Справочник по гидротурбинам - Рабочие колеса

Одними из важнейших факторов, определяющих возможность создания гидравлически совершенной, технологичной и надежной конструкции лопастной системы и рабочего колеса в целом, являются форма и относительные размеры меридионального сечения его проточной части. Исходным параметром при проектировании проточной части рабочего колеса служит высота направляющего аппарата. Относительная высота b0=b0/D1 направляющего аппарата должна выбираться из гидравлических соображений с учетом его прочности, а в радиально-осевых гидротурбинах —  и прочности рабочего колеса.
Наиболее важным параметром, в большой степени определяющим энергетические и кавитационные качества рабочего колеса поворотно-лопастной и пропеллерной гидротурбин, при принятой форме камеры является втулочное отношение dвт=dвт/D1.
Для каждого диапазона напоров турбины существует свое оптимальное втулочное отношение. Однако его выбор в отдельных случаях ограничивается условиями прочности элементов конструкции рабочего колеса. В рабочих колесах радиальноосевых гидротурбин таких ограничений нет, что облегчает оптимизацию их элементов проточной части. Большое влияние на гидравлические показатели радиально-осевого рабочего колеса (на КПД) оказывает форма обода и относительный диаметр D2=D2/D1его выходного сечения. Уменьшение D2 способствует повышению КПД,
но при этом растет значение критического кавитационного коэффициента и требуемое заглубление турбины. Форма ступицы в отличие от обода оказывает меньшее влияние. на гидравлические характеристики (на КПД) рабочего колеса. Однако применение плоской ступицы в области расположения лопастей не рекомендуется. При этом на отдельных режимах эксплуатации гидротурбин снижается эффективность работы колеса, особенно в области сечений, примыкающих к ступице.
Для получения хороших показателей рабочего колеса необходимо обеспечить плавное изменение кривизны контуров, образующих его меридиональное сечение, особенно в области зоны перехода от направляющего аппарата к ободу колеса. При выборе формы и относительных размеров меридионального сечения проточной части рабочего колеса обычно пользуются нормативными материалами, которые отражают опыт, накопленный в гидротурбостроении. Размеры проточной части рабочих колес осевых поворотно-лопастных турбин выбираются в зависимости от напора и номинального диаметра по указанным на рис. 1.24 соотношениям.
Обтекаемая торообразная поверхность крышки турбины по технологическим соображениям в отдельных случаях выполняется из трех-четырех конусов. Форма и размеры камеры рабочего колеса принимаются в соответствии с рис. 1.26. Форма и относительные размеры меридионального сечения рабочего колеса диагональных гидротурбин указаны на рис. 1.29, параметры их приведены в табл. 1.7. Остальные размеры втулки и форма контуров ее сопряжения с конусом и крышкой турбины определяются в процессе конструктивных разработок с учетом обеспечения требуемых гидравлических показателей турбины.
Форма и относительные размеры проточной части радиально-осевых рабочих колес выбираются в зависимости от напора и быстроходности гидротурбины и приведены на рис. 1.25 и в табл. 1.4. Эти данные могут быть использованы в качестве исходных при проектировании рабочих колес и подлежат уточнению в процессе отработки лопастной системы и конструкции колеса в целом для конкретных условий.
При проектировании рабочих колес повышенной пропускной способности и частоты вращения следует ориентироваться на размеры D2, близкие к верхнему, a D3 — к нижнему пределам. Увеличение размера D2 также способствует уменьшению критического коэффициента кавитации. При этом, однако, увеличиваются потери в колесе и снижается его КПД.
Гидродинамический расчет и профилирование лопастной системы в настоящее время основываются на решении комплекса задач пространственного движения жидкости в колесе и сопряженных с ним элементах проточной части гидротурбины [30, 56]. Оптимизация геометрических характеристик лопастной системы и меридионального сечения рабочего колеса в процессе проектирования осуществляются на основании расчета потерь энергии и их баланса для всей проточной части турбины.