V. Типовой гидроагрегат с ортогональными турбинами для приливных электростанций

В настоящее время практически все проектные и исследовательские работы по приливной энергетики в России сосредоточены в Научно-исследовательском институте энергетических сооружений (НИИЭС). Наиболее впечатляющий результат этой работы – создание опытно-промышленной Кислогубской ПЭС, построенной в губе Кислой вблизи г. Мурманска на побережье Баренцева моря. Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт, введенная в эксплуатацию в 1968г., стала общепризнанным инженерным и научным центром, позволившим отработать конкретные технические решения не только для энергетики, но и для всего морского гидротехнического строительства в условиях чрезвычайно агрессивной океанической воды и сурового климата Заполярья.

При создании Кислогубской ПЭС был разработан наплавной способ строительства, позволивший в 1,5 – 2 раза сократить сроки сооружения и существенно уменьшить стоимость станции. С 2006г. В промышленной эксплуатации находится ортогональная турбина с вертикальным валом и серийным диаметром рабочего колеса 5 м в составе одноярусного гидроагрегата, установленного в новом наплавном блоке, пристыкованном к старому наплавному блоку здания Кислогубской ПЭС. Этот блок планировалось вначале установить в Мезенском заливе Белого моря, и поэтому он получил название «Малая Мезенская ПЭС».

Результаты испытаний учтены в проекте трехъярусного гидроагрегата. В частности, после реконструкции 2009 г. Турбинной камеры с использованием патента максимальный КПД ортогональной турбины Малой Мезенской ПЭС по данным натурных испытаний увеличился с 0,63 до 0,72, что совпало с результатами численного прогноза. Тем самым был основан расчетный КПД, равный 0,74 – 0,76, ортогональных турбин трехъярусного гидроагрегата при прямом течении воды из бассейна в море и обратном течении воды из моря в бассейн.

Общий вид наплавного железобетонного энергоблока Северной ПЭС с тремя трехъярусными гидроагрегатами представлен на рис. 3.

Технический и рабочий проект трехъярусного по высоте гидроагрегата с тремя ортогональными турбинами выполнен специалистами проектно-конструкторского бюро ОАО «НИИЭС» . Общий вид гидроагрегата представлен на рис. 4.

Гидроагрегат рекомендуется в наплавных блоках зданиях ПЭС при глубинах моря от наинизшего технического горизонта (НТГ) около 30 м. Он имеет составной прямолинейный вертикальный вал, образованный путем соединения муфтами валов трех одинаковых

Рис. 3. Общий вид наплавного железобетонного энергоблока Северной ПЭС с тремя трехъярусными гидроагрегатами

ортогональных турбин с диаметром рабочего колеса 5 м и высотой лопастей 5 м. Турбины размещены одна над другой в вертикальной турбинной шахте. Суммарный вращающий момент трех турбин передается через мультипликатор гидрогенератору, расположенному

вместе с мультипликатором в машинном зале здания ПЭС в зоне обслуживания мостовым краном.

Каждая ортогональная турбина снабжена горизонтальным напорным водоводом прямоугольного поперечного сечения, пересекающимся с вертикальной шахтой турбин. Напорные водоводы турбин имеют на входе и выходе площадь поперечного сечения 56 м² и плавно сужаются по направлению к вертикальной шахте посередине водовода до 37,5 м². После установки пристеночного направляющего аппарата площадь поперечного сечения водовода с учетом боковых зазоров размером 0,2 м уменьшается до27 м² . В зоне установки турбин в вертикальной шахте водоводы изолированы друг от друга объемными крышками турбинных камер, где расположены подшипниковые опоры и соединительные муфты валов турбин.

Крышки турбин вставляются в закладные обечайки, забетонированные в стенках напорных водоводов и вертикальной шахты при изготовлении наплавного блока в строительном доке с необходимой для последующего монтажа турбины точностью установки. Со стороны моря в каждом водоводе вблизи турбин устанавливаются затворы жалюзийного типа с четырьмя поворотными лопатками обтекаемой формы для пуска и остановки турбин гидроагрегата и осуществления режимов холостого пропуска воды через турбины[2].

В качестве основного варианта рассматривается рабочий проект гидроагрегата с ортогональными турбинами на подшипниках качения, смазываемых консистентной смазкой. При этом обеспечивается доступ по специальным ходам обслуживающего персонала внутрь объемных крышек турбин для наблюдения за работой подшипниковых опор и их периодической смазки, а так же за работой соединительных муфт и торцевых уплотнений подшипниковых опор.

Объемные крышки рассчитаны на избыточное давление воды 40 м вод. ст.

Разработаны чертежи трех вариантов исполнения рабочих колес, отличающихся конструкцией крепления лопастей турбин к валу. Все рабочие колеса в варианте с подшипниками качения взаимозаменяемы и могут быть установлены на любом из ярусов. Основной вариант рабочего колеса предполагает наличие 12 прямолинейных лопастей специального крыловидного профиля постоянных формы и площади поперечного сечения по длине лопасти с длиной хорды сплошного металлического профиля лопасти 0,33 м и максимальной толщиной профиля 0,08 м. Такие лопасти могут изготавливаться путем проката.

Масса основного варианта рабочего колеса турбины в сборе с подшипниковыми узлами составляет 36 т, а масса гидроагрегата с закладными деталями, мультипликатором и генератором – 300 т. В качестве мультипликатора предполагается использовать доработанный двухступенчатый планетарный редуктор P2NB36 фирмы Flenders (Германия) массой 19 т.

Материалом для изготовления рабочего колеса является сталь СТ3сп2 по ГОСТ 14637-89, ее механические характеристики таковы: предел текучести 240 МПа; предел прочности 470 МПа; допускаемое напряжение 160 МПа.

Основной вклад в напряженно-деформированное состояние рабочего колеса вносят гидродинамические силы, причем напряжения, вызванные этими силами, циклически изменяются во времени при эксплуатации конструкции. Влияние инерционных усилий на прочность колеса менее значительное, к тому же напряжения от них постоянны.

Основные результаты расчетов рабочего колеса таковы:

1 . Требования статистической прочности к конструкции выполнены с запасом, так как максимального напряжение не превышает допустимого значения 125МПа.

2. Первая собственная частота рабочего колеса 8,847 ГЦ значительно выше частоты его вращения 0,7 ГЦ.

3. Расчетная мощность вертикальной ортогональной турбины: Р=5900 кВт.

В составе турбин гидроагрегатов ПЭС «Северная» в отличии от гидротурбины, примененной в наплавной энергоблоке для ПЭС «Кислогубская», на валу рабочих колес предусмотрены обтекатели (рис. 5), которые установлены на подшипниках скольжения и имеют каплеобразную форму профиля.

Для ПЭС был специально разработан бетон высокой морозостойкости, выдержавший более 20 000 циклов замораживания -оттаивания без каких либо повреждений. Конструктивные элементы ПЭС находятся в хорошем состоянии. Поверхности бетонных стен толщиной всего 15 см, находящиеся под напором воды до 12 м, все время остаются сухими. Система катодной защиты полностью обезопасила ПЭС от электрохимической коррозии, тогда как в ее окрестностях коррозия металла чрезвычайно высока. Специально созданная электролитная установка защищает бетон и металл турбинного водовода от биологической коррозии (обрастания) на весь срок эксплуатации станции ( биомасса обрастания без защиты достигает 230 кг/м².

В целях уменьшения стоимости и сокращения сроков выполнения работ по изготовлению трехъярусных гидротурбин по инициативе ОАО «ПО «Севмаш» и ОАО «НИИЭС» совместно с ОАО «ЦНИИ КМ «Прометей» начаты работы по переводу заготовок равнопрофильных лопастей, а так же стоек рабочих колес и хвостовиков обтекателей, ранее подвергавшихся 100%-ной механической обработке при изготовлении изделий, в поставочный прокатный профиль. Есть все основания считать, что проблема проката лопастей будет решена и полученный экономический эффект станет особенно ощутим при массовом изготовлении оборудования как для Северной ПЭС, так и для других крупных ПЭС (Мезенская, Тургутская)

Сравнительная простота конструкции и технологичность узлов трехъярусного гидроагрегата, относительно небольшие размеры его деталей при диаметре рабочего колеса 5 м позволяют изготавливать гидроагрегаты большими сериями не только на специализированных заводах, но и на достаточно крупных общемашиностроительных или судостроительных заводах.

Рис. 4. Общий вид гидроагрегата: 1 – стояночный тормоз; 2 – закладные обечайки; 3 – плоская крышка верхнего водовода; 4 – ARPEX (муфта с функцией проскальзывания); 5 – фланец; 6 – генератор мощностью 4000 кВт; 7 – динамический тормоз генератора; 8 – рама под генератор и мультипликатор; 9 – планетарный мультипликатор; 10 – соединительные муфты; 11 – три вертикальные гидротурбины с рабочими колесами диаметром 5 м каждое; 12 – объемные крышки нижнего и среднего водоводов.

Так, по предварительной оценке, на ОАО «ПО «Севмаш» при условии модернизации ряда вспомогательных цехов можно выполнить всю программу изготовления 2000 гидроагрегатов для Мезенской ПЭС в течении 10 -12 лет с постепенным их вводом в эксплуатацию по мере изготовления.

Создание нового высокоэффективного гидроагрегата с ортогональными турбинами в одно-, двух- и трехъярусном исполнении для низконапорных приливных электростанций может способствовать назревшему широкомасштабному освоению приливной энергетики путем строительства мощных ПЭС как в России, так и за рубежом[2].

Рис. 5. Обтекали вала рабочего колеса гидротурбины.