Отсасывающие трубы.

Лекция 11.

11.1 Назначение и применяемые типы.

Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для:

1. отвода воды от рабочего колеса в нижний бьеф с минимальными потерями энергии;

2. использования части геометрического напора, если рабочее колесо турбины расположено над нижним бьефом;

3. преобразования кинетической энергии потока, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.

Величина кинетической энергии потока на выходе из рабочего колеса зависит от типа гидротурбины и режима ее работы. На основании экспериментальных и расчетных исследований установлено[6, 22], что она существенно различна для турбин радиально-осевого и осевого типа (табл. 11.1).

Таблица 11.1. Величина кинетической энергии потока v²₃ / 2gH за рабочим колесом, для турбин различной быстроходности.

Тип турбины Быстроходность v²₃ / 2gH (%)

Радиально-осевые 70 – 125 125 – 200 200 – 300 2 – 4 4 – 6 6 – 10

Диагональные 300 – 450 10 – 14

Поворотно-лопастные осевые 450 – 600 600 – 800 800 – 1000 16 – 27 27 – 34 34 – 50

Капсульные 800 – 1400 > 50

При отсутствии отсасывающей трубы энергия потока после рабочего колеса теряется, и КПД турбины уменьшается. При установке отсасывающей трубы, которая представляет собою прямоосный или изогнутый диффузор определенных размеров, кинетическая энергия потока после рабочего колеса преобразуется в энергию давления. В результате под рабочим колесом создается дополнительное разрежение, вследствие чего напор, используемый турбиной, возрастает. Особенно значительна роль отсасывающей трубы в рабочем процессе быстроходной поворотно-лопастной осевой гидротурбины, у которой кинетическая энергия потока v²₃ / 2gH за рабочим колесом может достигать 50% от полного напора турбины.

Расширяющаяся отсасывающая труба увеличивает как разрежение под колесом, так и разность давлений по обе его стороны, а следовательно, и используемый им напор. Она не создает этого добавочного напора, т. е. энергию, а лишь уменьшает потерю напора, которая без нее равнялась бы выходной из колеса кинетической энергии.

Работа отсасывающей трубы у турбины аналогична работе экономайзера у парового котла. Там сам котел и горячая вода в нем из-за своей высокой температуры не в состоянии отнять в достаточной степени тепло от дымовых газов. Без экономайзера они отводятся еще горячими в дымовую трубу. В трубах экономайзера холодная вода дополнительно отнимает от них тепло, а подогревшись, поступает на питание котла, чем его к. п. д. повышается [1].

Размеры и тип отсасывающей трубы также влияют на кавитационные и пульсационные характеристики турбины, габариты и стоимость подводной части здания ГЭС. Следовательно, при выборе типа и размеров отсасывающей трубы необходимо тщательно проанализировать ее влияние на характеристики гидротурбины и стоимость здания ГЭС и при помощи технико-экономических расчетов выбрать оптимальный вариант.

а) б)

Рисунок 11.1. Изогнутые отсасывающие трубы а) – поворотно-лопастной турбины, б) – радиально-осевой турбины.

11.2 Принцип действия отсасывающей трубы.

Для выяснения принципа действия отсасывающей трубы и ее влияния на рабочий процесс турбины определяют давление под рабочим колесом и напор, используемый турбиной для следующих случаев (рис. 11.2):

1. гидротурбина без отсасывающей трубы;

2. гидротурбина с цилиндрической трубой (без расширения потока);

3. гидротурбина с конической отсасывающей трубой.

Рисунок 11.2. К определению принципа действия отсасывающей трубы.

1. Гидротурбина без отсасывающей трубы (рис. 11.2 а). Пренебрегая потерями энергии в подводящем устройстве, находят напор, используемый гидротурбиной:

Н_{ИСП (1)} = Е₀ – Е_{3 (1)} =

где Е₀ – удельная энергия в верхнем бьефе; Е_{3 (1)} – удельная энергия потока, выходящего из рабочего колеса, α∙v²₃ / 2g – удельная кинетическая энергия после колеса.

Так как вода вытекает непосредственно в атмосферу, давление под рабочим колесом Р_{3 (1)} = Р_АТМ, тогда

Н_{ИСП (1)} =

Отсюда следует, что в случае отсутствия отсасывающей трубы кинетическая энергия потока α∙v²₃ / 2g и часть напора z₃ турбиной не используются; при этом КПД турбины существенно падает.

Величина полных потерь напора в этом случае равна:

2. Гидротурбина с цилиндрической отсасывающей трубой (рис. 11.2. б). Вода от рабочего колеса отводится под уровень нижнего бьефа при помощи цилиндрической трубы. Здесь напор, используемый гидротурбиной:

Н_{ИСП (2)} = Е₀ – Е_{3 (2)} =

Энергия потока на выходе из рабочего колеса, из уравнения Бернулли для сечения 3 и 5, определяется из выражения :

Используемый напор в этом случае, при условии, что:

v_{3 (2)} = v_{5 (2)} и

будет равен:

Н_{ИСП (2)} = Е₀ – Е_{3 (2)} =

Следовательно, при расположении рабочего колеса над нижним бьефом установка отсасывающей трубы постоянного сечения позволяет дополнительно использовать часть напора z₃. Однако, как и в первом случае, полностью теряется кинетическая энергия потока αv²₃/2g на выходе из рабочего колеса; кроме того, возникают потери энергии внутри отсасывающей трубы h_3-5.

Величина полных потерь напора в этом случае равна:

3. Гидротурбина с конической отсасывающей трубой (рис. 11.2. в).

Вода от рабочего колеса отводится под уровень нижнего бьефа при помощи конической трубы (диффузора). Здесь напор, используемый гидротурбиной, определяемый как разность удельных энергий потока на входе в турбину (без учета потерь в подводящем тракте) и на выходе из рабочего колеса определяются по формулам:

Н_{ИСП (3)} = Е₀ – Е_{3 (3)} =

В данном случае скорость потока на выходе из отсасывающей трубы значительно меньше, чем на входе v₅ <v₃. Давление на выходе из отсасывающей трубы

Тогда величину абсолютного давления под рабочим колесом определяют из уравнения энергии потока на выходе с рабочего колеса Е₃₍₃₎, (записанного для сечений 3 – 3 и 5 – 5):

Из рассмотрения выражений для Н_{ИСП (3)} и Р_{3 (3)} /ρg следует, что установка конической отсасывающей трубы приводит к увеличению полезного напора, используемого турбиной. В результате кинетическая энергия потока αv²₅ /2g на выходе из турбины относительно невелика.

Внутренние потери энергии в отсасывающей трубе h_3-5 зависят от ее типа и размеров, а также режима работы турбины.

Таким образом, сравнивая полученные величины использованной энергии для всех трех рассмотренных схем, видим, что при одинаковых расходах и потерях энергии в подводящих элементах и в рабочем колесе турбины, а также внутри отсасывающих труб применение цилиндрической трубы обеспечивает увеличение против варианта без трубы, использованного напора на величину:

ΔН_В = z₃ – h_{3-5 (2)},

а применение конической отсасывающей трубы – на величину:

ΔН_В = .

При этом под рабочим колесом создается вакуум, равный указанному увеличению напоров. Давление под рабочим колесом тем меньше, чем меньше αv²₅ /2g и h_3-5(3)

Часто по условиям кавитации турбину устанавливают так, что уровень воды в нижнем бьефе расположен выше, чем сечение 3 – 3. В этом случае суммарное разрежение под рабочим колесом будет определяться как разность динамического вакуума и высоты z₃ = Н_S, т. е.

Выполненный выше анализ преобразования энергии в отсасывающей трубе показывает, что лопасти рабочего колеса реактивной гидротурбины работают под воздействием давления со стороны набегающего потока и вакуума со стороны уходящего потока. При этом с точки зрения преобразования энергии совершенно безразлично, как распределить давление и вакуум, т. е. можно произвольно выбирать высоту z₃ = Н_S. Практически допустимая величина вакуума, а стало быть и выбор высоты Н_S ограничивается условиями кавитации.

При наличии отсасывающей трубы при данном рабочем напоре и открытии регулирующих органов увеличивается пропускная способность (расход) турбины (по сравнению с вариантом без трубы), а следовательно, и ее мощность.

В результате отсасывающая труба гидротурбины должна обеспечивать минимальные потери энергии при преобразовании кинетической энергии в энергию давления и иметь оптимальные, экономически обоснованные размеры (высоту, длину, ширину в плане), простые конструктивные формы.

В современных реактивных гидротурбинах применяют следующие типы отсасывающих труб:

· изогнутые трубы вертикальных реактивных гидротурбин;

· прямоосные отсасывающие трубы капсульных гидротурбин (конические или специальной формы);

· прямоосные конические и раструбные отсасывающие трубы для вертикальных турбин малой мощности.

В большинстве случаев в целях уменьшения объема земляных работ под отсасывающую трубу ее делают изогнутой. С энергетической точки зрения раструбные и изогнутые отсасывающие трубы несколько хуже прямой конической трубы, имеющей достаточно большую длину порядка (4 ÷ 6)D₁.

Для суждения о качестве того или иного типа отсасывающей трубы их всегда испытывают вместе с рабочим колесом, причем лучшей считается такая труба, которая при одних и тех же габаритах обеспечивает более высокий к.п.д. турбины в целом.