При заданных величинах напора Н и расхода Q может быть подобран ряд различных турбин с неодинаковым числом оборотов.
Для характеристики серий выпускаемых турбин и возможности их общей оценки используется так называемый коэффициент быстроходности ns, являющийся одним из основных параметров турбин и вычисляемый по формуле
С изменением напора, а следовательно, и мощности изменяется и величина коэффициента быстроходности. Максимальная величина его, соответствующая наибольшему значению напора и мощности, позволяет производить выбор типа турбин для данной гидроустановки.
Нетрудно видеть, что коэффициент быстроходности показывает число оборотов турбины, которая при напоре Н=1 м развивает мощность N = 1 л. с. Выпускаемые в настоящее время промышленностью турбины основных типов имеют коэффициенты быстроходности в следующих пределах:
ковшовые .. 4—24
радиально-осевые тихоходные ... 50—150
радиально-осевые нормальные . . 150-250
радиально-осевые быстроходные и сверхбыстроходные . . . 250—450
пропеллерные и поворотно-лопастные 300—1000
При выборе турбин необходимо стремиться к получению такого числа оборотов турбины, которое позволяло бы осуществить ее непосредственное соединение с генератором. Поэтому для низконапорных сельских ГЭС, проектируемых в условиях равнинных рек, как это следует из формулы (182), наиболее удовлетворяющими указанному условию являются быстроходные реактивные турбины.
Реактивные турбины, в отличие от активных турбин, использующих кинетическую энергию воды, ударяющейся о лопасти рабочего колеса, работают за счет реактивного давления потока, протекающего через турбину. Вода, выходящая из рабочего колеса реактивной турбины, обладает значительным запасом кинетической энергии, достигающим в быстроходных турбинах 30 и даже 50% от общей величины.
Если расположить турбину на уровне нижнего бьефа, то кинетическая энергия выходящего потока достигнет наибольшей величины и будет бесполезно теряться, вызывая к тому же вредные размывы русла в нижнем бьефе гидростанции. Низкое расположение турбины сопровождается также увеличением строительных работ и удорожанием здания ГЭС.
В целях уменьшения скоростей потока при выходе его из турбины, а также для увеличения полезно используемой энергии необходимо кинетическую энергию выходящего потока восстановить в потенциальную. Это достигается установкой всасывающей трубы под рабочим колесом турбины. В результате давление в выходном сечении турбины понижается за счет вакуума во всасывающей трубе, а давление на лопасти рабочего колеса увеличивается.
Таким образом, наличие всасывающей трубы позволяет установить турбину на высоте hs над уровнем нижнего бьефа, что при полном использовании напора ГЭС значительно сокращает затраты на строительство здания ГЭС. Очертания всасывающих труб и их размеры определяются типами труб, величиной используемого напора; гидродинамическими условиями протекания потока в трубах и назначаются в зависимости от этих условий.
Как указано выше, стремление соединять турбину с генератором на одном валу вызывает необходимость применения быстроходных турбин. Однако наряду с повышением коэффициента быстроходности возникает опасность появления кавитации.
Явление кавитации заключается в том, что при повышении скоростей течения потока сверх некоторого предела в жидкости возникает весьма интенсивная пульсация давления, сопровождающаяся внезапным большим местным разрежением с интенсивным выделением паров воды, пузырьков воздуха и кислорода. Разрежение мгновенно сменяется огромным давлением. Такое динамическое воздействие воды на лопасти рабочего колеса и направляющего аппарата в совокупности с сопутствующими химическими процессами вызывает структурные изменения в металле и постепенное его разрушение.
Во избежание появления кавитации высота всасывания hs, найденная по уравнению (183), не должна превосходить некоторого предельного значения, устанавливаемого по уравнению
О построении универсальных характеристик см. § 57.
Поскольку коэффициент быстроходности меняется с изменением напора, то изменяется и коэффициент кавитации. Поэтому коэффициенты кавитации наносят на универсальные характеристики турбин в виде изолиний, позволяющих определять их величину при различных режимах работы турбины.
Если в результате расчетов оказывается, что по условиям кавитации высота всасывания hs получается очень малой и это вынуждает понижать место установки турбины и значительно увеличивать строительный объем здания ГЭС, то необходимо увеличить мощность каждой турбины, уменьшив их число, что даст снижение коэффициента быстроходности и увеличение допустимой высоты всасывания.
Рис. 100. Схема установки прямой всасывающей трубы.
Высота всасывания для вертикальных радиально-осевых турбин измеряется от уровня нижнего бьефа до плоскости нижнего опорного кольца. Для горизонтальных турбин того же типа высота всасывания измеряется до наивысшей точки лопасти рабочего колеса.
У поворотно-лопастных и пропеллерных турбин высота всасывания равна расстоянию от уровня нижнего бьефа до оси поворота лопастей рабочего колеса.
Турбина, устанавливаемая в открытой турбинной камере, должна быть погружена под уровень воды на такую глубину, чтобы было исключено образование воронок и засасывание воздуха в турбину. Минимальная глубина погружения турбины определяется по каталогу. Для предварительных расчетов минимальная глубина турбинной камеры при установке вертикальных турбин принимается равной hминг=(1,6— —2,0) D, где D — диаметр рабочего колеса, но не менее 0,7 м.
При установке горизонтальных турбин глубина воды в камере должна быть не менее h=3,0—3,5 D. В обоих случаях большее значение коэффициента относится к турбинам с малым диаметром рабочего колеса и меньшее — к более крупным турбинам.
Установив, исходя из указанных соображений, отметку турбины, проверяют ее по условиям предельно допустимой высоты всасывания, пользуясь формулой (185), и окончательно выбирают высотное положение турбины. Длина всасывающей трубы L принимается равной расстоянию а от нижнего опорного кольца (для вертикальных турбин) или от фланца колена (для горизонтальных турбин) до уровня нижнего бьефа плюс некоторый запас b на погружение нижнего конца трубы под уровень воды (рис. 100).
Для предотвращения попадания воздуха во всасывающую трубу нижний конец ее погружается в воду ниже самого низкого уровня на 0,30 — 0,50 м.
Для конической прямой всасывающей трубы угол расхождения конуса, или так называемую конусность, принимают не более 14—16, что соответствует наибольшему гидравлическому эффекту трубы.
По известному начальному диаметру трубы Dr, соответствующему размерам турбины, находится выходной диаметр ее, вычисляемый по формуле
Если эти условия соблюдаются, то по найденным размерам всасывающей трубы подбирается ближайшая труба по каталогу. При наличии больших выходных скоростей приходится отказаться от прямой всасывающей трубы и переходить к изогнутой.
