Об основах теории турбин, теории подобия и моделирования

Реальный процесс преобразования энергии потока на рабочем колесе реактивной турбины был теоретически исследован Леонардом Эйлером в 1754-56 гг. Поразительным является то, что в то время гидротурбин ещё не существовало и были известны лишь простейшие гидродвигатели и колесо Сегнера, появившееся в 1750 г.

В результате взаимодействия потока с лопастями рабочего колеса турбины на лопастях возникают силы, подобные подъёмным силам, возникающим при обтекании крыла самолёта, тангенциальные составляющие которых создают крутящий момент относительно оси вала агрегата, в результате чего рабочее колесо получает вращательное движение. Лопасти движутся по круговой траектории с окружной скоростью и = cor, где со - угловая скорость, r - радиус рассматриваемой точки приложения элементарной струи.

Вода из направляющего аппарата поступает на входную кромку лопасти с абсолютной скоростью v.

Далее она движется вдоль лопасти с относительной скоростью, направленной по касательной к поверхности лопасти в точке входа, и вращается с окружной скоростью.

Абсолютная скорость потока равна геометрической сумме скоростей и направлена под углом входа к окружной скорости.

На выходе вода сходит с лопасти с абсолютной скоростью v , являющейся также геометрической суммой относительной скорости и окружной скорости. Угол между скоростями называется углом выхода.

Определим момент реакции потока на колесо при установившемся режиме работы турбины (равномерно вращающаяся турбина после пуска). За время At на лопасти рабочего колеса поступает некоторое количество воды, имеющей массу т, и на основании закона непрерывности потока такое же количество воды уходит с рабочего колеса.

Масса воды, поступающая на колесо за время At, при входе на лопасти имеет количество движения m-v , а при сходе с рабочего колеса - количество движения m-v. Из механики известно, что изменение количества движения некоторой массы в единицу времени пропорционально действующей на неё силе.

Чтобы создать турбину необходимо заранее иметь представление о работе её при эксплуатации для чего нужно знать достаточно много данных, характеризующих прочностные энергетические и кавитационные её свойства. Кавитация - сложный физический процесс, вызывающий губчатое разрушение элементов проточной части турбины, сопровождающийся шумом, ударами, снижением КПД, повышенной вибрацией агрегата и пульсацией потока. Как мы видели в начале главы, что гидродинамические качества турбины характеризуются и кавитационным коэффициентом (с ). Он определяется отношением динамического разрежения в зоне рабочего колеса к напору. Динамическое разрежение увеличивается при увеличении скорости потока, т.е. с увеличением пропускной способности турбины и её быстроходности увеличивается.

Кавитационные качества турбины зависят от высоты отсасывания (расстояние от горизонтальной оси рабочего колеса ПЛ и ПР или горизонтальной линии, делящей высоту НА пополам РО турбин до уровня нижнего бьефа Я). Я имеет положительный знак (+) при уровне НБ ниже оси и отрицательный (-) при уровне НБ выше оси. Я в практике применения турбин имеет важнейшее значение с точки зрения интенсивности кавитационного воздействия на проточную часть. Основные мероприятия по подавлению кавитации - тщательный (расчёт) выбор теоретических очертаний проточной части и затем точность исполнения в конструкции; применение кавитационностойких материалов - (нержавеющие хромоникелиевые стали); оптимальное расположение горизонтальной оси рабочего колеса турбины относительно уровня нижнего бьефа ГЭС.

Современные методы расчета не позволяют теоретическим путем получить наилучшую конфигурацию проточной части турбины, поэтому обычно рассчитывается несколько вариантов проточной части, в том числе рабочих колёс, и изготавливаются их модели. Затем все модели испытываются, производятся технико-экономические сравнения и в результате определяются оптимальные формы и размеры проточной части конструируемой турбины.

В результате модельных исследований в широком диапазоне режимов работы турбины составляются характеристики, дающие достаточно полное представление об её энергетических и кавитационных показателях. В последующем, после ввода в эксплуатацию турбины непосредственно на ГЭС проводят натурные её испытания в реальных условиях, которые позволяют получать фактические прочностные, энергетические и кавитационные характеристики. Иногда на основе натурных испытаний уточняются некоторые параметры - мощность, КПД, гарантии регулирования и др.

Перенесение результатов испытаний модели на натурную, геометрически подобную ей гидротурбину, производят путём пересчёта основных энергет ичислих параметров турбины: частоты вращения, расхода воды, мощности и КПД.

Для характеристики гидравлических качеств турбины по частоте вращения и пропускной способности, а также для сравнения между собой различных систем турбин и типов рабочих колёс в гидротурбостроении введён так называемый коэффициент быстроходности и который является критерием подобия.

Коэффициент быстроходности меняется от 10-55 у крупных тихоходных ковшовых, до 800-1100 у быстроходных осевых поворотно-лопастных турбин (не путать с частотой вращения).

При проектировании ГЭС по этим характеристикам для заданных напоров и мощностей определяются основные параметры турбин: их диаметр D частота вращения п, расход Q, а также энергетические показатели турбины при её эксплуатации в переменных режимах работы агрегата. Однако универсальная характеристика строится в приведённых параметрах и в условиях эксплуатации удобнее пользоваться рабочими характеристиками, показывающими зависимость КПД от нагрузки турбины N при постоянном напоре Я и частоте вращения.

Из сравнения рабочих характеристик видно, что наиболее ограниченную зону высоких КПД имеют пропеллерные турбины. Поворотно-лопастные турбины сохраняют высокие значения КПД в большом диапазоне изменения мощности. Рабочая характеристика радиально-осевой турбины показывает, что диапазон высоких значений КПД этих турбин существенно больше, чем у пропеллерных, но несравнимо меньше, чем у поворотно-лопастных. Диагональные турбины призваны сочетать положительные энергетические качества поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин.

По рабочим характеристикам трудно судить обо всех режимах работы турбины, поэтому пользуясь отдельными рабочими характеристиками, строят эксплуатационную универсальную характеристику.

Следует отметить особенности режима использования мощных и сверхмощных радиально-осевых турбин, созданных на пределе технических возможностей современного гидротурбостроения. Так, для РО турбин мощностью 508 и 650 МВт Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС характерным является то, что их работа возможна не во всём диапазоне открытия направляющего аппарата. В пределах достаточно высоких значений КПД имеется зона, запрещенная для работы, которую необходимо достаточно быстро проходить при изменении нагрузки на агрегате. В этой зоне возникают очень сильные пульсация потока, гидравлические удары, сильный кавитационный шум в проточной части, колебания нагрузки и значительные вибрации всего агрегата.

Эксплуатационные универсальные характеристики, определяющие взаимную связь основных параметров турбины и показывающие зависимость КПД турбины от нагрузки и напора, имеют главное значение для организации правильной эксплуатации турбин и гидростанции в целом для обеспечения регулирования активной мощности в энергосистеме.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.