Лекция 2.
Конструкции рабочих колес поворотно-лопастных осевых гидротурбин.
Основные характеристики поворотно-лопастных рабочих колес.
Поворотно-лопастные осевые рабочие колеса применяются для осевых и диагональных гидротурбин. В таком рабочем колесе закрученный направляющим аппаратом поток поступает в осевом направлении на лопасти и, отработав, уходит с них в том же направлении в отсасывающую трубу.
Осевые гидротурбины, обладая по сравнению с другими наибольшей пропускной способностью и быстроходностью, хорошо применимы при относительно низких напорах (от минимальных 10 м до 60 — 80 м). Обычно этот диапазон для поворотно-лопастных гидротурбин подразделяют еще на три: низконапорные гидротурбины, работающие при напорах до 15 м; средненапорные — от 15 ÷ 35 м и высоконапорные — свыше 35 ÷ 40 м. Выполняются поворотно-лопастные гидротурбины как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением вала. В свою очередь осевые колеса по характеру закрепления лопастей разделяют на поворотно-лопастные и пропеллерные.
Схема гидротурбины с осевым рабочим колесом представлена на рисунке 1.2. К основным элементам, общим для всех осевых колес, следует отнести лопасти 1 и корпус обтекаемой формы 2. В поворотно-лопастных колесах внутри корпуса размещается механизм поворота. За диаметр осевого колеса D1 принимается диаметр камеры, в которой оно вращается.
Рисунок 1.2. Осевое поворотно-лопастное рабочее колесо
а — открытое, б —в турбине, в — закрытое; 1 — лопасть; 2 — корпус;
3 — обтекатель.
Осевые рабочие колеса имеют по сравнению с другими большие сечения в каналах между лопастями, оказывают меньшее препятствие проходящему через них потоку, и поэтому скорости течения в них по сравнению с другими системами при одинаковых напорах оказываются большими. Причем, это относится ко всем составляющим скоростей.
Оборотность осевых турбин также является большей, чем у других систем. Увеличение пропускной способности и оборотности в гидротурбине обычно выражают объединенным понятием повышения быстроходности nS.
При повышенных значениях пропускной способности и оборотности диаметр рабочего колеса D1 получается меньшим и, таким образом, при заданной мощности оказываются меньшими размеры и масса турбины на единицу мощности, или ее удельная масса.
Таким образом, повышение быстроходности ведет к уменьшению размеров и массы турбины при данной мощности и является одной из важнейших тенденций современного гидротурбостроения. Этим объясняется широкое распространение наиболее быстроходных осевых гидротурбин.
Однако область применения осевых рабочих колес в настоящее время ограничена напорами до Н ≤ 80 м. Причина заключается в том, что при увеличении напоров скорости растут, и при их достаточно больших значениях возникает кавитация, нарушающая нормальную работу гидротурбины. Кавитация возникает в потоке при падении давления ниже критического, близкого к давлению парообразования pП1 когда жидкость закипает и переходит в двухагрегатное состояние, представляя смесь жидкой и газовой фаз. Это явление приводит к нарушению сплошности потока, падению мощности и к. п. д. турбины, вызывает вибрации и разрушение рабочих колес и сопряженных с ними элементов гидротурбины. В развитом состоянии кавитация в гидротурбинах недопустима.
Возможность возникновения кавитации в гидротурбинах оценивается коэффициентом кавитации:
σ = рКР / (ρgН) (1)
представляющим отношение критического давления рКР, при котором возникает кавитация ко всему располагаемому напору Н. Согласно уравнению Бернулли при z = const,
v2 / (2g) + p / (ρg) = H = const.
Отсюда при увеличении скорости в потоке v динамический напор v2 / (2g) растет, а, следовательно, статический напор p/(pg) падает.
При достижении некоторого критического значения рКР ≈ pП1 возникает кавитация. Как видно из выражения (1), этому соответствует определенное значение σ.
Очевидно, чем больше значение σ, тем при более низких напорах возникает кавитация, и наоборот. При одинаковых напорах кавитация возникает раньше там, где выше скорости течения.
Осевые рабочие колеса характеризуются большими значениями σ. Вообще, чем больше значения Q и n, чем выше быстроходность nS и скорость v, тем хуже кавитационные свойства рабочих колес и тем выше характеризующий их коэффициент σ.