Классификация и применение гидротурбин (стр. 3 из 3)

Рис. 7. Сравнение рабочих колес радиально-осевой турбины и обратимой насосной турбины (данные фирмы Эшер — Висе): а — план рабочих колес; 1 — турбинное рабочее колесо; 2 — насосное рабочее колесо; б — меридиональная проекция рабочих колес.

Обратимая гидромашина может работать и как насос, и как турбина; для этого надо изменить направление вращения ротора агрегата (рис. 6). Таким образом, один агрегат (гидро-машина — электрическая машина) может аккумулировать гидравлическую энергию, работая в насосном режиме, или вырабатывать электрическую в турбинном режиме. Получение высокого КПД в насосном и турбинном режимах при общей проточной части и одинаковой частоте вращения электрической машины — задача довольно сложная.

Конструктивно обратимая гидромашина подобна обычной гидротурбине. При проектировании обратимых гидро-машин основное внимание уделяется созданию эффективной проточной части агрегата, прежде всего в насосном режиме работы. Рабочее колесо обратимого агрегата в основном рассчитывается как насосное колесо.

Известно, что поток в рабочем колесе насоса замедленный (диффузорная решетка), а в турбинном ускоренный (конфузорная решетка) (рис. 7, а, б). Замедление потока в обычном турбинном колесе, имеющем короткие лопастные каналы, при его работе в насосном режиме было бы чрезмерным и привело бы к отрывным явлениям, падению КПД и ухудшению кавитационных характеристик гидроагрегата. Поэтому насосное рабочее колесо лучше приспособлено к работе в турбинном режиме, чем турбинное в насосном.

Напор, развиваемый в насосном режиме работы, как правило, должен быть больше, чем в турбинном режиме. Вследствие этого при выбранном диаметре рабочего колеса частота вращения агрегата в насосном режиме должна быть больше (примерно на 10 ÷ 15%) по сравнению с турбинным режимом. Если величина КПД в турбинном режиме имеет первостепенное значение, возможно изготовление обратимого агрегата с двухскоростной обратимой электрической машиной.

Однако в современных конструкциях обратимых гидро-машин удается обеспечить приемлемые значения КПД в насосном и турбинном режимах при одинаковой частоте вращения. Поэтому двухскоростные обратимые агрегаты, как более дорогие, применяются редко.

Эффективность работы ГАЭС возрастает по мере увеличения их напора, поэтому средне- и высоконапорные радиально-осевые одноступенчатые обратимые агрегаты (Н = 100 ÷ 600 м)находят широкое применение.

В отдельных случаях целесообразно применение диагональных и осевых обратимых гидромашин, а также многоступенчатых обратимых гидроагрегатов.

Капсульные гидроагрегатыприливных электростанций выполняют обратимыми для обеспечения подачи воды в бассейн в часы провала графика нагрузки системы (насосный режим) и последующего использования аккумулированной энергии в часы покрытия пиков графика нагрузки (турбинный режим). Обратимый агрегат ПЭС может работать в турбинном и насосном режимах при любом направлении вращения рабочего колеса, а также в качестве водопропуска. Этого удалось достичь благодаря применению лопастей специальной S-образной формы и механизма поворота, осуществляющего поворот лопастей на большие углы по сравнению с обычными осевыми рабочими колесами поворотно-лопастных гидротурбин. Прямоточная схема капсульного агрегата целесообразна при перемене направления движения потока, связанного с переходом из турбинного режима в насосный (или наоборот).

Принципиальная конструкция агрегата аналогична показанной на рис. 2. Капсульные обратимые агрегаты в настоящее время применяютна напоры Н = 2 ч- 15 м.

Диагональные поворотно-лопастные обратимые гидроагрегатыиспользуют для установки на ГАЭС при более высоких напорах Н = 25 ÷ 100 м.Поворот лопастей рабочего колеса улучшает рабочие характеристики обратимого гидроагрегата, особенно при работе в насосном режиме. Во-первых, при работе на нерасчетных режимах существенно увеличивается КПД насоса с поворотными лопастями по сравнению с жестколопастными рабочими колесами. Во-вторых, при развороте лопастей рабочего колеса на больший угол увеличиваются диаметры расположения входных и выходных кромок рабочего колеса, что обеспечивает рост расхода и увеличение напора. Это обстоятельство очень важно для работы агрегатов в насосном режиме на станциях, где наблюдается большое колебание уровня воды в верхнем бассейне. На рис. 8 показан вертикальный разрез по обратимому диагональному агрегату одной из действующих ГАЭС.

Рис. 8. Диагональная обратимая гидротурбина для ГАЭС:

1 — спиральная камера; 2 — статор; 3 — направляющий аппарат; 4 — рабочее колесо; 5 — отсасывающая труба; 6 — крышка турбины; 7 — подшипник турбины; 8 — вал турбины.

Применение обратимых диагональных гидроагрегатов на напоры Н > 100 мограничено кавитационными и прочностными характеристиками агрегата. Радиально-осевые обратимые гидроагрегаты специальных конструкций. С целью дальнейшего улучшения технико-экономических показателей обратимых радиально-осевых гидро-машин и расширения зоны их применения по напорам был разработан ряд новых конструкций. Чтобы избежать падения КПД гидроагрегата, особенно при работе в турбинном режиме, швейцарскими инженерами разработана оригинальная конструкция обратимой гидромашины с постоянным направлением вращения ротора (рис. 9), получившей название «Изод-жир». Агрегат имеет два рабочие колеса — насосное и турбинное, установленные на общем валу. На входе в рабочее колесо гидротурбины и выходе из насоса имеются независимые цилиндрические затворы. Если, например, агрегат работает в турбинном режиме, то затвор после рабочего колеса насоса закрыт и вода отжата из полости насоса. Для перехода в насосный режим при сохранении направления вращения ротора закрывают затвор перед турбиной, отжимают воду из ее рабочего колеса и открывают затвор после рабочего колеса насоса.

Рис. 9. Обратимая гидромашина «Изоджир»:

1 — турбинное рабочее колесо; 2 — спиральная камера; 3 — насосное рабочее колесо; 4 — вал гидроагрегата; 5 —- всасывающий патрубок; 6 — цилиндрический затвор; 7 — отсасывающая труба.

Таким образом, переход из одного режима работы в другой существенно упрощается и требует меньшего времени. Экспериментальный агрегат «Изоджир» установлен на ГЭС «Роби» (Швейцария).

Другим подходом к решению вопроса об улучшении КПД и характеристик обратимой гидромашины при работе в турбинном и насосном режимах является конструкция агрегата «Хайвар», разработанная английской фирмой «Инглиш Электрик» (рис. 10). Отличительной особенностью рабочего колеса такого агрегата являются поворотные элементы разрезных лопастей. Регулирование положения выходных частей лопастей в зависимости от открытия направляющего аппарата позволяет существенно улучшить характеристики агрегата при переменных напоре и нагрузке. С другой стороны, при работе в насосном режиме поворотные элементы лопастей позволяют обеспечить не только высокий КПД, но и требуемую величину напора, так как при повороте выходной части лопасти изменяется диаметр рабочего колеса.

Рис. 10. Рабочее колесо обратимой радиально-осевой гидромашнны «Хайвар» с поворотными элементами лопастей:

а — общий вид рабочего колеса; б — схема лопастного канала рабочего колеса: / — поворотная часть лопасти; 2 — поворотное кольцо; 3 — цапфа; 4 — фиксирующий штифт.

Заключение

Современной тенденцией в развитии обратимых гидромашин является дальнейшее их продвижение в зону более высоких напоров Н =500 ÷ 1000 м.Работы ведутся в двух направлениях: разработка двухступенчатых или многоступенчатых радиально-осевых обратимых гидромашин; последовательное соединение двух обычных обратимых радиально-осевых машин (сдвоенные обратимые агрегаты).

Список литературы:

1. А.М. Антонова, Б.Ф. Калугин, М.А. Вагнер. Общая Энергетика. Томск 2003 г. 387 с.

2. В.В. Парлит. Гидравлические турбины. М. 1987 г. 328 с.

3. www.uhm.chat.ru

4. www.biblus.ru