в данном его сечении обычно относится к массе протекающей жидкости, соответствующей силе веса в 1 Н. В этом случае «е> может быть представлена трехчленом (рис. 1.7)


                 е= P/pg + z ♦ aV³/2g,

(14).

в котором каждый из членов выражается в Дж/Н, или Н.м/Н = м, т е. в единице напора. Это позволяет дать геометрическую интерпретацию закономерностей движения потока, что удобно для объяснения физики явления. Подробнее об этом см. курс гидравлики, тема уравнение Бернулли и его интерпретации, связь с законом сохранения энергии для жидкостей и тд.
     НАПОР является одним из основных показателей работы гидравлических машин.


Р = рдНп.

Где Р - давление, Па; Нп - пьезометрическая высота, м

     Из (1.4) следует, что полная удельная энергия потока «е» слагается из трех составных частей: Р/pg - пьезометрическая высота

>6

(энергия давления); z - геометрическая высота над плоскостью сравнения 0-0 (потенциальная энергия или энергия положения), aV2/2g - скоростная высота, или скоростной напор (кинетическая энергия); V - средняя скорость в данном сечении, V = Q/F (Q -расход через сечение 1-1 (рис.1.7), a F ■ его плошадь)
       а - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению,



= 1/V³F«j Vt³dF
F

                                                                            (1.5)




      Где Vi - местная скорость в данной точке сечения.
      Примечание.
      Удельная энергия потока в записи (1.4) предполагает, что давление по сечению распределено по гидростатическому закону, т.е. P/pg + z =- const. Поэтому (1.4) можно применять только к сечениям с плавно изменяющимся движением, где кривизна линий тока мала.
      Мощность____потока жидкости Ыж относительно плоскости
сравнения 0-0 можно найти, используя выражение удельной энергии (1.4), приняв е = Н. Если объемный расход Q, куб.м/с, то весовой расход pgQ, Н/с. Следовательно,

                     Мж = рдОН.                         (1.6)

       Здесь Nm дано в Дж/с или Вт.
       Если учесть, что для чистой воды р = 1000 кг/мЗ, и принять
       9 = 81 м/с2, то выражение Ыж, кВт, будет иметь вид:

      УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ для потока установившегося движения несжимаемой реальной жидкости (рис. 1.8) имеет вид.

        Pi/pg ♦ z, ♦aiV₁² 12g = Рг/pg + z₂ +a₂V₂²/2g + hᵥ₂. (1.8)

      Здесь Pi, P₂ и Vi, V₂ - соответственно давления и средние скорости в сечениях 1-1 и 2 - 2. bj.₂ - гидравлические потери на трение (по длине) и местные (резкий или плавный поворот потока, изменение размеров сечения и др.) на участке между сечениями 1-1 и 2-2. Эти потери по длине и в местных сопротивлениях определяются по известным формулам гидравлики.

      hw = XL/D. V²/2g,

      hM^ = <;V²/2g.

      Где 1, Q - коэффициенты гидравлического сопротивления и местного сопротивления (сумма коэффициентов).
      V - средняя скорость в сечении, принимаемом за расчетное.


        Подробнее эти вопросы разобраны в курсе гидравлики.

N* = 9,81 QH

(1.7)

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ турбины. ПАРАМЕТРЫ И ВИДЫ ТУРБИН


2.1. НАПОР И МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ


      Принципиальная схема установки турбины на ГЭС показана на рис.2.1, а. Из верхнего бьефа вода через водоприемник и напорный водовод подводится к турбине (сеч. В-В) в нижний бьеф или в отводящий водовод. Разность отметок бьефов называется статическим напором ГЭС Нет, м,

Нет ⁼ 2еб — Zₘ₆                (2.1) ' '

Рис. 2.1. Схема установки турбины на гидроэлектростанции

     Напор турбины Н, м, представляет собой разность удельных энергий ei на входе в турбину и е вых на выходе из неб.

Н = е, - ввых                          (2-2)


     Согласно (1.4)

     Вт = p,/g р+ Z, + V² а,/2д ,

где V₎ - средняя скорость в сечении 1 -1.
     Для нахождения Р,/др составим уравнение Бернулли (1.8) для сечений 0-0 - в верхнем бьефе и 1-1 - у входа в турбину (рис.2.1, а) относительно отметки уровня нижнего бьефа. Учтем, что

     Нст-бо + 4,. Тогда можно определить пьезометрическую высоту

      P,/pg = Н„ - Z, + о» V₀²/2g - a,V,²/2g - h™, (2.3)

      Если отнести выходное сечение турбины к нижнему бьефу (сеч. 2-2), то удельная энергия е вых относительно уровня нижнего бьефа по (1.4) будет равна:

               е>ы< = е² = a«e V^/2g.

       В итоге напор турбины согласно (2.2) представляется соотношением

          Н = Нет - hₙOT + a,, V₀²/2g - ай . V²^, /2д (2.4)

       Этот напор называется напором турбинной установки нетто
       Если исключить потери напора на трение, то будет напор брутто.
       Поскольку разность скоростных напоров в (2.4) мала, ее можно не учитывать. Тогда получаем выражение для напора турбины

               Н ~ Нст - Ппет                      (2.5)

       МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ
       Напор Н по (2.2) показывает, насколько уменьшается удельная энергия коды. Дж/Н, при прохождении через турбину. Учтем, что


                                                              20 расход, пропускаемый через турбину О, куб.м/с. а весовой расход pgQ, Н/с, то энергия, теряемая жидкостью в 1 с при прохождении через турбину, т.е. мощность Нж. отбираемая турбиной от протекающей жидкости, составляет:

                     Nx = pgQH                       (2.7)

     В свою очередь, коэффициент полезного действия (КПД) турбины ц:
Ч = N/N«                  (2,8).

     где N - полезная мощность на валу Из (2.7) и (2.8) получаем формулу для определения полезной мощности турбины:

N = pgQHr)                     (2.9)

       N - в Вт. Обычно турбины работают на пресной чистой воде с плотностью р = 1000 кг/куб м. При g = 9,81 м/с2 и учитывая, что 1000 Вт = 1 кВт. получаем:

               N = 9,81 QHn                  (2.10)

       Здесь Q - куб м с, Н - м . при этом N -кВт Эта формула широко применяется при проектировании ГЭС и расчетах турбин.
       КПД турбин достаточно высок: 0,94 - 0.95, в условиях максимальной нагрузки 0.88 - 0,93

                2.2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТУРБИН

     Турбина предназначена для преобразования механической энергии протекающей через нее воды а полезную энергию на вращающемся валу Соответственно главным показателем.