Тема 3. Спіральні камери турбін і їх закладні частини

Бетонні спіральні камери

Напіввідкриті спіральні камери із трапецієвидними перерізами застосовуються в поворотнолопатевих турбінах при напорах до 40 м. У них, як правило, облицьовується тільки стеля і конічні поверхні, зв'язані із статором. На рис. 3.1, а показані три основні форми трапецієвидних рівновеликих за площею перерізу таких камер.

Рис. 3.1. Бетонні спіральні камери з неповним охватом:

а – форми вхідних перерізів; б – план напіввідкритої спіральної камери

Найкращі гідравлічні якості (η і ) має симетричний відносно статора переріз а. Ця форма при заданій площі вхідного перерізу має найменший зовнішній радіус R_вх.а, що дозволяє зменшити розмір у плані В₁, ширину блоку агрегата і довжину будівлі ГЕС. Проте така форма затрудняє розміщення обладнання над спіральною камерою, тому її часто застосовують зі зменшеним розміром h₁ і збільшеним розміром h₂.

Найбільш зручною для розміщення обладнання є форма б із плоскою стелею. Але при такій же висоті (при h_б=h_а) ця камера значно знижує пропускну спроможність і к.к.д. турбіни при відносно великих витратах і потужності, і тому застосовується рідко. Збільшення радіусу R_вх.б покращує якості турбіни, але призводить до збільшення її розмірів у плані. Кути γ та β в цих камерах форми б приймають рівними 15°.

Форму в із плоскою підлогою застосовують у сучасних суміщених ГЕС щоб розташувати водоскидні канали під спіральними камерами. Облицювання стелі і конуса виконується з листів вуглецевої сталі МСт3 товщиною 8÷10 мм, що зварюються між собою та із статором. Після установки облицювання приварюють до арматури будівлі; облицювання частково замінює опалубку при бетонуванні спіральної камери.

Кут охоплення в плані φ (див. рис. 3.1, б) приймають в межах від 180° до 270°. При збільшенні φ в цих межах підведення води до напрямного апарату стає більше рівномірним і підвищується к.к.д., в той же час збільшується витрата через спіральну частину, що при заданих допустимих швидкостях течії змушує збільшувати розміри перерізів і, як наслідок, радіус на вході R_вх, загальну ширину В₁ і відстань між агрегатами. Тому зазвичай приймають φ=180÷220°. Застосування кутів охвату φ, менших 180°, істотно зменшує к.к.д. і пропускну спроможність турбіни (при потужності, близькій до повної), а збільшення φ понад 270° помітних переваг не дає. Для забезпечення досить рівномірного підведення потоку по усій окружності напрямного апарату, колони статорів у відкритій частині камери встановлюють частіше та із по-різному вигнутими профілями.

Металеві спіральні камери

Спіральні камери цього виду виконують із круглими перерізами, що переходять в овальні у районі зуба, і зварюють із ланок, що є частинами лінійної оболонки. На рис. 3.2 показана така камера. Ланки збирають, зварюють одну з одною і приварюють до статора при монтажі. В межах габаритних розмірів, допустимих для транспортування, ланки зазвичай зварюють у блоки на заводі-виробнику і приганяють до статора.

Рис. 3.2. Зварна металева спіральна камера

Проектують камеру на основі теоретичного креслення, побудованого в результаті її гідродинамічного розрахунку. При цьому з контуром спіралі, обкресленим в плані теоретичною кривою, прямолінійні твірні ланок, що відповідають внутрішній поверхні, сполучають так, щоб точки дотику співпадали з кривою контура, а твірні внутрішньої поверхні утворили вписаний багатокутник. Спряження ланок із статором, що має постійний кут γ, виконують у вхідних перерізах за допомогою конічної перехідної поверхні. Це дозволяє збільшити число ланок з круглими перерізами і виконати гладке сполучення із статором.

Оболонки зварних спіральних камер виконують із прокатної сталі такої товщини і марок, що задовольняють умовам міцності. Найбільш бажаною з технологічних міркувань є вуглецева сталь МСт3, що має хорошу зварюваність і пластичність, необхідну при холодному згинанні і в процесі вальцювання і складання.

Зварні шви в камері слід виконувати з найменшими перерізами, що забезпечують повну проварюваність і в той же час мінімальну витрату наплавленого металу.

Спіральні камери високонапірних радіально-осьових турбін, що мають, як правило, відносно малі розміри, виконуються зварнолитими (рис. 3.3), іноді литими із сталі 20ГСЛ, 30Л. Вони відрізняються великою товщиною стінок оболонки, що необхідно за умовами міцності при високих напорах.

Рис. 3.3. Зварно-лита металева спіральна камера

За умовами транспортування ці камери ділять на дві або чотири частини, що сполучають потужними фланцями, скріпленими болтами 6. Статор в литих камерах відливають за одно ціле із оболонкою. У зварно-литих спіральних камерах статор 4 відливають окремо, до нього приварюються фланці 2 і 5, після чого в отриманий таким чином каркас, вварюють ланки 1. Болти 6, сполучаючі фланці, виконують кованими із сталі 45 або при необхідності з міцніших сталей. Крайні найбільш навантажені болти 3 мають більший діаметр, їх припасовують, що необхідно за умовами центрування окремих частин при складанні. Товщина ланок може досягати δ=70 мм. Шви виконують так само, як шви звичайних камер. Тут особливо важливо враховувати поправки на товщину.

Виготовляють ланки найчастіше із сталі МСт3, але можуть застосовуватися й інші марки стали. Фланці виконують контактними і ущільнюють закладеним в паз гумовим шнуром 7.

Литі і зварно-литі спіральні камери випробовують гідравлічним тиском р_випр=1,25·р_роб, де р_роб - найбільший тиск (з урахуванням підвищення тиску при скиданні навантаження).

Ці випробування здійснюють до бетонування, тому внаслідок великих перевантажень камери доводиться робити міцнішими, ніж це потрібно за умовами нормальної роботи.