 |
Технические требования к работе гидротурбины
|
|
|
|
По данным, полученным при испытаниях модели турбины в гидравлической лаборатории, завод-изготовитель дает гарантии коэффициента полезного действия (кпд) и мощности поставляемой турбины для определенных режимов работы гидроэлектростанции. Однако вследствие неизбежного различия условий работы модели в лаборатории и действительной турбины на месте установки, а также вследствие отсутствия точных формул пересчета кпд модели на действительную турбину, фактические данные несколько отличаются от гарантийных. Поэтому необходимы испытания турбины на месте ее установки. Такие испытания дают верное представление о кпд, мощности и пропускной способности турбины в рабочих условиях и позволяют наиболее правильно использовать ее в эксплуатации.
Иногда бывает желательно провести испытания по определению кпд турбины после длительной ее эксплуатации, чтобы узнать, насколько изменились значения кпд вследствие износа элементов проточной части турбины. Знать это необходимо, так как заменой изношенных частей новыми или сменой всего рабочего колеса можно значительно повысить кпд турбины и выработку энергии.
Испытания по определению кпд поворотнолопастных турбин занимают значительно больше времени, чем испытания радиально-осевых турбин. Объясняется это тем, что для получения оптимальных условий работы поворотнолопастной турбины требуется снимать несколько пропеллерных характеристик, определяя зависимость для ряда углов установки лопастей рабочего колеса турбины, закрепленных неподвижно на время испытаний.
После построения пропеллерных характеристик строят рабочую характеристику турбины, огибающую вершины пропеллерных характеристик и дающую зависимость максимальных значений кпд от нагрузки (рисунок 1.5). Определенная такими испытаниями рабочая характеристика поворотнолопастной турбины одновременно решает вопрос о наилучшей комбинаторной связи для данного напора. Поэтому профиль клина комбинатора, в случае обнаруженных отклонений, должен быть прокорректирован в соответствии с полученными данными испытаний.
|
|
|
Рисунок 1.4 – Эксплуатационная характеристика
Рабочая характеристика турбины служит для проверки гарантий кпд, выданных заводом-изготовителем. Результатом нарушений данных условий может привести к ненормальным режимам работы гидротурбины в целом. Следствием может являться кавитация.
Под кавитацией понимают динамический процесс, характеризующийся местным разрывом сплошности жидкости с образованием парогазовых полостей и последующим их смыканием.
Развитая кавитация приводит к падению кпд турбины, пульсациям давления, в потоке, к опасным вибрациям всего гидроагрегата. Следствие кавитации – кавитационная эрозия, которая разрушает детали проточной
Рисунок 1.5 – Рабочие характеристики различных типов гидротурбин
Возникновение кавитации, увеличение парогазовых пустот (каверн) связано с уменьшением давления в жидкости. В этом отличие кавитации от явления кипения, когда увеличение каверн происходит за счет повышения давления внутри каверн.
При образовании каверны происходит разрыв жидкости, а необходимое для этого напряжение определяется прочностью жидкости при определенной температуре. Реальная жидкость не выдерживает растягивающих напряжений и разрывается при давлении, близком к давлению насыщенных паров. Это объясняется наличием в жидкости мельчайших газовых пузырьков – ядер кавитации, по которым происходит разрыв сплошности.
Различают несколько типов кавитации. Кавитационные каверны, образовавшиеся в потоке, могут перемещаться вместе с потоком до зоны с повышенным давлением, где происходит конденсация паров и схлопывание каверн. Кавитационные каверны, движущиеся с потоком и не связанные с обтекаемой поверхностью, имеют, как правило, сферическую форму. Такую кавитацию называют перемещающейся или по форме кавитационных каверн – пузырьковой. Перемещающиеся нестационарные пузырьки могут возникать в точках низкого давления на твердой границе или в ядрах движущихся вихрей.
|
|
|
Другой тип кавитации называют присоединенной или полостной кавитацией. В этом случае поток жидкости отрывается от твердой границы обтекаемого тела с образованием квазистационарной кавитационной полости. Скоростная съемка такой полости показывает, что она пульсирует, претерпевая стадии возникновения, роста и отрыва. Граница раздела между кавитационной полостью и жидкостью может быть гладкой или шероховатой. В последнем случае вся полость как бы заполнена гроздьями более мелких каверн.
При развитии кавитационного процесса кавитационная полость может охватывать все обтекаемое тело и тогда это явление называется суперкавитацией.
Процессы схлопывания кавитационных пузырьков (каверн) происходят с огромной скоростью за весьма малые промежутки времени и представляют большие трудности для изучения. В зависимости от характера замыкания кавитационных пузырьков различают и гидромеханические силы, возникающие при этом. При замыкании шарового пузырька возникает сферическая ударная волна, которая может вызвать разрушение поверхности обтекаемого тела, если замыкание произошло в непосредственной близости от него. При смыкании пузырька путем продавливания его стенки входящей струей разрушение поверхности происходит под действием струи.
Механическое воздействие при кавитации сопровождается интенсивной коррозией. Объясняется это тем, что кавитационные удары, приводящие к пластической или упругой деформации материала, образуют на его поверхности точки со свойствами, отличными от основного материала. Для металлов из всей работы, затрачиваемой на деформацию, 85% превращается в теплоту, а остальная часть переходит в потенциальную энергию внутреннего напряжения. Тем самым на металлической поверхности, находящейся в водной среде, служащей электролитом, образуются участки, представляющие собой мгновенные микроэлементы. Периодически возникающие, как бы пульсирующие микроэлементы резко усиливают электрохимические процессы коррозии. Усилению процессов коррозии способствует также чередование водяной и парогазовой среды в месте пульсации кавитационной каверны.
|
|
|
В воде на поверхности металла образуется защитная пленка окислов. На нержавеющей стали пленка тонкая, очень прочная и образует с металлом прочное соединение. Защитная пленка и, следовательно, сама нержавеющая сталь стойки к электрохимическим процессам коррозии при кавитации. Разрушение нержавеющей стали происходит главным образом под действием гидроударов, имеющих давление выше предела текучести стали. Такие гидроудары составляют менее 10% общего числа ударов, поэтому процесс разрушения нержавеющей стали протекает медленно.
Углеродистая и низколегированная сталь имеет сравнительно толстую, но рыхлую пленку окислов, которая легко скалывается даже под действием слабых кавитационных ударов. В этом случае все ударные импульсы будут разрушающими. Вследствие электрохимических процессов, сопутствующих кавитации, происходит повторное окисление поверхности, очищенной от пленки окислов. Совместное действие коррозии и кавитационных гидроударов приводит к быстрому и глубокому разъеданию углеродистой и низколегированной стали с образованием характерной губчатой поверхности.
Еще одним ненормальным и даже опасным фактором является вибрация.
Работа гидроагрегата в любом режиме всегда вызывает ту или иную степень биения или колебания вращающихся частей и вибрации деталей, особенно деталей неподвижных опор (корпусов подшипников, верхних и нижних крестовин генераторов, крышек турбин, фундаментных частей и других). Нормальной амплитудой и частотой вибрации для данного агрегата считают такую амплитуду и частоту, которые неспособны, привести агрегат в аварийное состояние, требующее его немедленной и непредвиденной остановки.
|
|
|
Ненормальное биение вала агрегата в поперечном направлении относительно неподвижных частей может возникнуть вследствие износа вкладышей подшипников, увеличения зазоров в них и нарушения центровки общей линии вала.
Повышенные вибрации как вращающихся, так и неподвижных частей агрегата вызываются механическими, электромагнитными и гидравлическими возмущающими силами. Источниками механических возмущающих сил могут быть:
– неуравновешенность (небаланс) вращающихся масс ротора агрегата;
– повышенное биение вала агрегата вследствие нарушения центровки и «излома» его линии;
– износы в подшипниках и подпятнике агрегата;
– ослабление крепления опорных частей к фундаментам агрегата.
Неуравновешенность вращающихся частей гидроагрегата устраняют динамической балансировкой ротора генератора и статической балансировкой рабочего колеса турбины.
Вибрации агрегата, вызванные электромагнитным небалансом ротора генератора, порождаются:
– неравномерным зазором между расточкой статора и полюсами ротора;
– нарушением изоляции и замыканием соседних витков обмоток полюсов ротора.
Эти вибрации появляются после подачи напряжения на возбуждение ротора генератора. Первую причину устраняют центровкой статора генератора относительно оси вращения его ротора и выравниванием зазора между полюсами ротора и расточкой статора. Если произошло межвитковое замыкание обмотки полюса, последний снимают с ротора и восстанавливают изоляцию его обмотки.
Наиболее частыми источниками вибраций, вызванных гидравлическими явлениями в проточной части турбины, могут быть:
– расстройство системы комбинатора у поворотнолопастных гидротурбин и нарушение комбинаторной зависимости;
– кавитационные явления.
В старых моделях колонок комбинаторную зависимость проверяют по шкале на маслоприемнике и колонке управления регулятором скорости. Если она нарушена, то следует восстановить ее по данным завода-поставщика или настроить методом относительного КПД. или методом наименьших вибраций [4].
Для устранения вредных последствий этого явления следует при эксплуатации агрегата по возможности избегать нерасчетных режимов как по напору, так и по нагрузкам. Если избежать этого не удается, то во многих случаях применяют впуск атмосферного или сжатого воздуха в проточную часть турбины, что устраняет или по меньшей мере значительно ослабляет разрушение рабочих поверхностей элементов турбины под влиянием кавитации.
|
|
|
