Быстроходность осевых рабочих колес растет с уменьшением числа лопастей, их общей поверхности, относительного диаметра корпуса,
kВТ = dВТ / D1
а также с увеличением высоты направляющего аппарата b0.
Изменение числа лопастей и их поверхности, которую обычно характеризуют отношением длины лопасти к расстоянию между осями, или шагу l / t, имеет очень большое значение для осевых турбин. При малом числе лопастей z и малых l / t решетка профилей, которую можно легко представить, если развернуть цилиндрическую поверхность, пересекающую лопасти на плоскость (рис. 2.2), оказывает малое препятствие потоку, что ведет к увеличению пропускной способности и оборотов турбины. Это позволяет наилучшим образом использовать основное свойство осевых турбин — их высокую быстроходность.
Рисунок 2.2. Изменение решеток профилей в процессе поворота лопастей.
Однако, при очень редкой решетке увеличиваются скорости в потоке, сильно возрастают кавитационный коэффициент σ, энергия на выходе из рабочего колеса и неизбежные при ее восстановлении дополнительные потери. Поэтому при числе лопастей менее четырех к. п. д. заметно падает.
При повышении напоров приходится применять рабочие колеса, обладающие меньшим коэффициентом кавитации. Это достигается за счет применения рабочих колес с относительно густыми решетками, т. е. с большим числом лопастей и большой их суммарной поверхностью. Для улучшения кавитационных свойств имеет большое значение не только уменьшение, но и равномерное распределение скоростей и давлений на поверхности лопасти, при котором отсутствуют резкие их изменения и максимумы (пики). Энергетические и кавитационные качества гидротурбины, таким образом, в большей мере определяются хорошо спроектированной и выполненной лопастью. Форма пера лопасти определяется гидродинамическими расчетами и окончательно отрабатывается при испытаниях. От нее в большой мере зависят к. п. д. и кавитационные качества рабочего колеса.
Сечения лопасти схематично показаны на рисунке 2.2. Они представляют хорошо обтекаемые аэродинамические профили. С увеличением расчетного напора толщина лопасти увеличивается. Наибольшая толщина профиля в последнее время располагается ближе к середине сечения. Входная и выходная кромки лопасти закругляются, что обеспечивает более плавное обтекание.
При высоких значениях всех скоростей выходная скорость и кинетическая энергия за рабочим колесом оказываются достаточно большими, и для их использования большое значение имеет качество отсасывающей трубы.
Рассмотренные выше свойства являются общими для всех осевых колес, однако свойства гидротурбин, оборудованных пропеллерными и поворотно-лопастными колесами, имеют существенные отличия.
Пропеллерные осевые колеса. В пропеллерных осевых колесах при изменении открытий направляющего аппарата, иначе говоря, при изменяющемся направлении скорости потока, на входе в рабочее колесо лопасти остаются закрепленными на корпусе рабочего колеса под одним и тем же углом φ, который выбирают для режимов, соответствующих (0,75 ÷ 0,85)NМАХ. Это приводит к тому, что в условиях эксплуатации, при изменяющихся напорах и мощностях, они работают с относительно большими потерями и значительно уступают в выработке поворотно-лопастным турбинам. В них пропускная способность колеса остается неизменной, и расход через турбину определяется открытием направляющего аппарата.
Вторым недостатком пропеллерных турбин является их неспокойная работа в нерасчетных режимах. В ряде режимов при малых открытиях а0 или пониженных напорах они не могут работать вообще, так как вибрации становятся недопустимо большими. Это объясняется наличием вихрей, сходящих с рабочего колеса, возмущающих поток и в очень сильной мере нарушающих равномерность течения. Пропеллерные гидротурбины можно применять только там, где напоры изменяются незначительно и где регулировать вырабатываемую мощность при наличии большого числа агрегатов можно их последовательным отключением.
Поворотно-лопастные колеса. В поворотно-лопастных колесах лопасти при изменении открытия направляющего аппарата автоматически устанавливаются па новый угол φ, при котором обтекание приближается к гладкому. Полностью устранить несоответствие угла набегания потока и входного угла профиля лопасти не удается, но расхождении нарастают медленно, и потери энергии при нерасчетных углах в очень широком диапазоне режимов остаются малыми. Изменение к. п. д. при этом носит очень плавный характер. Благодаря этим свойствам поворотно-лопастные колеса почти всюду вытеснили пропеллерные, единственным преимуществом которых являются простота конструкции и, как следствие, меньшая стоимость. Однако это в большинстве случаев не окупает потерь в выработке энергии.
Пропускная способность рабочего колеса в поворотно-лопастных турбинах изменяется с поворотом лопастей. Расстояния в свету изменяются в соответствии с изменением положения лопастей рабочего колеса, которые обозначаются также через а I 0, (см. рисунок 2.2).