Основная классификация гидротурбин

Класс	Система гидротурбин	Тип турбины	Используемый напор, м	Диаметр рабочего колеса, м
Схема	Наименование
Реактивные	Осевые	Горизонтальные капсульные	ПЛ 7, ПЛ 10, ПЛ 15, ПЛ 20, ПЛ 25	3 – 20	3,55 – 10
Пропеллерные и поворотно-лопастные вертикальные	ПЛ 10, ПЛ 15, ПЛ 20, ПЛ 30, ПЛ 40, ПЛ 50, ПЛ 60, ПЛ 70, ПЛ 80	3 – 80	1,8 – 12
Диагональные	Диагональные поворотно-лопастные вертикальные	ПЛД 50, ПЛД 70, ПЛД 90, ПЛД 115, ПЛД 140, ПЛД 170	40 – 135	1,8 – 9
Радиально-осевые	Радиально-осевые вертикальные	РО 45, РО 75, РО 115, РО 40, РО 170, РО 230, РО 310, РО 400, РО 500, РО 600	30 – 700	1,25 – 10
Активные	Ковшовые	Вертикальные	К 400, К 600, К 1000, К 1500	250 – 1700	1,5 – 5

 

Ковшовые турбины используют кинетическую энергию струи, воздействующей поочередно на ковши рабочего колеса (рис. 2, д).

Выбор оптимального типа и системы турбины производится на основании технико-экономических расчетов, при выполнении которых учитываются масса и их габариты, степень быстроходности, стоимость энергетического оборудования, возможность транспортировки к месту назначения и другие факторы. В отечественной практике гидроэнергетического строительства наиболее широкое использование получили осевые и радиально-осевые турбины. Основные геометрические параметры гидротурбин приведены на рис. 3.

Рис. 2. Схемы гидротурбин:

а – осевая вертикальная; б – радиально-осевая вертикальная; в – диагональная вертикальная; г –капсульно-горизонтальная; д – ковшовая горизонтальная

 

Обобщенным показателем эффективности турбин является коэффициент быстроходности n_s, зависящей от напора, мощности и частоты вращения турбины.

Коэффициент быстроходности численно равен числу оборотов “n” геометрически подобной турбины с таким диаметром рабочего колеса Д ₁, при котором она развивает мощность N =1 л.с, при напоре Н = 1 м.

, об/мин.

(1)

 

Рис. 3. Схемы рабочего колеса гидротурбин разной быстроходности:

а – осевая турбина высокой быстроходности; б – осевая турбина средней быстроходности; в – радиально-осевая турбина высокой быстроходности; г – радиально-осевая турбина тихоходная

 

В зависимости от коэффициента быстроходности турбины разделяют на тихоходные, средние и быстроходные. Сравнение турбин по быстроходности производят при расчетном напоре и номинальной мощности турбины.

Каждая система турбин, представленная в табл. 2, включает несколько типов (серий), которые характеризуются геометрическим подобием элементов проточной части и одинаковыми относительными потерями в ней.

К основным параметрам, характеризующим гидравлическую турбину, относятся: рабочий напор Н, м; расход воды Q, м³/с; мощность на валу турбины N, кВт; коэффициент быстроходности, n_s, об/мин; частота вращения турбины (нормальная и максимальная) n, об/мин.; номинальный диаметр рабочего колеса Д ₁, м; коэффициент полезного действия η; высота отсасывания Н_s, м.

Расчетным напором турбины считается такой напор, при котором обеспечивается получение номинальной мощности генератора при расчетном значении cos φ.

Полезную мощность на валу турбины при известной величине расхода воды и расчетного напора определяют по зависимости:

, кВт,

(2)

где η_Т – коэффициент полезного действия (КПД) турбины.

КПД турбины η_Т характеризует ее энергетические качества и определяется отношением полезной мощности на валу турбины N (с учетом потерь на гидравлическое трение, местные, скоростные и др.) к потенциальной мощности водотока N ₀.

Потенциальная мощность водотока N ₀, т. е. работа, которую может совершить вода в 1 секунду, определяется выражением:

, кВт,

(3)

где: ρ = 1000 кг/м³ – плотность воды;

Н_б – напор гидроагрегатного блока (брутто), определяемый разностью удельных энергий потока в сечениях при входе потока к блоку и при выходе из отсасывающей трубы.

Коэффициент полезного действия η_Т зависит от типа турбины, коэффициента быстроходности n_s, величины используемого напора Н и других факторов, и его значения изменяются в широких пределах: η_Т = 0,85 – 0,96.

Электрическую мощность гидроагрегата Р при известной полезной мощности N определяют по зависимости:

, кВт.

(4)

Здесь η_Г – КПД генератора, зависящий от его типа (η_Г = 0,96 – 0,98);

η = η_Г η_Т – КПД гидроагрегата (η = 0,82 – 0,94).

За номинальный диаметр рабочего колеса Д ₁ принимают у осевых и поворотно-лопастных турбин диаметр окружности точек пересечения поверхности камеры рабочего колеса и осей лопаток (см. рис. 3, а, б), а у радиально-осевых – наибольший диаметр расположения лопастей по входным кромкам (см. рис. 3, в, г)

Исходными данными для определения Д ₁ являются: мощность турбины N, расчетный напор H, и расчетный приведенный расход воды , м³/с.

, м.

(5)

Значение для радиально-осевых труб определяется для на линиях пятипроцентного запаса мощности, указанных на универсальных характеристиках.

Приведенные значения расхода и частота вращения определяются при диаметре рабочего колеса Д ₁ = 1 м и напоре Н = 1 м. Универсальные характеристики построены по результатам модельных испытаний для каждого типа турбины.

Для поворотно-лопастных турбин значение определяется технико-экономическими расчетами совместно с выбором высоты отсасывания Н_s. Для этого на линии задают несколько значений коэффициента кавитации σ и соответствующие им значения . По этим данным определяют Д ₁ и Н_s и на основании технико-экономического анализа выбирают их оптимальные значения. Предпочтение отдается турбине, у которой меньше диаметр рабочего колеса и более высокие значения n и Н_s. При большой высоте отсасывания уменьшается глубина заложения здания станции и снижается ее стойкость.

Расчетные значения диаметров (5) округляются до ближайших унифицированных значений, представленных в табл. 3, где указаны также диаметр оси расположения лопаток направляющего аппарата Д ₀ и их число Z ₀.

Таблица 3

Унифицированные значения диаметров Д ₁ и Д ₀

Система гидротурбины	Диаметр рабочего колеса, Д 1, м	Диаметр направляющего аппарата, Д 0, м	Число лопаток направляющего аппарата, Z 0
Радиально-осевые	1,25 1,4 1,6 1,8 1,9	1,5 1,68 1,92 2,16 2,28
Радиально-осевые и поворотно-лопастные	2,0 2,12 2,24 2,36 2,5 2,65 2,8 3,0 3,15 3,35 3,55 3,75 4,0 4,25 4,5 4,75 5,0 5,3 5,6 6,0 6,3 6,7 7,1 7,5 8,0 8,5 9,0	2,4 2,54 2,69 2,85 3,0 3,18 3,36 3,6 3,78 4,02 4,26 4,5 4,8 5,1 5,4 5,7 6,0 6,36 6,72 7,2 7,56 8,04 8,52 9,0 9,6 10,2 10,8
Поворотно-лопастные	9,5 10,0 10,6	11,4 12,0 12,72

Примечание: В обоснованных случаях допускается отклонение Д ₁ от указанных значений в пределах ± 4 %. Отклонение Д ₀ от указанных значений не допускается.

При принятом значении диаметра рабочего колеса Д ₁ определяют частоту вращения турбины n:

, об/мин,

(6)

где: Н_ср.вз. – средневзвешенный напор (, м);

– оптимальная приведенная частота вращения.

Вычисленное значение n (6) округляется до ближайшего нормативного синхронного значения из ограниченного ряда, предусмотренного для частоты электрического тока 50 Гц. Рекомендуемыми значениями синхронной частоты вращения, об/мин., являются: 750; 600; 500; 428,6; 375; 333,3; 300; 250; 230,8; 214,3; 200; 187,5; 166,7; 150; 142,8; 136,4; 125; 115,4; 107,1; 100; 93,7; 88,2; 85,7; 83,3; 75; 71,4; 68,2; 62,5; 60; 57,7; 55,6; 53,5; 51,7; 50; 46,9.

Высота отсасывания H_s определяет высоту расположения рабочего колеса турбины относительно уровня нижнего бьефа и ее значение необходимо для определения условий возникновения кавитации. Она оказывает существенное влияние на стоимость строительства гидроэлектростанции.

Высота отсасывания считается положительной при расположении уровня нижнего бьефа ниже указанной плоскости (+ H_s) и отрицательной при расположении уровня выше указанной плоскости (– H_s). Чем меньше высота отсасывания, тем в более благоприятных условиях по кавитационным свойствам будет работать турбина. Однако, при меньшей высоте отсасывания увеличивается заглубление турбины, что приведет к увеличению затрат на сооружение ГЭС. Поэтому выбор оптимального значения H_s является одним из важнейших вопросов проектирования гидроэлектростанций.

Высота отсасывания радиально-осевых турбин отсчитывается от оси лопаток направляющего аппарата высотой b ₀ до уровня нижнего бьефа и определяется выражением

, м.

(7)

Высоту отсасывания вертикальных поворотно-лопастных турбин отсчитывают от оси лопастей рабочего колеса до уровня нижнего бьефа и определяют по формуле:

, м.

(8)

Высота отсасывания горизонтальной капсульной турбины отсчитывается от оси гидротурбины до уровня нижнего бьефа:

, м.

(9)

В формулах (7 – 9):

В – высота водяного столба, соответствующая барометрическому давлению (В = 10,33 м);

H_d – высота водяного столба, соответствующая давлению парообразования, определяемая в зависимости от температуры t° С (рис. 4);

σ – наибольшие значения коэффициентов кавитации, указанные на универсальных характеристиках различных типов турбин;

1,5 м – запас на высоту отсасывания.