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

высокой термостойкостью, влагостойкостью и большим коэффи­ циентом теплопередачи.

Вал опирается на два опорных подшипника, из которых один относится к генератору.

Подшипник и подпятник расположены в опорном переходном кольце на специальных опорах. Подпятник двустороннего дей­ ствия сегментный, пружинного типа, рассчитан на восприятие осевых гидравлических усилий и обратных кратковременных на­ грузок, возникающих при остановках агрегата. Вкладыш под­ шипника и сегменты подпятника снабжены баббитовой заливкой, которая смазывается маслом принудительно.

Замкнутая циркуляция воздуха в капсуле обеспечивается вентилятором с электромотором, установленными в головной части капсулы.

Поток воздуха направляется вдоль оси агрегата на активные части генератора через трубчатый воздухоохладитель. Согретый в генераторе воздух направляется обратно к вентилятору по спе­ циальным направляющим каналам, выполненным в переходном кольце генератора и на стенках головной части капсулы. Между воздухоохладителем и генератором расположена площадка обслу­ живания, связанная с вертикальной пустотелой колонной, в кото­ рой размещается лестница, ведущая в машинный зал. Через эту колонну выходят наружу главные выводы тока, а нейтральные вместе с аппаратурой релейной защиты соединяются внутри этой колонны.

Гидрогенератор с водяным охлаждением. На рис. II 1.5 пока­ зана конструкция такого генератора, выполненная ленинград­ ским заводом «Электросила» им. С. М. Кирова для капсульных агрегатов 2-й очереди Череповецкой ГЭС и Перепадных ГЭС Ингурского каскада.

Генератор состоит из статора, ротора, вала, подшиника, опор­ ного переходного кольца, подпятника, контактных колец и си­ стемы охлаждения.

Статор включает в себя корпус и сердечник. Корпус— свар­ ной, с двумя фланцами на торцах, выполнен из двух частей.

Внутренние поверхности корпуса покрыты теплоизоляцион­ ным слоем, предотвращающим конденсацию влаги в зоне статора.

Изнутри к корпусу крепится сердечник, набранный из электро­ технической стали ЭЗЗО. Сегменты, из которых набирается сердеч­ ник, штампуются из листов толщиной 0,5 мм.

60

Обмотка статора однослойная, стержневого типа, с непосред­ ственным внутрипроводниковым охлаждением водой.

Ротор генератора состоит из остова, 64 полюсов с обмоткой возбуждения, вала, демпферной системы и токопровода от обмоток возбуждения к контактным кольцам. Остов ротора представляет собой сварной обод, соединенный со ступицей двумя дисками и ребрами.

Рис. III.5. Гидрогенератор капсульного агрегата с водяным охлаждением:

Полюса ротора состоят из сердечника, обмотки возбуждения и демпферной системы. Сердечник полюсов набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Обмотка полюсов выполнена из меди прямоугольного сечения с отверстием в центре для непосредственного внутрипроводникового охлаждения водой. Ротор генератора имеет продольно-поперечную демпферную си­ стему, выполненную из медных труб, которая также охлаждается водой. Подвод воды в обмотки производится через водоприемную часть масловодоприемника, расположенного в головной части капсулы у свободного торца генераторного вала, через который также подводится масло к сервомотору рабочего колеса.

Во избежание выпадания осадков внутри обмоток вода дистил­ лируется. Оборудование для выработки дистиллята и обеспече­

61

ния его циркуляции и охлаждения размещается вне капсулы. Принудительная циркуляция дистиллированной воды в обмотках ротора и статора осуществляется насосами. Равномерность подвода воды в обмотки обеспечивается трубчатыми коллекторами. Внутрипроводниковое охлаждение активных частей генератора водой вместо наружного обдува сжатым воздухом позволяет упростить конструкцию переходного промежуточного кольца и головной части капсулы.

Большим эксплуатационным преимуществом генератора с во­ дяным охлаждением по сравнению с машиной, охлаждаемой сжа­ тым воздухом, является возможность обслуживания генератора и турбины во время работы.

При водяном охлаждении отпадает необходимость в компрес­ сорной установке, мощном вентиляторе с направляющим аппара­ том, приводном двигателе и т. д.

Подшипник генератора и подпятник расположены в торцовой части генератора и опираются на специальную опору, расположен­ ную в переходном опорном кольце.

Подшипник щитовой сегментного типа с принудительной мас­ ляной смазкой. Подпятник сегментный, пружинный, двусторон­ него действия. Ванна подпятника полностью заполняется маслом за счет подачи масла снизу и слива сверху. Контактные кольца расположены между подпятником и масловодоприемником.

В головной части капсулы имеется площадка для обслужи­ вания масловодоприемника, контактных колец, подшипника, подпятника и других узлов. Площадка расположена под вертикаль­ ной пустотелой колонной, в которой размещена лестница, веду­ щая в машинный зал. Через эту площадку проходят все токопроводы, трубы и передачи к масловодоприемнику, подшипнику, подпятнику и др.

12. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

Агрегат с воздушным охлаждением гидрогенератора. Компо­ новка и конструкция ряда узлов агрегата зависит от способа охлаждения генератора. Так, внутри головной части капсулы агрегата с форсированным воздушным охлаждением устанавли­ вается мощный вентилятор с электродвигателем на одном валу, поэтому их размещение вместе с другим оборудованием, которое там предусматривается, представляет при проектировании опре­ деленную сложность. Некоторые зарубежные фирмы применяют охлаждение капсульных генераторов сжатым воздухом. Тогда требуется уплотнять вход в колонну капсулы, конструировать уплотнение турбины и подшипников таким образом, чтобы это давление не вытесняло воздух через уплотнение турбины в поток и не вытесняло бы масло из ванн подшипников.

Отвод образующегося в генераторе тепла осуществляется осе­ выми воздушными потоками, которые приводят к определенному

62

перепаду температуры по длине генератора и обеспечивают доста­ точно симметричное и надежное охлаждение активных частей генератора. Воздух, прогоняемый вентилятором, проходит че­ тырьмя параллельными курсами: в воздушном зазоре, междуполюсном пространстве, специальных щелях в зубцах активной стали и частично между сердечником и корпусом статора генератора.

Принудительная циркуляция воздуха при форсированном охлаждении осуществляется двумя путями.

1. Непосредственное охлаждение прогоняемого вентилятором воздуха в воздухоохладителе, установленном у торца направ­ ляющего конического патрубка возле вентилятора. Нагретый воздух направляется обратно к вентилятору вдоль оболочки капсулы, через кольцевую щель между корпусом статора и спин­ кой сердечника и по кольцевым направляющим каналам, выпол­

ненным в переходном опорном кольце и в головной части капсулы

(см. рис. III.4).

2. Воздух поступает через направляющие каналы головной части капсулы и переходного опорного кольца на активные части генератора и возвращается через окна остова ротора и воздухо­ охладитель к вентилятору.

По первому варианту выполнено охлаждение генераторов в агрегатах Киевской ГЭС, по второму — охлаждение генера­ торов в агрегатах гидростанции Пьер Бенит (Франция). Оба ва­ рианта вполне себя оправдали. Однако охлаждение сжатым воз­ духом серьезно осложняет обслуживание генератора. Так, для прохода в капсулу с целью осмотра или ремонта расположенных

вней узлов турбины или генератора должно быть снято давление

вкапсуле и остановлен вентилятор, что во время работы агрегата допускается лишь кратковременно. Необходимость более длитель­ ного пребывания внутри капсулы приводит к вынужденным оста­

новкам агрегата, что связано со значительным ухудшением усло­ вий его эксплуатации.

Опыт работы Киевской ГЭС показал, что установленные там генераторы выполнены с тепловым запасом и не требуют повыше­ ния давления воздуха в капсуле во всем диапазоне мощностей, включая и максимальную мощность. Однако и в этом случае из-за шума, создаваемого вентилятором, находиться в головной части капсулы во время работы агрегата весьма затруднительно.

Агрегат с водяным охлаждением гидрогенератора. Генераторы для горизонтальных капсульных агрегатов, поставляемые ленин­ градским заводом «Электросила», выполняются с водяным форси­ рованным внутрипроводниковым охлаждением статора и ротора. Такой способ охлаждения является советским изобретением и за рубежом еще не применяется. Изобретение запатентовано в ряде зарубежных стран, где имеются мощные фирмы, способные изготовлять такие гидрогенераторы.

Вода обладает более высокой, чем воздух, теплоемкостью, а ее способность к теплоудалению во много раз превосходит эту же

63

способность воздуха. Поэтому, циркулируя по полым проводни­ кам обмоток статора и ротора, вода обеспечивает весьма эффек­ тивный теплосъем.

Плетеные стержни обмотки статора образуются из элементар­ ных полых проводников. Сечения отверстий в этих проводниках могут быть круглыми или квадратными. Иногда полые проводники

Рис. II 1.6. Принципиальная схема водяного охлаждения обмоток капсульного гидрогенератора:

1 — теплообменник; 2 — рабочий фильтр; 3 — резервный фильтр; 4 — ионнообменный фильтр; 5 — обратный клапан; 6 — напорный коллектор статора; 7 — сливной коллектор статора; 8 — напорный коллектор ротора; 9 — сливной коллектор ротора; 10 — сливной бак; 11 — реле уровня; 12 — насос; 13 — резервный насос

перемежают со сплошными и тепло, выделяющееся в последних, передается полым проводникам через тонкую изоляцию. Прокачка дистиллированной воды через полые проводники осуществляется по контуру: насос — теплообменник — сетчатый фильтр — ионно­ обменный фильтр — напорные коллекторы статора и ротора — обмотки — сливные коллекторы статора и ротора — сливной во­ дяной бак (рис. II 1.6). Однако, если подачу воды в обмотки статора

ислив из них можно осуществить непосредственно через напорный

исливной коллекторы, то для подачи воды во вращающийся

64

ротор и слив из него требуется специальное устройство — водоприемник (рис. III.7).

Водоприемник состоит из двух соосных штанг, вставленных одна в другую и вращающихся вместе с генераторным валом. Наружная штанга фланцем закрепляется на торце вала, а внутрен­ няя — входит фланцем в центральное отверстие вала. На наруж-

Рис. III.7. Водоприемник гидрогенератора с водяным охлаждением:

1 — подводящая труба; 2 — наружная штанга для слива воды; 3 — внутренняя штанга —

ной штанге на двух шариковых подшипниках устанавливается корпус водоприемника. Внутренние обоймы шариковых подшип­ ников плотно соединены с наружной поверхностью наружной штанги, а наружные обоймы — с внутренней поверхностью кор­ пуса. Поэтому вращение штанги позволяет корпусу оставаться неподвижным. На конце генераторного вала выполняются два или четыре (это зависит от конструкции) радиальные отверстия, соединяющиеся с напорным и сливным коллекторами ротора гене­

ратора.

В водоприемнике образуются таким образом две зоны: по одной через внутреннюю штангу вода подается в радиальное отверстие вала и, далее, в обмотки ротора, а по другой вода из обмоток сливается через сливной коллектор и радиальные отверстия в

наружную штангу. В водоприемнике предусмотрены необходимые уплотнения, а также возможность смазки шариковых подшип­ ников.

Важно отметить, что на работе водоприемника не сказыва­

гаются в месте, удобном для их обслуживания и обеспечиваю­ щем свободный залив воды в них из бака 10 (см. рис. III.6). Бак устанавливается так, чтобы обеспечивался свободный слив из обмоток ротора и статора. Для восполнения протечек воды из системы производится постоянная подпитка сливного бака дистил­ лированной водой.

Оборудование и аппаратура системы охлаждения за исклю­ чением водоприемника располагается внутри или вне капсулы агрегата. При установке водоприемника на конце генераторного вала, где обычно находится маслоприемник турбины, приходится либо переносить маслоприемник на вал турбины (что не оправ­ дало себя на практике), либо надо совмещать водоприемник с маслоприемником и устанавливать это совмещенное устройство на конце генераторного вала. Описание масловодоприемника дано в гл. VI. Все элементы водяного тракта, включая трубопро­ воды подвода и отвода воды, изготовляются из антикоррозийных материалов. Трубы, в частности, выполняются из красной меди. Центральное отверстие вала в зоне попадания воды должно быть также надежно защищено от коррозии.

Капсульные гидрогенераторы с полным водяным охлаждением находят все большее применение в последние годы. Они являются более прогрессивными и значительно более экономичными кон­ струкциями по сравнению с генераторами с воздушным охлажде­

головной части капсулы и переходного кольца, в которых не тре­ буется выполнять каналы;

3)исключается надобность в мощном вентиляторе с электро­ приводом и, следовательно, исключается шум в капсуле;

4)создаются условия, позволяющие производить обслужива­

ние узлов генератора и наблюдение за ними в любое время.

66

13. КОМПОНОВКИ КАПСУЛЬНЫХ ГИДРОАГРЕГАТОВ

Одним из важнейших отличий в компоновках капсульных ги­ дроагрегатов является число опор их ротора. Число опор зависит прежде всего от размеров агрегата, а следовательно, от весовых нагрузок, приходящихся на каждую опору.

До последних лет размеры и веса капсульных агрегатов поз­ воляли располагать ротор агрегата на двух опорных подшипни­ ках; в некоторых гидроагрегатах в силу особенностей их компо­ новки число подшипников увеличено до трех.

В настоящее время тенденция к увеличению единичной мощ­ ности и, следовательно, размеров и весов агрегатов, тормозится ограниченной грузоподъемностью опорных подшипников. В про­ мышленности применяются подшипники с несущей способностью 250—300 тс (например, в прокатных станах). Однако такую на­ грузку эти подшипники несут после начала вращения, когда шейки валков хорошо смазаны и под ними уже образовалась масляная пленка; до тех пор усилие на подшипники весьма мало. В условиях работы гидроагрегата нагрузка на подшипниках имеет место постоянно и во время вращения, и после остановки, поэтому даже на самых крупных турбинах несущая способность подшип­ ников не превышает ПО тс.

В уникальных по размерам и мощности капсульных агрегатах применяется четырехопорная система, в которой два подшип­ ника относятся к гидротурбине, а два к генератору. В этом случае нагрузка на каждый из подшипников не превышает 80—90 тс. При этом четвертый подшипник закрепляется на выходном ста­

Все весовые нагрузки от гидроагрегата воспринимает статор турбины. Однако прочность статора ограничена его конфигура­ цией и целесообразной металлоемкостью. Поэтому для крупных гидроагрегатов (мощностью свыше 30 000 кВт и с диаметром рабо­ чего колеса более 6 м) применяют кроме статора турбины еще бетонный бычок обтекаемой формы, облицованный стальными листами. Этот бычок устанавливается со стороны нижнего или со стороны верхнего бьефа и воспринимает часть нагрузки уста­ новки, включая и крутящий момент генератора. В отечественной практике применяют бычок только со стороны верхнего бьефа.

Компоновки с двумя подшипниками. Двухопорные компоновки капсульных турбин имеют наибольшее распространение как в СССР, так и за рубежом. Они весьма компактны, их линии валов легко подаются расчету на прогиб и на вибрацию. Такие компо­ новки применены на Череповецкой, Киевской, Перепадных (Ингурского каскада ) ГЭС и др.

Компоновки с четырьмя подшипниками (агрегат с выходным статором Саратовской ГЭС) Агрегат (рис. III.8) состоит из гори­ зонтальной гидротурбины и непосредственно соединенного с ней горизонтального гидрогенератора с полным водяным охлаждением. Управление агрегатом производится с помощью электрогидра-

Рис. III.8 . Горизонтальный капсульный агрегат с выходным статором Саратов­ ской ГЭС:

влического регулятора скорости ЭГРМ-150-2 и маслонапорной установки МНУ30-2/40 с максимальным давлением масла

40 кгс/см2. Маслонапорная установка поставляется одна на две турбины.

Важнейшие т е х н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и агрегата: напор максимальный 18 м; напор расчетный 10,5 м; напор минимальный 7,2 м; мощность 45 000 кВт; скорость вра­ щения 75 об/мин; диаметр рабочего колеса гидротурбины 7500 мм,

68

Основными несущими элементами агрегата являются входной статор турбины, закрепленный и забетонированный в плотине, и бетонный бычок обтекаемой формы, на котором закреплены головная часть капсулы, генератор и промежуточный пояс между генератором и входным статором турбины. Особенность компо­ новки состоит в том, что большая часть капсулы агрегата распо­ лагается в открытой напорной камере.

Ротор генератора и ротор турбины опираются каждый на два подшипника скольжения сегментного типа. Один из генераторных подшипников установлен на специальной опоре в головной части капсулы, другой — на такой же опоре в промежуточном поясе между генератором и статором турбины.

Передний подшипник турбины (расчетная нагрузка 83 тс) установлен в опорном конусе перед рабочим колесом, задний (расчетная нагрузка 62 тс) — за рабочим колесом и закреплен на выходном статоре. Вал генератора и вал турбины жестко соединены фланцами с болтовым креплением.

Передний подшипник выполнен с двумя рядами сегментов, задний с одним рядом (см. гл. V).

Направляющий аппарат — конический с 16 лопатками. Он имеет ту особенность, что два сервомотора, регулирующее кольцо и весь механизм поворота лопаток расположены внутри капсулы турбины. Такая компоновка возможна только в крупных агре­ гатах. Она обеспечивает компактность направляющего аппарата, позволяет регулирующее кольцо выполнить жестким и значи­ тельно менее металлоемким, уменьшает трудоемкость узла и освобождает шахту турбины.

Рабочее колесо четырехлопастное, бескрестовинного типа. Корпус рабочего колеса является одновременно цилиндром серво­ мотора. Со стороны верхнего бьефа к диафрагме корпуса рабочего колеса крепится фланец вала турбины, а со стороны нижнего бьефа к корпусу крепится цапфа, опирающаяся на задний под­ шипник.

Поршень сервомотора соединяется со штангами, по которым мас­ ло под давлением от маслоприемника, расположенного в выходном статоре, поступает в полости сервомотора рабочего колеса Штанги в этой компоновке удается выполнить весьма простыми и корот­ кими (1,7 м вместо 8—12 м в других установках), поскольку маслоприемник находится в непосредственной близости к серво­ мотору рабочего колеса.

Маслоприемник — упрощенной конструкции. Поступательное перемещение штанг маслоприемника используется для обратной связи с золотником рабочего колеса.

Пропуск коммуникационных линий и вход в агрегат осуще­ ствляются через верхнюю колонну входного статора и верховой проход в головную часть капсулы, соединяющей последнюю с верхней частью машинного зала. Через этот же верховой проход выводятся шинопроводы генератора.

69