11.4. Рабочий процесс реактивных турбин

В реактивных турбинах жидкость, поступающая на рабочие лопатки, проходит через направляющий аппарат, который пред­ставляет собой круговую решетку из лопаток. Он формирует по­ток, закручивая его под наивыгоднейшим углом встречи с ло­пастями рабочего колеса. В результате создается циркуляция потока, которая сохраняется в пространстве между направляющим аппаратом и колесом турбины.

Преобразование гидравлической энергии потока в механи­ческую энергию вала осуществляется в рабочем колесе в резуль­тате взаимодействия потока с лопастями колеса. Движение жид­кости в рабочем колесе является сложным, состоящим из двух движений: относительного и переносного. Сумма этих движений дает абсолютное движение жидкости. Если обозначить вектор скорости относительного движения , а переносного движения , то вектор абсолютной скорости определится их суммой:

. (19)

Соотношение между этими векторами устанавливается парал­лелограммом или треугольником скоростей. Построение парал­лелограмма скоростей зависит от формы рабочих колес (вида тур­бин), а для турбин одного вида - от напоров.

На формировании рабочего процесса реактивных турбин зна­чительно сказывается процесс, происходящий в отсасывающей трубе. Он существенно влияет на энергетические показатели тур­бин, особенно низконапорных. Кроме того, отсасывающая труба определяет размеры нижней части здания ГЭС и отметку кладки фундамента.

Благодаря отсасывающей трубе удается полностью использовать энергию, соответствующую высоте установки турбины H_s над нижним бьефом; использовать значительную часть кинетической энергии по­тока жидкости, которой она обладает при выходе из рабочего колеса.

11.5. Регулирование турбин

В условиях нормальной эксплуатации рабочий процесс турбины отрегулирован на получение максимального КПД, что определяется оптимальными значениями подачи Q и частоты вращения п. Однако при неустановившихся режимах (при пуске агрегата, его остановке, сбросе нагрузки электрогенератора или регулировании потребляе­мой мощности в электросети) возникает необходимость изменять режим работы турбины. Для этого служит система автоматического регулирования турбины (САРТ).

Мощность ковшовой турбины регулируют изменением подачи через сопло с помощью специальной иглы обтекаемой формы. Вы­двигая иглу посредством гидропровода (см. рис. 2), можно из­менять размер выпускного отверстия сопла и тем самым изменять подачу воды и, следовательно, мощность турбины.

Струя, выходящая из сопла, должна быть плотной, без за­вихрений. Это достигается подбором угла сужения сопла  = 60 - 80° и формы иглы, приближающей выходящие струйки воды к оси сопла.

Временное снижение мощности ковшовой турбины можно полу­чить без уменьшения подачи, отводя струю от лопастей с помощью дефлектора. Если возникает необходимость уменьшить мощность турбины, САРТ подает импульс на гидропривод, и дефлектор быст­ро поворачивается, отклоняя струю. Подача при этом остается неизменной. При получении того же импульса игла медленно пе­ремещается, постепенно перекрывая сопло и уменьшая подачу. Такая система регулирования исключает возникновение гидравли­ческих ударов.

Мощность реактивных радиально-осевых турбин регулируется путем синхронного поворота лопаток направляющего аппарата на угол , соответствующий заданной подаче жидкости. В поворотно-лопастных турбинах производится двойное регулирование: лопасти рабочего колеса автоматически поворачиваются одновременно с ло­патками направляющего аппарата.

Д ля привода лопаток направляющего аппарата и лопастей ра­бочего колеса служат специальные механизмы, приводимые в движе­ние серводвигателями. Наиболее распространенная схема механизма привода лопаток направляющего аппарата показана на рисунке 9. Рычаги посредством тяг соединены с регулирующим кольцом, а также с лопатками. При повороте кольца по часовой стрелке рыча­ги и лопатки поворачиваются на один и тот же угол а, в результате чего решетка направляющего аппарата закрывается, а при повороте против часовой стрелки открывается.

Серводвигатели, поворачивающие регулирующее кольцо и ло­патки, должны обеспечивать плавность хода и преодолевать очень большие сопротивления. Этим требованиям отвечают гидравлические серводвигатели.

Существует несколько кинематических схем привода направляю­щего аппарата с помощью серводвигателей. На рисунке показаны два сервомотора, состоящие из гидроцилиндров с поршнями, соеди­ненные штоками с регулирующим кольцом.

Серводвигатели вступают в работу в результате нагнетания под большим давлением жидкости (масла) в одну из полостей цилиндров.

Если масло подводится к трубе А, то регулирующее кольцо поворачивается по часовой стрелке, и турбина закрывается; если масло подается через трубу Б, то регулирующее кольцо повора­чивается против часовой стрелки, и турбина открывается.

Механизм привода лопастей рабочего колеса поворотно-лопаст­ной турбины (рис. 10) должен обеспечивать изменение угла пово­рота лопастей в диапазоне 30-40° (от  = -15° до  = +20°). Механизм состоит из лопасти 7 с фланцем, к которому прикреплена цапфа 3, имеющая в корпусе две опоры 6 и 4. На цапфу насажен рычаг 5, соединенный тягой 1 с поршнем 2 серводвигателя, размещен­ного внутри обтекателя.

При перемещении поршня 2 посредством тяги 1 поворачивается цапфа 3 и вместе с ней - лопасти. Поршень перемещается и удер­живается в нужном положении с помощью САРТ одновременно с поворотом лопаток направляющего аппарата.

Контрольные вопросы и задания

1. Нарисуйте схему, объясните устройство и принцип действия гидравлических турбин.

2. Что называется статическим напором ГЭС, напором турбинной установ­ки нетто и брутто?

3. Напишите формулы мощности гидравлического потока, полез­ной мощности и КПД турбины.

4. В чем отличие активных и реактивных гидрав­лических турбин?

5. Что называется коэффициентом реактивности турбин?

6. Назо­вите основные типы гидравлических турбин и области их применения.

7. Что назы­вают рабочим процессом турбины?

8. Какое соотношение необходимо поддерживать между скоростью струи и окружной скоростью колеса для получения максимальной мощности активной турбины?

9. Объясните назначение направляющего аппарата реактивной турбины.

10. Объясните назначение отсасывающей трубы реактивной турбины.

11. Как регулируется мощность активной турбины?

12. Как регулируется мощность реактивной турбины?

Примерные темы рефератов

1. Основные этапы развития гидроэнергетики в СССР и РФ.

2. Совершенствование конструкций гидравлических турбин.

3. Устройство, принцип работы и область приме­нения активных гидравлических турбин.

4. Устройство, принцип работы и область при­менения реактивных гидравлических турбин.

5. Гидравлические турбины капсульного типа, их устройство и применение.

12