×
Сделать запрос

Тип заявки:


Раздел:


Подраздел:




 

Рекомендуем


 

 





Каталог статей

Микро ГЭС- методика расчёта


Микро ГЭС- методика расчёта

Прикидочный расчет водоводов и осевой турбины

Для   обеспечения электроэнергией туристических, спортивных и охотничьих баз, отдельных избушек, метеостанций, кордонов, посёлков и т. д., когда нет централизованного снабжения, можно воспользоваться имеющимися природными источниками энергии: солнце, ветер, вода. Однако солнечные генераторы дороги, да и источник этот очень уж непостоянен, что требует установки большеёмких аккумуляторов. То же самое можно сказать о ветре. В меньшей степени эти недостатки относятся к водным источникам энергии. Так, при наличии поблизости реки или ручья, можно подумать об устройстве здесь микро ГЭС. Для этого нужно оценить технически и экономически обоснованные возможности источника энергии (ручей, река). Мощность ( N, кВт), которую можно получить на некотором участке реки (ручья), зависит от расхода воды (Q, м3/сек) и от перепада уровней в районе водозабора и выхода воды из турбины (Н, м вод. столба).
Количество воды, проходящей в данном створе за 1 сек, можно определить умножая среднею скорость потока (м/сек) на поперечную площадь потока (S, м2)
или, в небольших речках и ручьях, путём устройства специального водомера.
 
 

Устройство водомера

 

1)    Поперек русла кладется бревно 1.
2)    Из досок 2 набирается стенка с углом .
3)    По верху стенки, при её наборе, делается определённой формы водослив: .
4)    Стенка, прилегающая часть дна и берегов укрываются плёнкой 3. Добиваются минимума протечек воды, минующей водослив.
В этом случае:
Если 
 (b и H в метрах)
    
 
 
 
 
 


Пруд, образованный этой стенкой, в дальнейшем можно использовать для размещения водозабора.
Организованный перепад уровней или напор (Н м вод. столба) можно получить:
1)    1) Деривацией, прокладывая стальной, пластиковый или другой трубопровод или рукав. Но это только при наличии достаточного уклона русла.
2)  2)Устройством плотины.
3)  3)За счёт скоростного напора, при наличии быстротока.
v- скорость потока в м/сек.
Энергия потока преобразуется в механическую энергию турбиной. Мощность турбины равна:
Где  Нт– напор воды на входе в турбину.
 

Водовод

 

При подводе воды к турбине деривационным трубопроводом потери напора можно определить формулой Дарси-Вейсбаха:
  
Где : 1,1 – коэффициент, учитывающий местные потери (водозабор, колена, задвижки);
l – длина трубопровода в метрах;
d – диаметр трубопровода в метрах;
v – скорость потока в трубе в м/сек;
;
– коэффициент сопротивления по длине водовода.
Для новых стальных труб, при 
(Справочник по гидравлическим расчётам, А. М. Курганов, 3. 36.)
Подставляем:
Для пластмассовых труб 
 
При проектировании микро ГЭС приходится исходить из лимитирующих факторов, которыми могут быть:
1)    Необходимость получить мощность N, или наличие генератора мощностью -  N, кВт.
2)    Расход воды в русле ручья в межень – Q, м3/сек.
3)    Наличие труб диаметром – d, м.
4)    Возможность получить перепад – Н, м.в.с.
      
 При заданной мощности NкВт, все параметры станции подбираем натурными измерениями, исходя из формулы:
Здесь  - к.п.д. турбины и генератора.
         При ограничении по расходу воды (Q м3/сек) возможном перепаде Н и длиной трубы, получаемая мощность стремится к максимуму, когда потеря напора  стремится к нулю, а это возможно только с увеличением диаметра трубы. Определим, до какого предела целесообразно увеличивать диаметр трубы.
         Введём коэффициент относительной потери напора К:
Для стальных труб:, отсюда:
 
При К=1 (когда весь напор Н расходуется на преодоление сопротивления трубы):      Н =,
 
 .
 
Введём коэффициент относительного диаметра труб Т.
Для стальных труб:
Аналогично для пластмассовых труб:
 

 

 
 
Из таблицы и графика видно, что потери напора в трубе, с увеличением диаметра от d1  вначале резко падают, а затем увеличение диаметра даёт всё меньше прироста мощности. Определим, при каком значении К получим требуемую мощность при минимальных затратах на трубопровод.
   Пусть имеется ручей, с расходом воды м3/сек и уклоном  , требуется получить турбину мощностью кВт.

следовательно 
требуется  и труба длиной  , диаметром
 
Затраты на трубопровод пропорциональны его массе – m
 
 
 

 
Здесь:  – соответственно плотность материала трубы и толщина её стенки.
Найдём минимум величины m, для чего найдем её производную по К и приравняем её к нулю. Т. к. в первую часть формулы входят только постоянные члены, то нулю будет равна производная последнего сомножителя:
Поскольку  , то знаменатель всегда больше нуля, поэтому:
Т. е. при этом значении К и Т затраты на водовод будут минимальны. И диаметр водовода:
Длина водовода:
Аналогично для пластмассовых труб:
  
         Здесь:
         d – диаметр водовода – м,
         Q – расход воды м3/сек,
          – уклон русла  - м вод. ст./м ,
         l– длина водовода – м,
         N– мощность генератора – кВт,
          ускорение свободного падения 9,81 м/сек2,
 

            

 
 
При избытке воды
 
         Определим, какую максимальную мощность можно получить при наличии трубы диаметром d, её длине и перепаде уровней Н.
         В формулу мощности подставим значения расхода воды  и потери напора   (Здесь v– скорость воды в водоводе м/сек).
Для стальной трубы:
 
Возьмём производную    и приравняем её к нулю:
 
 
Т. е. при этой скорости воды в трубе можем получить максимальную мощность турбины.
Для пластмассовых труб получим:
Полученные конечные формулы сведём в таблицу 2:
 
 
Нужно помнить, что здесь все параметры входят в единую систему уравнений и при произвольном изменении, какого либо параметра соответственно меняются все остальные. Так, если увеличить диаметр трубы, оставив расход воды прежним, то скорость воды в трубе уменьшится, уменьшатся потери напора, возрастёт напор на турбине, увеличится её мощность, увеличивается к. п. д. использования энергии потока, но возрастают затраты на водовод.
Опираясь на вышеизложенное, натурные измерения и материальные возможности, делаем  предварительный выбор: мощность генератора – N (кВт), диаметр трубы – d (м), расход воды – Q (м3/сек) , перепад уровней – Н (м вод. ст.) , длина водовода – l (м). После этого, уточнив удельное сопротивление трубы, к. п. д. генератора и турбины, проводим по исходным формулам поверочный расчёт.
Полученная расчётом мощность должна равняться или немного превышать мощность генератора. В противном случае нужно менять параметры Q, или d.
 

Требования к водоводу

 

           1. Перед пуском турбины водовод необходимо заполнить водой. Иначе вода может просто скатываться по незаполненному водоводу, не создавая необходимого давления перед турбиной (в сравнительно коротких водоводах, с достаточным напором на входе водозаборника, этого может и не быть). Для этого перед турбиной на водоводе установить запорное устройство, а на самом водоводе, в точках перелома после обратных уклонов и сразу после заборника, врезать воздушники. На водозаборнике иметь запорное устройство или иметь устройство подъема заборника выше уровня воды. Закрыв задвижку у турбины, пускаем воду в водовод и контролируем его заполнение по выходящему из воздушников воздуху или по показанию манометра перед задвижкой у турбины. Заполнив водовод, закрываем воздушники и постепенно открываем задвижку у турбины, доводя число оборотов турбины до номинала. Когда турбина не загружена, или водовод имеет избыточную мощность, задвижка у турбины может служить регулятором мощности турбины.

 

                2. Водозаборник водовода, чтобы избежать подсоса воздуха, заглубить под уровень воды на глубину  метров.

 3. Водозаборник должен иметь раструб, чтобы уменьшить входное сопротивление и возможность появления воронки подсоса воздуха.

 

 
4.Чтобы не забить водовод и турбину мусором, на водозаборник требуется поставить сороудерживающую решётку.

 

 
5. Возаборник и решётка должны быть достаточно прочны, иначе, когда решётку забьёт мусором или ледяной шугой (при этом в водоводе создаётся вакуум), водозаборник и решётку может раздавить атмосферным давлением.

 

 
6.Конструкция водозаборника должна позволять проводить его очистку от мусора.
 

 

7.Водовод желательно теплоизолировать, что позволит продлить работу станции в осенне-зимний период.   

 Турбина

            В состав турбины входит: водовод, направляющий аппарат, рабочее колесо, и отсасывающая труба. Не все эти элементы являются обязательными. Так, если поместим пропеллер в речной поток, то получим турбину, у которой нет специального водовода, направляющего аппарата и отсасывающей трубы.
         Турбины делятся на активные и реактивные. Активные преобразуют в механическую работу кинетическую энергию потока, а реактивные в основном энергию давления. К активным турбинам относятся: ковшовые, наклонно-струйные и двукратные. К реактивным: радиально-осевые, диагональные и осевые. Турбины характеризуются коэффициентом быстроходности -, здесь:
         n -  Скорость вращения рабочего колеса – об/сек,
         N – Мощность турбины – кВт,
         Н – Давление воды перед турбиной – м вод. ст.
         Чем больше коэффициент быстроходности, при одинаковом напоре и мощности, тем больше скорость вращения рабочего колеса, меньше габариты и вес турбины и, следовательно, она проще в изготовлении и имеет меньшую стоимость. Наибольшую быстроходность имеют лопастные и пропеллерные осевые турбины. Поэтому именно такие турбины желательно применять для микро ГЭС. Так как напор на турбинах микро ГЭС величина практически постоянная и, если обеспечить постоянную загрузку генератора, то нет нужды предусматривать механизм поворота лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата. На случай падения притока воды проще предусмотреть установку сменного рабочего колеса. Всё это значительно упрощает конструкцию турбины.
         Рассмотрим:
1)    Турбина без направляющего аппарата и отсасывающей трубы.
 Рабочее колесо просто располагается в потоке, набегающем на него
со скоростью С. Возьмем цилиндрическое сечение колеса радиусом r и построим для него план скоростей.
 
  
                  План скоростей.
                        
 
 
 
         Здесь:  C01 – абсолютная скорость потока на входе в рабочее колесо. Она параллельна оси рабочего колеса и несколько меньше скорости набегающего потока С, так как набегающий поток частично тормозится перед рабочим колесом, создавая некоторое избыточное давление.
С02- абсолютная скорость потока на выходе из рабочего колеса. Эта скорость получается в результате отклонения потока лопатками рабочего колеса и увеличения её за счёт избыточного давления перед колесом. Энергия потока, определяемая этой скоростью, уходит с потоком и теряется безвозвратно.
 Сu– скорость закрутки уходящего потока. Определяется силой реакции F лопаток рабочего колеса при отклонении потока.
и – линейная (переносная) скорость рабочего колеса на радиусе r.
 
 
W1 – относительная скорость (относительно лопатки) на входе в рабочее колесо.
W2 – относительная скорость на выходе из рабочего колеса.
 – углы наклона векторов  W1 и W2 к оси решетки рабочего колеса.
Cо – осевая составляющая скорости С2. Поскольку количество воды, входящей в рабочее колесо и выходящей, равны, то . Из плана скоростей:
Мощность dN, передаваемая потоком рабочему колесу на радиусе r:
и равна разности энергий набегающего и уходящего потока:
 

Из этого квадратного уравнения находим , принимая лишь его положительное значение:
 

 
Подставим эти значения в формулу мощности:
2, получим:
 

;

.
Определим, при каком значении угла  получим максимум мощности. Для этого производную  приравняем к нулю.
 

 
Из квадратного уравнения, принимая только положительное значение  
 

 
Определим входной угол :
 

Определим гидравлический к. п. д. турбины для цилиндрического сечения радиуса относительно потока проходящего через турбину.
Определим коэффициент использования энергии свободного потока, проходящего через сечение, которое займёт турбина.
Результаты сведём в таблицу  Т3
Здесь: r – радиус цилиндрического сечения рабочего колеса, м.
         С – скорость свободного потока, м/сек. 
         ρ   плотность среды.                                                                                    
         – переносная скорость рабочего колеса на радиусе r, м/сек.
         Сu – скорость закрутки уходящего потока, м/сек.
         Cо – осевая составляющая скорости входящего и уходящего потока.
          – угол наклона выходной кромки лопатки рабочего колеса.
          – угол наклона входной кромки лопатки рабочего колеса.
 

 
 
         Пример применения таблицы Т3
Пусть: 1) Скорость течения С = 1,8 м/сек.
            2) Глубина потока позволяет разместить раб. колесо 
            3) Зададимся углом наклона выходной кромки лопатки раб. колеса на радиусе
Из таблицы интерполяцией находим, что при  Отсюда:
 

 
Используя эту формулу и формулу  ,заполняем первую и последнюю строчки таблицы Т3.
Мощность турбины   Здесь:
         rвт  радиус втулки раб. колеса, м.
         R– Наружный радиус лопаток раб. колеса, м.
         ρ = 1 т/м3 – плотность воды (мощность при этом получается в кВт).
Так-как величина Р переменная, то   проще найти графическим путём, для этого построим график  пользуясь таблицей .
 
 
  
        Из графика видно, что область раб. колеса, примыкающая к оси турбины, мало добавляет к мощности турбины и имеет низкий к. п. д. В то же время, из таблицы Т3,  видно, что основная часть закрутки лопаток приходится на участки примыкающие к оси турбины. Поэтому, принимая rст.= 0,2 м, мало теряем в мощности турбины и избегаем большой закрутки лопаток. Мощность турбины равна площади выделенной части графика, а так-как на участке Rrвт. график функции dN/dr  представляет собой практически прямую линию, то
 
Величину углов входных и выходных кромок на радиусе r , а, следовательно, и закрутку лопаток турбины находим из таблицы Т3.
         Из таблицы видно, что на некотором удалении от оси турбины, где получается основная часть энергии, величина Р меняется мало и, если принять её за постоянную,  равную  её среднему значению Р = 1,15 , то получим: 
Для воды –
Для воздуха –

 2)    Турбина с направляющим аппаратом, но без отсасывающей трубы.

Построим план скоростей такой турбины.
       
 
 
Здесь: I - план скоростей в районе периметра рабочего колеса.
         II- план скоростей в районе втулки рабочего колеса.
         C1- абсолютная скорость потока на выходе из направляющего аппарата и на входе в рабочее колесо.
         Со1 - осевая составляющая скорости потока на входе в рабочее колесо.
         Со2 - осевая составляющая скорости потока на выходе из рабочего колеса.   
 
             Ввиду непрерывности потока- Со1= Со2

            - угол выхода потока из направляющего аппарата и входа в рабоче

             колесо.
         Сu - окружная составляющая скорости С1.
 

         u – переносная скорость рабочего колеса на радиусе r.
 

           - угловая скорость рабочего колеса – рад/сек.

 

 

         W1 - относительная скорость на входе в рабочее колесо.

 

 

         W2 - относительная скорость на выходе из рабочего колеса.

 

          и   – углы наклона векторов W1 и W2 к оси решётки рабочего колеса.
 Уравнение турбины: Здесь  определяет энергию безвозвратно теряемую с уходящим потоком.
Гидравлический к. п. д. турбины
 
Дифференциал мощности турбины:
Определим при каком значении Со получим максимум мощности турбины определённого радиуса, для этого:
 

При этом:       

 

Если хотим повысить к. п. д. при том же расходе воды, а значит и увеличить мощность турбины, то придётся уменьшить Со, но это потребует увеличить диаметр турбины и снизит её быстроходность.
 

 
(При постоянном втулочном отношении – dвт ).
 при постоянном :
 
Так, еслиповысим до ,то получим:
         Пример расчёта направляющего аппарата и рабочего колеса осевой турбины без отсасывающей трубы.
         Например, имеем:
                            Напор на турбине – Н = 6 м вод. ст. .
                            Расход воды – Q = 0,22 м3/сек.
         Принимаем:
         Угол вектора относительной скорости W2 на периметре лопаток рабочего колеса к оси решётки
         Втулочное отношение – dвт= 0,3 .
         К.п.д. гидравлическое – .
         Получаем:
         Из формулы  осевая скорость 
         Переносная скорость рабочего колеса на периметре:
         Из уравнения  находим радиус периметра лопаток:
 
Величина радиуса R в дальнейшем потребует уточнения, так-как .
         Угловая скорость рабочего колеса: 
         Скорость u на радиусе r
         Определим величину С1 .
 отсюда: 
 
 
         Направление вектора скорости С1 определяется наклоном выходных кромок лопаток направляющего аппарата ( углом , а её абсолютная величина складывается из скорости потока С на подходе к решётке направляющего аппарата и  , где - падение давления на решётке напрявляющего аппарата. Если считать, что С и  на всей площади решётки постоянны, то и абсолютная величина скорости С1 тоже постоянна и не зависит от радиуса r.
         Найдём зависимость угла от радиуса r .
 

 
Из этого квадратного уравнения:
Поскольку  , а на интервале, где , , то перед квадратным корнем оставляем знак минус:
Эти равенства справедливы только для некоторой области значений r.Так, рассматривая основное уравнение турбины
видим, что левая часть уравнения, при r стремящемся к 0 , стремится к 0, а правая – к gH и сохранять равенство на некотором интервале r можно только при уменьшении угла  Однако и при нарушении этого равенства справедливо равенство:  

Определим, при каком значении  функция dN достигнет максимума. Для этого: 
 
Определим при каком максимальном значении r угол =45:
В нашем случае:  
         Результаты расчётов сведём в таблицу.
Таблица 4
По таблице строим графики: 


 
        
По графику определим количество воды, проходящей через турбину.
Q равно площади графика ограниченной , абсцыссой r и ординатами rвт и R.
 

 
Как видим, расход воды получился меньше заявленного на величину:
Чтобы увеличить пропускную способность турбины до заданной, увеличим радиус периметра лопаток рабочего колеса на .
 

 
Исходя из этого, заполняем второй столбец таблицы. Аналогично, по таблице и графику, находим мощность: N = 9,96 кВт.
Найдём гидравлический к.п.д. турбины: Из таблицы и графика видно, что в районе втулки прирост мощности минимален, к.п.д. резко падает, а закрутка лопаток максимальна. Поэтому нет смысла стремиться уменьшать втулочное отношение dвт..  
Если предположить механический к.п.д. турбины , а к.п.д. генератора , то к этой турбине можно подключить генератор мощностью:

 

04.05.2018
Автор текста: Созыкин Георгий Николаевич



Понравилась статья? Поделись с друзьями:


Данный текст статьи защищен авторскими правами! Любое копирование возможно, только после письменного согласия администрации.








Другие статьи по этой теме:

Генераторы: бесперебойное электроснабжение
Генераторы: бесперебойное электроснабжение

В наших домах есть все, чтобы хорошо жить, когда в розетках есть питание, и нет ничего, чтобы хоть как-то комфортно существовать, когда этого питания там нет. Хорошо, если ваша энергетическая компания добросовестно выполняет условия договора, работая годы в бесперебойном режиме, а в случае каких-либо регламентных работ, предупреждает жильцов заранее, и старается справиться как можно быстрее.

Автономный дом. Часть первая – альтернатор
Автономный дом. Часть первая – альтернатор

В этой статье: характеристики синхронного альтернатора; асинхронный альтернатор – плюсы и минусы; выбор между одно и трехфазным электроснабжением; что это – активные и реактивные нагрузки электросети; возможности инверторного альтернатора.
Примерно сто лет назад мир людей кардинально изменился – в быт каждой семьи вошло электричество. Сегодня обходиться без комфортного освещения и уюта, создаваемого бытовой техникой, домочадцы не готовы даже на час. И если перебои с центральным электроснабжением для местности, где находится дом, стали малоприятной нормой, то электрическую энергию способны предоставить мобильные или стационарные генераторы.
 

Молния и внутренняя система молниезащиты
Молния и внутренняя система молниезащиты

Чтобы чувствовать себя в безопасности во время грозы, нужно знать, где и как применять средства защиты, которых сегодня имеются в широком ассортименте. Настолько же широка и сама тема защиты от атмосферного электричества...

Электропроводка в частном доме
Электропроводка в частном доме

Современное жилье немыслимо без бытовых коммуникаций – горячего и холодного водоснабжения, канализации, электрических кабелей, разведенных по всем комнатам дома и питающих различные электроприборы. Жилая комната в любой квартире или доме опутана коммуникационными сетями. Но будучи видимыми, все эти трубы, кабели и провода вовсе не украшают интерьер – их нужно спрятать.