>>Гидроэнергетика
Уникальное открытие. Ерохин В.В. из Тореза нашёл продольную силу в магнетизме
Подробнее
Как рассчитать ковшовую турбину (турбину Пелтона)
Уважаемый Михаил Николаевич! У нас с другом возникли сложности с расчётами количества оборотов оси колеса, при том что все данные мы знаем, но не знаем с помощью какой формулы нам делать расчёт.(Принцип работыПодача воды осуществляется по гибкому шлангу. Напор, соответственно конечная скорость струи потока, зависит от начального и конечного сечения, высоты, а также начальной скорости. Затем струя воды ударяет по лопастям колеса. Колесо начинает вращение, которое по оси переходит на шкив большого диаметра, затем с помощью ремённой передачи вращение переходит на шкив меньшего диаметра. Соответственно кол-во оборотов увеличевается. После этого, вращения по оси переходят в генератор, где происходит вырабатывание электричества. После генератора, электричество поступает в выравниватель частоты тока. После этого ток по проводам бежит на нужды человека).
Я не знаю методику расчета турбин. Могу лишь дать общие физические формулы, которые тем не менее помогут сориентироваться с основными величинами. Насколько я понял, речь идет о ручье на склоне с большим перепадом высот и малым расходом. В таких случаях часто применяют турбину Пелтона.
У потока есть два параметра, которые необходимо знать для расчета.
- Напор H в метрах, т.е. разница высот между забором воды и турбиной;
- Расход Q, измеряемый в килограммах в секунду или литрах в секунду;
Мощность потока в ваттах
N = gQH
где g = 9,81 м/с 2 ускорение свободного падения
Мощность, которую сможет выдать самодельная установка, будет значительно ниже рассчитанной величины.
Скорость истечения воды из сопла
В реальности скорость истечения будет меньше на коэффициент μ.
Отсюда нетрудно посчитать диаметр сопла в мм
В реальных условиях расход воды очень сильно меняется по сезонам, из-за дождей, и.т.д. Поэтому диаметр выбирают из наибольшего расхода, а сопло делают регулируемым. Вставляют, допустим, в сопло конусную иглу.
Диаметр напорного коллектора дожен быть больше диаметра сопла по двум соображениям. Если диаметр коллектора равен диаметру сопла, то вода по всей длине коллектора должна двигаться с одинаковой скоростью. Со скоростью истечения из сопла. Из этого следует, что в самом начале коллектора вода должна скачком увеличивать свою скорость до рабочей скорости, что неизбежно приведет к потерям. По этой причине диаметр напорного коллектора лучше сделать больше диаметра сопла или входную, верхнюю часть коллектора сделать плавно расширяющейся формы. Вторая причина в потерях на трение о стенки напорного коллектора, которые возрастают с увеличением скорости движения и длины коллектора. Если задаться потерей энергии в коллекторе, равными 10%, то внутренний диаметр труб коллектора для склона в 45 градусов должен быть примерно таким в зависимости от расхода:
0,1 л/с - 15 мм
0,5 л/с - 28 мм
1 л/с - 36 мм
5 л/с - 66 мм
10 л/с - 85 мм
50 л/с - 160 мм
100 л/с - 210 мм
500 л/с - 380 мм
1000 л/с - 500 мм
Для склонов с другими углами наколона длина коллектора будет больше или меньше, и потери, соответственно, тоже больше или меньше. Более точно потери напора из-за трения можно посчитать по формулам проф. А. В. Теплова:
Для труб диаметром менее 0,1м
Для труб диаметром более 0,1м
ΔH - величина, на которую надо уменьшить значение H в формулах.
Q - расход кг/с.
L - длина напорного коллектора м.
D - диаметр напорного коллетктора м.
Коллектор должен плавно сужаться к соплу. Если просто вварить сопло меньшего диаметра в большую трубу, то потери могут быть до 30%.
Теперь о физике работы турбины Пелтона. Вода ударяется в движущуюся лопатку, отскакивает назад и передает лопатке импульс. Если лопатка будет двигаться со скоростью, равной половине скорости струи, то отскочившая струя будет неподвижна относительно корпуса аппарата, т.е. энергию уносить с собой не будет. Отсюда вытекает условие, чтобы линейная скорость лопаток была бы равна половине скорости струи.
В физике рассматривается три типа столкновения двух тел: упругое, неупругое и смешанное. Особенность неупругого (и смешанного) типа в том, что часть энергии при неупругом столкновении расходуется на деформацию тел, теплоту и часть энегии уходит с отходящей водой. КПД неупругого столкновения не превышает 50%. Так работает турбина, сделанная Кимкетовыми.
Выгоднее, но сложнее технически, использовать упругое столкновение. Но вода - не мячик и отскакивать от поверхности не будет. Поэтому используется следующий любопытный прием. В реальной турбине Пелтона струя поступает на край лопатки, имеющую вид вогнутой чашки. Струя прокатывается по криволинейной поверхности чашки и изменяет свое направление на противоположное. Этот прием хорош еще и тем, что отходящий поток не мешает набегающему. Ну и наконец, для того, чтобы не возникал боковой момент, нагружающий подшипники, чашки делают спаренными, а струю подают на стык чашек. Промышленные турбины Пелтона делают часто с двумя соплами, разнесенными на 90 градусов по окружности турбины.
Частота вращения турбины будет зависеть от скорости струи и диаметра рабочего колеса турбины.
где: n -об/мин, Dt - средний диаметр рабочего колеса в метрах, H - напор в метрах.
Теперь о практической реализации. Турбину Пельтона со спаренными чашками самодельщику сделать довольно трудно. На ум пришли две конструкции с лопатками-желобками, которые значительно проще для исполнения.
На рисунках изображены две конструкции турбины с аксиальным и радиальным расположением лопаток. Сопла прямоугольные. Одна стенка у сопел подвижная для регулировки площади сопла. Площадь сопла в квадратных миллиметрах равна
Сопло желательно располагать как можно ниже, чтобы не уменьшать перепад высот. Для этого ось турбины можно расположить вертикально. На торцы лопаток лучше поставить заглушки или кольцо, охватывающее все лопатки.
Шаг лопаток Lb должен быть в 5 - 10 раз больше толщины струи a. При слишком частом расположении лопаток КПД турбины упадет, поскольку отходящая струя будет узкая и будет иметь большую скорость. Если шаг лопаток Lb будет в 3,2 раза больше толщины струи a, то потери мощности с отходящей струей составят 10%. При шаге лопаток в 4,5 толщины струи потери с отходящей струей составят 5%. Потери в процентах можно посчитать по формуле:
В заключение подчеркну, что формулы даны для идеализированных процессов и дают завышенные результаты. Только для того, чтобы можно было приблизительно сориентироваться с габаритами аппаратов и получаемой мощностью.
27 октября 2008 г.
Розин М. Н.
