Курсовая работа: Классификация и применение гидротурбин

К средним — те турбины, у которых 1,2<=D₁ <=2,5 м при низких напорах и 0,5<=D₁ <=1,6 м при высоких, а мощность 1000 <N<=15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

2. Использование различных типов гидротурбин в соответствии с напорами.

Современное гидротурбостроение развивается с учетом следующих основных тенденций:

· повышения экономичности и надежности в эксплуатации;

· дальнейшего увеличения быстроходности гидротурбин с целью обеспечения требуемой расчетной мощности при меньших габаритах и весах гидроагрегатов, что обеспечивает снижение стоимости энергетического оборудования и здания ГЭС;

· улучшения энергетических характеристик гидротурбин и повышения среднезксплуатационного КПД агрегатов при работе на нерасчетных нагрузках и напоре;

· улучшения кавитационных характеристик с целью уменьшения разрушений проточной части и снижения отметки установки турбины по отношению к нижнему бьефу, что приводит к существенному уменьшению стоимости строительных работ по зданию ГЭС;

· уменьшения пульсаций давления в проточной части (особенна за рабочим колесом радиально-осевой гидротурбины) и сопутствующих им вибраций агрегата;

· дальнейшего роста единичных мощностей гидроагрегатов; применение на ГЭС мощных гидроагрегатов позволяет уменьшить их число, повысить КПД и снизить стоимость энергетического оборудования и здания.

Разработку высокоэффективного энергетического оборудования ведут в двух направлениях:

1. Дальнейшее совершенствование проточной части, технико-экономических характеристик и увеличение быстроходности обычных типов гидротурбин — вертикальных осевых поворотнолопастных, радиально-осевых и ковшовых турбин.

2. Разработка новых схем проточной части и конструкций гидротурбин с улучшенными энергетическими и кавитационными характеристиками.

В последние годы достигнуты большие успехи в расширении диапазона применения обычных реактивных гидротурбин по напорам. В настоящее время вертикальные осевые поворотнолопастные гидротурбины применяют на напоры 10 ÷ 80 м.Следует заметить, что целесообразность применения вертикальных осевых турбин на низкие (Н< 10 м)или высокие напоры (Н > 60 м)не является бесспорной. Так, применение вертикальных осевых гидротурбин на низкие напоры Н =3 м – 10м связано с чрезмерным увеличением размеров и веса агрегата, удорожанием здания ГЭС. Поэтому для диапазона напоров Н = 3 ÷ 15 мв последние годы разработаны более быстроходные и экономичные горизонтальные капсульные агрегаты. Применение вертикальных осевых поворотнолопастных гидротурбин на относительно высокие напоры (Н = 50 ÷ 80 м)объясняется стремлением повысить среднеэксплуатационный КПД агрегатов в том случае, если на станции имеют место большие колебания нагрузки и напора. У радиально-осевых гидротурбин в таких условиях падает среднеэксплуатационный КПД и уменьшается выработка энергии. С другой стороны, высоконапорные вертикальные осевые гидротурбины имеют худшие кавитационные качества, что ограничивает их применение на высокие напоры. Экономически целесообразно устанавливать их на ГЭС только при заглублении под уровень нижнего бьефа, не превышающем 6 м - 8 м.В связи с этим возникла потребность в новом типе гидротурбины, которая объединяла бы в себе преимущества осевой поворотнолопастной (малое изменение КПД при значительных колебаниях напора и нагрузки) и радиально-осевой гидротурбины (хорошие кавитационные качества, небольшое заглубление турбины). Такие гидротурбины, называемые диагональными поворотнолопастными, были созданы и получают в настоящее время все большее применение в практике гидроэнергостроительства при напорах Н = 50 ÷ 200 м. Радиально-осевые гидротурбины в настоящее время используют при напорах от 30 до 700 м.Причем продвижение радиально-осевых гидротурбин в зону высоких напоров (Н = 300 ÷ 700 м), более быстроходных по сравнению с ковшовыми, стало возможным благодаря улучшению их кавитационных характеристик, что позволило вытеснить из зоны напоров Н = 300 ÷ 650 мменее экономичные ковшовые гидротурбины.

Ковшовые гидротурбины в настоящее время применяют главным образом при напорах свыше 500 м(Н = 500 ÷ 2000 м). Их конструкции также претерпели существенные изменения. Современные мощные ковшовые гидротурбины выполняются вертикальными многосопловыми; они имеют более высокие значения КПД (т) = 91 ч- 92%) по сравнению с ранее применявшимися горизонтальными турбинами. Если на заданные диапазон напоров и условия работы ГЭС возможно применение нескольких различных типов гидротурбин или рабочих колес, то необходимо провести технико-экономический анализ различного энергетического оборудования и выбрать оптимальный вариант. Общая классификация гидротурбин различных типов по напорам представлена в таблице.

3. Применение гидротурбин в соответствия с напорами

Типы гидротурбин	Диапазон напоров Н, м	Единичная максимальная мощность N, Мет	Диаметр турбины максимальный di, М
Реактивные гидротурбины
Осевые капсульные, трубчатые и другие гидроагрегаты	2—20	До 50	8
Вертикальные поворотно-лопастные турбины	6-80	250	10,5
Пропеллерные	6—80	150	9
Двухперовые	30—100	.250	8
Диагональные	30—200	300	8
Радиально осевые	30—700	800	10
Обратимые
Осевые	2-15	30	8
Диагональные	20—100	300	7,5
Радиально-осевые одноступенчатые	30—600	450	9,5
Активные гидротурбины
Ковшовые	300—2000	350	7,5
Наклонно- струйные	50—400	50	4
Двукратные	10—100
«Сфиндекс»	200-1500

4. Новые типы гидротурбин и обратимые гидроагрегаты

Рассмотрим основные типы гидротурбин, созданных или разрабатываемых в настоящее время:

Осевые горизонтальные поворотнолопастные гидротурбины (на напоры Н = 3 ÷20 м).Вертикальные гидроагрегаты низконапорных ГЭС (Н < 10 м)имеют большие размеры и веса и дорогую подводную часть здания. Горизонтальные осевые гидротурбины различных конструкций и компоновок (рис. 1, 2) экономичнее вертикальных осевых гидротурбин. Преимуществом этих гидротурбин является также наличие прямоосной отсасывающей трубы, вследствие чего поток при его движении через проточную часть турбины мало искривляется. Вследствие чего вне этого уменьшаются потери энергии, увеличивается пропускная способность.

Рис. 1. Схемы проточных частей горизонтальных осевых гидротурбин: а — шахтная; б — трубчатая.

Рис. 2. Капсульный гидроагрегат ПЛ15/984-Г-600 Киевской I1 - капсула; 2 - статор; 3 - направляющий аппарат; 4 - рабочее колесо; 5 – отсасывающая труба.

Наиболее широкое применение среди горизонтальных поворотно-лопастных гидротурбин получили капсульные (рис. 2). Генератор капсульного агрегата расположен в капсуле. Габариты блока по высоте и в плане значительно меньше по сравнению с вертикальной осевой гидротурбиной такой же мощности, что приводит к снижению стоимости здания на 25—40%. При тех же напорах и диаметрах рабочих колес мощность капсульных гидротурбин на 10— 25% больше, чем осевых вертикальных их КПД в оптимуме выше на 2—3%, а при режиме номинальной мощности разница в КПД еще больше. Работа вертикальной осевой гидротурбины при форсированных расходах сопровождается вибрацией и большими потерями энергии, особенно в отсасывающей трубе, в то время как в капсульных гидроагрегатах при больших расходах эти явления проявляются значительно меньше.

На низкие напоры (Н = 3 ÷ 15 м)применяются в основном капсульные гидроагрегаты, как более совершенные.

Осевые двух-перовые вертикальные поворотно-лопастные гидротурбины (для средних и высоких напоров, Н = 40 м - 80 м).Для уменьшения высоты отсасывания и заглубления турбины необходимо улучшить ее кавитационные характеристики. Этого можно достичь, в частности, путем увеличения числа лопастей рабочего колеса. Однако при увеличении числа лопастей возрастают диаметр втулки рабочего колеса и скорости потока в рабочем колесе, что может привести не к улучшению, а к ухудшению кавитационных качеств осевой гидротурбины. Чтобы избежать чрезмерного увеличения втулки при числе лопастей г = 8, была разработана двух-перовая гидротурбина, у которой на каждом фланце лопасти размещены два пера (рис. 3). Модельные и натурные испытания двух-перовой гидротурбины подтвердили ее преимущества по сравнению с обычной осевой гидротурбиной при тех же напорах (Н = 40 ÷ 60 м).На большинстве режимов работы двух-перовая гидротурбина имеет хорошие кавитационные характеристики и малую нестационарность потока в проточной части.