ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБИН
Основная характеристика, которая носит название главной универсальной характеристики (рис. 8-10), строится в координатах Qb. По оси абсцисс откладывают QJ. На поле универсальной характеристики наносят линии равных КПД модели rj, линии равных кавитационных коэффициентов а, линии равных открытий направляющего аппарата а0. Для поворотнолопастной турбины даются углы ср поворота лопастей; для радиально-осевой турбины — линия ограничения мощности N = 0,95 N max-
Таким образом, универсальная характеристика является как бы паспортом испытанной модели. По характеристике можно определить диаметр турбин D, частоту вращения п и предельные высоты отсасывания Hs (см. § 8-5).
Так как у турбины частота вращения п принимается постоянной, то разная приведенная частота вращения на модели соответствует разным напорам натурной турбины. Увеличение приведенной частоты вращения соответствует уменьшению напора натурной турбины..
Универсальная характеристика строится на основе модельных испытаний.
Диаметр рабочего колеса модельных установок в разных лабораториях колеблется от 250 до 600 мм. При энергетических испытаниях напор установки обычно невелик и составляет несколько метров. Для кавитационных и других специальных испытаний создаются установки с напором, приближающимся к натурному. На вал модельной турбины устанавливается либо специальное тормозное устройство, либо генератор. В обоих случаях энергия в конечном счете превращается в тепло. При тормозном устройстве тепло отводится охлаждающей водой, при генераторе, вырабатывающем электрическую энергию, последняя гасится на реостатах и рассеивается в атмосфере. Определение мощности, вырабатываемой модельной турбиной, производится при помощи замера момента, действующего на корпус тормоза или генератора, а также частоты вращения ротора. Момент замеряется при помощи рычага с плечом L, прикрепленного к корпусу тормоза или генератора, и усилия Р, прилагаемого на конце рычага. Частота вращения п определяется по счетчику. Тогда мощность в киловаттах, вырабатываемая турбиной, будет
Мощность, подводимая к турбине Nn, определяется в киловаттах путем замера действующего на установке напора Н и расхода, проходящего через турбину Q, т. е. Na = = РgQH. Отсюда КПД ц — NT/Nn.
Зная напор Н, расход Q, частоту вращения п и диаметр модели, можно по формулам (8-6) и (8-9) определить для любой точки поля характеристики значения п и Qj.
По полученным данным на поле универсальной характеристики (рис. 8-12, а) наносят линии равных открытий направляющего аппарата a — f (nj). Затем по данным тех же испытаний для постоянных открытий а0 строят (рис. 8-12, б) вспомогательные кривые т = (пj). Рассекая эти кривые горизонтальными линиями r= const, получают на восходящей ветви кривой точки Ь, Ь2, ..., Ьъ, а на нисходящей ветви точки blt Ь.г Ьь. Эти точки наносят на универсальную характеристику (рис. 8-12, а) и по ним проводят плавную кри-вую, которая показывает зависимость ц = (Qj). Несколько таких кривых, построенных для разных значений г = const, дают универсальную характеристику (см. рис. 8-10).
С увеличением приведенного расхода Q мощность N возрастает до максимума N{ max и затем снижается вследствие резкого снижения КПД. Максимальной мощности N тах соответствует расход Q пред, который называется предельным. Работа с этим расходом и мощностью max не допускается из-за возможности срыва мощности. Максимально допустимый расход QJ max определяется по мощности 0,95М тах- ЭТОТ расход, соответствующий 5 %-ному запасу мощности, наносится на универсальную характеристику.
На основе кавитационных испытаний определяются коэффициенты кавитации о, которые также наносятся на универсальную характеристику. Для поворотнолопастных турбин производятся аналогичные испытания для нескольких углов ср поворота лопастей рабочего колеса и для каждого угла ср строится универсальная характеристика пропеллерного режима. По максимальным значениям КПД для разных углов поворота лопастей строятся характеристики т = (Qi) при MI = const.
Используя эти характеристики, наносят линии т = const на поле универсальной характеристики поворотнолопастной турбины. На характеристику наносятся также линии равных углов ф. Таким образом
Универсальная характеристика показывает оптимальный угол для каждого открытия направляющего аппарата. Зависимость a0 = f(cp), соответствующая наибольшим значениям КПД, называется комбинаторной зависимостью.
Рабочие характеристики
Рабочими характеристиками турбины называются зависимости при постоянном напоре Н. Для модельной турбины аналогичными характеристиками будут r\M — f(N{) и при постоянном.
Разрезав универсальную характеристику по п = const, можно, пользуясь формулами (8-6), (8-8) и (8-11), построить рабочую характеристику г) = f(N). При определении надо внести поправку Кп.
На рис. 8-13 нанесены рабочие характеристики различных классов и систем турбин, построенные в процентах к максимальной мощности.
Таким образом, поворотнолопастные турбины, будучи самыми быстроходными, имеют в ряде случаев преимущество и по энергетическим качествам. Однако эти турбины уступают радиально-осевым по коэффициенту кавитации и поэтому не могут быть установлены на высокие напоры. Тем не менее, тенденция продвижения поворотнолопастных турбин в область высоких напоров все время остается. Для решения этой задачи используются диагональные турбины, у которых при сохранении поворотного принципа лопастей кавитационный коэффициент ниже, чем у поворотнолопастных турбин.
Групповая рабочая характеристика турбин строится исходя из условия, что для получения наибольшего суммарного КПД нагрузка станции должна распределяться между однотипными турбинами поровну. Имея рабочую характеристику турбины, умножаем для каждого КПД и т. д мощность на 2, 3,..., п, где п — число однотипных турбин. По полученным точкам строим огибающую кривую, которая и является рабочей характеристикой группы турбин. В качестве примера на рис. 8-14 показано построение групповой характеристики для трех турбин.
Групповая рабочая характеристика позволяет определить наивыгоднейшее число работающих турбин при любой нагрузке станции. При этом предполагается, что генераторы и проточная часть всех агрегатов имеют одинаковые характеристики.
Можно также построить рабочую характеристику гидроэнергетического блока, т. е. зависимость КПД блока от мощности агрегата при постоянном напоре КПД блока является произведением КПД турбины тт генератора т|ген и водопроводящих устройств г|в-
Такая характеристика для Нарвской ГЭС представлена на рис. 28-1. О построении рабочей характеристики блока и группы блоков см. 0-4, с. 359—360.
Обратимые гидравлические машины ГАЭС должны иметь характеристики для турбинного и для насосного режимов. В качестве примера приведены характеристики для радиалы-ю-осевой (рис. 8-15) и диагональной (рис. 8-16) машин.
Так как кавитационные условия насоса хуже, то высотное положение обратимой машины определяется по допустимой высоте всасывания насоса и наинизшему уровню НБ.
Эксплуатационная характеристика
Эксплуатационная характеристика турбин представляет зависимость r=f(H, N), при выбранных диаметре D и частоте вращения п. На эксплуатационной характеристике (рис. 8-17) в координатах Н и N наносятся линии равных КПД, а также линии равных допустимых высот отсасывания Hs. На характеристике при напорах ННР обычно наносится линия Ьс — ограничения мощности по генератору и при низких напорах Н<НР линия ab — ограничения мощности по турбине. Эта линия ограничения проходит по предельной высоте отсасывания,либо, если высота отсасывания допускает, по линии постоянного максимального открытия направляющего аппарата.
Эксплуатационная характеристика строится на основе универсальной характеристики. В первую очередь определяют поправку на КПД Дт) и на частоту вращения Ап (см. § 8-4). Затем, задаваясь несколькими значениями напора Н, для каждого из них находят частоту вращения п для модели
Поправку &п находят по формуле (8-10) при оптимальной частоте вращения и максимальному КПД и принимают ее постоянной для всех частот вращения. Для частоты вращения пмиз универсальной характеристики находят значения КПД tim и соответствующие им приведенные расходы Qj.
КПД турбины т = тм - Дг. Для РО турбин поправка Дт принимается постоянной для всей рабочей зоны турбины, а для ПЛ турбин — постоянной для данного угла поворота ср лопастей рабочего колеса. Поправка на приведенный расход обычно не учитывается. Мощность определяется по формуле (8-13).
Зная ц= f (М) для нескольких значений напора Н, можно построить эксплуатационную характеристику т = (N).
К построению линий равных допустимых высот отсасывания Hs
Для построения эксплуатационной характеристики составляют табл. 8-2 и 8-3,
По данным табл. 8-2 на одном графике можно построить рабочие характеристики т = f (IV) для напоров Нх, Н2, Н3 и т. д. Рассекая эти характеристики горизонтальными линиями, получим значения N для равных КПД. По этим данным может быть построена эксплуатационная характеристика турбины т= f (Н, N).
Значения Hs определяются по формуле (8-20) или (8-20а).
Для нанесения на эксплуатационную характеристику линий равных Нs строят для напоров Нг, Н3, НА и т. д. зависимости Нs = f (N). Рассекая эти зависимости горизонтальными линиями, наносят линии Нs = const на поле эксплуатационной характеристики. Эксплуатационная характеристика позволяет выбрать оптимальные режимы работы турбины ГЭС.
На рис. 8-18 в качестве примера приведена эксплуатационная характеристика диагональной обратимой турбины, она составлена как для турбинного, так и для насосного режимов.
Разгонная частота вращения
Если агрегат будет вращаться при полном открытии направляющего аппарата и отключенном от сети генераторе, то его частота вращения достигнет максимальной, которая называется разгонной.
Разгонная частота вращения пр в 1,7—-2,5 раза превосходит нормальную частоту вращения п и обычно составляет: для ковшовых турбин пр = (1,7—1,9) для радиально-осевых— Пр = (1,8—2,2)п и для поворотнолопастных—пр = (2,0—2,5)п при условии сохранности комбинаторной зависимости.
На рабочее колесо действует осевое давление, которое вместе с весом агрегата передается через статор турбины на опорные элементы бетона, на которых устанавливается статор.
Точное значение осевого усилия определяется экспериментально. Следует учесть, что у радиально-осевых турбин оно зависит от конструкции колеса и лабиринтных уплотнений, поэтому экспериментальные данные должны быть скорректированы расчетом с учетом особенностей турбины. При переходных режимах турбины осевое усилие изменяется, особенно при сбросах нагрузки.
В отсасывающей трубе вместо обычного вакуума может возникнуть повышенное давление, прй котором осевое усилие, действующее на колесо, может поменять знак и начать некоторое время действовать вверх. Одновременно в этот, момент на рабочем колесе возникает насосный эффект, при котором на рабочее колесо добавляется усилие, действующее вверх. Все вместе может привести к поднятию — всплыванию ротора агрегата. Такие явления наблюдались на ряде поворотнолопастных турбин.
С целью стандартизации и удешевления производства гидротурбин разработана так называемая номенклатура гидротурбин, являющаяся отраслевым стандартом. Номенклатурой регламентируются диаметры рабочих колес гидротурбин. Кроме того, типы рабочих колес разбиты по напорам таким образом, чтобы охватить весь диапазон возможных напоров. Каждый тип рабочего колеса рассчитан по прочности на максимальный напор, для которого оно предназначено. Действующая номенклатура охватывает типоразмеры поворотнолопастных и радиально-осевых гидротурбин. В дальнейшем предполагается включить в номенклатуру и другие системы турбин — диагональные, ковшовые, капсульные, обратимые. Каждый тип турбины обозначается буквами и цифрой, определяющими систему турбин с максимальным напором. Например, РО-230 — радиально-осевая турбина, предназначенная для работы при максимальном напоре Mах = 230 м или ПЛ-40 — поворотнолопастная турбина для максимального напора Mах = 40 м. Такой принцип построения номенклатуры позволяет производить нормализацию отдельных узлов и деталей гидротурбин, что значительно облегчает их проектирование и производство.
Номенклатурой регламентируются ряд основных размеров, например, высоты лопаток направляющего аппарата 0, диаметр их расположения Dо в долях от диаметра рабочего колеса Dj. Рекомендуются профили лопаток направляющего аппарата, конфигурации камер рабочего колеса, отсасывающих труб, метод построения спиральных камер и т. п., Номенклатура содержит все характеристики, необходимые для выбора гидротурбины и ее проектирования.
Современные турбины обладают весьма высокими энергетическими данными, которые продолжают все время улучшаться. КПД современных гидротурбин достигает 96 %.
В связи с научно-техническим прогрессом номенклатура турбин пересматривается. Рекомендуется пользоваться действующей номенклатурой. Необходимо учитывать, что устаревшая номенклатура обычно не отражает новейших достижений в отношении КПД турбин.
Наименьшая стоимость гидротурбинного оборудования получается в тех случаях, когда принимаются номенклатурные типоразмеры турбин. Для диаметров реактивных турбин рекомендуется следующая шкала (см): 180, 200, 225, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1050.
При проектировании уникальных гидроэлектростанций иногда оказывается целесообразным принимать индивидуальные типоразмеры, особенно, если в ближайшем будущем возможно потребуется изготовить серию таких турбин для нескольких ГЭС.