Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1). Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии
![]()
|
4.3. ГидротурбиныРазличают два типа гидротурбин: активные и реактивные. Схема работы активной турбины (турбины Пельтона) показана на рис. 4.2. Мощность активной турбины Пельтона определяется выражением ![]() где UJ – скорость струи перед лопаткой. Мощность PJ стремятся сделать как можно ближе к Ро. Однако величина КПД этих турбин колеблется от 0,5 – для небольших турбин и до 0,9 – для больших агрегатов. ![]() Рис. 4.2. Активная турбина Пельтона Скорость струи, падающей на лопатку, определяется cоотношением Uj2=2gHa . (4.5) Для nj сопел, площадью Aj’ каждая, суммарный расход равен: Q = nj Aj’ Uj, (4.6) где nj – число сопел, Aj – площадь сечения сопла. А мощность на валу турбины будет равна: ![]() Причем общий расход через турбину ограничен расходом реки, то есть ![]() Если колесо турбины радиусом R вращается с угловой скоростью w, то мощность P = FR. (4.9) Так как Ut = R, то из формулы Ut /Uj=0,5, а также из выражений (4.5) и (4.9), получаем ![]() Сóпла обычно имеют круглое сечение радиуса rj, тогда Аj'= rj 2. Затем, учитывая (4.6), получим ![]() Окончательно из (4.10) и (4.11) имеем ![]() где ![]() есть безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом быстроходности. Реактивные гидротурбины. Они схематически изображены на рис. 4.3, б,в,г. Там же указаны способы повышения, эффективности гидротурбин, рис. 4.3, а. Из уравнения (4.1) следует, что при заданной мощности турбины чем меньше напор, тем большим будет расход воды. Если иметь в виду параметр быстроходности Z, то при заданной мощности Р и угловой скорости чем меньше напор, тем больше значение коэффициента быстроходности Z должно быть у турбины. У активных турбин это достигается путем повышения числа сопел; но опыт показывает, что при n > 4 струи начинают влиять друг на друга, что ведет к уменьшению КПД гидротурбины. В реактивных турбинах (рис. 4.3, б,в,г) поток воды воздействует на лопасти практически все время. Конструкция рабочего колеса реактивной турбины такова, что вода поступает в него радиально, а выходит в направлении оси ротора. Один из вариантов такой конструкции, носящий название радиально-осевой турбины, показан на рис. 4.3, б. Для еще большего увеличения расхода воды через турбину размер струи можно увеличить до размера ее колеса. Этот принцип лежит в основе пропеллерных гидротурбин (рис. 4.3, в). Скорость потока в таких турбинах имеет преимущественно осевое направление. Однако пропеллерные турбины имеют большой недостаток: в рабочем объеме часто возникает кавитация, приводящая к разрушению элементов турбины, поэтому они применяются в основном при низких напорах Н. Для поддержания КПД на определенном уровне в пропеллерных турбинах – особенно в мощных агрегатах – поворачивают лопасти на оптимальный угол, в зависимости от скорости потока воды. ![]() ![]() а) б) в) г) ![]() ![]() ![]() Рис. 4.3. Способы повышения эффективности гидротурбины за счет совершенствования ее конструкции: а – четырехсопловая турбина Пельтона, ее мощность в 4 раза больше односопловой того же диаметра; б – радиально-осевая турбина (турбина Френсиса); в – пропеллерная турбина; г – турбина двухкратного действия (турбина Банки); 1 – средний диаметр колеса; 2 – вход; 3 – спиральная камера; 4 – неподвижные лопатки направляющего аппарата; 5 – выход; 6 – вращающиеся лопасти; 7 – втулка; 8 – вид лопасти с торца Турбина двухкратного действия (турбина Банки), как и активная турбина Пельтона, не так чувствительна к параметрам потока, как пропеллерные турбины. Турбина Банки, к тому же, очень проста в изготовлении. На рис. 4.4 представлена зависимость КПД гидротурбин от коэффициента быстроходности Z, позволяющая выбрать оптимальный тип турбины по заданным значениям расхода и напора. Для каждого типа турбины, в свою очередь, существуют зависимости между параметром Z, определяющим условия работы с максимальными КПД, и параметрами самой турбины. Одним из таких параметров является отношение rj/r, которое определяется теоретически или экспериментально и используется при оптимизации конструкций турбин. Более детально с этим вопросом можно познокомиться в специальной литературе [27].
Полный КПД гидроэнергетической установки определяется соотношением ![]() где Ре – мощность электрогенератора. |