ЛекцииГМ
.pdfЛекция 8 .
Характеристики гидротурбин.
8.1Виды характеристик.
Впроцессе проектирования гидроэлектростанций, при выборе типов турбин и определения их основных параметров, размеров, частоты вращения, КПД, отметки установки и других факторов, а также при назначении наиболее целесообразных условий использования оборудования в процессе эксплуатации необходимо иметь достаточно полные данные о свойствах турбин. Эти данные представляются в форме характеристик, определяющих все необходимые показатели турбины для различных условий ее работы, точнее, для различных режимов.
Все показатели работы турбины данного типа в общем виде можно выразить следующими функциональными соотношениями:
Q = fQ (D, a0, H, n)
N= fN (D, a0, H, n)
η= fη (D, a0, H, n)
Для поворотно-лопастных турбин эти соотношения еще сложнее, так как они включают дополнительную независимую переменную — угол установки лопастей рабочего колеса φ. Например,
η = fη (D, a0, H, n, φ)
Эти зависимости называются характеристиками турбин, причем они обычно представляются в графической форме.
Нужно иметь в виду, что в системе характеристик разделение переменных на независимые и функции является условным и всегда можно их поменять местами. Важно, что число независимых переменных
совершенно определенно: для турбин с одиночным регулированием (радиально-осевые, пропеллерные,) их четыре, для турбин с двойным регулированием (поворотно-лопастные) их пять.
Построить графическое изображение функции от четырех независимых переменных невозможно. В связи с этим строятся
1
характеристики, у которых часть независимых переменных заменяется постоянными параметрами. Используются две формы характеристик:
общие и линейные.
Общие характеристики (Эксплуатационные характеристики)
имеют два определяющих параметра и представляют собой зависимость данного показателя от двух независимых переменных. Существует несколько типов общих характеристик, причем название дается по переменным.
Например, напорно-мощностная характеристика строится в координатах Н, N (напор, мощность турбины) при заданных D1 и n
(параметры). Ее также называют эксплуатационной характеристикой, так как в условиях нормальной эксплуатации частота вращения турбины поддерживается строго постоянной. Общее ее выражение:
η = fη (N, H); HS = fHs (N, H)
при условии: D1 = const, n = const.
Такая характеристика показана на рисунке 8.1 для радиально-осевой турбины с параметрами: D1 = 6,3 м и n = 88,3 об/мин. В поле характеристики проведены изолинии к.п.д. η и допустимой высоты отсасывания Hs. По этой характеристике для любых условий работы можно определить значение этих показателей. Например, при Н = 60 м и N = 150 МВт, η = 91,5 % и Hs = 1,8 м.
Рисунок 8.1. Эксплуатационная напорно-мощностная характеристика турбины
2
Можно построить напорно-расходную эксплуатационную характеристику, приведенную на рисунке 8.2, с параметрами:
η = fη (H, Q); N = fN ( H, Q)
при условии: D1 = const, n = const.
Здесь даны изолинии к.п.д. η и мощности N.
150 |
200 |
250 |
350 |
450 |
Рисунок 8.2. Эксплуатационная напорно-расходная характеристика турбины
На характеристиках рисунки 8.1 и 8.2 показаны ограничивающие линии (со штриховкой); нижняя соответствует наибольшему открытию направляющего аппарата, верхняя – номинальной мощности генератора.
Универсальная характеристика. В качестве показателя свойств турбин данного типа широко используется оборотно-расходная характеристика, которая строится при постоянных значениях D1 и Н.
Поскольку эта характеристика обычно определяет общие свойства турбин данного типа, ее строят в приведенных параметрах при D1 = 1 м и
Н = 1 м. Универсальная характеристика дается по результатам модельных испытаний (модельная характеристика), и все показанные на ней величины (η, σ, а0 и др.) указаны для модели. В связи с этим на характеристике всегда указывают размер модели (диаметр) и приводят ее габаритный чертеж, включая турбинную камеру и отсасывающую трубу, рисунок 8.4.
3
Важной точкой характеристики является оптимальный режим, отвечающий абсолютному максимуму КПД.
Вид ее для радиально-осевой турбины показан на рисунке 8.3. По осям отложены переменные n′1 и Q′1. Нанесены изолинии гидравлического к.п.д. ηГ, коэффициента кавитации σ и открытий направляющего аппарата а0.
Рисунок 8.3. Универсальная характеристика радиально-осевой турбины
(DМ = 460 мм, Н = 4 м)
На универсальной характеристике часто указывается еще линия 5 %-ного запаса мощности (95 % NМАКС). Правее этой линии можно получить увеличение мощности только на 5 %, и обычно в эту область заходить не рекомендуется.
Универсальная характеристика полностью освещает свойства турбин данного типа, и по ней, используя формулы пересчета:
n = (n′1·√H) / D; Q = Q′1· D2·√ H
можно определить все требуемые показатели и построить любую другую характеристику турбины данного типа для заданных параметров. С этой целью на характеристике указывают диаметр модели DМ и примерное значение напора, при котором проведены испытания.
4
Рисунок 8.4. Главная универсальная характеристика турбины с рабочим колесом РО 115.
5
Линейные характеристики (Рабочие характеристики) строятся в зависимости от одной переменной, по которой и получают свое название. При этом принимаются постоянными три параметра, (рисунок 8.5).
Рисунок 8.5. Линейные характеристики гидротурбин:
а) – расходные, а0 = fа (Q), η =fη(Q), N =fN(Q);
б) – мощностные, η = fη (N), а0 =fa(N);
в) – напорные, η = fη(H), N = fN (H); г) – оборотные, η = fη (n), N = fN (n)
Линейная расходная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от ее расхода:
η =fη(Q), а0 = fа (Q) при D1 = const, n = const, Н = const.
Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной универсальной характеристики прямой отвечающей условию n′1 = n·D / √H = const.
Линейная (рабочая) мощностная характеристика представляет собой зависимость показателей турбины от ее мощности:
η = fη (N), а0 =fa(N) при D1 = const, n = const, Н = const.
Легко заметить, что данная линейная характеристика представляет собой сечение эксплуатационной напорно-мощностной характеристики на рисунке 8.1 при Н = 60 м.
Линейная напорная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от напора:
η = fη(H), N = fN (H) при D1 = const, a0 = const, Н = const.
6
Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной
универсальной характеристики прямой отвечающей условию a0 |
= const. |
Напор соответствующий каждой режимной точке находится |
согласно: |
Н =
(n D ) |
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
ÃÒ |
||
|
|
|
|
|
|||
I |
) |
2 |
|
|
|
|
|
(n |
|
|
|
ÃÌ |
|||
1 |
|
|
|
|
|
||
Линейная оборотная характеристика, представляет |
собой |
зависимость показателей турбины от напора: |
|
η = fη (n), N = fN (n) при D1 = const, a0 = const, Н = const.
Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной универсальной характеристики прямой отвечающей условию a0 = const.
Здесь каждая точка определяет частоту вращения: n = n′1 |
|
Í |
|
ÃÒ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
ÃÌ |
|
|
|
1 |
|
||
Линейные характеристики не так полно освещают свойства турбин, как общие, но они проще и нагляднее, поэтому их часто используют для сравнения свойств турбин различных типов и видов.
8.2 Построение универсальной характеристики.
8.2.1 Модельные испытания.
Достаточно полные и надежные характеристики турбин, освещающие широкий диапазон режимов их работы, удается получить только экспериментальным путем. При проектировании турбин расчетным путем обычно разрабатывается несколько вариантов формы проточного тракта, а окончательная их оценка и отработка производятся на основании данных модельных испытаний на опытных стендах. В результате этих испытаний выдаются универсальные характеристики (модельные), по которым строятся эксплуатационные и другие характеристики для натурных условий.
Различают два вида стендов: энергетические, на которых выявляются все показатели работы турбин в бескавитационных условиях работы, и кавитационные, используемые для определения кавитационных показателей. Энергетические стенды рассчитываются на испытания моделей турбин диаметром от 250 до 460 (800) мм, кавитационные 250 ÷ 460 мм.
Энергетический стенд состоит из баков верхнего и нижнего бьефов, накопительной емкости и подающего насоса. Между баками монтируется модель турбины, причем выдерживается геометрическое подобие и спиральной
7
турбинной камеры, и отсасывающей трубы. С целью поддержания уровня в верхнем баке в нем имеется водослив, через который сбрасывается в накопительную емкость избыток воды, подаваемой насосом. Для успокоения и выравнивания потока служат решетки. Напор на энергетических стендах обычно составляет 2—6 м.
Лабораторные испытания моделей гидротурбин производятся при различных открытиях лопаток направляющего аппарата, которые измеряются или расстоянием а0 в свету между двумя соседними лопатками направляющего аппарата, или выражается в долях от максимального открытия, принимаемого за единицу.
При каждом открытии регулирующего органа исследуют несколько 10 ÷ 12 режимов, соответствующих разным нагрузкам на валу турбины. Нагрузка измеряется посредством различных нагрузочных устройств, например генератора. При заданном открытии регулирующих органов и заданной нагрузке с помощью приборов определяют расход воды Q, протекающей через турбину, число оборотов в минуту n вала турбины и рабочий напор Н, а затем вычисляют приведенные числа оборотов, приведенный расход и к.п.д.:
n′1 =
n D1 
H
, Q′1 =
D |
|
Q |
H |
2 |
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
, η =
N |
|
N |
Ï |
|
|
=
MgQH
где N – мощность на валу турбины; NП – мощность потока.
Замеренные во время испытаний данные и результаты подсчетов удобно свести в протокол, составляемый для каждого открытия, по форме, приведенной в таблице 1:
Таблица 1. Замеры и подсчеты при испытании моделей турбин.
|
|
Данные замеров |
|
|
Результаты подсчетов |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Нагрузка |
|
Напор |
Расход |
Число |
Привед. |
Привед. |
Полезная |
Затрачен. |
К.П.Д. |
реж. |
P |
|
Н |
Q |
оборотов |
число |
расход |
мощность |
мощность |
|
|
Вт |
|
м |
л/с |
n |
об. |
Q′1 |
N |
NП |
η |
|
|
|
|
|
об/мин |
n′1 |
л/с |
Вт |
Вт |
% |
|
|
|
|
|
|
об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
P1 |
|
H1 |
Q1 |
n1 |
n′1 |
Q′1, 1 |
N1 |
NП 1 |
η1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
P2 |
|
H2 |
Q2 |
n2 |
n′2 |
Q′1, 2 |
N2 |
NП 2 |
η2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
Pm |
|
Hm |
Qm |
nm |
n′m |
Q′1, m |
Nm |
NП m |
ηm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8
8.2.2 Главная универсальная характеристика радиально-осевых и пропеллерных турбин.
1. Прежде всего наносят на координатную плоскость Q′1 и n′1 кривые постоянных открытий а0 лопаток направляющего аппарата (см. кривые 1, 2, 3,
4 и 5 на рис. 8.6, а). Эти кривые строятся по точкам с координатами n′1 и Q′1 ,
взятыми из граф 6 и 7 таблицы 1. Очевидно, каждой кривой а0 = const будет принадлежать m точек.
2.Затем для каждого открытия по данным граф 6 и 10 таблицы 1 строят вспомогательные кривые η = f (n′1 ) (рисунок 8.6, б).
3.Далее переходят к нанесению кривых η = const на главную универсальную характеристику. Для этого на рисунке 8.6, б проводят ряд горизонтальных линий (линии а — а, b — b, с — с, d — d и т. д.). Каждая из
этих прямых линий будет пересекать одну или более кривых η = f (n′1 ) в
одной или двух точках с координатами n′1 .
Например, для сечения (b — b) точки b1 и b′1 на кривой η = f (n′1 ), принадлежащей первому открытию, точки b2 и b′2, принадлежащие второму открытию и т. д.
4. Отмечая полученные точки на соответствующих кривых a0 = const на рисунке 8.6, а) и соединяя их, получим кривую η = const. Очевидно, что таких кривых можно построить сколь угодно много. Обычно сетка кривых η = const на главной универсальной характеристике строится так, что большие значения к. п. д. наносятся через 1%, а иногда и через 0,5%, а в области малых значений к. п. д – через 2% и более, рисунок 8.3.
9
а)
n′1
об/мин
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 800 900 1000 |
1200 |
1400 |
л/сек |
||||
n′1,об/мин
Рисунок 8.6. К построению главной универсальной характеристики радиально-осевой турбины:
а) – построение семейства кривых a0 = const и η = const;
б) – кривые η = f (n′1) для различных открытий лопаток НА
10