§ 57. Построение и использование характеристик турбин и гидростанций
Для уточнения водноэнергетических расчетов при различных режимах работы гидростанции необходимо иметь характеристики ГЭС и отдельных ее агрегатов. При расчетах возникает необходимость в учете изменения к.п.д. выбранных турбин при колебаниях нагрузки в течение суток, а также в зависимости от глубины сработки верхнего бьефа и повышения уровня нижнего бьефа. Кроме того, при непосредственном соединении турбины с генератором нормальные числа оборотов их не всегда совпадают; поэтому важно установить характер влияния отклонения оборотов турбины от нормальных на ее к.п.д.
Рис. 106. Оборотные характеристики турбин.
Эти задачи решаются с помощью турбинных характеристик, получаемых в результате заводских лабораторных испытаний моделей
турбин. Для различных расчетных задач используют следующие основные характеристики турбин: оборотную, рабочую, универсальную и эксплуатационную.
Оборотные характеристики (рис. 106) показывают зависимость к.п.д., расхода Q, мощности N и вращающего момента М от числа оборотов турбины при заданном постоянном открытии направляющего аппарата и постоянном напоре Н.
При заданном открытии направляющего аппарата а расход воды Q с изменением числа оборотов п изменяется по-разному в зависимости от типов турбин. У тихоходных радиально-осевых турбин он уменьшается с увеличением п, у быстроходных радиально-осевых и пропеллерных турбин — возрастает с увеличением п. Это обусловлено различием в величине гидравлических потерь при прохождении потока по каналам рабочего колеса.
Мощность турбины N и ее к.п.д. в момент торможения (при п=0) равны нулю, так как энергия воды полностью расходуется на гидравлические сопротивления. С возрастанием п мощность турбины увеличивается, достигая наибольшего значения при некотором числе оборотов, которое, вообще говоря, может не совпадать с нормальным числом оборотов, соответствующим максимальному значению к.п.д. При дальнейшем увеличении числа оборотов мощность, отдаваемая турбиной, и ее к.п.д. уменьшаются и при п=пх, когда турбина достигает предельного для нее разгонного числа оборотов, N и η равны нулю.
Рис. 107. Построение рабочей характеристики турбины.
а — открытие направляющего аппарата, n — число оборотов, η — коэффициент полезного действия.
Рис. 112. Эксплуатационная характеристика ГЭС.
1 — линия ограничения мощности ГЭС мощностью генератора, 2 — линия ограничения максимальной мощности, Турбина ПрК246-ВБ-120 с углом установки лопастей рабочего колеса φ = +10°.
при полном открытии турбины, данные для построения которой получаются при расчете эксплуатационной характеристики. Если турбина подбирается с запасом мощности 5%, то точки кривой N=f(H) вычисляются умножением максимальной мощности при соответствующем напоре на величину 0,95.
Таблица 126
Кроме того, на характеристике наносится линия ограничения мощности турбины максимальной мощностью генератора.
Для оценки работы гидростанции в целом при заданном числе агрегатов строится эксплуатационная характеристика ГЭС на валу турбин. При нанесении линий равных к.п.д. для ГЭС с двумя одинаковыми агрегатами по оси откладываются удвоенные величины мощности, соответствующие данному напору; при трех агрегатах откладывается тройная мощность и т. д. На рис. 112 представлена эксплуатационная характеристика ГЭС с тремя турбинами ПрК245- ВБ-120, построенная по данным табл. 126. Если на эксплуатационной характеристике провести горизонтальную линию при каком-либо напоре Н, то точки пересечения ее с изолиниями к.п.д. будут являться точками рабочей характеристики η=f(N) при заданном напоре Н.
