Характеристики турбин

[Гл. 6

Таким образом, все показатели работы турбины данного типа в общем виде можно выразить следующими функциональными соотношениями:

Q=fQ{D, ао, Н, п); NfiD, ао. Я, п); i1==fri(£>, ао, Я, rt).

(6-2)

Для поворотно-лопастных турбин эти соотношения еще сложнее, так как они включают дополнительную независимую переменную - угол установки лопастей рабочего колеса ф. Например,

i1=fii(D, ао, ф, Я, rt).

(6-3)

Конкретные зависимости (6-2) или (6-3) и называются характеристиками турбин, причем ОНИ обычно представляются в графической форме.

Нужно иметь в виду, что в системе характеристик (6-2) разделение переменных на независимые и функции является условным и всегда можно их поменять местами, например вместо открытия ао независимым переменным может быть Q, и тогда будем иметь: N = fmiD, Q, Я, rt), НО зато открытие станет также функцией ао = = fa (D, Q, я, rt). Важно, что число независимых переменных совершенно определенно: для турбин с одиночным регулированием (радиально-осевые, пропеллерные, ковшовые) 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: универсальные и линейные.

Универсальные характеристики имеют два определяющих параметра и представляют собой зависимость данного показателя от двух независимых переменных. Существует несколько типов универсальных характеристик, причем название дается по переменным. Например, универсальная н а п о р н о-мощностная характеристика строится в координатах Я, N (напор, мощность турбины) при заданных D и rt (параметры). Ее часто называют эксплуатационной характеристикой, как было указано в § 2-2, в условиях нормальной эксплуатации частота вращения турбины поддерживается строго постоянной. Общее ее выражение

n = fr,{N, Я) H, = f {N,H)

при Di = const, rt = const.

§ 6-1

Виды характеристик

Такая характеристика показана на рис. 6-1 для радиально-осевой турбины Di = 6,3 м и п = 88,3 об/мин. В поле характеристики проведены изолинии к. п. д. т] и допустимой высоты отсасывания Я,. Таким образом, для любых условий работы можно определить значение этих показателей. Например, при Я = 60 м и /V = = 150 МВт х\ == 91,5% и Н,= 1,8 м.

50 10 30 по по 150 по

Рис. 6-1. Напорно-мощностная универсальная характеристика.

МВт

Можно построить напорно-расходную эксплуатационную характеристику при Di = const и rt = = const (рис. 6-2). Здесь даны изолинии к. п. д. т] и мощности N.

На характеристиках (рис. 6-1 и 6-2) показаны ограничивающие линии (со штриховкой). Нижняя соответствует наибольшему открытию направляющего аппарата, верхняя - номинальной мощности генератора.

Главная универсальная характеристика. В качестве показателя свойств турбин данного типа широко используется обороти о-расходнаяхарактеристик а, которая строится при постоянных значениях и Я. Поскольку эта характеристика обычно определяет общие свойства турбин данного типа, ее строят в приведенных параметрах при Di == 1 м и Я = 1 м. Вид ее для радиально-осевой турбины показан на рис. 6-3. По осям

отложены переменные Q[ и п\ [см. (3-34) и (3-35)]. Нанесены изолинии гидравлического к. п. д., коэффициента кавитации а и открытий направляющего аппарата а^.

7S0 200 250 350 м^/с

Рис. 6-2. Напорно-расходная универсальная характеристика.

Главная универсальная характеристика строится по данным модельных испытаний (модельная характеристика), и все показанные на ней величины (т], а, Оо и др.) даны для модели. В связи с этим на характеристике всегда указывают размер модели (диаметр) и приводят ее габаритный чертеж, включая турбинную камеру и отсасывающую трубу.

Важной точкой характеристики является оптимальный режим, отвечающий абсолютному максимуму к. п. д.

На главной универсальной характеристике часто указывается еще линия 5%-ного запаса мощности 95% Ломаке- Правее этой линии можно получить увеличение мощности только на 5%, и обычно в эту область заходить не рекомендуется.

Главная универсальная характеристика полностью освещает свойства турбин данного типа, и по ней, используя формулы пере-

счета (3-36) и (3-37), можно определить все требуемые показатели и построить любую другую характеристику турбины данного типа для заданных параметров.

гоо

Л/с

Рис. 6-3. Главная универсальная характеристика радиально-осевой турбины (Dm = 460 мм).

Линейные характеристики строятся в зависимости от одной переменной, по которой и получают свое название. При этом принимаются постоянными три параметра. Например, линейная мощностная характеристика представляет собой зависимость показателей турбины от ее мощности

т] = /=(Ж) при Di = const, rt = const, Я = const.

100 %

м

Такая характеристика показана на рис. 6-4. Легко видеть, что данная линейная характеристика представляет собой сечение универсальной напорно-мощностной характеристики на рис. 6-1 при Я = 60 м.

( ео

ви то ш по гва т мвт

Рис. 6-4. Мощностнаи рактеристика.

Характеристики турбин

[Гл. 6

Могут строиться и другие линейные характеристики: оборотная N = fff{n) при D = const, о = const, Н = const; напорная H = fi(H) при D = const, о = const, n = const.

Любая линейная характеристика представляет собой некоторое сечение универсальной характеристики.

Линейные характеристики не так полно освещают свойства турбин, как универсальные, но они проще и нагляднее, поэтому их часто используют для сравнения свойств турбин различных типов и видов.

6-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБИН ПО МОДЕЛЬНЫМ ИСПЫТАНИЯМ

Несмотря на то что методика гидромеханического расчета турбин непрерывно совершенствуется, 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 характеристики (модельные), по которым строятся эксплуатационные и другие характеристики для натурных условий 1.

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 - 250-460 мм.

Энергетический стенд (рис. 6-5) состоит из баков верхнего / и нижнего 2 бьефов, емкости 3 и насоса 4. Между баками монтируется модель турбины 5, причем рекомендуется выдерживать геометрическое подобие и спиральной турбинной камеры и отсасывающей трубы. При работе модели вода протекает через турбину из бака / в бак 2, где производится измерение расхода мерным водосливом 6, который, как правило, должен тарироваться объемным или массовым методом. Вода сбрасывается в емкость 3, из которой насосом 4 перекачивается в верхний бак /. Таким образом осуществляется циркуляционная система.

С целью поддержания уровня в баке / в нем имеется водослив 7, через который сбрасывается в емкость 3 избыток воды, подаваемой

Международный код модельных приемо-сдаточных испытаний гидротурбин. (ОНТИ ЦКТИ), 1968.

§ 6-2] Определение характеристик турбин по модельным испытаниям 117

насосом. Для успокоения и выравнивания потока служат решетки S и 9.

Напор на энергетических стендах обычно составляет 2-6 м.

Основными измеряемыми величинами при испытаниях являются: расход Q, который находится по высоте на водосливе h, напор Н, который берется по показаниям пьезометров 10 и (потери до входа в спиральную камеру могут учитываться дополнительно), частота вращения п (определяется тахометром или по счетчику 12)

Рис. 6-5. Схема стенда для снятия энергетических характеристик турбин.

И мощность, развиваемая турбиной N. Наибольшие трудности представляет измерение N. Для этой цели применяются различные тормоза, в большинстве случаев электрические. Ротор тормоза 13 соединяется с валом модельной турбины, а статор 14 укрепляется на подшипниках к раме 15. При вращении ротора силы магнитного взаимодействия (в механическом тормозе - силы трения) увлекают и статор, но он удерживается струной 16, выведенной на весы 17.

По натяжению струны Р и радиусу г определяется момент, развиваемый турбиной, Мв = Рг, Н-м, а по частоте вращения п находится и мощность N, кВт:

(6-4)

Мп 9550

Коэффициент полезного действия модели. вычисляется по экспериментальным данным

9,81QW

(6-5)