Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
4.3.4. Теория подобия лопастных турбинРазличные группы турбин могут быть объединены по принципу их геометрического подобия. Геометрическое подобие рабочих колес предполагает пропорциональность всех сходственных размеров их проточной части (b, D, r), равенство углов, определяющих форму лопаток (  ) и одинаковое число всех лопаток z: ,  ,  .Здесь и далее индекс «н» относится к натурному колесу, а «м» – к модельному. Кинематическое подобие заключается в подобии параллелограммов скоростей, построенных для сходственных точек натурного и модельного колес.  .Для динамического подобия требуется равенство чисел Рейнольдса  . Т. к. в большинстве случаев турбины работают в режиме автомодельности, то для подобия турбины достаточно наличие лишь геометрического и кинематического подобий. При таком условии  .Соотношение расходов подобных турбин получим из уравнения расхода жидкости через каналы рабочего колеса и условия геометрического подобия  .На основании ранее приведенной формулы для относительной скорости можно получить следующее выражение:  .Используя условие кинематического подобия, получим следующее соотношение расходов подобных турбин  .Соотношение напоров получим из уравнения Эйлера  .Используя полученное ране соотношение относительных скоростей, получим итоговое соотношение напоров для подобных турбин:  .Соотношение мощностей подобных турбин имеет вид  .Тогда используя ранее полученные соотношения расходов и напоров, получим итоговое соотношение мощностей подобных турбин  .Если рассматривать режимы одной и той же турбины, то при разных частотах вращения  и  законы подобия запишутся в следующем виде: .Имея параметры при частоте можно рассчитать характеристики турбины для любой частоты вращения. Для сравнительной оценки различных типов турбин их объединяют в серии по типу геометрического подобия рабочих колес. В качестве эталонной турбины выбрана турбина, которая развивает напор Hs = 1 м и дает производительность Qs = 0,075 м3/с. Частота вращения эталонной турбины ns при данных условиях называется коэффициентом быстроходности. Используя уравнение подобия, получим уравнение для расчета коэффициента быстроходности  .Коэффициент быстроходности определяется для режима максимальной мощности. Он имеет следующие значения для различных типов турбин: осевых –  об/мин, диагональные –  об/мин, радиально-осевые  об/мин, ковшовые –  об/мин.4.3.5. Эксплуатация турбин Гидравлические турбины являются простыми в эксплуатации и весьма надежными машинами. Однако в некоторых случаях может возникать износ турбины, приводящий к снижению ее КПД, к усилению вибрации и шума. Износ турбины делится на кавитационный и абразивный. Кавитационный износ это износ, вызванный возникновением кавитации у осевых и радиально-осевых турбин на тыльной («вакуумной») стороне лопастей рабочего колеса. Интенсивность кавитационного износа иногда весьма высока и достигает по глубине 5–10 мм/год. Условие безкавитационной работы турбины ограничивает допустимую высоту отсасывания  ,где  – атмосферное давление на поверхности нижнего бьефа;  – абсолютное давление насыщенных паров перекачиваемой жидкости, принимаемое в зависимости от температуры жидкости по справочникам;  – коэффициент кавитации турбинной установки, который определяется экспериментально, но приближенно его можно определить по формуле .Если значение допустимой высоты отсасывания получился отрицательным, то следовательно, турбину придется установить так, чтоб она была заглублена под уровень нижнего бъефа. Это соответственно приведет к увеличению затрат на строительство здания ГЭС. Абразивный износ это износ, вызванный воздействием частиц (особенно кварцевых), содержащихся в воде. Интенсивность абразивного износа зависит от кинетической энергии частиц  и их форм (округлые или обладающие острыми кромками).4.3.6. Выбор типа турбины На малых ГЭС используют практически все известные в настоящее время виды турбин. Осевые – поворотно-лопастные и пропеллерные турбины применяют при низких напорах – до 25 м. В широкой области напоров 2–800 м можно использовать радиально-осевые турбины. Ковшовые турбины используют при напорах 60–1000 м. Таким образом, области применения гидротурбин малой мощности различных видов перекрываются весьма существенно. Так, при напорах 2–25 м могут быть приняты как осевые, так и радиально-осевые турбины, а при напорах свыше 60 м – турбины двух классов: реактивные (радиально-осевые) и активные (ковшовые). Оптимальное решение выбирают на основании технико-экономического сопоставления возможных вариантов. При этом решающее значение имеют рабочие характеристики, кавитационные показатели и стоимость турбин. Эффективность использования осевых турбин на малых ГЭС при переменных расходах и напорах определяется их способностью к регулированию мощности. Осевая турбина с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса и лопатками направляющего аппарата имеет очень узкую зону с высоким КПД (кривая 1 на рис. 4.11). Применение таких турбин ограничено редко встречающимися на практике условиями постоянства расхода и напора. Наличие поворотного направляющего аппарата у осевой турбины с фиксированными лопастями рабочего колеса (кривая 2)позволяет осуществлять некоторое регулирование мощности. Более благоприятную и пологую характеристику с большим КПД в широком диапазоне изменения мощности имеет осевая турбина с поворотными лопастями рабочего колеса и неподвижными лопатками направляющего аппарата (кривая 3).Максимальные возможности регулирования мощности представляет осевая поворотно-лопастная турбина с поворотным направляющим аппаратом (кривая 4).  Рис. 4.11. Относительные мощностные характеристики осевых турбин с различными способами регулирования мощности Сравнительные рабочие характеристики основных видов турбин показаны на рис. 4.12. Из их рассмотрения следует, что в условиях меняющейся нагрузки весьма эффективными являются активные ковшовые и осевые поворотно-лопастные турбины, сохраняющие высокий КПД в широком диапазоне изменения расхода. Радиально-осевые турбины обладают гораздо худшей способностью к регулированию, а осевые пропеллерные турбины, КПД которых приближается к нулю при, расходах около 30–45% расчетного, можно эффективно применять лишь при очень небольшом колебании расхода.  Рис. 4.12. Относительные расходные характеристики турбин различных видов: 1– ковшовая; 2 – осевая поворотно-лопастная; 3–радиально-осевая; 4 – осевая пропеллерная (ns = 450); 5 – осевая пропеллерная (ns = 800)  Стоимость турбин малых ГЭС тем больше, чем больше их размеры и масса или в итоге мощность. Если же рассматривать удельную стоимость турбин, то она различна для турбин разных видов, а в пределах одного вида резко уменьшается с увеличением напора, что хорошо иллюстрируется номограммой, изображенной на рис. 4.13. Н Рис. 4.13. Удельная стоимость турбин различных типов: 1 –ковшовая; 2 – радиально-осевая; 3 – осевая поворотно-лопастная а рис. 4.13 также показаны разные удельные стоимости ковшовых, радиально-осевых и осевых турбин при одинаковом напоре. 4.4. Гидравлический таран 4.4.1. Явление гидравлического удара В 1898 г. русский ученый Николай Егорович Жуковский, анализируя причины аварий на московском водопроводе, открыл явление гидравлического удара и разработал теорию этого явления. Гидравлическим ударом называется резкое изменение давления жидкости при резком изменении скорости потока. Он наблюдается при быстром закрытии запорных устройств, установленных на трубопроводах (кранов, задвижек, клапанов), быстром останове или пуске гидродвигателя или насоса. При гидравлическом ударе происходит переход кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию покоящейся жидкости. Однако такой переход не мгновенный, а протекает с определённой скоростью, зависящей от свойств жидкости и материала трубопровода. Кроме того, этот процесс носит волновой характер. Покажем на простом примере, стадии распространения гидравлического удара. Резервуар соединён с трубопроводом длиной l, на конце трубопровода установлена задвижка (рис. 4.14). Размеры резервуара таковы, что при отборе жидкости из него уровень жидкости в резервуаре практически не понижается. Также для упрощения модели пока будем считать саму трубу недеформируемой. Примем за начало отсчёта точку О, расположенную на оси трубы в плоскости задвижки.  Рис. 4.14. Схема установки для исследования гидравлического удара Если бы жидкость была несжимаемой, то при резком закрытии задвижки мгновенно остановилась бы вся масса жидкости находящаяся в трубе, что вызвало бы мгновенный рост давления во всей жидкости. На самом деле в упругой жидкости процесс будет развиваться иначе. В момент резкого закрытия задвижки остановится только тонкий слой жидкости, непосредственно примыкающий к задвижке, остальная масса жидкости будет продолжать движение. За бесконечно малый промежуток времени (длительность процесса остановки) остановится масса жидкости в объеме первого тонкого слоя толщиной dh.  ,где ρ – плотность жидкости, dh – тонкого слоя жидкости, S – площадь внутреннего сечения трубы. Если обозначить давление в точке О до закрытия затвора через  , а через  давление после мгновенного закрытия задвижки, то по теореме об изменении количества движения можно вычислить изменение давления   , .Тогда  ,где – изменение скорости движения жидкости,  .Затем в следующий момент времени остановится следующий слой жидкости, потом третий и т.д. Так постепенно увеличенное давление у задвижки распространится по всему трубопроводу в направлении против течения жидкости. Тогда величина представляет собой скорость распространения упругой (ударной) волны. Величина скорости распространения ударной волны определяется по формуле Н.Е. Жуковского  ,где Еж и Е – соответственно объемный модуль упругости жидкости и материала трубопровода; d – внутренний диаметр трубопровода; δ – толщина стенок трубы. По истечении времени  вся жидкость в трубопроводе станет находиться в сжатом состоянии. Но теперь возник перепад давления между жидкостью в резервуаре и жидкостью в трубе, в результате чего начнётся движение упругой жидкости из трубопровода обратно в резервуар. По истечении такого же временного интервала , давление жидкости у задвижки понизится на величину  , т.е достигнет первоначального значения. При этом процесс движения жидкости в резервуар будет продолжаться, пока пониженное давление не распространится до конца трубопровода (до резервуара). Затем из-за инерции движения жидкости произойдет понижение давления жидкости на величину , т.е давление около задвижки станет меньше начального  .Таким образом, давление у задвижки буде сохраняться на постоянном уровне в течение времени  , а продолжительность всего цикла гидравлического удара будет равна  . За это время давление у задвижки в течение половины этого времени будет максимальным , в течение другой половины времени – минимальным .Затем цикл начнется заново. Если бы не было потерь давления на трение и деформирования трубопровода, то циклы повторялись бы бесконечно долго и гидравлический удар был бы постоянной величиной. Справа от задвижки также возникает гидравлический удар, только он начинается с понижения давления. Резкое увеличение давления, сопровождающее гидравлический удар – явление крайне негативное, т.к. гидравлический удар может разрушить трубопровод или какие-либо элементы гидравлических машин, испытывающие эффекты гидравлического удара. По этой причине разрабатываются методы предотвращения гидравлических ударов или уменьшить его негативное влияние. Поскольку мощность гидравлического удара напрямую зависит от массы движущийся жидкости, то для предотвращения гидравлического удара следует максимально уменьшить массу жидкости, которая будет участвовать в гидравлическом ударе. Для этого необходимо запорную арматуру монтировать в непосредственной близости к резервуару. В качестве меры уменьшения негативных последствий гидравлического удара используют замену прямого гидравлического удара на непрямой. Для этого достаточно запорную арматуру на напорных трубопроводах сделать медленно закрывающейся  , что позволит уменьшить силу удара  . Другой мерой борьбы с явлением гидравлического удара является установка на напорных линиях, работающих в условиях циклической нагрузки специальных компенсаторов с воздушной подушкой или предохранительных клапанов, которые принимают на себя удар. Однако в ряде случаев явление гидравлического удара успешно используется. К таким случаям использования гидравлического удара относятся производственные процессы по разрушению материалов и др. Известна специальная конструкция водоподъёмника, базирующаяся на использовании гидравлического удара. Конструкция и принцип действия гидравлического тарана Гидравлический таран это механизм, преобразующий энергию потока в потенциальную энергию давления, которую использует для поднятия жидкости на высоту нескольких десятков метров. Он может месяцами непрерывно работать без присмотра, регулировки и обслуживания, снабжая водой небольшой поселок или ферму. Гидравлический таран работает следующим образом (рис. 4.15).. Из питательного резервуара 1 вода по питательной трубе 2 поступает внутрь гидравлического тарана 3 и вытекает через ударный клапан 4.  Рис. 4.15. Схема гидравлического тарана Скорость потока за клапаном нарастает, возникает перепад напора на клапане, который в некоторый момент превышает вес клапана. Клапан мгновенно перекрывает поток, и давление в трубопроводе резко повышается – возникает гидравлический удар. Возросшее давление открывает напорный клапан 5, через который вода поступает в напорный колпак 6, сжимая в нем воздух. Давление в трубопроводе падает, напорный клапан закрывается, а ударный – открывается, и цикл повторяется снова. Сжатый в колпаке воздух гонит воду по нагнетательной трубе 7 в нагнетательный резервуар 8. Первый гидравлический таран построили в городе Сен-Клу под Парижем братья Жозеф и Этьен Монгольфье в 1796 году. Теорию гидравлического тарана создал в 1908 году Николай Егорович Жуковский. Его работы позволили усовершенствовать конструкцию этого устройства и повысить его КПД. 4.4.3. Теория расчета и область применения гидравлического тарана Полный цикл работы тарана можно представить из трех периодов: 1. период разгона – период времени от начала открытия ударного клапана до момента, при котором скорость в трубе станет наибольшей и клапан закроется  ,где  , l – длина питательной трубы, H – напор перед клапаном (питательный напор), пит и кл – коэффициенты сопротивления при движении жидкости питательного трубопровода и ударного клапана,  – коэффициент разгона.Наибольшая скорость в трубе для весового клапана определяется по формуле  ,где G – вес клапана, Sкл – площадь выходного отверстия ударного клапана. 2. период нагнетания – период от момента открытия нагнетательного клапана до момента его закрытия, при котором происходит нагнетание жидкости в воздушный колпак  ,где  – динамическая высота нагнетания,  и  – потери напора в нагнетательном и питательном трубопроводах.3. период отражения – период от момента закрытия нагнетательного клапана до открытия ударного клапана, при котором не происходит ни нагнетания ни разгона  .Технические параметры гидротаранной установки: 1. Продолжительность полного цикла  .2. Расход жидкости, сброшенной тараном  ,где S – площадь сечения питательной трубы. 3. Производительность таранной установки  .4. КПД таранной установки  ,где  – общий расход таранной установки.Имеются пределы применения таранных установок: Минимальный питательный напор H зависит от веса клапана G. При большом весе клапана и малом питательном напоре (  ) клапан может не закрыться и таран не будет работать. Максимальный нагнетательный напор h1 связан со скоростью движения в питательной трубе в конце разгона. При больших скоростях возможны большие сопротивления в питательной трубе и работа таранной установки становится не эффективной. При  м/с возможен нагнетательный напор до 300 м.Нижний предел отношения напоров ограничен автоматической работой таранной установки, которая возможна при  .Верхний предел отношений напоров ограничен КПД таранной установки  . Например, при  КПД = 0,8–0,85; при  КПД = 0,15–0,2.5. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА Энергия ветра человеком используется с давних времен для производства механической работы – помола зерна, поднятия воды, передвижения парусных судов. В Беларуси в 50-х годах эксплуатировалось около 500 ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые после полной электрификации страны и выработки ресурса были демонтированы. В настоящее время интерес к утилизации ветровой энергии возник вновь. 5.1. Происхождение ветра Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Теплый воздух поднимается вверх, уступая место холодному воздуху. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом. Ветровые потоки делятся на пассаты, бризы, муссоны и местные ветра. П  ассаты это ветровые потоки вызванные неравномерностью нагрева земной поверхности у экватора и у полюсов. На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схеме (рис. 5.1.) и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости.Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6–8 м/сек. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места. Бризы это ветровые потоки, вызванные неравномерностью нагрева земной и водной поверхности в течение суток. Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз. Таким образом, возникает циркуляция воздуха с направлением внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Муссоны это ветровые потоки, вызванные неравномерностью нагрева суши материков и водной поверхности больших морей и океанов в течение года. Происхождение муссонов похоже на происхождение бризов, но муссоны более крупного размера. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами. Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края. Местные ветры это ветры, обусловленные особенностью местного рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.). 5.2. Потенциал энергии ветра в РБ Прежде чем использовать ветер в качестве источника энергии необходимо знать, каким потенциалом он обладает. Этот потенциал зависит от следующих факторов: среднегодовой и среднемесячной скорости ветра, повторяемости скоростей и направления ветра, длительности периодов затишья и интенсивных ветровых порывов, максимальной скорости ветра. Скоростью ветра называют расстояние, проходимое массой воздуха в течение единицы времени вдоль земной поверхности. Скорость ветра постоянно меняется не только по величине, но и по направлению. Кроме того величина скорости ветра не постоянна по высоте от земной поверхности. Вблизи земной поверхности из-за влияния неровности рельефа местности скорость ветра затухает до нуля. С ростом высоты скорость ветра изменяется по экспоненциальному закону. Скорость ветра на высоте более 5 м может быть определена по формуле  ,где  – скорость ветра на высоте 10 м, – показатель степени, который в зависимости от географической координаты и характера местности изменяется в диапазоне 1/7–1/3. При этом неровности рельефа местности оказывают существенное влияние на распределение скорости. Если поверхность занята строениями, лесом, то скорость ветра на одной и той же высоте будет меньше, чем над открытой поверхностью. Наибольшее число данных по скорости ветра накоплено на высоте флюгера равной 10м. Для Беларуси по данным многолетних наблюдений среднегодовые скорости ветра составляют от 3,0 до 4,1 м/с, а – среднемесячная максимальная до 4,9 м/с. Максимальные среднемесячные скорости ветра достигаются зимой, а минимальные летом. В соответствии с другими источниками среднегодовая скорость ветра в отдельных регионах Беларуси предполагается более высокой и может составлять выше 5 м/с. Скорость ветра в целом зависит как от времени года, так и от времени суток. Для принятия решения об использовании энергии ветра необходим тщательный анализ о ее располагаемом потенциале. |