Определение допустимой высоты отсасывания и высотного положения гидротурбины.

Лекция 3.

Мощность гидротурбин на ГЭС регулируется изменением расхода; поэтому на различных режимах работы кавитационный коэффициент σ_Т и допустимая высота отсасывания H_S турбины меняются. Обычно σ_Т растет с увеличением расхода, а H_S уменьшается.

В свою очередь, изменение расхода через гидротурбины приводит к колебанию отметок верхнего и нижнего бьефов и напора на станции. При увеличении расхода нижний бьеф повышается, при этом фактическая высота отсасывания турбины уменьшается (рис. 2.6), а σ_У увеличивается.

Q ↑ → Н_НБ ↑ → Н_SФ ↓ → σ_У ↑

При всех возможных режимах эксплуатации гидротурбины на ГЭС ее фактическая высота отсасывания Н_SФ должна быть меньше (или равна) допустимой величине Н_SД.

Допустимая высота отсасывания натурной турбины (расчетная) подсчитывается для различных режимов работы на основании данных кавитационных испытаний подобной модели:

, м. (3.1)

где: Н_АТМ — величина атмосферного давления (при нормальных условиях Н_АТМ = 10,33 м вод. ст., 101,3 кПа);

σ_М — кавитационный коэффициент подобной модели на рассматриваемом режиме работы;

Δσ =σ_Т - σ_М — поправка на отличие σ_Т от σ_М на изогональных (кинематически подобных) режимах работы турбины и модели (рис.3.1);

Н — напор турбины на данном режиме работы, м вод. ст.;

H_ВП — давление парообразования потока, зависящее от температуры и газосодержания воды, м вод. ст.;

— поправка на высотное расположение ГЭС по отношению к уровню моря, м.

Поправка Δσ =σ_Т - σ_М представляет собою разность кавитационных коэффициентов натурной турбины и модели на изогональном режиме работы. Ее величина зависит от напора турбины (рис. 3.1).

 

Рисунок 3.1 Поправка к кавитационному коэффициенту Δσ=f(Н).

Необходимость принятия Δσ; обусловлена следующими соображениями. Физический смысл этой поправки в том, что даже при полном обеспечении геометрического подобия величина σ_Т на изогональных режимах работы больше σ_М, что вызвано меньшими относительными гидравлическими потерями натурной турбины и ее большим динамическим вакуумом. Кроме того, при изготовлении проточной части натурной гидротурбины, особенно рабочего колеса, возможны некоторые отступления от чертежных (расчетных) размеров, которые ведут к ухудшению ее энергетических и кавитационных характеристик.

При расчетах допустимой высоты отсасывания Н_SД по (3.1) расчетный коэффициент кавитации турбины σ_Т опреде­ляют по критическому значению σ_КР, (которое определяется по результатам испытаний модели на кавитационном стенде) с введением коэффициента запаса k_σ, который принимается равным (1,1 ÷ 1,2) и выражение для расчетного коэффициента кавитации турбины:

σ_Т = k_σ ∙σ_КР (3.2)

тогда

Способы отсчета высоты отсасывания Н_SД, определяемой по (3.1) — расчетной, для различных турбин показаны на (рис. 3.2).

В вертикальных радиально-осевых и диагональных турбинах Н_SД отсчитывается от нижней кромки направляющего аппарата; в верти­кальных поворотно-лопастных осевых турбинах — от оси поворота лопастей рабочего колеса; в горизонтальных турбинах — от верхней точки рабочего колеса.

 

Рисунок 3.2. Отсчет высоты отсасывания H_s в различных турбинах

Согласно ранее действовавших ГОСТ, установочная (конструктивная) вы­сота отсасывания Н_SГ для верти­кальных турбин отсчитывается от средней линии направляющего аппа­рата и составляет:

для РО и Д турбин: Н_SГ = Н_S + 0,5b₀

для ПЛ турбин: Н_SГ = Н_S + h₁

где h₁ - расстояние от плоскости проходящей через середину высоты НА до осей поворота лопастей рабочего колеса. Для турбин обычной конструкции равно h₁ = (0,41 ÷ 0,46)D₁

а для ПЛГ турбин отсчитывается от оси вращения рабо­чего колеса и составляет: Н_SГ = Н_S - 0,5D₁

Нужно обратить внимание на то, что расчетное значение Н_SД по (3.1) не зависит от размеров турбины, в то время как Н_SГ изменяется с D₁.

Для каждого режима работы (связанного с сезонным изменением напора) по формуле (3.1) определяют Н_SД и алгебраически суммируют ее с отметкой нижнего бьефа, соответствующей данным условиям.

Минимальная величина z_НБ + Н_SД определяет отметку установки гидротурбины на ГЭС.

Положение турбины по отношению к самой низкой отметке нижнего бьефа должно быть таким, при котором обязательно выполняется условие σ_Т < σ_У. Если при минимальной отметке нижнего бьефа в рабочем колесе отсутствует кавитация, абсолютное давление в потоке больше давления парообразования; то при всех других более высоких уровнях нижнего бьефа давление в потоке через рабочее колесо будет наверняка больше критического.

Подобный анализ проводят для следующих случаев работы турбины на ГЭС:

· работа минимального числа агрегатов при их полной нагрузке и расчетном напоре;

· работа минимального числа агрегатов при их полной нагрузке и максимальном напоре;

· минимальная нагрузка на агрегаты при минимальном напоре.

Из рассмотренных режимов работы определяющим положение гидротурбины по отношению к нижнему бьефу является режим, при котором величина z_НБ + Н_SД минимальна. Вычисленная минимальная отметка турбины указывается на строительных чертежах и обеспечивается при бетонировании ее закладных частей на ГЭС.

При обеспечении расчетной высоты отсасывания турбины развитая кавитация в турбине отсутствует, хотя ее начальная форма может иметь место. Для того чтобы в проточной части турбины отсутствовала начальная стадия кавитации, потребовались бы экономически неприемлемые высоты отсасывания (заглубление турбины под нижний бьеф), а это привело бы к неоправданному удорожанию строительства ГЭС.

Пример 3.1. Определить допустимую высоту отсасывания H_s для турбины с напором Н = 60 м при отметке нижнего бьефа 360 м, если по характеристике σ = 0,1.

Решение. Задаемся коэффициентом запаса k_σ = 1,15.

Тогда по (3.2)

σ_Т = 1,15 ∙ 0,1 = 0,115.

По (3.1) вычисляем:

Н_SД ≈ 10,3 - 360 / 900 - 0,115 ∙ 60 = 3,0 м.

Турбину можно установить на 3,0 м выше отметки нижнего бьефа.

Пример 3.2. Какова будет допустимая высота отсасывания, если для условий примера 3.1 применить другую турбину, у которой σ= 0,2. Решен и е. При том же коэффициенте запаса k_σ = 1,15 по (3.2)

σ_Т = 1,15 ∙ 0,2 = 0,23.

По (3.1) вычисляем:

Н_SД ≈ 10,3 - 360 / 900 - 0,23 ∙ 60 = - 3,9 м.

Турбину придется установить так, чтобы она была заглублена под уровень нижнего бьефа на 3,9 м.