Мощность турбины гэс определяется уравнением формула (3 видео)

Расчеты параметров ГЭС

Для справки.
Теоретическая мощность “идеальной” ГЭС можно посчитать по формуле:

N= p * Q,
где N – мощность, в ваттах
p – давление перед турбиной, в паскалях
Q – расход воды, в м3 в секунду.

Давление 10 метрового столба воды составляет 1 атмосферу или 100 000 паскалей.
1 литр составляет 1/1000 м3

Например,
ГЭС, потребляющая 45 литров в секунду (0,045 м3/сек) и работающая на
перепаде 2 метра (20 000 паскалей), по вышеуказанной формуле может
выдать 900 Ватт.

Реальные турбинные колёса небольших мощностей выдают 30-50% от теоретического значения.

От данной отправной точки можно строить свои предположения. хватит ли Вам
вашего ручейка только на светодиодные лампочки или всё же на
электроинструмент и бетономешалку…

Содержание

“Бесплотинные ГЭС
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ ГЭС
Расчет мощности малых ГЭС
Гидравлические турбины
📺 Видео

“Бесплотинные ГЭС

– их мощность можно примерно оценить как

N = 120* V(куб)*D (квадрат)

где N – мощность, ватт, V- скорость течения, в метрах в секунду, а D – диаметр колеса, в метрах.
Это
– для хорошо сделанного винта. Для колес по типу старых водяных мельниц
мощность считается по площади сечения лопаток, которая омывается водой.

Как
мне кажется, безплотинные ГЭС можно использовать при скоростях где-то
от 0,7-1 м/с, а такие скорости в центральной России встречаются довольно
редко (почти нигде). А если и встречаются, то там может оказаться
мелко. То есть, должно крупно повезти, чтобы была возможность
пользоваться такой установкой. Но я, например, знаю людей, которым
повезло.”

За правильность формулы не ручаюсь (она, в отличии от плотинной ГЭС скорее эмпирическая), но сайт вполне адекватный.

Путём
модельного расчёта при скорости течения в 1 м/c (бОльшие скорости –
скорее экзотика для большинства рек) получаем на 1 кВт мощности станции
диаметр колеса ГЭС в 2,9 метра.

А вот если Вам повезло и скорость
течения у Вас в ручье уже хотя бы 2 м/с, то диаметр колеса киловаттной
станции ужмётся до 1 метра. Можно и плотину не ставить – а просто отобрать достаточный для Вашей ГЭС поток воды в обычную трубу.

Называется всё это чудо “Деривационная ГЭС”.

Используются
такие ГЭС в основном в горных районах, где, кроме функции получения
электроэнергии, служат ещё и для регуляции паводкового и ливневого
стока.

Например, на Западной Украине сейчас, по моим сведениям,
стоит брошенными около 70 малых ГЭС, построенных во время Сталина. При
желании могу найти человека с явками и паролями для интересующихся
возродить там любую из таких ГЭС.

На формулу расчёта мощности
способ подвода воды к гидроагрегату влияния не оказывает. Скорее, подвод
в трубе немного уменьшит напорный уровень ГЭС за счёт трения воды в
трубе.

Охрана подающих труб, безусловно, находится в ведении владельца ГЭС.

Так, например, при уклоне в 5% длина подводящего канала деривационной ГЭС с перепадом в 2 метра составит 40 метров. Проблема в том, реки обычно не текут “по уклонам”, а уже заранее выбрали весьма извилистые пути с минимальными уклонами.

Например,
в районе Днепропетровска река Днепр имеет отметку +51 метр при
расстоянии от устья в 480 км. А теперь посчитайте уклон в процентах…

И такую ситуацию Вы получите в 95% малых рек и ручьёв в европейской части России и Украины – за исключением Карпат и Кавказа.

Видео:Парадокс сужающейся трубыСкачать

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ ГЭС

Видео:Реактивная мощность за 5 минут простыми словами. Четкий #энерголикбезСкачать

Расчет мощности малых ГЭС

Принимаемая в проектной документации мощность гидроэлектростанции — основной параметр, характеризующий ее как объект генерации электроэнергии.

Мощность малой ГЭС на конкретный момент времени определяется по формуле:

где:
Q — расход воды, протекающий через гидротурбины ГЭС (м 3 /с);
H — напор воды (м);
η_турб — КПД турбины;
η_ген — КПД генератора.

Размерность мощности, получаемой по данной формуле — кВт.

Для проекта малой ГЭС наиболее важными исходными данными при расчете выработки являются расходы воды. Их получают на основе имеющегося гидрологического ряда наблюдений на близкорасположенном водомерном посту реки.

Максимальная мощность малой ГЭС, называемая установленной мощностью, рассчитывается по модифицированной формуле:

Q_макс — максимально возможный расход воды, который способны пропустить агрегаты ГЭС;
H_расч — расчетный напор воды, представляющий собой средневзвешенный напор за определенный отрезок времени.

Выработка представляет собой объем электроэнергии, вырабатываемой малой ГЭС. Выработка представляется в кВ·ч и рассчитывается для определенного периода времени (обычно — один год). Основная формула:

где:
N_i — ряд мощностей в течение расчетного периода времени T;
t_i — ряд временных промежутков, соответствующих N_i и в сумме равных расчетному периоду времени T.

Видео:Вычисление параметров деривационной трубы и турбины для миниГЭС, под определенную мощность.Скачать

Гидравлические турбины

Рассмотрим принципиальную схему установки турбины (рис. 4а). Из верхнего бьефа вода через водоприёмник и напорный водовод подводится к турбине (сеч. I-I) и, пройдя через неё, выпускается из отсасывающей трубы (сеч. В-В) в нижний бьеф или отводящий водовод. Разность отметок бьефов называется статическим напором ГЭС Н_ст, м,

Напор турбины Н, м, представляет собой разность удельных энергий е₁ на входе в турбину и е_вых на выходе из неё:

Рис. 4 Схема установки турбины на гидроэлектростанции

В соответствии с уравнением для определения удельной энергии потока можно записать:

где v₁ — средняя скорость в сечении I-I

Для нахождения составим уравнение Бернулли для сечений 0-0 в верхнем бьефе и I-I – у входа в турбину относительно отметки уровня нижнего бьефа

где

h_пот — гидравлические потери в подводящем водоводе по длине и местные (на вход в водоприёмник, на повороты и др).

учитывая, что , из уравнения определяем пьезометрическую высоту

(3)

Если отнести выходное сечение турбины к нижнему бьефу (сеч. 2-2), то удельная энергия е_вых относительно уровня нижнего бьефа будет равна:

В итоге напор турбины согласно (2) представляется соотношением

Этот напор называется напором турбинной установки нетто.(Разность удельных энергий верхнего и нижнего бьефов называется напором бруттоН_б = е₀ – е₂ или , т.е. он отличается то напора нетто на размер потерь).

Поскольку разность скоростных напоров в (4) мала, её можно не учитывать. Тогда получаем выражение для напора турбины

которое широко используется при расчётах. Следует иметь в виду, что h_пот представляет сумму всех гидравлических потерь в водоводах, подводящих воду к турбине из верхнего бьефа и отводящих её от турбин в нижний бьеф.

При точных расчётах, например, при проверке гарантий на мощность и КПД турбины, напор определяют в соответствии с принятыми международными правилами.

В этом случае выходная энергия берётся по выходящему сечению отсасывающей трубы В-В (рис. 4, а и б), причём давление находится по показанию установленных здесь пьезометров.

Часто уровень в этих пьезометрах оказывается ниже уровня нижнего бьефа на Δ h_вых . Эта величина называется перепадом восстановления и является результатом восстановления части кинетической энергии воды на выходе из отсасывающей трубы :

При расчётах принимают наиболее благоприятные условия, когда α_вых= 1 и напор турбины выражается формулой:

Напор Н по (2) показывает, насколько уменьшается удельная энергия воды, Дж/н, при прохождении через турбину.

Поскольку расход, пропускаемый турбиной, Q , м 3 /с, а весовой расход ρgQ , н/с, то энергия, теряемая жидкостью в 1с при прохождении через турбину, т.е. мощность N_Ж, отбираемая турбиной от протекающей жидкости, составляет:

Однако не вся эта мощность передаётся валу и полезно используется, так как имеются потери энергии в самой турбине, что учитывает коэффициент полезного действия (КПД) турбины η

(7)

где N – полезная мощность на валу.

Из (6) и (7) находим формулу для определения полезной мощности турбины:

Здесь N — в Вт. В подавляющем большинстве случаев турбины работают на чистой пресной воде, у которой ρ = 1000 кг/м 3 . Для этих условий при g = 9,81 м/с 2 , учитывая, что 1000 Вт = 1 кВт, получаем

Здесь Q – в м 3 /с, H — в м, при этом N – в кВт.

Эта формула широко используется при проектировании ГЭС и расчётах турбин.

КПД турбин достигает достаточно высоких значений и при наиболее благоприятном режиме работы составляет 0,94 – 0,95 или 94 – 95 %; в условиях максимальной нагрузки 0,88 – 0,93 или 88 – 93 %.

Турбина предназначена для преобразования механической энергии протекающей через неё воды в полезную энергию на вращающемся валу. В связи с этим главным показателем, характеризующим вид (систему) турбины, является форма и устройство её проточного тракта, состоящего из трёх основных элементов: рабочего колеса (рабочий орган турбины), устройств, подводящих воду к рабочему колесу, устройств, отводящих воду от рабочего колеса.

Существует большое количество различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используются лишь четыре вида турбин:

Осевые, диагональные, радиально – осевые и ковшовые.

Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия

2.1.Осевые турбины (рис. 5) (за рубежом их обычно называют турбины Каплана) являются низконапорными турбинами, они используются при малых напорах – от 1-3 до 60-70 м.

Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укреплённых на втулке 2 с обтекателем 3, соединено с валом 12. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8: чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жёстко, с каким-то определённым углом наклона, в этом случае турбина называется пропеллерной. Однако для крупных ГЭС лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу, в зависимости от условий работы (нагрузка, напор), угол установки лопастей может изменяться. Такие турбины называются поворотно — лопастными.

Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Рабочее колесо с валом представляет собой вращающуюся часть турбины. Диаметр рабочего колеса D₁ является параметром, характеризующим размер турбины.

Как видно из рисунка, поток входит на рабочее колесо и выходит в осевом направлении. Это и послужило основанием для названия этого вида турбины – «осевая».

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется по турбинной камере, через статор (крышка турбины — 7) и направляющий аппарат.

Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток 8, образующих кольцевую решётку лопастей, создающую закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Эта закрутка проявляется в том, что вектор скорости v₀ на выходе из направляющего аппарата направлен под некоторым углом к радиусу.

Кроме того, лопатки направляющего аппарата используются для регулирования мощности, развиваемой турбиной. С этой целью каждая лопатка может поворачиваться на оси и, при синхронном повороте всех лопаток на некоторый угол, изменяется открытие d₀ от некоторого максимального значения до нуля. Соответственно изменяется пропускной расход и мощность.

Отвод воды от рабочего колеса осуществляется с помощью отсасывающей трубы, представляющей собой расширяющийся водовод (диффузор), обеспечивающий плавное снижение скорости до выхода потока в нижний бьеф. Такое снижение скорости позволяет уменьшить кинетическую энергию потока при выходе из турбины и за счёт этого повысить её КПД.

Важным конструктивным элементом является крышка турбины 7, воспринимаюшая нагрузку от давления воды. Кроме того, на крышке крепятся оси лопаток 8 направляющего аппарата и здесь же установлен направляющий подшипник 5 турбины, ограничивающий радиальные перемещения вала и рабочего колеса.

2.2. Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45 – 60 0 ).

2.3. Радиально-осевые турбины (рис. 6а) (за рубежом их обычно называют турбины Френсиса), являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазонах от 20-25 м до 500-700 м. Радиально-осевая турбина показана на рис. 6а.

Рис. 6. Реактивные турбины малых ГЭС:

/ — рабочее колесо; 2 — вал турбины; 3 — отсасывающая труба; 4 — шестеренчатая передача; 5 — генератор

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из 12-17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решётку лопастей. Лопасти жёстко заделаны в ступицу и обод, благодаря чему всё рабочее колесо получает необходимую прочность и жёсткость.

Рабочее колесо соединено с валом турбины 2. Рабочее колесо с валом представляет собой вращающуюся часть турбины. Диаметр рабочего колеса D₁ , по входным кромкам лопастей, является параметром, характеризующим размер турбины. Из рис. 6а видно, что поток входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него – в осевом. Это и послужило основанием для названия этого вида турбин – «радиально-осевая».

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется через статор и направляющий аппарат.

Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток. Он предназначен для создания требуемого направления скорости перед входом на рабочее колесо (закрутка потока) и для регулирования расхода и мощности турбины за счёт поворота лопаток.

Отвод воды от рабочего колеса производится с помощью диффузорной отсасывающей трубы, обеспечивающей плавное снижение скорости и уменьшение кинетической энергии потока при выходе из турбины.

2.4. Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбины Пельтона, иногда — «свободноструйные») – высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400-600 м. Для малых ГЭС – 150-200 м. Схема ковшовой турбины показана на рис.7.

Рис. 7. Схема ковшовой турбины

Основными её элементами являются: сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2 и рабочее колесо 3, укреплённое на валу 4. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды так, что рабочее колесо вращается в воздухе.

Струя воды под действием напора Н выбрасывается из сопла со скоростью v_с , которая определяется зависимостью

(10)

Коэффициент скорости φ = 0,98 – 0,99.

Если учесть напоры, при которых используются ковшовые турбины, то видно, что скорость v_с получается очень большой: так, при Н = 600 м скорость v_с = 105 м/с.

При истечении из сопла проявляется эффект сжатия струи, в результате чего диаметр струи d_с меньше диаметра сопла.

Рабочее колесо 3 состоит из диска с рабочими лопастями 5, похожими по форме на ковши (отсюда название – «ковшовая»). Общее число лопастей – 12-14. Каждая из лопастей выполнена в виде двух криволинейных поверхностей, разделённых ножом 6. Рабочее колесо устанавливается таким образом, что ножи совпадают с осью струи: при падении на лопасть она делится на две равные части и каждая обтекает криволинейную поверхность. За счёт изменения как направления скорости воды, так и её значения создаётся давление на лопасть и образуется момент рабочего колеса, вращающий его вместе с валом. Поскольку вода натекает на лопасти (ковши) с огромной скоростью, то предъявляются очень высокие требования к точности и чистоте обработки их поверхности. Чтобы устранить при вращении удар тыльной стороны лопасти о струю, в лопасти предусмотрена специальная прорезь 7.

Мощность, развиваемую ковшовой турбиной, регулируют за счёт изменения расхода. Для этого служит игла 8: когда игла вдвинута внутрь, сопло работает полным сечением и пропускает наибольший расход (диаметр струи d_с – наибольший). По мере выдвигания иглы проходное сечение сопла сокращается, уменьшается диаметр струи и соответственно уменьшается пропускаемый расход. Игла может полностью перекрыть сопло и тогда расход будет равен нулю.

Размеры лопастей рабочего колеса ковшовой турбины обычно составляют: d = (2,8 -3,6) d_с , с = (2,5 – 2,8) d_с и е = (0,9 – 1,0) d_с .

Области использования турбин различных видов

Рекомендации по выбору турбин для малых ГЭС, разработанные разными фирмами, в определённой мере отличаются друг от друга, но в общем сходятся в том, что для напоров выше 200 м рекомендуются только ковшовые турбины, для меньших напоров – радиально-осевые турбины со спиральной камерой, предпочтительно с горизонтальным валом.

Вертикальные радиально-осевые турбины могут применяться при напоре до 25 м с открытой прямоугольной камерой; при низких напорах – вертикальные поворотно-лопастные турбины, капсульные с мультипликатором и без него, трубные с S-образной отсасывающей трубой (рис. 6 б).

Достаточно широко начинают применяться двукратные турбины (турбины Банки), единичная мощность которых достигает 1000 кВт. Схема двукратной турбины приведена на рис. 8.

Рис. 8. Двухкратная турбина:

/ — рабочее колесо; 2 — вал; 3 — регулирующий затвор; 4 — сопло с регулирующей иглой; 5 — трубопровод

Эти турбины имеют цилиндрическое рабочее колесо с горизонтальной осью, установленное выше уровня нижнего бьефа. Вода на рабочее колесо поступает в виде струи прямоугольного сечения и дважды протекает через лопасти (отсюда название – двукратная). Регулирование мощности производится поворотным козырьком-затвором. Эти турбины относятся к классу активных. Работа двукратных турбин возможна в диапазоне расходов от 0,02 до 8 м 3 /с, напоров – от 1 до 200 м. Их отличают простота конструкции рабочего колеса и регулятора, высокий КПД – до 80 % при нагрузках от10 дл 100 % номинальной, малая зависимость КПД от напора, дешевизна и малый срок сооружения здания МГЭС.

Продолжаются работы по обоснованию технической и экономической целесообразности использования серийных насосов и их двигателей в качестве гидротурбин и гидрогенераторов для МГЭС мощностью до 40 МВт. Для этого могут использоваться центробежные и осевые насосы с асинхронными двигателями в диапазоне мощностей от 50 до 5000 кВт и напоров от 3 до 100 м..

Стоимость насосных агрегатов примерно на 10 % ниже стоимости стандартных турбин, а общая стоимость оборудования МГЭС при этом может быть снижена на 50 %.

Области применения турбин для малых ГЭС

\|	следующая лекция ==>
Парогазотурбинные установки с внутрицикловой газификацией биомассы (ПГТУ ВГ).	\|	Технология сжигания соломы с целью выработки электроэнергии.

Дата добавления: 2016-04-14 ; просмотров: 4497 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ