2. Вибір типу та визначення розмірів вузлів гідроагрегатів

2.1. Характеристика гідроенегргетичного обладнання.

З початку розвитку світового гiдротурбобудування минуло бiльш, як пiвтора столiття. Весь цей час продовжувався процес поетапного удосконалення турбiн, внаслодок якого склався ряд конструктивных класiв, якi найкращим чином задовольняли вимоги, що пред'являлися до потужних турбiн, iснують такi класи: активнi турбiни та реактивнi. Серед головних переваг сучасних турбiн слiд визначити те, що вони мають можливiсть регулювання потужностi.

Особливе місце останнім часом посіли оборотні гідромашини, що застосовуються на гідроакумулюючих електростанціях. Ці гідромашини завдяки конструктивним особливостям деяких вузлів можуть працю­вати як у режимі турбіни, так і в режимі насоса, зменшуючи в окремих випадках удвічі потребу в гідромашинах.

Постійне тех­нічне удосконалення конструкцій і парамет­рів гідротурбін, досвід застосування їх для різних умов і напорів та виробничий відбір останнім часом майже остаточно склали основну номенклатуру турбін різних типів і зони їх доцільного застосування в залежності від призначення і умов функціонування, які наглядно зображені на діаграмі. Із класу активних турбін використовуються лише ковшові, а інші типи турбін цього класу (кільцеструминна похило-струминна, подвійна та ін.) практичного застосування не знайшли.

До класу реактивних гідротурбін відносяться поворотно~лопатеві, пропелерні, радіально-осьові та діагональні турбіни.

Для указаних вище основних типів турбін, що найбільш широко застосовуються, введена умовна маркіровка, яка складається з чотирьох складових: тип турбіни, максимальний напор у метрах, конструктивний вид установки та діаметр робочого колеса у сантиметрах. Тип турбіни позначається великими літерами: поворотно-лопатева – ПЛ, пропелерна –ПР, радіально-осьова – РО, діагональна – ПЛД і ковшова – К. Типів у номенклатурі прийнято: для поворотно-лопатевих осьових турбін – 9, діагональних – 8, для радіально-осьових – 8. Номен­клатурою передбачені діаметри робочих коліс поворотно-лопатевих турбін – від 2,0 до 10,6 м, а радіально-осьових – від 1,8 до 9,0 м. Межі потужностей для робочих коліс кожного типу визначаються прийнятими максимальними і мінімальними діаметрами, позначеними біля відповідних похилих ліній. Межі застосування робочих коліс по напору встановлені орієнтовно, виходячи із звичайних припустимих на практиці економічно доцільних висот відсмоктування та із умови міцності лопатей. Номенклатура, що склалася на підставі історичного досвіду використання гідротурбін, встановлює доцільні зони напорів для поворотно-лопатевих турбін від 2 до 80 м, радіально-осьових – від 40 до 500 м, діагональних поворотно-лопатевих турбін – від 30 до 200 м. При напорах до 20 м більш раціональними вважаються горизонтальні капсульні гідроагрегати з осьовими або діагональними турбінами.

Кожен з основних типів гідротурбін, що знаходяться в користуванні у людства, має певні переваги і недоліки у порівнянні з Іншими відповідно до раціональної зони використання та умов експлуатації, і для вірного вибору типу турбіни у кожному конкретному випадку важливо знати їхні характеристики.

Діагональні поворотно-лопатеві турбіни. Цей тип турбіни за багатьма ознаками конструктивної схеми подібний до осьової поворотно-лопатевої турбіни. Але істотною різницею між цими двома типами є те, що осі повороту лопатей діагональної турбіни розташовані під деяким непрямим кутом до осі обертання турбіни, і водяний потік надходить у міжлопатевий простір непаралельно до осі обертання турбіни (діагонально). Завдяки цьому втулка робочого колеса опинилася за межами потоку, і тому відпала сама по собі проблема втулочного коефіцієнта. Виникла можливість значно збільшити розмір втулки робочого колеса, встановити на ній більше лопатей і застосовувати турбіну на напори значно більші, ніж напори, на які застосовуються осьові турбіни. Діагональна поворотно-лопатева турбіна заповнює деякий пробіл між зонами застосування осьових і радіально-осьових турбін.

Спіральні камери гідротурбін. Підведення води до реактивних турбін здійснюється через турбінні камери, форма і конструкція яких дуже різноманітні. Зустрічаються відкриті, кожухові і спіральні (бетонні, металеві і змішані) камери. Вибір конструкції турбінної камери залежить від розмірів турбіни і напору води.

Найбільш розповсюдженою формою турбінної підвідної камери є спіральна камера, що має радіальний перетин, поступово зменшуючийся від вхідного перетину до кінця камери, до так званого зуба спіралі. Підвідна камера у вигляді спіралі дозволяє здійснювати рівномірне підведення води до робочого колеса з усіх боків при мінімальних втратах. Спіральна камера на відміну від відкритої і кожухової дозволяє винести значну частину механізмів гідротурбін з води в сухе приміщення, що поліпшує умови експлуатації турбіни. У залежності від напору спіральні камери вибирають бетонними чи металевими. Для напорів до 50 м застосовують бетонні, радіальні перетини яких мають форму тавра Для напорів понад 40 м застосовуються металеві спіральні камери з круглим радіальним перетином.

Статори гідротурбін. Усередині спіралі в потоці розташований статор, що є опорною конструкцією турбіни. Статор охоплює напрямний апарат і у спіральній камері служить для передачі навантаження від ваги гідроагрегата і навантаження від тиску води на робоче колесо до фундаменту. У високонапорних металевих спіральних камерах статор є її остовом, який поєднує в єдину конструкцію всю спіраль.

Конструкція і технологічне виконання статорів вертикальних гідротурбін, що є проміжним елементом проточного тракту турбіни між спіральною камерою і напрямним апаратом, залежить від типу турбіни і її параметрів, конструкції спіральної камери і її розмірів.

Для литих статорів високонапорних радіально-осьових турбін зі сталевими спіральними камерами кількість колон, як і для поворотно-лопатевих турбін, найчастіше приймають вдвоє меншою від кількості лопаток напрямного апарата. Колони статора являють собою певний опір для потоку, що проходить крізь статор, тому їх профілю надають обтічну форму і орієнтують за лініями току відповідно до векторів швидкостей потоку в залежності від кута охоплення спіральної камери.

Напрямний апарат реактивних гідротурбін. Напрямний апарат реактивної гідротурбіни функціонує сумісно із спіральною камерою І забезпечує підведення потоку до робочого колеса рівномірно з усіх боків та здійснює регулювання витрати води через турбіну. У закритому положенні напрямний апарат цілком припиняє біг води до робочого колеса і виконує роль затвора. Зміна витрати води через турбіну досягається шляхом повороту системи напрямних лопаток, розташованих по колу. При повороті лопаток змінюється напрямок потоку (кут ) на виході з напрямного апарата. У поворотно-лопатевих турбінах регулювання витрати відбувається шляхом одночасного повороту напрямний лопаток і лопатей робочого колеса.

У сучасних конструкціях реактивних гідротурбін застосовуються такі типи напрямних апаратів: циліндричний, осі лопаток якого рівнобіжні один одному й осі турбіни і розташовані на ціліндричній поверхні; конічний з осями лопаток, розташованими на конічній поверхні під непрямим кутом до осі турбіни; осьовий (радіальний), у якому осі лопаток розташовані радіально відносно осі агрегата в єдиній площині. Конічний напрямний апарат іноді, застосовується діагональних турбін, але основне його застосування для горизонтальних капсульних гідроагрегатів, а осьовий – у горизонтальних гідротурбінах, що мають прямоосне неспіральне підведення води. Ці два типи напрямних апаратів великого поширення в даний час не мають. Для закриття напрямного апарата і забезпечення зупинки турбіни при заклинюванні сторонніх предметів між суміжними лопатками в приводі лопаток передбачається ламке з'єднання (запобіжник). Тому у випадках заклинювання (попадання стороннього предмету) напрямний апарат все ж таки закривається, за винятком каналів з лопатками, між якими потрапила перешкода. У більшості сучасних конструкцій ламке з'єднання виконується у вигляді зрізного циліндричного пальця.

Запобігання протікання води з турбіни по цапфах напрямних лопаток здійснюється ущільнення, що складається з гумових чи шкіряних манжет. Вода, що просочується через манжету верхньої цапфи, збирається в кільцеву проточку в корпусі підшипника і відводиться по трубі у кришку турбіни.

У високонапорних турбінах напрямні лопатки ущільнюються найчастіше шляхом точної підгонки їх одну до одної так, щоб у закритому положенні зазору між лопатками не було. Сумарний торцевий зазор між лопатками і нижнім та верхнім кільцями напрямного апарата для середніх турбін може бути в межах 0,5-0,6 мм і для великих – до 1,5-2,0 мм.

Опорні втулки підшипника і нижньої цапфи виконуються з бронзи або лігнофолю. Лігнофоль являє собою деревинно-слоїстий пластик, який має високі антифрикційні й механічні властивості і у воді може працювати без змащення. Лопатки напрямного апарата відливаються сталевими пустотілими разом з цапфами. На великих гідротурбінах останнім часом почали застосовувати зварені конструкції напрямних лопаток, що складаються з кованих цапф і штампованого з листового металу пера лопатки.

Привод напрямного апарата найчастіше здійснюється через кінематичну систему, замкнену на регулююче кільце, до якого, з іншого боку, прикладається зусилля силового органу напрямного апарата - гідравлічних сервомоторів (гідроприводу подвійної дії). Відносно регулюючого кільця сервомотори можуть розташовуватись осесиметрично або за круговою симетрією. Найбільш поширений із сервомоторів на даний час є одинарний прямоосний поршневий сервомотор. Характерною рисою такого сервомотора є наявність шарніра в поршні. Шток сервомотора з'єднується циліндричним шарніром як із поршнем, так і з регулюючим кільцем. Це дозволяє при прямолінійному русі поршня здійснювати кругове переміщення регулюючого кільця за рахунок бокового коливання штока. При цьому для ущільнення сервомотора шток як встановлений у стакан поршня, що проходить крізь кришку циліндра і в ній ущільнюється. Корпус сервомотора виготовляється заодно з фланцем, за допомогою якого сервомотор кріпиться до шахти турбіни.

Робоче колесо поворотно-лопатевої турбіни. Відповідно до своїх властивостей робочі колеса поворотно-лопатевих турбін значно відрізняються від радіально-осьових складністю конструкції, більш складною технологією виготовлення та значними експлуатаційними проблемами ї витратами. Але, незважаючи на вказані вище ускладнення, поворотно-лопатеві робочі колеса застосовуються для осьових і діагональних гідротурбін в зоні низьких напорів, коли їхні переваги більш істотні, ніж недоліки. Головна мета, що досягається при цьому, це забезпечення сталого високого коефіцієнта корисної дії при значних коливаннях напору і потужності.

Відсмоктувальна труба – остання за потоком частина проточного тракту турбіни. Основні функції її такі:

• відвід води від турбіни з найменшими втратами;

• гасіння швидкості потоку, що виходить із турбіни, з метою запобігання розмиву споруди;

• використання (відновлення) енергії потоку, який вже пройшов робоче колесо.

Для сучасних великих гідроелектростанцій переважно використо-вують вигнуті відсмоктувальні труби.

Всі три складові частини з точки зору гідродинаміки являють собою дифузори. Конічний патрубок має кут конусності до 13^° на один бік і відіграє головну роль у відновленні енергії. Із загальної кількості відновлюваної енергії патрубок від­новлює близько 50 %, коліно – 5 % і горизонтальний розтруб – 20 % енергії.

Оскільки вигнута відсмоктувальна труба у повному складі по суті є на всьому своєму протязі дифузором з вигнутою осьовою лінією, видовження такого дифузора веде до збільшення його коефіцієнта відновлення.

Турбінні підшипники. За характером навантаження, яке вони сприймають, підшипники поділяються на напрямні і опорні. У складі вертикальних гідроагрегатів підшипники турбіни є в основному напрямними, бо на них діють лише випадкові динамічні навантаження, викликані механічною та електромагнітною незбалансованістю ротора, або несиметричністю потоку води, що надходить до робочого колеса. Вертикальне навантаження від ваги ротора гідроагрегата і тиску води на лопаті робочого колеса при цьому сприймає підп'ятник гідрогенератора. Підшипники горизонтальних гідроагрегатів крім випадкових динамічних навантажень сприймають також вагу ротора гідроагрегата, то для таких навантажень застосовують лише опорні підшипники. Змащення турбінних підшипників здійснюється, як правило, рідкими турбінними маслами, але досить широкого застосування набуло і змащення звичайною річковою або артезіанською водою.

Роль антифрикційних матеріалів для підшипників на масляному змащуванні виконують бабіти (марки Б83 – для опорних підшипників і Біб – для напрямних), а на водяному – тверда гума. За конструкцією підшипники бувають у вигляді суцільної втулки із примусовим змащенням під тиском і сегментні – із самозмащенням, які застосовуються тільки для вертикальних валів гідроагрегатів. Для гідроагрегатів із високими швидкостями обертання доцільніше використовувати підшипники із суцільною втулкою, оскільки вони краще визначають (задають) вісь обертання ротора і більш надійні у протистоянні динамічним навантаженням. Для малих швидкостей раціональніше застосовувати сегментні підшипники, у яких передбачена конструктивна можливість компенсування природного зносу за рахунок регулювання радіального зазору.