Een waterturbine is een machine die de potentiële energie van water omzet in mechanische energie. Door deze machine te gebruiken om een generator aan te drijven, kan de waterenergie worden omgezet in
Elektriciteit. Dit is de waterkrachtgenerator.
Moderne hydraulische turbines kunnen, afhankelijk van het principe van de waterstroom en de structurele kenmerken, in twee categorieën worden verdeeld.
Een ander type turbine dat zowel de kinetische als de potentiële energie van water benut, wordt een impactturbine genoemd.
Tegenaanval
Het water dat uit het bovenstroomse reservoir wordt aangezogen, stroomt eerst naar de wateromleidingskamer (volute) en vervolgens via de geleideschoep in het gebogen kanaal van het loopwielblad.
De waterstroom oefent een reactiekracht uit op de schoepen, waardoor de waaier gaat draaien. Op dat moment wordt de energie van het water omgezet in mechanische energie en wordt het water dat uit de waaier stroomt, via de aanzuigbuis afgevoerd.
Stroomafwaarts.
De impactturbine omvat hoofdzakelijk Francis-stroming, schuine stroming en axiale stroming. Het belangrijkste verschil zit hem in de structuur van de rotor.
(1) Een Francis-wiel bestaat doorgaans uit 12-20 gestroomlijnde, gedraaide bladen en hoofdcomponenten zoals de wielkroon en de onderste ring.
Deze turbine, met instroom en axiale uitstroom, is geschikt voor een breed scala aan waterhoogtes, heeft een klein volume en lage kosten, en wordt veel gebruikt bij hoge waterhoogtes.
Axiale turbines worden onderverdeeld in propeller- en roterende turbines. De eerste heeft een vast blad, terwijl de laatste een roterend blad heeft. Een rotor van een axiale turbine bestaat doorgaans uit 3 tot 8 bladen, een rotorlichaam, een afvoerkegel en andere hoofdcomponenten. De waterdoorvoercapaciteit van dit type turbine is groter dan die van een Francis-turbine. Bij een schoepenturbine is het rendement hoog bij grote belastingsveranderingen, omdat de bladen van positie kunnen veranderen met de belasting. De anti-cavitatieprestaties en de sterkte van de turbine zijn echter minder goed dan die van een gemengde-stroomturbine, en de constructie is ook complexer. Over het algemeen is dit type turbine geschikt voor lage en middelhoge waterhoogtes tot 10 meter.
(2) De functie van de wateromleidingskamer is om het water gelijkmatig naar het watergeleidingsmechanisme te laten stromen, het energieverlies van het watergeleidingsmechanisme te verminderen en het waterwiel te verbeteren.
machine-efficiëntie. Voor grote en middelgrote turbines met een waterkolom erboven wordt vaak een metalen spiraalhuis met een cirkelvormige doorsnede gebruikt.
(3) Het watergeleidingsmechanisme is over het algemeen gelijkmatig rond de loopwiel gerangschikt, met een bepaald aantal gestroomlijnde geleidingsschoepen en hun roterende mechanismen, enz.
De functie van de samenstelling is om de waterstroom gelijkmatig naar de rotor te leiden en, door de opening van de geleideschoep aan te passen, de overloop van de turbine te wijzigen.
De vereisten voor het aanpassen en wijzigen van de generatorbelasting kunnen ook een rol spelen bij het afdichten van water wanneer ze allemaal gesloten zijn.
(4) Aanzuigbuis: Omdat een deel van de resterende energie in de waterstroom bij de uitgang van de rotor niet wordt gebruikt, is de functie van de aanzuigbuis het terugwinnen van de
Een deel van de energie wordt gebruikt om het water stroomafwaarts af te voeren. Kleine turbines gebruiken over het algemeen rechte conische aanzuigbuizen, die een hoog rendement hebben, maar grote en middelgrote turbines gebruiken andere aanzuigbuizen.
De waterleidingen kunnen niet erg diep worden ingegraven, daarom worden er bochten in de afvoerleidingen gebruikt.
Daarnaast zijn er binnen de impactturbine ook buisturbines, schuinstroomturbines, omkeerbare pompturbines, enzovoort.
Impact turbine:
Dit type turbine maakt gebruik van de impactkracht van een hogesnelheidswaterstroom om de turbine te laten draaien. De meest voorkomende variant is het schoepentype.
In de bovengenoemde waterkrachtcentrales worden doorgaans schoepenturbines gebruikt. De werkende onderdelen bestaan hoofdzakelijk uit waterleidingen, sproeiers en straalpijpen.
De naald, het waterwiel en de spiraalvormige behuizing, enz., zijn voorzien van vele massieve, lepelvormige waterbakken aan de buitenrand van het waterwiel. Het rendement van deze turbine varieert met de belasting.
De verandering is klein, maar de waterdoorvoercapaciteit wordt beperkt door het mondstuk, dat veel kleiner is dan bij een radiale axiale stroming. Om de waterdoorvoercapaciteit te verbeteren, moet de output worden verhoogd.
Om de efficiëntie te verbeteren, is de grootschalige waterturbine met emmers aangepast van een horizontale naar een verticale as, en is de turbine verder ontwikkeld van een enkele sproeier naar meerdere sproeiers.
3. Inleiding tot de structuur van de reactieturbine
Het ondergrondse gedeelte, inclusief de spiraalvormige behuizing, de zittingring, de aanzuigbuis, enz., is volledig in de betonnen fundering ingegraven. Het maakt deel uit van de waterafvoer- en overlooponderdelen van de installatie.
Volute
De spiraalvormige behuizing is onderverdeeld in een betonnen en een metalen spiraalvormige behuizing. Bij turbines met een valhoogte van minder dan 40 meter wordt meestal een betonnen spiraalvormige behuizing gebruikt. Voor turbines met een valhoogte van meer dan 40 meter worden over het algemeen metalen spiraalvormige behuizingen gebruikt vanwege de vereiste sterkte. De metalen spiraalvormige behuizing heeft als voordelen een hoge sterkte, gemakkelijke verwerking, eenvoudige civiele constructie en eenvoudige aansluiting op de waterleiding van de energiecentrale.
Er bestaan twee soorten metalen voluten: gelaste en gegoten.
Voor grote en middelgrote impactturbines met een valhoogte van ongeveer 40-200 meter worden meestal spiraalvormige, gelaste stalen platen gebruikt. Om het lassen te vergemakkelijken, is de spiraal vaak verdeeld in verschillende conische segmenten. Elk segment is cirkelvormig, maar het achterste deel van de spiraal wordt smaller en krijgt een ovale vorm voor het lassen met de zittingring. Elk conisch segment wordt gevormd door middel van een walsmachine.
Bij kleine Francis-turbines worden vaak gietijzeren spiraalvormige behuizingen gebruikt die uit één stuk gegoten zijn. Voor turbines met een hoge valhoogte en een groot vermogen wordt meestal een stalen spiraalvormige behuizing gebruikt, waarbij de behuizing en de zittingring in één stuk gegoten zijn.
Het onderste deel van de spiraalvormige behuizing is voorzien van een aftapkraan om het opgehoopte water tijdens onderhoud af te voeren.
Zitring
De zittingring is het basisonderdeel van de impactturbine. Naast het dragen van de waterdruk, draagt deze ook het gewicht van de gehele unit en het beton van het unitgedeelte. Daarom is voldoende sterkte en stijfheid vereist. Het basismechanisme van de zittingring bestaat uit een bovenring, een onderring en een vaste geleideschoep. De vaste geleideschoep ondersteunt de zittingring, is de steunbalk die de axiale belasting overbrengt en vormt het stroomoppervlak. Tegelijkertijd is het een belangrijk referentiepunt bij de montage van de hoofdcomponenten van de turbine en een van de eerste onderdelen die worden gemonteerd. Daarom moet de zittingring voldoende sterkte en stijfheid bezitten en tegelijkertijd goede hydraulische eigenschappen hebben.
De zittingring is zowel een dragend als een doorstroombaar onderdeel. Daarom heeft het doorstroomoppervlak een gestroomlijnde vorm om minimaal hydraulisch verlies te garanderen.
De zittingring heeft over het algemeen drie structurele vormen: een vorm met één pilaar, een vorm met een gedeeltelijke structuur en een vorm met een volledige structuur. Voor Francis-turbines wordt meestal een zittingring met een volledige structuur gebruikt.
Afzuigpijp en funderingsring
De aanzuigbuis is een onderdeel van het stromingskanaal van de turbine en er zijn twee soorten: rechte conische en gebogen. Een gebogen aanzuigbuis wordt over het algemeen gebruikt in grote en middelgrote turbines. De funderingsring is het basisdeel dat de zittingring van de Francis-turbine verbindt met het inlaatgedeelte van de aanzuigbuis en is in het beton verankerd. De onderste ring van de rotor draait erin.
Watergeleidingsstructuur
De functie van het watergeleidingsmechanisme van de waterturbine is het vormen en aanpassen van het circulatievolume van de waterstroom die de rotor binnenkomt. De goed presterende roterende meervoudige geleideschoepenregeling zorgt ervoor dat de waterstroom gelijkmatig langs de omtrek van de rotor stroomt met een minimaal energieverlies bij verschillende debieten. Dit garandeert goede hydraulische eigenschappen van de turbine, regelt de stroom om het vermogen van de turbine te veranderen, sluit de waterstroom af en stopt de rotatie van de turbine tijdens normale werking en bij een noodstop. Grote en middelgrote watergeleidingsmechanismen kunnen worden onderverdeeld in cilindrische, conische (bolvormige en schuine-stroomturbines) en radiale (volledig doordringende turbines) mechanismen, afhankelijk van de aspositie van de geleideschoepen. Het watergeleidingsmechanisme bestaat hoofdzakelijk uit geleideschoepen, bedieningsmechanismen voor de geleideschoepen, ringvormige componenten, asbussen, afdichtingen en andere onderdelen.
Structuur van het geleidingsbladmechanisme.
De ringvormige componenten van het watergeleidingsmechanisme omvatten een bodemring, een bovendeksel, een steundeksel, een stuurring, een lagerbeugel, een druklagerbeugel, enzovoort. Deze componenten staan onder complexe krachten en stellen hoge eisen aan de productie.
Onderste ring
De onderring is een vlak, ringvormig onderdeel dat aan de zittingring is bevestigd. De meeste onderringen zijn gegoten en gelast. Vanwege de beperkingen van transportomstandigheden bij grote installaties kan de onderring in twee helften of een combinatie van meerdere delen worden verdeeld. Bij energiecentrales met sedimenterosie worden bepaalde antislijtagemaatregelen genomen op het oppervlak van de stroming. Momenteel worden antislijtageplaten voornamelijk op de eindvlakken aangebracht, meestal van roestvrij staal 0Cr13Ni5Mn. Als de onderring en de boven- en ondereindvlakken van de geleideschoep met rubber worden afgedicht, moet er een staartgroef of een rubberen afdichtingsgroef van het drukplaattype op de onderring aanwezig zijn. Onze fabriek gebruikt hiervoor voornamelijk messing afdichtingsplaten. Het gat voor de geleideschoepas in de onderring moet concentrisch zijn met de bovenkap. De bovenkap en de onderring worden vaak in dezelfde boring gebruikt voor middelgrote en kleine installaties. De grote installaties worden tegenwoordig rechtstreeks in onze fabriek geboord met een CNC-boormachine.
Regelkring
De stuurring is een ringvormig onderdeel dat de kracht van het relais overbrengt en de geleideschoep via het transmissiemechanisme laat roteren.
Geleidevleugel
Momenteel hebben geleideschoepen vaak twee standaard bladvormen: symmetrisch en asymmetrisch. Symmetrische geleideschoepen worden over het algemeen gebruikt in axiale turbines met een hoge specifieke snelheid en een onvolledige spiraalvormige omhulling; asymmetrische geleideschoepen worden over het algemeen gebruikt in spiraalvormige turbines met een volledige omhulling en werken met axiale turbines met een lage specifieke snelheid en een grote opening, evenals in Francis-turbines met een hoge en middelhoge specifieke snelheid. De (cilindrische) geleideschoepen worden doorgaans in hun geheel gegoten, maar bij grotere eenheden worden ook giet-gelaste constructies gebruikt.
De geleideschoep is een belangrijk onderdeel van het watergeleidingsmechanisme en speelt een cruciale rol bij het vormen en aanpassen van het watervolume dat de rotor binnenkomt. De geleideschoep bestaat uit twee delen: het schoeplichaam en de schoepas. Over het algemeen wordt een volledig gegoten onderdeel gebruikt, maar bij grootschalige installaties wordt ook gebruikgemaakt van gietlassen. De materialen die doorgaans worden gebruikt zijn ZG30 en ZG20MnSi. Om een soepele rotatie van de geleideschoep te garanderen, moeten de bovenste, middelste en onderste assen van de geleideschoep concentrisch zijn, mag de radiale uitslag niet groter zijn dan de helft van de diametertolerantie van de centrale as, en mag de toelaatbare afwijking van het eindvlak van de geleideschoep ten opzichte van de as niet groter zijn dan 0,15/1000. Het profiel van het stroomoppervlak van de geleideschoep heeft een directe invloed op het watervolume dat de rotor binnenkomt. De kop en de staart van de geleideschoep zijn doorgaans gemaakt van roestvrij staal om de cavitatiebestendigheid te verbeteren.
geleideschoephuls en geleideschoep-stuwkrachtinrichting
De geleideschoephuls is een onderdeel dat de diameter van de centrale as op de geleideschoep fixeert. De structuur ervan hangt samen met het materiaal, de afdichting en de hoogte van de bovenkap. Meestal is het een integrale cilinder, maar bij grotere exemplaren is het meestal gesegmenteerd, wat als voordeel heeft dat de speling zeer nauwkeurig kan worden afgesteld.
Het stuwmechanisme van de geleideschoep voorkomt dat de geleideschoep onder invloed van de waterdruk omhoog komt. Wanneer de geleideschoep zijn eigen gewicht overschrijdt, komt deze omhoog, botst tegen de bovenklep en beïnvloedt de kracht op de drijfstang. De stuwplaat is doorgaans gemaakt van aluminiumbrons.
Geleidebladafdichting
De geleideschoep heeft drie afdichtingsfuncties: het verminderen van energieverlies, het verminderen van luchtlekkage tijdens fasemodulatie en het verminderen van cavitatie. De afdichtingen van de geleideschoep worden onderverdeeld in hef- en eindafdichtingen.
In het midden en aan de onderkant van de asdiameter van de geleideschoep bevinden zich afdichtingen. Wanneer de asdiameter is afgedicht, wordt de waterdruk tussen de afdichtingsring en de asdiameter van de geleideschoep sterk beperkt. Daarom zijn er drainagegaten in de huls aangebracht. De afdichting aan de onderkant van de asdiameter dient voornamelijk om het binnendringen van sediment en het ontstaan van slijtage aan de asdiameter te voorkomen.
Er bestaan veel verschillende soorten geleideschoepoverbrengingsmechanismen, waarvan er twee veelgebruikt zijn. Het ene type is het vorkkoptype, dat een goede spanningsverdeling biedt en geschikt is voor grote en middelgrote machines. Het andere type is het oorgreeptype, dat zich kenmerkt door een eenvoudige constructie en meer geschikt is voor kleine en middelgrote machines.
Het aandrijfmechanisme met oorgreep bestaat hoofdzakelijk uit een geleideschoepenarm, verbindingsplaat, spiebaan, breekpen, asbus, eindkap, oorgreep, roterende huls, drijfstangpen, enz. De krachtoverbrenging is niet geweldig, maar de structuur is eenvoudig, waardoor het meer geschikt is voor kleine en middelgrote installaties.
Vorkaandrijfmechanisme
Het overbrengingsmechanisme van de vorkkop bestaat hoofdzakelijk uit een geleideschoepenarm, verbindingsplaat, vorkkop, vorkkopstift, verbindingsschroef, moer, halve spie, breekpen, asbus, eindkap en compensatiering, enz.
De geleideschoeparm en de geleideschoep zijn met elkaar verbonden door een spie om het aandrijfkoppel direct over te brengen. Op de geleideschoeparm is een eindkap gemonteerd, waaraan de geleideschoep met een stelschroef is opgehangen. Door het gebruik van een spie beweegt de geleideschoep op en neer bij het afstellen van de spleet tussen de boven- en onderkant van de geleideschoep, zonder dat de positie van andere transmissieonderdelen wordt beïnvloed.
In het transmissiemechanisme van de vorkkop zijn de geleideschoeparm en de verbindingsplaat voorzien van breekpennen. Als de geleideschoepen vastlopen door vreemde voorwerpen, neemt de bedieningskracht van de betreffende transmissieonderdelen sterk toe. Wanneer de spanning 1,5 keer zo groot wordt, zullen de breekpennen als eerste breken. Dit beschermt andere transmissieonderdelen tegen beschadiging.
Bovendien kan er bij de verbinding tussen de verbindingsplaat of de regelring en de vorkkop een compensatiering worden aangebracht om de verbindingsschroef horizontaal te houden. De schroefdraad aan beide uiteinden van de verbindingsschroef is links- en rechtsdraaiend, waardoor de lengte van de verbindingsstang en de opening van de geleideschoep tijdens de installatie kunnen worden aangepast.
Draaiend onderdeel
Het roterende deel bestaat hoofdzakelijk uit een rotor, een hoofdas, een lager en een afdichting. De rotor wordt samengesteld en gelast door middel van de bovenste kroon, de onderste ring en de schoepen. De meeste hoofdassen van turbines zijn gegoten. Er bestaan veel soorten geleidelagers. Afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden van de energiecentrale zijn er verschillende typen lagers, zoals watergesmeerde, dunne-oliegesmeerde en droge-oliegesmeerde lagers. Over het algemeen worden in energiecentrales voornamelijk dunne-oliecilinderlagers of bloklagers gebruikt.
Francis hardloper
De Francis-loopwiel bestaat uit een bovenste kroon, schoepen en een onderste ring. De bovenste kroon is meestal voorzien van een anti-lekring om waterverlies door lekkage te beperken en een drukregelaar om de axiale waterdruk te verminderen. De onderste ring is eveneens voorzien van een anti-lekregelaar.
Axiale loopbladen
Het schoepblad van de axiale turbine (het belangrijkste onderdeel voor energieomzetting) bestaat uit twee delen: het lichaam en het draaipunt. Deze worden afzonderlijk gegoten en na bewerking gecombineerd met mechanische onderdelen zoals schroeven en pinnen. (De diameter van de turbine is doorgaans meer dan 5 meter.) De turbine wordt meestal geproduceerd met ZG30 en ZG20MnSi. Het aantal schoepen van de turbine is doorgaans 4, 5, 6 of 8.
Hardloperlichaam
Het loopwiellichaam is voorzien van alle schoepen en het bedieningsmechanisme. Het bovenste deel is verbonden met de hoofdas en het onderste deel met de afvoerkegel, die een complexe vorm heeft. Meestal is het loopwiellichaam gemaakt van ZG30 en ZG20MnSi. De vorm is meestal bolvormig om volumeverlies te minimaliseren. De specifieke structuur van het loopwiellichaam hangt af van de plaatsing van de schoepen en de vorm van het bedieningsmechanisme. Bij de verbinding met de hoofdas draagt de koppelschroef alleen de axiale kracht, terwijl het koppel wordt opgevangen door de cilindrische pinnen die langs de radiale richting van het verbindingsvlak zijn verdeeld.
Werkingsmechanisme
Rechte koppeling met bedieningsframe:
1. Wanneer de bladhoek in de middelste stand staat, is de arm horizontaal en de drijfstang verticaal.
2. De draaiarm en het blad gebruiken cilindrische pinnen om het koppel over te brengen, en de radiale positie wordt bepaald door de borgring.
3. De drijfstang is verdeeld in een binnenste en een buitenste drijfstang, waardoor de kracht gelijkmatig verdeeld wordt.
4. Aan het bedieningsframe bevindt zich een handgreep aan het oor, wat het afstellen tijdens de montage vergemakkelijkt. Het aansluitende uiteinde van de handgreep en het bedieningsframe wordt begrensd door een borgpen om te voorkomen dat de drijfstang vastloopt wanneer de handgreep is bevestigd.
5. Het bedieningsframe heeft een I-vorm. De meeste worden gebruikt in kleine en middelgrote machines met 4 tot 6 messen.
Rechtstreeks mechanisme zonder bedieningsframe: 1. Het bedieningsframe is weggelaten en de drijfstang en de draaiarm worden direct aangedreven door de relaiszuiger. Bij grote eenheden.
Schuine koppeling met bedieningsframe: 1. Wanneer de bladrotatiehoek in de middenpositie staat, hebben de zwenkarm en de drijfstang een grote hellingshoek. 2. De slag van het relais wordt vergroot, en dit geldt ook voor de rotor met meer bladen.
Runner room
De rotorkamer is een gelaste constructie van stalen platen, waarbij de cavitatiegevoelige onderdelen in het midden zijn gemaakt van roestvrij staal om de cavitatiebestendigheid te verbeteren. De rotorkamer heeft voldoende stijfheid om te voldoen aan de eis van een uniforme speling tussen de rotorbladen en de rotorkamer tijdens bedrijf. Onze fabriek heeft een complete bewerkingsmethode ontwikkeld voor het productieproces: A. CNC-verticale draaibankbewerking. B. Profileringsbewerking. Het rechte conische gedeelte van de zuigbuis is bekleed met stalen platen, wordt in de fabriek gevormd en ter plaatse gemonteerd.
Geplaatst op: 26 september 2022
