К.т.н., професор Дранковський В.Е., аспірант Хавренко М.Ю.

Національний Технічний Університет

«Харківський Політехнічний Інститут», Україна

Визначення основних параметрів високонапірних

насос-турбін

Пропонується методика визначення розрахункових параметрів в турбінному і насосному режимах роботи, для високонапірних оборотних гідромашин, необхідних для розрахунку геометрії проточної частини та її проектування.

При проектуванні нових ГАЕС виникає необхідність у визначенні розрахункових параметрів для новостворюваних оборотних гідромашин. При виборі розрахункових параметрів оборотних гідромашин, слід виходити з насосного режиму роботи. Перш за все, необхідно визначити коефіцієнт швидкохідності n_s, що у загальному вигляді записується:

(1)

де n – частота обертання (об/хв),

N – потужність (к. с.),

Н – напір (м).

Беручи до уваги те, що потужність для насоса і для турбіни визначається різними формулами, для насосного режиму маємо такий вираз [1]:

(2)

Знаючи напір для насосного режиму, можна знайти коефіцієнт швидкохідності використовуючи залежність представлену на рисунку 1. Дана залежність побудована з урахуванням тенденції зростання коефіцієнта швидкохідності.

Рисунок 1 – Залежність коефіцієнта швидкохідності від напору в насосному режимі роботи.

При визначенні висоти заглиблення Н_s робочого колеса під рівень нижнього б'єфу, насосний режим також є вирішальним, у зв'язку з чим, при знаходженні Н_s, виходять зі значень для насосного режиму. Величина заглиблення робочого колеса є обмеженням при виборі n_s. Конкретно для високонапірних ГАЕС, висота заглиблення може визначатися за формулою представленою в роботі [2]:

(3)

Вибравши коефіцієнт швидкохідності і маючи задані параметрами Q_н і Н_н, з формули (2) ми маємо можливість однозначно визначити частоту обертання для насосного режиму:

(4)

Величину, визначену за формулою (4), необхідно округлити до найближчого значення синхронної частоти обертання n_c, після чого можна обчислити напірний діаметр [3]:

(5)

де K_uн – коефіцієнт окружної швидкості.

Значення коефіцієнта окружної швидкості K_uн визначається на підставі обробки статистичних даних по натурних параметрах оборотних гідромашин отриманих в [4]:

(6)

Наближено основні параметри оборотної гідромашини при роботі в турбінному режимі можуть бути визначені з наступних співвідношень [1]:

(7); (8); (9);

Вважається, що можна прийняти η_г = √η_полн. З цього випливає, що ККД оборотних гідромашин з діаметром робочого колеса більш ніж 4 м, можна прийняти η_г = 0.94–0.95 [1].

Для ГАЕС з напором Н_т>300 м, можна представити наступну залежність від напору:

(10)

Для визначення приведених показників можна скористатися загальновідомими формулами. Для приведених оборотів:

(11)

Для подачі:

(12)

Після знаходження розрахункових параметрів ми маємо можливість забезпечити необхідні показники Q_н і Н_н для насосного режиму. Але, у зв'язку з тим, що зона роботи в турбінному режимі, на універсальній характеристиці, розташовується вище оптимуму характеристики за приведеними оборотам, то завдання вибору розрахункових параметрів для турбінного режиму ускладнюється. Разом з тим, існують залежності, які дозволяють наближено визначити приведені показники турбінного режиму, залежно від аналогічних для насосного. Конкретно для високонапірних оборотних гідромашин, для приведених оборотів та подачі маємо наступні залежності:

(13); (14)

Як показує практика, більш точні значення приведеної подачі можна отримати з наступних формул:

(15); (16)

Запропонована методика попереднього вибору основних розрахункових параметрів, при заданому напорі і подачі для насосного режиму роботи оборотної гідромашини показала задовільні результати. Для апробації даної методики зроблено розрахунок та зрівняння розрахункових параметрів для наступних високонапірних ГАЕС: Маркерсбах (Н_н=306.9 м, Q_н=53 м³/с) та Окуешино (Н_н=539 м, Q_н=39 м³/с). Отримані в результаті розрахунку значення, після їх перевірки з натурними даними різняться не більше ніж на 3,5 % , що говорить про можливість застосування даної методики при виборі розрахункових параметрів для високонапірних оборотних гідромашин. Данні розрахунку зведені у таблицю 1.

Таблиця 1 – Порівняння експериментальних та розрахункових даних.

Параметр		Назва ГАЕС
		Маркерсбах ЧКД «Шкода»	Окуешино «Тошиба»
Швидкохідність nsn, хв^-1	Розрахунок	101	102
	Експеримент	101	102
Кількість обертів nс, хв^-1	Розрахунок	500	500
	Експеримент	500	500
Діаметр D1, м	Розрахунок	3.85	3.86
	Експеримент	3.98	3.76

Список літератури:

1. Аршеневский Н. Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулирующих электростанций / Н. Н. Аршеневский. – М.: Энергия, 1977 – 238 с.

2. Алексапольский Д. Я. Определение расчетных параметров высоконапорных насос-турбин / Д. Я. Алексапольский // Гидравлические машины: Республиканский междуведомственный научно–технический сборник. – Х.: Вища шк. Изд–во при Харьк. ун–те, – 1985. – вып. 19. – С. 10–16.

3. Дедков В. Н. Определение расчетных параметров обратимых гидромашин для диапазона напоров Н = 70–700 м / В. Н. Дедков // Проблемы машиностроения. – 2008. – Т. 11 № 1. – С. 7–11.

4. By F. de Siervo F. Modern trends in selecting and designing reversible Fransis pump-turbine / Water Power & Dam Construction. – May 1980. – P. 33–42.