2.3.2. Номенклатура гидротурбин.

Сущность номенклатуры заключается в том, что диапазон применения реактивных гидротурбин по напорам Н = 3 ÷ 500 м разбит на ряд участков, для которых применяется наи­меньшее возможное число имеющихся (или разрабатываемых) осе­вых и радиально-осевых рабочих колес.

Маркировка турбин. Отечественная номенклатура предусматривает определенную маркировку гидротурбин, которая указывает на систему и тип ра­бочего колеса в соответствии с напором.

Например, осевое поворотно-лопастное рабочее колесо ПЛ 20/661-В-930 предназначено на максималь­ный напор Н_мах = 20 м; его инвентарный номер 661, применяемый тип установки — вертикальная, диаметр рабочего колеса турбины D₁ = 930 см.

Таким образом, маркировка характери­зует тип гидротурбины, рабочего колеса и его диаметр. Напри­мер, радиально-осевая — РО 115/697-В-750 и т. д. Диаметры рабочих колес нормализованы, поворотнолопастные турбины изготавливают с диаметрами рабочих колес D₁ = 2,8 ÷ 10,5 м; радиально-осевые турбины с диаметром D₁ = 1,8 ÷ 8,5 м.

* Справочно. Устаревшие и современные названия систем турбин:

• Френсиса – радиально-осевая;

• Каплана – поворотно-лопастная;

• Пельтона – ковшовая;

• Тюрго – наклонноструйная;

• Банки – двукратная.

3. Основные рабочие органы гидротурбинных установок (конструкция, назначение).

Спиральная (турбинная) камера. Первым по потоку рабочим органом турбины является спиральная камера, обеспечивающая организованный подвод воды к направляющему аппарату с минимально возможными потерями, а также создание предварительной закрутки потока.

В зависимости от величины напора и типа гидроэлектростанции применяют различные типы турбинных камер. Бетонная спиральная камера с неполным углом охвата и трапециевидной формой поперечных сечений нашла наибольшее применение при малых и средних напорах Н = 3 ÷ 45 м, (рисунок 3.2).

Рекомендуемые основные параметры: ширина в плане В = (2,4 ÷ 3,5)D₁; угол охвата φ = (180 ÷ 225)°; скоростной коэффициент во входном сечении ά = = 0,8 ÷ 1,1.

Рисунок 3.2 Бетонная спиральная камера с неполным углом охвата.

Бетонная спиральная камера состоит из входной открытой части и спирального канала, характеризуемого углом _сп. В месте соединения спирального канала с правой по направлению потока стенкой неспиральной части размещается так называемый зуб спирали. Угол охвата _сп спиральной камеры отсчитывают от зуба до входного сечения. Спиральные камеры с неполным углом охвата имеют угол ф < 360°. Ширина спиральной

камеры в плане зависит от типа турбины, угла охвата, принятой скорости во входном сечении спиральной части и его формы. Площадь входного сечения определяется в зависимости от скорости v_ВХ или принятого скоростного коэффициента ά.

Металлические сварные спиральные камеры с круглыми сечениями (рисунок 3.3) применяют при средних и высоких напорах Н = (150 ÷ 700) м. Рекомендуемые параметры: В = (2,5 ÷ 4 )D₁; _сп = (345 ÷ 360)°; а = 0,5 ÷ 1.

а)

Рисунок 3.3 Металлическая спи­ральная камера

Выбор типа конструкции связан с величиной напора и размером турбины. Для напоров меньше 200 м спиральные камеры изготовляются, как правило, из листового проката и свариваются непосредственно при монтаже.

Статор турбины. Статор турбины предназначен исключительно для передачи осевых нагрузок гидроагрегата, бетонного массива и вспомогательного оборудования на фундамент здания станции. По условиям рабочего процесса в турбине статор не требуется.

С конструктивной точки зрения он представляет собою колонны, связанные между собой при помощи верхнего и нижнего поясов. Иногда при небольших напорах вместо общего нижнего пояса каждая колонна статора имеет специальную опору — башмак. В отечественной практике число колонн статора обычно принимают равным половине числа лопаток направляющего аппарата, причем зуб спирали является одной из колон.

Рисунок 3.4. Схема расположения колонн статора в турбинной камере

Статоры вы­полняются либо в виде отливок, либо сварных или сварно-литых конструкций. Радиальные размеры и формы поясов статора определяются спиральной камерой, шахтой и крыш­кой турбины, а также нижним кольцом направляющего аппарата. Колонны могут быть сплошного сечения или пустотелые. В этом случае толщины стенок выбираются с учетом применяемых марок сталей из условий прочности и технологич­ности.

Направляющий аппарат. Направляющий аппарат состоит из одинаковых, равномерно расположенных лопаток, имеющих возможность синхронно поворачиваться относительно своих осей.

Функции направляющего аппарата:

- создание равномерного, осессиметричного потока, закрученного относительно оси вращения рабочего колеса;

- регулирование расхода и мощности турбины путем изменения проходного сечения и циркуляции на входе в Р.К.;

- полное перекрытие потока через турбину, в том числе и в аварийных случаях.

В настоящее время существует несколько конструкций, удовлетворяющих всем вышеперечисленным условиям, рисунок 3.5

Рисунок 3.5. Схемы направляющих аппаратов: а — радиальный; б — конический; в — осевой.

Камера рабочего колеса. Камера рабочего колеса имеет мощную стальную облицовку, закрепленную в бетоне анкерами и тягами (рисунок 3.8.) Это объясняется тем, что при работе турбины стенки камеры воспринимают большие пульсирующие нагрузки от давления воды, которые способны раскачать и разрушить облицовку камеры.

Для поворотно-лопастных турбин существенное значение имеют зазоры между концами лопастей рабочего колеса и камерой. Чем меньше зазор, тем меньше протечка, тем выше КПД. Обычно счи­тается допустимым зазор δ = 0,001D₁ (при диаметре 9,5 м зазор около 10 мм.)

Чтобы зазор сохранялся постоянным при изменении угла установки лопастей, камера рабочего колеса должна быть сферической. Однако в этом случае возникнут трудности с установ­кой собранного рабочего колеса на место. Поэтому часть камеры выше оси поворота лопастей делается цилиндрической. Нижней, выход­ной части камеры придают сферическую форму.

Отсасывающая труба. Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для: отвода воды от рабочего колеса в нижний бьеф с минимальными потерями энергии; использования части геометрического напора, если рабо­чее колесо турбины расположено над нижним бьефом; преобразо­вания кинетической энергии потока, выходящего из рабочего колеса, в энергию давления.

При отсутствии отсасываю­щей трубы энергия потока после рабочего колеса теряется, и КПД турбины уменьшается. При установке отсасывающей трубы, которая представляет собою прямоосный или изогнутый диффузор определен­ных размеров, кинетическая энергия потока после рабочего колеса преобразуется в энергию давления. В результате под рабочим коле­сом создается дополнительное разрежение, вследствие чего напор, используемый турбиной, возрастает.

Размеры и тип отсасывающей трубы также влияют на кавитационные и пульсационные характеристики турбины, габариты и стоимость подводной части здания ГЭС.

В зависимости от компоновки гидроагрегата (вертикальное или горизонтальное расположение вала) применяются изогнутые рис. 3.9 с тем или иным типом ко­лена и прямоосные отсасывающие трубы.

Основным параметром, определяющим гидравлические харак­теристики изогнутой отсасывающей трубы, является ее высота h. Высота трубы влияет также на стоимость сооружения ГЭС. При выборе высоты отсасывающей трубы необходимо учитывать следующие факторы.

Увеличение высоты обеспечивает получение высоких энергетических и экс­плуатационных показателей турбины, т. е. фактора, действующего в течение всего периода эксплуатации ГЭС.

Увеличение высоты трубы приводит к повышению стоимости гидростанции, т. е. фактора, характеризующего единовременные затраты на строительство ГЭС.

Результаты многочисленных исследований показывают, что независимо от формы отсасывающей трубы уменьшение ее высоты приводит к паде­нию КПД турбины. При этом наиболее резкое снижение КПД наблюдается на тур­бинах большой пропускной способности. С уменьшением пропускной способности турбины влияние высоты отсасывающей трубы на ее энергетические показатели уменьшается. Однако заметное уменьшение высоты трубы тихоходных турбин также дает снижение КПД и может привести к значительному увеличению интенсивности нестационарных явлений в турбине и, как следствие, к неспокойной работе агре­гата. Нестационарные явления достигают наибольшей интенсивности при работе радиально-осевых и пропеллерных гидротурбин на неоптимальных режимах, вклю­чая разгон машины, в частности холостой ход. Это должно учитываться при выборе габаритных размеров труб.

4. Характеристики турбин. Главная универсальная характеристика турбин. Сущность явления кавитации в гидротурбинах.

Виды характеристик.

Все показатели работы турбины данного типа в общем виде можно выразить следующими функциональными соотношениями:

Q = f_Q (D, a₀, H, n)

N = f_N (D, a₀, H, n)

η = f_η (D, a₀, H, n)

Общие характеристики (Эксплуатационные характеристики) имеют два определяющих параметра и представляют собой зависимость данного показателя от двух независимых переменных.

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 = f_η (N, H); H_S = f_Hs (N, H)

при условии: D₁ = const, n = const.

Рисунок 8.1. Эксплуатационная напорно-мощностная характеристика турбины

Можно построить напорно-расходную эксплуатационную характеристику, приведенную на рисунке 8.2, с параметрами:

η = f_η (H, Q); N = f_N ( 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. Важной точкой характеристики является оптимальный режим, отвечающий абсолютному максимуму КПД.

На универсальной характеристике часто указывается еще линия 5 %-ного запаса мощности (95 % N_МАКС). Правее этой линии можно получить увеличение мощности только на 5 %, и обычно в эту область заходить не рекомендуется.

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 = f_а (Q), η =f_η(Q), N =f_N(Q);

б) – мощностные, η = f_η (N), а₀ =f_a(N);

в) – напорные, η = f_η(H), N = f_N (H);

г) – оборотные, η = f_η (n), N = f_N (n)

Линейная расходная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от ее расхода:

η =f_η(Q), а₀ = f_а (Q) при D₁ = const, n = const, Н = const.

Линейная (рабочая) мощностная характеристика представляет собой зависимость показателей турбины от ее мощности:

η = f_η (N), а₀ =f_a(N) при D₁ = const, n = const, Н = const.

Линейная напорная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от напора:

η = f_η(H), N = f_N (H) при D₁ = const, a₀ = const, Н = const.

Линейная оборотная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от напора:

η = f_η (n), N = f_N (n) при D₁ = const, a₀ = const, Н = const.

Построение универсальной характеристики.

Модельные испытания.

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.

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 = ,Q′₁ = , η ==

где N – мощность на валу турбины; N_П – мощность потока.

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.

2. Затем для каждого открытия 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 .

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.

а)

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

Кроме кривых а₀ = const и η = const, на главную универсальную характеристику наносят еще кривые: N_ПРЕД, 95% N_ПРЕД и кривые коэффициентов кавитации σ = const, также возможны кривые коэффициентов быстроходности n_S = const.

Рисунок 8.6. Построение на главной универсальной характеристике кривых N_ПРЕД пятипроцентного запаса мощности и n_S = const.

Кривая предельной мощности проходит через те точки главной универсальной характеристики, в которых при данных n′₁ мощность N′₁ = ρgQ′₁η будет максимально возможной. В практике гидромашиностроения рабочие режимы обычно ограничивают кривой 95% N_ПРЕД, оставляя в запасе 5% мощности, необходимой по условиям регулирования турбин и обеспечения полной надежности в получении расчетной мощности с небольшим запасом. Таким образом, кривая пятипроцентного запаса мощности разделяет главную универсальную характеристику на две части: левую — рабочую и правую — нерабочую. Потому что, повышение расхода Q′₁ за пределы этой линии может увеличить мощность турбины только на 5 %, после чего наступает срыв мощности, т.к. снижение к.п.д. будет происходить быстрее, чем повышение расхода.

Кавитация в проточном тракте гидротурбин.

Кавитация − сложный физический процесс, вызывающий губчатое разрушение элементов проточной части турбины, сопровождающийся шумом, ударами, снижением КПД, повышенной вибрацией агрегата и пульсацией потока.

Кавитация, возникая в закрытых водоводах при достаточно больших скоростях в потоке, нарушает одно из основных физических свойств жидкости — ее сплошность. Это в свою очередь приводит к нарушению нормального рабочего процесса, а самое главное — к разрушению рабочих органов, делая невозможным их длительное использование.