Лекция 8 .

Характеристики гидротурбин.

8.1 Виды характеристик.

В процессе 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 = f_Q (D, a₀, H, n)

N = f_N (D, a₀, H, n)

η = f_η (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 = f_η (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 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 = f_η (N, H); H_S = f_Hs (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

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. 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.

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. η_Г, коэффициента кавитации σ и открытий направляющего аппарата а₀.

Рисунок 8.3. Универсальная характеристика радиально-осевой турбины (D_М = 460 мм, Н = 4 м)

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.

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 D_М и примерное значение напора, при котором проведены испытания.

Рисунок 8.4. Главная универсальная характеристика турбины с рабочим колесом РО 115.

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.

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 = f_η (N), а₀ =f_a(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 = f_η(H), N = f_N (H) при D₁ = const, a₀ = const, Н = const.

Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной универсальной характеристики прямой отвечающей условию a₀ = const. Напор соответствующий каждой режимной точке находится согласно: Н =

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.

Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной универсальной характеристики прямой отвечающей условию a₀ = const. Здесь каждая точка определяет частоту вращения: n = n′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.