Комплесный расчет основных узлов микрогидроэлектростанций

Экологическая ситуация, непрерывный рост территориально разнесенных и удаленных от электрических сетей сельскохозяйственных и других объектов небольшой мощности, располагающихся вблизи водных потоков с напорами от 1 до 6 м и мощностью от 1 до 100 кВт, ставят задачи создания недорогих и эффективных автономных автомати- зированных микро-ГЭС с целью удовлетворения бытовых и производственных потреб- ностей в электрической энергии. Наиболее перспективными в указанном выше диапазоне напоров являются микро-ГЭС с водоналивными колесами (ВК) и асинхронными самовозбуждающимися генераторами (АСГ). ВК просты по конструкции, имеют низкую стоимость, высокий коэффициент полезного действия (КПД), надежны и просты в эксплуатации. Современные достижения техники позволяют создавать надежные и недорогие автономные автоматизированные микро-ГЭС, обеспечивающие получение высококачественной электроэнергии при минимальных требованиях к гидродвигателю[1- 3]. Создание микро-ГЭС является комплексной задачей, связанной с исследованием диапазонов и динамики частоты вращения вала генератора применительно к возможностям ВК при различных расходах и напорах водотока. Комплексный расчет основных узлов и элементов микро-ГЭС включает: расчет и оптимизацию параметров водоналивного колеса.

Методика расчета турбин. Приведем общие расчетные формулы, которые помогут сориентироваться с основными величинами для ручья на склоне с большим перепадом высот и малым расходом. В таких случаях часто применяют различные варианты водоналивных колесных и ковшовых турбин.

У потока воды есть два гидроэнергетических параметра, которые необходимы для выполнения расчета:

  • Напор H в метрах, т.е. разница высот между местом забора воды и местом размещения гидротурбины;
  • Расход Q, измеряемый в килограммах в секунду или литрах в секунду. Мощность потока в ваттах N = gQH,

где g = 9,81 м/с2 ускорение свободного падения. Мощность, которую  сможет выдать микрогидроэнергетическая установка, будет значительно ниже рассчитанной величины.

Скорость истечения воды из сопла направляющей гидротурбины

В реальности скорость истечения будет меньше на коэффициент µ.

Если струя направляется через сопло, то отсюда определяется  диаметр сопла в мм

В реальных условиях расход воды очень сильно зависит от сезонного колебания стока. Для создания давления воды поток воды направляют через сопловое устройство, при этом диаметр сопла выбирают из наибольшего расхода, а сопло  делают регулируемым, например, сопло с конусной иглой. Диаметр напорного  коллектора должен быть больше диаметра сопла по двум соображениям. Если диаметр коллектора равен диаметру сопла, то вода по всей длине коллектора должна двигаться с одинаковой скоростью со скоростью истечения из сопла направляющей турбины. Из этого следует, что в самом начале коллектора вода должна скачком увеличивать свою скорость до рабочей скорости, что неизбежно приведет к потерям. По этой  причине диаметр напорного коллектора должна быть больше диаметра сопла или форма входной, верхней части коллектора выполняется плавно расширяющейся. Второй  причиной  является потеря на трение о стенки напорного коллектора, которые возрастают с увеличением скорости  движения  и  длины  коллектора.  Если  задаться  величиной  потери  энергии   в коллекторе,  равными  10%,  то  внутренний  диаметр  труб  коллектора  для  склона  в    45

градусов должен быть примерно таким в зависимости от расхода:

0,1 л/с - 15 мм;  0,5 л/с - 28 мм; 1 л/с - 36 мм; 5 л/с - 66 мм; 10 л/с - 85 мм; 50 л/с - 160

мм; 100 л/с - 210 мм; 500 л/с - 380 мм, 1000 л/с - 500   мм.

Для склонов с другими углами наклона длина коллектора будет больше или меньше, и потери, соответственно, тоже больше или меньше. Более точно потери напора из-за трения можно посчитать по формулам  А. В. Теплова:

для труб диаметром менее 0,1м

для труб диаметром более 0,1м

∆H - величина, на которую надо уменьшить значение H в формулах, Q - расход кг/с,

L - длина напорного коллектора м,

D - диаметр напорного коллектора м.

Коллектор должен плавно сужаться к соплу. Если просто вварить сопло меньшего диаметра в большую трубу, то потери могут быть до 30%.

Частота вращения турбины будет зависеть от скорости струи потока и диаметра рабочего колеса турбины 

где: n -об/мин, Dt - средний диаметр рабочего колеса в метрах, H - напор в метрах.

Рассмотрим принцип работы водоналивных колесных турбин. Вода ударяется в движущуюся лопатку, отскакивает назад и передает лопатке импульс. Если лопатка будет двигаться со скоростью, равной половине скорости струи, то отскочившая струя будет неподвижна относительно корпуса аппарата, т.е. не будет влиять на потерю энергии. Отсюда вытекает условие: линейная скорость лопаток должна быть равна половине скорости струи[4-5]. При этом неупругого типа в том, что часть энергии при неупругом столкновении расходуется на деформацию тел, теплоту и некоторая часть энергии уходит с отходящей водой. При этом КПД неупругого столкновения не превышает 50%. Рациональней использовать упругое столкновение, несмотря на техническую сложность, так как при этом упругого отскока воды от поверхности не будет, и для практической реализации в реальной турбине струю воды направляют на край лопатки, имеющую вид вогнутой чашки. Струя прокатывается по криволинейной поверхности чашки и изменяет свое направление на противоположное. При этом отходящий поток не мешает набегающему. Для исключения появления бокового момента, оказывающего вредное силовое воздействие на подшипники, лопасти делают удлиненными.

 

 

Литература

  1. Андреев А.Е. и др. Гидроэлектростанции малой мощности: Учеб. пособие / Под. Ред. Елистратова В.В. Спб.: Изд-во Политехн. Ун-та. – 2005. – 432 с.
  2. Свит П.П., Семкин Б. В., Иванов В. М., Родивилина Т. Ю. Низконапорные микро-ГЭС с автобалластным регулированием. Сфера эффективного применения, расчет, конструирование и эксплуатация: монография. Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. – 160 с.
  3. Приводы машин: справочник / В.В. Длоугий, Т.И. Муха, А.П. Цупиков, Б.В. Януш; Под общ. ред. В.В. Длоугого. – 2-е изд., перераб и доп. – Л.: Машиностроение, - Ленинград. –1982. – 383 с.
  4. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: В 3 т. Т.2. – 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.И. Жестковой. – М.: Машиностроение. – 2001. – 920 с.
  5. Тембель П.В., Геращенко Г.В. Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов. – 3-е изд., перераб. – К.: Техника. – 1981. – 480 с. 

 

Год: 2011
Город: Алматы