Содержание материала

В связи с большим разнообразием параметров в СССР проведена важная работа по унификации и нормализации гидротурбин. Для реактивных турбин составлена номенклатура, сущность которой заключается в том, что весь вероятный на практике диапазон применения реактивных гидротурбин по напору (3—600 м) разбивается на участки, обслуживаемые наименьшим числом заранее установленных нормальных типов (серий) рабочих колес гидротурбин. В номенклатуру крупных гидротурбин включены гидротурбины: поворотно-лопастные с диаметрами рабочего колеса D=250-1050 см и радиально-осевые с D=180-850 см.
Номенклатура турбин устанавливает маркировку гидротурбин, типы рабочих колес, типы установок, ряды диаметров рабочих колес D (см) и основных конструктивных размеров статорной части гидротурбины. Размер турбины указывается номинальным диаметром ее рабочего колеса D, выраженным в сантиметрах. За номинальный диаметр рабочего колеса D у осевых и диагональных поворотно-лопастных и пропеллерных турбин принимается диаметр окружности точек пересечения поверхности камеры рабочего колеса и осей лопастей (см. рис. 1.2, а и б); у радиально-осевых турбин — наибольший диаметр расположения лопастей по входным кромкам (см. рис. 1.2, в); у ковшовых гидротурбин — диаметр окружности, соосной с рабочим колесом и касательной к оси струи, выходящей из сопла (см. рис. 1.2, д).
Нормальное выполнение турбин — с правым направлением вращения, т. е. по часовой стрелке, если смотреть на турбину со стороны генератора.
Образец -маркировки: ПЛ40-В-500 — это поворотно-лопастная гидротурбина с рабочим колесом ПЛ40, вертикальным валом, рабочим колесом диаметром D=500 см. Колесо турбины может применяться для напора до Н=40 м.
На рис. 1.23 изображен сводный график областей применения отдельных типов гидротурбин, вошедших в номенклатуру. График дан в логарифмических координатах. В номенклатуре для напоров 3—500 м и мощности до 900 000 кВт принято всего 17 типов колес (девять поворотно-лопастных и восемь радиально-осевых) с диаметром рабочих колес от 180 до 1050 см. Граница мощности каждой области определяется принятыми максимальными Dмах и минимальными Dмин диаметрами рабочих колес, поставленными у соответствующих пограничных наклонных линий.
Границы применяемых напоров для каждой области установлены исходя из обычно допускаемых экономически целесообразных высот отсасывания Н, а также из условия прочности. Штриховые линии соответствуют минимальному напору для каждой зоны.

Рис. 1.23. Сводный график областей применения крупных номенклатурных гидротурбин

В сводной табл. 1.3 приведены стандартные диаметры рабочих колес D1, диаметр расположения осей направляющих лопаток D0 и число лопаток. Отношение D0/D1 принято в пределах 1,16—1,2. В отдельных случаях с целью улучшения гидравлической характеристики турбины допускается увеличение D0 до (1,2-1,22)D1. Количество направляющих лопаток в зависимости от D1 принимается от z0=16 до z0= 28.
На рис. 1.24 и в табл. 1.4 изображены основные размеры проточной части номенклатурных колес поворотно-лопастных турбин, а на рис. 1.25 — размеры колес радиально-осевых турбин. Их значения приведены в табл. 1.4 и 1.5. Из рассмотрения таблиц следует, что для больших напоров поворотно-лопастные и радиально-осевые колеса имеют более стесненную проточную часть.
В табл. 1.6 и 1.7 приведены основные конструктивные и гидравлические параметры рабочих колес.
На рис. 1.26 показан профиль и размеры камеры в отношении диаметра рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины.
В качестве основного стандартного размера статорной части принят диаметр D0 расположения осей направляющих лопаток, а фактический диаметр D1 рабочего колеса в случае необходимости может иметь отклонения от номинального значения. 

Таблица 1.3. Типоразмеры реактивных гидротурбин

Размеры проточной части поворотно-лопастных гидротурбин
Рис. 1.24. Размеры проточной части поворотно-лопастных гидротурбин

Рис. 1.25. Размеры рабочих колес радиально-осевых гидротурбин
В номенклатуре гидротурбин приняты частные графики областей применения турбин отдельных серий. Частные графики построены в тех же координатах, что и сводный график, но с дополнительными данными, позволяющими определять размеры турбины и частоту ее вращения. В поворотно-лопастных турбинах; имеющих весьма пологую кривую изменения КПД η=f(N), отклонения от номинального диаметра в номенклатуре не предусматриваются (ΔD=0); необходимое варьирование мощности турбины в габаритных размерах нормального типоразмера достигается за счет установки рабочих лопастей на различные углы.

Номенклатура гидротурбин, разработанная в СССР с системой нормальных типоразмеров рабочих колес, явилась исходной базой для дальнейших работ по созданию типоразмеров статорной части турбины.
Номенклатура капсульных гидротурбин еще не создана. В табл.. 1.8 показаны данные некоторых колес турбин этого типа.  Таблица 1.4. Размеры проточной части номенклатурных поворотно-лопастных колеc в зависимости D (см. рис. 1.24)

На рис. 1.27 в логарифмических координатах приведены ориентировочные значения наиболее целесообразных диаметров, возможных мощностей и частот вращения капсульных турбин при различных напорах.

Рис. 1.26. Профиль и размеры камеры рабочего колеса поворотно-лопастной турбины

Сопоставление приведенного графика с номенклатурой вертикальных турбин показывает, что предельные значения мощностей при одинаковых напорах и диаметрах рабочих колес у горизонтальных турбин на 35—45 % выше, чем у вертикальных.  

Таблица 1.5. Размеры рабочих колес радиально-осевых гидротурбин (см. рис. 1.25)


Рис. 1.27. Ориентировочный график применения капсульных гидротурбин

Таблица 1.6. Основные параметры радиально-осевых колес
Π/р Η. Η. Ковалева

Таблица 1.7. Основные параметры поворотно-лопастных колес

Таблица 1.8. Основные параметры горизонтальных поворотно-лопастных колес


Рис. 1.28. Схема проточной части рабочего колеса поворотно-лопастной капсульной гидротурбины

Рис. 1.29. Схема проточной части диагонального поворотно-лопастного рабочего колеса

На графике отмечен диаметр D1=4 м, ниже которого применение капсульных гидроагрегатов будет затруднять доступ внутрь капсулы и проведение в ней разборки и сборки узлов; выполнение ремонтных работ в капсуле таких размеров практически невозможно. Выделена также величина предельной мощности, равная 55 000 кВт. Во-первых, генераторы большой мощности трудно разместить в капсуле; во-вторых, данные о возможности изготовления и проектирования капсульных гидроагрегатов свидетельствуют о затруднениях в создании надежной конструкции гидротурбин больших размеров, в частности, с колесом диаметром больше 8 м.

На рис. 1.28 показана схема проточной части рабочего колеса капсульной турбины.
Выше указывалось, что диагональные турбины еще не получили широкого распространения, поэтому их номенклатура еще не создана. Однако уже установлены некоторые их параметры для разных напоров, которые указаны в табл. 1.9 [22]. С изменением напора изменяется угол наклона лопастей: чем меньше угол наклона θ, тем лучше кавитационные качества колеса, но уменьшается быстроходность турбины, что приводит к уменьшению частоты вращения и соответственно к утяжелению и удорожанию гидроагрегата.
На рис. 1.29 дана схема проточной части диагонального поворотно-лопастного рабочего колеса. Относительные размеры колеса следующие:

В результате дальнейших исследований эти данные могут уточняться.

Таблица 1.9. Основные параметры диагональных колес