2. Характеристики турбин

Характеристики гидротурбин важны для представления об энергетических и кавитационных показателях турбин. Они дают возможность сравнения разного типа рабочих колес при выборе турбины.

Главной характеристикой каждой турбины является главная универсальная характеристика n_I = F(Q'_I) (рис. 2.2), на которой в координатах приведенной скорости вращения n'_I и приведенных расходов Q_I наносятся линии равных к.п.д. , линии равных открытий направляющего аппарата , линии равных коэффициентов кавитации и линии равных углов поворота лопастей (для ПЛ–турбины).

Турбины разных типов имеют разные формы универсальных характеристик. Чем шире область высокого к.п.д., тем турбина совершеннее и лучше. У РО–турбин максимальные значения приведенных Q'_I и n'_I меньше, чем у ПЛ–турбин.

Рис. 2.1. Рабочие колеса реактивных турбин

а - радиально-осевая; б - пропеллерная; в - поворотно-лопастная; г - двухперовая; д – диагональная

Универсальные характеристики турбин имеют большое значение в практике гидротурбиностроения. Они дают возможность просто и удобно определять к.п.д., открытия направляющего аппарата, кавитационный коэффициент, угол открытия лопастей ПЛ-турбины в зависимости от режимов турбины. При этом по характеристикам определяют для заданных напоров и мощностей основные параметры турбины, а именно: диаметр D_I, скорость вращения, а также энергетические показатели турбины при переменных режимах работы агрегата. Универсальные характеристики строятся в приведенных величинах, которыми неудобно пользоваться при эксплуатации натурных турбин. Поэтому на основе универсальных характеристик составляются рабочие характеристики зависимости к.п.д. от нагрузки N_т, т.е. зависимость = F(N) при Н = const и n = const.

Рис. 2.2. Главная универсальная характеристика

поворотно-лопастной турбины

Рис. 2.3. Рабочие характеристики турбин разных типов

1 - радиально-осевая; 2 - пропеллерная; 3 - поворотно-лопастная;

4 - ковшовая

Из сравнения этих важных для эксплуатации характеристик можно увидеть, что наиболее узкую зону высоких к.п.д. имеют Пр-турбины, и это понятно, если вспомнить конструкцию рабочего колеса с жестким креплением его лопастей: оптимальное обтекание потока воды можно обеспечить только при определенных открытиях направляющего аппарата; при остальных величинах открытий не обеспечивается обтекание лопастей без гидравлических потерь. Работа Пр–турбин в других зонах характеристики, не оптимальных, сопряжена с большими потерями энергии. Характеристика ПЛ-турбины за счет возможностей поворота рабочего колеса на оптимальный угол, поэтому кривые к.п.д. имеют вытянутую в направлении мощности форму. Диапазон сохранения высоких значений к.п.д. в достаточно большом интервале изменений мощности. Характеристика РО–турбины показывает, что значения к.п.д. этих турбин в оптимуме очень высоки, но зона их максимальных значений достаточно узка. В Д–турбинах сочетаются положительные энергетические качества ПЛ–турбин с хорошими кавитационными качествами РО–турбин. Однако, по рабочим характеристикам трудно получить наглядное представление о режимах работы во всем диапазоне напоров и расходов, т.к. для каждого напора надо иметь отдельную кривую, а кроме того, эти характеристики не показывают кавитационные свойства турбины. Поэтому, пользуясь отдельными рабочими характеристиками, строят эксплуатационную универсальную характеристику (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Эксплуатационная универсальная характеристика

поворотно - лопастной турбины

Построение рабочих и эксплуатационных универсальных характеристик производится на основе универсальной характеристики модели выбранного типа рабочего колеса для данного диаметра D и скорости вращения n для диапазона напоров, в котором работает реальная ГЭС.

3. Насосы

Строителям гидротехнических сооружений и эксплуатационникам ГЭС в их практической деятельности всегда приходится использовать насосы. Потребители воды самого разного назначения в подавляющем большинстве случаев получают воду, которая подаётся насосами. В гидротехнике и энергетике наиболее крупными потребителями воды являются ТЭС и АЭС.

В социальной сфере насосы незаменимы в водоснабжении, теплофикации, канализации; в сельском хозяйстве - в системах ирригации и др. Насосные агрегаты достигают единичной мощности тысяч кВт, а обратимые насосы - турбины, как мы видели, сотен тысяч кВт.

Рис. 3.1. Принципиальная схема насосной установки

1 - входной (всасывающий) патрубок; 2 - выходной (напорный) патрубок; 3 - подводящий (всасывающий) трубопровод; 4 - напорный трубопровод; 5 - резервуар с избыточным давлением

Работу насосной установки можно рассмотреть на принципиальной схеме (рис. 3.1). Основными элементами установки являются насос, имеющий входной (всасывающий) и выходной (напорный) патрубки, а также подводящий (всасывающий) и напорный трубопроводы.

Выделяют следующие показатели насосной установки:

Статический или геометрический напор (Н_сm), представляющий собой разность отметок в верхнем и нижнем бассейнах, т.е. Н_сm - высота, на которую поднимается жидкость:

Н_ст = ВБ'- HБ, м.

Если жидкость подаётся в резервуар, в котором поддерживается избыточное давление Р, как показано на рис. 3.1, поз. 5, то статический напор равен:

Н_ст = ВБ'- HБ + , м,

где  - удельный вес перекачиваемой жидкости, кг/м³;

Р - давление в резервуаре, кг/см².

Примером такой насосной установки являются маслонапорные установки турбин. Они служат аккумуляторами энергии для питания маслом под давлением системы регулирования турбины и обеспечивают энергией гидравлический привод поворота лопаток направляющих аппаратов, а также лопастей в турбинах Каплана.

Высота всасывания (H_s) представляет собой разность отметок оси насоса и поверхности в нижнем бассейне, т.е. H_s - высота установки насоса над уровнем в нижнем бассейне.

Одним из главных параметров, характеризующих работу насоса, является подача (расход) жидкости (Q), т.е. объём жидкости, подаваемой насосом в напорный патрубок в единицу времени, л/с или м³/с, м³/час.

Давление во входном патрубке при H_s > 0 всегда ниже атмосферного, т.е. там всегда вакуум, величина которого определяется двумя показателями: высотой всасывания H_s и переменной составляющей, зависящей от подачи насоса Q. Значение переменной составляющей тем больше, чем больше коэффициент потерь (к) во всасывающем трубопроводе, определяемый в основном его размерами. С ростом Q вакуум во входном патрубке возрастает. Поскольку абсолютное давление не может упасть ниже нуля, принимая во внимание, что обычная вода не сопротивляется разрыву сплошности, то Н предельная всегда должна быть меньше 10 м.

Напор насоса (Н) представляет собой разность удельной энергии жидкости в напорном патрубке и во входном патрубке, т.е. он (напор) показывает, какое количество энергии сообщается насосом единице веса жидкости, поступающей в напорный трубопровод.

H = H_cm + . (3.1)

Суммарные потери напора по длине и местные потери (h) пропорциональны квадрату подачи Q, т.е. h = kQ². Следовательно:

Н = H_cm+ kQ²,

т.е. напор насоса, необходимый для работы насосной установки, состоит из двух частей: постоянной (статической) и переменной, зависящей от величины подачи Q.

Мощность насоса. Энергия, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости, согласно выражению (3.1), равна Н кг-м/кг. Весовой расход жидкости . Следовательно, мощность, передаваемая жидкости, N_ж = QH, кгм/с, или учитывая, что 102 кгм/с = 1 кВт, получим:

N_ж = , кВт, (3.2)

где - удельный вес, кг/м³;

Q - расход, м³/с;

Н - напор, м.

Не вся мощность, развиваемая двигателем на валу (N), передаётся жидкости. Потери учитываются КПД (), т.е. N = N_ж/. Используя (3.2) получим:

N = , кВт.

Фактически мощность двигателя принимается с запасом, на (15 – 20) % выше расчётной.

Существует несколько видов насосов. Объёмные насосы и гидродвигатели работают на принципе вытеснения жидкости поршнем, который совершает возвратно-поступательное движение. Особенность таких насосов (это и их недостаток) в том, что жидкость движется толчками.

Рис. 3.2. Схемы: а) винтового, б) шестеренчатого насосов

1 - ведущая шестерня (винт.); 2 - ведомая шестерня (винт.); 3 - корпус; 4 - входная труба; 5 - напорная труба

К объёмным насосам относится большое число машин, в которых рабочий орган имеет вращательное движение (ротационные насосы). Рабочие органы выполняются в виде шестерён, винтов и т.п. (рис. 3.2). Подача таких насосов равномерная.

Особенность этих насосов в том, что развиваемый ими напор, теоретически, ничем не ограничен и в действительности бывает очень большим. Он зависит только от усилия, которое может быть создано на рабочем органе, герметичности системы и прочности элементов насоса. В связи с этим, если между вентилем напорной линии и насосом нет сбросного (предохранительного) клапана, ни в коем случае нельзя закрывать этот вентиль при работе такого насоса.

Лопастные насосы осуществляют преобразование энергии за счет динамического взаимодействия между потоком жидкости и лопастями вращающегося рабочего колеса, которое и является рабочим органом насоса.

Рабочее колесо в насосе, вращаясь, увлекает лопастями жидкость и отбрасывает её к периферии. Это и послужило основанием называть такой насос «центробежным» (рис. 3.2,б). Существуют и чисто осевые насосы (рис. 3.2,а).

Рис. 3.3. Схемы:

а) лопастного осевого, б) лопастного центробежного насосов

1 - рабочее колесо; 2 – вал; 3 - корпус; 4 - всасывающий патрубок: 5 - лопасти; 6 – подшипник; 7 - решетка (выправляющий аппарат); ВП - всасывающий патрубок; НП - напорный патрубок

Напор и перепад давления, создаваемый вращающимся рабочим колесом центробежного насоса, определяется метрами столба жидкости, заполняющей рабочее колесо. Если колесо вращается в воздухе, то напор будет составлять Н м возд.ст., т.е. насос может работать и как воздуходувка, но создаваемый им напор будет очень мал.

Воздуходувки применяют при эксплуатации турбин в режиме синхронного компенсатора (СК) для регулирования гидрогенератором реактивной мощности (напряжения) в электрической сети (см. следующую главу). Этот режим турбины целесообразно выполнять с наименьшими потерями энергии в энергетической системе, т.е. необходимо освободить рабочее колесо от воды, чтобы оно не «перемешивало» воду и не затрачивало на это энергию. Схема освобождения рабочего колеса турбины от воды до ввода режима СК действует на принципе отжатия воды из камеры рабочего колеса давлением воздуха и дальнейшей подкачки воздуха для поддержания заданного уровня воды ниже рабочего колеса. Для такой подкачки воздуха в ряде случаев и применяются воздуходувки.

Поскольку вес воздуха примерно в 800 раз меньше веса воды, то напор при вращении рабочего колеса в воздухе составит всего (0,03-0,08) м вод. ст., т.е. после включения электродвигателя создаваемый рабочим колесом перепад будет способен поднять («подсосать») воду во всасывающую линию всего на (3 – 8) см. Так как обычно H_s превышает эту величину, то вода не заполнит корпус и рабочее колесо лопастного (центробежного) насоса и поэтому не будет поступать в напорный патрубок, т.е. насос не запустится. Для того, чтобы лопастной насос запустился, необходимо предварительно перед включением электродвигателя обеспечить заполнение жидкостью всей всасывающей линии насоса и камеры его рабочего колеса. Существуют разные способы заполнения указанных объёмов водой. Один из индустриальных способов для крупных насосов заключается в том, что к всасывающей линии пристраиваются вакуумные насосы (водокольцевые или струйные), которые запускаются перед включением насоса, чтобы поднять воду во всасывающую линию. Существуют и самовсасывающие центробежно-вихревые насосы.

Струйные насосы (эжекторы) работают на принципе использования кинетической энергии жидкости или газов, движение которых в диффузоре создаёт разрежение и за счёт этого происходит подсос откачиваемой жидкости.

Эрлифты (воздухоподъёмники). Эрлифт состоит из вертикальной трубы, конец которой на высоту Н_п погружён под уровень воды. Внутри проходит трубка, по которой подаётся сжатый воздух и распыляется через отверстия на конце трубки. В результате в трубе образуется воздушно-водяная смесь (среда), удельный вес которой меньше удельного веса воды, в результате чего смесь поднимается по трубе и таким образом происходит откачка воды. Эрлифты применяются в основном для откачки воды из скважин. Недостаток их в том, что заглубление трубы под уровень должно быть достаточно большим.

Существует много насосов различного назначения и различных типов (многоступенчатые, погружные, артезианские, грунтовые землесосы, багерные, песковые, бетоно-насосы, растворо-насосы и др.). Для изучения характеристик приведенных типов насосов и их свойств существует специальная литература.