Грантовое финансирование

Таблица 1– Классификация электрогенераторов

Электрогенератор
Самокоммутируемый	Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный)	С электронной коммутацией1(вентильный2, 3)	Асинхронный электродвигатель	Синхронный электродвигатель
Переменного тока	Постоянного тока	Переменного тока4	Переменного тока
Универсальный Репульсионный	КГПТ с обмоткой возбуждения Включение обмотки Независимое Последовательное возбуждения Параллельное Комбинированное КДПТ с постоянными магнитами	БГПТ (Бесколлекторный генератор + ЭП |+ ДПР) ВРГ (СРГ с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)	Трехфазный (многофазный) АГКР АГФР	СГОВ СГПМ Гистерезисный Индукторный
Простая электроника	Выпрямители, транзисторы	Более сложная электроника	Сложная электроника (ЧП)

 

Аббревиатура:

· КГПТ - коллекторныйгенераторпостоянного тока

· БГПТ - бесколлекторный генератор постоянного тока

· ЭП - электрический преобразователь

· ДПР - датчик положения ротора

· ВРГ - вентильный реактивный генератор

· АГКР - асинхронныйгенераторс короткозамкнутым ротором

· АГФР - асинхронныйгенераторс фазным ротором

· СГОВ - синхронный генератор с обмотками возбуждения

· СГПМ - синхронный генератор с постоянными магнитами

· СРД - синхронный реактивный двигатель

· ПМ - постоянные магниты

· ЧП - частотный преобразователь

На рынке продаж генераторов присутствуют всего несколько типов генераторов для микроГЭС:

- асинхронный генератор;

- синхронный генератор с обмотками возбуждения;

- синхронный генератор с постоянными магнитами;

бесколлекторный генераторпостоянного тока.

В агрегатах микроГЭС применяются генераторы переменного тока синхронного или асинхронного типов, с применением генератора дискового типа на постоянных магнитах. .Гидростанции могут работать в автономном режиме или параллельно с сетью в связи с этим меняется автоматика.

Существует два способа возбуждения асинхронного генератора: подключением к трехфазной сети переменного тока и подключение конденсаторной батарее к обмотке статора. Первый способ применяется при параллельной работе с сетью, а второй для автономной работы ГЭС. Режим работы асинхронного генератора питающего автономную нагрузку, где источником реактивной энергии служит конденсаторная батарея, а возбуждение генератора сопровождается процессом самовозбуждения поэтому асинхронные генераторы используют чаще всего в параллельную сеть.

Ротор асинхронной машины соединяется с турбиной, статорная обмотка подключается к конденсаторным батареям и параллельно им подключается нагрузка

Наиболее простая схема с применением синхронного генератора. Она нашла применение в схемах работой с централизованной системой энергоснабжения. Для обеспечения стабильной частоты напряжения мощности энергосистемы должна существенно превышать мощность микроГЭС. Проблема определения соотношения между мощностью микроГЭС и энергосистемы в настоящее время не рассматривается, ввиду относительно малой мощности установки

Автономный режим синхронного генератора с прямым подключением к потребителю предлагает управление его по режиму так называемой полезной балластной нагрузкой , которая компенсирует изменение нагрузки потребителя.

Вентильные генераторы предназначены для работы в автономном режиме на нагрузку с исползованием при этом аккумуляторной батарей , так как может наблюдаться колебание амплитуды и частоты.

Синхронный генератор в основном выпускает ООО СГК Саратовская генераторная компания. В таблице 2 приведена шкала выпускаемых генераторов.

Таблица 2–Генераторы синхронные трёхфазные серии СМС

Тип генератора	Мощность, (кВт)	Частота вращения, (об/мин)
СМС 200-2/4
СМС 200-6/4
СМС 200-12/4
СМС 200-16/4
СМС 200-22/4
СМС 200-30/4
СМС 200-45/4
СМЧ 250-50/4

 

 

1.2 Анализ конструкции и принцип работы генератора

 

Генератор представляет собой бесконтактную синхронную машину с системой автоматического регулирования напряжения и состоит из следующих основных частей: станины, статора, ротора, якоря и индуктора возбудителя, вентилятора, двух подшипниковых щитов в соответствии с рисунком 1.

Ротор генератора и якорь возбудителя представляют собой пакеты из штампованных листов электротехнической стали и расположены на одном валу.

Со стороны привода на валу установлен литой алюминиевый радиальный вентилятор. С двух сторон на валу установлены двусторонне закрытые шарикоподшипники.

1 и 2 - крышки подшипниковые; 3 - щит подшипниковый задний; 4 - вентилятор; 5 - станина 6 - ротор; 7 - статор; 8 - щит подшипниковый передний; 9 - индуктор: 10 - якорь; 11 - блок диодов; 12 - втулка; 13 - кольцо пружинное; 14 - колпак; 15 - коробка выводов.

 

Рисунок 1–Общий вид генератора

 

Балансировка ротора динамическая, обмотка возбуждения (ОВ) намотана отдельно, насажена на сердечник ротора и зафиксирована сегментами и шпильками. Обмотка якоря (ОЯ) возбудителя трёхфазная, однослойная. Концы обмотки якоря подведены к блоку диодов (VD1 – VD6), установленному на вращающемся диске на торце ротора. К выходу блока диодов подводятся концы обмотки ротора (F3, F4). Индуктор возбудителя литой, расположен на переднем подшипниковом щите. На полюсах индуктора закреплены катушки обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ). Автоматическое регулирование выходного напряжения в пределах ±1% обеспечивается (БКН).

Начальное самовозбуждение генератора обеспечивается остаточным магнетизмом полюсов индуктора. Принцип работы генератора заключается в том, что при вращении ротора в обмотке якоря от этого потока наводится ЭДС. Через обмотку возбуждения ротора течёт небольшой ток и в обмотках статора ОО индуктируется ЭДС. Ток, протекающий через ОО и регулятор напряжения питает обмотку возбуждения возбудителя ОВВ. Начинается процесс самовозбуждения.

Величина тока возбуждения контролируется БКН. Допускается работа генератора без БКН, при выходе последнего из строя до устранения дефекта или замены БКН. Для этого необходимо отключить БКН от генератора и к зажимам F1 – F2 генератора подключить регулируемый источник постоянного тока в соответствии с рисунком 2. Источник должен обеспечить максимальный ток 3 – 5 А через ОВВ. Сопротивление ОВВ при 20ºС не должно превышать 15 Ом.

00 • основная обмотка статора: ОВ • обмотка возбуждения ротора; ОЯ • обмотка якоря возбудителя; ОВВ • обмотка индуктора возбудителя: БКН • блок корректора напряжения: VR1 • стабилизация: VR2 • напряжение: VR3 • напряжение/частота:VR4 • установка.

 

Рисунок 2– Схема электрическая принципиальная

 

Основной задачей при параллельной работе генераторов является обеспечение необходимого распределения активных и реактивных токов между ними.

Распределения реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами можно достичь воздействием на их регуляторы напряжения, что приводит к изменению токов возбуждения машин. Для пропорционального распределения реактивной мощности создаётся статизм по реактивной мощности, т. е. обеспечивается снижение напряжения каждого из генераторов при автономной работе с ростом реактивной нагрузки.

Для удовлетворительной работы, все параллельно работающие генераторы должны иметь одинаковый статизм по реактивной мощности (в пределах 3,5 – 4,5%) при изменении нагрузки от нуля до номинальной с cosφ = 0,8.

При необходимости параллельной работы генераторов между собой или с сетью вместе с БКН необходимо приобрести типовой трансформатор тока (ТТ) мощностью 10 VA. ТТ подключается к одной из фаз генератора и должен обеспечивать ток от 3 до 5 А при номинальном токе генераторов. ТТ должен подключаться к фазе, не подключенной к БКН в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3– Параллельная работа генератора с сетью

 

Для получения необходимого статизма по реактивной мощности, устанавливается номинальное напряжение генератора при холостом ходе, затем генератор нагружается до реактивной мощности, соответствующей номинальной нагрузке I =

Распределение активных нагрузок между параллельно работающими генераторами достигается воздействием на регуляторы частоты вращения их приводных двигателей.

 

 

1.3 Вентильные генераторы переменного тока ВГ-1(12)/450-04 серии «ВИНДЭК»

 

Вентильные генераторы серии «Виндэк» предназначены для работы в составе ветряных электростанций, работающих через внешний выпрямитель на заряд аккумуляторных батарей. Генераторы выпускаются как обращенной конструкции, так и необращенной. Все генераторы имеют возбуждение от постоянных магнитов на основе сплава неодим – железо - бор. Эти генераторы могут использованы в микроГЭС [3, 4].

Генераторы приводятся во вращение непосредственно от вала, конструкция которого определяется разработчиком. Все генераторы серии имеют малый момент страгивания.

Конструкции генераторов ВГ-05(12)-04, ВГ-1(12)/450-04 и ВГ-1(12)/650-04 выполнены таким образом, что на фланцевой щит корпуса, легко может быть установлено через муфту с вел турбины или ветродвигателя в соответствии с рисунком 4 и 5.

Рисунок 4 – Внешний вид генератора ВГ

Рисунок 5– Конструкция генератора ВГ-1(12)/450 и ВГ-2(12)/650-01

Этот тип генераторов может работать в низкооборотном диапазоне, что необходимо для Малых микро ГЭС, к которым относится шнековая. Так в соответствии с рисунком 6 показаны внешние характеристики серийного генератора где генератор может в широком диапазоне нагрузки работать с относительно высоким КПД. Для обеспечения потребителей необходимого качества электроэнергии то работа этого генератора будет осуществляться через выпрямление и инвертирования напряжения

Рисунок 6– Внешние характеристики серийного генератора ВГ-1(12)-01 при n =428 об/мин.

 

Генераторы ВГ–5(28)/114-300-02В и 02Г представляют собой трехфазные многополюсные генераторы классической конструкции с возбуждением от постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B. На цилиндрическом роторе облегченной конструкции наклеены в два ряда сегментные полюса. Генераторы исполнения 02В имеют «уши» для крепления в вертикальном положении, а генераторы 02Г имеют лапы для установки на станину.

Генераторы ВГ – 5(28)/114-300-02В и 02Г предназначены для работы в составе ветроэнергетических установок и МикроГЭС его характеристика приведена в таблице 3, а внешние характеристики генератора ВГ-5 при 300об/мин в соответствии с рисунком 7.

Генераторы СГ-1,2/650 выпускаемые НПФ «Эрга» имеют аналогичное обозначение с генераторами серии «Виндэк», но в них не указывается число полюсов, его характеристика приведена в таблице 4, а скоростные характеристики генератора обращенной конструкции ГП-03/1200-28,5-01ГОв соответствии с рисунком 8.

 

Таблица 3– Характеристики генераторов ВГ–5(28)/114-300-02В и 02Г

№	Наименование параметров	ВГ – 5(28)/114-300-02В	ВГ – 5(28)/114-300- 02Г
1.	Номинальная мощность, кВт	5,0	5,0
2.	Частота вращения, об/мин
3.	Номинальное выходное напряжение выпрямленное, В
4.	Выходной ток, выпрямленный, А
5.	Число фаз, шт.
6.	Частота выходного напряжения, Гц
7.	Диаметр, мм
8.	Момент страгивания, Н·м
8.	КПД	0,85	0,85
9.	Масса, кг

 

 

 

Рисунок 7–Внешняя характеристика генератора ВГ-5 при 300об/мин

Таблица 4– Генераторы производства НПФ "ЭРГА" Генератор СГ-1,2/650

 

Наименование параметров	Значения
Мощность номинальная, Вт
Напряжение номинальное, В	54/14
Число фаз
Соединение фаз	Звезда
Номинальная частота вращения, об/мин
Габаритные размеры, мм, не более	263×161×204
Масса, кг, не более

 

 

Рисунок 8– Скоростная характеристика генератора ГП-5

 

Для проведения хозяйственного эксперимента лучше использовать генератор с помощью которого можно в различных скоростных режимах нагрузить шнековую турбину, для этого режима предлагается коллекторный двигатель ПБВ112SУ3. с постоянными магнитами у которого характеристика позволяет плавно менять внешнюю моментно-скоростную характеристику [5, 6, 7, 8].

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора.

Для испытания шнековой микроГЭС примем ПБВ112SУ3. Электродвигатель постоянного тока ПБВ112S это высоко моментный электродвигатель постоянного тока 2ПБВ112S используется в составе регулируемых электроприводов, где требуются высокая равномерность вращения и высокая перегрузочная способность по моменту при низких частотах вращения. Режим работы продолжительный S1 по ГОСТ 183-74, допускается работа в кратковременном режиме S2 и повторно-кратковременном режиме S3. Высоко моментный двигатель постоянного тока предназначен для электроприводов подач металлорежущих станков. Использование в конструкции таких двигателей высокоэнергетических постоянных магнитов по сравнению с электромагнитным возбуждением обеспечивает высокие значения углового ускорения в переходных режимах работы; равномерный ход при малых частотах вращения; способность выдержать большую перегрузку по току без размагничивания магнитной системы; относительно большую тепловую постоянную времени и возможность установки двигателей в механизмах подачи станков непосредственно на ходовой винт.

Вероятность безотказной работы за период 10000 ч при доверительной вероятности 0,8-0,9. Двигатели серии ПБВ можно сочленять с приводом с помощью муфты или зубчатой передачи. Осевая нагрузка на свободный конец вала не должна превышать 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.

Конструктивное исполнение электродвигателя ПБВ 112 - с фланцем на подшипниковом щите, вертикальное расположение с одним цилиндрическим концом вала в таблице 5 приведены его технические характеристики [9, 10].

 

Таблица 5 –Техническая характеристика электродвигателя ПБВ 112

Тип двигателя	Длительный вращающий момент в заторможенном состоянии, Н*м	Длительный ток в заторможенном состоянии, А не менее	Макс. вращ. момент, Н*м	Частота вращ. nmax мин-1	Напряжение, В	Момент инерции якоря, кг•м2
при nmax
ПБВ112S		31,5			44В	0,035

 

 

1.4 Выбор направления, постановка задачи и цели исследований

 

Возможности программного комплекса Ansys CFX позволяют поставить для решения следующие задачи:

- теоретическое обоснование путем гидродинамического моделирования потока в рабочей камере турбины с устойчивым повышением частоты вращения;

- согласование геометрии многолопастных систем рабочих органов повышающей эффективность установки;

- корректировка геометрии многолопастных систем с целью повышения общей эффективности микроГЭС.

Проточная часть любых лопаточных машин обладает сложной пространственной формой, затрудняющей как построение геометрии, так и наложение на нее сетки конечных элементов. Выполнение этих операций в универсальных программах трехмерного моделирования и универсальных сеткогенераторах в принципе возможно, но требует значительных усилий и времени. В случае гидротурбин рабочий процесс замкнут, что 90 делает задание граничных условий типа «вход-выход» невозможным. Учитывая также необходимость изучения рабочего процесса каждой лопастной системы в отдельности при различных параметрах, принято решение индивидуального расчета многолопастных систем с последующим переносом результатов расчета на граничные условия других решеток.

Таким образом, в качестве расчетной области выбираются четырех и пяти лопастные системы как наиболее полно охватывающий объем рабочей камеры и повышающей эффективность установки.

Расчет предполагает использование следующего программного обеспечения:

- исходные данные для построения расчетной области выбираются на базе геометрии исследуемой машины, созданного в программном пакете Comsol;

- создание сегмента расчетной области проводилось в Ansys по полученным поверхностям были созданы твердые тела, что существенно упростило импортирование модели в среду FlowVision-HPC;

- Среда FlowVision-HPC выполнить вариантный анализ объемно–шнекового профиля четырех и пяти лопастной гидротурбины из композитного материала.

Учитывая небольшую мощность микроГЭС (в пределах 10 кВт), а также уровень и диапазон напоров, для использования которых она предназначена, при создании шнековой турбины микро-ГЭС необходимо было решить целый ряд научно-технических задач, к которым относятся в первую очередь следующие:

– обоснование выбора генератора для микро ГЭС;

– исследования влияния геометрических параметров воздушных и водяных потоков на энергетические параметры и массогабаритные размеры.;

– разработка экспериментально-опытного образца микроГЭС;

– проведение лабораторно-хозяйственных испытаний микроГЭС.

Решение первой обусловлено с анализом конструкции и принципом работы генератора и обоснованием на соответствие внешних характеристик генератора для микроГЭС.

Решение второй задачи основано на использовании программного продукта FlowVision-HPC для оптимизации параметров гидротурбин для трехмерного моделирования, а также для вариантного анализа объемно–шнекового профиля четырех и пяти лопастной гидротурбины.

Решение третьей задачи связано с проработкой технического решения в программном обеспечении ANSIS, с проектированием в KOMPAS–3D, а рабочая часть турбина с распечаткой 3D принтере.

В четвертой задаче проводится хозяйственные испытания в ИП "Абдулин Е.Ж." для автономного электроснабжения бытовых нужд малой мощности.

Достоверность результатов решения этих задач подтверждается положительным решением заявки на выдачу инновационного патента РК на изобретение "Бипоточной микроГЭС со шнековой турбиной" №2013/1306.1 от 04.10.2013г., а также в 5 публикациями в научных изданий России и Казахстана (Приложение В, Г, Д, Е, Ж).

 

 

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШНЕКОВЫХ ГИДРОТУРБИНЫ

 

2.1 Расчет спиральных камер

 

Приведен расчет и методика расчета спиральных камер, полученных с применением графоаналитического согласно работам Сухоребного П.Н. и Исаева Р.Э.[11,12,13].

При расчете ставились задачи:

- в определении угла f охвата спирального канала для определения его геометрических и гидравлических характеристик;

- расчет спиральной камеры, при исполнении которого можно определить геометрию, обеспечивающие равномерное распределение расхода по всему диаметру направляющего аппарата;

- разработка спиральной камеры, обеспечивающей распределения потока жидкости, которая является потенциальной и обладает осевой симметрией;

- подборе меридионального сечения спиральной камеры так, чтобы обеспечивалось равномерное распределение расхода воды по окружности диаметра направляющего аппарата спиральной камеры.

Структура потока в спиральной части камеры зависит от формы поперечных сечений, угла охвата и принятого закона распределения скорости вдоль спирального канала. Скорость в любой точке потока в спиральной камере состоит измеридиональной Vm и Vu окружной составляющих.

(1)

При рассмотрении движения жидкости и расчете спиральной части камеры обычно принимают следующие допущения: поток установившийся и осесимметричный; расход через любое сечение спиральной камеры, расположенное в плане под углом ф,

(2)

где Q_i - расход через меридиональное сечение спиральной камеры, проведенное под углом, Q_P — расчетный расход через турбину.

Поток в спиральной камере потенциальный, характеризуемый постоянством момента скорости Vu*R= const вдоль спирального канала.

Результирующее движение жидкости в спиральных камерах можно представлено как сумму двух составляющих потенциальных потоков: меридионального потока и циркуляционного потока вокруг оси турбины. Для исследования потока в спиральной камере используем гидродинамическую модель, которая имитирует движение жидкости в спиральной камере при помощи вихревой нити и системы стоков, размещенных на оси турбины. Полагаем, что вихревая нить индуцирует симметричное потенциальное движение жидкости с определенной величиной вращения потока вокруг оси турбины; система стоков характеризует потенциальное симметричное движение, обеспечивающее заданный расход через турбину. Потенциал скорости суммарного потока Ф при этом состоит из потенциала скоростей Ф_х движения, вызываемого системой стоков, и потенциала скоростей Ф₂ движения, вызываемого вихревой нитью.

Гидромеханический расчет турбинной камеры состоит в определении размеров ее поперечных сечений и их углового расположения в плане. Выбор метода расчета зависит от принятых исходных расчетных параметров и характера распределения скоростей вдоль спиральной части камеры. Применяют следующие методы расчета турбинных камер:

- Расчет спиральной камеры, основанный на допущении постоянства момента скорости в любой точке потока в спиральном канале (Vu*R= const).

- Проектирование спиральной камеры в предположении, что средняя скорость потока постоянна вдоль спирального канала (Vcp= = const).

- Расчет турбинной камеры из условия убывания средней окружной скорости вдоль спирального канала.

- Определение размеров спирали исходя из принятого изменения направления потока на входных кромках колонн статора и лопаток направляющего аппарата

В соответствии с рисунком 9 приведена расчетная схема рассматриваемой формы лотка. Из условия равномерности распределения расхода очевидно, что через любое сечение должен пройти расход Qf, достаточный для питания оставшейся части окружности, определяемый углом f/

 

Рисунок 9– Расчетная схема спиральной камеры

Площадь сечения камеры

(3)

где Q_f- расход определяемый углом f;

Qp-расчетный расход.

Через входное сечение будет расход

Q_вх=(Qp/360)×f_охв (4)

Определение площади сечения спиральной камеры

(5)

За площадь сечения камеры следует принимать площадь, ограниченную контуром сечения и входной кромкой направляющего аппарата, расположенной на радиусе г_на. Из расчетной модели спиральной камеры можно видеть, что

(6)

Определим рациональное сечение камеры по периметру. При расчете спиральной камеры на основе заданных параметров турбины: мощности N=1000 Вт, расхода Q=17 л/с=0,012 м³/с, напора H=12 м, КПД n=0.68. зададимся минимальной скоростью естественного водотока (речки, ручья) 2.8 м/с.

Построим входное сечение, удовлетворяющее условию пропуска расхода Q_ex через это сечение с входной скоростью v_вх:

Q_вх=(Qp/360)×f_охв (7)

Q_вх=(0.12/360) ×360=0,12 м³/с

F=Qp×f/(360×v_bx)=0,012×360/(360×2.8)=0,042 м²

Значение Ь₀ = 0,495 примем как расчетное для определения площади входного сечения спирального канала в соответствии с рисунком10:

bo× Д =0,495× 0,1372 = 0,0679 м,

R_f -r_на = F/b₀ = 0,042/0,0679 = 0,61 м.

Рисунок 10– К расчету спиральной камеры

 

Используя формулы найдем значения для расчетных углов охвата спиральной камеры через интервал f15°.

Применим расчет, основанный на предположении постоянства произведения окружной составляющей скорости v_ni = v_ui на радиус R_t в любой точке спиральной камеры, или, как обычно выражаются, - постоянство момента скорости:

v_uR = const . (8)

Это выражение является частным случаем постоянства произведения скорости на радиус в осесимметричном потенциальном потоке. Наиболее наглядно это можно показать, когда все скорости направлены по радиусам к центру стока. Тогда из условия сплошного течения несжимаемой идеальной жидкости в плоском горизонтальном слое единичной толщины, расход на окружности радиуса г_г можно выразить как

v_ri 2tcR_i = Q, (9)

откуда:

v_riR_t = Q/(2*pi) = const = C, (10)

так как Q для всех концентричных сечений одинаково.

Гидравлический расчет спиральной камеры по закону v_ur=const исходит из предположения, что движении жидкости вокруг общей оси при этом общий момент количества движения для каждой элементарной линии величина постоянная, т.е. жидкость при движении по спирали никакой работы не совершает, она лишь получает закрутку в спирали и направляющем аппарате, а закрученный поток воды лишь при поступлении на рабочее колесо изменяет свой момент количества движения, за счет чего и вращается колесо турбины.

В каждой точке потока в спиральной камере скорость воды может быть разложена на две составляющие - радиальную скорость v_r, направленную по радиусу к оси турбины, и окружную скорость v_u, направленную перпендикулярно к радиусу.

Радиальная скорость будет равна:

Vr=Q/(p_i×D_на×b_o) (11)

где Q - расход через турбину; Dна - диаметр окружности выходных кромок ребер; b₀ - высота направляющего аппарата.

Эта радиальная составляющая скорость должна быть постоянной, чтобы обеспечить равномерное питание направляющего аппарата по всей окружности.

Окружная скорость в любой точке должна подчиняться закону постоянства площадей.

Так как расход через входное сечение спирали Q_ex известен, а входной скоростью v_r;x и формой сечения задаются, то можно определить площадь входного сечения F_ex и постоянную спирали.

Определяем постоянную спирали чтобы сохранить вхождения скорости положения в сечений спирали. Для этого в масштабе по вертикали откладываются значения b₀/r в зависимости от радиуса R для входного сечения и промежуточных сечений 1, 2, 3, 4,. в соответствии с рисунком 11.

Результаты расчета сведем в таблице 8

 

Таблица 8– Размеры сечений спиральной камеры

Сечения	f	Rвн мм	Rна мм	Rвн-Rна
- 1 - 2 - 3 - 4	150° 120° 90° 60°

 

а)-Размеры спиральной камеры высота спиральной камеры 192 мм

б)- закручивание спирали в масштабе (1:4)

 

Рисунок 11– Конструктивные размеры спиральной камеры

 

Угол охвата и площадь входного сечения спиральном камеры. Как показывают данные модельных испытаний различных гидротурбин, потери энергии в турбинной камере, статоре и направляющем аппарате зависят (при заданной ширине блока в плане) от соотношения между принятыми площадью входного сечения F_BX и углом охвата f. При выбранных размерах входного сечения спиральной камеры увеличение угла охвата, с одной стороны, приводит к уменьшению неравномерности потока вдоль периметра направляющего аппарата, что благоприятно влияет на характеристики гидротурбин. С другой стороны, при этом увеличиваются скорости. Потери энергии в спиральной камере, статоре и направляющем аппарате уменьшают энергию потока на входе в рабочее колесо и, следовательно, влияют на КПД турбины. Основными потерями энер­гии в спиральной камере являются потери по длине.

В общем случае коэффициент потерь энергии зависит от угла охвата спиральной камеры, изменения средней скорости по длине спирального канала и формы его поперечного сечения. Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что величина относительной кинетической энергии в спиральной камере невелика 2-~ 4% и потери энергии в ней незначительны, согласно опытным данным для турбинной камеры трапециевидного вида.

 

 

2.2 Расчет рабочего процесса

 

Расчетно-теоретическое исследование рабочего процесса шнековой турбины (энергообмена между потоком и лопастной системой рабочего колеса с учетом потерь энергии в проточной части) связано с применением уравнений движения, энергии, количества движения и других как в абсолютной (неподвижной), так и в относительной (вращающейся вместе с рабочим колесом) системах координат. Расчетное исследование и проектирование проточной части гидротурбин основано на применении определенных гидромеханических схем при соответствующих допущениях, упрощающих действительную картину течения и энергообмена [14, 15, 16].

Уделено внимание уравнению энергии потока в проточной части как в абсолютной, так и в относительной системах координат.

В теории гидравлических турбин изучаются следующие проблемы [17, 18, 19]:

– Расчетное исследование потока невязкой жидкости в проточной части заданной формы и проектирование лопастных систем при известной форме потока. В зависимости от конкретных условий эта проблема может быть сформулирована в виде прямой или обратной задачи.

- Исследование вторичных течений. Под вторичным потоком в турбомашинах понимают движение жидкости, приводящее к различию между действительной формой потока и принятым осесимметричным движением. Для приближенного определения формы потока в рабочем колесе при принятых допущениях используют прямую осесимметричную задачу. Уточнение принятых поверхностей тока в процессе решения прямой задачи позволяет наметить пути улучшения геометрии проточной части и уменьшения дополнительных потерь энергии.

- Исследование потока вязкой жидкости и определение гидравлических потерь энергии при помощи теории пограничного слоя. На первом этапе выполняют расчет потока невязкой жидкости в проточной части турбомашины. Это позволяет в первом приближении вычислить распределение скоростей и давления на обтекаемых поверхностях лопастей; последующий расчет пограничного слоя и профильных потерь в лопастных системах дает возможность на основании анализа расчетных данных выбрать оптимальный вариант проточной части.

Структура потока в проточной части шнековой турбины чрезвычайно сложна, что можно объяснить следующими основными причинами:

- Проточная часть реактивной шнековой турбины имеет значительную кривизну контуров, изменяющуюся вдоль потока, что приводит к существенной неравномерности скоростей и давлений в различных сечениях потока.

- Конечное число лопаток направляющего аппарата и лопастей вращающегося рабочего колеса вызывает изменения скорости и давления в сечениях потока в зависимости от его координат и времени. В результате поток в проточной части и, в частности, в рабочем колесе (как абсолютный, так и относительный) трехмерный и неустановившийся.

- Структура потока усложняется из-за влияния вязкости, особенно на режимах работы турбины, отличных от оптимального. Нарастание пограничного слоя и его отрыв от обтекаемых поверхностей приводит к усложнению поверхностей тока, которые значительно отличаются от принятых расчетных форм потока.

Расчетно-теоретическое исследование потока возможно при определенных упрощающих допущениях, позволяющих описать и проанализировать поток при помощи математического аппарата. Обычно принимают следующие допущения: поток в проточной части невязкий, несжимаемый и в среднем — установившийся; движение частиц жидкости происходит вдоль поверхностей тока, которые являются поверхностями вращения.

В теории гидромашин в зависимости от числа координат, по которым учитывается изменение параметров потока, принята следующая классификация потоков: одномерные потоки, двумерные потоки, трехмерные потоки [20, 21].

Одномерный поток. В одномерном потоке учитывают изменение параметров потока только вдоль поверхности тока ,. Полагая, что скорость, давление и другие параметры потока не изменяются вдоль других координат. Принятые контуры проточной части гидротурбины определяют форму линии тока, а известные величины расхода и поперечных сечений потока — значения средних скоростей вдоль нормалей. Так как изменение параметров вдоль других осей не учитывается, такой поток называют осесимметричным.

Двумерный п о т о к. В этом случае учитывают изменение параметров потока в меридиональной плоскости по двум координатам q₁ и q₂. Поток по-прежнему считают осесимметричным, т. е. не учитывают изменения скорости и давления вдоль координаты q₃.

Определение линий тока и нормалей к ним, а также значений скоростей вдоль q₁ и q₂ является основной задачей при построении меридиональных потоков. Двумерные потоки широко используют в практике гидротурбостроения при решении осесимметричных задач, так как они точнее описывают действительную картину течения в проточной части.

Трехмерный поток. В реальном потоке через гидротурбину скорости и давления меняются по всем трем координатам. Так как скорости и давления изменяются по угловой ширине - лопастных каналов, действительные поверхности тока не являются поверхностями вращения.

Методы расчета пространственных потоков находят все боль применение в инженерной практике. Однако они отличаются сложностью вычислений. Для упрощения расчетов и получения практических результатов используют так называемые квазитрехмерные потоки. При таком подходе трехмерная задача разбивается на две двумерные: определение осесимметричных поверхностей тока т» расчет решеток профилей рабочего колеса на осесимметричных по­верхностях тока в слое переменной толщины и определение формы поверхности тока S₂ в канале рабочего колеса.

Абсолютный поток жидкости в проточной части шнековой турбины пространственный (трехмерный), неустановившийся и вязкий. Его расчет сводится к решению нелинейных дифференциальных уравнений гидродинамики в частных производных второго порядка, которые зависят от трех координат и времени.

Математически строгая постановка задачи о движении потока в проточной части и ее аналитическим решением с учетом всех факторов практически невозможны. Поэтому трехмерная задача пространственного не- установившег