Для подбора реактивных турбин, наиболее распространенных на сельских ГЭС, имеется разработанная номенклатура, включающая два типа турбин: радиально-осевые и пропеллерные. Поворотно лопастные турбины ввиду их сложности изготовляются только для больших мощностей. Номенклатура содержит 15 серий, отличающихся конструкцией рабочего колеса, быстроходностью, типом турбинной камеры или конструктивным исполнением. Внутри каждой серии турбины отличаются размерами рабочих колес, которые выпускаются диаметром от 30 до 160 см. Таким образом, общее количество типоразмеров малых реактивных турбин, рекомендуемых для применения на сельских гидростанциях, достигает по номенклатуре 65.
Рис. 101. Сводный график областей применения турбин.
В указанной номенклатуре для сокращения наименования турбин принята маркировка, состоящая из трех обозначений, характеризующих тип рабочего колеса, конструктивное выполнение турбины и диаметр рабочего колеса в сантиметрах.
В соответствии с типом рабочего колеса турбины разделяются на радиально-осевые типа Френсиса (Ф), пропеллерные (Пр), пропеллерные типа Каплана (ПрК), поворотно-лопастные типа Каплана (К). Цифра, стоящая за буквенным обозначением типа рабочего колеса, указывает его номер.
Конструктивное выполнение обозначается двумя буквами, из которых первая указывает положение вала (В — вертикальное, Г — горизонтальное), вторая — тип турбинной камеры (О — открытая, Б — бетонная спиральная, М — металлическая спиральная и Ф — кожуховая фронтальная).
Последние цифры марки указывают размер рабочего колеса в сантиметрах по его наружному диаметру. Так, например, марка ПрК245-ВБ-120 характеризует пропеллерную турбину типа Каплана с рабочим колесом ПрК245, вертикальную, предназначаемую для установки в бетонной спиральной камере и имеющую диаметр рабочего колеса 120 см. Эта номенклатура охватывает весь диапазон мощностей и напоров, обычно используемых на сельских гидростанциях.
Для облегчения выбора наиболее подходящего типа турбин в зависимости от требуемой мощности и используемого напора разработан сводный график областей применения турбин разных типов (рис. 101). На этом графике указаны оптимальные пределы применимости, того или иного типа турбин и нанесены максимальные и минимальные диаметры рабочих колес Dмакс и Dмин, соответствующие наибольшим и наименьшим развиваемым ими мощностям.
Установив тип турбины, подбирают затем диаметр рабочего колеса по частным графикам, составленным для каждого типа (рис. 102—105). В этих частных графиках, кроме диаметра, указаны также нормальное число оборотов п и предельно допустимая высота всасывания Hs. Высота всасывания определяется по дополнительному графику hs, помещенному возле частного графика области применения данного типа турбин.
Для турбин типа ПрК график hs имеет две линии, верхняя из которых соответствует верхней линии мощности для данного диаметра рабочего колеса, а нижняя — нижнему пределу мощности.
Рис. 104. График областей применения турбин Ф3000-ВО и Ф300-ГО.
Если при заданном напоре Н точка, соответствующая требуемой мощности, располагается в поле применения данного рабочего колеса
между верхней и нижней линиями мощности, то высота всасывания на графике hs при этом же Н находится интерполяцией.
Для турбины ПрК245-ВО при напорах менее 8 м высота всасывания не лимитируется кавитационными условиями и выбирается из условий удобства расположения турбины; при напорах более 8 м наибольшая допустимая высота всасывания Н определяется так же, как и для турбины ПрК245-ВБ.
Для турбин Ф300-ВО и Ф300-ГО высота всасывания не ограничивается кавитационными условиями.
В том случае, когда по сводному графику турбин заданным напору и мощности соответствуют два типа турбин, то выбор одного из них производится сравнением данных по частным графикам. Решающим фактором в пользу того или иного варианта может оказаться большее число оборотов, большая высота всасывания или повышенное значение к.п.д.
Выбор числа и типов турбин производится из ряда соображений.
Стремление к сокращению стоимости ГЭС приводит к выводу о
необходимости применения возможно меньшего числа агрегатов. При этом сокращаются размеры здания ГЭС и число турбинных камер, уменьшается суммарная стоимость оборудования и упрощается его эксплуатация. Однако при наличии лишь одной турбины на гидростанции резко снижается обеспеченность энергоснабжения. В случае
вынужденных остановок турбин при аварии или для осмотра и ремонта гидростанция полностью прекращает выработку энергии. Поэтому в связи с ростом сельскохозяйственных потребителей, не допускающих перебоев в энергоснабжении, на гидростанции при изолированной ее работе должно устанавливаться не менее двух гидроагрегатов. Это позволяет на время остановки одной турбины не допускать полного перерыва в подаче энергии и, снабжая в первую очередь наиболее важные предприятия, частично удовлетворить спрос остальных потребителей.
Важным условием, определяющим число турбин на ГЭС, является характер графиков нагрузки. С увеличением коэффициента неравномерности суточного графика должно возрастать число агрегатов на станции, так как при значительных колебаниях нагрузки турбины будут отклоняться от своего оптимального режима и работать при сниженных к.п.д. и мощностях. Это обстоятельство следует иметь в виду и при выборе типов турбин учитывать их характеристики, принимая к установке такие турбины, которые допускают изменение нагрузки в широком диапазоне без значительного снижения к.п.д. Обычно на сельских гидростанциях устанавливают две — три, реже — четыре турбины одинаковой мощности.
Число оборотов выбираемых турбин должно быть по возможности наибольшим для получения непосредственного соединения турбины с генератором. При этом необходимо учитывать, что с увеличением числа агрегатов и соответственно уменьшением их мощности возможно увеличение числа оборотов и допустимой высоты всасывания. Выбор турбин и определение их основных параметров производится по графикам, либо по расчетным формулам в зависимости от требуемой точности расчетов.
Предварительный выбор турбин, необходимый для обоснования последующих водноэнергетических расчетов, производится по указанным выше графикам (рис. 101—105) в такой последовательности. По заданному расходу и напору воды и ориентировочно принятому к.п.д. 0,80—0,85 определяют суммарную мощность турбин гидростанции по формуле (179). С учетом характера графика нагрузки, а также суммарной мощности ГЭС и требований потребителей к надежности энергоснабжения назначается число агрегатов и находится мощность одной турбины.
Далее из сводного графика (рис. 101) по заданному напору и мощности определяется тип турбины. По частным графикам (рис. 102—105) по расчетному напору и мощности с учетом максимального Н и минимального Н напоров находится диаметр рабочего колеса, число оборотов и предельная высота всасывания.
По характеристике турбины находятся значения ее к.п.д., которые используются в дальнейших водноэнергетических расчетах. При окончательном выборе оборудования, после уточнения водноэнергетических показателей ГЭС, расчет производится в следующем порядке.
Определив мощность турбин, устанавливают число агрегатов и по сводному графику подбирают подходящий тип турбин, а по частным графикам — диаметр рабочего колеса. По выбранному диаметру рабочего колеса и по известным расходу и напору вычисляют затем приведенный расход по формуле (201). При найденной величине приведенного расхода по универсальной характеристике (рис. 109) находится максимальный к.п.д. модели и соответствующее ему нормальное число оборотов.
Далее по формуле (203) вычисляется к.п.д. турбины с учетом поправки на разницу диаметров рабочих колес турбины и ее модели. Пользуясь формулой (205), находят величину поправки к приведенному числу оборотов на разницу к.п.д. модели и турбины и по формуле (200) вычисляют число оборотов выбранной турбины. После этого вычисляется допустимая высота всасывания Hs по формуле (185) с использованием таблиц или формул (186) и (187, 188) для определения коэффициента кавитации σ.
Максимальное значение к.п.д. турбины соответствует неполному открытию направляющего аппарата. Радиально-осевые турбины имеют максимальный к.п.д. при открытии 75—87%, пропеллерные—при открытии 90—95%, а поворотно-лопастные — при открытии 70—75%. С дальнейшим увеличением открытия увеличивается расход, используемый турбиной, а также повышается и мощность, хотя при этом имеет место некоторое снижение к.п.д. Поэтому при расчете турбин необходимо установить их наибольшую мощность при максимальном напоре Нмакс в пределах достаточно высоких значений к.п.д. и при нормальном числе оборотов. При таком расчете уточнение числа оборотов турбины в новом режиме можно не производить, учитывая сравнительно небольшие колебания напоров гидростанций, располагаемых на равнинных реках.
По универсальной характеристике при выбранном числе оборотов турбины η1 и по значению к.п.д. при увеличенном открытии направляющего аппарата находится соответствующий им приведенный расход Q. Из формулы (201) по найденной величине Q' определяется максимальный расход через турбину Q при заданных условиях. В эту формулу подставляется значение максимального напора Нмакс за вычетом потерь в нижнем бьефе при расходе Qт. Так как заранее величина Qт неизвестна, то в формулу (201) сначала вводится Нмакс, а затем для вычисленного расхода по кривой Q=f(H) для нижнего бьефа ГЭС определяются потери напора вновь, по исправленному напору, находится расход турбины Q.
Найденные таким путем максимальный расход через турбину Qт и соответствующие ему величины к.п.д. и напора используются для вычисления максимальной мощности на валу турбины. По полученной мощности турбины находится максимальная мощность на зажимах генератора с учетом его к.п.д. и производится выбор генератора и регулятора.
При наличии нескольких агрегатов мощность на шинах ГЭС
