6.2 Способы регулирования расхода и мощности турбины.

1. Регулирование расхода при помощи направляющего аппарата с поворотными лопатками. При изменении открытия направляю­щего аппарата угол потока (струйный угол) ά₀ на выходе из него также меняется.

При закрытии направляющего аппарата угол ά₀ и расход через турбину уменьшаются. При открытии направляю­щего аппарата величина угла ά₀ растет (ctgά₀ уменьшается), по­ этому расход увеличивается.

Этот способ регулирования расхо­да применяют в радиально-осевых и пропеллерных гидротурби­нах. Синхронный поворот лопаток осуществляется при помо­щи сервомоторов направляющего аппарата и механизма пово­рота.

2. Двойное регулирование расхода при помощи поворота лопа­ток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса.

В этом случае имеет место одновременное и согласованное изменение углов ά₀ и γ₂ = 180 - β₂. Этот принцип регулирования применяют в поворотно-лопастных осевых и диагональных гидротурбинах.

Возможны и другие способы регулирования расхода, но приме­няют их значительно реже. К ним относятся следующие:

3. Регулирование расхода за счет изменения угла потока γ₂ на выходе из рабочего колеса. При этом угол установки лопастей рабочего колеса меняется (поворотные лопасти), а лопатки направляющего аппарата — неподвижные. Этот способ регулирования применяется для турбин Томана—Каплана.

4. Изменение высоты направляющего аппарата при помощи изменения положения цилиндрического щита, установленного перед направляющим аппаратом. Опусканием и подниманием щита регу­лируют расход через гидротурбину.

5. Одновременное изменение высоты аппарата и положения его лопаток. Такое регулирование расхода осуществимо для радиально-осевой гидротурбины средней быстроходности, имеющей ци­линдрическую форму лопасти у верхнего обода рабочего ко­ леса.

Таким образом, способы 1, 3, 4 относятся к одиночным способам регулирования расхода. Способы 2 и 5 обеспечивают двойное регулирование рас­хода. Гидротурбины двойного регулирования расхода имеют высо­кие значения КПД в широком диапазоне изменения напора и мощ­ности, т. е. значительно эффективнее по сравнению с гидротурби­нами одиночного регулирования.

6.3 Комбинаторная зависимость поворотно-лопастной осевой турбины.

Двойное регулирование одновременно и направляющим аппаратом и рабочим колесом имеет ряд преимуществ:

• позволяет сохранить высокие значения КПД в широком диапазоне мощностей и напоров;

• значительно улучшить рабочую харак­теристику, а также избежать неспокойных режи­мов работы турбины на всем диапазоне изменения мощности;

• сохранить возможность полного прекращения расхода и оста­новки турбины без применения затвора, чего нельзя сделать при отсутствии направляющего аппарата.

Благодаря этим каче­ствам поворотно-лопастные турбины нашли самое широкое при­менение в своем диапазоне напоров.

Поворот лопастей рабочего колеса и открытие лопаток направляю­щего аппарата (рисунок 6.3 а, б), связаны так называемой комбинаторной зависимостью. В общем виде эта зависимость может быть представлена как:

φ = f ( а₀, Н)

где, f есть некоторая функция.

Поворот лопасти в соответствии с этой зависимостью зада­ется автоматически специальным управляющим устройством, называемым комбинатором, который обычно устанавливается в колонке регулятора скорости, управляющего направляющим аппаратом. Функциональная связь параметров (φ, а₀ Н) осу­ществляется специальным пространственным кулачком 1 (рис. 6.4), кото­рый при изменении открытия направляющего аппарата пово­рачивается на некоторый угол (рис. 6.4, 6) и перемещается вдоль оси при изменении напора. Поверхность кулачка пред­ставляет комбинаторную поверхность, выполненную в цилин­дрических координатах. Катящийся по ней ролик 2 следящего устройства перемещается вдоль оси направляющего стержня 3 в соответствии с изменяющимися режимами и через систему тяг и рычагов воздействует на золотник комбинатора.

Потери энергии в спиральной камере.

Потери энергии в спиральной камере, статоре и направляющем аппарате уменьшают энергию потока на входе в рабочее колесо и, следовательно, влияют на КПД турбины. Основными потерями энер­гии в спиральной камере являются потери по длине, которые можно приближенно определить по формуле Дарси

Так как в спиральных камерах натурных гидротурбин движение жидкости развитое турбулентное (Re > 10⁶ ), величина λ не зависит от числа Re, и потери энергии в спиральной камере под­чиняются квадратичному закону

,

Потери энергии в радиальном НА.

Основной вид потерь в направляющем аппарате – это профильные потери энергии в круговой решетке радиального аппарата.

Зависимость потерь от открытия сложная: при увеличении а₀ растет угол уста­новки лопаток β_УСТ, при этом потери сначала уменьшаются, затем начинают расти (рис. 10.1). Потери энергии имеют минимальную величину при а_{0 ОПТ} и увеличиваются как при закрытии, так и при открытии направляющего аппарата.

Рисунок 10.1. Потери энергии в направляющем аппарате:

а — изменение относительных потерь; б — величина относительных потерь; 1 — быстроходная; 2 — тихоходная турбина.

Потери энергии в направляю­щем аппарате тихоходной турбины в несколько раз больше, чем в быстроходной, что объясняется значительно большими скоростями потока в направляющем аппарате, высота которого в 5÷6 раз меньше по сравнению с направляющим аппаратом быстроходной турбины (для быстроходной турбины b₀ / D₁ < 0,4; для тихоходной b₀ / D₁ < 0,1). Если в быстроходной осевой турбине при открытиях, соответствующих половине номинальной мощности и больших, потери в направляю­щем аппарате составляют доли процента, то в тихоходной радиально-осевой турбине они составляют 3 ÷ 5%. Следовательно, со­вершенствованию направляющих аппаратов высоконапорных радиально-осевых гидро­турбин следует уделить особое внимание.

Отсасывающие трубы.

Отсасывающая труба гидротурбины предназначена для:

1. отвода воды от рабочего колеса в нижний бьеф с минимальными потерями энергии;

2. использования части геометрического напора, если рабо­чее колесо турбины расположено над нижним бьефом;

3. 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. Особенно значительна роль от­сасывающей трубы в рабочем процессе быстроходной поворотно-лопастной осевой гидротурбины, у которой кинетическая энергия потока v²₃ / 2gH за рабочим колесом может достигать 50% от полного напора турбины.

Расширяющаяся отсасывающая труба увеличивает как разрежение под колесом, так и разность давлений по обе его стороны, а следовательно, и используемый им напор. Она не создает этого добавочного напора, т. е. энергию, а лишь уменьшает потерю напора, которая без нее равнялась бы выходной из колеса кинетической энергии.

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

а) б)

16