РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ОБРАТИМЫЕ ГИДРОМАШИНЫ

ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТИМЫХ ГИДРОМАШИН

16-1. НАЗНАЧЕНИЕ ОБРАТИМЫХ ГИДРОМАШИН И УСЛОВИЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Работа ГАЭС, как было отмечено в § 15-3, в основном состоит из двух циклов: режима заряда, когда вода из нижнего бассейна подается в верхний, и режима разряда, когда накопленная вода срабатывается и генерируется энергия, необходимая для покрытия графика нагрузки энергосистемы.

В ГАЭС могут использоваться различные схемы оборудования. Возможна установка раздельных насосных и турбинных агрегатов, так называемая четырехмашинная схема. Часто устанавливаются раздельные насосы и турбины с общим приводом от одного двигателя-генератора, так называемая трехмашин-наясхема.

Применяется двухмашинная схема, состоящая из двигателя-генератора и обратимой гидромашины, способной работать и как насос и как турбина. Двухмашинная схема наиболее компактна, требует меньших затрат на оборудование и строительную часть и поэтому в последнее десятилетие находит все более широкое применение в ГАЭС.

Напор при работе в турбинном режиме всегда меньше, чем в насосном, так как в первом случае потери в водоводах вычитаются из статического напора (1-15), а во втором случае они добавляются к нему (9-6). Следовательно, расчетные напоры обоих режимов будут разные. Обычно ГАЭС работает в насосном режиме большее число часов, чем в турбинном, и максимальная подача насосного режима меньше, чем расход турбинного. Соответственно различны и мощности. Во многих случаях за период цикла ГАЭС отметки ВБ и НБ изменяются значительно, что приводит к переменности и напора и высоты всасывания Hs обратимых гидромашин (дополнительно - см. [2]).

16-2. ПРИНЦИП ОБРАТИМОСТИ ГИДРОМАШИН И ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НАСОСНОГО РЕЖИМА

На рис. 16-1 показан фрагмент радиально-осевой гидромашины, состоящей из решетки направляющих лопаток и лопастей рабочего колеса (кромки 1 и 2) с углами и б^. Поскольку в обратимой

гидромашине поток изменяет направление, то здесь названия кромок входная и выходная неприемлемы. Условимся обозначать их индексами 1 и 2, причем / всегда будет соответствовать входной кромке в турбинном режиме. В оптимальном режиме на кромках 2 должно удовлетворяться условие безударного входа в насосном режиме, близкое к нормальному выходу в турбинном. Соответствующие треугольники скоростей для равных окружных скоростей и одинаковых расходов показаны на рис. 16-1. Здесь же даны треугольники скоростей на кромках /, где в турбинном режиме должно удовлетворяться условие безударного входа, а в насосном направление выходной скорости должно совпадать с установкой направляющих лопаток (безударный вход на лопатки). Как видим, требуемые условия оптимальности в первом приближении удается удовлетворить при реверсе рабочего колеса и расхода при сохранении частоты вращения.

Определим, каковы будут соотношения напоров для обоих режимов. Для этого запишем уравнение Эйлера

по (3-19) для турбинного режима

Турбинный режим

Рис. 16-1. Треугольники скоростей радиально-осевой обратимой гидромашины.

- Hats COS г) И по (10-13) для насосного режима

Яи = - ( Л cos 1 - г^г cos а)

Здесь т)т и т)н - гидравлические к. п. д. турбинного и насосного режимов. Для принятых условий выражения в скобках равны. С учетом этого находим отношение

(16-1)

Оно показывает, что при реверсе и по направлению вращения и по расходу жестколопастная гидромашина обладает свойством обратимости, но напор, развиваемый в насосном режиме, меньше, чем в турбинном (если в среднем принять к. п. д. около 90/о, то Яи/Ят = 0,8). Между тем, как было отмечено в § 16-1, при работе ГАЭС напор в насосном режиме должен быть выше, чем в турбинном.

Следовательно, при подборе обратимой гидромашины необходимо исходить из напора, развиваемого в насосном режиме.

Анализ рабочего процесса ло!1астных насосов, а также формулы (10-47) показывают, что развиваемый напор зависит от ряда факторов: формы и размеров рабочего колеса, в том числе от углов лопастей, формы и размеров всего проточного тракта, режима работы, т. е. от величин п и Q. Однако одним из основных факторов является окружная скорость рабочего колеса и^. С учетом этого развиваемый лопастной гидромашиной напор для оптимального режима

приближенно можно выра-

зить формулой

(16-2)

Б 7 6510 15 го 2530 fO 50ВО аб/иан

Рнс. 16-2. Зависимость коэффициента напора от коэффициента быстроходности в насосном режиме.

Здесь я - коэффициент напора, значение которого зависит от коэффициента быстроходности в насосном режиме, определенного для оптимальных условий (максимум к. и. д.) по формуле (10-28). Зависимость от /isH для насосов и некоторых обратимых гидромашин показана на рис. 16-2. Приведенные данные показывают, что по обратимые гидромашины близки.

коэффициенту насосы и

С ростом rts коэффициент напора закономерно снижается. Хотя и имеется разброс точек, что, очевидно, отражает влияние других факторов, не учитываемых формулой (16-2), основная закономерность проявляется достаточно четко и она может быть выражена приближенной эмпирической формулой

500

кн=\,2е , (16-3)

прилюдной для весьма широкого диапазона п^ .

Переходя к приведенной частоте вращения п\ по (3-34) для Ян = = 1 и для Di = 1 и используя (16-2), получаем :

tiDj nDi

или

lн

84,8

(16-4)

Следовательно, для обеспечения требуемого напора в насосном режиме лопастная гидромашина должна иметь достаточно высокое значение приведенной частоты вращения п\*.

Рассмотрим возможность использовать проточную часть радиально-осевой турбины в качестве обратимой гидромашины. Коэффициент быстроходности в насосном режиме п^н выразим через приведенные параметры в соответствии с (10-28)

л, =з,б5п;кё;. (16-5)

Используя данные табл. 7-6, сопоставим требуемые п\ с оптимальными для турбинного режима (учтено, что Q[q на 10-15% меньше расчетного). Результаты сведены в табл. 16-1. Как видно, радиально-осевая турбина при реверсе может работать в насосном режиме, но приведенная частота вращения должна быть на 30-40% выше оптимальной для турбинного режима.

Таблица 16-1

Это обеспечит работу в насосном режиме, но будет сопровождаться существенным падением к. п. д. Например, по характеристике на рис. 6-3 при увеличении п\ с 70 до 85 об/мин к. п. д. модели снижается с 91,5 до 80%. Это указывает на то, что обратимая гидромашина должна иметь особую форму проточной части, обеспечивающую высокое значение к. п. д. при работе в турбинных и насосных режимах.

Остановимся теперь на кавитационных показателях. Для турбинных режимов обратимых гидромашин коэффициент кавитации близок к значениям а для турбин аналогичной быстроходности и соответствует графику рис. 5-10. Однако при определении допустимой высоты всасывания Н^, от которой зависит и отметка установки обратимой гидромашины, решающее значение имеют насосные режимы. Для этих условий кавитационные показатели могут быть оценены исходя из следующих соображений.

* При нспользованнн (16-4) для диагональных гндромашии rtj следует относить к внешнему диаметру рабочего колеса, а не к Oi по рнс. 7-3.

Запишем выражение для определения высоты всасывания Н для критических условий по (10-39)

и по (5-11)

ре pg

Приравнивая правые части, находим связь между АЛр и о^р:

(16-6)

СТкр- -

С помощью формулы (10-46) АЛр/Я можно выразить через кавитационный коэффициент быстроходности С

Айкр JO jnVQf

или, учитывая выражение для коэффициента быстроходности насоса по (10-28), записать:

Н 3,65/ \ С j 0,56С'/ В итоге в соответствии с (16-6) получаем формулу для о^р:

(16-7)

~0,56С*/з +-

СГ п =

в которой

вс

(16-8) (16-9)

с учетом влияния потерь /ij,c во всасывающем трубопроводе. Имея в виду значение С = 1000 1100, приходим к формуле

5600 - 6400

А(Т„

(16-10)

которая позволяет оценить значение коэффициента кавитации в насосном режиме. При определении допустимой высоты всасывания по (5-13) используется расчетный коэффициент кавитации сг р аналогично (5-16) с введением коэффициента запаса равного I) 1 1,2;

Коэффициент кавитации в насосных режимах устанавливается путем испытаний моделей на кавитационном стенде сразу с учетом всасывающей трубы. Значения коэффициентов кавитации даются на характеристиках обратимых гидромашин.

Размеры спиральной камеры обратимой гидромашины опреде-лякл-ся гидравлическим расчетом аналогично турбинам (§ 4-1), но значения Уеп.вх часто берут на 15-20% выше, чем дает кривая на рис. 4-13.

Пример 16-1. Определить параметры обратимой гидромашины для насосного режима при следующих условиях: расчетный напор р= ЮО м, расчетный расход Qh. р = 170 м'/с.

Решение. Для данных условий возможен ряд вариантов с различной частотой вращения п, отличающихся диаметром Di и высотой всасывания Hs. Вычисления сводим в табл. 16-2.

Полученные результаты показывают, что с ростом частоты вращения и быстроходности уменьшается диаметр рабочего колеса, а следовательно, и

Таблица 16-2