Выбор и расчет турбинной камеры

Тип турбинной камеры, служащей для подвода воды к рабочим орга­нам гидротурбины, зависит, главным образом, от ее мощности и расчетного напора. Крупные и средние реактивные гидротурбины, за исключением пря­моточных, оборудуются преимущественно спиральными камерами: бетон­ными (железобетонными) при напорах до 70-80 м и металлическими при на­порах 40-700 м.

Бетонная спиральная камера выполняется с тавровым попе­речным сечением, характеризуемым углами наклона боковых стенок к верти­кали δ (выше направляющего аппарата) и γ (ниже его). Рекомендуются сле­дующие величины этих углов: δ = 20-35°; γ = 20-35° при m<n; γ=10-20° при m>n; γ= 10-15° при n=0.

Форму сечений камеры рекомендуется принимать близкой к симмет­ричной относительно оси направляющего аппарата (рисунок 4.1). В отдельных случаях могут применяться камеры с горизонтальным потолком (п= 0) или сгоризонтальным полом (т = 0). Отношение сторон сеченияbвх/aвхне должнопревышать 1,8-2,0 (для m= 0 или n= 0bвх/aвх= 1,5-1,8; при m> 0 и n= 0bвх/aвх= 1,5-2,0).

Рисунок 4.1 - Тавровое сечение спиральной камеры

Величины указанных на схеме диаметров расположения входных и вы­ходных кромок колонн (ребер) статора D_aи D_в, а также диаметра расположе­ния осей лопаток направляющего аппарата D₀и их числа Z₀в зависимости от нормализованных диаметров гидротурбины D₁ приводятся для бетонных спиральных камер в таблице 4.1.

Высота направляющего аппарата в зависимости от диаметра рабочего колеса D₁приводится в таблицах 2.1 и 2.2.

Таблица 4.1 - Размеры диаметров расположения входных D_a и выходных D_в кромок колонн (ребер) статора, осей лопаток направляющего аппарата D₀и их количество Z₀ для бетонных спиральных камер

D1, см

Da, см

Dв, см

D0, см

Z0

Угол охвата бетонных спиральных камер ф_mах рекомендуется прини­мать по таблицам параметров гидротурбин:

ф_mах = 180-200° при напорах до 30 м;

ф_mах= 200-225° при напорах 30-50 м;

ф_mах= 225-270° при напорах 50-75 м.

Площадь входного сечения спиральной камеры определяется по фор­муле

де Q – расход через турбину при номинальной мощности, соответствующий расчетному напору, т.е.

где V_вх – средняя скорость потока во входном сечении спиральной камеры,_, которая для бетонных камер принимается в зависимости от расчетного напо­ра по таблице 4.2 (в соответствии с рекомендациями [6]).

Таблица 4.2

Нр, м
Vвх, м/с	2,3	3,0	3,8	4,6	5,3	5,9	6,4	7,0	7,5

Определение размеров остальных сечений спиральной камеры и по­строение очертания ее канала производится с помощью гидромеханического расчета графо-аналитическим способом. Бетонная спиральная камера может быть с достаточной точностью рассчитана по условию постоянства средних окружных скоростей (V_uср= const). При расчете по этому методу из уравне­ния площади входного сечения, величина которой определена выше, задав­шись его формой, рядом параметров и их соотношением, можно найти ос­новные его размеры (а_вх, в_вхи R_вх= r_a+ а_вх) и вычертить в определенном масштабе. Для определения размеров и положения в плане других сечений спирального канала на поле входного сечения в интервале между радиусами R_вхи r_aнамечают сечения спирали с расположением их наружных углов на прямых или кривых (параболах) и определяют их площади, а также радиусы R_i = r_a+ а_i (рисунке 4.2).

Данные расчетов обычно представляют в форме таблице 4.3.

Таблица 4.3

№ сечения	а, м	в, м	R, м	F, м2	m	n

По данным таблицы под входным сечением спирали в прямоугольной системе координат строят график F = f(R). На продолжении оси абсцисс откладывают координатные углы промежуточных сечений спирали так, чтобы максимальной ординате соответствовал на оси абсцисс угол охвата ф_max.По­сле этого строится зависимость ф= f(F) в виде прямой линии, что отвечает условию V_uср= const.

Рисунок 4.2 - К графоаналитическому расчету спиральной камеры

таврового сечения

С помощью построенных графиков F=f(R) и ф=f(F), задаваясь раз­личными значениями ф(обычно через 30 или 45°), находят соответствующие им радиусы Rи строят очертание спирали в плане. Ширина открытой (вход­ной) части турбинной камеры B по поперечной оси блока выбирается в зави­симости от угла охвата спирального канала в следующих пределах:

при ф_mах= 180° - В = В₁+ В₂≥R_вх+ 0,95D₁;

при ф_mах= 200°-225° - В = В₁+В₂≥R_вх+ 1ДD₁;

при ф_mах>225° - В = В₁+ В₂ = R_вх+ В₂,

где В₂ устанавливается конструктивно.

Металлические спиральные камеры, как правило, выполня­ются с круглыми сечениями с углом охвата до 345° при напорах до 80 м и 345-360° при напорах свыше 80 м. Гидромеханический расчет таких камер рекомендуется выполнять по условию постоянного момента окружных ско­ростей V_u * r = const аналитическим способом, при этом, в качестве исходного используется уравнение:

где - координатный угол сечения спирального канала, отсчитываемый от радиус сечения спирали (рисунок 4.3);

ρ – радиус сечения спирали (рисунок 4.3);

с – постоянный коэффициент:

k – постоянная спирали;

r_а – радиус окружности расположения входных кромок колонн статора

Значение коэффициента с можно определить из приведенного выше уравнения для условий входного сечения, для которого:

где ρ_max – радиус входного сечения спирали (рисунок 4.3);

V_вх – допустимая средняя скорость потока во входном сечении; ее величина в соответствии с рекомендациями принимается по таблице 4.4 в зависимости от расчетного напора.

Рисунок 4.3 - К аналитическому расчету спиральной камеры круглого сечения

Таблица 4.4

Нр, м
Vвх, м/с	5,0	6,1	9,4	11,0	12,0	12,5	12,8	12,9	13,0

Необходимые для расчета и построения камеры значения диаметров D_a, D_в и D₀, а также число лопаток направляющего аппарата Z₀ для металличе­ских спиральных камер, как и для бетонных, принимается, в зависимости от D₁ и приводятся в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Размеры диаметров расположения входных D_aи выходных D_в кромок колонн (ребер) статора, осей лопаток направляющего аппарата D₀ и их количество Z₀ для металлических спиральных камер

D1, см

Da, см

Dв, см

D0, см

Z0

Радиус любого промежуточного сечения спирального канала с коорди­натным углом фможет быть определен по формуле

Полный (наружный) радиус спирального канала в этом сечении R = 2р + r_a.

Расчет по построению очертания спирального канала удобно вести в форме таблице 4.6.

Таблица 4.6