Глава первая
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1-1. ГИДРАВЛИКА ЗДАНИИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ. ТИПЫ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗДАНИЙ ГЭС
Повышение эффективности современных гидроэлектростанций, столь важное для народного хозяйства, возможно главным образом за счет снижения капитальных затрат и улучшения энергетических качеств оборудования и гидроэлектростанций в целом. При этом имеющаяся органическая связь энергетического оборудования и строительной части требует решения задач, возникающих при проектировании, в комплексе, с учетом влияния параметров здания ГЭС на работу турбин. Решение гидравлических вопросов должно быть подчинено требованиям получения заданных энергетических параметров при максимальной эффективности ГЭС.
Здание ГЭС рассматривается нами совместно с его подводящим и отводящим руслами. Турбинный блок является основной частью здания, предназначенной для размещения гидроагрегатов, вспомогательного оборудования, проточной части турбин и водосбросов.
К задачам, разрешаемым при гидравлических расчетах зданий ГЭС, относится определение размеров и очертаний следующих элементов: проточной части здания ГЭС (турбинного блока);
водоприемника, сороудерживающих решеток и устройств;
участков, сопрягающих водоприемник с турбинными водоводами или турбинной камерой;
участков, сопрягающих отсасывающую трубу с водобоем;
подводящего и отводящего русл, включая крепления и ковши, предназначенные для защиты креплений от подмыва.
Этот перечень задач расширяет границы, в которые заключено здание ГЭС: строгость терминологии приносится в жертву требованиям практики.
Например, водоприемник русловой ГЭС является единым целым с собственно зданием ГЭС, а у приплотинных ГЭС и, тем более, деривационных, он представляет собой отдельное сооружение. Однако задачи и способы гидравлического расчета водоприемников любого типа общие, что позволяет рассматривать их как составную часть здания ГЭС1.
1 Укажем на имеющийся в мировой практике подобный случай нарушения строгости терминологии. В свое время по международному соглашению считалось, что «гидротурбина начинается в сечении входа в турбинную камеру и оканчивается в сечении нижнего бьефа ... с распределением скоростей, наиболее близким к бытовому» ([221] стр. 153).
Основная часть собственно здания ГЭС — турбинный блок1 может быть одноагрегатным или двухагрегатным (рис. 1-1). В последнем случае некоторые элементы проточной части здания являются общими (например, при турбинах со встречным вращением общими могут быть водоприемник и напорный водосброс, рис. 1-1).
Под проточной частью здания ГЭС (турбинного блока) подразумеваются его водоводы, в том числе проточная часть турбины 1. Такие элементы проточной части, как рабочее колесо и направляющий аппарат, изучаются и проектируются турбиностроителями. Турбинные камеры и отсасывающие трубы проектируются совместно турбиностроителями и гидротехниками. Поэтому гидравлический расчет турбинных камер и отсасывающих труб относится к гидравлике зданий ГЭС (в настоящей работе турбинная камера не рассматривается, а отсасывающая труба затрагивается лишь при рассмотрении нижнего бьефа ГЭС).
Рис. 1-1. Секция и блок здания ГЭС.
Несколько обособленно можно рассматривать подвод воды от водоприемника к турбинной камере. На русловых ГЭС он осуществляется коротким турбинным водоводом («подводящей камерой турбины»2 3 [268, термин 103]), представляющим собой переходный участок от водоприемника к турбинной камере. На деривационных ГЭС между водоприемником и турбинной камерой может быть или только турбинный напорный водовод («турбинный водовод ГЭС» [268, термин 206]), или деривация, переходящая в турбинный напорный водовод (табл. 1-1). Расчеты деривации и длинного напорного водовода имеют специфические особенности (неустановившееся движение, гидравлический удар) и в настоящей работе не рассматриваются4.
1 В литературе и в проектной практике часто путают определения «турбинный блок» и «секция здания ГЭС», Секция — «часть здания ГЭС ... отделенная от смежных частей здания ГЭС постоянными швами» [268, термин 227].
2 Проточной частью турбины называются «омываемые рабочим потоком рабочие органы турбины» (турбинная камера, направляющий аппарат, рабочее колесо и отсасывающая труба) [268. термин 134].
3 Этот термин в настоящей работе не употребляется. Короткий водовод перед турбинной камерой руслового здания ГЭС называется «предтурбинной камерой».
4 Расчет гидравлического удара иногда требуется производить даже для русловых ГЭС (удар в отсасывающей трубе). По этому вопросу отсылаем читателя к специальным работам [173].
Таблица 1-1
Характеристики типов зданий ГЭС и их проточной части
Подводящими и отводящими руслами называются участки нижнего и верхнего бьефов здания ГЭС, определяющие условия подвода воды к водоприемнику и отвода воды от гидроэлектростанции, вместе с их конструктивными элементами (береговыми устоями, раздельными стенками, водобоем, участком, сопрягающим отсасывающую трубу с водобоем, рисбермой, ее концевым устройством и пр.)
Компоновка здания ГЭС и его гидравлические особенности в значительной мере определяются величиной напора и способом его создания, поскольку от этого зависит, будет ли ГЭС русловой, приплотинной или деривационной (табл. 1-1).
Рис. 1-2. Изменение взаимного расположения водоприемника и агрегата с увеличением напора.
а, б, в — здания ГЭС, воспринимающие напор; г, д — здания ГЭС, не воспринимающие напор.
Влияние напора на тип здания ГЭС можно проследить на рис. 1-2. С увеличением напора водоприемник смещается вверх относительно турбины (рис. 1-2,б). Затем может появиться щитовая стенка, которая еще связана конструктивно с остальной частью здания1 (рис. 1-2,в). С дальнейшим повышением напора водоприемник отделяется от турбинного блока (рис. 1-2,г, д) и здание ГЭС становится приплотинным, а при наличии между водоприемником и зданием ГЭС деривации — деривационным.
В табл. 1-1 не показаны особенности здания ГЭС, связанные с типом турбины, турбинной камеры, положением оси гидроагрегата. В действительности эта связь весьма существенна.
1 Щитовая стенка может работать на сдвиг самостоятельно или совместно с остальной частью здания. В зависимости от этого здание со щитовой стенкой может быть соответственно приплотинным или русловым.
Рис. 1-3. Встроенные здания ГЭС.
а — совмещение с глухой массивной плотиной; б—то же с водосливной плотиной; в — то же с многоарочной контрфорсной плотиной; г — то же с контрфорсной плотиной с плоскими перекрытиями; д — с земляной плотиной (здание ГЭС в бетонном зубе).
Существенное влияние на компоновку и конструкцию здания ГЭС оказывает совмещение ГЭС и водосбросов в едином сооружении (здание ГЭС совмещенного типа). Однако совмещение ГЭС с водосбросами не изменяет классификации, приведенной в табл. 1-1.
Для каждого типа ГЭС установилась определенная стандартная гидравлическая схема несовмещенного здания ГЭС. Новые гидравлические задачи возникли в связи с совмещением в одном сооружении здания ГЭС и водосбросов.
Рис. 1-4. Схемы совмещения здания ГЭС и водосбросов.
К совмещенным относятся все ГЭС, здания которых представляют собой конструктивно единое целое с сооружением другого назначения (водоподпорным, водосбросным, судоходным) или одновременно с комплексом сооружений (например, «здание ГЭС — водосброс — шлюз» [63]). Если здание ГЭС совмещено с бетонной или железобетонной, глухой или водосливной плотиной, с размещением машинного зала в пределах тела плотины или между контрфорсами без существенного изменения (увеличения) размеров нормального профиля плотины, то такие ГЭС обычно называются встроенными (рис. 1-3). К этому же типу может быть отнесена ГЭС, расположенная в теле земляной плотины (рис. 1-3,д).
Если здание ГЭС одновременно является водосбросным сооружением, то его гидравлические особенности определяются типом водосброса, который может быть выполнен в виде водослива, напорных или полунапорных водосбросов, в соответствии с чем совмещенная ГЭС может быть водосливной, с напорными или полунапорными водосбросами.
Распространены следующие схемы совмещения зданий ГЭС и водосбросов (на рис. 1-4 стрелками показано расположение водосбросов):
- — водосбросы расположены под отсасывающей трубой:
- — водосбросы проходят под турбинной камерой (в обход вертикального патрубка отсасывающей трубы и затем над диффузором горизонтального патрубка отсасывающей трубы);
- — водосбросы расположены над турбинной камерой (в обход турбинной шахты или вала вертикального агрегата);
- — водосбросы расположены между генераторами (в обход шахты генератора);
- — сброс воды осуществляется над низким машинным залом или над горизонтальным агрегатом;
- сброс воды производится над высоким машинным залом;
- — вода сбрасывается через турбинную камеру, имеющую водосбросное отверстие со стороны нижнего бьефа:
- — водосбросы выведены в отсасывающую трубу.
Рис. 1-5. Машинные залы несовмещенных зданий и зданий совмещенных с напорными водосбросами.
а— высокий; б, в — низкий; г — машинный зал отсутствует; 1 — портальный кран; 2— мостовой кран; 3 — съемная крышка; 4 — индивидуальный колпак генератора; 5 — эстакада; 6 — водосбросы.
Водосбросы могут быть также расположены между турбинными блоками. Если при этом чередуются турбинные и водосливные блоки, ГЭС называется бычковой.
При вертикальном агрегате может быть применена любая схема совмещения, изображенная на рис. 1-4, при горизонтальном агрегате— схемы 5 и 6 (рис. 1-3). Подвод воды к водосбросу может производиться также по турбинному водоводу (см. § 1-2).
Расположение водосбросов и их гидравлические особенности, положение оси агрегата взаимосвязаны с типом машинного зала. Применение вертикальных агрегатов на ГЭС, совмещенных с напорными водосбросами, не приводит к каким-либо особенностям машинных залов по сравнению с применяющимися па несовмещенных ГЭС (рис. 1-5).
Машинный зал может быть низким или высоким в зависимости от расположения основного кранового оборудования: внутри или снаружи помещения. При расположении генераторов под колпаками (открытое машинное здание — рис. 1-5,а) машинный зал может отсутствовать.
Рис. 1-6. Водосливные здания ГЭС (решения Б. К. Александрова).
а — высокий машинный зал (надводосливный); сброс воды в обход вала агрегата; б — сброс воды над высоким машинным залом; а, г — сброс воды над низким машинным залом; д — подводный низкий машинный зал; е — здание без машинного зала,
Машинный зал водосливных ГЭС (рис. 1-6) может быть надводосливным, подводосливным или подводным. Он может отсутствовать при расположении генератора под колпаком над водосливом или при применении бульбового агрегата (рис. 1-6,в).
При пропуске сбросного расхода через здание ГЭС или между турбинными блоками удается использовать часть энергии сбросного потока1 для некоторого восстановления напора турбины, снижающегося в паводок. Достигается это за счет эжекции, т. е. такого воздействия сбросного потока (эжектирующего) на поток, проходящий через турбину (эжектируемый), при котором увеличивается напор турбины.
Слово «эжекция» происходит от французского ejection (выбрасывание). В зависимости от того, где происходит воздействие водосбросного (эжектирующего) потока на турбинный (эжектирующий), различают эжекцию в нижний бьеф, в отсасывающую трубу, в водовод, соединенный с проточной частью, и комбинированную эжекцию (рис. 1-7).
При эжекции в нижний бьеф (рис. 1-7) поток из верхнего бьефа сбрасывается в обход отсасывающей трубы; его эжектирующее действие на турбинный поток происходит вне отсасывающей трубы. Сброс может осуществляться через водосливы — водосливная эжекция (рис. 1-7) или через напорные водосбросы — эжекция напорными водосбросами (рис. 1-7). Струя сбросного потока в нижнем бьефе может быть затоплена или не затоплена. При этом в нижнем бьефе может иметь место отогнанный прыжок, при котором смешение сбросного и турбинного потоков происходит при глубинах, меньших критических.
1 Энергия сбросного потока на несовмещенных ГЭС частично может использоваться при эжекции по фронту ГЭС, см. § 1-3.
Рис. 1-7. Схемы эжекции на совмещенных гидроэлектростанциях.
При эжекции в отсасывающую трубу (рис. 1-7) сбросной поток поступает в отсасывающую трубу, минуя рабочее колесо; взаимодействие потоков происходит непосредственно в отсасывающей трубе.
При эжекции в водосбросы (эжекция из отсасывающей трубы), соединенные с проточной частью отверстиями в стенках отсасывающей трубы, воздействие на турбинный поток происходит за счет разности давлений в отсасывающей трубе и в водосбросах.
Комбинированный способ эжекции (рис. 1-7) заключается в сочетании разных схем эжекции: водосливной, напорными водосбросами, в отсасывающую трубу и пр.
Особое место занимает эжекция по фронту здания ГЭС. В этом случае увеличение напора турбины достигается за счет соответствующего взаимоположения здания ГЭС (несовмещенного типа) и водосбросной плотины.
