8 Curbele Caract Ale Turbinelor [PDF]

Zitiervorschau

CURBELE CARACTERISTICE ALE TURBINELOR

Pentru a garanta obţinerea în exploatare a performanţelor specificate pentru o anumită maşină, este necesară încercarea acesteia. La turbinele hidraulice încercările se efectuează în mod obişnuit în două etape. In prima fază sînt realizate încercări de laborator pe modele reduse, într-o gamă largă de condiţii funcţionale. Soluţia optimă se determină ca rezultat al studierii experimentale a mai multor variante. In cea de-a doua fază, condiţiile de garanţie stabilite pe baza încercării modelului se verifică la probele de recepţie a execuţiei industriale în cîteva puncte caracteristice. In vederea cunoaşterii modului de comportare a maşinilor hidraulice, precum şi a performanţelor acestora, se obişnuieşte reprezentarea grafică a dependenţei funcţionale între diferiţi parametri. 1.1. PARAMETRII FUNDAMENTALI În general, la turbinele hidraulice drept parametri fundamentali se consideră : căderea turbinei H, debitul ce trece prin maşină Q, turaţia sau viteza unghiulară (n sau ), momentul la arborele maşinii M, puterea absorbită de maşină P, puterea cedată de maşină Pu, turaţia specifică ns, deschiderea paletelor aparatului director (α), deschiderea paletelor rotorice la maşinile hidraulice axiale (). Fiecare dintre mărimile enumerate depinde de toate celelalte. în mod convenţional, în cazul turbinelor hidraulice se aleg drept variabile independente ; — căderea H; — turaţia n ; — deschiderea paletelor directoare α. Cum oricare dintre ceilalţi parametri fundamentali depind simultan de toate cele trei variabile independente, se pune problema reprezentării legăturii funcţionale grafice într-un spaţiu cu patru dimensiuni, de exemplu P = f(H,α,n). O astfel de reprezentare, chiar dacă nu este principial imposibilă, rămâne practic foarte dificilă. Cea mai comodă reprezentare se face în plan (adică în două dimensiuni). In acest caz cercetările experimentale trebuie astfel conduse încît două dintre variabilele independente să se păstreze constante. În general, la turbine se aplică următoarea soluţie : — menţinerea constantă a căderii H pentru toate încercările efectuate asupra unui model; — variaţia parametrică a deschiderii paletelor directoare. Curbele plane obţinute în acest mod se numesc curbe caracteristice de funcţionare. 1.2. CURBE CARACTERISTICE DE FUNCŢIONARE În mod obişnuit se reprezintă următoarele curbe caracteristice: Debit funcţie de turaţie. La turbinele Pelton şi Francis normale, debitul rămîne aproape constant indiferent de mărimea turaţiei (fig. 1.1); la turbinele Francis lente, cu cît turaţia este mai marc cu atlt debitul absorbit de turbină va fi mai mic, iar la turbinele Francis rapide şi Kaplan, cu cit turaţia este mai mare cu atît prin turbină trece un debit mai însemnat. Evident, cu cît deschiderea aparatului director va fi mai pronunţată cu atît debitul va fi mai mare (α1 < α 2 < α 3 < α 4).

Fig. 1.1 1

Moment funcţie de turaţie. Cu creşterea turaţiei momentul se micşorează, variaţia fiind aproximativ liniară (fig. 1.2). Turaţia pentru care momentul este nul se numeşte turaţie de ambalare. Cunoaşterea acestei valori este importantă în exploatare, deoarece, dacă nu sînt luate precauţii speciale, se poate ajunge la turaţia de ambalare atunci cînd generatorul antrenat de turbină este brusc deconectat de pe reţea iar paletele directoare sînt deschise. Turaţia de ambalare este cea mai mare turaţie pe care o poate atinge grupul, funcţionarea în această situaţie fiind periculoasă pentru securitatea agregatului. In general, sistemul de reglare al turbinei se concepe astfel încît turaţia de ambalare să nu fie atinsă.

Fig. 1.2 Puterea cedată de turbină funcţie de turaţie. Această putere este denumită adesea putere u t i l ă sau putere la arbore. Puterea u t i l ă se obţine făcînd produsul între moment şi viteza unghiulară Pu=M. Aşadar, pentru turaţie nulă (=0), puterea utilă va fi şi ea zero. De asemenea, la turaţia de ambalare momentul fiind nul (M=0), puterea utilă este zero (P u=0). Intre aceste două puncte puterea variază aproximativ parabolic, existînd o turaţie bine definită, pentru care se atinge valoarea maximă (fig. 1.3). Randament funcţie de turaţie. Deoarece în expresia randamentului, puterea utilă intervine Ia numărător, pentru t u r a ţ i i l e la care puterea utilă este zero randamentul devine zero (fig. 1.4). Se menţionează că acest mod de reprezentare al dependenţelor nu este unicul posibil; în cazuri speciale pot fi făcute şi alte reprezentări, cum ar fi de exemplu Pu=f(Q) pentru n = constant si H = constant. Pentru încercările obişnuite asupra turbinelor hidraulice, staţia de încercare este astfel realizată încît să se poată menţine căderea constantă în limite cît mai restrînsc. Se instalează apoi paletele directoare la o deschidere cunoscută

Fig. 1.3 Fig. 1.4 deschidere cunoscută α1 şi se porneşte instalaţia. Se stabileşte un regim de funcţionare, astfel incit turaţia să aibă o anumită valoare n1 citindu-se simultan valorile lui Q, n şi M. Ceilalţi parametri se determină prin calcul. Se obţine astfel un punct al curbelor din figurile 1.1 ... 1.4 pentru α 1 = constant. Determinarea întregii curbe se face prin circa 10 . . . 20 de puncte, pornind de la n = 0 şi mărind treptat turaţia pînă la atingerea turaţiei de ambalare. Pentru a modifica turaţia, turbina este cuplată cu o frînă (mecanica, hidraulică sau electrică), care constituie consumatorul energiei produse de motorul hidraulic. În continuare se modifică unghiul paletelor directoare, repetîndu-se toate operaţiile pentru obţinerea curbelor al căror parametru este α2. În general se ridică legăturile funcţionale pentru patru pînă la opt deschideri ale paletelor directoare. 1.3. CURBE CARACTERISTICE UNIVERSALE Din necesitatea comparării calităţilor modelelor de turbine, încercate în diferite staţii în care scara de reducere a machetei este diferită iar căderea în staţie este şi ea diferită, se preferă reprezentarea curbelor caracteristice pentru un model imaginar avînd diametrul de 1 m şi căderea de 1 m. Se observă că realizarea unei staţii de încercare cu asemenea valori pentru H şi D nu este posibilă practic. Obţinerea mărimilor reduse (pentru D = l m şi H = l m) se face, convertind mărimile măsurate într-o staţie oarecare, prin 2

aplicarea relaţiilor pentru maşini hidraulice asemenea. Pe de altă parte, în vederea obţinerii unei imagini de ansamblu asupra funcţionării maşinii hidraulice încercate, se obişnuieşte reprezentarea în aceeaşi diagramă a tuturor caracteristicilor funcţionale. O asemenea diagramă poartă numele de curbă caracteristică universală. în cazul turbinelor, planul de reprezentare al caracteristicii universale îl constituie fie sistemul de coordonate Q 11, n11 fie sistemul P11, n11. Dacă în afară de acestea două se încearcă reprezentarea unei a treia mărimi (de exemplu randamentul ), se obţine o suprafaţă în spaţiu. Din geometria descriptivă se ştie că este posibilă reprezentarea în plan a unei suprafeţe spaţiale prin trasarea curbelor de nivel. Altfel spus, trebuie să se proiecteze în planul de bază, curbele rezultate din intersecţia suprafeţei spaţiale cu plane paralele la cel de bază. Practic se procedează în felul următor (fig. 1.5) : — În diagrama  = f(n11) se duce o dreaptă de randament constant, de exemplu  = 1. Această dreaptă intersectează curba caracteristică pentru α1 = const. în punctele a căror turaţie este n11 = a şi n11 =e. — În diagrama Q11 = f(n11) se determină abscisele n11 = a şi n11 = e. Se ridică verticala din aceste puncte pînă cînd intersectează curba Q11 = f(n11) pentru α1 =constant (punctele A şi E). - Se procedează în mod similar pentru abscisele b, f, c, g, d, h, obţinîndu-se punctele B, F, C, G, D, H. Punctele notate cu majuscule arată în planul Q11 = f(n11) locurile unde funcţionarea se face cu randamentul 1. Unind punctele A, B, C, D, H, G, F, E, se obţine curba de randament constant 1. Adoptînd aceeaşi metodă pentru mai multe valori ale lui  se obţine o familie de curbe de egal randament.

Fig. 1.5 Aplicînd procedeul descris şi pentru alţi parametri (obişnuit pentru putere şi turaţia specifică), se pot suprapune şi aceste familii de curbe în diagrama Q11 = f(n11), obţinîndu-se curbele caracteristice universale (fig. 1.6).

Fig. 1.6 3

Curbele caracteristice universale determinate pentru H = 1m şi D = 1m sînt valabile pentru toate turbinele geometric asemenea. Aşadar, ele sînt deosebit de utile pentru alegerea variantei optime dintr-un întreg set de turbine încercate. De asemenea, se poate studia abaterea punctului optim de funcţionare faţă de punctul de proiectare. 1.4. CURBE DE GARANŢIE În exploatarea unei centrale hidroelectrice, puterea la care funcţionează agregatele depinde simultan de energia hidraulică disponibilă şi de energia electrică cerută de consumator. Aceşti factori impun turbinelor să funcţioneze mare parte din timp la puteri deosebite de cea de proiectare. Aşadar, este necesară cunoaşterea variaţiei randamentului în funcţie de putere. Reprezentarea grafică a acestei dependenţe poartă numele de curbă de garanţie. Curba de garanţie se poate construi utilizînd simultan curbele  = f(n) şi P = f(n) (fig. 1.7). În planul acestor curbe se trasează dreptele n = nR (nR este turaţia de regim a maşinii). Punctele a, b, c, d şi f, g, h, i, în care această dreaptă intersectează cele două curbe, se transpun în abscisa, respectiv ordonata planului P ;  . Ducînd orizontalele şi verticalele corespunzătoare, se obţin punctele A, B, C, D, prin care trece curba de garanţie.

Fig. 1.7 În figura 1.8 sînt prezentate, pentru diverse tipuri de turbine, curbele de variaţie a randamentului in funcţie de debitul relativ (curbe asemănătoare cu cele de garanţie). Caracteristica cea mai plată este oferită de turbina Pelton. Deşi randamentul maxim este ceva mai scăzut decit Ia celelalte tipuri de turbine, maşina funcţionează bine chiar la debite foarte mici. în acelaşi mod se comportă şi turbinele Kaplan cu palete reglabile. în cazul turbinelor Kaplan cu palete fixe şi al turbinelor Francis, secţiunile de trecere rămînînd constante, vitezele relative variază odată cu debitul, în timp ce vitezele de antrenare menţinîndu-se neschimbate, triunghiurile vitezelor se modifică şi determină variaţii mari ale randamentului.

Fig. 1.8

2. REGLAREA TURBINELOR HIDRAULICE În mod obişnuit, turbinele hidraulice sînt destinate antrenării generatoarelor electrice ce furnizează energia necesară unei anumite reţele. Consumatorii branşaţi în reţea vor cupla sau scoate din funcţie diferite receptoare de curent, in conformitate cu nevoile lor individuale. Aşadar, puterea generatorului electric se modifică in permanenţă, în timp ce puterea hidraulică disponibilă rămine aproximativ aceeaşi. Dacă energia hidraulică disponibilă este mai mare decît cea necesară la generatorul electric, turaţia întregului grup creşte, 4

într-adevăr, din dinamica se ştie că pentru masele în mişcare de rotaţie perfect echilibrate static şi dinamic, rezultanta forţelor centrifuge este nulă iar momentul forţelor de inerţie tangenţiale trebuie să fie egal cu suma cuplurilor aplicate : I

unde : I  Cm Cr

d  Cm  Cr dt

(2.1)

este momentul de inerţie al maselor în rotaţie; - viteza unghiulară ; — cuplul motor, determinat de puterea hidraulică disponibilă; — cuplul rezistent, determinat de puterea cerută de consumatori.

Cînd Cm = Cr, d/dt = 0, adică  = constant, ceea ce înseamnă funcţionare la turaţie constantă. Daca dinlr-un motiv oarecare cuplul rezistent creşte la valoarea C'r în timp ce cuplul motor rămtne constant, , turaţia agregatului scade. Dimpotrivă, cînd C'r este mai mic decît Cmf , , turaţia agregatului creşte. Pentru ca tensiunea şi frecvenţa în reţea să rămînă constante, condiţie necesară funcţionarii receptorilor de energie, turaţia trebuie să rămînă constantă. Aşadar, în componenţa agregatului trebuie să existe un organ care să modifice în permanenţă cuplul motor în conformitate cu variaţia cuplului rezistent. Acest organ se numeşte regulator automat de viteză şi acţionează în sensul modificării cuplului motor. Variaţia acestuia se poate face numai prin micşorarea sau mărirea debitului, ceea ce presupune acţionarea asupra aparatului director. Evident, în funcţie de puterea hidraulică disponibilă există un cuplu motor maxim posibil. Dacă Cr depăşeşte valoarea acestuia, consumul din reţea nu mai poate fi asigurat cu grupul respectiv. Pentru satisfacerea consumului trebuie pornit un alt agregat. Dacă centrala nu mai dispune de nici un agregat liber, trebuie branşată la reţea o a l t ă centrală electrică. Pentru aceeaşi valoare a diferenţei Cm - Cr variaţia turaţiei este cu atît mai mică, cu cît momentul de inerţie I este mai mare. Pentru a mări momentul de inerţie, în anumite situaţii, agregatul se completează cu un volant. In practică, volantul se caracterizează prin produsul GD2, unde G este greutatea, iar D este diametrul de giraţie. Legătura cu momentul de inerţie este dată de expresia : (2.2) Existenţa unui moment de inerţie mare în cazul turbinelor hidraulice este deosebit de importantă, deoarece reducerea debitului (în vederea micşorării cuplului motor) nu se poate face brusc. O reducere rapidă a debitului poate provoca suprapresiuni dăunătoare, mai ales atunci cînd există conducte lungi şi viteze mari. Volantul are aşadar rolul de a întîrzia variaţia de turaţie, permiţînd intervenţia lentă a regulatorului în vederea restabilirii noului echilibru. În general, se pot imagina regulatoare cu acţiune directă, constituite dintr-un organ ce sesizează variaţia turaţiei (denumit îndeobşte tahometru) şi acţionează printr-un mecanism de comandă asupra vanei de distribuţie a fluidului care intră în rotor. La turbinele hidraulice, unde sînt necesare forţe mari pentru închiderea aparatului director, trebuie aplicate regulatoare cu acţiune indirectă. Aceste regulatoare se compun de asemenea dintr-un tahometru şi un organ de comandă, care însă pun în funcţiune un organ de execuţie special, denumit servomotor, ce acţionează asupra aparatului director. Prin introducerea servomotorului, forţa necesară şi mai ales viteza cu care se face închiderea este independentă de viteza de mişcare şi forţa dezvoltată de către tahometru. În compunerea regulatorului cu acţiune indirectă, mai există de obicei: ▪▪▪ sistemul de readucere, cu misiunea de a amortiza oscilaţiile ce se produc în cazul intrării regulatorului în funcţiune în vederea anihilării unei perturbaţii ; ▪▪▪ sistemul de compensare, al cărui scop este de a face ca turaţia după perturbaţie să revină la valoarea iniţială; ▪▪▪ instalaţii auxiliare: gospodărie de ulei, aparate de măsură, dispozitiv de manevră manuală etc. Regulatoarele de viteză pot fi izodrome, la care după efectuarea reglajului turaţia revine exact la valoarea nominală, sau neizodrome, la care după înlăturarea perturbării turaţia nu coincide cu valoarea nominală. La uzinele hidroelectrice care funcţionează în paralel pe o reţea a unui sistem energetic, fără a 5

avea rolul de a regla frecvenţa curentului în jurul celei de regim (f = 50 Hz), acest rol fiind rezervat altor uzine electrice, pot fi folosite regulatoare neizodrome. Aceste regulatoare sînt mai ieftine şi mai uşor de întreţinut decît cele izodrome. În cele ce urmează se examinează două scheme de regulatoare neizodrome cu acţiune indirectă, aplicate turbinelor hidraulice. 2.1. REGLAREA TURBINELOR PELTON După cum s-a arătat la construcţia turbinelor hidraulice, reglarea debitului unei turbine Pelton se realizează prin închiderea sau deschiderea acului injectorului. Deoarece închiderea bruscă a injectorului poate provoca supra-presiuni deosebit de periculoase, turbinele Pelton sînt prevăzute în partea din faţă a injectorului cu un organ ce poartă numele de defleclor. În figura 2.1 se prezintă diferite soluţii constructive pentru realizarea deflectorului. Cînd puterea cerută de generatorul electric scade brusc, deflectorul, comandat de către regulator, intră în jetul de apă producînd o deviere parţială sau totală, în scopul de a reduce debitul ce acţionează asupra rotorului, respectiv puterea turbinei. Această manevră se produce în timp scurt (1 ... 2 s, pentru a reduce debitul de la valoarea maximă pînă la zero). Deoarece nu se obturează secţiunea de trecere a fluidului, nu există pericolul loviturii de berbec. După aceasta se începe închiderea l e n t ă a acului, pentru a reduce progresiv debitul care trece prin stator; durata obturării complete este uneori mai mare de zece secunde, ceea ce evită lovitura de berbec. Concomitent cu închiderea acului, deflectorul se retrage din vînă, astfel încît în noua poziţie de funcţionare să fie complet scos din vînă, însă în imediata apropiere a acesteia.

Fig. 2.1 Aşadar, regulatorul de viteză al turbinelor Pelton trebuie să acţioneze atît asupra deflectorului cît şi asupra acului, efectuînd un reglaj dublu. În figura 2.2 se prezintă schema unui astfel de regulator. Dacă la un moment dat puterea cerută de generatorul electric scade, vom avea Cr