ЛекцииГМ

(индивидуальных) особенностей данной ГЭС по условиям ее строительства и эксплуатации, а также по характеристикам гидротурбин.

Гидравлические турбины характеризуются следующими основными

геометрическими параметрами (рис. 2.3), которые определяют их размеры и влияют на гидравлические характеристики:

1.Номинальный диаметр рабочего колеса D1:

(для осевой гидротурбины — наибольший диаметр камеры рабочего колеса;

для диагональной гидротурбины — условный диаметр пересечения осей поворота лопастей с камерой рабочего колеса;

для радиально-осевой гидротурбины — условный наибольший диаметр расположения входных кромок рабочего колеса;

для ковшовой гидротурбины — диаметр средней окружности ковшей, к которой касательны осевые линии струй;

2.Относительная высота направляющего аппарата bo/D1 и

относительный диаметр Do/D1 расположения осей поворота лопаток на-

правляющего аппарата — для реактивной турбины;

3. Относительный диаметр струи do/D1 — для ковшовой турбины.

Основные размеры элементов проточной части гидротурбины приведены на рисунке 2.3.

Размеры направляющего аппарата и статора назначают в зави-

симости от выбранной величины диаметра рабочего колеса. Для обеспечения требуемых энергетических и прочностных характеристик направляющего аппарата диаметр расположения осей поворота лопаток Do

и число лопаток z0 могут несколько изменяться.

Размеры проточного тракта осевых и радиально-осевых рабочих колес также заданы. Отступления от номинальных диаметров рабочих колес допускаются в пределах +3% при условии сохранения нормализованных размеров направляющего аппарата и статора.

8

Турбины для ГЭС с напорами от 30 до 150 м. В диапазоне этих напоров могут быть установлены как поворотнолопастные, так и радиально-осевые турбины.

При решении вопроса о выборе системы турбины в рассматриваемой области напоров следует руководствоваться следующим, коэффициент полезного действия поворотно-лопастной турбины сохраняет высокое значение при изменении напора и мощности в более широких пределах, чем это имеет место у радиально-осевой турбины.

Кроме того, поворотно-лопастная турбина обеспечивает большие,

чем радиально-осевая турбина, мощности при напорах ниже расчетного.

Стремление получить высокое значение к. п. д. радиально-осевой турбины приводит к ограничению ее режима работы сравнительно узким диапазоном напоров и мощностей и делает гидроэлектростанцию менее маневренной в эксплуатации. С другой стороны, по условиям кавитации поворотно-лопаст-

ная турбина требует применения меньших, а иногда и отрицательных высот отсасывания, что приводит к большому заглублению основания отсасывающей трубы и увеличению строительной стоимости здания ГЭС.

Применение радиально-осевых турбин следует предпочесть при сравнительно малых колебаниях напоров и при условии, что в эксплуатации обеспечивается нагрузка агрегата преимущественно в пределах от 60—70

до 100% их номинальной мощности. При этом среднеэксплуатационный к. п. д. радиально-осевых турбин будет выше, чем поворотно-лопастных турбин.

При значительных колебаниях напоров и необходимости для турбин работать в более широком диапазоне нагрузки, например при малом числе установленных агрегатов, следует предпочесть применение поворотно-

лопастных турбин.

Как правило, вариант с радиально-осевыми турбинами при оди-

наковом числе агрегатов дает меньшую стоимость турбин и строительных

10

работ, но более высокую стоимость генераторов, вследствие меньшего

числа оборотов.

N, мВт

Рис. 2.4 Сводный график областей применения реактивных турбин. Следует отметить, что пропеллерные турбины в настоящее время

применяются очень редко. Принципиально, они могут быть применены на ГЭС с напорами до 40—80 м в энергосистемах, допускающих работу турбин с практически постоянной мощностью, близкой к оптимальной. Ограниченное применение пропеллерных турбин объясняется тем, что они имеют крутую рабочую характеристику, а это значит, что при изменении мощности от оптимальной как в сторону уменьшения, так и в сторону ее увеличения, к. п. д.

турбины резко падает. При этом часто наблюдаются вибрации машины из-за значительной закрутки потока за рабочим колесом.

Турбины для ГЭС с напорами от 150 до 350 ÷ 550 м. В этом диа-

пазоне напоров могут быть установлены как радиально-осевые, так и

ковшовые турбины.

11

Применение ковшовых турбин предпочтительнее радиально-осевых в

случаях:

когда турбину приходится эксплуатировать в условиях зна-

чительных колебаний нагрузок, например при работе на электрическую

тягу, или в условиях значительных изменений расходов;

когда вода, поступающая в турбину, имеет много взвешенных посторонних примесей (песок и т. п.);

когда по условиям строительства невозможно или трудно

создать большие отрицательные высоты отсасывания, необходимые для безопасной работы турбины по условиям кавитации.

Во всех других случаях следует предпочесть применение радиально-

осевых турбин, так как они получаются более компактными (меньше размеры турбины и генератора) и обладают большими на 2 ÷ 3%

значениями к. п. д. по сравнению с ковшовыми турбинами.

Маркировка турбин. Отечественная номенклатура предусматривает определенную маркировку гидротурбин, которая указывает на систему и тип рабочего колеса в соответствии с напором.

Например, осевое поворотно-лопастное рабочее колесо ПЛ 20/661-В- 930 предназначено на максимальный напор Нмах = 20 м; его инвентарный номер 661, применяемый тип установки — вертикальная, диаметр рабочего колеса турбины D1 = 930 см.

Таким образом, маркировка характеризует тип гидротурбины,

рабочего колеса и его диаметр. Например, радиально-осевая — РО 115/697-

В-750 и т. д. Диаметры рабочих колес нормализованы, поворотнолопастные турбины изготавливают с диаметрами рабочих колес D1 = 2,8 ÷ 10,5 м;

радиально-осевые турбины с диаметром D1 = 1,8 ÷ 8,5 м.

Помещенные в номенклатуре универсальные характеристики моделей гидротурбин получены при испытании рабочих колес в проточной части

(спиральная камера, статор, направляющий аппарат и отсасывающая труба)

соответствующих размеров и формы. Если проточная часть натурной

12

гидротурбины (например, спиральная камера или отсасывающая труба)

несколько отличается от модельной, необходимо при пользовании универсальной характеристикой модели вносить соответствующие поправки при пересчете величин ή, σ, QI, nI или же провести новые испытания.

Окончательный выбор системы турбины и типа рабочего колеса производится на основе экономического анализа с учетом: а) ха-

рактеристики водотока по напорам и расходам; б) графика нагрузки; в)

энергетических и кавитационных свойств колес; г) стоимости оборудования, материалов и строительных работ.

2.3.3. Развитие конструкций турбин.

Гидравлические двигатели, по всей видимости, были первыми механическими двигателями, изобретенными и использованными человеком. Это были различного вида водяные колеса: верхненаливные,

средненаливные, нижнебойные и другие, которые применялись вплоть до середины XIX в.

Гидравлические машины, действующие за счет реакции жидкости, —

гидротурбины созданы сравнительно недавно. В 50-х годах XVIII в. Л.

Эйлер разработал теоретические основы действия реактивных гидравлических машин, которые имеют большое значение и в настоящее время. Однако первые пригодные для практического использования турбины были созданы во Франции – Фурнейроном в 1827—1834 гг., а в России — Н. Е. Сафоновым в 1837 г. Это были центробежные турбины с

неподвижными направляющими лопатками, в которых вода двигалась от центра к периферии, рисунок 2.5

Рис. 2.5. Центробежная турбина

13

Первая поворотно-лопастная турбина Каплана диаметром 0,6 м была пущена 26 марта 1919 г. на установке в Бельме (напор 3 м). Значительные преимущества поворотно-лопастных турбин Каплана перед турбинами Френсиса, особенно при малых напорах, способствовали быстрому их совершенствованию и широкому распространению.

Для строительства низконапорных установок большое значение имело создание в 50-х годах горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами. Первоначально в этой области много было сделано во Франции в связи с планами строительства крупных приливных электростанций (ПЭС).

Капсульные агрегаты мощностью по 10 МВт установлены на ПЭС Ране. В

СССР были созданы крупные капсульные агрегаты, установленные на ряде русловых ГЭС. ЛМЗ разработал и выпустил капсульные агрегаты по 40 МВт

стурбинами диаметром 7,5 м.

В1950 г. проф. В. С. Квятковский (СССР) предложил использовать новый вид поворотно-лопастных турбин — диагональных. Эти турбины благодаря преимуществам двойного регулирования получают все большее распространение. В СССР опытная диагональная турбина была пущена на Бухтарминской ГЭС в 1965 г. (мощность 77 МВт, напор 61 м), а в 1975 г. на

Зейской ГЭС введены в эксплуатацию диагональные турбины (мощность

215 МВт, напор 87 м, диаметр 6 м).

Разновидности активных турбин. Менее употребительны две системы активных турбин — турбины двукратные и наклонноструйные.

Колесо первой турбины изображено на рисунке 2.8. Вода протекает через него последовательно дважды, сперва в центростремительном, затем в центробежном направлении.

Рис.2.8. Центростремительно-центробежная двукратная турбина. (Турбина Банки)

15

Наклонноструйная турбина принадлежит к числу осевых. Основными органами турбины такой системы являются осевое колесо и игольчатое сопло, рисунок 2.9. Лопасти штампуются обычно из листовой стали и своими боковыми кромками заливаются как в наружный кольцевой обод, так и во внутренний, являющийся одновременно и втулкой. Ось сопла располагается в плоскости, параллельной оси колеса, под углом около 22,5° к плоскости,

нормальной к этой оси. Струя, вошедшая в колесо, стремится остаться в плоскости оси сопла, а так как колесо и лопасть вращаются, то струя при протекании по лопасти постепенно оказывается на большем радиусе колеса,

чем была при вступлении на него. По этой причине рабочая поверхность лопасти получается по расчету довольно сложной чашеобразной формы.

Рис. 2.9. Наклонноструйная турбина (Турбина Тюрго).

а – схема наклонноструйной турбины; б - рабочее колесо со стороны входа струи; в – рабочее колесо со стороны выхода воды.

*Справочно. Устаревшие и современные названия систем турбин:

Френсиса – радиально-осевая;

Каплана – поворотно-лопастная;

Пельтона – ковшовая;

Тюрго – наклонноструйная;

Банки – двукратная.

16

Лекция 3.

Основные параметры работы. Основные рабочие органы гидротурбины.

3.1Основные параметры гидромашин.

Гидроагрегаты ГЭС работают с различной мощностью в соответствии с графиком нагрузки энергосистемы. Для обеспечения требуемых мощностей,

через турбины следует пропускать определенные расходы воды. При увеличении расхода через гидротурбины верхний бьеф понижается, а нижний повышается. Таким образом, турбины работают при разных напорах и расходах.

При движении потока из верхнего (ВБ) в нижний бьеф (НБ) часть его энергии теряется в водоподводящих устройствах на преодоление гидравлических сопротивлений. В связи с этим, вводят понятия напоров брутто (напоры на станции) и напоров нетто (напоры на турбине).

При этом, следует понимать под отметками ВБ и НБ: в случае русловой и приплотинной ГЭС — отметки уровня воды непосредственно перед плотиной (ВБ) и за зданием ГЭС (НБ); в случае деривационной ГЭС — отметки уровня воды в напорном бассейне и в отводящей деривации.

Напор брутто Нбр на станции представляет собою разность отметок верхнего и нижнего бьефов, когда расход через турбины равен нулю, т.е.

статический напор ГЭС:

Полезный (рабочий) напор на турбине напор нетто Нн меньше напора брутто на ГЭС при тех же отметках верхнего и нижнего бьефов на величину потерь энергии в подводящих устройствах hА-1 и представляет собою разность

1