Обычно для определения расхода с помощью аппарата Гибсона записывается процесс изменения давления' в водоводе при сбросе нагрузки. Чтобы избежать повышения частоты вращения агрегата, которое неизбежно происходит при сбросе нагрузки, специалисты ПО «Ленинградский металлический завод» предложили записывать процесс изменения давления в водоводе при быстром закрытии направляющего аппарата резким поворотом рукоятки управления механизмом ограничения открытия. При этом генератор отключается от сети, когда направляющий аппарат проходит положение холостого хода, и частота вращения не повышается. Время полного закрытия направляющего аппарата составляло около 12 с.
По последним данным МЭК [2], полная ошибка определения расхода способом гидроудара составляет от 1,5 до 2,0 % при условии соблюдения всех требований, предъявляемых к испытаниям. В частности, полагается начинать запись диаграммы при застопоренном направляющем аппарате, а закрытие направляющего аппарата должно происходить одним движением.
Однако конструкция сервомотора направляющего аппарата турбины ГЭС Мактаквак не позволила достаточно просто и надежно выполнить эта два требования. «Качание» направляющего аппарата на установившемся режиме составляло около 5 мм по ходу поршня сервомотора. Демпфер снижал скорость поршня сервомотора спустя 7 ... 8 с после начала закрытия направляющего аппарата.
Типичная диаграмма изменения давления, полученная при описываемых испытаниях, показана на рис. 3.
Необходимо отметить, во-первых, наличие повышенных колебаний давления в водоводе при установившемся режиме работы турбины, вызванных колебаниями незастопоренного направляющего аппарата, и, во-вторых, наличие большого числа резких колебаний давления, вызванных замедлением закрытия направляющего аппарата. Первые затрудняют нахождение линии режима на диаграмме, а вторые — определение площади брутто диаграммы. И то и другое в результате увеличивает ошибку определения площади нетто и, следовательно, расхода воды через гидротурбину.
Полученная в результате испытаний кривая зависимости абсолютного КПД гидротурбины от ее мощности близка по форме к измеренной кривой зависимости относительного КПД от мощности и к кривой, полученной пересчетом результатов модельных испытаний по формуле Муди [3]. Значения абсолютного КПД, определенные натурными испытаниями, на 1,5 % отличаются от пересчитанных с модели, т. е. разница между ними находится в пределах ошибки измерений. Установлено также, что расход воды через гидротурбину пропорционален перепаду давления между отводами расходомерного створа в степени 0,5.
Для вычисления расхода через гидротурбину кроме площади нетто диаграммы «давление — время» необходимо знать расход протечек через закрытый направляющий аппарат, если он превышает 0,5 % от номинального расхода через гидротурбину.
Участвующие в испытаниях специалисты ЛМЗ предложили способ определения протечек, не требующий подготовительных работ и применимый, если в процессе опорожнения водовода можно выделить некоторый достаточно продолжительный период, в течение которого протечки через закрытый щит на входе в водовод остаются постоянными. Характеристик пульсаций температур на поверхности элементов привода по известным характеристикам пульсаций температур теплоносителя.
3. Расчет по разработанной методике оценки долговечности достаточно хорошо согласуются с эксплуатационными данными.
Процесс опорожнения водовода описывается дифференциальным уравнением, где 2 — отметка уровня свободной поверхности воды в водоводе; 5 — площадь свободной поверхности воды в водоводе; д — расход протечек через щит на входе в водовод; да — расход протечек через закрытый направляющий аппарат; — время.
При постоянном уровне верхнего бьефа если уровень воды в водоводе находится ниже щита.
Расход протечек через направляющий аппарат зависит от напора, где Н — напор, создающий протечки через закрытый направляющий аппарат; § — ускорение силы тяжести; р, — коэффициент расхода; Г — суммарная площадь зазоров.
Уровень свободной поверхности воды в водоводе легко измеряется с помощью подключенного к любому отводу вблизи входа в турбину достаточно точного манометра (например, ртутного). Выполняя такие измерения и одновременно измеряя уровень нижнего бьефа через определенные промежутки времени, можно получить зависимость изменения уровня в водоводе Ъ и напора Н от времени и Измерение уровней должно проводится с точностью до 0,01 м.
Для получения удовлетворительной точности функциональной зависимости, установленной из опыта, необходимо подобрать приближенную формулу.
В общем случае р,, Р, и 5 являются функциями Я.
Функция приближения должна выбираться как комбинация этих функций. Численные параметры функций определяются подходящим способом по экспериментальным точкам, а неизвестные величины — решением системы уравнений вида.
В частном случае при наличии прямого водовода постоянного сечения и относительно небольшом изменении напора величины можно считать постоянными и приближенная формула будет иметь вид.
Коэффициенты а и Ь определяются методом наименьших квадратов по экспериментальным точкам, а расходы протечек по формулам д=а8; д& = Ь8 ~]/Н>
На ГЭС Мактаквак было сделано 20 измерений уровней воды в водоводе и нижнем бьефе с интервалом 5 мин. Определенный описанным способом расход протечек через закрытый направляющий аппарат составил 0,66 м3/с для напора 34,44 м; расход протечек через щит —0,26 м3/с. Анализ случайных ошибок показал, что ошибка определения расхода протечек не превышает 5 %.
Вибрационные испытания проводили в диапазоне открытий направляющего аппарата от холостого хода до 100%ного открытия (на комбинаторных режимах и пропеллерных при минимальном <р).
Специалисты ЛМЗ измеряли вертикальные и радиальные вибрации турбинного и генераторного подшипников и радиальную вибрацию не забетонированной части конуса отсасывающей трубы. Измерялись среднеквадратичные значения и размахи вибро-перемещений, усредненные за время измерений. Кроме того, фиксировались максимальные значения этих параметров, наблюдавшиеся в процессе измерений на каждом режиме испытаний. Измерялось также радиальное биение вала у турбинного и генераторного подшипников.
Испытания показали, что при напоре 34 ...35 м агрегат работает с низким уровнем вибраций в диапазоне нагрузок от 35 до 113 МВт. Максимум среднеквадратичных виброперемещений опор агрегата не превышает 20 ... 30 мкм, максимальный размах виброперемещений — 90 мкм, размах колебаний вала — 120 мкм.
Наибольший уровень вибраций отмечен при работе агрегата в диапазоне нагрузок от 20 до 35 МВт. Здесь максимальные среднеквадратичные величины виброперемещений опор достигают 80 мкм, а размах — 300 мкм.
Максимум среднеквадратичного виброперемещения не забетонированной части конуса отсасывающей трубы в диапазоне нагрузок от 35 до 90 МВт составляет в среднем 50 мкм. За пределами этого диапазона вибрации увеличиваются. Основными составляющими в диапазоне мощностей от 35 до 113 МВт являются оборотная и лопастная вибрации. Работа на малых нагрузках характеризуется наличием нестационарных случайных вибраций. Выводы
1. Натурные испытания показали хорошее совпадение ожидавшихся и фактических энергетических характеристик и комбинаторной зависимости гидротурбины ГЭС Мактаквак. Это подтверждает, что при лабораторных исследованиях можно определить характеристики проектируемых гидротурбин.
2. Разработан новый простой и надежный способ достаточно точного определения протечек через направляющий аппарат. Этот способ удобно применять для турбин, имеющих прямолинейный водовод постоянного сечения.