3.Выбор гидротурбин по главным универсальным характеристикам.

Подбор оборудования с использованием главных универсальных характеристик состоит в том, чтобы для каждого рассматриваемого типа турбин наметить такие варианты диаметра рабочего колеса D₁ и синхронной частоты вращения n_c, при которых в области допустимых режимов по напору и расходу воды проектируемая ГЭС работала бы с наименьшим КПД при минимальном заглублении и количестве установленных агрегатов. Оптимальный вариант оборудования ГЭС выбирается на базе экономического обоснования.

Область допустимых режимов работы проектируемой ГЭС называется режимным полем по расходу и напору. Верхней границей режимного поля является напорная характеристика при работе ГЭС с водохранилищем, наполненным до отметки НПУ, нижней – при работе ГЭС с водохранилищем, сработанным до отметки УМО. Построение этих характеристик выполняется по следующему уравнению:

, (3.1)

где – отметка уровня воды в водохранилище, которая изменяется в зависимости от объёма сработки от НПУ до УМО;

– отметка уровня воды в нижнем бьефе в зависимости от расхода ; – потери напора в водопроводящих сооружениях.

Потери напора до выбора гидротурбинного оборудования могут быть учтены только приближённо в виде предварительно принятого среднего значения, поскольку состав, компоновка и параметры водопроводящих сооружений зависят от параметров основного оборудования ГЭС.

Ограничением слева на режимном поле является минимальный расход воды, определяемый заданным ограничением по условиям функционирования водохозяйственного комплекса, который для данного примера составляет , или минимальная мощность, определяемая особенностями режимов ГЭС в графиках нагрузки.

Уравнение линии ограничения по расчётной установленной мощности имеет следующий вид:

, (3.2)

где – коэффициент мощности, изменяющийся в пределах от 8,2 до 8,8 в зависимости от принятого среднего КПД ГЭС и в данном примере равный 8,6.

Ниже точки расчётного напора режимное поле ограничено линией пропускной способности ГЭС, которая до выбора турбинного оборудования может быть построена по следующей зависимости:

, (3.3)

где - максимальная пропускная способность ГЭС, соответствующая работе гидростанции при расчётном по мощности напоре , равном в данном расчете 45 м.

Расчёт режимного поля представлен в табл.3.1. По полученным значениям построено режимное поле с учётом заданных ограничений по расходу ,мощности и пропускной способности (рис.3.1), из которого определяется диапазон изменения напоров и расхода:H_max = 51,4м; = 45м;H_min =43,1м; =1292 м³/с и =150м³/с.

Для известного диапазона изменения напора далее по справочным данным [1] необходимо подобрать все возможные типы гидротурбин, для которых значение предельного напора было бы не меньше полученного максимального напора и соотношение не превышало бы аналогичного фактического отношения.

Полученную по режимному полю область допустимых режимов работы проектируемой ГЭС по напору и расходу необходимо нанести на главные универсальные характеристики для всех намеченных к рассмотрению типов гидротурбин. Для этого предварительно необходимо принять максимальный диаметр D₁ рабочего колеса для каждого типа турбин, исходя из условий его изготовления и доставки на ГЭС, а на главных универсальных характеристиках задаться ограничением пропускной способности турбин.

Для радиально-осевых и пропеллерный гидротурбин таким ограничением является линия 5%-ного запаса мощности, которая однозначно задана на главной универсальной характеристике.

Для поворотно-лопастных и диагональных турбин такое ограничение на характеристике отсутствует. В этом случае в качестве ограничения пропускной способности принимается некоторое сочетание открытия направляющего аппарата и угла разворота лопастей рабочего колеса , которое рекомендуется выбирать из условия обеспечения максимальной пропускной способности и допустимых условий кавитации гидротурбины. В первом приближении можно принять максимальный угол разворота лопастей турбины, который в дальнейших расчётах будет уточняться.

На линии ограничения пропускной способности турбины необходимо наметить расчётную точку и определить в ней мощность агрегата для предварительно принятого максимального диаметра рабочего колеса. Расчётная точка должна соответствовать принятой в первом приближении максимальной пропускной способности турбины и находиться на линии приведённой частоты вращения, проходящей через оптимальное значение КПД на главной универсальной характеристике.

Таблица 3.1.

Результаты расчета режимного поля проектируемой ГЭС.

Кривые связи нижнего бьефа для летних и зимних условий			Напорные характеристики				Линия ограничения по расчётной установленной мощности			Линия ограничения по пропускной способности ГЭС
Qн.б.	Zн.б.лето	Zн.б.зима	Ннпу	Нумо	Zв.бI	H		Q	H		Q
м3/с	м	м	м	м	м	м		м3/с	м		м3/с
0	171	171,0	53	48,0	50,0	53		1097,0	45		1292,0
200	173	173,4	51	45,6	47,6	51,7		1124,6	43,7		1273,2
500	174	174,7	50	44,3	46,3	50,4		1153,6	42,4		1254,1
1000	175	175,7	49	43,3	45,3	49,1		1184,1	41,1		1234,7
1500	175,5	176,2	48,5	42,8	44,8	47,8		1216,3	39,8		1215,1
2000	176	176,7	48	42,3	44,3	46,5		1250,3	38,5		1195,0
2500	176,2	177,2	47,8	41,8	43,8	45,2		1286,3	37,2		1174,7
3000	176,5	177,7	47,5	41,3	43,3	45		1292,0	35,9		1154,0

Рис.3.1 Режимное поле проектируемой ГЭС по напору и расходу.

Мощность агрегата в расчётной точке определяется по формуле

, (3.4)

где - приведённый расход воды в расчётной точке; – соответственно средний КПД генератора, принимаемый равным 0,96 – 0,97 и натурной гидротурбины, вычисляемый в расчётной точке по формуле

, (3.5)

где - КПД, диаметр и напор модельной турбины; - диаметр и расчётный напор натурной турбины; - коэффициенты кинематической вязкости воды для модельной и натурной гидротурбины, зависящие от температуры воды для натурных и модельный условий ; – коэффициент, выражающий отношение потерь трения ко всем гидравлическим потерям и принимаемый равным 0,75 для ПЛ- и ПЛД-турбин, а для РО-турбин исходя из следующих условий:

(3.6)

где - приведённый расход воды в оптимуме главной универсальной характеристики.

Разность между и является поправкой КПД при переходе от модели к натурной гидротурбине и определяется по формуле

(3.7)

Количество устанавливаемых на ГЭС агрегатов рассчитывается по формуле

(3.8)

Очевидно, в общем случае значение получится дробное, что потребует округления его в большую сторону до целого числа и, следовательно, затем уточнения мощности агрегата по формуле (3.8). Число агрегатов рекомендуется принимать кратным 2 или 3 для того, чтобы главная схема электрических соединений была симметричной.

Далее необходимо рассчитать частоту вращения турбины по формуле

(3.9)

где - приведённая частота вращения в расчётной точке главной универсальной характеристики; - поправка на приведённую частоту вращения при переходе от модели к натуре, равная отношению КПД натурной турбины к КПД модели в расчётной точке. По полученной синхронной частоте вращения необходимо принять ближайшее большее стандартное значение синхронной частоты вращения по известному стандартному ряду[1].

Для выбранного максимального диаметра турбины и стандартного значения синхронной частоты вращения необходимо нанести на главную универсальную характеристику линии приведённой частоты вращения, соответствующие известным напорам турбины , предварительно вычислив три значения приведённой частоты вращения для указанных напоров по формуле

, (3.10)

где - стандартное значение синхронной частоты вращения.

Указанные линии должны размещаться на главной универсальной характеристике таким образом, чтобы в диапазоне напоров от до гидротурбина работала с наибольшим КПД, а следовательно, с наибольшей мощностью и выработкой энергии по сравнению с диапазоном . Если это условие не выполняется, необходимо принять другое стандартное значение синхронной частоты вращения, повторить расчёты по формуле (3.10) и получить удовлетворительное совмещение диапазонов напора с главной универсальной характеристикой. В результате нанесения указанных линий на главную универсальную характеристику изменится положение расчётной точки. Она переместится на линии , проходящей через оптимум КПД главной универсальной характеристики, на линию , вычисленную по формуле (3.10) для .

Окончательное положение расчётной точки на линии с учётом ранее округлённого числа агрегатов и уточнённой мощности агрегата осуществляется на основании решения следующего уравнения:

. (3.11)

Правая часть уравнения (3.11) является константой при всех известных его параметров, а левая часть определяется подбором такой точки на линии , чтобы произведение параметров и в этой точке обеспечивало выполнение указанного равенства.

Для полученной расчётной точки необходимо построить линию ограничения по установленной мощности агрегата. Для этого на линии , соответствующей напору , необходимо аналогичным образом, подставить в уравнение (3.11) вместо напор , найти точку и соединить её с расчётной точкой.

Полученное сочетание параметров является приемлемым, если расчётная точка на главной универсальной характеристике находится в рекомендуемом по справочным данным [1] диапазоне изменения по и σ для данной турбины и линия ограничения по установленной мощности агрегата лежит правее оптимума, что соответствует более полному использованию турбины.

В противном случае необходимо перейти к другому стандартному значению диаметра гидротурбины и выполнить расчёты по изложенному выше алгоритму.

В рассматриваемом расчете для известного диапазона изменения напора H_max=51,4м;H_min=43,1м и H_min/H_max=0,84 по справочным данным [1] выбираем следующие типы гидротурбин: ПЛ60-В46⁰, РО75-В46⁰. Основные параметры выбранных типов модельных гидротурбин представлены в табл.3.2

Таблица 3.2

Параметры выбранных типов модельных гидротурбин

Параметры	ПЛ60 - В	РО75-В460
Нпред,м	60	75
Нmin/Hmax	0,5	0,6
n'I0, мин-1	116	70
Q'I0,л/с	1080	1010
ηмо	0,913	0,918
Q'Iмах,л/с	1160-1400	1150-1220
σ при Q'Iмах	0,35-0,52	0,12-0,128
D1м, м	0,46	0,46
Нм, м	10-12	4
tм, 0С	20	7

По [1] определяем максимальный диаметр рабочего колеса для каждого типа турбин, исходя из условий их изготовления.

Принимаем, что доставка оборудования на ГЭС осуществляется железнодорожным транспортом. По условиям транспортировки железнодорожным транспортом есть ограничения для радиально-осевых турбин:

Рассмотрим далее пример выбора параметров для каждого из намеченных вариантов гидротурбин.

Гидротурбина ПЛ60 - В46⁰. Главная универсальная характеристика модели и её проточная часть представлена на рис. 3.2 и 3.3.

Максимальный диаметр по условиям изготовления D₁=850 см.

На главной универсальной характеристике (рис. 3.2) намечаем расчётную точку предварительно проведя линию через оптимум КПД.

Определяем мощность агрегата в расчётной точке для следующих параметров:

; ; ; при ; ; при [1];

Находим число устанавливаемых на ГЭС агрегатов:

шт, принимаем шт.

Уточняем мощность агрегата:

.

Определяем поправку и синхронную частоту вращения гидротурбины :

;

Принимаем по [1] стандартное значение синхронной частоты

Для уточнения положения рабочей точки вычислим при ,

На главной универсальной характеристике проводим линии , , Определяем окончательно положение расчётной точки с учётом округлённого числа агрегатов и уточнённой мощности агрегата. Для этого на главной универсальной характеристике на линии подбираем такое сочетание и , чтобы выполнялось равенство

.

Координаты расчётной точки:

Для более обоснованного выбора параметров гидротурбины ПЛ60 выполнены расчёты для ряда других стандартных значений диаметров, результаты которых представлены представлены в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Результаты расчёта параметров оборудования для различных значений гидротурбины ПЛ60.

D1,м	8,5	8	7,5	7,1	6,3	6	5,6	5	4,5
ηт	0,926	0,925	0,925	0,924	0,923	0,923	0,922	0,921	0,920
N'a,МВт	303,2	268,4	235,8	211,2	166,1	150,6	131,1	104,3	84,4
Z'а,шт	1,65	1,86	2,12	2,37	3,01	3,32	3,82	4,79	5,92
Zа,шт	2,00	2,00	3,00	3,00	3,00	4,00	4,00	5,00	6,00
Na,МВт	250	250	166,67	166,67	166,67	125	125	100,00	83,33
Δ1	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,04	1,04	1,04
n'c1,об/мин	93,75	99,58	106,19	112,14	126,30	132,58	142,00	158,94	176,50
nc1,об/мин	100	100	107,1	115,4	136,4	136,4	150	166,7	187,5
,об/мин	126,43	119,03	119,55	121,98	128,01	121,94	125,21	124,31	125,91
, об/мин	123,73	116,49	117,00	119,38	125,28	119,34	122,53	121,66	123,23
,об/мин	115,77	109,00	109,47	111,70	117,22	111,66	114,65	113,83	115,30

Из анализа полученных вариантов выбираем турбину с диаметром D₁=6,3 м, Z_а=3 и n_c=136,4 об/мин как наиболее полно удовлетворяющую перечисленным выше требованиям. Линию ограничения по генератору строим аналогичным подбором точки на линии . Её координаты : . Координаты расчётной точки : . Линия ограничения по турбине соответствует . (рис.3.2).

Гидротурбина РО75-В46⁰. Главная универсальная характеристика модели и её проточная часть представлены на рис. 3.4 и 3.5. Результаты расчёта для ряда стандартных значений диаметров, начиная с максимального по условиям изготовления и с учётом транспортировки принят равным , представлены в табл. 3.4.

Рис.3.2. Универсальная характеристика гидротурбины ПЛ60-В-46.

Таблица 3.4

Результаты расчёта параметров оборудования для различных значений гидротурбины РО75.

D1,м	8,5	8	7,5	7,1	6,3	6	5,6	5	4,5
ηт	0,941	0,940	0,939	0,939	0,938	0,938	0,937	0,937	0,936
N'a,МВт	228,5	202,2	177,6	159,1	125,1	113,5	98,8	78,7	63,7
Z'а,шт	2,19	2,47	2,82	3,14	4,00	4,41	5,06	6,35	7,85
Zа,шт	3,00	3,00	3,00	4,00	4,00	5,00	5,00	7,00	8,00
Na,МВт	166,67	166,67	166,67	125	125	100	100	71,43	62,50
Δ1	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05	1,05
n'c1,об/мин	56,68	60,18	64,18	67,78	76,36	80,16	85,86	96,12	106,76
nc1,об/мин	78,9	78,9	78,9	78,9	93,8	83,3	107,1	100	107,1
,об/мин	99,57	93,77	87,93	83,26	87,87	74,33	89,22	74,41	71,75
, об/мин	97,45	91,77	86,05	81,48	85,99	72,74	87,31	72,82	70,22
,об/мин	91,18	85,87	80,52	76,24	80,46	68,06	81,70	68,14	65,71

Из анализа полученных вариантов выбираем турбину с диаметром D₁=5,6 м, Z_а=5 и n_c=100 об/мин как наиболее полно удовлетворяющую перечисленным выше требованиям. Линию ограничения по генератору строим аналогичным подбором точки на линии . Её координаты : . Координаты расчётной точки : . Линия ограничения по турбине соответствует . (рис 3.3).

Рис.3.3. Универсальная характеристика гидротурбины РО75-В-46.