ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР И НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ ГЭС
Гидравлическим ударом называется повышение или понижение давления в трубопроводе при резком изменении скорости течения воды в нем. Если затвор трубопровода быстро закрывается, то перед затвором происходит повышение давления, а за затвором давление уменьшается. При быстром открывании затвора давление перед ним понижается, а за затвором — повышается. Силы инерции воды, возникающие при изменении скорости течения, являются причиной изменения давления.
На ГЭС роль затвора, регулирующего расход воды, выполняет сопло активной (ковшовой) турбины или направляющий аппарат реактивной турбины. На высоконапорных установках с ковшовыми турбинами при сбросе нагрузки турбины происходит повышение давления в турбинном трубопроводе. На установках с реактивными турбинами повышается давление в турбинном трубопроводе и в спиральной камере и одновременно понижается давление, т. е. увеличивается вакуум, в отсасывающей трубе. Наибольшую опасность для низконапорных установок представляет понижение абсолютного давления (увеличение вакуума) в отсасывающей трубе, которое может быть особенно большим, если отсасывающая труба длинная. При чрезмерном увеличении вакуума в отсасывающей трубе может произойти разрыв сплошности потока. После такого разрыва вода по инерции некоторое время будет продолжать движение в сторону НБ, затем остановится и начнет двигаться в обратном направлении и, подойдя к турбине, ударит по лопастям рабочего колеса, по лопаткам направляющего аппарата и по крышке турбины. В результате таких явлений на ГЭС происходят крупные -аварии— поломка лопастей турбины, лопаток направляющего аппарата и т. д.
В эксплуатации ГЭС происходят не только сбросы, но и внезапные увеличения нагрузки. При быстром увеличении нагрузки повышается давление в отсасывающей трубе и уменьшается давление в спиральной камере и в трубопроводе. Опасность может представить такое уменьшение давления, при котором на выступающих углах трассы образуется вакуум, могущий повлечь за собой сплющивание трубы. Поэтому при расчете трубопровода определяют не только повышение, но и понижение давления, принимают меры к исключению образования в нем опасного вакуума. Аварийное включение нагрузки представляет собой наиболее яркий пример неустановившегося режима работы гидроагрегата, при котором резко изменяется нагрузка, расход и напор, вступает в действие регулятор вращения турбины и т. п. Но неустановившиеся режимы имеют место и в нормальных условиях эксплуатации, в частности, при регулировании гидроэлектростанцией частоты тока в энергосистеме и при работе ГЭС с суточным регулированием. В меженный период неустановившиеся режимы работы ГЭС оказываются преобладающими. Неустановившиеся режимы часто называют переходными, рассматривая их как переход от одного установившегося режима к другому установившемуся режиму.
Изменения напора при гидравлическом ударе влияет на расход и мощность турбины и осложняет регулирование турбины при переходных процессах.
На рис. 19-1 показано соотношение между напором Н и внутренним давлением воды р. Для ковшовых турбин плоскость сравнения О—О целесообразно провести через центр выходного отверстия сопла (рис. 19-1, а), а для реактивных турбин — совместить с уровнем НБ (рис. 19-1,6).
Если пренебречь потерями напора в трубопроводе АкП0т и скоростным напором ao2/(2g), то при установившемся режиме пьезометрическая линия будет горизонтальной. При этих допущениях для любого сечения трубы напор установившегося режима Н0 будет постоянным, но внутреннее давление р0 и пьезометрическая высота Нп0 будут зависеть от местоположения сечения.
Такое же соотношение будет и для понижения давления при открытии затвора.
Для реактивных турбин из-за наличия отсасывающей трубы получаются более сложные зависимости (см. § 19-14).
Гидравлический удар в условиях абсолютно жесткой трубы и несжимаемости воды называют жестким ударом.
Вследствие упругости стенок трубы и сжимаемости воды происходит упругий гидравлический удар, который в дальнейшем будем сокращенно называть гидравлическим ударом.