Барлит В. В.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТУРБИНЫ
*** 1977 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Глава V. ХАРАКТЕРИСТИКИ, НОМЕНКЛАТУРА И ВЫБОР ГИДРОТУРБИН
§ 37. Виды характеристик гидротурбин Режимы работы гидротурбин на ГЭС определяются графиком нагрузки энергосистемы и характеристиками гидроагрегатов. При различных условиях работы гидроагрегатов на ГЭС важно знать не только мощность, но и коэффициент полезного действия и другие показатели. С другой стороны, чтобы правильно выбрать тип, диаметр, частоту вращения и высоту отсасывания гидротурбины для заданных условий ГЭС (напоры, мощность и число агрегатов), необходимо располагать данными исследований различных гидротурбин, которые представляют в виде энергетических, кавитационных и других характеристик, получаемых при исследовании моделей на гидротурбинных стендах. Значения КПД, кавитационного коэффициента и других величин на различных режимах работы выражают в зависимости от основных параметров турбин (Dlt п, Q, Я). Изменение режимов работы натурной и модельной гидротурбин достигается различными путями. Гидротурбина на ГЭС работает при постоянной частоте вращения, но при разных напорах и расходах (мощностях). Модель турбины испытывают, как правило, при постоянном напоре, но при разных значениях нагрузки и частоты вращения. Характерной особенностью реактивной гидротурбины для конкретных условий эксплуатации является изменение ее расхода при постоянной частоте вращения п, об/мин, при помощи поворота лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса (в случае поворотнолопастных турбин). При этом структура потока на входе и выходе из рабочего колеса значительно меняется, что является причиной изменения характеристик турбины при переходе от одного режима работы к другому. Таким образом, в реактивной гидротурбине расход и частота вращения являются независимыми переменными. В общем случае число независимых переменных зависит от типа гидротурбины. Открытие направляющего аппарата а0 реактивной гидротурбины представляет собой кратчайшее расстояние между соседними лопатками, которое изменяется в зависимости от их углового положения (рис. 67). В ковшовой турбине открытие сопла регулируется при помощи перемещающейся иглы. Угол установки лопастей рабочего колеса р поворотнолопастных гидротурбин отсчитывают от условного нуля (р = 0), при котором периферийное сечение лопасти установлено под расчетным углом РрасчРазворот лопастей и увеличение угла установки лопасти соответствуют положительным углам р; закрытие лопастей и уменьшение углов установки лопасти руст по сравнению g расчетной величиной — отрицательным углам ср. Энергетические, кавитационные и другие показатели гидротурбин можно представить в виде следующих зависимостей, называемых характеристиками [13; 181. Для жестколопастных реактивных гидротурбин характеристики можно представить в виде следующих зависимостей: Из рассмотрения зависимостей (261) и (262) следует, что: число независимых переменных для радиально-осевых, пропеллерных и ковшовых гидротурбин равно четырем (регулирование расхода таких, так называемых гидротурбин одиночного регулирования, осуществляется за счет изменения открытия направляющего аппарата); для поворотнолопастных гидротурбин (осевых и диагональных) число независимых переменных, влияющих на энерго-кави-тационные показатели, равно пяти (поворотнолопастные гидротурбины имеют двойное регулирование: одновременное и согласованное изменение открытия направляющего аппарата и угла установки лопастей рабочего колеса). Графически представить изменение функции от четырех или пяти независимых переменных невозможно, поэтому общие зависимости вида (261) или (262) раскладывают на ряд простых. Такие частные характеристики, называемые линейными (их независимая переменная откладывается вдоль оси абсцисс), устанавливают связь между двумя параметрами при условии, что остальные величины не изменяются. Различают следующие виды линейных характеристик: оборотную; расходную; напорную; мощностную (рис. 66). Однако линейные характеристики, имея одну независимую переменную, односторонне представляют свойства гидротурбин, поскольку на ГЭС одновременно изменяются два параметра — мощность гидротурбины и ее напор. Для полного представления показателей гидротурбин используют универсальные характеристики, содержащие зависимости определенных параметров от двух независимых переменных. Так, например, эксплуатационная, или напорно-мощностная характеристика т] = / (N — Я), которую строят для выбранного диаметра и частоты вращения турбины в координатах точку расчетной мощности. При этом для всех режимов допустимая высота отсасывания не превышает фактическую величину, HSR Hsф- 2. Уровень нижнего бьефа минимальный из всех возможных; высота отсасывания и отметка турбины определены исходя из этих условий. При повышении уровня нижнего бьефа фактическая высота отсасывания уменьшается по сравнению с допустимой, что позволяет увеличивать мощность турбины до тех пор, пока не наступит равенство HSR = Hsф (кривая II). 3. Уровень нижнего бьефа ГЭС ниже выбранного расчетного, для которого определена отметка турбины. Это может иметь место, например, в период наполнения водохранилища, когда попуски воды в нижнем бьефе минимальны. Для того чтобы обеспечить бес-кавитационные режимы, то есть выполнение условия Hsф = Дзд, мощность турбины следует уменьшить (линия III). Оформление эксплуатационной характеристики. Эксплуатационная характеристика включает следующие данные: тип турбины и название ГЭС, для условий которой она построена; частота вращения и диаметр турбины; тип спиральной камеры и колена отсасывающей трубы, их относительные размеры; номер универсальной характеристики модели; условная отметка, от которой отсчитывается высота отсасывания; допуск на КПД. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ И ВЫБОР ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН Глава VI. РАСЧЕТ РАБОЧИХ КОЛЕС РАДИАЛЬНО-ОСЕВОГО ТИПА § 47. Методы расчета лопастных систем реактивных гидротурбин Для расчета лопастной системы и проектирования рабочего колеса необходимо задаться расчетными параметрами (Qj, п{), формой полости турбины и применить соответствующий метод профилирования лопасти. Взаимная связь исходных расчетных параметров и их влияние на форму проектируемой лопасти изучены еще недостаточно. Принятый метод расчета лопастной системы рабочего колеса будет эффективен только в том случае, если исходные расчетные параметры и граничные условия на входе и выходе из рабочего колеса выбраны достаточно обосновано. Поэтому разработка высокоэффективного рабочего колеса на заданные параметры в значительной мере зависит от опыта расчетчика и экспериментальных модификаций. Профилирование лопасти рабочего колеса гидротурбины состоит в практическом решении обратной задачи на заданные расчетные параметры (см. § 16). Современные инженерные методы расчета лопастной системы проектируемого рабочего колеса основаны на последовательном применении обратной и прямой задач (§ 14 — 16). При помощи обратной задачи определяют форму лопасти; решение прямой задачи дает возможность расчетным путем оценить варианты лопастных систем и отобрать для изготовления и испытания лучшие рабочие колеса. Такой подход к разработке новых рабочих колес позволяет значительно уменьшить число испытываемых моделей. Обратная задача имеет две постановки: 1. Меридиальный поток в полости турбины и расчетные величины расхода и оборотов приняты. В ходе расчетов определяют форму лопасти и распределение момента скорости в полости рабочего колеса. Принятые осесимметричные поверхности тока должны обеспечивать плавное соединение потока в рабочем колесе с потоками до и после него. 2. Задано распределение момента скорости в полости рабочего колеса и расчетные параметры; в ходе расчетов определяют поверхности тока и форму лопасти. В качестве первого приближения можно принять потенциальный меридиальный поток; в дальнейшем положение и форма поверхностей тока уточняются. В инженерной практике широко применяется первая постановка задачи, т. е. профилирование лопасти в принятом осесимметрич- ном потоке невязкой и несжимаемой жидкости. Методы профилирования можно классифицировать следующим образом: одномерные методы — профилирование лопасти при помощи треугольников скоростей на входе и выходе из рабочего колеса; двумерные методы — радиальные сечения лопасти или форму профилей на поверхностях тока определяют расчетным путем; квазитрехмерные методы — действительное трехмерное течение исследуется при помощи двух двумерных задач: определение формы поверхностей тока; расчет решеток профилей на найденных поверхностях тока (см. § 13). Одномерные методы профилирования [3; 7]. В основе этих методов лежит предположение о том, что параметры потока (скорости и давление) изменяются только вдоль поверхностей тока, т. е. вдоль-криволинейной координаты qx (см. § 9). Поток в рабочем колесе принимают осесимметричным и, как правило, равноскоростным При принятом распределении момента скорости на входе и выходе из рабочего колеса по закону vur — const вычисляют величины Ом, и vUz вдоль принятых входной и выходной кромок лопасти при заданных напоре и угловой скорости вращения рабочего колеса. Поскольку расчетный расход через турбину и форма потока заданы, значения меридиональных скоростей вдоль входной и выходной кромок известны. По известным скоростям vm, vu, и на входе и выходе из рабочего колеса вычисляют углы и р2 вдоль кромок лопасти и строят сечения лопасти поверхностями тока на развертках отображающих поверхностей. Форму профилей на поверхностях тока находят при помощи геометрических построений. Построение профилей на развертках по известным углам и р2 и их сборка в лопасть выполняются без учета взаимного влияния решеток , так как на каждой поверхности тока принимают свой закон сработки момента скорости. Таким образом, циркуляционный поток (поле момента скорости) в рабочем колесе не увязывается с принятым меридиональным потоком, что может привести к смещению исходных поверхностей тока и росту потерь энергии. Эффективное применение одномерных методов профилирования лопастей возможно при наличии большого опыта расчетчика и экспериментальных данных испытания рабочих колес близких параметров. Двумерные методы профилирования лопасти [3; 71. Течение жидкости также предполагается на осесимметричных поверхностях тока, однако учитывается изменение скорости и давления в потоке вдоль координат qx и q. Закон сработки момента скорости в виде кривой vj = f (s) задают только на одной поверхности тока. Следовательно, как и в случае одномерных методов форма сечения лопасти на граничной поверхности тока — ободе или втулке рабочего колеса — задается. В процессе профилирования устанавливается вполне определенная зависимость между распределением момента скорости на различных поверхностях тока. При принятых исходных данных и форме меридионального потока, форма бесконечно тонкой лопасти определяется расчетом. При этом форма и расположение сечений лопасти на поверхностях тока увязываются между собой. Двумерные методы расчета лопастных систем, в частности в потенциальном меридиональном потоке, получили широкое применение в инженерной практике. Трехмерные методы расчета лопастных систем [5; 7; 12; 24]. Имеющееся в действительном потоке изменение скоростей и давления по угловой ширине лопастных каналов приводит к тому, что реальные поверхности тока не являются поверхностями вращения (рис. 36). В результате обтекание решеток происходит не на осесимметричных поверхностях Sm, а вдоль ступенчатых поверхностей тока (см. § 13). Кроме того, в средней части канала поверхность тока 52 не совпадает со скелетной поверхностью лопасти 5Л. Полный учет пространственного потока приводит к большим математическим трудностям; при этом методы расчета рабочих колес становятся весьма громоздкими. С целью упрощения методов расчета лопастных систем трехмерную задачу искусственно расчленяют на две двумерные: осреднение параметров потока по окружной координате q3 и определение осесимметричных поверхностей тока в полости рабочего колеса; определение формы профилей решеток, лежащих на осесимметричных поверхностях тока. В такой постановке квазитрехмерные методы широко применяются в практике расчета рабочих колес реактивных гидротурбин. В последнее время Г. В. Викторовым разработана постановка третьей двумерной задачи, рассматривающей течение на поверхностях, ортогональных к поверхностям тока. § 48. Выбор расчетных параметров и полости рабочего колеса Прежде чем приступить к расчету лопастной системы, необходимо задать ряд исходных величин и принять очертания полости рабочего колеса. Расчетные величины приведенного расхода Q{, лс, и оборотов п 1, обмин, принимают в зависимости от расчетного напора и мощности турбины. Для предварительного выбора приведенных величин проектируемого рабочего колеса можно рекомендовать данные, помещенные в табл. 7, а также универсальные характеристики номенклатурных рабочих колес близкой быстроходности (см. § 44). При расчете нового рабочего колеса задают примерные величины КПД, кавитационного коэффициента турбины и допустимый уровень пульсаций давлений в потоке за рабочим колесом. |
