В практике проектирования малых и микрогидроэлектростанций применяемые гидротурбины принято подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные.
Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые-пропеллерные и поворотно-лопастные, диагональные, поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины.
В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые.
Каждая система турбин содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.
Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25<=Н<=80 м и высоконапорными при Н>80 м.
Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.
К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D1<=1,2 м при низких напорах и D1<=0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.
К средним — те турбины, у которых 1,2<=D1<=2,5 м при низких напорах и 0,5<=D1<=1,6 м при высоких, а мощность 1000 <N<=15000 кВт.
К крупным турбинам относятся те, которые имеют D1 и N1 больше, чем у средних.
Однако, такое деление гидротурбин является условным[1-3].
В микрогэс в качестве гидротурбины, наряду с другими конструкциями, применяют пропеллерные и колесные турбины, также ковшовые турбины со спаренными чашками, которые в кустарном производстве сделать довольно трудно. Для упрощения технологии изготовления предлагаются две конструкции с лопатками-желобками, которые значительно проще для исполнения.
Рассмотрим две конструкции турбины с аксиальным и радиальным расположением лопаток с прямоугольными соплами. Одна стенка у сопел подвижная для регулировки площади сопла. Площадь сопла в квадратных миллиметрах равна
Сопло желательно располагать как можно ниже, чтобы не уменьшать перепад высот. Для этого ось турбины можно расположить вертикально. На торцы лопаток лучше поставить заглушки или кольцо, охватывающее все лопатки. Шаг лопаток Lb должен быть в 5 - 10 раз больше толщины струи. При слишком частом расположении лопаток КПД турбины упадет, поскольку отходящая струя будет узкая, и будет иметь большую скорость. Если шаг лопаток Lb будет в 3,2 раза больше толщины струи, то потери мощности с отходящей струей составят 10%. При шаге лопаток в 4,5 толщины струи потери с отходящей струей составят 5%.
Потери в процентах можно посчитать по формуле:
Необходимо подчеркнуть, что формулы даны для идеализированных процессов дают завышенные результаты. Эти формулы нужны для приблизительной оценки габаритов электростанции и получаемой мощности [4-6].
Приведем пример определения расчетных характеристик МГЭС.
Из пруда вода вытекает через две трубы диаметром 50 см закопанных в склоне трубы. Перепад высот от уровня пруда до нижнего среза этих труб 14 метров. Длина труб: 50 метров. Расход воды около: 100 л/с.
Полная мощность потока, падающего водопадом, равна: N = gQH = 9,8м/с2*100л/с*14м = 13,7 кВт
Скорость свободного водопада высотой 14 метров:
Вода при движении в трубах вследствие гидравлического сопротивления теряет скорость из-за трения о стенки, а также теряет мощность. Имеются потери мощности в гидроколесе, редукторе, генераторе. Эти потери снижают реальную полезную мощность до 4,6 кВт. Кроме расчета и подбора гидротурбин при расчете основных узлов и элементов микрогидроэлектростанции определяют:
- определение параметров схем замещения асинхронного двигателя;
- расчет емкости основных и дополнительных конденсаторов возбуждения;
- определение активного сопротивления балластной нагрузки;
- расчет нагрузочных характеристик АСГ;
- расчет передаточного механизма;
- расчет тиристорного преобразователя.
Для более точного определения технико-эксплуатационных характеристик микрогидроэлектростанций необходимо провести серию стендовых испытаний и эксплуатационных испытаний в реальных условиях в течение года. Эти испытания позволят также определить пределы изменения полезной мощности электростанции в зависимости от сезонного и суточного колебания величины речного стока.
Литература
- Андреев А.Е. и др. Гидроэлектростанции малой мощности: Учеб. пособие / Под. Ред. Елистратова В.В. Спб.: Изд-во Политехн. Ун-та. – 2005. – 432 с.
- Свит П.П. и др. 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, – 160 с.
- 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.
- 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.
- Тембель П.В., Геращенко Г.В. Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов. – 3-е изд., перераб. – К.: Техника. – 1981. – 480 с.
- Петриков Л.В., Корначенко Г.Н. Асинхронные электродвигатели: Обмоточные данные. Ремонт. Модернизация / Справочник. – М.: Энергоатомиздат. – 1988. – 496 с.