Статья на тему: МИКРО-ГЭС С РЕАКТИВНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНОЙ

УДК 621.3.082.5­531 ИСПЫТАНИЕ МИКРО­ГЭС С РЕАКТИВНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 100кВТ Насиров И.З. Андижанский сельскохозяйственный институт В   данной   работе   предлагается   новая   эффективная   конструкция   микроГЭСа работающих   на   реактивном   гидротурбине.   Рабочее   колеса   микро­ГЭСа   гидротурбины могут быть пропеллерными или лопастными, которое имеет несколько недостатков: ­невозможность обеспечения непрерывного перпендикулярного ударения воды на лопасть, так же при попадание воды на лопасть из­за рассеяния воды на большую поверхность уменьшается   вращающий   момент,   которой   приведет   к   потери   энергии.   В рассматриваемом   гидротурбине   выше   указанные   недостатки   минимизированы. Приведены   результаты   теоретических   расчетов   и   фотография   экспериментального микроГЭСа. In this work the new effective design of Micro hydra power plant (MHPP) working on jet to the water­wheel is offered. Working wheels of the MHPP water­wheel can be propeller or bladed which has several shortcomings: ­ the impossibility of providing a continuous perpendicular accent of water on the blade, also at hit of water because of dispersion of water on a big surface decreases by the blade the rotating moment which will bring to energy loss. In considered to the water­wheel above the specified shortcomings are minimized. Results of theoretical calculations and the photo of an experimental MHPP are given. Ключевые   слова:  реактивный,   рабочее   колеса,   гидротурбина,   кругло­ цилиндрический, отражатель, вращающий момент. КПД. Известно,   что   на   эффективность   работы   гидротурбин   для   мини   и   микро­ГЭСов существенное влияние оказывает их рабочие колеса. Рабочие колеса гидротурбин могут быть пропеллерными, лопастными и реактивными. 2 8 3 5 7 Существует   различные   типы   гидротурбин   с   реактивными   рабочими   колесами, способствующие   повышение   их   коэффициента   полезного   действия   (КПД).   Анализ недостатков известных конструкций [1­3] представляет формулировать актуальную задачу о создании   реактивной   гидравлической   турбины   с   рабочим   колесом   с   улучшенными механическими,   гидравлическими   и реактивными   показателями   и упрощение   конструкции   рабочего колеса.   По   предложению   авторов данной решение поставленной цели достигается тем, что   в   реактивной   гидравлической турбине, содержащее рабочее колесо с каналами для оттока воды и статор с отражателями с целью повышения КПД за счет улучшения реактивной 1 0 1 6 А 9 1 1   работы,   А 4 Рис. 1. Поперечное сечение по вертикальной  плоскости гидротурбины. отдачи  и  упрощения  конструкции  рабочее  колесо  выполнено в  виде  цилиндра,  лопасти  и каналы   для   оттока   воды   расположены   на   одной   горизонтальной   плоскости   дна   рабочего цилиндра, каналы для оттока воды представляют собой   конусообразные в сечении трубы типа   Ловаля,   расположенные   перпендикулярно   внутреннему   радиусу   рабочего   колеса, имеющее   выходное   сопло,   позволяющее   перпендикулярно   направит   выходящего   из   сопло потока   воды   на   касательную   плоскость,   проведенной   в   точке   центра   дуги   вогнутого   и вертикально   установленного   кругло­цилиндрического   отражателя.   Разработана   новая конструкция реактивной гидравлической турбины [4]. Конструкция поясняется чертежами, где на рис. 1 показано поперечное сечение по вертикальной плоскости гидротурбины; на рис 2 показано   зависимость   КПД   гидротурбины   от   напора   воды;   на   рис.   3   фото   общего   вида конкретного   примера   исполнения   реактивной   гидравлической   турбины   для   «микро­ГЭС». Реактивная гидравлическая турбина (рис. 1) содержит рабочее колесо в виде цилиндра 1, закрепленный на вал 2 с трапециевидным основанием 3 и установлено в центральной части на нижнее основание с эффективно уменьшающим механическим  трением при вращении формой наконечника   –   подпятник   8.   Подпятник   8,   имеющий   общее   со   статором   крестообразное основание установленное на расширяющийся по мере отдаления от него корпуса 9. Рабочее колесо 1 в виде цилиндра, отводные каналы в виде трубы 4 с наконечником в виде сопло 5, неподвижный  статор  6 с  эффективно  выбранной высотой  и  внутренними  металлическими отражателями 7, которые служат барьерами для ударения выходящей из трубчатой сопли 5 потока  воды,  тем  самым  увеличивают  реактивную  силу.   Для  улучшения  оттока воды  из рабочего   колеса   через   каналы   4   на   дно   цилиндра   установлены   направляющие   потока радиальные лопасти 11. Канал для оттока воды представляет собой конусообразную трубу 4 и наконечник трубы выполненный в виде вогнутого сопло 5, направляющий выходной поток перпендикулярен плоскости отражателей 7. Причем количество труб с соплом может быть 4 и более.   Статор   6   с   внутренними   отражателями   7   установлен   на   расширяющейся   по   мере отдаления   от   него  основания   9   в  виде   усеченного   конуса   по  вертикальному   разрезу,   что способствует   быстрому   стечению   вниз   свободно   падающей   воды   после   ударения   об отражатели   7   статора   6.   Обеспечивается   условие   минимального   гидравлического сопротивления.  В  данной  конструкции  в  трех  местах   возникает   местное  сопротивление   с  плавным переходом,   при   входе   воды   на   гидротурбину   происходит   плавный   поворот   на   900 направленный   вниз   вертикально,   величину   сопротивлению   ξ2     можно   получит   из справочника  ξ2  =1.25  [4],   здесь   из­за   малости   расстояния   течения   воды   гидравлическими сопротивлениями можно пренебречь.  При   попадания   воды   на   вращающий   цилиндр   происходит   внезапное   расширение, которое   рассчитывается   по   формуле   Борда­Карно  [5].   Кроме   этого   вода   в   цилиндре разветвляется на соплах, а также перед выходом из сопло происходит плавная сжатия в месте с поворотом на 900, где можно рассчитать по формуле, предложенной И.Д. Семикиным[5]:  ξ2=ξпов90(1−cosφ)                                                                    (5) При уменшении угла поворота φ происходит уменьшение объема зоны отрыва и вместе с ней уменшаются потери энергии.  До выхода воды из сопла происходит плавное сжатие вместе с плавным поворотом в виде   конусообразного   конфузора,   которое   обеспечивает   минимизирование   местного сопротивления. В этом случае вихреобразование воды будет минимальным. Потери энергии и давлении   можно   пренебречь.   Стенки   сопла   проектированы   так,   что   ударяемая   вода отражается   по   направлению   перпендикулярно   радиуса   вращающего   цилиндра   рабочего колеса. Имея виду выше сказанные, мы можем использовать для местного сопротивления при выходе воды из сопла, формулу плавного поворота на 900.  Проведенные   теоретические   расчеты   для   рассматриваемой   конструкции   дали следующие результаты: Выражения для скорости выходящей воды из сопла и вращательного момента  рабочего 2 ) S2 NS3 (1− 2 ) ⌋+ S2 NS3 2gH2 α { S3 S6 −√(S3 S6 −1)2 −ξ900} ; 2S2 2⌊1+ S2 NS3)−1 α( колеса вала имеет следующий вид: αNS3(1− Vс= √V2 где, V2= √ 2gφ2(H1−H2)+αV1 (6)                                                    ξ2+α 2   ;   V1=φ √2g(H0−H1)  ;     Уравнение момента [6] для рассматриваемой конструкции имеет следующий вид:                 ∑(⃗R2×⃗Fe)= d⃗Htb dt +∫⃗R2×(2⃗Ω×⃗V)δm− dHe dt ; d⃗Hi dt + (7) Используя   уравнение   неразрывности,   так   же   начальное   и   граничное   условие   для расматриваемой конструкции для вращательного момента гидротурбин Rрк Rст (¿¿рк+hс)cosβ;vx=vacosβ;vy=0;    β=arccos                  R Ωz= v2 ¿                  R (¿¿рк+hсп)❑ 2 vcdt; dmc=Nρπ¿     R (¿ ¿рк+hсп) vc−Ωz¿ Mz=−R2 dmc dt ¿ ;     R2= Rрк+hсп ;                                   Получаем решения уравнения (7) для вращательного момента следующее выражение: Mz=−NρπR2 3υc   (vc−ΩzR2)   =   −NρπR2 2 3vc   (1−cosβ) ; (8) где, N –число сопла, R2= Rрк+hсп ; КПД. ƞ % 90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 85.0485.7886.386.698787.2487.44 83.95 82.12 78.46 0 2 4 6 Н , м 8 10 12 Результаты   компьютерного   расчета на основе полученных формулой показали, что при неизменном размере конструкции, при малых   напорах   воды   КПД   достигает   на  78%   ,  при   дальнейшем   возрастании   напора   КПД увеличивается   до   90%.   Зависимости   вращательного   момента,   мощности,   расхода   воды   и других параметров приведена на нижеследующей таблице [7]. 1­таблица. Зависимость параметров реактивного микро­ГЭСа H (м) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 N 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 Rc (м) 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 Vc (м/с) 5,548522 6,952242 8,116726 9,133938 10,0487 10,88687 11,66497 12,39432 13,08307 13,73733 Q (л/с) 423,3633 530,47 619,3225 696,9377 766,736 830,6901 890,0606 945,7113 998,2643 1048,186 P (Вт) 6516,852 12819,78 20400,87 29072,35 38711,12 49228,34 60555,96 72639,67 85434,8 98903,81 ФИК (%) 78,4559 82,11633 83,94654 85,04467 85,77676 86,29967 86,69186 86,9969 87,24093 87,44059 M (Н*м) 3360,383 6345,746 9750,638 13485,75 17496,65 21746,17 26207,11 30858,55 35683,85 40669,43 Из приведенных таблиц видно, что в отличие от аналога [3] при реализации указанных признаков, предложенная конструкция реактивной гидравлической турбины имеет следующие преимущества [8]: ­ Внутри цилиндрического рабочего колеса траектория воды будет сложной кривой, за счет вращения рабочего колеса появляется центробежные и Кориолисовы силы, которые дают свои положительные результаты  для вращательного сила гидротурбин. ­ При вращательном динамическом равновесии рабочего колеса расход воды будить стабильном, которое обеспечить стабильность генерируемого тока. а   также       обеспечивает ­   канал   для   оттока   воды   из   цилиндра   рабочего   колеса   представляет   собой   вогнутое конусообразное     сечении   трубы   с наконечником   в   виде   сопло   Ловаля, которое   взаимную перпендикулярность   радиуса   кривизны рабочего   колеса   и   канала   для   оттока воды,  взаимная перпендикулярность направления выходящего   из   сопло   потока   воды   и касательной   плоскости,   проведенной   к точку   центра   дуги   вогнутого   и вертикально   установленного   кругло­ цилиндрического   отражателя,  что   дает максимальную эффективность использования   вращающего   момента реактивной силы; ­ содержит основание эффективной   формы,   допускающее вертикальное   падение   и   быстрое стекание   максимально   отдавшей кинетической и потенциальной энергии воды;   Конкретный   пример   исполнения (рис.   5)   реактивная   гидравлическая турбина имеет следующие размеры: ­ диаметр рабочего колеса 600 мм, ­ высота рабочего колеса 100 мм, ­ количество водоотводных каналов 12 шт, ­ внешний диаметр статора  700 мм, ­ количество отражателей на внутренней стенки статора 36 шт, ­ диаметр вертикально установленного вала 40 мм, высота вала 1300 мм. Водяной поток через трубу с диаметром 274 мм   подаётся   на   гидротурбину,   вал   которой   укомплектован   шкивом.   Вращение   вала   со скоростью 180÷200 об/мин через шкив и соединительного ремня передается с коэффициентом ускорения     5,2   на   вал   электрогенератора.   Созданный   «микро­ГЭС»   с   реактивной  230≈ гидравлической турбиной имел следующие технические характеристики: ­ напор воды  мм, ­ мощность 4 кВт, напряжение 220÷230 В, частота тока 50 Гц, размеры 700×700×1300 мм, ­ весь ≈120 кг.                  гидравлической турбины для «микро­ГЭС». Рис. 3. Фото общего вида конкретного  примера исполнения реактивной    ≈ Таким   образом,   предложенная   конструкция   реактивной   гидравлической   турбины работоспособна, проста в своей реализации и может быть положена, как в основу создания новых   высокоэффективных   вертикальных   гидротурбин   для   микро   и   мини гидроэлектростанций, так и модернизации имеющихся в эксплуатации.  Литература 1.  RU  2340795.     МПК   С1,  F  04  D29/22;  F  03  B3/12,   публ.   10.12.2008.     Центробежное реактивное рабочее колесо. 2. RU 2345243.  МПК С1, F 03 B3/12, публ. 27.01.2009. Трубчато­лопастное рабочее колесо.  3. RU 2019729 . МПК С1, F 03 B3/02,  публ. 15.09.1994. Реактивная гидравлическая турбина. 4. П.Г. Киселев. Справочник по гидравлическим рассчетам, Москва, ГОСЭНЕРГОИЗДАТ,  1970г, С. 94­122. 5. С.И.Аверин, А.Н. Минаев, В.С. Швыдкий,” Механика жидкости  и газа”, Москва,  28.10.1986г.  С. 166­178,  6. Роберт Л. Халфман,”Динамика”,Изд. “Наука”, 1972г, Москва, 166­170с. 7.   Р.Алиев,   О.Бозаров,   А.Туракулов.  Разработка   и   испытание   реактивной   гидравлической турбины. // Научный вестник: Машиностроение. 2016 г. №1. С. 187­192 8.