Модельные испытания.

Для того чтобы создать гидротурбину и иметь полное представление о ее работе, необходимо знать:
а) энергетические и кавитационные данные турбины во всех возможных режимах работы, т. е. знать, как меняется к. п. д. и кавитационный коэффициент турбины в зависимости от изменения ее мощности и напора;

Рис. 1-10. Главная универсальная характеристика поворотнолопастной турбины.
б) какие силы действуют на отдельные элементы турбины при изменении режимов ее работы — на лопасти рабочего колеса, лопатки направляющего аппарата и др.

Однако современные методы расчета элементов проточной части турбины не позволяют только теоретическим путем определить наилучшую конфигурацию ее проточного тракта, обладающего наивысшим к. п. д. и необходимыми кавитационными качествами при заданных напоре и расходе воды. Поэтому при создании турбины обычно рассчитывается несколько вариантов проточной части и изготовляются их модели. Затем все эти модели испытываются в лаборатории и таким путем устанавливаются оптимальные формы проточной части проектируемой турбины.
В соответствии с задачами исследований испытания моделей гидравлических турбин в лабораторных условиях делятся на две основные группы: энергетические и кавитационные. При энергетических испытаниях исследуется зависимость к. п. д. от режима работы данного варианта гидротурбины. Кавитационные испытания позволяют исследовать зависимость кавитационного коэффициента от режима работы.
В результате испытаний модели в широком диапазоне режимов работы составляются характеристики, дающие полное представление о ее энергетических и кавитационных показателях.

Характеристики гидротурбин.

Основные результаты энергетических и кавитационных испытаний моделей сводятся в главную универсальную характеристику турбины (рис. 1-10), на которой в координатах приведенной скорости вращения n'1 и приведенных расходов Q'i наносятся линии равных к. п. д. ηм, линии равных открытий направляющего аппарата а0, линии равных коэффициентов кавитации σ и линии равных углов поворота лопастей рабочего колеса φ° (для поворотнолопастных турбин).

Рис. 11-l. Рабочие характеристики гидротурбин различных типов.
1— радиально-осевая турбина; 2 — пропеллерная турбина; 3 — поворотнолопастная турбина; 4 — ковшовая турбина

Турбины различных типов имеют разные формы универсальных характеристик. Чем шире область высокого к. п. д., тем турбина совершеннее. Для более быстроходных турбин область высоких к. п. д. расположена в зоне больших приведенных расходов и высоких приведенных скоростей вращения. Характеристика поворотнолопастной турбины имеет широкую зону к. п. д. как по приведенным расходам, так и по скорости вращения. У радиально-осевых турбин максимальные значения приведенных расходов и скоростей вращения меньше, чем у поворотнолопастных турбин.

Ковшовые турбины имеют характеристику, сильно вытянутую по расходам и очень суженную по оборотам. Максимальные значения приведенных расходов и скоростей вращения у этих турбин наименьшие.
Универсальные характеристики гидравлических турбин имеют большое значение в практике гидротурбостроения. По ним просто и удобно определяются к. п. д., открытая направляющего аппарата а0, кавитационный коэффициент στ, угол установки лопастей рабочего колеса φ° в зависимости от режимов работы.
Главные универсальные характеристики построены в приведенных величинах, поэтому пользоваться ими при эксплуатации натурных турбин неудобно. Для суждения о характере изменения к. п. д. в различных режимах работы турбины составляются рабочие характеристики, показывающие зависимость к. п. д. от нагрузки Ντ и выражающиеся кривой
η=f(N) при постоянных напоре Я и скорости вращения п.
На рис. 1-11 приведены рабочие характеристики гидротурбин различных типов. Из сравнения этих характеристик видно, что наиболее узкую зону высоких к. п. д. имеют пропеллерные турбины. Они сохраняют высокие значения к. п. д. лишь для расчетной мощности. При изменении мощности к. п. д. пропеллерных турбин резко падает, вследствие чего эксплуатация этих турбин вне оптимального режима сопряжена с большими потерями мощности.
Характеристика поворотнолопастной турбины благодаря возможности поворота лопастей рабочего колеса на оптимальный угол имеет вытянутые в направлении мощности кривые к. п. д. Турбины этого типа сохраняют высокие значения к. п. д. в большом диапазоне изменения мощности, имеют более высокий среднеэксплуатационный к. п. д.
Рабочая характеристика радиально-осевой турбины является в этом отношении промежуточной между характеристиками пропеллерных и поворотнолопастных гидротурбин.

Значения к. п. д. радиально-осевых турбин в оптимуме очень высоки, но турбины эти имеют более узкую зону максимальных к. п. д. и меньшие значения коэффициента быстроходности, т. е. в равных условиях их скорости вращения ниже, а размеры рабочих колес больше.
Ковшовые турбины сохраняют высокое значение к. п. д. при диапазонах изменения мощности еще больших, чем у поворотнолопастных турбин.
Рабочие характеристики неудобны для получения полного представления о всех режимах работы вследствие того, что для каждого рабочего напора необходимо иметь отдельную кривую, и, кроме того, эти характеристики не показывают кавитационных данных турбины.

Рис. 1-12. Эксплуатационная универсальная характеристика поворотнолопастной турбины.

Поэтому, пользуясь отдельными рабочими характеристиками, строят эксплуатационную универсальную характеристику (рис. 1-12), на которой при постоянной скорости вращения п в координатах напора Н и мощности Νт наносятся линии равных к. п. д. и линии равных высот отсасывания H8. На характеристику наносятся также линии ограничения мощности, устанавливаемые при напорах ниже расчетного — параметрами турбины, а выше — параметрами генератора.
Эксплуатационные универсальные характеристики, определяющие взаимную связь основных параметров гидротурбин и показывающие зависимость к. п. д. турбины от нагрузки и напора при нормальной скорости вращения, имеют большое значение для организации правильной эксплуатации энергетического оборудования гидроэлектростанции.
Построение рабочих и эксплуатационных универсальных характеристик производится на основе универсальной характеристики модели выбранного типа рабочего колеса для данного диаметра D1 и скорости вращения п для напоров в диапазоне работы станции.
Разгонные характеристики. Если работающий агрегат отключить от сети, не закрывая направляющего аппарата, то агрегат будет быстро повышать скорость вращения, которая спустя некоторое время достигнет максимальной величины, называемой разгонной скоростью вращения.
Величины разгонных скоростей вращения гидроагрегата необходимо знать для расчета на прочность вращающихся деталей турбин и генераторов (рабочего колеса турбины, ротора генератора, вала и др.). Однако теоретически подсчитать разгонные обороты ие представляется возможным, и поэтому их определяют экспериментальным путем на моделях турбин.
При испытаниях модель доводится до разгонной скорости вращения и строится специальная разгонная характеристика, на которой дается кривая разгонной приведенной скорости вращения η'Iρ в зависимости от открытия направляющего аппарата.
Разгонная скорость вращения натурной турбины вычисляется по формуле

Для турбин с неподвижными рабочими лопастями разгонная скорость вращения зависит от открытия направляющего аппарата и напора воды, а для поворотнолопастных, кроме того, и от угла установки лопастей. Наивысшая разгонная скорость вращения получается при полном открытии направляющего аппарата или близком к нему. Для поворотнолопастных турбин наивысшая разгонная скорость вращения достигается в случаях, когда направляющий аппарат полностью открыт, а лопасти рабочего колеса имеют небольшой угол установки.
Опыты на моделях показывают, что наибольшие разгонные скорости вращения бывают у поворотнолопастных турбин, несколько меньшие— у радиально-осевых и наименьшие — у ковшовых.

Осевое давление воды.

Поток воды, проходя через рабочее колесо, а у радиально-осевых турбин и проникая частично через зазоры в полости над рабочим колесом и под ним, вызывает осевое усилие, действующее на ротор агрегата. Величину этого усилия необходимо знать для расчета деталей турбины (вала, лопастей рабочего колеса и др.), а также подпятника агрегата.
Приближенно величину осевого усилия можно определять по эмпирической формуле
(1-22)
где k — коэффициент, зависящий от типа колеса.
Для радиально-осевых турбин коэффициент k зависит от быстроходности рабочего колеса, а для поворотнолопастных — от количества лопастей. Значения этого коэффициента даны в табл. 1-1.

Таблица 1-1
Величины коэффициента к для определения осевого давления воды