4.2.4. Гідроенергетичні розрахунки

Вихідними даними для гідроенергетичних розрахунків є відомості про витрати річки, потреби води на зрошення, водопостачання, графіки навантаження споживачів, характеристика водосховища та турбінного обладнання.

Потужність гідроелектростанції (на клемах електрогенератора)

N = Q₀H_розk_р_тур_u_g,

де N – потужність гідростанції, кВт; Q₀ – середні багаторічні витрати води через турбіну (норма стоку), м³/с; Н_роз – розрахунковий напір гідротурбіни, м;

де Q_i – значення і-х витрат; t_i – час дії і-х витрат; H_i – напір за і-х значень витрат в і-й час.

k_роз – розрахунковий модульний коефіцієнт:

k_роз = Q_роз / Q₀,

де Q_роз – розрахункові витрати, м/с;

Для Лісостепу k_роз = 0,35…0,65; Степу – 0,2…0,4.

_тур – ККД турбіни;

_u – ККД генератора;

_g – ККД трансмісії.

Кількість агрегатів станції вибирають, виходячи з умови, що окремі ділянки графіка навантажень забезпечуються роботою однієї або декіль­кох турбін, які працюють з не менш ніж половинним відкриттям, і визначається за виразом

де Q_роз – розрахункові витрати, що відповідають піврічному забез­печенню, м³/с; Q_min – середні зимові витрати маловодного року 90 % забезпеченості або середній мінімум. Для Лісостепу він становить 0,2 %, Степу – 0,1 % від норми стоку; с – коефіцієнт, що залежить від швидко­хідності (n_s) турбіни і визначається за її характеристиками. Якщо таких немає – користуються наближеними даними:

ns	100	300	350	375	524
с	0,3	0,43	0,5	0,55	0,77

Визначення потужності станції не має ґрунтуватись на вимозі максимального використання потоку, оскільки це може призвести до порів­няної нетривалості його використання. Крім того, слід враховувати, що параметри потоку мають забезпечити належні (номінальні) оберти турбіни під час роботи на певне навантаження. Невиконання цієї умови вимагає або зменшення приєднуваних навантажень (що призводить до недовиконання виробничого завдання, або порушення технологічних вимог), або регулювання швидкохідності турбіни.

4.3. Турбіни малих гідроелектостанцій

Усі турбіни, використовувані на малих гідроелектростанціях, за характером віддачі енергії поділяються на:

• активні, робота яких здійснюється за рахунок відхилення вільного струменя на лопатках турбіни, за однакового тиску на всіх її елементах, за кількістю робочих коліс вони поділяються на одно- та двоколісні, а за кількістю сопел на кожному колесі – на одно- та багатосоплові;

• реактивні (напірні), робота яких здійснюється під надлишковим тис­ком, що утворюється силою реакції води, тиск води на вході робочого колеса більший, ніж на виході.

4.3.1. Активні турбіни

На практиці застосовують два основних типи: ківшові (турбіни Пельтона) та двократні (турбіни Банкі).

Ківшова турбіна (рис. 4.7) складається з направляючого апарата, що регулює надходження води в турбіну, та робочого колеса, до вала якого приєднано електрогенератор.

Напрямний апарат являє собою трубопровід з конічною насадкою, в середині якого розміщено голку для регулювання сили струменя або припинення його дії.

Робоче колесо складається з металевого диска, на якому по колу розміщено ківшеподібні лопатки, характерна особливість полягає в тому, що вони розділені перетинкою (ножем) на дві рівні частини і мають конфігурацію для плавного руху струменя поверхнею. Крім того, щоб струмінь не розпорошувався об стінку лопатки, вона має на вільному кінці виріз.

Тип робочого колеса турбіни характеризується коефіцієнтом швидкохідності (або коефіцієнтом питомої кількості обертів) – п_s. Він дорівнює кількості обертів турбіни, подібної до вибраної, яка працює в такому самому режимі, з таким самим ККД, але з такими розмірами, що розвиває за напору 1 м потужність 0,74 кВт (1 к.с.):

де n – кількість обертів вибраної турбіни в хвилину; N – потужність турбіни, кВт; Н – напір, м.

Коефіцієнт односоплових ківшових турбін становить 4…24 і може бути розрахований за ККД 0,85 так:

де  – товщина струменя; D – діаметр колеса (за центрами лопаток).

У цьому разі 1/60   / D  1/10 з найкращою областю ККД в межах 1/16…1/25.

Кількість обертів турбіни залежить від швидкості надходження води, м/с:

де  – коефіцієнт швидкості, що становить 0,97…0,98.

Р ис. 4.7. Ківшова турбіна:

1 – напрямний апарат; 2 – робоче колесо; 3 – вал; 4 – патрубок напірного трубопроводу; 5 – регулювальна голка; 6 – конус; 7 – механізм керування; 8 – махове колесо; 9 – опорні підшипники; 10 – кожух; 11 – засувка трубопроводу; 12 – водовідвідний лоток

Колова швидкість приймається так:

м/с.

Приймаючи потрібну кількість обертів – п і обмежуючись п_s = 10…15, визначається потрібний діаметр робочого колеса:

.

Після приведення отриманого значення D до стандартних розмірів визначають дійсне значення кількості обертів:

Товщину струменя визначають так:

де Q – витрати води через сопло.

Отримані результати розрахунків вважають задовільними, якщо відношення  / D не виходить за межі рекомендованих значень.

У практиці використовують турбіни зі співвідношеннями, наведеними в табл. 4.4.

Таблиця 4.4. Співвідношення показників турбін

Діаметр струменя, , мм	Діаметр робочого колеса, D, м	Коефіцієнт швидкохідності за  = 0,8
25	0,5	11,5
36	0,5	16,5
50	0,5	23
65	0,82	18,3
82	0,82	23
100	1,0	23

Двократна турбіна (рис. 4.8) складається з напрямного апарата і робочого колеса. Вода, що проходить через колесо, двічі потрапляє на лопаті.

Робоче колесо являє собою циліндр із торцевими вертикальними дисками, в які по колу встановлені горизонтальні лопатки з поверхнею певної кривини.

Напрямний апарат виконано у вигляді трубопроводу з шиберною заслінкою.

До недоліків двократних турбін належить вплив на їх роботу коливання нижнього б’єфа. У разі застосування відсмоктувальних труб вплив зазначених факторів зводиться до мінімуму.

Рис. 4.8. Двократна турбіна:

1 – напрямний апарат; 2 – робоче колесо; 3 – робочі лопаті; 4 – вал турбіни; 5 – торцеві диски; 6 – заслінка; 7 – механізм ручного керування; 8 – напірний трубопровід; 9 – відвідний лоток