Геометрические размеры отсасывающих труб и их элементов

Напор, м	Отсасывающая труба	Колено	Отводящий диффузор
Высота	Длина	Ширина	Высота	Длина	Диаметр входного отверстия	Высота входного отверстия	Высота выходного отверстия
до 80	2 – 2,3	4 – 5	2,5 – 2,8	0,9 – 1	1,2 – 1,5	1,2 – 1,5	0,58 – 0,7	1,15 – 1,35
80 – 170	2,5 – 3	4 – 5	2,5 – 3	0,9 – 1,2	1,4 – 1,8	1,1 – 1,4	0,6 – 0,7	1 – 1,3
170 – 230	2,5 – 3,5	4,5 – 5	2,5 – 3	0,9 – 1,4	1,5 – 2	1,05 – 1,25	0,65 – 0,74	1 – 1,5
и более	3 – 3,5	5 – 6	1,25 – 2,7	1,1 – 1,5	1,5 – 2,2	1,3 – 0,95	0,7 – 1,1	1,1 – 1,5

Выходной диффузор отсасывающих труб, представленный на рис. 16, может располагаться горизонтально относительно дна или наклонно (при больших его длинах) под углом α_d = 20 ÷ 25°.

Угол расширения конуса β принимается равным:

· для поворотно-лопастных турбин β = 8 – 11°_;

· для радиально-осевых турбин β = 6 – 9°_.

Относительную высоту камеры ПЛ турбины принимают равной 0,25, а радиусы колена в пределах: r = (0,66 – 0,75)Д₁ и R = (0,94 – 1,06) Д₁.

При ширине отсасывающей трубы В₁ > 10 м в выходном диффузоре возможна установка опорного бычка, а при В₁ ≥ 30 м – двух бычков. Расстояние от оси гидротурбины до входной кромки бычка L_δ принимается не менее 1,4 Д₁, а толщина бычка – в пределах δ = (0,1 – 0,15)В₁.

Отраслевым стандартом предусмотрено также четыре унифицированных типа колен (табл. 13).

Таблица 13

Типы и основные относительные размеры колена отсасывающих труб

Тип колена	Максимальный напор, м	Высота	Длина	Ширина
КУ-1ПЛ	до 80	0,87	1,5	2,14
КУ-1РО	до 170	1,16	1,8	2,44
КУ-2РО	свыше 170	1,4		2,49
КУ-3РО	свыше 230	1,3	–

Относительные размеры колена отсасывающих труб в долях от его входного сечения приведены для ПЛ и РО турбин в зависимости от величины максимального напора.

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И УСТАНОВЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ

РАЗМЕРОВ ЗДАНИЯ ГЭС

Основными факторами, определяющими конструктивные параметры здания ГЭС, являются тип гидроагрегата и условия размещения здания в составе гидроузла.

На конструкцию и размеры здания ГЭС существенное влияние оказывают габариты агрегатов, их число, размеры турбинных камер, отсасывающих труб и условия пропуска паводковых вод.

Наиболее широкое применение на равнинных реках при напорах до 40 м получили русловые гидроэлектростанции плотинного типа (рис. 17).

Рис. 17. Здание ГЭС несовмещенного типа

Здание русловой ГЭС входит в состав водоподпорных сооружений, воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа и должно удовлетворять требованиям по прочности и устойчивости, предъявляемым к плотинам. В русловых ГЭС обычно устанавливаются поворотно-лопастные турбины и реже радиально-осевые. Здания русловых ГЭС при необходимости пропуска паводковых вод могут быть совмещены с донными водосбросами (рис. 18).

Рис. 18. Здание ГЭС, совмещенное с напорными водосбросами:

1 – паз затвора ГЭС; 2 – входное отверстие водосброса; 3 – затвор водосброса;

4 – напорный водосброс; 5 – входное отверстие водосброса

Длина агрегатного блока зданий с вертикальной поворотно-лопастной турбиной, измеряемая от входного сечения турбинной камеры до выходного сечения отсасывающей трубы, принимается в пределах (6,3 – 6,6) Д₁, а ширина блока (2,6 – 3,2) Д₁ – для станций несовмещенного типа и до 4,0 Д₁ – для станций совмещенного типа.

В зданиях русловых ГЭС несовмещенного типа (см. рис. 17) применяются турбинные камеры с сечениями, развитыми вниз. Это позволяет уменьшить вертикальные размеры блока, максимально приблизить генератор к турбине и, тем самым, сократить длину вала агрегата. Значительная длина отсасывающих труб позволяет располагать над выходным диффузором один или несколько этажей вспомогательных помещений. При ширине входного сечения турбинной камеры и выходного сечения отсасывающей трубы более 10 м в них устанавливаются промежуточные бычки толщиной 1 – 1,5 м. Проточная часть двух смежных агрегатов также разделяются бычком толщиной: 1,5 – 2,5 м – при отсутствии осадочного шва и 3 – 6 м – при наличии осадочного шва.

В зданиях ГЭС совмещенного типа (см. рис. 18) напорные водосбросы расположены под турбинной камерой, что может вызвать увеличение высоты отсасывающих труб. Увеличение высоты отсасывающей трубы позволяет увеличить наиболее узкое сечение водосброса, которое расположено в сечении оси турбины h₂ (так называемое ключевое сечение) и является определяющим при расчете пропускной способности водовода. Турбинные камеры станций с напорными водосбросами делаются симметричными или развитыми вверх. Камеры, развитые вверх, стесняют пространство между гидроагрегатами и полом машинного зала, что часто мешает размещению вспомогательного оборудования. Наличие водосбросов до 10 % увеличивает ширину блока по сравнению с шириной блока здания ГЭС несовмещенного типа. Через водосбросные галереи может пропускаться расход воды в 1,5 – 2,0 раза превышающий расход турбины. Работа водосбросов позволяет повысить напор на турбину, а следовательно и ее энергетические показатели. Для достижения максимального эффекта эжекции желательно иметь симметричное расположение агрегатов в блоке, при котором обеспечивается более равномерное по ширине поступление расхода воды в нижний бьеф. В этом случае необходимо применение турбинных камер с углами охвата φ₀= 180 ÷ 190°.

Для уменьшения размеров агрегатного блока очень часто возводят здание ГЭС, совмещенное с водосливной плотиной (рис. 19).

Рис. 19. Здание ГЭС с водосливной плотиной (Павловская ГЭС):

1 – рабочий затвор водослива; 2 – ремонтное заграждение; 3 – сороудерживающая решетка; 4 – гидрогенератор; 5 – машинный зал; 6 – спиральная камера; 7 – турбина; 8 – отсасывающая труба; 9 – ремонтное заграждение отсасывающей трубы;

10 – распределительное устройство; 11 – водослив; 12 – трансформаторная

подстанция; 13 – потерна

В этой схеме принята турбинная камера с горизонтальным потолком, гидроагрегат, вспомогательные помещения, грузоподъемный кран и другое оборудование располагается в теле бетонной водосливной плотины. Рекомендуется применять при напорах 20 ÷ 35 м. Иногда для монтажа и демонтажа оборудования на водосливе устраивают отверстие, закрываемое съемной крышкой, которая нуждается в надежном уплотнении.

При напорах 10 – 25 м и единичной мощности до 50 МВт широкое применение в настоящее время получили ПЛ турбины с горизонтальным агрегатом капсульного типа (рис. 20).

Рис. 20. Здание ГЭС с горизонтальным капсульным агрегатом:

1 – рабочий затвор; 2 – пазы ремонтных затворов; 3 – сороудерживающая решетка;

4 – водоприемник; 5 – шахта; 6 – капсула с генератором; 7 – турбина; 8 – отсасывающая труба; 9 – паз ремонтного заграждения отсасывающей трубы; 10 – распределительное устройство; 11 – водослив; 12 – трансформаторная подстанция

При этом гидроагрегат размещают в теле бетонной плотины водосливной плотины, а генератор заключают в металлическую капсулу. Паводковые расходы сбрасываются через пролеты водосливной плотины над агрегатами. Отсутствие турбинной камеры и наличие прямоосной отсасывающей трубы позволяет уменьшить ширину блока и значительно повысить пропускную способность агрегата. Сравнение размеров проточного тракта вертикального и горизонтального агрегатов показало, что при одинаковых значениях диаметра рабочего колеса, мощность капсульных агрегатов на 20 – 30 % выше, или при одинаковой мощности капсульного агрегата позволяет уменьшить диаметр рабочего колеса. Расстояние между осями смежных капсульных агрегатов на 30 – 40 % меньше, чем между осями вертикальных. Ширина блока капсульного агрегата обычно равна (1,1 – 1,2)Д₁. Основные эксплуатационные затруднения у ГЭС данного типа связаны с размещением генератора в капсуле, поэтому в настоящее время разработаны схемы вынесения его в отдельный машинный зал. В этом случае оси генератора и турбины соединяют промежуточным карданным валом или ось агрегата располагают наклонно.

При диаметре рабочего колеса до 7,5 м капсульные гидроагрегаты изготавливаются с консольным рабочим колесом, а при Д₁> 7,5 м – с входным статором, установленным за рабочим колесом.

В ГЭС приплотинного типа здание располагается в нижнем бьефе за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных гидроэлектростанциях такого типа напор может достигать 500 м и более. В них чаще всего устанавливаются радиально-осевые турбины (рис. 21). При напорах от 45 до 75 м возможна также установка высоконапорных поворотно-лопастных турбин. В этом случае могут быть использованы бетонные турбинные камеры с металлической облицовкой.

В зданиях ГЭС приплотинного типа подвод воды к турбине осуществляется по напорному водоводу, как правило, круглого сечения. Давление верхнего бьефа на здание в этом случае сравнительно невелико и оно учитывается только в расчетах отдельных конструкций здания. Для обеспечения равномерного подвода воды к турбине водовод перед турбинной камерой имеет горизонтальный участок длиной (4 ÷ 6)Д₁. Гидроэлектростанции приплотинного типа, как уже отмечалось, возводятся при больших напорах и поэтому имеют высокие энергетические показатели. На рис. 21 приведен вариант проекта здания Саяно-Шушенской ГЭС с агрегатами мощностью по 640 МВт (напор в среднем 200 м).

Рис. 21. Здание ГЭС приплотинного типа (Вариант конструкции здания Саяно-Шушенской ГЭС):

1 – рабочий затвор; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – сороудерживающая решетка;

4 – турбинный водовод; 5 – трансформаторная подстанция; 6 – здание ГЭС;

7 – бетонная плотина; 8 – скважины цементации;

9 – скважины вертикального дренажа

В курсовом проекте при выборе конструкции здания ГЭС рекомендуется использовать типовые решения, приведенные на рис. 17 – 21. При напорах до 40 м предпочтение отдается зданиям ГЭС с установкой ПЛ турбины в бетонной камере. Плотинные ГЭС несовмещенного типа (см. рис. 17) устраивают при расходах воды в реке менее 10 000 м³/с, а при расходах более 10 000 м³/с – здания ГЭС совмещенного типа. При большой ширине русел (устанавливается по плану русла реки) можно принять здание ГЭС совмещенного типа с донными водосбросами (см. рис. 18). В широких руслах паводковые расходы воды могут также пропускаться и через водосливные пролеты бетонных плотин. При малой ширине русел можно устраивать здания гидроэлектростанций, совмещенные с водосливной плотиной (см. рис. 19 и 20). Наиболее целесообразно при напорах до 25 м использовать конструкцию здания ГЭС с горизонтальным капсульным агрегатом (см. рис. 20).

Для напоров свыше 40 м следует применять здания ГЭС приплотинного типа, при этом в них возможна (для напоров 45 – 75 м) установка как радиально-осевых (см. рис. 21), так и поворотно-лопастных турбин, а для напоров более 75 м – только радиально-осевых турбин.

Схему здания ГЭС начинают с вычерчивания входного сечения турбинной камеры и отсасывающей трубы в выбранном масштабе. Затем откладывают расчетную величину высоты отсасывания H_s и показывают НПУ нижнего бьефа: при отрицательных значениях H_s выше оси расположения ПЛ турбины или выше оси расположения лопаток направляющего аппарата для РО турбины, а для капсульных агрегатов – от оси турбины. Положительные значения H_s для ПЛ и РО турбин откладывают вниз. По заданной величине напора Н намечают положение НПУ верхнего бьефа, дна реки и других уровней воды в реке. Остальные размеры здания станции принимаются конструктивно, однако следует иметь в виду, что толщина фундаментальной плиты должны быть не менее 4 – 5 м, толщина стенок – от 1,5 до 2,5 м, а отметка верха площадки со стороны верхнего бьефа на 2 – 3 м выше максимального уровня воды.

Схема здания ГЭС, включающая разрез по оси агрегата и план, вычерчивается в масштабе 1:100 – 1:500, на них необходимо проставить характерные отметки и линейные размеры. Длина агрегата L_агр. отсчитывается от входного сечения турбинной камеры до выходного сечения отсасывающей трубы, а ширина агрегата определяется равной

, м,

где t = 1,5 – 2,5 м – толщина стенок в месте расположения агрегата.