книги из ГПНТБ / Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет

него. Шток соединен со штангами турбины, расположенными в центральном отверстии валов турбины и генератора.

Осевой направляющий аппарат имеет 12 радиально расположен­ ных лопаток, с помощью которых регулируется расход воды, а при остановке турбины перекрывается водоток.

Цапфы лопаток опираются на подшипники с вкладышами из древпластика, расположенными на наружном и внутреннем коль­ цах направляющего аппарата. Смазка этих подшипников произ­ водится водой, непосредственно из потока.

Поворот лопаток осуществляется двумя сервомоторами при помощи регулирующего кольца и поворотных механизмов. Серво­ моторы диаметром 350 мм и давлением масла 25 кгс/см2 установ­ лены вертикально в шахте турбины. Один из них снабжен стопор­ ным устройством.

К направляющему аппарату примыкает камера турбины, ко­ торая сверху имеет незабетонированный выемной сектор, позво­ ляющий производить монтаж и демонтаж ротора турбины.

В связи с отсутствием в данной установке быстродействующих затворов предусмотрена возможность торможения агрегата раз­ воротом лопастей рабочего колеса. Торможение достигается с на­ рушением комбинаторной зависимости. Лопасти рабочего колеса поворачиваются при неизменном положении лопаток направляю­ щего аппарата. Однако этот способ защиты агрегата от разгона в то время не был изучен. Не было известно также, следует ли по­ ворачивать лопасти на открытие или закрытие и на какую вели­ чину угла. Поэтому по сравнению с другими рабочими колесами на полупрямоточной турбине, которая являлась опытной, утлы поворота лопастей увеличены до ±22° 30', тогда как обычно они выполняются ±16°—±18°.

Испытания, проведенные на полупрямоточной агрегате, пока­ зали, что при торможении агрегата поворотом лопастей на откры­ тие (масло подается в сервомотор рабочего колеса от аккумулятора МНУ, где давление 25 кгс/см2) скорость вращения падает, но при этом вибрации агрегата из-за большого расхода воды через колесо становится недопустимыми.

При торможении поворотом лопастей на закрытие агрегат может достигнуть максимальной скорости вращения, если тормо­ жение началось не сразу после начала возрастания числа оборотов, однако сам процесс торможения проходит спокойно.

Для того чтобы относительно быстро закрывать лопасти необ­ ходимо преодолеть большие гидравлические моменты. Поэтому

этот способ защиты не применяется, так как турбина в случае его использования ставится в тяжелые условия. Кроме того, этот спо­ соб требует специальной АМНУ, что отражается на стоимости обо­ рудования. Опыт эксплуатации оборудования многих ГЭС показал, что главным и единственно надежным органом защиты от разгона

20

является направляющий аппарат. Для повышения надежности защиты от разгона практически все гидроагрегаты, выполненные в СССР за последнее время, снабжаются золотниками аварийного закрытия направляющего аппарата.

Корпус рабочего колеса соединяется с одной стороны с опор­ ной цапфой, облицованной рубашкой из нержавеющей стали,

сдругой — с фланцем вала турбины.

Всредней части вала турбины расположено сальниковое уплот­ нение, защищающее генераторное помещение от воды. Перед саль­ ником установлен затвор, допускающий замену набивки сальника без опорожнения турбинной камеры. У фланцевого соединения под валом турбины установлена монтажная опора, облегчающая

центровку вала турбины. Все процессы управления турбиной и ее механизмами полностью автоматизированы.

Полупрямоточный шахтный гидроагрегат Камской ГЭС в СССР

единственный. Его достоинства заключаются главным образом в том, что генератор, мало отличаясь от обычного вертикального, обладает достаточно большим маховым моментом, позволяющим агрегату работать на систему небольшой мощности или на изоли­ рованного потребителя. Компоновка шахтного агрегата позволяет выполнить его для сравнительно высоких для горизонтальных гидротурбин напоров (20—30 м) и создает благоприятные усло­ вия для установки повышающего мультипликатора.

Можно также представить себе проект агрегата, где вместо бе­ тонной шахты — полушахта и металлическая полукапсула.

В настоящее время заводы нашей страны, накопившие боль­ шой опыт в создании горизонтальных агрегатов, могут выполнять полупрямоточные агрегаты более совершенными. Однако недо­ статки этих агрегатов — искривленный поток и большие габариты генератора, приводящие к расширению фронта ГЭС, сильно сни­ жают их перспективность.

Полупрямоточные гидротурбины широко применялись за гра­ ницей, особенно в ФРГ, Франции и Японии. В этих странах раз­ личными фирмами выполнено много таких турбин для различных гидростанций, в том числе: Аржанта, Трир, Детцем, Лех, Омата, Охито и др.

Гидроагрегат с универсальным шарниром. В 1959 г. на ЛМЗ была предложена конструкция гидроагрегата с универсальным шарниром на подшипниках качения. Она увлекла ряд конструк­ торов своими видимыми преимуществами, и начались ее разра­ ботки. В этой конструкции с помощью двух головок шарнира вращение горизонтального вала гидротурбины передавалось вер­ тикальному валу гидрогенератора, вынесенному из капсулы в по­ мещение, располагающееся непосредственно над проточным трак­ том.

Такая компоновка позволяет значительно уменьшить размеры капсулы и приближает очертание проточного тракта к прямоточ­ ному и, следовательно, достигается меньшее заглубление подошвы

21

ГЭС (рис. 1.7). В этой компоновке более целесообразно установить не конический направляющий аппарат, как в капсульном агре­ гате, а осевой — более простой и технологичный. Упрощается при этом и конструкция генератора, который выполняется обычного типа, главное, не требует мощной пяты и ее опоры. Некоторое подобие пяты устанавливается только для опоры самого ротора генератора.

Универсальный шарнир на подшипниках качения представ­ ляет собой корданный механизм, состоящий из одной или двух

Рис. 1.7. Горизонтальный агрегат с универсальным шарниром:

/ — генератор; 2 — регулятор; 3 — выходной статор; 4 — рабочее колесо; 5 — радиаль­ ный направляющий аппарат; 6 — головная часть капсулы; 7 — универсальные шар­ ниры; 8 пята

головок. Если необходимо передать вращение по прямой линии или с небольшим отклонением от одного вала другому, то приме­ няется одна головка; если вращение передается под некоторым значительным углом, то применяются две головки, соединенные между собой валом (рис. 1.8). Такие шарниры применяются на «гибких» валах прокатных станов и на некоторых типах речных судов в качестве соединительных элементов участков валопроводов. В этих случаях углы передачи вращения не превышают 8—10°. Для передачи вращения от горизонтального вала гидро­ турбины к вертикальному валу гидрогенератора (90°) углы осей головок и соединяющего их вала должны быть по 45°.

Испытания такого шарнира в Ленинградском политехническом

22

неравномерность вращения ведомой головки. По прямой линии или при малых углах передачи вращения этот недостаток мало заметен и не имеет влияния на ведомую головку. При угле передачи

в проточном тракте, называются капсульными. Поскольку эти агрегаты находятся в потоке, то их называют также погружен­ ными. По сравнению с другими типами горизонтальных гидро­ турбин капсульные имеют наиболее высокие энергетические и экономические показатели. В связи с малыми габаритами генера­ тора удается существенно сократить расстояние между осями капсульных агрегатов (табл. 1.2).

Компоновка капсульных агрегатов позволяет значительно упростить форму гидротехнических сооружений, что делает воз­ можным широкое применение индустриальных методов строитель­ ства гидростанций с использованием сборных элементов.

При оборудовании ГЭС капсульными агрегатами стоимость строительства оказывается на 15—25% ниже, чем у гидростан­

23

относительно небольшой энергосистеме или работе агрегата на изо­ лированного потребителя, применение капсульных агрегатов за­ трудняется.

Для мощных энергосистем капсульные агрегаты являются наи­ более перспективными. Они могут применяться при низких на­ порах как на русловых, так и на приливных электростанциях.

В последние годы такие агрегаты нашли широкое применение на ряде советских и зарубежных низконапорных гидростанций.

Ниже приведены описания некоторых компоновок и конструк­ ций капсульных гидротурбин, выполненных советскими заводами. Описание конструкций основных узлов турбины и расчеты на прочность приведены в последующих главах.

Капсульные гидроагрегаты Череповецкой ГЭС. Череповецкая ГЭС является частью гидроузла, входящего в состав сооружений Южного склона Волго-Балтийского канала. Она расположена на р. Шексие и принадлежит к числу низконапорных ГЭС водослив­ ного типа. Всего на ГЭС установлены в две очереди четыре агре­ гата. Два агрегата первой очереди по конструкции отличаются от агрегатов второй очереди.

Гидротурбинное оборудование первой очереди состоит из тур­ бины, непосредственно соединенной с малогабаритным генерато­ ром, маслонапорной установки типа МНУ12,5 с рабочим давле­ нием масла 25 кгс/см2 (одна МНУ на два агрегата) и электрогидравлического регулятора типа ЭГРК-ЮО.

Турбины спроектированы и изготовлены на ЛМЗ им. XXII съезда КПСС, а малогабаритные генераторы с водяным охлажде­ нием обмоток ротора и статора на заводе «Электросила» им. С. М. Кирова. Турбина выполнена с консольным расположе­ нием рабочего колеса (основные параметры см. табл. 1.1).

Турбина (рис. 1.9) состоит из статора, направляющего аппа­ рата, рабочего колеса, вала, опорного подшипника, камеры ра­ бочего колеса, головной части капсулы и маслоприемника.

Статор — сварнолитой, состоит из восьми профильных колонн, соединенных между собой наружным и внутренним поясами. Через верхнюю колонну утолщенного профиля проходят трубо­ проводы и тросовая передача обратной связи, а также осуществ­ ляется сообщение турбинной части капсулы с машинным залом. Через нижнюю колонну проходят сливные трубопроводы.

Направляющий аппарат— конический с 16 поворотными ло­ патками и приводом от двух вертикально расположенных в шахте сервомоторов диаметром 500 мм. Механизм поворота лопаток из-за пространственного движения серег имеет шаровые шарниры. Втулки шарниров механизма поворота и опорные планки регу­ лирующего кольца выполнены из капрона и не требуют смазки.

Рабочее колесо бескрестовинной конструкции с четырьмя по­ воротными лопастями выполнено с втулочным отношением 0,355. Масло под давлением 25 кгс/см2 подводится к сервомотору рабо­ чего колеса через маслоприемник и штанги. Для приближения

24

Рис. 1.9. Горизонталь­ ная капсульная гидро­ турбина Череповец­ кой ГЭС:

1 — входная часть про­ точного тракта; 2 —

головная часть капсулы; 3 —растяжки; 4 —гидро­ генератор; 5 — вход­ ной статор; 6 — подпят­

ник; 7 — маслоприемник;

8— опорный подшипник;

9— направляющий ап­

парат; 10 — рабочее ко­ лесо; 1 1 —отсасывающая труба; 12 — камера тур­ бины; 13 — сервомотор

направляющего аппара­ та; 14 — регулирующее-

кольцо

ю

сл

Центра тяжести рабочего колеса к подшипнику, уменьшения ве­ личины консоли сервомотор расположен в низовой части корпуса. Маслоприемник расположен на валу турбины.

Вал турбины диаметром 850 мм — кованый стальной с двумя фланцами. На одном фланце при помощи болтов и втулок закреп­ лено рабочее колесо. Другой фланец соединен с фланцем вала генератора припасованными болтами.

Подшипник турбины выполнен с вкладышем, облицованным баббитом. Смазка подшипника — масляная, принудительная.

Для перекрытия доступа воды в капсулу из потока преду­ смотрено специальное уплотнение, состоящее из двух неподвиж­ ных резиновых колец, которые под действием давления воды прижимаются к вращающимся дискам.

Камера турбины одной стороной примыкает к направляющему аппарату, другой — к фундаментному кольцу. Она выполнена сварной из стальных листов. В зоне расположения лопастей ра­ бочего колеса камера имеет кольцевой пояс из листовой нержавею­ щей стали. Верхняя часть камеры выполнена отъемной, что по­ зволяет производить демонтаж ротора турбины. В отъемной части камеры предусмотрен люк для доступа внутрь проточного тракта турбины.

Со стороны верхнего бьефа к статору примыкает генератор, а к генератору — промежуточное кольцо, которое воспринимает усилие от подшипника генератора и подпятника; оно восприни­ мает также и обратные осевые усилия.

Головная часть капсулы, закрепленная на опорном кольце ге­ нератора, представляет собой полую сварную конструкцию из листовой стали. Снаружи она выполнена обтекаемой формы, внутри усилена системой ребер. Сверху капсула подвешена на широкой полой профильной колонне, через которую осуществ­ ляется доступ к генераторному оборудованию и ведется его об­ служивание, а также проложены токопроводы генератора и трубо­ проводы. Снизу в головной части капсулы предусмотрены две опорные колонны, расположенные под углом 30°.

Для того чтобы исключить колебания капсулы, на агрегате установлены восемь радиальных стальных растяжек (стержней), предварительно натянутых с усилием 45 тс каждая. Они закреп­ лены шарнирно с одной стороны в опорном кольце, с другой — в проточном тракте турбины. Капсульный агрегат снабжен вспо­ могательными механизмами и аппаратурой, обеспечивающими под­ вод и отвод масла для смазки, воды для охлаждения, а также кон­ троль за работой механизмов.

Управление агрегатами полностью автоматизировано. Пуск и остановка агрегата требуют только одного командного электри­ ческого импульса.

Капсульные гидроагрегаты Киевской ГЭС. Киевская ГЭС с 20 капсульными агрегатами расположена на Днепре, вблизи Киева. Гидротурбинное оборудование ГЭС состоит из турбин,

26

жестко соединенных с малогабаритными генераторами, масло­ напорных установок типа МНУ12.5—40 (одна на два агрегата) и электрогидравлических регуляторов скорости ЭГРК-150 [23, 26].

Турбина и механическая часть генератора изготовлены Харь­ ковским турбинным заводом им. С. М. Кирова (ХТЗ), а электри­ ческая часть генератора — Харьковским заводом Электротяжмаш. Турбина выполнена с консольным расположением рабочего ко­ леса (основные ее параметры см. табл. 1.1).

Компоновка турбины (рис. 1.10) и конструкция ее узлов не­ сколько отличаются от компоновки и конструкции турбины Чере­ повецкой ГЭС. Отличия предопределяются способом охлаждения генератора. На агрегатах Киевской ГЭС принято форсированное воздушное охлаждение генератора. Такое охлаждение при опти­ мально спроектированном гидрогенераторе достигается заполне­ нием герметизированной капсулы сжатым воздухом давлением три атмосферы. Установленным в головной части капсулы вентилято­ ром с электродвигателем воздух прогоняется с большими скоро­ стями через охладитель и генератор. На внутренней поверхности головной части капсулы предусмотрены каналы, по которым на­ гретый в генераторе воздух направляется обратно к вентилятору и охладителю.

Головная часть капсулы, состоящая из обтекателя, конуса и промежуточного кольца, примыкает к опорному кольцу, являю­ щемуся опорой для шести растяжек диаметром 190 мм и для подшипника генератора и подпятника. Проход в капсулу осу­ ществляется через вертикальную полую колонну обтекаемого про­ филя. Проход в турбинную часть капсулы возможен только через окна ротора генератора (в агрегатах, изготовленных вначале).

Генератор примыкает к внутреннему поясу статора турбины, который для удобства транспортирования выполнен из восьми ча­ стей семью колоннами симметричного обтекаемого профиля, на­ клоненными к оси турбины под углом 75°. Через две нижние и две верхние полые колонны проведены сливные и подводящие трубо­ проводы.

В отличие от агрегата Череповецкой ГЭС статор турбины бе­ тонируется на 3/4 своего периметра; верхняя 1/4 часть его съем­ ная и крепится болтами к перекрытию монтажного проема.

Направляющий аппарат— конический с 24 поворотными лопат­ ками — управляется двумя вертикально установленными в шахте сервомоторами. Особенностью его конструкции является незави­ симая установка внутреннего кольца, имеющего кроме обычного горизонтального разъема разъемы по конической поверхности, образующими которой являются оси поворота лопаток. Этим обеспечивается возможность установки или снятия любой лопатки. Наружное кольцо выполнено из восьми частей, при выеме лопаток оно не демонтируется.

Подшипники цапф лопаток изготовлены из древпластика и смазываются водой непосредственно из потока. Уплотнение цапф

27

,1

лопаток на наружном кольце осуществляется резиновыми ман­ жетами.

Поворот лопаток направляющего аппарата производится серво­ моторами при помощи регулирующего кольца и связанных с ним серег и рычагов лопаток, выполненных на шаровых шарнирах и обеспечивающих возможность пространственного перемещения серьги.

Трущиеся поверхности регулирующего кольца и опоры сма­ зываются густой смазкой, поступающей из центральной автомати­ ческой станции.

Камера рабочего колеса выполнена из стального литья, с боль­ шим количеством ребер. В зоне расположения лопастей рабочего колеса камера облицована нержавеющей сталью. Со стороны от­ сасывающей трубы камера рабочего колеса закреплена на фун­ даментном кольце. Верхняя половина камеры выполнена отъемной и не бетонируется. Это обеспечивает возможность монтажа ро­ тора агрегата крупным блоком, а также возможность демонтажа лопасти рабочего колеса, опорного подшипника, уплотнений и дру­ гих узлов турбины.

Рабочее колесо с втулочным отношением 0 , 3 5 имеет четыре лопасти. Поворот их осуществляется сервомотором с бескрестовинным механизмом, расположенным в корпусе рабочего колеса. Масло под давлением 40 кгс/см2 подводится к сервомотору рабочего колеса через маслоприемник, расположенный у свободного торца вала на крышке подпятника.

Крутящий момент от колеса к валу передается цилиндриче­

В месте выхода вала из капсулы установлено уплотнение с пнев­ матическим затвором из резиновых шлангов. Это уплотнение препятствует проникновению воды в капсулу при остановленной турбине. При подаче сжатого воздуха внутрь шлангов их рабочие поверхности прижимаются к упорному диску, препятствуя про­ никновению воды в капсулу.

Уплотнение, защищающее турбину от больших протечек во время вращения агрегата, состоит из двух неподвижных резино­ вых колец, которые под действием давления воды, подводимой от технического водоснабжения, прижимаются к вращающимся ди­ скам, укрепленным на валу, и перекрывают доступ воды в кап­ сулу.

Опорный подшипник турбины установлен на опорном конусе, являющемся частью капсулы. На вкладыше подшипника с бабби­ товой заливкой установлены подушки, одна — на верхней и три— на нижней половинах. Опоры, на которые опираются подушки, уста­

29