Построение рабочих (мощностных) и эксплуатационной характеристик турбин ГЭС

Для оценки энергетических свойств турбин и выбора оптимального режима работы при их эксплуатации после определения номинального диа­метра турбины D₁ и ее частоты вращения п для заданного диапазона напоров производят построение линейных мощностных (рабочих) характеристик η = f(N), показывающих эффективность работы турбины при переменной на­грузке, а также напорно-мощностной эксплуатационной характеристики од­ной турбины и суммарной эксплуатационной характеристики нескольких па­раллельно работающих турбин в виде изолиний КПД в координатной плос­кости мощностей N и напоров Н.

Построение энергетических характеристик турбины ведется на основе ее главной универсальной характеристики по нескольким значениям напо­ров. При этом следует учитывать изменение КПД и соответственно приве­денной частоты вращения турбины по сравнению со значениями этих вели­чин ее модели.

Построение рабочих характеристик выполняется в такой последова­тельности:

- для каждого из напоров, например H_min, Н_р и Н_тах, определяют при­веденную частоту вращения турбины п₁ по формуле (2.1) и соответствую­щую ей приведенную частоту вращения модели (откорректированную при­веденную частоту вращения) п_1к= п₁+ Δп₁;

- с помощью главной универсальной характеристики составляют зави­симость η_м= f(Q₁) для каждой n_{l к} = const, при этом значения приведенных расходов Q₁ и КПД модели η_м берут для радиально-осевых и пропеллерных турбин в точках пересечения линий п_1к= constс кривыми η=const, а для поворотно-лопастных турбин - в точках пересечения линий n_{l к} = constс ли­ниями равных углов установки лопастей φ=const.

Расчет по составлению линейной мощностной характеристики η = f(N) удобно вести в табличной форме, имеющей вид:

Для турбин радиально-осевых и пропеллерных поправку Δη вычисляют для оптимального режима и принимают ее одинаковой для всех точек харак­теристики, т.е.

Для поворотно-лопастных турбин каждому углу поворота лопастей со­ответствует своя поправка Δη_ф, определяемая по максимальному значению КПД универсальных характеристик и принимаемая одинаковой для всех то­чек данной линии, т.е.

После этого для каждой зафиксированной на характеристике точки по формуле

вычисляют мощность турбины и на основании составленных таблиц строят мощностные (рабочие) характеристики η = f(N). Рассекая рабочие характери­стики турбин рядом прямых линий η=const с интервалом через 1-2 %, полу­чают точки равных КПД с координатами N и Н. Перенося эти точки на коор­динатную сетку N и Н и соединяя их плавными кривыми, строят семейство линий равных КПД, являющихся основой эксплуатационной характеристики. На эксплуатационную характеристику обычно наносят еще линию ограниче­ния мощности, которая выражает зависимость максимальной мощности тур­бины от ее напора, т.е. N max = f(Н), и, в необходимых случаях, линии равных высот отсасывания, т.е. H_s = f(N, Н).

Линия ограничения мощности (рисунок 3.1) разбивает эксплуатационную характеристику на две части: левую - рабочую и правую - нерабочую. Она имеет характер ломанной линии и состоит из вертикального участка (при на­порах свыше H_р) и наклонного (в области Н меньше Н_р).

Для радиально-осевых турбин линия ограничения мощности при напо­рах Н<Н_р строится на основании линии 5% запаса мощности на главной универсальной характеристике, а при напорах Н>Н _р мощность турбины не превышает своего максимального значения, соответствующего номинальной мощности агрегата.

Рисунок 3.1 - Линия ограничения мощности

У поворотно-лопастных турбин при напорах Н > Н_р мощность турбины ограничивается как максимальным углом установки лопастей η_mаx, так и мощностью генератора, при напорах Н < Н _р – максимальным открытием на­правляющего аппарата а_{0 max}. Значения величин η_mаx и а_{0ma x} определяются по­ложением расчетной точки, соответствующей номинальной мощности (N _т), при расчетном напоре Н _р на главной универсальной характеристике модели.

Линии равных высот отсасывания H_s=f(N, Н) строят на основании главной универсальной характеристики по линиям σ = const.

Построенная таким образом эксплуатационная универсальная характе­ристика отражает основные свойства только одной турбины, однако ее не­достаточно для оценки условий работы нескольких или всех совместно рабо­тающих турбин ГЭС. С этой целью на ее основе строят суммарную эксплуа­тационную характеристику турбин ГЭС, координаты которой для параллель­но работающих двух, трех и т.д. турбинах находятся удвоением, утроением и т.д. абсцисс всех точек данного напорного режима.