Глава вторая
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ НА РАБОТУ ТУРБИНЫ
2-1. ПЕРЕПАД ВОССТАНОВЛЕНИЯ
При работе гидравлической турбины с отсасывающей трубой, имеющей горизонтальный диффузорный патрубок, в нижнем бьефе может иметь место либо перепад восстановления, либо подпор, т. е. понижение или повышение уровня свободной поверхности в створе выходного сечения отсасывающей трубы по сравнению с уровнем в удалении от выходного сечения (бытовым уровнем). При образовании перепада восстановления давление в выходном сечении отсасывающей трубы снижается, и таким образом, увеличивается напор турбины.
На образование перепада восстановления обратил внимание еще в 1947 г. Д. И. Кумин при выводе формул для расчета эжекции в отсасывающую трубу [132]. В последующем, до 1951 г. не было работ, учитывающих влияние перепада восстановления на напор турбин.
Рис. 2-1. Напоры и перепад восстановления.
Построение характеристики по напору, учитывающему перепад восстановления, выполнено в 1951 г. X. Ш. Мустафиным при исследовании модели блока Камской водосливной ГЭС [175], затем в 1952 г. В. П. Гурьевым и И. Н. Смирновым—при энергетических исследованиях блока Волжской ГЭС имени В. И. Ленина [86],1 и при лабораторных исследованиях турбинного блока той же ГЭС в МЭИ, а в 1954 г.— Π. Е. Ткаченко при лабораторных исследованиях турбинного блока Каховской ГЭС [273].
1 К потокам со свободной поверхностью формула Борда, строго говоря, не применима. Но в некотором диапазоне условий она дает результаты, близкие к действительности.
В последнее время перепад восстановления, как правило, учитывают и при моделировании турбинных блоков, и при проведении натурных испытаний гидротурбин. Однако и сейчас появляются работы, в которых наличие перепада игнорируется, что приводит к неправильному определению напора и к. п. д. турбины.
Величина перепада восстановления +Δh0 или подпора —Δh0 зависит от запаса кинетической энергии потока, поступающего из отсасывающей трубы, и от условий, определяющих потери энергии в нижнем бьефе.
Зависимость перепада восстановления от различных факторов, удобно проследить, анализируя уравнение Бернулли, составленное для сечений тт и tt (рис. 2-1). Поскольку давление в указанных сечениях практически гидростатическое, получаем:
(2-1),
Если принять, что ат=аt=1, пренебречь потерями на трение подлине и рассматривать hw(m-t) как потери на внезапное расширение (по Борда)], то, выразив скорости через расход и площади, получим:
Анализ формул (2-1) и (2-2) позволяет установить, что перепад восстановления:
стремится к нулю при wt→∞, поскольку кинетическая энергия, потока, поступающего из отсасывающей трубы, в безграничном бьефе безвозвратно рассеивается;
равен нулю при wm=wt (и am=at), так как кинетическая энергия в сечениях тт и tt одинакова, вследствие чего преобразование кинетической энергии в потенциальную отсутствует;
достигает максимума при wt=2wm (если аm=аt); возрастает с увеличением расхода;
увеличивается с повышением степени неравномерности скоростей в выходном сечении отсасывающей трубы.
Степень неравномерности распределения скоростей в выходном отверстии отсасывающей трубы зависит от режима работы турбины и может характеризоваться коэффициентами кинетической энергии ат или количества движения аот.
Рис. 2-2. Изменение перепада восстановления в зависимости от числа оборотов рабочего колеса. Числа у экспериментальных точек — значения а0m.
На рис. 2-2 представлены кривые изменения перепада восстановления на модели турбинного блока Воткинской (кривая 1) и Саратовской ГЭС (кривая 2) в зависимости от числа оборотов рабочего колеса, Полученные при неизменных уровнях нижнего бьефа, расходе и положении рабочих органов турбины (масштаб модели 1 : 50, в обоих случаях рабочее колесо ПЛ 587-18,6, φ —15°, опыты автора).
Минимальным значениям перепада восстановления (кривая 1) отвечает режим с оптимальным к. п. д. (оптимальным числом оборотов) и наименьшим значением коэффициента а0m.
Изменение числа оборотов по сравнению с оптимальным ведет к повышению неравномерности распределения скоростей в выходном сечении отсасывающей трубы, увеличению кинетической энергии потока, что и приводит к возрастанию перепада восстановления. Так, при изменении а0т с 1,23 до 1,75 (в 1,43 раза) перепад восстановления на модели увеличивается примерно в 2 раза: с 0,70 до 1,38 см (в натуре — с 0,35 до 0,69 м).
Рис. 2-3. Изменение перепада восстановления в зависимости от приведенного расхода и открытия направляющего аппарата.
На рис. 2-3 даны кривые изменения перепада восстановления в зависимости от приведенного расхода Q' турбины при различных открытиях направляющего аппарата, полученные в ЛПИ на модели турбинного блока одной из Волжских ГЭС (масштаб модели 1:26,6, колесо ПЛ 587-35,0, φ — 20°). Уровни бьефов постоянные (статический напор 791 мм). Расход турбины был постоянным, что при переменном открытии направляющего аппарата достигалось за счет изменения числа оборотов рабочего колеса. Изменение перепада восстановления в этом случае обусловлено лишь изменением неравномерности распределения скоростей в отверстии отсасывающей трубы.
Образование перепада восстановления ведет к увеличению мощности турбин при прочих равных условиях. Было бы неправильно пытаться увеличить напор турбины путем преднамеренного повышения неравномерности скоростей в выходном отверстии отсасывающей трубы, поскольку с увеличением неравномерности скоростей уменьшается к. п. д. турбины; проигрыш в мощности за счет падения к. п. д. турбины больше, чем ее выигрыш за счет перепада восстановления.
