Глава 11. Гидравлические двигатели

11.1. Основные определения. Классификация гидравлических турбин

Гидравлические турбины и водяные колеса относятся к много­численному классу гидравлических машин, называемых гидравли­ческими двигателями динамического действия. В настоящее время гидравлические турбины практически полностью вытеснили водяные колеса, поэтому последние мы изучать не будем. Гидродвигатели объемного действия будут рассмотрены в гл. 12 как составная часть гидропривода. В данной главе мы остановимся лишь на гидротурбинах.

Гидравлическая турбина - это машина, в которой рабочий орган получает энергию от движущейся жидкости и преобразует ее в меха­ническую энергию вращения вала; причем энергия жидкости на входе в турбину всегда больше, чем на выходе. Следовательно, в турбинах происходит рабочий процесс, обратный тому, который имеет место в насосах.

Т урбины устанавливают на гидроэлектрических станциях (ГЭС), где они служат для привода электрических генераторов. Принци­пиальная схема установки турбины на ГЭС показана на рисунке 1. Вода из верхнего бьефа (ВБ) через водоприемник и напорный водовод подводится к турбине и, пройдя через нее, выпускается через отсасывающую трубу в нижний бьеф (НБ). Разность отметок верхнего и нижнего бьефов называется статическим напором ГЭС Н_ст (м):

Н_ст = z_ВБ – z_НБ. (1)

Турбина использует не весь статический напор ГЭС, а толь­ко часть его - так называемый напор турбины, который пред­ставляет собой разность удельных энергий на входе в турбину и на выходе из нее:

Н = е₁ – е_вых. (2)

Удельная энергия на входе согласно уравнению Бернулли:

, (3)

где v₁ - скорость на входе в турбину (в сечении I-I).

Пьезометрический напор в сечении I-I можно найти, составив уравнение Бернулли для двух сечений 0-0 и I-I отно­сительно уровня воды в нижнем бьефе:

, (4)

где - пьезометрический напор перед водоприемником; h_пот - гидравлические потери в подводящем водоводе.

Принимая во внимание, что

z₀ + h₀ = H_ст,

можно из уравнения (4) определить пьезометрическую высоту:

. (5)

Подставив уравнение (5) в (3), получим значение удель­ной энергии на входе:

. (6)

С определенной степенью допущения можно принять, что удель­ная энергия на выходе равна удельной энергии потока жидкости уровня нижнего бьефа е₂ , т. е.

. (7)

Тогда с учетом формул (6) и (7) уравнение (2) при­нимает вид:

. (8)

Этот напор называется напором турбинной установки нетто в отличие от напора брутто, который представляет собой разность удельных энергий верхнего е₀ и нижнего е₂ бьефов:

. (9)

Как видно из уравнений (8) и (9), напор Н_бр отлича­ется от напора нетто на величину потерь h_пот.

Обычно разностью скоростных напоров в уравнении (9) пре­небрегают ввиду ее малости, и напор турбины выражают как

Н = Н_ст – h_пот. (10)

Следует иметь в виду, что h_пот в этом выражении представ­ляет сумму гидравлических потерь в водоводах, не только подво­дящих воду к турбине, но и отводящих ее от турбины в нижний бьеф.

Мощность потока жидкости N_пот, поступающей в турбину, за­висит от напора Н (м) и расхода Q (м³/с). Так как весовой расход равен pgQ, то мощность потока будет (Вт):

N_пот = pgQН. (11)

Однако не вся мощность потока передается валу и является полезной, так как имеются потери в самой турбине, которые учи­тываются КПД турбины:

, (12)

где N - полезная мощность на валу турбины.

Для пресной воды  = 1000 кг/м³. Учитывая, что g = 9,81 м/с², а 1 кВт =1000 Вт, можно выразить полезную мощность (кВт):

N = 9,81QH_т. (13)

Эта формула широко применяется при расчетах турбин и про­ектировании ГЭС.

Количество энергии, полученной рабочим колесом от 1 кг жид­кости, может быть определено из турбинного уравнения Эйлера (10.12) с учетом _т:

Н_н =_т (u₁v₁ cos ₁ - u₂v₂ cos ₂)/g.

По принципу работы турбины могут быть разделены на две основные группы: активные и реактивные.

В активных турбинах, которые называют также свободно-струйными, статический напор переходит в кинетическую энергию раньше, чем струя воды соприкоснется с рабочим колесом. Вода с большой скоростью выбрасывается через один или несколько сопловых насадков в виде струй, которые ударяются о лопатки открытого рабочего колеса, сообщая ему момент вращения. Наибо­лее характерной для этого типа турбин является кошевая турби­на Пельтона.

В реактивных турбинах (напороструйных) потенциальная энергия давления используется в большей степени, чем кинетическая. В этих турбинах рабочее колесо полностью погружается в жидкость и находится в ней под давлением, а все его лопасти по­стоянно обтекаются потоком. Скорость потока перед входом на рабочее колесо даже при высоких напорах сравнительно неболь­шая; поэтому значение потенциальной энергии, используемой ре­активной турбиной, всегда больше, чем кинетической.

Для оценки степени реактивности турбин вводится так на­зываемый коэффициент реактивности, который показывает, какая доля статического напора (удельной энергии) используется в тур­бине в виде энергии давления:

, (14)

где v - скорость воды при выходе ее из направляющего аппарата.

Для активных турбин  = 0, для реактивных  > 0,5 и возраста­ет при увеличении коэффициента быстроходности турбин.