Лекция 8

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 = fQ (D, a0, H, n)
N = fN (D, a0, H, n)

· = f
· (D, a0, H, n)
Для поворотно-лопастных турбин эти соотношения еще сложнее, так как они включают дополнительную независимую переменную угол установки лопастей рабочего колеса
·. Например,

· = f
· (D, a0, H, n,
·)
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:

· = f
· (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.
· 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,
· = 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:

· = f
· (H, Q); N = fN ( H, Q)
при условии: D1 = const, n = const.
Здесь даны изолинии к.п.д.
· 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 (
·,
·, 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 n1 и Q1. Нанесены изолинии гидравлического к.п.д.
·Г, коэффициента кавитации
· 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 = (n1·
·H) / D; Q = Q1· 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.




























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 = fа (Q),
· =f
·(Q), N =fN(Q);
б) – мощностные,
· = f
· (N), а0 =fa(N);
в) – напорные,
· = f
·(H), N = fN (H);
г) – оборотные,
· = f
· (n), N = fN (n)
Линейная расходная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от ее расхода:

· =f
·(Q), а0 = fа (Q) при D1 = const, n = const, Н = const.
Данная линейная характеристика представляет собой сечение главной универсальной характеристики прямой отвечающей условию n1 = n·D /
·H = const.
Линейная (рабочая) мощностная характеристика представляет собой зависимость показателей турбины от ее мощности:

· = f
· (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:

· = f
·(H), N = fN (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 = 13 EMBED Equation.3 1415
Линейная оборотная характеристика, представляет собой зависимость показателей турбины от напора:

· = f
· (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 = n113 EMBED Equation.3 1415
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 ч 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 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 26 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 ч 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.:
n1 = 13 EMBED Equation.3 1415, Q1 = 13 EMBED Equation.3 1415,
· = 13 EMBED Equation.3 1415= 13 EMBED Equation.3 1415
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


реж.
Нагрузка
P
Вт
Напор
Н
м
Расход
Q
л/с
Число оборотов n
об/мин
Привед. число об.
n1 об/мин
Привед. расход Q1
л/с
Полезная мощность
N
Вт
Затрачен.
мощность

Вт
К.П.Д.


·
%

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1
P1
H1
Q1
n1
n1
Q1, 1
N1
NП 1

·1

2
P2
H2
Q2
n2
n2
Q1, 2
N2
NП 2

·2

m-1










m
Pm
Hm
Qm
nm
nm
Q1, m
Nm
NП m

·m


8.2.2 Главная универсальная характеристика радиально-осевых и пропеллерных турбин.
1. Прежде всего наносят на координатную плоскость Q1 и n1 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 n1 и Q1 , 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
· = f (n1 ) (рисунок 8.6, б).
3. Далее переходят к нанесению кривых
· = 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
· = f (n1 ) в одной или двух точках с координатами n1 .
Например, для сечения (b b) точки b1 и b1 на кривой
· = f (n1 ), принадлежащей первому открытию, точки b2 и b2, 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
· = const. Очевидно, что таких кривых можно построить сколь угодно много. Обычно сетка кривых
· = 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)
n1
об/мин










700 800 900 1000 1200 1400 л/сек




n1,об/мин

Рисунок 8.6. К построению главной универсальной характеристики радиально-осевой турбины:
а) – построение семейства кривых a0 = const и
· = const;
б) – кривые
· = f (n1) для различных открытий лопаток НА
Кроме кривых а0 = const и
· = const, на главную универсальную характеристику наносят еще кривые: NПРЕД, 95% NПРЕД и кривые коэффициентов кавитации
· = const, также возможны кривые коэффициентов быстроходности nS = const.
Рисунок 8.6. Построение на главной универсальной характеристике кривых NПРЕД пятипроцентного запаса мощности и nS = const.
Кривая предельной мощности проходит через те точки главной универсальной характеристики, в которых при данных n1 мощность N1 =
·gQ1
· будет максимально возможной. В практике гидромашиностроения рабочие режимы обычно ограничивают кривой 95% NПРЕД, 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 Q1 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.
8.2.3 Главная универсальная характеристика поворотно-лопастных турбин.
Поворотнолопастные турбины имеют двойное регулирование расхода, осуществляемое одновременным и согласованным поворотом лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса. Этим обеспечивается пологая рабочая характеристика, т. е. малые изменения к. п. д. при значительном изменении нагрузки на турбину. Испытание поворотно-лопастной турбины ведется на нескольких (4 ч 8) углах
·° установки лопастей рабочего колеса (рисунок 8.7), причем при каждом
·° = const в объеме, достаточном для построения пропеллерной характеристики (рисунок 8.8, б) описанным выше способом.











Рисунок 8.7. Положение лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины.
Отсчет углов
·° производится по периферийному профилю лопастей от
· = 0°, соответствующего углу, при котором произведен гидравлический расчет рабочего колеса. Этот угол теоретически должен соответствовать предполагаемому оптимальному к. п. д. турбины и на практике бывает к нему близок.
Таким образом, поворотно-лопастная турбина как бы совмещает в себе ряд пропеллерных турбин. Кривые
· = const главной универсальной характеристики (рисунок 8.8) получаются как огибающие одинаковых значений к. п. д. этих пропеллерных характеристик.


Рисунок 8.8. Схема построения главной универсальной характеристики поворотно-лопастной турбины.
Для построения их на плоскости Q1, n1 наносятся пропеллерные характеристики, которые должны иметь сетку кривых
· = const и а0 = const с одинаковыми значениями указанных величин.
Кривые
·° = const на главной универсальной характеристике проводятся через точки касания огибающих и огибаемых кривых и представляют собой геометрическое место рабочих точек соответствующих пропеллерных режимов.
Таким образом, все рабочие режимы при одном угле установки лопастей рабочего колеса лежат на линии
·° = const.
Очевидно, что при n1 = const и
·° = const турбина может работать только при одном Q1.
Кривые постоянных открытий a0 = const, соответствующие работе турбины по комбинаторной связи, т. е. при лучшей по к. п. д. комбинации
·° и a0, наносятся по точкам пересечения заданных a0 с
·° = const пропеллерных характеристик.
Для примера укажем на кривую AВ (рисунок 8.8), проходящую через точки 1, 2, 3 и 4, соответствующую открытию направляющего аппарата а0 = 80 мм.
В лабораторной практике обычно применяют другой, более удобный способ построения главной универсальной характеристики поворотно-лопастной турбины, который заключается в следующем.
Как обычно испытывают модель турбины при нескольких (4 ч 8) углах установки лопастей рабочего колеса и для нескольких сечений частных пропеллерных характеристик при помощи линий n1 = const строят кривые:

· =f1 (Q1 ), а0 = f2 (Q1 )
Затем проводят огибающие кривых
· =f (Q1 ) например, М – N (рисунок 8.9).










0 400 800 1200 1600 Q1 л/с
Рисунок 8.9. Разрезы пропеллерных характеристик линиями n1 = const.
Точки касания огибающих кривых и пропеллерных кривых
· =f (Q1) (комбинаторные точки А, В, С и т. д.) переносят на кривые а0 = f2 (Q1 ).
Далее, значения
·К;
·К и а0К комбинаторных точек для выполненных разрезов n1 = const переносят на поле характеристики, пользуясь известными координатами Q1 n1.
Точки равных значений
·К и а0К соединяют плавными кривыми и получают линии равных открытий а0К и углов
·К на поле главной универсальной характеристики (рисунок 8.10).
Выполняя разрезы огибающих
· =f (Q1) линиями
· = const, строят линии равных к. п. д. в координатах Q1 n1 главной универсальной характеристики (рисунок 8.10).













Рисунок 8.10. Главная универсальная характеристика модели поворотно-лопастной осевой гидротурбины (D1 = 460 мм, Н = 4 м)
Главная универсальная характеристика поворотно-лопастной гидротурбины действительна только при строгом соблюдении определенной зависимости между открытиями а0 и углами
·. Связь между величинами а0 и
· для натурной гидротурбины устанавливается при помощи комбинаторной зависимости
·К = f (а0К, n1 ).
На гидроэлектростанции турбина работает при различных напорах (в диапазоне НMAX ч HMIN), и для каждого напора необходимо построить комбинаторную зависимость, следуя которой сервомотор рабочего колеса будет разворачивать лопасти на нужный угол в зависимости от открытия направляющего аппарата.
Частота вращения для турбины постоянна и равна:
n1 = nТ ·D1T /
·H
следовательно, каждому напору Н соответствует своя комбинаторная кривая:
·К = f (а0, Н)
Имея модельную универсальную характеристику, комбинаторные кривые можно построить следующим способом. Для этого, задаются несколькими значениями напора Н, для каждого находят свое значение n1 по вышеприведенному выражению. Затем по найденным n1 проводят сечение главной универсальной характеристики, при помощи интерполяции по линиям
· = const или a0 = const находят значения
·К и а0К по которым строят кривые
·К = f (а0) для каждой величины напора (рисунок 8.11).
Полученные кривые используют для построения кулачка комбинатора системы регулирования гидротурбины.

















Рисунок 8.11. Комбинаторная зависимость
·К = f (а0К) осевой поворотно-лопастной гидротурбины.

Таким образом, при регулировании поворотно-лопастных турбин требуется не только строго выдерживать зависимость между а0 и
·, но эта зависимость должна изменяться с изменением напора ГЭС.






Пример.
На основании уравнения Эйлера H
·Г =
·/g2
· (Г1 - Г2) определить вид оборотной характеристики турбины, т. е. зависимость:

· = f
· (n), N = fN (n) М = fМ (n)
при D1 = const, a0 = const, Н = const.
Решение.
В данных условиях можно приближенно принять, что Q = const.
Тогда согласно: Г0 =
·D02v0cos
·0 и Г = Г0 = const следует, что Г1 = Г0 = const.
Как было показано выше, выходная циркуляция Г2 зависит от n, через абсолютную v2 и окружную скорости u2 (Г2 = 0
·0 = 90° v2 = vm
· u2 u =
··D·n / 60 )
Отсюда следует:
1. при n = 0 (колесо не вращается) Г2 < 0 и можно приближенно считать, что Г2 = - Г 1;
2. По мере увеличения n, циркуляция Г2 возрастает, проходя через Г2 = 0, и далее становится положительной.
3. Нанесем изменение Г1 и Г2 на график (рис. 8.12). Разность дает (Г1 – Г2).




























Рисунок 8.12. Построение оборотной характеристики турбины по уравнению Эйлера.
Отсюда с помощью выражения: М = 13 EMBED Equation.3 1415, получаем монотонно убывающую кривую М = fМ (n).
4. Для построения кривой КПД, на основании уравнения Эйлера имеется три точки:
1) n = 0 ,
· = 0; 2) Г2 = 0,
· = макс; 3) (Г1 – Г 2) = 0,
· = 0.
В точках 1 и 3 мощность N также равна 0. В промежутке имеется точка Nмакс .
5. Искомые характеристики
· = f
· (n), N = fN (n) М = fМ (n) показаны на рисунке 5.11.
Они позволяют сделать два важных для практики вывода: турбина, очевидно, должна эксплуатироваться в области наибольших к. п. д., т. е. в области частот вращения n1 – n2.
Если турбину полностью разгрузить, то максимальная частота вращения, которой достигнет рабочее колесо, определится точкой М = 0 это разгонная частота вращения nРАЗГ на которую должны быть рассчитаны все вращающиеся части агрегата.









13PAGE 15


13PAGE 14815




Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 374490
    Размер файла: 740 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий