6.2 Способы регулирования расхода и мощности турбины.

Рассмотрим применяемые способы регулирования расхода реактивных гидротурбин.

Рисунок 6.3 Способы регулирования расхода через турбину:

а) – изменением открытия Н.А.,

б) – изменением угла установки лопастей РК

1. Регулирование расхода при помощи направляющего аппарата с поворотными лопатками. При изменении открытия направляю­щего аппарата (рис. 6.1, 6.3, а) угол потока (струйный угол) ά₀ на выходе из него также меняется.

При закрытии направляющего аппарата угол ά₀ и расход через турбину уменьшаются. При открытии направляю­щего аппарата величина угла ά₀ растет (ctgά₀ уменьшается), по­ этому расход увеличивается.

Этот способ регулирования расхо­да применяют в радиально-осевых и пропеллерных гидротурби­нах. Синхронный поворот лопаток осуществляется при помо­щи сервомоторов направляющего аппарата и механизма пово­рота.

2. Двойное регулирование расхода при помощи поворота лопа­ток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса.

В этом случае имеет место одновременное и согласованное изменение углов ά₀ и γ₂ = 180 - β₂. Этот принцип регулирования применяют в поворотно-лопастных осевых и диагональных гидротурбинах.

Возможны и другие способы регулирования расхода, но приме­няют их значительно реже. К ним относятся следующие:

3. Регулирование расхода за счет изменения угла потока γ₂ на выходе из рабочего колеса. При этом угол установки лопастей рабочего колеса меняется (поворотные лопасти), а лопатки направляющего аппарата — неподвижные. Этот способ регулирования применяется для турбин Томана—Каплана.

4. Изменение высоты направляющего аппарата при помощи изменения положения цилиндрического щита, установленного перед направляющим аппаратом. Опусканием и подниманием щита регу­лируют расход через гидротурбину.

5. Одновременное изменение высоты аппарата и положения его лопаток. Такое регулирование расхода осуществимо для радиально-осевой гидротурбины средней быстроходности, имеющей ци­линдрическую форму лопасти у верхнего обода рабочего ко­ леса.

Таким образом, способы 1, 3, 4 относятся к одиночным способам регулирования расхода. Способы 2 и 5 обеспечивают двойное регулирование рас­хода. Гидротурбины двойного регулирования расхода имеют высо­кие значения КПД в широком диапазоне изменения напора и мощ­ности, т. е. значительно эффективнее по сравнению с гидротурби­нами одиночного регулирования.

Следует отметить, что регулирование расхода в гидротурбинах поворотом лопаток направляющего аппарата принципиально отличается от регули­рования расхода дросселированием, например задвижкой. В последнем случае расход изменяется за счет потерь в дросселирующих устройствах; при регулировании расхода направляющим аппара­том потери в нем весьма малы и не оказывают на расход заметного влияния (в зоне нормальных открытий).

6.3 Комбинаторная зависимость поворотно-лопастной осевой турбины.

Двойное регулирование одновременно и направляющим аппаратом и рабочим колесом имеет ряд преимуществ:

• позволяет сохранить высокие значения КПД в широком диапазоне мощностей и напоров;

• значительно улучшить рабочую харак­теристику, а также избежать неспокойных режи­мов работы турбины на всем диапазоне изменения мощности;

• сохранить возможность полного прекращения расхода и оста­новки турбины без применения затвора, чего нельзя сделать при отсутствии направляющего аппарата.

Благодаря этим каче­ствам поворотно-лопастные турбины нашли самое широкое при­менение в своем диапазоне напоров.

Поворот лопастей рабочего колеса и открытие лопаток направляю­щего аппарата (рисунок 6.3 а, б), связаны так называемой комбинаторной зависимостью. В общем виде эта зависимость может быть представлена как:

φ = f ( а₀, Н)

где, f есть некоторая функция.

В основе получения данной зависимости находится условие min Г₂ (Г₂ → 0), т.к. основная часть гидравлических потерь на в турбине связана с циркуляционным потоком на выходе. Его энергия теряется безвозвратно.

Однако, благодаря согласованному по­ложению лопаток и лопастей на комбинаторных режимах по­ток на выходе из рабочего колеса слабо закручен (Г₂ ≈ 0), вследствие чего обеспечивается максимально возможный к.п.д. турбин.

Важно отметить, что исходя из уравнения для определения расхода через рабочее колесо Q (6.1), при ω = const и Н_Т = const , каждому значению а₀ (или ά₀) соответствует только одно значение угла γ₂ (т.е. φ – угла поворота лопасти), при котором Г₂ ≈ 0.

Однако выразить эту функцию аналитически довольно сложно. Практически эта зави­симость определяется опытным путем на модели. Для этого, при испыта­ниях моделей гидротурбин при постоянном значении напора Н и заданных углах φ находят такие значения открытий а₀, при которых к. п. д. имеет наибольшее значение, и по результатам строят комбинаторную кривую в координатах (φ, а₀ ).

П овторяя такие испытания при различных значениях Н, получают семей­ство кривых, которые, будучи расположены в пространстве в ко­ординатах (φ, а₀ Н), образуют комбинаторную поверхность, аппроксимирующую искомую зависимость (рисунок 6.4, а).

Рисунок 6.4. Комбинаторные кривые при разных напорах (а) и построение кулачка комбинатора (б)

Поворот лопасти в соответствии с этой зависимостью зада­ется автоматически специальным управляющим устройством, называемым комбинатором, который обычно устанавливается в колонке регулятора скорости, управляющего направляющим аппаратом. Функциональная связь параметров (φ, а₀ Н) осу­ществляется специальным пространственным кулачком 1 (рис. 6.4), кото­рый при изменении открытия направляющего аппарата пово­рачивается на некоторый угол (рис. 6.4, 6) и перемещается вдоль оси при изменении напора. Поверхность кулачка пред­ставляет комбинаторную поверхность, выполненную в цилин­дрических координатах. Катящийся по ней ролик 2 следящего устройства перемещается вдоль оси направляющего стержня 3 в соответствии с изменяющимися режимами и через систему тяг и рычагов воздействует на золотник комбинатора.

Принципиальная схема комбинатора показана на рисунке 6.5. Специальное следящее устройство комбинатора получает при перемещении сервомотора направляющего аппарата 1 импульс от кулачка 2 и передает его через ролик 3, тягу 5 и усилитель, показанный в виде рычага 4, золотнику комбинатора 7, кото­рый, перемещаясь, подает по трубе 8 в сервомотор рабочего колеса 10 масло под давлением соответственно на открытие или закрытие лопастей 15, осуществляемое механизмом поворота лопастей рабочего колеса через шток 11, крестовину 12, серьгу 13 и рычаг 14.

Рисунок 6.5. Принципиальная схема комбинаторного устройства.