Гидравлические двигатели, применявшиеся в промышленности до XIX в., представляли собой различного типа водяные колеса, вращающиеся под действием только веса воды или скоростной энергии потока. Водяные колеса как двигатели имели ряд существенных недостатков: громоздкость, малую скорость вращения и низкий к. п. д., а главное — с их помощью невозможно было получить большие мощности. Так, водяное колесо диаметром 9,15 м при напоре 5,2 м, работавшее на Кренгольмской мануфактуре в г. Нарве до 1874 г., развивало мощность всего 330 кВт три скорости вращения 4—4,5 об/мин.
В начале XIX в. была создана гидравлическая турбина, которая стала быстро вытеснять водяные колеса, особенно в промышленности, где требовались более значительные мощности. Гидравлическая турбина по сравнению с водяным колесом давала возможность получить значительно большие мощности в одном агрегате при сравнительно высоких скоростях вращения и обладала упрощенной передачей, связывающей турбину с потребляющей энергию машиной.
Особенно важное значение получило гидротурбостроение в конце XIX и начале XX вв. в связи с широким развитием электротехнической промышленности и появлением возможности передавать электроэнергию на значительные расстояния.
Использование гидравлической энергии в дореволюционной России находилось на чрезвычайно низком уровне, а гидротурбостроение по существу отсутствовало.
Развитие гидроэнергетики в России началось только после Великой Октябрьской социалистической революции. По утвержденному в 1920 г. государственному плану электрификации (ГОЭЛРО), составленному по инициативе В. И. Ленина, в течение 10—15 лет надлежало построить 30 электростанций общей мощностью 1 750 000 кВт, в том числе 9 гидроэлектростанций. Но через 10 лет план ГОЭЛРО был уже перевыполнен. Первая крупная гидроэлектростанция, Волховская, была введена в эксплуатацию в 1926 г., а в 1937 г. общая мощность гидроэлектростанций страны составляла 1 400 000 кВт. Особенно быстро гидроэнергетика начала развиваться в послевоенные годы и в настоящее время мощность гидростанций Советского Союза составляет свыше 20 млн. кВт, выработка энергии достигает 100 млрд, кВт-ч.
Гидроэлектростанции, используя непрерывно возобновляющиеся энергетические ресурсы рек, являются высокорентабельным и долговечным источником электроснабжения народного хозяйства. Они отличаются надежностью в работе, низкой стоимостью вырабатываемой электроэнергии, высокой маневренностью и готовностью немедленно принимать нагрузку. В связи с этим, а также учитывая достаточные запасы гидроэнергетических ресурсов, в ближайшие десятилетия намечается интенсивный рост общей мощности гидроэлектростанций. Такие высокие темпы развития гидроэнергетики могут быть обеспечены только строительством большого количества крупных многоагрегатных гидроэлектростанций с установкой на них мощных уникальных гидроагрегатов.
Отечественное гидро-энергомашиностроение за послевоенный период достигло значительных успехов в конструировании и изготовлении основного оборудования для строящихся гидроэлектростанций. Основной тенденцией развития современного гидро-энергомашиностроения является увеличение единичной мощности гидроагрегатов, так как это дает возможность получения больших мощностей на одной гидроэлектростанции при уменьшении удельной металлоемкости и стоимости гидротурбин и генераторов. Так, агрегаты Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и XXII съезда КПСС, имеющие рабочие колеса диаметром 9,3 м и мощность 115 тыс. кВт, по размерам и мощности значительно превосходят зарубежные агрегаты аналогичного типа. На Братской гидроэлектростанции имени 50-летня Великого Октября работают агрегаты мощностью по 225 тыс. кВт, для Нурекской ГЭС создаются агрегаты по 310 тыс. кВт, а установленные уникальные гидроагрегаты на Красноярской ГЭС имеют мощность 500 тыс. кВт.
Энергетический агрегат гидроэлектростанции состоит из гидротурбины, непосредственно соединенного с ней гидрогенератора и вспомогательного оборудования, необходимого для обеспечения нормальной работы агрегата. Гидротурбина и гидрогенератор разрабатываются и изготовляются различными заводами; однако конструируются и компонуются они как части единого гидроагрегата. Только общая компоновка и наиболее целесообразное сочетание конструктивных и технологических решений, принятых совместно для турбины и генератора, дают возможность создать надежный энергетический агрегат с высокими энергетическими, эксплуатационными и экономическими показателями.
Рис. 1-1. Общий вид гидроагрегата мощностью 115 тыс. кВт с поворотно- лопастной турбиной.
1 — рабочее колесо; 2 — вал турбины; 3 — направляющий аппарат; 4 — крышка турбины; 5 — вал генератора; 6 — ротор генератора; 7 — статор; 8 — подпятник; 9 — верхняя крестовина.
Рис. 1-2. Общий вид гидроагрегата мощностью 500 тыс. кВт. радиально-осевой турбиной.
1 -рабочее колесо; 2 — вал агрегата; 3 — направляющий аппарат; 4 — спиральная камера; 5 — крышка турбины; 6 — подшипник турбины; 7 — опора подпятника; 8 — ротор генератора; 9 — статор; 10 — подпятник; 11— верхняя крестовина; 12 — подшипник генератора.
На средних и крупных современных гидроэлектростанциях устанавливаются в основном вертикальные гидроагрегаты. Горизонтальные гидроагрегаты ранее широко применялись для оборудования небольших, преимущественно сельских гидроэлектростанций. Однако в последние годы горизонтальные гидроагрегаты начали устанавливаться и на более мощных гидроэлектростанциях.
В европейской части Советского Союза преобладают низко- и средненапорные гидроэлектростанции с напорами до 40 м и вертикальными агрегатами, состоящими из генератора и турбины поворотнолопастного типа. Общий вид такого современного гидроагрегата с поворотнолопастной турбиной показан на рис. 1-1.
Рис. 1-3. Компоновка гидроагрегата с поворотнолопастной турбиной
D1= 9,3 м.
а — гидроагрегат Рыбинской ГЭС (диаметр рабочего колеса 9,0 м.) Волжской ГЭС им. В. И. Ленина; б — гидроагрегат и. XXII съезда КПСС; в — гидроагрегат Волжской ГЭСФ; г — проект современного гидроагрегата.
На Дальнем Востоке и в Сибири сооружаются в основном средне и высоконапорные ГЭС (с напорами до 200 м). Развитие гидроэнергетики этих районов потребовало создания крупных гидроагрегатов с радиально-осевыми турбинами. На рис. 1-2 показан общий вид крупнейшего в мире гидроагрегата Красноярской ГЭС с радиально-осевой турбиной мощностью 500 тыс. кВт.
Дальнейшее совершенствование компоновок и конструкций вертикальных гидроагрегатов характеризуется стремлением к максимальному конструктивному и технологическому объединению деталей и узлов турбины и генератора. Так, подпятники зонтичных гидрогенераторов в настоящее время обычно опираются на крышку турбины, что дало возможность отказаться от нижней крестовины генератора. В некоторых конструкциях крупных гидроагрегатов генератор не имеет вала и ротор генератора насаживается непосредственно на вал турбины либо втулка ротора крепится к верхнему концу вала турбины.
Конструктивные и компоновочные изменения гидроагрегатов с поворотнолопастными турбинами за последние 20 лет (рис. 1-3) не только привели к существенному повышению энергетических параметров, но и значительно уменьшили осевые габариты их при одинаковом диаметре рабочего колеса.
Характерной особенностью современного крупного гидроэнергомашиностроения является то, что турбины и генераторы не могут быть полностью собраны, обкатаны и испытаны на заводах-изготовителях и поэтому они вынужденно поставляются на гидроэлектростанции в виде отдельных механизмов, узлов и деталей, иногда даже без заводской по узловой контрольной сборки.
Поэтому гидроагрегаты полностью собираются, испытываются и пускаются в работу впервые только на месте установки, и монтаж гидроэнергетического оборудования является по существу заключительным этапом в общем цикле изготовления гидроагрегата. При этом в процессе установки гидроагрегата приходится выполнять не только чисто монтажные операции по сборке, установке, выверке и креплению деталей и узлов, но и производить заводские операции по контрольной сборке узлов и механизмов с доводкой и подгонкой деталей. Вертикальное расположение вала гидроагрегата создает также дополнительные затруднения при установке деталей и узлов и проверке их взаимного положения.
Одновременно монтаж гидроагрегатов является и составной частью единого, связанного организационно и технологически процесса строительно-монтажных работ по сооружению гидроэлектростанции. В связи с этим обеспечение высококачественного монтажа и своевременного ввода в эксплуатацию современного уникального гидроэнергетического оборудования на гидроэлектростанциях требует четких инженерно-технических методов организации и технологии монтажа работ, изложение которых и является основным содержанием настоящего учебника.
