Размещено на http://www.allbest.ru/

7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор основных параметров и основы проектирования вертикальных реактивных гидротурбин

Исходные данные:

Прототип ГЭС - Чир-Юртская ГЭС-1;

Минимальный напор H_min=39,5 м;

Расчетный напор H_p=42,3 м;

Максимальный напор H_max=45,3;

Номинальная мощность турбины N= 45000кВт;

Отметка относительно уровня моря =90 м;

1. Выбор системы турбины и типа рабочего колеса

Выбор системы гидротурбины и типа рабочего колеса зависит от исходных данных, принятых для конкретной гидроэлектростанции, он производиться по максимальному напору. Выберем систему поворотно-лопастной гидротурбины (гидротурбина Каплана), ее применяют на напоры Н = 5…80 м, выбираем тип рабочего колеса по таблице 1.1 [2] - ПЛ50/1075-В-46.

ПЛ турбины по сравнению с РО являются более быстроходными, т. к. они имеют значительно большие значения оптимальной частоты вращения и большую пропускную способность. Следовательно, при одинаковых напорах и мощности размеры ПЛ турбины и стоимость генератора будут меньше. ПЛ турбины имеют более пологую кривую зависимости изменения КПД от изменения расхода и напора и соответственно будут работать при более высоких значениях КПД при напорах и мощности, отличающихся от оптимальных значений, таким образом среднее значение КПД у ПЛ турбин больше по сравнению с РО. Также ПЛ турбины имеют более длительный межремонтный период, они могут быть запущены в эксплуатацию при пониженных напорах на ГЭС в период продолжающегося строительства плотины без применения сменных рабочих колес.

По табл. 1 [1] выбираем:

1. Система гидротурбины поворотно-лопастная;

2. Тип рабочего колеса ПЛ50;

3. Максимальный напор H_наиб.=50 м, H_наим.=30 м.

Рис. 1. Универсальная характеристика выбранной гидротурбины ПЛ50/1075-B-46

2. Определение и выбор диаметра рабочего колеса

где N - номинальная мощность гидротурбины, кВт;

- приведенный расход в расчетной точке, м³/с (=1,4 м³/с);

- расчетный напор гидротурбины, м;

- КПД натуральной гидротурбины, соответствующий режиму ее работы в расчетной точке.

КПД натурной гидротурбины определяется следующим образом:

,

где - КПД модельной турбины в рабочей точке универсальной характеристики;

- поправка за счет масштабного эффекта (=3%)

.

Для поворотно-лопастных гидротурбин значение Q'₁ в формуле для определения диаметра должно быть таким, при котором обеспечивается достаточно высокое значение КПД турбины и не происходит существенного развития кавитационного процесса. Как правило это обеспечивается, когда в расчетной точке приведенный расход больше оптимального на 30-50%, т.е.

Итак,

.

Подсчитанный диаметр рабочего колеса округляется до ближайшего большего стандартного, т.е. D₁=3,7 м. За счет увеличения диаметра приведенный расход уменьшается, а КПД несколько возрастает, т.е. происходит смещение расчетной точки по приведенному расходу , что необходимо учесть при определении координаты рабочей точки, т.е.

.

3. Определение и выбор нормальной частоты вращения

Частота вращения турбины предварительно определяется по формуле:

,

где - оптимальная приведенная частота вращения турбины, определяется по формуле

где и - максимальное значение КПД, соответственно, натурной турбины и модели;

- оптимальная приведенная частота вращения модели.

и определяем с помощью универсальной характеристики.

причем

,

где - диаметр рабочего колеса модельной гидротурбины, м;

- диаметр рабочего колеса натурной гидротурбины, м;

- напор модельной гидротурбины, м (=12 м);

- рабочий напор натурной гидротурбины, м.

об/мин

об/мин

Нормальная частота вращения n должна быть строго определенной и равной синхронной частоте вращения ротора генератора. Вычисленное значение частоты округляется до ближайшего из стандартного ряда по таблице 1.6 [1] т.е. n=200 об/мин.

Для дальнейших расчетов необходимо найти поправки по КПД и по приведенной частоте вращения, учитывающие увеличение этих характеристик натурной турбины по сравнению с моделью за счет масштабного эффекта.

об/мин

4. Построение зоны работы турбины на универсальной характеристике

Гидротурбина при нормальной эксплуатации под нагрузкой работает с нормальной синхронной частотой вращения n. Однако в аварийных ситуациях частота вращения ротора будет быстро возрастать и может достигнуть максимального значения для данной гидротурбины, которая называется разгонной частотой вращения.

Очень важно знать и учитывать разгонную частоту вращения:

1. при расчетах на прочность деталей рабочего колеса гидротурбины и других деталей, связанных с валом турбины;

2. при расчете на прочность ротора генератора;

3. при расчете вала агрегата на критическое число оборотов;

4. для определения усилия сервомотора рабочего колеса ПЛ гидротурбин в тех случаях, когда защита от разгона осуществляется разворотом лопастей.

Разгонная частота вращения агрегата зависит от гидравлических характеристик рабочего колеса и максимального напора гидротурбины.

Разгонную частоту вращения натурной гидротурбины определяем по формуле:

На стадии эскизного проектирования значение можно оценить приближенно из соотношения:

,

где -коэффициент разгона (=2,6 для ПЛ50 по табл. 1.7 [1]).

об/мин

об/мин.

6. Определение величины осевого усилия

Для расчета и конструирования вала и упорного подшипника необходимо знать величину усилия , действующего вдоль оси вращения. На стадии эскизного проектирования гидроагрегата, определяют приближенно по формуле:

,

где - гидравлическая составляющая осевого усилия;

- вес рабочего колеса гидротурбины;

- вес вала гидротурбины;

- вес ротора генератора;

- вес вала генератора

,

где - коэффициент, определяемый приближенно системой турбины и типом рабочего колеса, кН/м³; (табл. 1.8, [1] =7,2).

кН

Вес рабочего колеса и вес вала турбины определяются конструкцией гидротурбины. В курсовом проекте будем использовать следующие эмпирические формулы:

,

где К=3,9…7,1 кН/м³ (К=7,1 кН/м³)

кН

кН

Определим общий вес генератора в зависимости от мощности и частоты вращения ротора генератора по формуле:

кН

В курсовом проектировании разрешается принимать

G_{р г} + G_{в г}=0,5G

кН

рабочий колесо турбина частота

7. Определение критической высоты отсасывания

Высоту отсасывания необходимо определять в связи её влияния на степень развития кавитации на рабочем колесе. С увеличением высоты отсасывания Н_s уменьшается величина кавитационного коэффициента установки, а также значения давлений в области рабочего колеса.

С достаточной точностью величину H_sкр можно найти по формуле:

,

где величину К_у следует принимать в пределах 1,05-1,1;

=90 м - отметка расположения станции над уровнем моря;

у =0,415 - линия постоянных значений кавитационного коэффициента турбины на универсальной характеристике.

При К_у =1,05 (запас составляет 5%) на рабочем колесе будет сильно развитая кавитация, но при этом будет гарантированно получение расчётной мощности. Затраты на сооружение ГЭС будут минимальными.

При К_у =2 (запас составляет 100%) может быть большое заглубление, и затраты на сооружение ГЭС будут максимальными. Но в турбине не будет кавитации.

м.

Н_{s кр} = -8,53 м

8. Построение эксплутационной характеристики гидротурбины

Режимы работы гидротурбин при эксплуатации не сохраняются постоянными. При изменении напора и мощности изменяются расход турбины, коэффициент полезного действия и коэффициент кавитации. Частоту вращения турбины сохраняют постоянной. Для правильной эксплуатации турбины важно знать взаимосвязь указанных величин. С это целью для полной картины энергетических свойств конкретной турбины, имеющий диаметр рабочего колеса D₁ и частоту вращения n, строят ее эксплуатационную характеристику. Эксплуатационная характеристика показывает зависимость КПД от нагрузки при разных значениях напора и является техническим паспортом гидротурбины. На эксплуатационную характеристику наносят также линии постоянных значений открытий направляющего аппарата a₀=const, линии равных высот отсасывания Н_s=const и линия ограничения мощности.

9. Построение линий равных значений коэффициента полезного действия турбины

Построение линий равных открытий направляющего аппарата выполняем на основе линий а_ом= const указанных на универсальной характеристике гидротурбины.

Значение открытия направляющего аппарата турбины определяем по формуле:

где а_oм - значение открытия модельной турбины,

D₁, D_1м - диаметры рабочих колес турбины и модели (в данном проекте D₁=3,7 м, D_1м=0,46 м)

z_oм, z_oт - число лопаток направляющего аппарата турбины и модели. В данном курсовом проекте принимаем z_oм = z_oт.

Построение линий производится в следующем порядке:

1. Определяем по универсальной характеристике приведенный расход в точках пересечения горизонтальных линий , соответствующих заданным напорам, с линиями .

2. Из графиков (см. рис. 5) определяем для каждого напора значения мощности при величинах .

3. По значениям величин мощности N для одного открытия а_0T, и значениям напоров Н строим линии на эксплуатационной характеристике

Координаты точек а_оТ= const в координатной плоскости (N, H) приведены в таблице 6.

Аналогично строятся линии постоянных углов лопастей ц=const. При этом значения углов ц для модели и натуры являются одинаковыми (см. табл. 7).

Комбинаторная характеристика представлена на рис. 6.

Полученные линии изображены на рисунке 2.

Табл. 6

Табл. 7

12. Построение линии ограничения мощности турбины

Линия ограничения мощности гидроагрегата на эксплуатационной характеристике представляет собой ломаную линию и делит характеристику на две части: левую (рабочую) и правую (нерабочую).

Участок АВ - вертикальная прямая, определяемая номинальной мощностью турбины: в точке В турбина при напоре Н_р развивает номинальную мощность N (N = 58,8 МВт). При напорах больше расчетного турбина может развивать мощность больше номинальной, но её увеличение ограничивается мощностью генератора, поэтому на всех напорах от расчетного до максимального линия ограничения мощности представляет собой вертикальную линию N =const.

При напорах меньше расчетного турбина не может обеспечивать номинальную мощность, поэтому линия ограничения мощности отклоняется на эксплуатационной характеристике от вертикального направления влево. В этой зоне мощность турбины ограничивается максимальным открытием направляющего аппарата, которое принимается равным открытию в точке В при расчетном напоре. Поэтому линия ограничения мощности ВС совпадает с линией a_0Т=const.

Литература

1. Бусырев А.И., Топаж Г.И. Лопастные гидромашины. Выбор основных параметров и элементов проточной части реактивных гидротурбин: Учебное пособие. СПб.: изд-во Политехнического ун-та, 2007. 123 с.

Размещено на Allbest.ru