Выбор формы и определение размеров турбинных камер

Турбинная камера является первым элементом проточного тракта турбины. Она формирует поток, который поступает во все последующие элементы турбины. Основное назначение турбинной камеры состоит в подводе воды к направляющему аппарату с необходимыми характеристиками, которые обеспечивали бы минимально возможные потери напора в направляющем аппарате, рабочем колесе и отсасывающей трубе [4]. Ниже используются материалы [4] и многолетний опыт проектирования ГЭС.

Обычно ПЛ, Пр, ПЛД и РО турбины устанавливаются в спиральных напорных камерах. Горизонтальные капсульные агрегаты имеют прямоточные турбинные камеры с кольцевыми поперечными сечениями.

Форма и размеры спиральной камеры определяются углом охвата спирали , формой поперечных сечений спирали и общим характером изменения высоты поперечных сечений спирали железобетонных (рис. 7) и металлических (рис. 8) спиральных камер. В табл. 8 приводятся рекомендуемые углы охвата и формы поперечных сечений спиралей для различных типов гидроэлектростанций [3].

Размеры поперечных сечений и очертание спирали в плане (в плоскости, перпендикулярной оси турбины) устанавливаются гидравлическим расчётом спиральной камеры.

Рис. 7. Формы железобетонных спиральных камер с трапецеидальными поперечными сечениями: а – симметричное поперечное сечение; б – развитое вниз; в – развитое вверх; г – тавровое сечение; д – плановый разрез по камере

 

Рис. 8. Металлическая спиральная камера

 

Исходным условием для гидравлического расчёта спирали является равномерное поступление расхода в статор и направляющий аппарат по их периметру. Отсюда следует, что расход , проходящий через произвольное сечение спирали OA, определяемое углом  (рис. 7, д, 8), равен

где Q _р – расчётный расход турбины.

Определение размеров спиральной камеры рекомендуется выполнять приближённым методом гидравлического расчёта, а именно по условию постоянства средних расходных составляющих скоростей в поперечных сечениях спирали  (форма поперечных сечений, материал и метод расчёта размеров поперечных сечений спиральных камер принимаются изготовителем гидротурбины).

Расчётную величину средней скорости  рекомендуется определять по рис. 9 или 10.

 

Рис. 9. Зависимость  для спиральных камер с круглыми металлическими поперечными сечениями	Рис. 10. Зависимость  для спиральных камер с железобетонными трапецеидальными поперечными сечениями

 

Таким образом, площадь произвольного поперечного сечения спирали равна:

(12)

Таблица 8

Типы ГЭС, напор	, град	Форма поперечных сечений	Материал	Отношение	Углы конусов спирали, град
Русловые здания ГЭС
Несвомещённые,	180	по рис.7, а	Железобетон	1,6…2,2	25…30	15…20
Совмещённые с водосливными плотинами,	180…270	по рис.7, б	То же	1,5…1,8	25…30	15…20
То же, с донными водосбросами, расположенными под спиральной камерой,	135…180	по рис. 7, в, г	То же	1,5…1,8	25…30	15…20
Приплотинные здания ГЭС
С бетонной гравитационной плотиной и турбинными ж/б водоводами прямоугольного поперечного сечения,	180…270	По рис. 7, а	То же	1,4…1,6	25…30	15…20
С бетонной гравитационной плотиной и турбинными водоводами с круглыми поперечными сечениями,	340…345	по рис. 8	Металл	-	35	35
С арочными, контрофорстыми и земляными (каменно-набросными) плотинами	340…345	По рис. 8	То же	-	35	35
Деривационные схемы создания напора
	345…355	То же	То же		35	35

Расчёт металлических спиральных камер

Металлические напорные спиральные камеры с круглыми и эллиптическими на концевом участке спирали поперечными сечениями рассчитываются аналитическим способом в следующей последовательности:

1. По рис. 9 определяется скорость ;

2. Задаваясь различными значениями координаты угла от  до , определяются площади и радиусы соответствующих поперечных сечений (см. рис. 8):

3. Вычисляются радиусы  внешнего очертания спирали:

где  – радиус окружности, на которой расположены входные кромки статорных колонн (см. табл. 5, рис. 7 и 8),  .

Результаты вычислений записывают в табл. 9.

Таблица 9

…

 

Данные табл. 9 позволяют построить любое произвольное поперечное сечение и очертание спиральной камеры в плане. При этом необходимо иметь в виду, что поперечным сечениям, примыкающим к зубу спирали (, по условиям сопряжения со статором турбины придаётся эллиптическая форма, вытянутая в направлении оси рабочего колеса турбины, с площадями, равными площадям, полученным в расчёте, или несколько большими.

После этого определяется диаметр патрубка D _пат спиральной камеры (см. рис. 8). При условии, что скорость воды в патрубке будет такой же, как во входном сечении спирали , и учитывая, что расход воды, проходящий через патрубок, равен расчётному расходу турбины Q _р, диаметр патрубка вычисляется по формуле: , и учитывая, что расход воды, проходящей через патрубок, равен расчётному расходу турбины Q _р, диаметр патрубка вычисляется по фомуле

                                                           (13)

 

Расчёт спиральных камер с тавровыми сечениями

Железобетонные напорные спиральные камеры с тавровыми поперечными сечениями рассчитываются графоаналитическим методом в следующей последовательности:

1. В соответствии с данными табл. 8 выбирается угол охвата  и форма входного сечения спирали.

2. По рис. 10 находится средняя скорость в поперечных сечениях спирали

3. Определяется площадь входного сечения спирали

и принимаются значения углов , а также отношение  (см. табл. 8, рис. 11).

Рис. 11. Построение поперечных сечений железобетонной спиральной камеры и её очертания в плане

 

Например, принимается, что  приблизительно равно 1,7, тогда, считая вначале, что входное сечение представляет собой прямоугольник со сторонами , имеем:

откуда:

В действительности входное сечение не прямоугольное, а тавровое, в площадь которого не входят площади  верхнего и нижнего треугольников с углами  (см. рис. 11). Поэтому, чтобы сохранить значение площади входного сечения , необходимо увеличить ширину  до  на

.

Тогда фактическая ширина входного сечения камеры  будет равна:

(14)

4. Имея результаты выше выполненных расчётов и данные рекомендаций, выполняют в выбранном масштабе построение входного сечения спирали; принимается общий характер изменения высоты поперечных сечений по длине спирали (в данном случае прямые АА и ВВ на рис. 11; они могут иметь и криволинейное очертание) и строятся 3-4 промежуточных вспомогательных сечения (показаны штрихпунктирными линиями). Определяются площади этих сечений и строится под входным сечением спирали кривая

5. Слева от кривой  в произвольном масштабе по горизонтали для углов  строится график  При расчёте спиралей по условию  это будет прямая линия. Графики  и  позволяют определить размеры любого произвольного поперечного сечения, определяемого углом , и построить очертание спирали в плане (см. рис. 11).

Для горизонтальных капсульных агрегатов в зависимости от компоновки здания ГЭС могут применяться закрытые и открытые прямоточные турбинные камеры (рис. 12).

Для закрытых цилиндрических, прямоугольных и конических камер относительную площадь среднего по длине кольцевого живого сечения следует принимать согласно формуле:

(15)

Для открытых камер ширина может приниматься в пределах        

Большие значения  и B следует выбирать для гидротурбин с , а меньшие – с . При увеличении расчётного значения приведённого расхода свыше 2500 л/с размеры камеры возрастают пропорционально увеличению .

 

Рис. 12. Прямоточные турбинные камеры капсульных агрегатов: а – закрытая; б – открытая; в – сечение А-А