Турбинные камеры и их основные размеры

Турбинная камера служит для подвода воды к направляющему аппарату реактивной турбины, и она должна обеспечить равномерное движение потока по всей окружности рабочего колеса с наименьшими гидравлическими потерями в самой камере и при входе в направляющий аппарат.

Наиболее широкое применение в крупных гидротурбинах получили прямоосные (прямоточные) и спиральные турбинные камеры. Прямоосные турбинные камеры применяются для подвода воды к турбинам капсульного типа с горизонтальной осью вращения при напорах до 25 м, а спиральные – для подвода воды к поворотно-лопастным и радиально-осевым турбинам с вертикальной осью вращения.

Спиральные турбинные камеры имеют существенные достоинства по сравнению с другими способами подвода воды: используются для турбины практически любой мощности, позволяют иметь наименьшие габариты гидроагрегатного блока и возможность применения различных компоновок ГЭС, обеспечивают более равномерный подвод воды по всей окружности направляющего аппарата и высокий КПД.

В зависимости от напора на ГЭС они могут выполняться бетонными (Н до 50 м), бетонными с металлической облицовкой (Н от 50 до 80 м), металлическими (Н от 40 до 700 м) и сталежелезобетонными (при напорах 100 – 300 м и больших расходах воды). Для малых напоров иногда используют сифонные спиральные камеры, позволяющие разместить крупные гидротурбины без значительного заглубления под уровень верхнего бьефа. Основные характеристики бетонных и металлических турбинных камер приведены на рис. 7.

Основными характеристиками турбинных камер (см. рис. 7) являются угол охвата спирального канала φ₀ и угол натекания потока δ_сп (угол наклона к окружному направлению вектора скорости перед входом в направляющий аппарат), значения которых для соответствующих диапазонов напоров ПЛ и РО турбин приведены в табл. 8.

Таблица 8

Значения углов φ₀ и δ_сп бетонных спиральных камер

Параметр	Система турбин
Осевые турбины	Радиально-осевые турбины
Диапазон напора, Н, м	5-15	10-30	30-40	40-50	50-70	60-80	30-45	40-75
φ0 град
δсп, град	38-40	36-38	34-36	32-34	30-32	26-28	33-35	31-33

Рис. 7. Типы турбинных камер и их габаритные характеристики:

а – бетонная камера таврового сечения; б – металлическая камера круглого сечения;

1 – спиральный канал; 2 – зуб; 3 – статор

Угол охвата в бетонных спиральных камерах изменяется от 180 до 270°. Наименьшая ширина камеры В, а следовательно и гидроагрегатного блока получается при φ₀= 180°. С увеличением φ₀ заметно повышается равномерность подвода воды к направляющему аппарату и снижаются потери напора. Уменьшение φ₀, например до 135°, приводит к значительным потерям напора на режимах оптимальной и максимальной мощности.

Угол охвата в металлических спиральных камерах обычно принимается в пределах 344 – 360°. Значение угла δ_сп принимается постоянным для всех сечений спирального канала, что создает осесимметричный подвод потока к направляющему аппарату.

Формы поперечного сечения спиральных каналов тесно связаны с технологией их изготовления, условиями расположения оборудования, пропуском паводковых вод в обход турбинных блоков ГЭС и другими условиями.

Металлические спиральные камеры изготавливаются из листовой стали круглого поперечного сечения по всей длине спирального канала за исключением одного-двух сечений, примыкающих к зубу спирали (обычно сжатой овальной формы).

Наиболее простыми в технологическом отношении являются бетонные спиральные камеры (рис. 8), для формирования которых используют опалубку или сборный железобетон. Бетонные турбинные камеры состоят из открытой и спиральной (таврового сечения) частей, имеют меньшие размеры в плане по сравнению с круглыми сечениями и обеспечивают меньшие расстояния между осями гидроагрегатов ГЭС.

Тавровые сечения обычно располагают симметрично относительно направляющего аппарата, но при необходимости они могут быть развиты вниз или вверх.

Рис. 8. Бетонные спиральные камеры таврового сечения

и их основные параметры:

а – симметричного сечения; б – развитые вниз; в – с горизонтальным потолком;

г – развитые вверх

Наиболее эффективной в гидравлическом отношении считается форма симметричного сечения, когда b₁ = b₂ (рис. 8, а), в которой обеспечивается более равномерный подвод воды к направляющему аппарату с наименьшими потерями, и она позволяет принимать большее значение , т. е. уменьшать размеры спиральной камеры в плане. Однако выступающая вверх часть камеры b₁ иногда мешает размещению сервомоторов направляющего аппарата и проходов в шахту турбины при компоновке механизмов. В таких случаях можно принять сечение, развитое вниз (рис. 8, б), или расположить потолок камеры горизонтально (рис. 8, в). Камера с горизонтальным потолком обеспечивает наименьшую высоту гидроагрегата, а следовательно, и здания ГЭС. Турбинные камеры, развитые вверх (рис. 8, г), устраивают при необходимости размещения водосбросных каналов для пропуска поводковых вод через здание ГЭС.

В соответствии с отраслевым стандартом размеры турбинных камер унифицированы по типу применяемых в России гидротурбин. Рекомендовано 8 основных типов унифицированных бетонных спиральных камер (табл. 9) и 10 типов металлических спиральных камер (табл. 10), рассчитанных по закону постоянства момента скорости υ_u r = const.

Таблица 9