Поворотно-лопастные гидротурбины

Схема устройства поворотно-лопастной гидротурбины с вертикальным валом изображена на рисунке 10.5. Вода из водохранилища подводится к тур-бинной камере 9, проходит через статор турбины 10, направляющий аппарат 2

и попадает на рабочее колесо 1, затем вода поступает в отсасывающую трубу 11, откуда уходит в нижний бьеф. Рабочее колесо турбины закреплено на вер-тикальном валу 4, который фиксируется подшипником 5. Вал турбины соеди-нен с валом генератора 3. Согласование режима работы турбины с внешней нагрузкой (регулирование турбины) производится регулятором 7. Лопатки направляющего аппарата поворачиваются с помощью сервомотора 6, масло к которому подается из маслонапорной установки 8.

Рисунок 10. 5. Схема устройства поворотно-лопастной гидротурбины

Турбинная камераслужит для подвода воды к рабочему колесу турбиныс возможно минимальными гидравлическими потерями.

Статор турбиныи вертикальный вал передают нагрузки на фундаментустановки от веса неподвижных и вращающихся частей турбины и генератора, осевого давления воды на рабочем колесе турбины и веса бетонного перекры-тия.

В зависимости от величины напора, размеров и конструктивных особен-ностей гидроагрегатов статоры могут иметь различную конструкцию:

1) отдельные колонны с опорными фланцами в верхней и нижней частях;

2) колонны, объединенные верхним опорным кольцом, а внизу опираю-щиеся на бетон через отдельные фланцы;

3) колонны, сверху и снизу объединенные кольцами (рисунок 10. 6).

Рисунок 10. 6. Общий вид статора реактивной турбины

Для рабочего процесса в турбине статор не нужен, он применяется только как несущая конструкция. Для уменьшения сопротивления потоку воды колон-нам статора придают обтекаемую форму.

Направляющий аппараттурбины придает потоку воды определенноенаправление при входе на рабочее колесо. Изменением просветов между лопат-ками направляющего аппарата регулируют расход воды.

Принципиальная схема механизма привода направляющего аппарата по-казана на рисунке 10.7.

Каждая лопатка имеет верхнюю и нижнюю цапфы, которыми она уста-навливается и направляется в верхнем и нижнем кольцах направляющего аппа-рата. На концы верхних цапф лопаток, выступающих над крышкой турбины, насажены кривошипы 1, которые посредством серег 2 соединены с регулирую-щим кольцом 3. Эти три элемента и представляют особое звено механизма.

На рисунке 10.7, а лопатки показаны в положении полного закрытия. Ес-ли регулирующее кольцо будет поворачиваться против часовой стрелки, то все кривошипы и лопатки направляющего аппарата будут поворачиваться на один

и тот же угол и направляющий аппарат будет открываться. На рисунке 10.7, б показано положение всех элементов механизма при полном открытии направ-ляющего аппарата.

Регулирующее кольцо поворачивают масляные сервомоторы (см. рисунок 10.5), которые представляют собой цилиндры с поршнями и штоками. Когда масло подается под напором из маслонапорной установки 8 (см. рисунок 10.5) в ци-линдр, поршень начинает двигаться, увлекая за собой регулирующее кольцо направляющего аппарата.

Рисунок 10.7. Механизм поворота направляющего аппарата: а – аппарат закрыт; б – аппарат открыт

Рабочее колесоповоротно-лопастной турбины(рисунок10.8)состоит извтулки 1 с обтекателем 3 и прикрепленных к ней лопастей 2, число которых может быть 4 8. Так, при напорах до 20 м лопастей бывает четыре, а при напо-рах свыше 60 м – восемь.

Рисунок 10.8. Рабочее колесо поворотно-лопастной турбины

Рисунок 10.9. Схема поворота лопастей рабочего колеса

Поворот лопастей рабочего колеса происходит с помощью механизма по-ворота. Принципиальная схема такого механизма показана на рисунке 10.9. Лопасть 1 с фланцем 2 жестко скреплена с осью 3, которая может поворачи-ваться в подшипниках.

Придавая лопастям различное положение, сохраняют высокое значение КПД турбины при изменении величины расхода воды, проходящей через нее. Управление разворотом лопастей осуществляется регулятором турбины. При изменении нагрузки регулятор автоматически меняет открытие

направляющего аппарата и одновременно угол φ^о разворота лопастей рабочего колеса. При этом каждой величине открытия направляющего аппарата соответствует определенный угол разворота лопастей рабочего колеса, при котором КПД турбины будет наибольшим.

Лопасти испытывают совместное действие нагрузки от потока воды и центробежных сил собственной массы, постоянно находятся в коррозионной среде и подвергаются кавитационному разрушению. Поэтому для изготовления лопастей небольших турбин применяют высокопрочную и устойчивую против кавитации углеродистую сталь, а для лопастей крупных турбин – высокохроми-стую сталь. В последнее время начали изготовлять биметаллические лопасти, отлитые из углеродистой стали и облицованные листами нержавеющей стали.

Вал турбиныпредназначен для передачи крутящего момента от рабочегоколеса к ротору генератора. Для обеспечения надежной работы вал изготовля-ют из высококачественной стали.

Валы турбины и генератора по всей своей длине имеют осевое отверстие,

в котором помещены трубопроводы для подачи масла в сервомотор рабочего колеса.

Отсасывающая труба(см.рисунки10.1, 10.2) –необходимая принад-лежность реактивных турбин. Она позволяет установить турбину выше уровня

нижнего бьефа, а также восстанавливает кинетическую энергию потока воды, сходящего с рабочего колеса.

Вопросы для самопроверки

1. От чего зависит мощность ГЭС?

2. Назовите существующие схемы использования водной энергии.

3. Перечислите отрицательные воздействия водохранилища на окружающую среду.

4. Что необходимо учитывать при проектировании гидроэлектростанций?

5. Как классифицируются гидравлические турбины?

6. Какова конструкция поворотно-лопастной турбины? На каких напорах она используется?

7. Поясните назначение основных конструктивных узлов турбины: турбинной камеры, направляющего аппарата, статора турбины, рабочего колеса и отсасы-вающей трубы.

Лекция 12

ПРОПЕЛЛЕРНЫЕ ТУРБИНЫ

Из таблицы 10.1 видно, что пропеллерные и поворотно-лопастные турбины применяют при почти одинаковых напорах. Пропеллерная турбина отличается от поворотно-лопастной только конструкцией рабочего колеса и механизмов его обслуживания.Лопасти рабочего колеса этой турбины (рисунок 11.1) соединяются с втулкой жестко. Главным недостатком пропеллерных турбин является то, что отклонение нагрузки от расчетной приводит к резкому снижению их КПД. Вследствие этого они не выгодны в эксплуатации в тех случаях, где происходят значительные колебания нагрузки. Пропеллерные турбины устанавливаются преимущественно на гидростанциях малой мощности, а также на гидростанциях большой мощности со значительным количеством агрегатов. На таких гидростанциях пропеллерные турбины работают с постоянной мощностью, а поворотно-лопастные – с переменной.

Поворотно-лопастные турбины сложнее по конструкции, больше весят и стоят дороже равных по мощности и напору пропеллерных турбин. Однако энергетические преимущества поворотно-лопастных турбин в условиях работы

с переменными мощностями и напорами настолько велики, что они заняли гос-подствующее положение в области напоров до 80 м.

Рисунок 11.1. Рабочее колесо пропеллерной турбины

Радиально-осевые турбины

По производству радиально-осевых турбин в свое время наша страна за-нимала ведущее место в мире. На Красноярской ГЭС работают изготовленные на ЛМЗ турбины, имеющие диаметр рабочего колеса 7,5 м и развивающие мощность 508000 кВт при напоре 95 м [13]. Еще более мощные турбины уста-новлены на Саяно-Шушенской ГЭС.