2.2. Радіально-осьові гідротурбін і їх установка

Радіально-осьові турбіни є найбільш старими із вживаних нині систем. Уперше розроблені Френсісом у 1847 р. радіально-осьові турбіни у подальшому багато разів удосконалювалися. У них були застосовані спочатку пряма, а потім вигнута відсмоктувальні труби, винайдений Фінком напрямний апарат із поворотними лопатками і спіральна камера.

На рис. 2.2, а представлено швидкохідне робоче колесо Р0-75, розраховане на застосування при напорах 40÷75 м. Для таких коліс характерні великі значення b₀ [до(0,35÷0,4)]; D_вих>D₁ або D_вих / D₁ > 1; позитивна конусність обода (до =15÷20°); відносно малі розміри ступиці D_ст < D₁ і невелика кількість лопатей (z=12÷14). Усе це дозволяє розширити прохідний переріз робочого колеса і отримати приведену витрату ( = 1,35 м³/с і швидкохідність (при повній потужності) n_s = 300÷350 об/хв при задовільних кавітаційних (σ0,15).

Рис. II.7. Размеры проточного тракта радиально-осевых рабочих колес

Рис. 2.2. Розміри проточного тракту радіально-осьових робочих коліс

Робочі колеса на середні напіри (від 120 до 180 м) Р0-115 і Р0-170 показані на рис. 2.2, б. У них b₀=(0,16÷0,2)·D₁; D_вихD₁; 10°; D_стD₁. Особливістю Р0-115 є виконання порогу на нижньому ободі, а не на нижньому кільці напрямного апарату, як, наприклад, у Р0-75 і ряду інших коліс. У цьому колесі досягнуті найвищі показники для вітчизняних коліс: = 0,65 м³/с; n_s=180; σ=0,06; η_опт=92% на моделі а моделі D₁=0,46 м. Робочі колеса Р0-75, Р0-120 і Р0-175 розроблені на ЛМЗ.

Робоче колесо РО-230, що застосовується на Токтогульской ГЕС, показане на рис. 2.2, в. Воно має характерні обводи проточної частини і рекордне значення к.к.д., що досягає 93% на моделі D₁=0,5 м; = 0,76 м³/с; = 75 об/хв; n_s200 об/хв; σ =0,0. Воно може застосовуватися при напорах до 200 м.

Тихохідне робоче колесо Р0-400, призначене для використання при напорах до 400 м, показане на рис. 2.2, г. У ньому b₀0,1·D₁ і D_вих0,7·D₁; обід має форму тора; D_стD₁; число лопатей z=19. Переріз обтічної поверхні ступиці окреслений плавною кривою; така конфігурація забезпечує зменшення пропускної спроможності і швидкохідності та поліпшення кавітаційних властивостей. Це колесо має параметри: = 0,23 м³/с; = 60 об/хв; n_s=100 об/хв; σ=0,02÷0,03, що дозволяє застосовувати його при високих напорах. Колеса, розраховані на застосування при напорах вище 400 м, мають ще більше стислу проточну частину, число лопатей у них іноді доходить до 23.

Жорстке кріплення лопатей на ступиці і ободі у радіально-осьових турбінах призводить до того, що гладке обтікання в них можливо тільки на одному, так званому розрахунковому режимі, що зазвичай відповідає 80% повної потужності при розрахунковому напорі.

Основними заходами боротьби із сильно вираженими нестаціонарними явищами можуть бути: застосування досить глибоких вигнутих відсмоктувальних труб (h_ВТ=2,60·D₁ у швидкохідних типах і h_ВТ=(3,0÷3,5·D₁ - у тихохідних); підведення повітря у зону робочого колеса при неспокійних режимах через вал або спеціальними трубопроводами. У радіально-осьових турбінах, працюючих при більш високих напорах, ніж поворотнолопатеві, попри те, що енергія на виході із робочого колеса у них меньша, застосовуються глибші відсмоктувальні труби, що заспокоюють коливання тиску і звужують діапазон неспокійної роботи турбіни. При підведенні повітря у зону за робочим колесом, в потоці з'являється легко стиснена фаза водо-повітряної суміші, що служить демпфером і гасить збурюючу енергію вихорів. Проте при великій кількості повітря, що подається, зменшується щільність суміші і к.к.д. турбіни.

У радіально-осьових турбінах, як правило, застосовують металеві спіральні камери із повним охопленням і круглими перерізами, оскільки залізобетонні напіввідкриті камери виявляються недостатньо міцними. Крім того, повне охоплення сприяє більше рівномірному підведенню води і спокійній роботі турбіни.

На рис. 2.3 показано розріз радіально-осьової турбіни середньої швидкохідності, спроектованої і виготовленою ЛМЗ для Токтогульскої ГЕС.

Рис.2.3. Радіально-осьова турбіна Токтогульської ГЕС

Спіральна камера 1 виконана із м’якою прокладкою. Статор 8 виконаний зварним без стикових болтових з’єднань і не потребує механічної обробки. Його пояси і колони зварені із прокату МСт3. На цій ГЕС, що покриває пікові навантаження, гідротурбіни значну частину доби не працюють. Для того, щоб забезпечити при цьому мінімальні втрати через напрямний апарат, і уникнути застосування недостатньо надійних в умовах ГЕС гумових ущільнень, в конструкції передбачені мінімальні зазори 21 (по торцях лопатей 0,2÷0,3 мм, по дотичних кромках – близько 0,1 мм). Щоб забезпечити подібні зазори, потрібний спеціальний метод складання агрегата.

Нижнє кільце напрямного апарата 4 жорстко встановлюється на опорному кільці 2, заздалегідь обробленому, вивіреному по горизонту, закріпленому у бетоні і сполученому із статором привареним до нього проміжним кільцем 3. На нижньому кільці встановлюють на мірних прокладках завтовшки 0,2 мм лопаті 5, а на їх торцях на таких же прокладках кришку турбіни 7 з тимчасово прикріпленим до її фланця проміжним кільцем 9. Після цього проміжне кільце прихоплюють електрозварюванням до зовнішнього буртика, що утворює кільцевий паз на поверхні статора. Потім кришку турбіни піднімають, видаляють прокладку, і проміжне кільце приварюють до зовнішнього і внутрішнього буртиків, що утворюють паз. Подальша обробка проводеться в звичайному порядку. При такому складанні мінімальні торцеві зазори визначаються товщиною прокладок. Щоб забезпечити можливо меньше відхилення зазорів 21, необхідно обмежити жорстким допуском висоту пера b_пер.

Лопаті напрямного апарата відлиливають із сталі 0Х12НДЛ, а омивані водою поверхні кришки і нижнього кільця облицьовані листами із сталі 0X13. Робоче колесо 6 виконане зварно-штампованим із сталі 0Х12НД. При неспокійних режимах у область робочого колеса через отвір валу підводять повітря із атмосферним тиском. При роботі агрегату в компенсаторному режимі, із ресівера по трубі 19 повітря подається під тиском, необхідним для вичавлення води із камери робочого колеса. Робоче колесо, що має негабаритні розміри, доставлялося на ГЕС спочатку водою, а потім, тягачами на спеціальних транспортерах. Застосовуються щілинні з канавками ущільнення робочого колеса (нижнє 22 і верхнє 23). Зовнішнє кільце нижнього ущільнення консольно встановлене на фундаментному кільці, що дозволяє центрувати його по ободу незалежно від інших деталей. Зовнішнє кільце верхнього ущільнення також укріплене вільно, і центрується по ступиці.

Напрямний підшипник 12 із масляним мастилом і самовстановлюючимися вкладишами 11 відрізняється тим, що його корпус встановлений на зустрічних клинах 13, якими він центрується. Маслоохолоджувач 10 знаходиться усередині кришки турбіни. Серводвигуни 16 розташовані у ніші 15 шахт турбіни і забезпечені вертикальними покажчиками ходу 14. Вода із кришки віддаляється трубою 20, а протікання масла із серводвигунів - лекажным агрегатом 17. Підводиться вода трубами 18.