Радіально-осьові гідротурбін і їх установка

Радіально-осьові турбіни є найбільш старими із вживаних нині систем. Уперше розроблені Френсісом у 1847 р. радіально-осьові турбіни у подальшому багато разів удосконалювалися. У них були застосовані спочатку пряма, а потім вигнута відсмоктувальні труби, винайдений Фінком напрямний апарат із поворотними лопатками і спіральна камера.

На рис. 2.2, а представлено швидкохідне робоче колесо Р0-75, розраховане на застосування при напорах 40÷75 м. Для таких коліс характерні великі значення b₀ [до(0,35÷0,4)]; D_вих>D₁ або D_вих / D₁ > 1; позитивна конусність обода (до q=15÷20°); відносно малі розміри ступиці D_ст < D₁ і невелика кількість лопатей (z=12÷14). Усе це дозволяє розширити прохідний переріз робочого колеса і отримати приведену витрату ( = 1,35 м³/с і швидкохідність (при повній потужності) n_s = 300÷350 об/хв при задовільних кавітаційних (σ£0,15).

Рис. II.7. Размеры проточного тракта радиально-осевых рабочих колес

Рис. 2.2. Розміри проточного тракту радіально-осьових робочих коліс

Робочі колеса на середні напіри (від 120 до 180 м) Р0-115 і Р0-170 показані на рис. 2.2, б. У них b₀=(0,16÷0,2)·D₁; D_вих³D₁; q£10°; D_ст»D₁. Особливістю Р0-115 є виконання порогу на нижньому ободі, а не на нижньому кільці напрямного апарату, як, наприклад, у Р0-75 і ряду інших коліс. У цьому колесі досягнуті найвищі показники для вітчизняних коліс: = 0,65 м³/с; n_s=180; σ=0,06; η_опт=92% на моделі а моделі D₁=0,46 м. Робочі колеса Р0-75, Р0-120 і Р0-175 розроблені на ЛМЗ.

Робоче колесо РО-230, що застосовується на Токтогульской ГЕС, показане на рис. 2.2, в. Воно має характерні обводи проточної частини і рекордне значення к.к.д., що досягає 93% на моделі D₁=0,5 м; = 0,76 м³/с; = 75 об/хв; n_s»200 об/хв; σ =0,0. Воно може застосовуватися при напорах до 200 м.

Тихохідне робоче колесо Р0-400, призначене для використання при напорах до 400 м, показане на рис. 2.2, г. У ньому b₀»0,1·D₁ і D_вих»0,7·D₁; обід має форму тора; D_ст»D₁; число лопатей z=19. Переріз обтічної поверхні ступиці окреслений плавною кривою; така конфігурація забезпечує зменшення пропускної спроможності і швидкохідності та поліпшення кавітаційних властивостей. Це колесо має параметри: = 0,23 м³/с; = 60 об/хв; n_s=100 об/хв; σ=0,02÷0,03, що дозволяє застосовувати його при високих напорах. Колеса, розраховані на застосування при напорах вище 400 м, мають ще більше стислу проточну частину, число лопатей у них іноді доходить до 23.

Жорстке кріплення лопатей на ступиці і ободі у радіально-осьових турбінах призводить до того, що гладке обтікання в них можливо тільки на одному, так званому розрахунковому режимі, що зазвичай відповідає 80% повної потужності при розрахунковому напорі.

Основними заходами боротьби із сильно вираженими нестаціонарними явищами можуть бути: застосування досить глибоких вигнутих відсмоктувальних труб (h_ВТ=2,60·D₁ у швидкохідних типах і h_ВТ=(3,0÷3,5·D₁ - у тихохідних); підведення повітря у зону робочого колеса при неспокійних режимах через вал або спеціальними трубопроводами. У радіально-осьових турбінах, працюючих при більш високих напорах, ніж поворотнолопатеві, попри те, що енергія на виході із робочого колеса у них меньша, застосовуються глибші відсмоктувальні труби, що заспокоюють коливання тиску і звужують діапазон неспокійної роботи турбіни. При підведенні повітря у зону за робочим колесом, в потоці з'являється легко стиснена фаза водо-повітряної суміші, що служить демпфером і гасить збурюючу енергію вихорів. Проте при великій кількості повітря, що подається, зменшується щільність суміші і к.к.д. турбіни.

У радіально-осьових турбінах, як правило, застосовують металеві спіральні камери із повним охопленням і круглими перерізами, оскільки залізобетонні напіввідкриті камери виявляються недостатньо міцними. Крім того, повне охоплення сприяє більше рівномірному підведенню води і спокійній роботі турбіни.

На рис. 2.3 показано розріз радіально-осьової турбіни середньої швидкохідності, спроектованої і виготовленою ЛМЗ для Токтогульскої ГЕС.

Рис.2.3. Радіально-осьова турбіна Токтогульської ГЕС

Спіральна камера 1 виконана із м’якою прокладкою. Статор 8 виконаний зварним без стикових болтових з’єднань і не потребує механічної обробки. Його пояси і колони зварені із прокату МСт3. На цій ГЕС, що покриває пікові навантаження, гідротурбіни значну частину доби не працюють. Для того, щоб забезпечити при цьому мінімальні втрати через напрямний апарат, і уникнути застосування недостатньо надійних в умовах ГЕС гумових ущільнень, в конструкції передбачені мінімальні зазори 21 (по торцях лопатей 0,2÷0,3 мм, по дотичних кромках – близько 0,1 мм). Щоб забезпечити подібні зазори, потрібний спеціальний метод складання агрегата.

Нижнє кільце напрямного апарата 4 жорстко встановлюється на опорному кільці 2, заздалегідь обробленому, вивіреному по горизонту, закріпленому у бетоні і сполученому із статором привареним до нього проміжним кільцем 3. На нижньому кільці встановлюють на мірних прокладках завтовшки 0,2 мм лопаті 5, а на їх торцях на таких же прокладках кришку турбіни 7 з тимчасово прикріпленим до її фланця проміжним кільцем 9. Після цього проміжне кільце прихоплюють електрозварюванням до зовнішнього буртика, що утворює кільцевий паз на поверхні статора. Потім кришку турбіни піднімають, видаляють прокладку, і проміжне кільце приварюють до зовнішнього і внутрішнього буртиків, що утворюють паз. Подальша обробка проводеться в звичайному порядку. При такому складанні мінімальні торцеві зазори визначаються товщиною прокладок. Щоб забезпечити можливо меньше відхилення зазорів 21, необхідно обмежити жорстким допуском висоту пера b_пер.

Лопаті напрямного апарата відлиливають із сталі 0Х12НДЛ, а омивані водою поверхні кришки і нижнього кільця облицьовані листами із сталі 0X13. Робоче колесо 6 виконане зварно-штампованим із сталі 0Х12НД. При неспокійних режимах у область робочого колеса через отвір валу підводять повітря із атмосферним тиском. При роботі агрегату в компенсаторному режимі, із ресівера по трубі 19 повітря подається під тиском, необхідним для вичавлення води із камери робочого колеса. Робоче колесо, що має негабаритні розміри, доставлялося на ГЕС спочатку водою, а потім, тягачами на спеціальних транспортерах. Застосовуються щілинні з канавками ущільнення робочого колеса (нижнє 22 і верхнє 23). Зовнішнє кільце нижнього ущільнення консольно встановлене на фундаментному кільці, що дозволяє центрувати його по ободу незалежно від інших деталей. Зовнішнє кільце верхнього ущільнення також укріплене вільно, і центрується по ступиці.

Напрямний підшипник 12 із масляним мастилом і самовстановлюючимися вкладишами 11 відрізняється тим, що його корпус встановлений на зустрічних клинах 13, якими він центрується. Маслоохолоджувач 10 знаходиться усередині кришки турбіни. Серводвигуни 16 розташовані у ніші 15 шахт турбіни і забезпечені вертикальними покажчиками ходу 14. Вода із кришки віддаляється трубою 20, а протікання масла із серводвигунів - лекажным агрегатом 17. Підводиться вода трубами 18.

Діагональні гідротурбіни

Діагональні робочі колеса із жорстко закріпленими лопатями були розроблені чеським інженером Ловачеком на початку XX ст., проте їх робоча характеристика була такою ж крутою і вузькою, як у пропелерних осьових турбін, тому широкого застосування вони не отримали.
У 1950 р. професором В. С. Квятковским була запропонована діагональна гідротурбіна із поворотними лопатями. У 1952 р. на діагональну поворотнолопатеву турбіну із пріоритетом теж від 1950 р. у низці країн за кордоном був узятий патент П. Дериацем. Діагональні турбіни цієї системи мають ту ж пологу робочу характеристику, що й осьові поворотнолопатеві турбіни, але перевершують їх за кавітаційними якостями і тому застосовуються при більш високих напорах, де мають переваги і по к.к.д.

У порівнянні із радіально-осьовими турбінами вони є більш швидкохідними, перевершують їх по середньозваженому к.к.д., але поступаються за максимальними значеннями к.к.д. і кавітаційними якостями. Це системи, що дозволяють використати переваги поворотнолопатевих турбін при підвищених напорах. Крім того, маючи хороші властивості у оборотному режимі, вони використовуються як насос-турбин для ГАЕС. Ці їх властивості пояснюються деякими конструктивними особливостями і умовами перетворення енергії потоку.

У діагональних турбінах може бути застосований як конічний, так і звичайний радіальний напрямний апарат із вертикальним розташуванням осей лопатей. Енергетичні якості при конічному і радіальному апаратах залишаються практично однаковими. Тільки при малій потужності незначне підвищення к.к.д. дає конічний напрямний апарат. У виготовленні радіальний апарат простіший, трудовитрати на одиницю маси у ньому менші.

Швидкохідність діагональних турбін і сфера їх застосування при різних напорах значною мірою залежить від конструкції і форми проточної частини турбіни. При цьому при заданому діаметрі D₁ вирішальну роль відіграють висота напрямного апарату b₀, довжина лопаті l_л, ширина лопаті b_л; кут нахилу лопатей q; число лопатей z; їх товщина δ; густина решітки l_л / l_ш, яка збільшується від периферії до ступиці; діаметр горловини відсмоктувальної труби D_гор; діаметр ступиці d_ст. Вплив цих елементів аналогічний їх впливу в осьових і радіально-осьових турбінах. Збільшення b₀, l_л, q; D_гор, зменшення l_л / l_ш і d_ст веде до збільшення пропускної спроможності , швидкохідності n_s і коефіцієнта кавітації σ і навпаки. Проте, у діагональних турбінах є великі можливості варіювати ці параметри, якщо змінювати кут q.
Застосовуються три значення кута q: 30, 45 і 60°, причому q = 30° відповідає тихохідним, а q = 60° - швидкохідним турбінам. Найбільше застосування при середніх і підвищених напорах знайшли робочі колеса з q = 45°.

Поворот потоку у діагональній турбіні відбувається як перед робочим колесом (частково), так і на виході із нього, а прохідні перерізи у межах колеса (у турбінному режимі) поступово зменшуються.

Велике значення в діагональних турбінах має зазор δ між зовнішніми кромками лопатей і поверхнею камери робочогоа колеса. Збільшення цього зазора у діагональних турбінах призводить до пониження к.к.д., потужності і збільшенню коефіцієнта кавітації σ більшою мірою, ніж в осьових турбінах.

На рис. 2.4 показана конструкція потужної сучасної діагональної турбіни потужністю 220 МВт, спроектованої і виготовленої ЛМЗ для Зейської ГЕС.

Рис. 2.4. Діагональна турдіна Д 45 Зейської ГЕС

Зварні спіральна металева камера 19 із круглими перерізами і статор 3, виконані так само, як і у токтогульских гідротурбінах, з м'якими прокладками на верхній поверхні спіральної камери. Як у більшості діагональних турбін, застосований радіальний напрямний апарат із звичайними лопатками 21. Нижня опора лопатей розташована у нижньому кільці 22 напрямного апарату, дві верхні - у корпусах 5 підшипників, встановлених у кришці 4 турбіни. Передбачено проміжне кільце 6. Це дозволяє досягти мінімальних торцевих зазорів. Опора 16 п'ят установлена на кришці турбіни, тому осьова сила через кришку турбіни передається на статор. Така конструкція у діагональних турбінах застосована уперше. Кришка турбіни, нижнє кільце напрямного апарату, опора п'яти, регулююче кільце виконані зварними із прокату МСт3 і складаються з окремих секторів, скріплених болтами і штифтами.

Привід лопатей складається з важелів 18 із зрізними пальцями, серг 9 із стягуваннями і регулюючого кільця 17 коробчатого перерізу. Здвоєні серводвигуни 10 встановлені на опорі підп'ятника і пов'язані із пальцями регулюючого кільця за допомогою куліси і каменя 11. Усі вузли тертя напрямного апарату забезпечені вкладишами із наповненого фторопласту, що не вимагають мастила.

Єдиний тонкостінний зварно-кований вал 13 агрегата з’єднаний із робочим колесом 20 і ротором генератора фланцями. Звичайний підшипник 14 турбіни на водяній змазці з обгумованими сегментами установлений на основі опори підп'ятника, що дозволило підняти корпус підшипника вище рівня кришки турбіни і поєднати із нею корпус робочого колеса. Центрується підшипник віджимними болтами.

Робоче колесо містить десять розташованих під кутом 45° до осі турбіни лопатей 23, відлитих із нержавіючої сталі 0Х12НДЛ. Механізм повороту 8 лопатей виконаний із здвоєним диференціальним серводвигуном, що створює великі зусилля при ході поршнів вгору - на відкриття лопатей - і менші при ході вниз - на закриття. Його застосування доцільне тому, що гідравлічний момент, що діє на закриття лопаті більший, ніж гідравлічний момент на відкриття.

Камера 7 робочого колеса зварна, сферична, омивається водою, поверхня її виконана із нержавіючої сталі. Діаметр горловини прийнятий близьким до діаметру робочого колеса D_гор=0,996·D₁, а перехід до відсмоктувальної труби 1 виконаний у вигляді циліндричного пояса із розташованою за ним кільцевою камерою, для підведення повітря у компенсаторному режимі. Камера сполучена із компресорною установкою трубопроводом 2. Масло до робочого колеса подається через маслоприймач по штангах 12, які центруються усередині валу дисковою опорою 15, привареною до них посередині прольоту.