2.4. Горизонтпальні капсульні гідротурбіни і їх установка

На початку 1930-х років у зв'язку з широким використанням енергоресурсів рівнинних річок і необхідністю зменшити вартість установленого кіловата потужності на низьконапірних гідроустановках виникла ідея спорудження водозливних ГЕС. Для цього виявилося необхідним застосування систем гідроагрегатів, що добре вбудовуються у греблю і дозволяють поєднати її із будівлею ГЕС, зменшити довжину греблі і вписати її в русло річки. При напорах до 15÷20 м якнайкраще цим умовам відповідають водозливні ГЕС із горизонтальними агрегатами, що маючи прямий проточний тракт, дозволяють збільшити пропускну спроможність турбіни, зменшити розміри агрегатів, відстані між їх осями і спростити конструкцію споруди. При напорах понад 20 м горизонтальні агрегати починають поступатися менш металоємним вертикальним агрегатам, які при цих напорах вдається розмістити усередині водозливної греблі (Камська, Плявинська та ін. ГЕС).

Прямоточна турбіна, схема якої показана на рис. 2.5, а, має високу пропускну спроможність і к.к.д., що пояснюється наявністю прямолінійної течії у підвідному каналі 1 перед турбіною, в напрямному апараті 2 і робочому колесі 3, а головне – у прямій відсмоктувальній трубі 4. При такому проточному тракті швидкості у потоці виявляються великими, а втрати енергії - малими. Ця схема є найкращою і за компонуванням у водозливній греблі. Проте вона виявилася ненадійною у експлуатації, і від неї довелося відмовитися.

Широке поширення отримали горизонтальні капсульні агрегати, у яких при діаметрі капсули, близькому до діаметра робочого колеса, вдалося отримати к.к.д. і швидкохідність близькими до цих же показників ідеальної прямоточної схеми. На рис. 2.5 показано агрегати із верховим розташуванням капсули, що відрізняються один від одного внутрішнім (рис. 2.5, в) або винесеному положенням капсули (рис. 2.5, б). Останній варіант дозволяє зменшити ширину греблі, але конструкція огороджень перед агрегатом, необхідних при його осушенні у разі ремонту, виходить складнішою. Низове розташування капсули (рис. 2.5, г) значно ускладнює конструкцію і погіршує гідродинамічні якості турбіни. Такі агрегати були виконані як дослідні (ГЕС "Аржанта", ГЕС "Комбейрак" у Франції) і надалі не застосовувалися. З метою зменшення D_кап до 0,6·D₁ застосовуються агрегати із вбудованим у капсулу мультиплікатором і високооборотним генератором (рис. 2.5, в). Такий агрегат має високу пропускну спроможність, хороший гідравлічний к.к.д., який, проте, із-за втрат у мультиплікаторі на валу агрегату зменшується на 2%. Крім того, мультиплікатор важко виконати у потужних турбінах із-за великих розмірів зубчастих коліс. В порівнянні з іншими вузлами турбіни він швидко зношується.

	Рис. 2.5. Горизонтальні агрегати: а – прямоточний; б – із зовнішнім верховим розташуванням капсули; в - із внутрішнім верховим розташуванням капсули і мультиплікатором; г – з низовим розташуванням капсули у відсмоктувальній трубі

Горизонтальні капсульні агрегати задовільно працюють у насосному режимі, і часто використовуються як оборотні гідромашини на низьконапірних ГАЕС.

При однакових розмірах, маса капсульного агрегата більша маси поворотнолопатевого вертикального, але завдяки більшій швидкохідності, питомі маси відрізняються мало. При однакових потужностях N, к.к.д. η, напорах Н діаметр робочого колеса горизонтальної гідротурбіни D_1Г виходить меньшою діаметра вертикальної D_1верт, оскільки приведена витрата горизонтальних турбін більші, ніж вертикальних . Звідси

_(2.1)

Наприклад, при збільшенні приведеної витрати на 25% отримуємо діаметр меншим на 11%. Крім того, швидкість обертів горизонтальних турбін зростає (на 8-10%) завдяки властивій їм підвищеній приведеній частоті обертів.

На рис. 2.6 показано капсульний гідроагрегат з поворотнолопатевою горизонтальною гідротурбіною Київської ГЕС, розташований у відсіках водозливної греблі.

Паводок пропускається над агрегатами при піднятих щитах 1 водоскидними каналами, відокремленими один від одного бичками. Вода із аванкамери, в якій розташовані решіткии і пази для щитів і шандоров, підводиться до турбіни каналом, прямокутний переріз якого біля капсули 14 переходить у круглий з діаметром 2·D₁. Над місцем розташування генератора канал закритий знімним металевим перекриттям 3 зварної конструкції. Навколо турбіни і над каналом влаштоване приміщення, закрите згори залізобетонними зйомними плитами 2 і 4.

Рис. 2.6. Розріз будівлі і капсульного поворотнолопатевого гідроагрегата Київської ГЕС

Капсула виконана зварною. У її середині встановлений генератор, корпус 5 якого укріплений болтами на зварному статорі 6. До корпусу прикріплена болтами головна частина 13 капсул. Статор, розтяжки 15 і вертикальна колона 16 із проходом у головну частину створюють необхідну жорсткість кріплення капсули. Колони статора, із яких верхня розширена і використовується для проходу у турбінну частину капсули, зварені з прокату і мають обтічні профілі. Зовнішнє кільце статора забетоноване у нижній частині, а його верхня частина кріпиться болтами до перекриття і разом із колонами, що примикають до неї, і частиною внутрішнього кільця, що утворює горловину капсули, знімається при монтажі і демонтажі ротора агрегата. Перед робочим колесом 9 із чотирма поворотними лопатями встановлений конічний напрямний апарат 7 із зовнішнім приводом, і лопатками 16, які щільно закриваються, що дозволяє не застосовувати швидкопадаючі щити. Від робочого колеса вода прямою відсмоктувальною трубою 10 відводиться у нижній б'єф. Камера 12 робочого колеса і горловина 11 відсмоктувальної труби виконані зварними і забетоновані тільки у нижній частині. Їх верхні частини виконані зйомними. Монтаж і демонтаж агрегату виконується за допомогою козлового крану, що пересувається по греблі. Ротор агрегата із єдиним валом турбіни і генератора монтують цілком. При цьому перекриття 2 і 4, та частину корпусу 5 знімають. Шандори встановлюють на вході у аванкамеру і на виході із відсмоктувальної труби, де для них передбачено пази.