Сопла (драфт-труба) в гидротурбинах: конструкция, функции, виды и расчет

Сопла (драфт-труба) — критически важный элемент большинства типов гидротурбин: Каплан, Франсис и других реактивных турбин. Это расширяющийся трубопровод, соединяющий выход рабочего колеса (раннера) с судовой (хвостовым водоемом). Один конец соплы присоединен к выходу раннера, другой погружен в воду судовой. В сопле кинетическая энергия воды преобразуется в статическое давление.

Статья охватывает определение, назначение, принцип работы, виды, расчет по Бернулли, преимущества и недостатки сопл.

Что такое сопла (драфт-труба)?

Сопла — соединительная труба на выходе турбины для преобразования кинетической энергии воды в статическое давление, предотвращающая потерю кинетической энергии на выходе. Диаметр соплы меньше у входа и больше у выхода. Выход всегда погружен в воду. Материалы: литая сталь, бетон.

Соплы применяют в реактивных турбинах (Каплан, Франсис). Находятся непосредственно под раннером и замедляют поток, выходящий из раннера.

Соплы устраняют проблему обратного течения воды, поэтому располагаются между выходом турбины и судовой. В импульсных турбинах (Пельтон) сопла не нужны: напор на турбине очень велик, давление на выходе выше атмосферного, обратного течения не возникает.

Назначение и применение сопл

Основная функция: повысить давление от низкого (на выходе турбины) до атмосферного (в судовой), преобразовать кинетическую энергию в давление, снизить скорость потока, плавно увеличить поперечное сечение.

Схема соплы в турбине Каплан:

[Схема]

Основные виды сопл

1. Конусная сопла

Прямое расширяющееся сечение. Изготовляется из листовой стали, коническая форма. Угол конуса не должен быть слишком большим (риск отрыва потока от стенок) или слишком малым (потребуется избыточная длина для гашения кинетической энергии).

2. Простая коленчатая сопла (колено постоянного сечения)

Форма колена. Часто используется в турбинах Каплан. Сечение постоянное по длине, вход и выход круглые. Применяется при малых напорах, когда турбина установлена рядом с судовой. Минимизирует затраты на экскавацию, выходной диаметр максимален для восстановления кинетической энергии на выходе раннера.

3. Сопла Муди (Moody)

Выход раздвоен на две ветви, один вход. Похожа на конусную. Снижает вихревое движение воды.

4. Коленчатая сопла с переменным сечением

Улучшенная простая коленчатая. Вход круглый, выход прямоугольный. Горизонтальный участок обычно наклонен вверх, чтобы предотвратить попадание воздуха в зону выхода. Сечение плавно меняется от входа к входу. Выход находится под уровнем судовой.

Принцип работы соплы

В турбинах Каплан и Франсис доступный напор на входе мал, поэтому турбину размещают максимально близко к судовой для максимального использования напора. Большая часть давления воды преобразуется в механическую энергию турбины. Давление на выходе турбины ниже атмосферного.

Поскольку выход турбины близок к судовой, а давление на выходе ниже атмосферного, возможно обратное течение (вода течет от высокого давления в судовой к низкому на выходе турбины). Это может привести к аварийному разрушению турбины.

Сопла устраняет эту проблему: её расширяющееся сечение повышает давление воды до атмосферного перед входом в судовую.

Расчет по уравнению Бернулли (сечения 1-1 и 2-2):

[Давление + Скорость + Отметка]₁ = [Давление + Скорость + Отметка]₂ + потери

Обозначения:
P₁ — давление на входе соплы (выход турбины)
V₁ — скорость на входе
P₂ — давление на выходе соплы
V₂ — скорость на выходе
ρ — плотность воды
g — ускорение свободного падения
h_f — потери напора в сопле
H_s — вертикальная высота соплы над судовой
y — расстояние от дна соплы до уровня судовой
P_a — атмосферное давление

Уравнение:
P₁/ρg + V₁²/2g + H_s + y = P₂/ρg + V₂²/2g + h_f

Так как P₂/ρg = P_a/ρg + y, подставляем и получаем давление на входе соплы:
P₁/ρg = P_a/ρg − H_s + (V₂² − V₁²)/2g + h_f

Выражение в скобках — динамический напор. Учет потерь дает кинетический напор.
Результат: P₁ < P_a — давление на входе соплы (выходе турбины) ниже атмосферного. Следовательно, сопла увеличивает полный напор на турбине.

Преимущества и недостатки сопл

Преимущества:

• Предотвращает брызги из раннера, направляет воду прямо в судовую
• Драстически снижает кинетическую энергию на выходе в судовую
• Повышает КПД установки
• Увеличивает рабочий напор турбины за счет разницы отметок выхода турбины и судовой

Недостатки:

• Дополнительная масса конструкции
• Высокая начальная капитальная стоимость

Заключение

Сопла (драфт-труба) — обязательный элемент реактивных турбин (Каплан, Франсис). Превращает кинетическую энергию воды на выходе в статическое давление, предотвращает обратное течение, повышает напор на турбине. Рассмотрены виды, принцип работы, расчет по Бернулли, плюсы и минусы.

Статья полезна? Рекомендуйте коллегам и следите за новыми публикациями!