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

новлены в обойме, смонтированной на нижней половине опорного конуса. Центровка вкладыша производится при помощи прокла­ док, установленных под подушками. Масло к подшипнику для смазку подводится в нижнюю половину вкладыша, вблизи гори­ зонтального разъема.

Для облегчения условий работы подшипника при пуске и остановке агрегата предусмотрена подача масла по нижней об­ разующей вкладыша под высоким давлением от специальной уста­ новки.

Предусмотрена полная автоматизация управления гидротур­ бинным оборудованием, т. е. пуск и поддержание нормального режима работы и защита от повышения числа оборотов. Опыт эксплуатации и результаты натурных испытаний агрегатов Киев­ ской ГЭС показали, что турбины этих агрегатов надежны в работе

иобладают высокими энергетическими показателями. Перепадные ГЭС — II, III и IV. Перепадные ГЭС, оснащенные

каждая двумя горизонтальными капсульными агрегатами, рас­ положены на отводном канале Ингури ГЭС. Конструкция агре­ гата показана на рис. 1.11. Размеры и тип агрегатов такие же, как для Череповецкой ГЭС. Однако в компоновке агрегатов и в конструкции узлов турбин Перепадных ГЭС приняты новые ре­ шения, учитывающие данные исследований и опыт, полученный при изготовлении и эксплуатации агрегатов Череповецкой ГЭС.

Кним относятся:

1)замена растяжек, установленных на агрегатах Череповец­ кой ГЭС для исключения возможной вибрации агрегата, двумя боковыми распорами;

2)замена маслоприемника, расположенного на Череповецкой ГЭС на валу турбины, и водоприемника одним совмещенным устройством — масловодоприемником, установленным у свобод­ ного торца генераторного вала;

5)высота направляющего аппарата снижена до 0,4D 1 вместо

0.42ГЦ;

6)снижение веса основных узлов турбины (статора, направляю­ щего аппарата, камеры рабочего колеса, головной части капсулы, рабочего колеса и др.) за счет принятия более рациональных параметров и толщин;

7)замена вкладышевой конструкции подшипника турбины сег­ ментной;

8)установка стопора ротора агрегата для безопасной работы персонала ГЭС внутри капсулы;

9)установка более совершенной и более надежной конструк­ ции уплотнений.

30

Новые решения позволили выполнить более совершенную ком­ поновку и конструкцию турбины, значительно повысить ее на­ дежность и снизить вес с 477 т до 400 т.

Более технологичные конструкции деталей и более рациональ­ ная компоновка позволили значительно улучшить условия для монтажа турбины.

Гидротурбины на Перепадных ГЭС установлены без регуля­ торов. Вместо них предусмотрены лишь гидромеханические ко­ лонки (от регуляторов скорости ЭГРК-ЮО-2), в которых раз­ мещены пускоостанавливающее устройство и комбинатор.

Частота в сети и устойчивость работы агрегатов поддерживается относительно мощной энергосистемой, постоянством режима на­ грузки и наличием регуляторов по водотоку, установленных на каждой ГЭС и регулирующих мощность в зависимости от нагрузки, расположенной на входе в канал Перепадной ГЭС I.

Гидротурбинное оборудование на Перепадных ГЭС состоит из турбины, жестко соединенной с малогабаритным генератором, имеющим форсированное водяное охлаждение, маслонапорной установки МНУ12,5— 1/40 на каждую ГЭС (одна на две турбины) и гидромеханической колонки регулятора.

Турбина выполнена с консольным расположением рабочего колеса типа ПЛ548 (параметры ее см. табл. 1.1).

Турбина (рис. 1.11) конструкции ЛМЗ состоит из статора, конического направляющего аппарата, рабочего колеса, фунда­ ментного кольца, камеры турбины, вала, опорного подшип­ ника, уплотнений и масловодоприемника.

Ротор агрегата расположен на двух опорных сегментных под­ шипниках, из которых один относится к турбине, другой — к ге­ нератору.

Статор турбины состоит из внутреннего и наружного поясов, соединенных шестью колоннами обтекаемого профиля. Верхняя и нижняя вертикальные колонны выполнены утолщенного сече­ ния и служат для пропуска трубопроводов и сообщения турбин­ ной части капсулы с машинным залом и шахтой турбины. Со сто­ роны нижнего бьефа к статору примыкает конический направляю­ щий аппарат с 16 поворотными лопатками, у которых угол на­ клона к оси турбины составляет 60° вместо 65°, принятых на турбинах Череповецкой ГЭС. Управление лопатками осуществля­ ется двумя вертикально расположенными сервомоторами диаметром 400 мм. Конструкции механизма поворота и регулирующего кольца выполнены такими же, как на турбине Череповецкой ГЭС. К вну­ треннему кольцу направляющего аппарата крепится опорный конус, в котором на специальной горизонтальной опоре (плите) устанавливается опорный подшипник турбины — сегментной кон­ струкции.

Установка подшипника на плите по сравнению с конструк­ цией подшипника турбины Череповецкой ГЭС обеспечивает удоб­ ный доступ для обслуживания, а сегментная конструкция под­

32

шипника — возможность замены сегментов без демонтажа тур­ бины.

Рабочее колесо с втулочным отношением 0,345 имеет че­ тыре поворотные лопасти. Диаметр сервомотора принят 1050 мм вместо 1470 мм в рабочем колесе турбины Череповецкой ГЭС. Поворот лопастей рабочего колеса осуществляется с помощью крестовины и кривошипно-шатунного механизма.

Масло к сервомотору рабочего колеса подводится по штангам, которые проходят от масловодоприемника через центральное от­ верстие валов турбины и генератора. Масловодоприемник, через который подводится масло в полости сервомотора рабочего колеса, расположен у свободного торца генераторного вала в головной части капсулы. Через масловодоприемник подводится также ди­ стиллированная вода для охлаждения ротора генератора.

Вал турбины диаметром 850 мм — кованый стальной с двумя фланцами. Его конструкция имеет некоторые отличия от вала турбины Череповецкой ГЭС, связанные с отсутствием на нем маслоприемника. Соединение вала с колесом выполнено аналогично Череповецкой ГЭС. Фланцевое соединение валов турбины и ге­ нератора выполнено свободными болтами с помощью термозатяга. Затяг болтов осуществляется при температуре 340°, при этом напряжение в болтах, создаваемое натягом, достигает 3000 кгс/см2.

На выходе из конуса в непосредственной близости от рабочего колеса установлено уплотнение турбины, конструкция которого значительно усовершенствована и является более надежной.

К головной части капсулы, выполненной по условиям транспор­ тировки и монтажа из двух частей, снизу и сверху примыкают полые вертикальные колонны. Они имеют обтекаемый профиль и служат для проводки электрокабелей, трубопроводов, троса передачи обратной связи и для прохода персонала ГЭС из машин­ ного зала внутрь капсулы.

Система смазки подшипников и подпятника — принудитель­ ная. Она осуществляется от специального напорного масляного

Стопор ротора агрегата служит для обеспечения безопасности персонала при работе внутри капсулы во время ревизий и ремон­ тов. У подшипника под валом турбины установлен масляный дом­ крат со специальным ручным насосом, облегчающий монтаж вала и замену сегментов подшипника турбины.

Предусмотрена полная автоматизация управления гидротурбин­ ным оборудованием: пуск и остановка, поддержание нормального режима работы и защита турбины от повышения числа оборотов. Турбины Перепадных ГЭС по сравнению с другими советскими

б. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КАПСУЛЬНЫХ ГИДРОАГРЕГАТОВ

Русловые гидроэлектростанции. Наиболее экономичными тур­ бинами для низконапорных ГЭС являются горизонтальные кап­ сульные. Такие турбины общей мощностью свыше 600 тыс. кВт изготовлены отечественными заводами и успешно эксплуатируются на ряде гидростанций. Однако эта мощность по сравнению с уста­ новленными вертикальными турбинами, общая мощность которых превышает 30 млн. кВт, незначительна. Поэтому производство горизонтальных капсульных турбин и генераторов пока еще мало освоено. В связи с этим стоимость одного установленного кило­ ватта мощности горизонтальных капсульных агрегатов выше вер­ тикальных в 1,1— 1,8 раза. Разница в стоимости будет сокра­ щаться по мере накопления опыта в создании новых горизонталь­ ных капсульных турбин и генераторов, совершенствования тех­ нологического процесса их изготовления и монтажа и применения специализированного оборудования для производства.

Большим толчком для расширения области применения гори­ зонтальных капсульных агрегатов является создание Ленинград­ скими заводами ЛМЗ и «Электросила» двух крупнейших в мире агрегатов такого типа с диаметром рабочего колеса 7,5 м, еди­ ничной мощностью 45 тыс. кВт, которые успешно эксплуатируются на Саратовской ГЭС. Это позволяет уже в настоящее время про­ ектировать гидростанции с такими агрегатами большой мощности.

В настоящее время рассматриваются и подготавливаются про­ екты ряда гидростанций с горизонтальными капсульными агре­ гатами. Начато проектирование такой ГЭС на Неве (Невская) общей мощностью около 100 тыс. кВт. Намечается строительство ряда гидростанций в Сибири мощностью 320 тыс. кВт и 500 тыс. кВт и на Дальнем Востоке мощностью 300 тыс. кВт. Подготавли­ ваются проекты трех низконапорных гидростанций на Даугаве (Латвия) общей мощностью свыше 280 тыс. кВт и др. Пока еще окончательно не решен вопрос о двух очень крупных низконапор­ ных ГЭС: Чебоксарской на Волге и Нижне-Камской на Каме общей мощностью 2,6 млн. кВт, на которых, по-видимому, также будут установлены горизонтальные капсульные агрегаты. Под­ готавливается проект переброски части стока Северных рек: Су­ хоны, Вытегры, Вычегды и озер: Кубенского, Лача и Воже через р. Шексну в Волгу для орошения прилегающих к ней земель и увеличения водности Каспийского моря. Для этой цели пред­ полагается использовать горизонтальные капсульные агрегаты, работающие в насосном режиме в количестве 250 шт.

Приливные гидроэлектростанции (ПЭС). Особенно перспек­ тивно применение капсульных гидроагрегатов на ПЭС.

В 30-е годы текущего столетия основные створы равнинных рек (с малыми напорами) западно-европейских стран были уже использованы. Тогда-то проектировщики и обратили внимание на

34

использование энергии приливов и отливов, явления периоди­ чески имеющего место под влиянием притяжения океанских вод луной и солнцем. Значительную роль сыграли в этом главным об­ разом французские энергетики. Они начали проектировать, из­ готовлять и исследовать агрегаты малой мощности, исчисляв­ шейся несколькими сотнями киловатт, а в настоящее время ра­ ботают и успешно эксплуатируются опытная ПЭС Сен-Мало, ПЭС Ране (240 тыс. кВт) и др.

Поначалу использование энергии приливов и отливов каза­ лось нерентабельным. И в самом деле, представим себе, что мы отделили плотиной морской залив (бассейн) от моря. Во время при­ лива уровень воды в море выше уровня воды в заливе (бассейне); и если в плотине установить турбины, то, «срабатывая» создавашийся перепад (напор), мы получим электроэнергию. Поскольку бассейн при этом наполнится, то уменьшится напор, а вскоре он станет настолько мал, что турбины остановятся. С наступлением отлива цикл повторится, но в обратном направлении, из бассейна в море.

Работа турбин осложняется прежде всего реверсивным харак­ тером самого процесса в течение суток, а также малыми напорами (ощутимая их величина весьма кратковременна). Кроме того, не­ равномерность мощности в суточном цикле усугубляется месяч­ ной неравномерностью приливов вследствие их зависимости от положения луны на небесном своде; сказывается также ежеднев­ ный сдвиг фазы прилива. Были попытки сбалансировать эту энергию с помощью двухбассейновых схем, удорожающих, од­ нако, строительство, поскольку требуются дополнительные пло­ тины и водопропускные отверстия. В этом случае, как и без двух­ бассейновых схем, для выравнивания мощности в соответствии с потреблением требовались компенсирующие установки (насосноаккумулирующие станции —■НАЭС). А это безусловно оказы­ валось нерентабельно.

В большой мере решил эту проблему советский ученый Л. Б. Бернштейн. Он предложил использовать в момент выравни­ вания уровней воды в бассейне и в море турбины ПЭС в качестве насосов для повышения уровня в бассейне, с тем, чтобы потом сработать этот уровень и возвратить затраченную энергию. Осо­ бенно это целесообразно в ночные часы, когда имеется «избыточная» энергия тепловых электростанций, а возвращается эта энергия в часы пик. Таким образом, переводится энергия из лунного вре­ мени в солнечное. Появляются вполне определенные требования к турбинам ПЭС. Они должны работать в шести режимах: тур­ бина — в одном направлении, турбина — в противоположном; насос — в одном направлении, насос — в противоположном; про­ пуск воды без вращения в одном направлении, пропуск — в про­ тивоположном.

В настоящее время практически единственно приемлемыми аг­ регатами для ПЭС считаются капсульные обратимые агрегаты;

Г Л А В А II

ПРОТОЧНЫЙ ТРАКТ

6.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

Кэнергетическим показателям турбины относятся пропуск­ ная способность и к. п. д. Пропускная способность турбины — количество воды (расход), пропускаемое через турбину в секунду. Пропускная способность определяется величиной максимального

приведенного расхода Qi [11, 17]. Коэффициент полезного дей­ ствия (к. п. д.) определяется величиной потерь. Величина потерь энергии зависит от принятой схемы проточного тракта и конструк­ ции турбины. Потери энергии в турбине складываются из гидрав­ лических, объемных и механических.

К гидравлическим относятся потери: на удар при входе в на­ правляющий аппарат и на рабочее колесо; на гидравлическое со­ противление трению из-за вязкости воды по всей длине проточного тракта в пределах турбины (путевые потери); на изменение ско­ рости по величине и направлению (местные потери); потери на выходе из отсасывающей трубы.

Кобъемным потерям, вообще говоря, относятся потери от про­ течек через щели и зазоры не попадающей на лопасти турбины воды. Однако в поворотнолопастных рабочих колесах эти потери неразделимы с концевыми потерями на лопастях в зоне между камерой и лопастями и между корпусом рабочего колеса и лопа­ стями.

Кмеханическим потерям относятся потери на трение в под­ шипнике и на привод вспомогательных механизмов.

Отдельные составляющие потерь энергии зависят от величины напора, схемы проточного тракта и режима работы турбины.

Для быстроходных гидротурбин, работающих при низких на­ порах и больших расходах, главными потерями будут гидравли­ ческие. При низких напорах относительная кинетическая энер­ гия турбины составляет значительную величину. Гидравличе­ ские потери АЯ пропорциональны квадрату скорости, и поэтому при низких напорах величина относительных потерь АН/Н бу­ дет велика. По сравнению с тихоходными турбинами, работаю­ щими при высоких напорах, гидравлический к. п. д. у быстро­

ходных турбин будет меньше.

37

Объемные и концевые потери энергии в поворотно-лопастных быстроходных гидротурбинах составляют небольшую величину. Снижение этих потерь вряд ли возможно, так как величины зазо­ ров между лопастями и камерой уже давно стали минимально допускаемыми технологией изготовления гидротурбин.

Механические потери энергии в гидравлических турбинах со­ ставляют довольно значительную величину 0,5—0,8%. Некото-

Рис. II.1. Проточный тракт горизонтальной прямоточной гидротурбины:

1 — подводящая камера; 2 — передний статор; 3 — радиальный направ­ ляющий аппарат; 4 — рабочее колесо; 5 — камера турбины; 6 — задний статор; 7 — отсасывающая труба

рое уменьшение этих потерь возможно только за счет улучшения качества обработки трущихся поверхностей в турбине.

Основным фактором улучшения гидравлических показателей горизонтальных турбин является наибольшее для каждой из схем спрямление проточного тракта, прежде всего в зоне отсасы-

Рис. II.2. Проточный тракт горизонтальной полупрямоточнон гидротурбины:

вания. Наибольший эффект для низконапорных быстроходных турбин оказывает применение прямоосной отсасывающей трубы и конического направляющего аппарата, расположенного в малоискривленной камере с достаточно большой площадью проходного сечения.

38

Горизонтальные прямоточные (рис. II. 1) и полупрямоточные турбины (рис. II.2) по сравнению с вертикальными имеют в зоне режимов с максимальными раходами некоторые преимущества по к. п. д. Однако существенная форсировка расхода в прямоточ­ ных турбинах лимитируется значительными потерями на ободе рабочего колеса. Что касается полупрямоточных, шахтных тур­ бин, то при большем размере генераторного помещения существен­ ная форсировка расхода невозможна.

Прямоточные гидротурбины обладают наиболее совершенным проточным трактом, однако, существенное увеличение их мощ-

Рис. П.З. Проточный тракт горизонтальной капсульной гидро­ турбины:

1 — подводящая камера; 2 — головная часть капсулы; 3 — статор турбины; 4 — направляющий аппарат; 5 — рабочее колесо; 6 — отса­

сывающая труба

ности тормозится трудностями конструктивного выполнения таких машин. В настоящее время в основном применяются капсуль­ ные гидротурбины (рис. П.З), которые могут работать с макси­ мальными приведенными расходами до 3500 л/с и более при вы­ соких значениях к. п. д. на всех режимах работы.

Применение горизонтальных капсульных турбин обеспечивает форсировку пропускной способности и позволяет при одинаковых с вертикальной турбиной размерах рабочего колеса на 20—25% увеличить мощность турбины практически без ухудшения к. п. д.

7. ПОДВОДЯЩАЯ КАМЕРА, СТАТОР, НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ

Подводящая камера. Подводящие камеры горизонтальных тур­ бин по сравнению с применяемыми в вертикальных турбинах спиральными имеют лучшие гидравлические качества. Скорости и направление потока в таких камерах по всему периметру прак­ тически одинаковы, благодаря чему обеспечивается более равно­ мерное обтекание колонн статора и всех лопаток направляющего аппарата.

Размеры и очертания подводящей камеры выбираются из ус­ ловия обеспечения таких величин скоростей потока и такого ха­ рактера их изменения по длине проточного тракта, при которых гидравлические потери в камере были бы минимальными. Для

39