Поворотно-лопастная гидротурбина, как объект управления

     Глава 1 АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОАГРЕГАТОМ С ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНОЙ ТУРБИНОЙ 
 Поворотно-лопастная гидротурбина, как объект управления
     Одним из важнейших классов технических систем являются объекты энергосистем. По последним показателям на гидравлических электростанциях (ГЭС) вырабатывается около 20 % всей потребляемой в России электроэнергии. Наиболее важным составляющим ГЭС, который обеспечивает выработку электроэнергии, является гидроагрегат, включающий в себя турбину и гидрогенератор.
     Различают три основным типа гидравлических турбин, которые получили наибольшее распространение в технике: радиально-осевые (турбины Френсиса), осевые (поворотно-лопастные, пропеллерные) и ковшовые турбины (турбины Пелтона). 
     В отличие от турбин Френсиса и Пелтона, ротор осевой гидротурбины имеет регулируемые лопасти, которые могут менять углы поворота. Эта особенность позволяется максимально эффективно вырабатывать электроэнергию при малых напорах воды, в большинстве случаев, до 85 м, благодаря большому расходу воды внутри турбины. 
     Поворотно-лопастные турбины (турбины Каплана) (рис.1.1) относятся к реактивному классу гидротурбин, т.е. используют не только кинетическую энергию потока воды, но и хотя бы частично потенциальную, которая равна разности давлений перед и за рабочим колесом (РК). 

Рисунок 1.1 – Схема гидроагрегата с поворотно-лопастной гидротурбиной
     Гидротурбина состоит из следующих основных элементов: рабочее колесо (РК) 1, направляющий аппарат (НА) 2, маслоприемник 4, регулятор 5, маслонапорная установка 6, сервомотор 7, спиральная камера 8, отсасывающая труба 9, подшипник 10, вертикальный вал 11. Гидротурбина соединяется с генератором 3. 
     Направляющий аппарат турбины призван обеспечивать необходимое на входе в рабочее колесо направление потока и регулировать расход турбины. НА состоит из системы поворачивающихся вокруг своих осей с помощью специального привода лопаток. 
     В зоне рабочего колеса поворотно-лопастной турбины направление движения потока параллельно оси турбины. Поэтому эти турбины называют осевыми. Лопасти рабочего колеса имеют возможность в процессе работы поворачиваться вокруг своих осей, которые перпендикулярны оси турбины. Таким путем обеспечивается удовлетворительное обтекание лопастей и, следовательно, высокий к.п.д. при любом изменении режима работы турбины.
     Главным отличием от радиально-осевой и ковшовой гидротурбин является наличие двойного регулирования в конструкции поворотно-лопастной турбины, что позволяет регулировать мощность гидроагрегата  благодаря одновременному и согласованному изменению степени открытия направляющего аппарата и поворота лопастей РК.   
     На рис. 1.2 представлена функциональная схема ГЭС с турбиной двойного регулирования. Система управления лопастями РК основана на таком же принципе, что и в радиально-осевой гидротурбине. По комбинаторной зависимости угол поворота лопасти устанавливается в соответствии с положением лопаток направляющего аппарата при фиксированном напоре воды или мощности, тем самым повышая эффективность выработки электроэнергии и обеспечивая максимум к.п.д. 

Рисунок 1.2 – Функциональная схема двойного регулирования гидротурбины 
     Здесь? и ?_ref- частота единичного усиления и заданная частота, соответственно; P_ref и P_e - заданная мощность и нагрузка турбины; y_ref, y, y_r-заданная степень открытия НА, фактическая степень открытия НА и положение лопастей рабочего колеса; q- расход турбины; h - напор турбины и P_m – выходная мощность турбины. 

     Основные энергетические показатели гидротурбинной установки можно увидеть на графиках основных турбинных характеристик (рабочей и универсальной).
     На рис. 1.3 приведены для сравнения рабочие характеристики, т.е. зависимости к.п.д. от мощности разных типов гидротурбин: пропеллерных, радиально-осевых, поворотно-лопастных и ковшовых для различных соответствующих их типу коэффициентов быстроходности. Из этого рисунка видно, что коэффициент полезного действия турбины с поворотными лопастями не так резко падает при изменении напора, как, например, у пропеллерных. Следовательно, при изменении режимов работы турбины с поворотными лопастями имеют более высокий среднеэксплуатационный к.п.д. и дают большую выработку электроэнергии.
     
     Рисунок 1.3 – Рабочие характеристики турбин разных типов
     Кавитационные свойства пропеллерных и поворотно-лопастных турбин характеризуются высокими значениями кавитационного коэффициента ?, поэтому применяются они при малых напорах. 
     Рабочая характеристика радиально-осевой турбины является в этом отношении промежуточной между характеристиками пропеллерной и поворотно-лопастной турбин. 
     Значения к.п.д. радиально-осевых гидротурбин в оптимуме очень высоки, но они имеют более узкую зону оптимальных к.п.д., чем поворотно-лопастные турбины, и меньшие значения коэффициента быстроходности, т.е. имеют в равных условиях более низкие обороты и большие размеры рабочих колес.
     Главная универсальная характеристика гидравлических турбин (рис.1.4) имеет большое значение в практике гидротурбостроения. По ним просто и удобно определить к.п.д., открытие направляющего аппарата кавитационного коэффициента ?, угол установки лопастей рабочего колеса ?^°в зависимости от режимов работы. Для заданных напора H и мощности N по универсальной характеристике определяются основные параметры турбины: ее диаметр D, число оборотов n, расход Q, энергетические свойства турбин при переменных режимах работы. 

     Рисунок 1.4 – Универсальная характеристика поворотно-лопастной гидротурбины
     В заключение приведем ориентировочные данные о значениях оптимальных к.п.д. гидравлических турбин радиально-осевого и поворотно-лопастного типов (рис.1.5). 

Рисунок 1.5 – Оптимальные значения к.п.д. для разных быстроходностей и диаметров турбин (а – радиально-осевых; б – поворотно-лопастных)
     В оптимальной зоне энергетических характеристик при быстроходности (n_s=300?350) радиально-осевых гидротурбин c диаметром(D?3м) предельное значение к.п.д. может быть получено ?=91%; для аналогичных условий поворотно-лопастных турбин (D_1=3,5м, ? n?_s=400) ?=92%.
     Для больших диаметров колес и других n_s величины к.п.д. будут другими. 
     Таким образом, поворотно-лопастные гидротурбины, являясь самыми быстроходными, также имеют преимущество и по энергетическим показателям. Однако эти турбины в значительной степени уступают радиально-осевым и ковшовым по коэффициенту кавитации и поэтому не могут быть установлены на высокие напоры, но, тем не менее, многие инженеры и специалисты уже поставили перед собой цель модернизировать и продвинуть поворотно-лопастные турбины в область высоких напоров.
     Помимо хороших энергетических и эксплуатационных характеристик осевые гидротурбины имеют большой ряд преимуществ:
 Максимальный к.п.д. достигает 94-95%;
 Применяются при сравнительно малых напорах воды, благодаря чему ГЭС строятся на небольшой высоте;
 Отличаются низкой стоимостью из-за своего небольшого размера, а также из-за требований к низким напорам;
 Оказывают меньшее воздействие на окружающую среду в отличие от других типов гидротурбин, потому что из-за требования к низким напорам воды, соответственно, и  площадь резервуара не будет затопляться настолько, насколько высока плотина.
     Но кроме преимуществ у поворотно-лопастных гидротурбин есть и недостатки:
 Нередко турбины устанавливаются там, где происходят миграции рыб, и поэтому могут блокировать их миграционные пути и влиять на показатели выживания;
 Увеличение расхода турбины сверх оптимального может привести к снижению давления воды вокруг турбины, что сделает её уязвимой для кавитации.


.......................