углах ф и при малых открытиях направляющего аппарата. Это создает опасность, подъема вращающихся частей агрегата при быстром закрытии турбины, так как в этих условиях действующее вверх гидродинамическое осевое усилие может превысить вес вращающихся частей. Такие аварийные случаи на ГЭС возникали.

6-9. СРАВНЕНИЕ ТУРБИН РАЗЛИЧНОГО ВИДА ПО ИХ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Условия работы турбин на гидроэлектростанциях не сохраняются постоянными. В зависимости от притока воды и нагрузки энергосистемы в широком диапазоне изменяется мощность. В зависимости от наполнения водохранилища, уровня нижнего бьефа и потерь в водоводах иногда значительно изменяется напор. В связи с этим чрезвычайно важно знать, какое влияние оказывают эти изменения на показатели работы турбин различных видов и типов.

Относительные показатели. Для сравнения свойств различных турбин удобно воспользоваться относительными характеристиками, которые строятся в безразмерных координатах. При этом выбирается какой-либо режим, обычно с наибольшим к. п. д., в качестве базисного и все величины определяются по отношению к базисным (с индексом 0):

iioTH = iiMo; q = Q.lQo, n., = niNo.

В этих условиях любые характеристики различных турбин проходят через общую точку с координатами 1,1,т.е. совмещаются, что позволяет получить наглядное представление об их свойствах. На рис. 6-20 даны относительные расходные (а) и мощностные (б) характеристики. Они показывают, что различные турбины по-разному реагируют на изменение нагрузки (расхода и мощности).

Наилучшими показателями обладают ковшовые и поворотно-лопастные турбины. Если ограничить рабочий диапазон снижением к. п. д. до 10%, то у этих турбин он составит по расходу q от 0,3- 0,45 до 1,8-2,0 и по мощности Л^отн от 0,25 до 1,6. Точка пересечения оси q (т]отн = 0) дает расход холостого хода q х, который составляет q, = 0,07 0,12 (7-12%).

Худшие показатели дают радиально-осевые турбины, у которых при изменении нагрузки к. п. д. снижается быстрее, причем особенно резко при увеличении сверх оптимума, (/х. х составляет 0,15-0,2. Рабочий диапазон этих турбин значительно меньше и по мощности Notn составляет от 0,5-0,6 до 1,05-1,10.

Самые неблагоприятные показатели имеют пропеллерные турбины, у которых к. п. д. очень быстро падает при отклонении режима от оптимального, (/х. х достигает 0,4-0,45, рабочий диапазон по мощности всего от 0,75-0,8 до 1,03.

Отмеченные свойства турбин имеют большое практическое значение. Действительно, если по условиям работы ГЭС мощность

турбин должна изменяться в довольно широком диапазоне, то предпочтительнее ставить поворотно-лопастные турбины (осевые или диагональные), которые в этих условиях меньше снижают к. п. д., чем радиально-осевые, что в итоге дает повышение выработки энергии ГЭС. Этим и объясняется стремление продвинуть поворотно-лопастные турбины на более высокие напоры. В то же время, если имеется возможность работать при мало изменяющейся нагрузке, могут оказаться целесообразными более простые радиально-осевые и даже пропеллерные турбины.

о W 0,8 0,6 0,4

О

Рис. 6-20. Относительные расходные (а) и мощностные (б) характеристики турбин.

Рис. 6-21. Относительные напорные характеристики турбин.

Влияние изменения напора на работу турбин можно проследить по относительным напорным характеристикам, построенным для постоянной частоты вращения (рис. 6-21). По оси абсцисс отложен относительный напор h = Я/Яц, где Яц - напор, соответствующий максимальному к. п. д. при данных условиях.

Эти характеристики показывают, что при увеличении напора сверх расчетного у всех турбин к. п. д. уменьшается незначительно, но при снижении напора, особенно после некоторого предела, к. п. д. очень быстро падает до нуля.

Наилучшие показатели имеют поворотно-лопастные турбины. У них в более широком диапазоне напоров поддерживается высокое значение к. п. д. и они медленнее снижают мощность с падением напора.

Быстрее падает к. п. д. и мощность со снижением напора у ковшовых и высоконапорных радиально-осевых турбин.

Интересна зависимость мощности от напора Л'отн = / Ф) при п = const. Она близка к прямой и довольно точно представляется урарне.нием

Л^ . =-5-{h-l) + l, (6-36)

1 -Ах

в котором X - напор холостого хода (точки пересечения напорной характеристики с осью h на рис. 6-21).

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ПОДБОР ТУРБИН

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

7-1. НОМЕНКЛАТУРА РЕАКТИВНЫХ ТУРБИН

Номенклатура турбин определяет рекомендуемый для испадь-зования в зависимости от напора ряд типов турбин (форм проточной части) с указанием их основных показателей: относительных размеров, приведенных значений частоты вращения п|, расхода Qj и 1 коэффициентов кавитации сг. В настоящее время действует номенклатура осевых поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин, которая периодически пересматривается и в дальнейшем в нее, очевидно, войдут и диагональные турбины. Номенклатура является основой для подбора турбин при проектировании гидроэлектростанции (дополнительно - см. [39]).

В СССР принята сокращенная маркировка турбин, причем марка включает четыре показателя.

1. Вид (система) турбины обозначается буквами: ПЛ - поворотно-лопастная осевая; Д или ПЛД - поворотно-лопастная диагональная; ПЛК - поворотно-лопастная капсуль-ная; РО- радиально-осевая; Пр - пропеллерная осевая; ПрД - пропеллерная диагональная; К - ковшовая.

2. Тип турбины определяется в основном напором. Для одного и того же напора может существовать несколько типов турбин, отличающихся формой проточной части. Каждому типу присваивается свой порядковый номер, который указывается в марке турбины (иногда в форме дроби: в числителе - максимальный напор, в знаменателе - тип).

3. Компоновка определяется положением вала агрегата и может быть вертикальной (В) или горизонтальной (Г).

4. Номинальный диаметр турбины D, см (для ПЛ и Д-турбин определяется камерой рабочего колеса по рис. 7-2 и 7-3, для РО-турбин - по входным кромкам лопастей

рабочего колеса по рис. 7-4). В диагональных турбинах дается также угол наклона лопастей рабочего колеса 9 (рис. 2-25), а в ковшовых - диаметр сопла и число струй. Примеры марок турбин:

ПЛ20/811-В-800 - осевая поворотно-лопастная, максимальный напор 20 м, тип проточной части (рабочего колеса) № 811, вертикальная, Di = 8,0 м. 120

Д --В-600 - диагональная поворотно-лопастная, макси-

45-2556

мальный напор 120 м, 9 = 45°, тип № 2556, вертикальная, номинальный диаметр Di = 6,0 м. (Сейчас часто обозначают Д45/2556, но в этом случае нужно иметь в виду, что 45 это не напор, а 9.)

ПЛК 15/548-Г-600 - осевая, поворотно-лопастная, капсульная, максимальный напор 15 м, горизонтальная, диаметр 6,0 м.

РО115/810-В-500 - радиально-осевая, максимальный напор 115 м, тип проточной части (в основном форма рабочего колеса) № 810, вертикальная, Di = 5,0 м.

В СССР принято делить турбины по размерам на две группы:

крупные (для ПЛ Dj > 2,8 и для РО Di > 1,8 м); мелкие и средние (Dj меньше указанных значений).

Рекомендуемый ряд диаметров крупных осевых и радиально-осевых турбин Di по ГОСТ приведен в табл. 7-1. Этот же ряд диаметров используется и для диагональных турбин.

Таблица 7-1

Нормальный ряд диаметров Z) см

Для высоких напоров предельные диаметры ограничиваются в соответствии с табл. 7-2.

Таблица 7-2

Средние и мелкие турбины включают ряд диаметров: Di ~ 50, 60, 71, 84, 100, 120, 140, 160, 180, 200 и 225 см. Помимо диаметра турбины характеризуются и мощностью. К средним и мелким относятся турбины с < 15 ООО кВт. Следовательно, турбина

диаметром 180 см, развивающая мощность 20000 кВт, что возможно при высоком напоре, должна относиться к крупным турбинам.

Рекомендуемые области использования радиально-осевых и поворотно-лопастных турбин по напорам и мощности показаны на рис. 7-1. Всего предусмотрено восемь типов поворотно-лопастных и восемь типов радиально-осевых турбин. Наибольшая мощность

MBtfJ

3 f 5 6 7 8 10 12 16 20 24 283235W 50 60 80 100 200 300 М

Рис. 7-1. Номенклатура поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин.

турбины увеличивается с напором, причем при Я = 30 м она достигает 200 МВт, а в диапазоне напоров 100-200 м составляет 700- 900 МВт. При больших напорах максимальная мощность уменьшается в связи с ограничением диаметра D.

Главные универсальные характеристики и другие показатели номенклатурных турбин приведены в отраслевом стандарте.

Каждый тип турбины определяется формой проточного тракта, главной универсальной и другими характеристиками. Однако в качестве основных показателей можно выделить наиболее важные размеры и характерные параметры: приведенные частоту вращения и расход (nj и QJ), а также коэффициент кавитации а. Эти данные достаточно полно характеризуют тип турбины и могут служить базой для их подбора при проектировании гидроэлектростанции. Ниже они рассматриваются для турбин различных видов. При этом следует иметь в виду, что поскольку, как указывалось,

для одного и того же напора возможны различные типы проточной части турбин, то и показатели, приведенные в таблицах, могут несколько отклоняться от номенклатурных.

Осевые поворотно-лопастные турбины вертикальные

Основные определяющие параметры приведены в табл. 7-3. Здесь расчетные значения и указаны для условий расчетного напора турбины, который имеет промежуточное значение между максимальным и минимальным (ближе к минимальному). Для турбины каждого типа указаны два значения QJp и соответствующие им коэффициенты кавитации о. Можно брать любые, а также промежуточные с соответствующей интерполяцией а. Как видно, изменяется от 2300 до 1000 л/с. Соответственно о изменяются от 1,3 до 0,3.

Наиболее важные размеры осевых турбин показаны на рис. 7-2. Размеры, отнесенные к диаметру рабочего колеса Di, bo и 4т.сф. приведены в табл. 7-3. Остальные можно найти

следующим образом. Do = 1,2 - 1,25 (у ранее раработанных тур-бин Do = 1,16), h= 0,21, /i3 = 0,09 0,12, h, = йз,.,ф-0,05 и = 0,973.

Рис. 7-2. Основные размеры поворотно-лопастных турбин.

ВТ. сф, вт

Осевые поворотно-лопастные турбины горизонтальные капсульные

Показатели для двух типов современных осевых поворотно-лопастных турбин при их установке в горизонтальных капсульных агрегатах даны в табл. 7-4. ПЛКЮ - турбина очень высокой быстроходности ( 5 достигает 1400!), отличается большой пропускной способностью. Эти турбины предназначены для работы на самых малых, переменных напорах (турбины такого типа установлены на приливных электростанциях Ране во Франции и Кислогубской в СССР). Турбины, соответствующие типу ПЛК15, установлены на Киевской, Каневской и других ГЭС.

Диагональные поворотно-лопастные турбины

Турбины этого типа являются сравнительно новыми, число имеющихся разработанных типов пока невелико, и поэтому приведенные в табл. 7-5 показатели должны рассматриваться как пред-