Конструкции турбинных камер

Турбинные камеры

Турбина служит для подвода воды к направляющему аппарату турбины. К турбинным камерам предъявляются следующие требования:

1) они должны обеспечивать равномерное по всему периметру питание направляющего аппарата;

2) гидравлические потери в самой камере, в статоре и при входе потока в направляющий аппарат должны быть малыми;

3) форма и размеры турбинной камеры должны соответствовать условиям компоновки блока здания ГЭС.

Виды турбинных камер:

1). Спиральные – бетонные, железобетонные и металлические (рис. 20)

Рис. 20. Спиральная камера

2). Прямоточные – для осевых и близких к ним направляющих аппаратов;

3). Открытые безнапорные – для малых низконапорных турбин;

4). Кожуховые – для горизонтальных турбин: D₁ < 1 м; Н < 25 м (рис. 21).

Рис. 21. Кожуховая камера

Конструкции турбинных камер

Входным сечением спиральной камеры считается сечение 0-0, перпендикулярное оси подводящего водовода. Концевое сечение принято определять по выходной кромке статора – зуба спирали. Угол φ_охв. Называется углом охвата спирали.

Стальные спиральные камеры имеют угол φ_охв. = 340 – 350 ⁰. Поперечные сечения круглые, причём по мере перемещения от входа к концу с уменьшением расхода площадь сечения и радиус убывают. В конечной части, примерно на последующих 90 ⁰, сечения переходят в эллиптические. Это объясняется тем, что необходимая площадь здесь настолько мала, что круглое сечение нельзя сопрячь с опорными поясами статора.

Спиральные турбинные камеры могут сварной или литой конструкции.

Бетонные турбинные камеры отличаются трапецеидальной формой поперечного сечения и меньшим углом охвата спирали, который составляет φ_охв. = 180 – 270 ⁰.

Поперечные сечения бетонных камер имеют трапецеидальную форму, причём высота b обычно больше, чем ширина а (рис. 22).

Характерны три формы бетонных камер:

развитая внизу, с постоянной отметкой потолка (рис. 22,а);

развитая вверх, с постоянной отметкой пола (рис. 22, б);

тавровая, с переменной отметкой потолка и пола (рис. 22, в).

Выбор той или иной формы целиком определяется условиями наивыгоднейшей компоновки блока здания ГЭС.

Рис. 22 Бетонные турбинные камеры

1. Гидравлический расчёт турбинных камер

1.1. Общие положения

Исходным положением для гидравлического расчёта турбинной камеры является равномерное поступление расхода в статор и направляющий аппарат по его периметру.

Отсюда следует, что расход Q_φ, проходящий через данное сечение спирали, определяемое углом φ (рис. 23), будет выражаться формулой:

(1)

Здесь Q – полный расход турбины;

φ - угол, отсчитываемый от конца зуба спирали.

Расчёт во входном сечении спиральной камеры равен:

(1,а)

Рис. 23. К расчёту металлической спиральной камеры.

Размеры сечений спиральной камеры определяются на основании одной из двух гипотез:

1) по заданным сечениям средней окружной компоненты скорости течения v_{u ср.} ;

2) по заданному направлению скорости течения на выходном диаметре статора D_{ст.вых.,} т.е. непосредственно перед входом на направляющий аппарат.

Мы рассмотрим расчёт только по первой гипотезе.

1.2. Расчёт по средним значениям скоростей

Расчёт по средним значениям скоростей производят:

либо по закону постоянства средней скорости

v_{u ср.} = v_сп.вх. = const

где v_{сп.вх -} средняя скорость во входном сечении спирали 0-0,

либо по закону убывающей средней скорости

v_{u ср.} = f (φ),

причём v_сп.вх. убывает с уменьшением φ по графику

Рис. 24. Законы убывания средней скорости в спирали

Значение средней скорости во входном сечении v_сп.вх желательно брать большим, так как это приводит к уменьшению размеров спиральной турбинной камеры, но в то же время при чрезвычайном увеличении v_сп.вх заметно растут потери (снижается КПД) и сокращается пропускная способность турбины. Расчёт спирали по убывающей средней скорости позволяет на 10-20 % (большие значения – для бетонных камер) увеличить v_сп.вх без ощутимого ухудшения энергетических показателей.

Зная изменение средней скорости по длине спирали, можно найти соответствующую площадь меридианного сечения спиральной камеры:

, ( 2)

причём в случае v_{u ср .} = const берут v_{u ср.} = v_{сп.вх .}

Средняя скорость v_сп.вх во входном сечении спирали определяется, в зависимости от напора, либо по кривой, либо по формуле:

,

где к_с – скоростной коэффициент, принимающийся:

0,85 – для турбин с бетонными спиральными камерами при Н = 40 м и 1,0 – при Н =3м;

с металлическими камерами – 0,5, при Н = 500 м и 0,85 – при Н = 40 м.

При промежуточных напорах его определяют путём линейной интерполяции по указанным выше крайним значениям.

Габариты спиральной камеры с круглыми поперечными сечениями определяются достаточно просто: задаются различными значениями углов φ и для каждого угла по (2) вычисляют соответствующие площади и радиусы:

.

Окружности сечений вписываются так, что они касаются верхнего и нижнего статорных поясов.

1.3. Расчёт бетонных спиральных камер.

Для бетонных спиральных камер сначала определяют угол охвата φ_охв. и v_{u ср.} = v_сп.вх. (по графикам), вычисляют необходимую площадь входного сечения спирали F_сп.вх.

По условиям компоновки блока здания ГЭС выбирается форма поперечного сечения и строится входное сечение. При этом учитывают следующие условия: , углы δ₁ и δ₂ принимают 15 – 30 ⁰.

Рис. 25. Построение промежуточных сечений

бетонных спиральных камер

Построение бетонной спиральной камеры удобно производить графическим способом (рис. 26).

Задав φ_охв. и найдя площадь

(2 а)

Исходя из условий компоновки блока здания ГЭС, выбирают форму и подбирают размеры входного сечения по площади F_сп.вх., по известным размерам статора (R_ст.вх. и в₀) строят полученное сечение (вход на рис 26,б) и, выбрав закон его изменения по длине (пунктирные линии), наносят несколько промежуточных сечений (1, 2, 3…). Под сечением строят сдвоенный график (рис. 26,в) F_φ = f _(R) и F_φ = f _(φ) по (2). Снося промежуточные сечения на эти кривые, находят соответствующие значения R_1, R₂ … и φ₁, φ₂ …, которые позволяют построить спираль в плане.

Рис. 26. Графическое определение размеров бетонной

спиральной камеры

Если требуется уменьшить размер входного сечения, то можно использовать закон убывающей скорости на угле около 45 ⁰ (показано пунктирной линией).

Выводы

Рационально спроектированные спиральные камеры обеспечивают практически равномерный подвод воды по всей окружности направляющего аппарата и высокие значения КПД.