Горизонтпальні капсульні гідротурбіни і їх установка

На початку 1930-х років у зв'язку з широким використанням енергоресурсів рівнинних річок і необхідністю зменшити вартість установленого кіловата потужності на низьконапірних гідроустановках виникла ідея спорудження водозливних ГЕС. Для цього виявилося необхідним застосування систем гідроагрегатів, що добре вбудовуються у греблю і дозволяють поєднати її із будівлею ГЕС, зменшити довжину греблі і вписати її в русло річки. При напорах до 15÷20 м якнайкраще цим умовам відповідають водозливні ГЕС із горизонтальними агрегатами, що маючи прямий проточний тракт, дозволяють збільшити пропускну спроможність турбіни, зменшити розміри агрегатів, відстані між їх осями і спростити конструкцію споруди. При напорах понад 20 м горизонтальні агрегати починають поступатися менш металоємним вертикальним агрегатам, які при цих напорах вдається розмістити усередині водозливної греблі (Камська, Плявинська та ін. ГЕС).

Прямоточна турбіна, схема якої показана на рис. 2.5, а, має високу пропускну спроможність і к.к.д., що пояснюється наявністю прямолінійної течії у підвідному каналі 1 перед турбіною, в напрямному апараті 2 і робочому колесі 3, а головне – у прямій відсмоктувальній трубі 4. При такому проточному тракті швидкості у потоці виявляються великими, а втрати енергії - малими. Ця схема є найкращою і за компонуванням у водозливній греблі. Проте вона виявилася ненадійною у експлуатації, і від неї довелося відмовитися.

Широке поширення отримали горизонтальні капсульні агрегати, у яких при діаметрі капсули, близькому до діаметра робочого колеса, вдалося отримати к.к.д. і швидкохідність близькими до цих же показників ідеальної прямоточної схеми. На рис. 2.5 показано агрегати із верховим розташуванням капсули, що відрізняються один від одного внутрішнім (рис. 2.5, в) або винесеному положенням капсули (рис. 2.5, б). Останній варіант дозволяє зменшити ширину греблі, але конструкція огороджень перед агрегатом, необхідних при його осушенні у разі ремонту, виходить складнішою. Низове розташування капсули (рис. 2.5, г) значно ускладнює конструкцію і погіршує гідродинамічні якості турбіни. Такі агрегати були виконані як дослідні (ГЕС "Аржанта", ГЕС "Комбейрак" у Франції) і надалі не застосовувалися. З метою зменшення D_кап до 0,6·D₁ застосовуються агрегати із вбудованим у капсулу мультиплікатором і високооборотним генератором (рис. 2.5, в). Такий агрегат має високу пропускну спроможність, хороший гідравлічний к.к.д., який, проте, із-за втрат у мультиплікаторі на валу агрегату зменшується на 2%. Крім того, мультиплікатор важко виконати у потужних турбінах із-за великих розмірів зубчастих коліс. В порівнянні з іншими вузлами турбіни він швидко зношується.

	Рис. 2.5. Горизонтальні агрегати: а – прямоточний; б – із зовнішнім верховим розташуванням капсули; в - із внутрішнім верховим розташуванням капсули і мультиплікатором; г – з низовим розташуванням капсули у відсмоктувальній трубі

Горизонтальні капсульні агрегати задовільно працюють у насосному режимі, і часто використовуються як оборотні гідромашини на низьконапірних ГАЕС.

При однакових розмірах, маса капсульного агрегата більша маси поворотнолопатевого вертикального, але завдяки більшій швидкохідності, питомі маси відрізняються мало. При однакових потужностях N, к.к.д. η, напорах Н діаметр робочого колеса горизонтальної гідротурбіни D_1Г виходить меньшою діаметра вертикальної D_1верт, оскільки приведена витрата горизонтальних турбін більші, ніж вертикальних . Звідси

(2.1)

Наприклад, при збільшенні приведеної витрати на 25% отримуємо діаметр меншим на 11%. Крім того, швидкість обертів горизонтальних турбін зростає (на 8-10%) завдяки властивій їм підвищеній приведеній частоті обертів.

На рис. 2.6 показано капсульний гідроагрегат з поворотнолопатевою горизонтальною гідротурбіною Київської ГЕС, розташований у відсіках водозливної греблі.

Паводок пропускається над агрегатами при піднятих щитах 1 водоскидними каналами, відокремленими один від одного бичками. Вода із аванкамери, в якій розташовані решіткии і пази для щитів і шандоров, підводиться до турбіни каналом, прямокутний переріз якого біля капсули 14 переходить у круглий з діаметром 2·D₁. Над місцем розташування генератора канал закритий знімним металевим перекриттям 3 зварної конструкції. Навколо турбіни і над каналом влаштоване приміщення, закрите згори залізобетонними зйомними плитами 2 і 4.

Рис. 2.6. Розріз будівлі і капсульного поворотнолопатевого гідроагрегата Київської ГЕС

Капсула виконана зварною. У її середині встановлений генератор, корпус 5 якого укріплений болтами на зварному статорі 6. До корпусу прикріплена болтами головна частина 13 капсул. Статор, розтяжки 15 і вертикальна колона 16 із проходом у головну частину створюють необхідну жорсткість кріплення капсули. Колони статора, із яких верхня розширена і використовується для проходу у турбінну частину капсули, зварені з прокату і мають обтічні профілі. Зовнішнє кільце статора забетоноване у нижній частині, а його верхня частина кріпиться болтами до перекриття і разом із колонами, що примикають до неї, і частиною внутрішнього кільця, що утворює горловину капсули, знімається при монтажі і демонтажі ротора агрегата. Перед робочим колесом 9 із чотирма поворотними лопатями встановлений конічний напрямний апарат 7 із зовнішнім приводом, і лопатками 16, які щільно закриваються, що дозволяє не застосовувати швидкопадаючі щити. Від робочого колеса вода прямою відсмоктувальною трубою 10 відводиться у нижній б'єф. Камера 12 робочого колеса і горловина 11 відсмоктувальної труби виконані зварними і забетоновані тільки у нижній частині. Їх верхні частини виконані зйомними. Монтаж і демонтаж агрегату виконується за допомогою козлового крану, що пересувається по греблі. Ротор агрегата із єдиним валом турбіни і генератора монтують цілком. При цьому перекриття 2 і 4, та частину корпусу 5 знімають. Шандори встановлюють на вході у аванкамеру і на виході із відсмоктувальної труби, де для них передбачено пази.

Ковшові гідротурбіни

Ковшові гідротурбіни є єдиною системою активних турбін, що використовуються у потужних агрегатах при напорах від 300 до 1767 м (на ГЕС "Райссек", Швейцарія). У області напорів 300÷600 м вони поступаються більш швидкохідним радіально-осьовим турбінам, що мають меншу питому масу і вартість установленого кіловата потужності.

Інші системи активних гідротурбін: похило-струминеві (Тюрго), подвійної дії (Банки) та ін., застосовуються в установках середньої і малої потужності.

Основною перевагою ковшових турбін, що дозволяє застосовувати їх при найвищих напорах, є відсутність явно виражених у них кавітаційних явищ і, як наслідок, незначние кавітаційне зношення турбіни. Пояснюється це тим, що перетворення енергії на робочому колесі відбувається при тиску, близькому до атмосферного, і динамічне розрідження, що може виникнути тільки усередині шару рідини, мале. Тільки у окремих установках спостерігаються сліди кавітаційних руйнувань ковшів робочого колеса. Найбільш схильні до зносу насадки і голки сопел, але їх легко замінити. Позитивними якостями ковшових турбін є мала залежність їх к.к.д. від зміни потужності (полога робоча характеристика) при малих змінах напорів; можливість збереження оптимальних значень к.к.д. при регулюванні потужності відключенням окремих сопел (бажано попарно); мала розгінна частота обертів n_розг=(1,7÷1,8)·n, де n - нормальна частота обертів; мала схильність до вібрацій; простіша конструкція деяких основних вузлів і елементів турбіни.

Основний недолік ковшових турбін – їх мала швидкохідність і, як наслідок, велика металоємність. Пояснюється це парциальністтю дії потоку на робочому колесі, причому у кожен момент часу працює тільки частина ковшів. Зменшення парціальної дії і збільшення швидкохідності досягається за рахунок збільшення числа сопел z_сп.

Потужність ківшевої турбіни рівна

(2.2)

де К_стр – коефіцієнт струмини, ; φ – швидкісний коефіцієнт сопла, φ=0,98÷0,99.

При горизонтальному положенні вала агрегату хороших умов відведення води від колеса вдається досягти тільки при одному або двох соплах. При вертикальному розташуванні валу вода, що сходить із робочого колеса, відкидається у сторони, і менше впливає на струмені, тому число сопел приймають від 4 до 6, а у тих випадках, коли прагнуть досягти максимуму к.к.д., знижують їх число до 2 або 3.

До недоліків ковшовихі турбін слід віднести їх менший, у порівнянні із реактивними турбінами коефіцієнт корисної дії, що не перевищує 92%, що є наслідком наявності підвищених гідравлічних втрат при великій швидкості струменя, втрат на удар при його вході на ківш і втрат на виході із ковша.

Конструкція горизонтальної ківшевої одноколісної двохсоплової турбіни показана на рис.2.7.

Рис. 2.7. Одноколісна горизонтальна ковшева гідротурбіна

Вода, що надходить до турбіни через шаровий затвор 20, що управляється двохциліндровим серводвигуном 1, послідовно проходить посилений поперечними ребрами трійник 19, встановлені перед соплами коліна 4 і сопла 5, приєднані до фланців болтами. Через коліна і корпуси сопел проходять штоки 15 із насадженими на їх кінцях голками 13. Штоки за допомогою тяги 3 і колінчастих важелів 2 переміщаються серводвигуном 16, що управляється регулятором турбіни. При переміщенні обох голок змінюються живі перерізи у насадках сопел, а отже, витрата і потужність турбіни. При закритті голок, витрата через турбіну припиняється. Відкриттю голок сприяють пружини 18. Корпуси сопел розташовані у циліндричних патрубках кожуха 6 турбін і можуть переміщатися у них в поздовжньому напрямі при деформації коліна. Усередині корпусів розташовані циліндричні напрямні штока, сполучені ребрами із зовнішніми стінками. Біля вихідних отворів сопел встановлені відсікачі струменя 12, кронштейни яких кріпляться також до кожуха. Відсікачі синхронно пов'язані між собою голками і приводяться в дію за допомогою тяги спеціальним серводвигуном. При скиданні навантаження вони швидко відсікають струмінь, що дозволяє потім повільно закривати голки і не призводить до підвищення тиску вище установленої норми при розтягнутому у часі гідравлічному ударі в трубопроводі.

Кожух установлений на фундаментній рамі 11, залитій бетоном. Він охоплює згори і з бічних сторін робоче колесо 8 і відводить у канал 14 відпрацьовану воду, так щоб вона не потрапляла на ківш і струмені. Нижній струмінь захищений також спеціальним кожухом 17. Від нижнього сопла вода частково відводиться по каналу 9.

На кожусі установлено гальмівне сопло 10, струмінь з якого б'є у зворотній бік ковшів і швидко зупиняє колесо при гальмуванні. Ковші робочого колеса відлиливають окремо від ступиці і укріплюють на ній кожен двома припасованими блотами. Ступиця закріплена на валу 7 і зафіксована двома шпонками. Вал обертається в укріплених на нижній частині кожуха підшипниках із примусовим масляним змащенням. Верхні частини кожуха і корпусів підшипників виконані зйомними. Це дає можливість опустити або зняти ротор турбіни в зібраному виді. Через аераційні отвори у каналі 9 під кожух надходить атмосферне повітря.

При роботі турбіни робоче колесо відкачує повітря із кожуха, і створює в ньому деякий вакуум, який з одного боку, сприяє зменшенню вентиляційних втрат, а з іншого, підсмоктуючи воду, підвищує рівень у відвідному каналі і, утрудняючи схід потоку із робочого колеса, збільшує втрати. Практично ефект від відсмоктування повітря залежить від витрати через турбіну, висоти розташування робочого колеса і його окружної швидкості. У нових конструкціях ковшовихі турбін повітря подають через спеціальний пристрій, автоматично регулюючи його кількість за спеціальною програмою залежно від потужності турбіни.