Сравним различные варианты турбин:

Так как колебания напора ГЭС не очень велики, то можно выбрать РО турбины.

Вариант с РО турбинами при одинаковом числе агрегатов дает меньшую стоимость турбины и строительных работ.

РО колеса этого типа имеют самую большую быстроходность и большие значения кавитационных коэффициентов.

Сравнив два варианта РО турбин, выбираем РО 75 - ВМ - 425.

Так как D₁ = 4.25 м - предпочтительнее выбрать турбину с меньшим диаметром рабочего колеса, так как это влияет на массу и размеры гидротурбины.

РО 75 - ВМ - 425 имеет высокую частоту вращения n = 150 об/мин. От частоты вращения n зависит масса и размеры генератора. Частота вращения ротора и рабочего колеса турбины при работе под нагрузкой всегда должны быть строго постоянными, равными синхронной частоте вращения.

Также выбранная турбина обладает высоким КПД. Лишь незначительно уступая КПД РО 75 - ВМ - 450.

H_S = - 7.81 м - высота отсасывания характеризует положение турбины относительно уровня НБ. Может быть тем больше, чем меньше кавитационный коэффициент турбины.

Следовательно, РО 75 - ВМ - 425 обладает лучшими кавитационными качествами, чем РО 75 - ВМ - 450

РО 75 - ВМ - 425 имеет наименьшие размеры блока В = 16.7 и небольшую высоту заглаживания h_з = 16.63 м.

гидротурбина гидромеханический спиральный труба

2. Расчет и построение рабочих характеристик гидротурбины

Для выбранной гидротурбины необходимо рассчитать и построить зависимость ?=f(N), H_S=f₁(N), и Q=f₂(N) при нормальной (синхронной) частоте вращения n для четырех значений напора, а именно: H_p, , и H_ср, причем среднее значение (с округлением до 0,5 м) определяется так:

H_ср = (65 +71)/2 = 68, если (- H_p)=6 >( H_p -)=4;

Расчет рабочих характеристик производится на основании УХ модели. Данные расчета рекомендуется свести в табл. 9.

Пояснения к табл. 9.

2.1 Такие таблицы заполняются для каждого напора H_p, , и H_ср.

Каждому напору соответствует определенное значение приведенной частоты вращения, определяемое по формуле

H_ср (15)

H_p

2.2 В графы 2 и 3 табл. 9 записываются значения КПД модели и приведенного расхода, определяемые по универсальной характеристике модели в точках пересечения линии n?₁=const с изолиниями КПД

Рекомендуется пересчитать и режимы с наибольшим значением ?_м при каждом n?₁, которые определяются по универсальной характеристике в середине между точками пересечения линии n?₁=const с центральной изолинией КПД.

2.3 В графы 4, 5 и 6 табл. 9 записываются значения коэффициента кавитации ?, КПД модели ?_{м ?} и приведенного расхода Q?_1у, определяемые по универсальной характеристике в точках пересечения линии n?₁=const с изолиниями

При этом значения ?_{м ?} определяются с помощью линейной интерполяции.

2.4 В графы 7, 8 и 9 табл. 9 записываются значения КПД, расхода и мощности натурной турбины, вычисленные по формулам

Q = D²₁(mH)^0,5Q?₁ = k_QQ?₁; (17)

N = 9,81D²₁(mH)^1,5Q?₁?_м = k_NQ?₁?_м (18)

Здесь - поправка на масштабный эффект, вычисленная по формуле (5) для оптимального режима турбины и условно принимаемая постоянной во всей рабочей зоне турбины; m - вычисленное по формуле (6) отношение КПД натуры и модели; значения ?_м и Q?₁ берутся из граф 2 и 3 табл. 9.

2.5 В графах 10 и 11 табл. 9 записываются значения допустимой высоты отсасывания , вычисляемые по формуле (12), и соответствующие им значения мощности натурной турбины:

N_у = k_NQ?_1у ?_{м у,} (19)

где k_N - определенный по формуле (18) коэффициент мощности, Q_1у и _{м у} берутся из граф 5 и 6 табл. 9. В формулу (12) надо подставлять то значение напора, для которого вычисляется H_S.

2.6 По данным табл. 9 строятся рабочие характеристики турбины для четырех напоров, причем данные берутся для:

· ??= f (N) - из граф 7 и 9;

· H_S = f₁ (N) - из граф 10 и 11;

· Q = f₂ (N) - из граф 8 и 9.

Таблица 9а

Для Н_р=65 м

Таблица 9б

Для Н_max= 71 м

Таблица 9в

Для Н_ср=68 м

Таблица 9г

Для Н_min= 62 м

3. Построение эксплуатационной характеристики турбины

Необходимо построить эксплуатационную напорно-мощностную характеристику турбины, используя для этой цели построенные рабочие характеристики ?=f(N) и H_S=f₁(N), а также вспомогательные зависимости открытий направляющего аппарата а_о=f₃(N)

3.1 Расчет зависимостей а_о=f₃ (N)

проводится на основании универсальной характеристики турбины для четырех напоров (H_р, , , H_cр). Данные расчета рекомендуется свести в табл. 10 и 11.

3.2 В графы 2, 3 и 4 табл. 10 записываются значения открытия модели а_{о м}, КПД модели и приведенного расхода в точках пересечения горизонтали n?₁=cоnst c изолиниями а_ом на универсальной характеристике (значения ?_м определяются интерполяцией).

3.3 В графу 5 табл. 10 записываются значения а_о натурной турбины, определяемые по формуле

а_о = а_{о м}· 5,1 /0,46· 24 /20, (20)

где D_ом и Z_ом - диаметр окружности расположения осей лопаток направляющего аппарата и число этих лопаток у модели (указаны на универсальной характеристике); D_о и Z_о- то же для натурной турбины в соответствии со стандартом, указаны в /Л.8/ табл. 16, причем для РО - турбин

D_о = 1,2 · 4,25= 5,1, (21)

3.6 Мощность в графе 6 (табл. 10) определяется по формуле (18)

3.7 Используя данные табл. 10, строят зависимости а_о= f₃ (N) для четырех напоров

3.8 В координатах N, H наносятся изолинии КПД ?? (8-10 кривых через 1-2% КПД), линии равных допустимых высот отсасывания (4 - 5 линий), линии равных открытий направляющего аппарата а_о.

Для этой цели графики зависимостей ?=f(N), H_S=f₁(N), а_о=f₃(N) и рассекаются горизонтальными линиями, и точки их пересечения переносятся на поле N, H (по соответствующим значениям напора и мощности). Соединяя точки равных КПД, равных и т.д., получают эксплуатационную характеристику.

3.9 На эксплуатационной характеристике проводится линия ограничения мощности

причем:

а) на участке от до H_р линия ограничения, как правило, является вертикальной прямой (N=const) и соответствует значению номинальной мощности турбины (ограничение по генератору);

б) на участке от H_р до линия ограничения является наклонной линией и соответствует постоянству одного из следующих параметров:

а_о = сonst (ограничение по а_{о макс});

=const (ограничение по _мин).

При этом ограничивающее значение принятого параметра (а_о или ) соответствует величине этого параметра в «расчетной точке» и определяется из построенных графиков а_о=f₃(N), =f₁(N) для H_р и заданной номинальной мощности. Из этих же графиков определяется и значение мощности N*, которое соответствует линии ограничения при H_мин.

Конструктивная реализация линии ограничения проще всего осуществляется при а_о=const. Поэтому следует отдавать им предпочтение.

Таблица 10а

Для Н_р= 65 м

Таблица 10б

Для Н_max=71 м

Таблица 10в

Для Н_ср= 68 м

Таблица 10г

Для Н_min= 62 м

3.10 Указания

а) На эксплуатационной характеристике необходимо замкнуть те изолинии КПД, которые замыкаются в поле характеристики (в пределах от до ). Для этого по формуле (16) определяется соответствующее значение ??_м =- (где из п.1.5, - КПД, для которого проводится расчет для замыкания), и по нему на универсальной характеристике находится изолиния ??_м=const. Далее на универсальной характеристике определяются верхняя и нижняя горизонтали n?₁=соnst, являющиеся касательными к изолинии ??_м=соnst, и в точках касания определяются значения n?₁, Q?₁, по которым рассчитываются по формулам (15) и (18) значения Н и N точек замыкания кривой на эксплуатационной характеристике.

Вывод напора Н из формулы (15)

где m - из п. 1.5; п - из п. 1.6.

Из формулы (18) мощность выражается

.

Вычисления свести в табл. 1.

Таблица 12

4. Разработка габаритного эскиза турбинной установки

4.1 Турбинные камеры

В зависимости от значения напора спиральные камеры выполняются бетонными, металлическими или сталежелезобетонными.

При напорах до 50 м применяются бетонные, от 50 до 80 м - бетонные с металлической облицовкой, от 40 до 700 м - металлические в сварном или литом исполнении, при напорах 100-300 м и больших расходах - сталежелезобетонные камеры.

Значения применяющихся углов и приведены в таблице 11 /Л.8/.

4.2 Гидромеханический расчет спиральной камеры

4.2.1 Средняя скорость во входном сечении спирального канала определяется от напора либо по кривой /Л.3, рис. 101/, либо по формуле

(22)

где k_с - скоростной коэффициент: для турбин с бетонными спиральными камерами 0,85 при Н=40м, 1,0 при Н=3м; с металлическими камерами - 0,5 при Н=500м и 0,85 при Н=40м. При промежуточных напорах его определяют линейной интерполяцией по указанным выше крайним значениям.

Например

k_с=0,5+0,35=0,83

4.2.2 Расход воды Q_o, м³/сек, через турбину при номинальной мощности N и расчетном напоре Н_р

Q_o= (23)

4.2.3 Полный расход , м³/сек, через спираль во входном ее сечении, соответствующий наибольшему координатному углу (углу охвата) ^о_макс, равен

= (24)

4.2.4 Радиус входного сечения спирали, м:

(25)

4.2.5 Радиус выходных кромок колонн статора, м:

r _b= (26)

где D_b - диаметр окружности, проходящий через выходные кромки колонн или ребер статора, м, даны в табл. 16 /Л.8/.

4.2.6 Радиус входных кромок колонн статора, м:

r_a= (27)

где D_a - диаметр окружности, проходящий через входные кромки колонн или ребер статора, м, даны в табл. 16 /Л.8/.

4.2.7 Постоянная спирали С

С= (28)

4.2.8 Радиусы меридиональных сечений и радиусов, наиболее удаленных от оси точек этих сечений при различных углах находятся на основе формулы

, (29)

и определяется соответствующая величина

r = r_а+2с. (30)

4.2.9 Диаметр сечения, примыкающего к трубопроводу и пропускающего полный расход Q_o, м:

D_тр= (31)

4.2.10 Площадь входного сечения, м²:

(32)

4.2.11 Расход Q, м³/сек, для различных радиальных сечений:

(33)

4.2.12 Средние окружные скорости воды в сечениях спирали, м/сек:

(34)

4.2.13 Длина L, м:

, (35)

где = 15⁰.

4.2.14 Следует заметить, что ближайшие к зубу радиальные сечения (16-23) имеют эллиптическую форму. Размеры эллипсов определяются расчетом, принимая .

Для нахождения эллипса определим среднюю скорость, м/сек:

(36)

Определим радиус эллипса, м:

(37)

Результаты этих расчетов занесены в табл. 13.

4.3 Расчет отсасывающей трубы

Нормы технологического проектирования гидроэлектростанций рекомендуют принимать высоту отсасывающих труб h для осевых турбин не менее , для радиально-осевых турбин - не менее и для диагональных - не менее .

В табл. 18 /Л.8/ приведены характерные размеры изогнутых отсасывающих труб гидротурбин, используемых при разных напорах. Рассматриваемые в таблице параметры указаны в безразмерных величинах относительно номинального диаметра рабочего колеса .

При ширине отсасывающей трубы в выходном диффузоре допускается установка опорного бычка. Толщина бычка принимается в пределах . Расстояние от оси гидротурбины до входной кромки бычка принимается . . .

При большой ширине отсасывающей трубы, например, при , в ней возводят два бычка. Число бычков определяется при расчете перекрытия отсасывающей трубы.

В табл. 14 приведены размеры отсасывающих труб.

Таблица 13

К расчету металлической спиральной камеры