Главная » 2014»Июль»29 » Скачать Влияние геометрических параметров водного потока и конструктивных элементов роторной ортогональной турбины на эффективность бесплатно
05:33
Скачать Влияние геометрических параметров водного потока и конструктивных элементов роторной ортогональной турбины на эффективность бесплатно
Влияние геометрических параметров водного потока и конструктивных элементов роторной ортогональной турбины на эффективность ее работы
Диссертация
Автор: Волкова, Наталия Юрьевна
Название: Влияние геометрических параметров водного потока и конструктивных элементов роторной ортогональной турбины на эффективность ее работы
Справка: Волкова, Наталия Юрьевна. Влияние геометрических параметров водного потока и конструктивных элементов роторной ортогональной турбины на эффективность ее работы : диссертация кандидата технических наук : 05.01.01, 01.02.05 - Нижний Новгород, 2003 - Количество страниц: 108 с. ил Нижний Новгород, 2003 108 c. :
Объем: 108 стр.
Информация: Нижний Новгород, 2003
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА
МАЛЫХ РЕК
11 Гидроэнергетические ресурсы России
12 Особенности гидрологического режима малых рек Нижегородской области и их влияние на экологию региона
13 Технико-экономические показатели малых ГЭС
14 Номенклатура малых гидротурбин Схемы турбин и водопроводящих путей для малых ГЭС
15 Классификация малых ГЭС
16 Состояние и перспективы исследований гидротурбин для малых ГЭС
2 РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ТУРБИНЫ
21 Общее описание работы роторной ортогональной турбины во взаимодействии с водным потоком
22 Условия работы реактивной ортогональной турбины
23 Условия входа потоков на лопасти рабочего колеса
24 Потери энергии в роторной гидротурбине и коэффициент полезного действия турбины
241 Определение выходных потерь
242 Потери в турбине^связанные с расходом
243 Потери, связанные с напором
244 Механические потери
25 Расчёт потерь в проводящих путях МГЭС
3 РАЗРАБОТКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РОТОРНОЙ ОРТОГОНАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ
31 Компоновочное решение здания ГЭС
32 Конструктивные особенности испытательного стенда
33 Опытная установка
34 Фрикционная система (Определение нагрузки)
4 ОПЫТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ РОТОРНОЙ ОРТОГОНАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ НА ИСПЫТАТЕЛЬНОМ
СТЕНДЕ
41 Построение характеристик для первого уровня напора (0,54 м)
42 Построение характеристик для второго уровня напора (1,14 м)
43 Построение характеристик для третьего уровня напора (2,02 м)
44 Построение характеристик для четвёртого уровня напора (2,9 м)
45 Пересчёт КПД модели на условия натуры
451 Геометрическое подобие
452 Динамическое подобие
5 ГЛАВНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РОТОРНОЙ ОРТОГОНАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ
51 Виды характеристик
52 Выбор основных параметров турбин по главной универсальной характеристике
Введение:
Современное развитие мировой энергетики сталкивается сегодня с тремя основными проблемами [14]:
• исчерпаемостью большинства современных энергоресурсов (сейчас доля в общемировой выработке первичной энергии нефти - 37%, угля — 27%, газа -18%, биотоплива - 15%, ГЭС и АЭС - 3%);
• наличием выбросов тепла в атмосферу сверх установленного предела (теплового лимита биосферы);
• экономией энергии и энергоносителей как следствием роста цены на энергоносители и их исчерпаемости.
В связи с этими проблемами ведутся постоянные поиски альтернативных решений использования нетрадиционных энергоресурсов. Наибольшее распространение получили такие источники, как: ветроэнергетика, гелиоэнергетика (использование энергии солнца), биоэнергетика (получение энергии биоотходов), геотермальная энергетика (использование подземной энергии) и малая гидроэнергетика.
В условиях происходящих в России экономических преобразований гидроэнергетика стала одним из наиболее надёжно функционирующих элементов электроэнергетического комплекса. При общем спаде электропотребления в стране на 20% выработка электроэнергии на ГЭС остаётся стабильной [14]. Достигнутая Россией степень освоения экономических гидроэнергоресурсов составила в 2001 году 20,7%, что значительно уступает достижениям экономически развитых стран (в США и Канаде этот показатель составляет 50 - 55%, а в ряде стран Западной Европы и в Японии составляет от 60 до 90%) [61]. Наличие огромного неиспользованного остатка экономического потенциала РФ (свыше 650 млрд кВт-ч, из которых 600 млрд кВт-ч приходится на восточные районы) свидетельствует о реальных возможностях дальнейшего гидростроительства при условии его экономической обоснованности [14].
В последние годы всё более широкое распространение получает малая гидроэнергетика, установки которой наиболее перспективны для мелких и средних потребителей (от 5 до 5000 кВт): индивидуальные дома, сельскохозяйственные фермы, небольшие производства или малые посёлки.
В «Основных положениях программы гидроэнергетического строительства на 1997 - 2003 гг.» технический потенциал малых ГЭС (МГЭС) России определён в 60 млрд кВт-ч.[14]
Опыт промышленно развитых стран Запада показывает, что гидроэнергоресурсы малых рек широко используются в энергетике. В США доля использования гидроэнергии малых рек составляет около 70% от их потенциальных возможностей в Норвегии - 90%, во Франции - 80% [99].
На территории России протекает множество небольших речек, на них строятся небольшие плотины чаще всего из местных строительных материалов. Но гидроэнергетические ресурсы этих речек до сих пор не используются в энергетическом отношении. Причина в том, что нет турбины, которая бы эффективно работала с очень малыми напорами [39].
Строительство гидроэлектрических станций с небольшими напорами с традиционными турбинами усложняет конструктивные решения здания ГЭС. Подводящие пути к турбине и отвод воды от неё требуют возведения турбинных камер и отсасывающих труб со сложными геометрическими формами обтекаемых поверхностей, к тому же больших габаритов. Использование открытых турбинных камер с упрощёнными геометрическими формами поверхностей для радиально-осевых турбин небольшой мощности на малых реках резко снижает КПД МГЭС. Эффективные капсульные агрегаты требуют в проточной части довольно сложного сопряжения круглых сечений с прямоугольными при значительной величине заглубления агрегата под уровень нижнего бьефа [40].
Практика строительства показывает, что независимо от схемы гидростанций основными являются сооружения, создающие напор, и что плотины и деривации по своему удельному значению являются наиболее дорогими, составляя по стоимости до 60 - 70% от общей стоимости гидрооборудования [81].
Всех вышеизложенных недостатков лишены так называемые ортогональные агрегаты, которым в последние годы уделяется большое внимание. Но в условиях сплошного набегающего потока рабочие лопатки таких турбин попеременно попадают в зону тока и противотока воды, при этом значительно снижается эффективность агрегата [47].
В работе предложена принципиально новая в конструктивном отношении гидротурбина. Для оптимальной работы указанной гидротурбины предусмотрена подводная часть здания МГЭС в виде смежных галерей, позволяющих разделить водный поток и тем самым обеспечить работу лопаток гидротурбины в положении «по току» воды, исключив их работу в положении «противотока».
Предложенная схема энергетического гидротурбинного блока позволяет задействовать водную энергию потоков с напорами от 1,2 до 4,5 м, получив мощность навалу турбины от 5 до 150 кВт [39]. Указанные нижние параметры могут быть отнесены к использованию энергии не только малых рек, но и небольших ручьёв, что важно для развития мелких и средних потребителей: индивидуальных домов, сельскохозяйственных ферм, небольших производствх, малых посёлков [14].
Важно отметить, что при организации подвода воды к турбине с встречных направлений нет необходимости в установке разгонных устройств для начала эксплуатации турбины, как это требуется в случае её работы в шлошном набегающем прямоточном потоке. Такая схема турбины даёт возможность использовать очень малые напоры [40].
Схема роторной гидротурбины проста в изготовлении, геометрия путей подвода воды к ней также отличается простотой.
Разработано компоновочное решение энергетического моноблока, который можно встроить в напорный фронт и выработать экологически чистую электрическую энергию, получаемую из возобновляемого природного источника энергии - воды малых рек.
Предложенная схема компоновки водопроводящих путей является принципиально новой. Её аналогов в известной литературе не имеется.
Работа состоит из пяти глав. В первой главе проводится анализ гидроэнергетического строительства за всё время своего существования. Описывается гидроэнергопотенциал рек, и в том числе малых, возможность его использования и необходимость в использовании именно этого источника топлива. Произведён анализ существующей номенклатуры гидротурбин для малых ГЭС с напорами 1,2 - 4,5 м, представлены рекламные материалы различных фирм и предприятий, выпускающих турбины для малых ГЭС.
Использована идея ортогонального ротора, работающего в водном потоке, аналогичного ротору Дарье, работающего в воздушном потоке [52]. Произведён анализ организации подачи потока воды на лопатки турбины, конструкции самих лопаток гидротурбины. В работе рассматриваются принципиальные отличия водопроводящих путей традиционных турбин и роторной ортогональной турбины. Произведён приблизительный расчёт технико-экономических показателей малых ГЭС.
Определены параметры, по которым исследуемая роторная ортогональная турбина охватывает зону в номенклатуре турбин других типов, не занятую областями применения этих турбин [53].
Вторая глава - рабочий процесс турбины. Рассматривается структура потока, определяющая взаимодействие между водой и лопастями рабочего колеса. Одним из основных факторов описания рабочего процесса является преобразование энергии водного потока за счет прохождения через решётку лопастей рабочего колеса в механическую энергию вращения вала. Этот процесс выражается полученной теоретической зависимостью, аналогичной основному уравнению Эйлера для других типов турбин. Отмечено основное отличие выведенной зависимости от уравнения Эйлера. Оно заключается в том, что у традиционных турбин расход, приходящийся на каждую лопатку, не меняется в зависимости от положения лопатки относительно потока, а у исследуемой турбины расход связан с положением лопатки относительно потока. Исследованы условия работы роторной ортогональной турбины.
Рассмотрены выходные потери, которые являются частью основного показателя качества турбины - коэффициента полезного действия. Выявление потерь теоретическим путём на данном этапе знаний не представляется возможным. Поэтому приходится прибегать к определению общего КПД гидротурбины на экспериментальных установках.
Для этой цели был разработан и смонтирован энергетический стенд, подробно описанный в третьей главе.
Стенд для испытания исследуемой турбины разработан и смонтирован аналогично стандартной методике, описанной в литературе для испытания моделей различных типов турбин, с той лишь разницей, что в напорный фронт вставлена исследуемая роторная ортогональная турбина [70].
В четвёртой главе подробно описывается проведение экспериментов при четырёх уровнях напоров. Напоры верхнего бака: = 0,54м, Нп = 1,Нм и Н щ = 2,02 м, Н^ = 2,9 м.
Сняты все показания, необходимые для определения характеристик турбины. Построены графики зависимости, отображающие эти характеристики. Определены потери, возникающие в процессе работы турбины. Проведен пересчёт модели роторной ортогональной турбины на натурные размеры с целью определения характеристик натурной турбины.
В пятой главе осуществляется построение главной универсальной характеристики. Наиболее полно свойства турбин представляются ^универсальными характеристиками, дающими связь отдельных параметров от деух «^зависимых переменных. Подобраны оптимальные режимы работы роторной ортогональной турбины при различных напорах и расходах. В заключении работы сделаны выводы.
