Глава VII
КОВШОВЫЕ ТУРБИНЫ
VI 1.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОВШОВЫХ ТУРБИН
Проточная часть и рабочий процесс ковшовой турбины существенно отличаются от проточной части и рабочего процесса реактивных турбин [55]. На рис. VII.1 показана схема, ковшовой турбины и основные размеры колеса.
Направляющим аппаратом для ковшовых турбин является сопло с иглой. Число сопл на одной турбине бывает от одного до шести. Вода через сопло подводится к рабочему колесу в виде струи круглого сечения. В сопле вся энергия воды, подведенной к нему по трубопроводу, за вычетом потерь обращается в кинетическую. Вода из сопла в виде струи попадает на ковш рабочего колеса. При выходе из сопла диаметром d струя воды имеет скорость v0 и диаметр d0
где φ≈ 0,99 — коэффициент истечения.
Диаметр струи (м) зависит от конфигурации сопла и его открытия. Обычно:
Здесь Qmax — в м/с; Н — в м; z0 — число сопл.
Пο элементарной теории рабочий процесс ковшовой турбины можно представить так, что струя воды, попадая на входную кромку ковша, острием ножа разрезается на две части, которые поступают на эллипсовидные половины ковшей, после чего вода, меняя свое направление в относительном движении почти на обратное, сходит с ковшей с очень малой абсолютней скоростью, отдав почти всю кинетическую энергию (за исключением потерь) рабочему колесу (см. рис. VII. 1).
Действительный процесс преобразования энергии в ковшовой турбине более сложен. При обтекании ковша существуют потери трения, имеет место сложное пространственное не установившееся течение безнапорного слоя переменной толщины.
Рис. VII.1. Основные размеры колеса ковшовой турбины
Обычно угол заострения ножа ковша на входе β0=10-12°, поэтому входной треугольник скоростей почти сливается в линию, т. е. можно считать w1≈v1 — и1. Это равенство не совсем точно, потому что струя воды движется прямолинейно, а ковш совершает круговое движение. Струя воды на выходе из ковша имеет относительную скорость w2, направленную почти в противоположную сторону и по численному значению несколько меньшую w1 из-за потерь на трение.
Угол β2 на выходе из ковша выбирают близким к 180° (обычно в пределах 176— 173°), поэтому абсолютная скорость ν2 на выходе из ковша будет иметь небольшую величину и, следовательно, потери энергии с выходной скоростью будут небольшими, однако и2 не может быть равной нулю, так как в этом случае вода не будет сходить с ковша.
Таблица VII.1. Основные параметры некоторых крупных ковшовых турбин
Мощность при постоянной пропускной способности или при заданном открытии сопла может меняться только в зависимости от КПД турбины. Диаметр колеса D1 при заданном диаметре напорной струи d0 определяется в зависимости от коэффициента быстроходности турбины nsк. Для ковшовой турбины
Соответственно диаметр рабочего колеса
При этом КПД принимался равным η=0,88. Очевидно, что коэффициент быстроходности ковшовых турбин, как и приведенная частота вращения, зависит только от отношения диаметра струи к диаметру колеса и от числа сопл. А диаметр колеса зависит от диаметра струи, коэффициента быстроходности и числа сопл.
Отношение d0/D1 имеет практические пределы, обусловленные конструкцией и размерами ковшей, возможностями их закрепления на диске и т. п. Практически наибольшее значение d0/D1=1/9, следовательно, для одного сопла максимальное значение коэффициента быстроходности в зависимости от напора nsк=22-25,2. Для четырехсопловой турбины (z0=4)nsк max=44-50,4. В среднем d0/D1=1/16. Поэтому для одного сопла нормальное значение коэффициента быстроходности nsк=15 при ku=0,46. При выборе данных машин и анализе их работы по коэффициенту быстроходности пользуются не отношением d0/D1, а обратной величиной- отношением D1/d0, что удобнее.
В соответствии с практикой зарубежных гидротурбостроительных заводов установились основные параметры ковшовых гидротурбин в зависимости от напора (табл. VII.1).
Увеличение числа сопл и уменьшение отношения D1/d0 уменьшает диаметр колеса, снижает габаритные размеры турбины и ее металлоемкость.
Однако дополнительные сопла требуют усложнения коллектора, направляющего аппарата и увеличивают число деталей. В турбинах сравнительно небольшой мощности экономия от уменьшения габаритных размеров оказывается меньше, чем удорожание из-за усложнения конструкции, поэтому турбины мощностью менее 15—20 МВт обычно делают не более, чем с двумя соплами. Увеличение числа сопл и уменьшение увеличивают частоту вращения турбины, поэтому уменьшаются габаритные размеры, масса и стоимость генератора. Для уменьшения капитальных затрат на строительство крупных ГЭС целесообразно применение более быстроходных турбин с большим числом сопл и малым отношением диаметра колеса к диаметру струи.
