Главные характеристики гидротурбин

В управлении режимами работы гидротурбин большое значение имеет графическое изображение взаимосвязей между основными параметрами турбины. В практике наибольшее распространение имеют главные универсальные, рабочие и эксплуатационные универсальные характеристики.

Главная универсальная характеристика строится на основании результатов модельных испытаний на специальной установке в гидравлической лаборатории. Измерения проводят для 12 -16 различных значений открытий направляющего аппарата . При каждом открытии испытания начинают с большей нагрузки на тормоз вала турбины. Затем нагрузку на тормоз уменьшают, и скорость вращения увеличивается. При этом проводят замеры скорости вращения n, напора Н, расхода Q и полезного момента вращения М. Полезная мощность на валу турбины вычисляется по выражению

, (6.24)

где P - величина груза, уравновешивающая момент тормоза; l - плечо тормоза. КПД модельной турбины определяется из соотношения

, (6.25

где - мощность потока, подведенного к турбине; - коэффициент стенда. Результаты испытаний пересчитывают по формулам подобия на приведенную турбину.

Для всех открытий направляющего аппарата строят частные графики испытаний модели: и . Затем частные графики наносят на общий график в координатах , . Соединяя между собой точки с равными значения КПД, получают семейство изолиний для разных КПД. Данное семейство, представляющее собой зависимость КПД модельной турбины от параметров , (рис. 6.2), является основной составной частью главной универсальной характеристики турбины. Главная универсальная характеристика отражает энергетические свойства серии рабочих колес, подобных испытанной модели, и является как бы паспортом данной серии. На главной универсальной характеристике величина обычно обозначается буквой без индекса.

Рис. 6.2. Главная универсальная характеристика поворотно-лопастной турбины

На поле графика также наносятся степени открытия направляющего аппарата и значения коэффициентов кавитации . Для поворотно-лопастных турбин дополнительно наносятся линии равных углов поворота лопастей рабочего колеса . Для радиально-осевых и пропеллерных турбин наносятся также линии 5-процентного запаса мощности.

Особенность построения главной универсальной характеристики поворотно-лопастной турбины заключается в том, что предварительно снимается серия главных универсальных характеристик рабочего колеса для ряда фиксированных значений углов поворота лопастей. На основании этих характеристик строят одну универсальную, отвечающую условию, что при данном открытии направляющего аппарата и приведенной частоте вращения рабочего колеса за счет поворота лопастей на определенный угол достигается максимальное значение КПД турбины.

Главные универсальные характеристики используются при подборе натурных турбин, а также при построении рабочих и эксплуатационных характеристик турбин.

Рис. 6.3. Рабочие характеристики турбин: 1 - радиально-осевой; 2 - пропеллерной; 3 - поворотно-лопастной; 4 - ковшовой

Рабочие характеристики турбин представляют собой зависимость их КПД от развиваемой мощности N_т при постоянном напоре Н и частоте вращения n. Они строятся на основании главной универсальной характеристики. Задавшись определенными значениями n, D и H в соответствии с (6.14), вычисляют значение приведенной частоты вращения . Для вычисленной величины с главной универсальной характеристики снимается по точкам характеристики зависимость . Затем каждому значению данной зависимости по формулам (6.18) - (6.20) находят соответствующие значения КПД натурной турбины и, таким образом, определяют зависимость . Далее с помощью выражения (6.10) строится рабочая характеристика натурной турбины .

На рис. 6.3 приведены рабочие характеристики основных типов гидротурбин. Из приведенных характеристик следует, что наибольшие КПД имеют радиально-осевые и пропеллерные турбины. Более пологие характеристики имеют поворотно-лопастные турбины. В связи с этим у них среднеэксплуатационный КПД получается выше. Однако эти турбины уступают радиально-осевым по коэффициенту кавитации и поэтому не могут быть установлены на высокие напоры. Очень пологую характеристику имеют ковшовые турбины, уступая остальным по уровню максимального КПД.

Таким образом, сопоставляя рабочие характеристики, можно судить об энергетических свойствах турбин.

По рабочим характеристикам для номинальной частоты вращения рабочего колеса и различных значений используемых напоров строится эксплуатационная универсальная характеристика, которая представляет собой зависимость в координатах (рис. 6.4). На эксплуатационной универсальной характеристике дополнительно наносят линии равных допустимых высот отсасывания H_s. Также на характеристике приводятся линии ограничений мощности по генератору (при напорах, превышающих расчетный H_р) и пропускной способности турбины (при напорах ).

Рис. 6.4. Эксплуатационная универсальная характеристика поворотно-лопастной турбины

Эксплуатационные универсальные характеристики дают наиболее полное представление об энергетических и кавитационных качествах турбин в рабочем диапазоне изменения напора и мощности.