Основные типы совмещенных зданий ГЭС.
Рис. 1-16. Плановые очертания водосбросов.
а — Волжские ГЭС; б — Новосибирская ГЭС; в — Каховская ГЭС; 1 — сливная кромка полки.
ГЭС, характеризующиеся гидравлическими особенностями водосбросов и их положением, представлены на рис. 1-14. В качестве примеров приведены наиболее типичные построенные или запроектированные ГЭС.
Водосбросы под отсасывающей трубой (рис. 1-14,1). Здание ГЭС с водосбросом, расположенным под отсасывающей трубой, предложено в 1946 г. в СССР, причем одновременно в здании ГЭС предлагалось разместить камеру судоходного шлюза (над отсасывающей трубой [63]). По-видимому, располагать водосбросы под отсасывающей трубой имеет смысл в тех случаях, когда они будут использоваться как промывники на реках с большим количеством наносов или для пропуска строительных расходов, как это, например, имеет место на ГЭС Наглу (рис. 1-25,г) и Монтейнар (рис. 1-24,е).
Водосбросы под турбинной камерой (рис. 1-14, 2—4). Впервые здание ГЭС с напорными водосбросами под турбинной камерой было запроектировано в 1937 г. (рис. 1-15) [12, 140]. Основные черты этой конструкции сохранились в ряде последующих проектов и осуществлены на крупных отечественных русловых ГЭС [94, 223] (табл. 1-2), Здания ГЭС, приведенные в табл. 1-2, имеют различные высоту отсасывающей трубы, плановые конфигурации водосбросов и угол охвата спиральных камер.
Таблица 1-2
Здания гидроэлектростанций СССР с напорными водосбросами под турбинными камерами и над ними
Напорные водосбросы над турбинной камерой, под машинным залом (в обход турбинной шахты)
1 В 2 блоках ГЭС устанавливаются горизонтальные агрегаты.
На Каховской ГЭС уменьшение высоты трубы до 1,54 D1 снизило к. п. д. турбин и выработку энергии, но привело к уменьшению капиталовложений, облегчению условий строительства и его ускорению. Увеличение высоты отсасывающей трубы до 2,24 D1 на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина обусловлено стремлением получить больший к. п. д. турбины и требованием размещения в массиве блока водосбросов таких размеров, которые обеспечили бы достаточную пропускную способность.
Плановые очертания водосбросов Волжских ГЭС приведены на рис. 1-16. Водосбросы симметричны относительно продольной оси блока, что потребовало применения спиральной камеры с углом охвата 135°. На Новосибирской и Каховской ГЭС несимметричное расположение в плане водосбросов позволило иметь спиральные камеры с углом охва та 180°. Применение спиральных камер с углом охвата 135° приводит к снижению к.п.д. турбины на 0,5— 1 % и увеличивает расстояние между осями агрегатов [275].
Рис. 1-17. Русловое здание Уч-Курганской ГЭС с высоко расположенными входными отверстиями турбинного водовода и напорными водосбросами под турбинной камерой.
При проектировании Волжских, Новосибирской и Каховской ГЭС учитывалось требование действующего в то время нормативного документа РУ-10-53 [218], согласно которому водосбросы должны были выполняться конфузорными. Поэтому Возможность развития поперечного сечения водосбросов и выходных отверстий ограничивалась площадью ключевого сечения, расположенного по оси агрегата или несколько ниже по течению. Гидроэлектростанции, приведенные в табл. 1-2, имеют водосбросы с площадью выходного сечения на 2—5% меньшей, чем площадь ключевого сечения.
На Каховской ГЭС площадь выходных отверстий водосбросов несколько больше, чем на Новосибирской ГЭС. Это достигнуто при том же диаметре рабочего колеса и меньшей высоте отсасывающей трубы за счет объединения на некоторой длине двух левых водосбросов в один. Площадь ключевого сечения увеличилась, что дало возможность при сохранении конфузорности водосброса увеличить размеры выходных отверстий.
Несколько отлична от рассмотренных Уч-Курганская ГЭС на р. Нарыне. Она имеет необычный для русловых ГЭС водоприемник с высоко расположенными, во избежание попадания крупных наносов в турбинный тракт, отверстиями водоприемника (рис. 1-17). Низко расположенные водоприемные отверстия обеспечивают промыв наносов перед ГЭС (сток взвешенных наносов на 1 м длины створа гидроузла достигает 0,138 млн. т в год).
При разработке Саратовской ГЭС было признано, что придание конфузорности напорным водосбросам не обязательно (рис. 1-14,3). Однако до сих пор диффузорные напорные водосбросы применения не нашли. Для той же ГЭС рассматривался вариант водосброса без верхнего перекрытия за ключевым сечением (полунапорный водосброс).
Б. Е. Никитиным (МЭИ) под руководством автора запроектировано здание ГЭС с напорными водосбросами, переходящими в ключевом сечении в полку с обратным уклоном (рис. 1-14,4). Напор водосбросов по сравнению со статическим напором удалось повысить на 150% (!), что проверено экспериментально на модели турбинного блока в МЭИ.
Здания ГЭС с напорными водосбросами под турбинной камерой были запроектированы также для Каменской ГЭС на р. Оби. Вариант двухагрегатного блока с турбинами различного направления вращения рассматривали при проектировании Саратовской ГЭС (рис. 1-1).
Рис. 1-18. Совмещенное с водосбросами здание Асуанской ГЭС.
Схема здания ГЭС с водосбросами под турбинной камерой использована на Асуанской ГЭС [130]. Напорные водосбросы (по одному на каждый блок) питаются из напорного туннеля, подающего воду одновременно к двум блокам здания ГЭС (рис. 1-18). Напор на Асуанской ГЭС равен 74 м, что примерно в 3 раза превышает напоры совмещен ных ГЭС на Волге, Оби или Днепре. Вместо плоских затворов, которые приняты для ГЭС, построенных в Советском Союзе, применяются сегментные затворы с механизмом, обеспечивающим прижатие затвора по контуру отверстия водосброса. В отличие от других ГЭС с напорными водосбросами на Асуанской ГЭС осуществлен свободный отброс струи.
Три ГЭС с водосбросами под турбинной камерой запроектированы в составе каскада на р. Ваг в Чехословакии (1955 г.): Хричев, Микшова и Поважска Быстрица (рис. 1-19).
Предполагается построить совмещенные ГЭС с напорными водосбросами под турбинной камерой на некоторых ирригационных каналах Индии, в том числе ГЭС Кози (Н=6,1 м, А=20 МВт, Q=210 м3/сек) [336].
Рис. 1-19. Здание ГЭС Поважска Быстрица (проект, 3X16,5 МВт). Затвор водосбросов обратный сегментный с гидроподъемником.
Водосбросы над турбинной камерой, в обход турбинной шахты или вала агрегата (рис. 1-14, 5—9). Водосбросы расположены под машинным залом. Они могут быть выполнены в виде водосливов (с надводосливным машинным залом), напорных или же полунапорных водосбросов.
Выполненной по этой схеме первой водосливной ГЭС является ГЭС Кембс (1932 г., Франция, 6 агрегатов по 25 МВт) [330, 335], послужившая прототипом для разрабатывавшихся в СССР в 30-х годах водосливных ГЭС [72, 12, 87, 140].
Близка к ГЭС Кембс по компоновке начавшаяся эксплуатироваться в 1952 г. ГЭС Отмарсхейм (4 агрегата по 35 Мет), расположенная в 14,5 км ниже Кембс [219, 335]. Водосбросы вначале напорные, переходят затем в водослив (рис. 1-14,9). Предназначены они для пропуска 1 200 м3/сек воды при неработающих или частично работающих турбинах.
Водосливная ГЭС с надводосливным машинным залом, с валом турбины внутри бычков имеется в США (р. Кентукки) [78].
В Советском Союзе имеются две ГЭС с напорными водосбросами в обход турбинной шахты Иркутская (рис. 1-14,7) и Дубоссарская.
На Дубоссарской ГЭС расход водосбросов в 8 раз больше расхода турбин. Это обстоятельство требовало отнестись при гидравлических исследованиях запроектированного сооружения особенно внимательно к условиям работы водоприемника. Но из-за недостаточной изученности условий водоприема было принято неудачное решение. При сбросе паводка через здание ГЭС перед сороудерживающими решетками образуется мощный восходящий поток, что вызывает потери напора в водоприемнике, превосходящие увеличение напора за счет эжекции [223]. Под действием восходящего тока имелись случаи подъема решеток.
Водосбросы между генераторами (рис. 1-14, 10,11). Варианты здания с водосбросами между генераторами были предложены и изучались при проектировании Куйбышевского гидроузла [65]. Поскольку достичь нужной пропускной способности здания ГЭС не удалось, эта схема не нашла применения.
Водослив практического профиля или с широким порогом над машинным залом или над агрегатом (рис. 1-14,12, 16 17). По данным С. А. Егорова [96], первая установка с размещением гидротурбины (турбонасосного агрегата) в теле водослива построена в 1913 г. (гидроустановка Муффат). Первой водосливной ГЭС с капсульными агрегатами в литературе называют ГЭС Росцин (2X195 кВт) на р. Парсента в Польше (1935—1936 гг.).
Таблица 1-3
Водосливные ГЭС СССР
Вертикальные агрегаты
Горизонтальные агрегаты
Примечание. Для вертикальных агрегатов: h — высота отсасывающей трубы; для горизонтальны агрегатов; l — длина отсасывающей трубы, отсчитываемая от оси поворота лопастей рабочего колеса, НГр— напор на гребне водослива, b — ширина в свету водосливного пролёта. Остальные обозначения те же что и в табл. 1-2.
В 1938 г. сдана в эксплуатацию ГЭС Штейнбах на р. Иллер (ФРГ) с четырьмя прямоточными агрегатами по 1 840 кет [49, 335].
В последующем до 1951 г. на реках Иллер и Лех (ФРГ) и р. Заах (Австрия) построено еще 14 подобных водосливных ГЭС. Их общая установленная мощность вместе с ГЭС Штейнбах достигла 90,5 МВт 73 агрегата) [49].
Крупные водосливные ГЭС с машинными залами под водосливом впервые появились в Советском Союзе. По проекту, разработанному под руководством Б. А. Александрова, построена Камская ГЭС (Nагp=21 МВт), давшая промышленный ток в 1954 г. (рис. 1-14, 16). За Камской ГЭС последовало строительство ряда других крупных водосливных ГЭС с вертикальными агрегатами (табл. 1-3).
Варианты водосливных ГЭС с вертикальными агрегатами разрабатывались для Рыбинской, Куйбышевской [12, 72], Камышинской [12], для каскада ГЭС на р. Днестре [103] и других ГЭС.
Горизонтальный агрегат в СССР впервые установлен в одном из блоков Камской водосливной ГЭС (прямоточный гидроагрегат с генератором, вынесенным в шахту) [65, 204, 275].
В результате проведенной в Гидропроекте работы по типизации и унификации зданий ГЭС установлено, что водосливные русловые здания ГЭС с горизонтальными капсульными агрегатами более экономичны, чем с вертикальными агрегатами как водосливные, так и с напорными водосбросами. Однако вследствие малого махового момента капсульных агрегатов, снижающего устойчивость работы ГЭС в системе при резких изменениях нагрузки, окончательного решения о преимущественном применении капсульных агрегатов не принято. Мощность одного капсульного агрегата достигает на Киевской ГЭС 17,5 МВт при D1=6,0 м; на Череповецкой ГЭС — 20 МВт при D1= 5,5 м. Опытные агрегаты на Саратовской ГЭС будут иметь мощность 45 МВт при D1=7,5 м.
Всего согласно проработкам Гидропроекта в СССР в ближайшие годы предполагается строительство более 35 водосливных ГЭС, что делает вопрос применения мощных капсульных агрегатов весьма актуальным. Как следует из этих проработок, при напорах от 11 до 20 м и сбросных расходах обеспеченностью 0,01%, изменяющихся в пределах от 5000 до 71 000 м/сек, при мощности ГЭС от 100 до 1 620 МВт водосливные ГЭС с широким порогом и горизонтальными капсульными агрегатами дают по сравнению с имеющими вертикальные агрегаты снижение стоимости сооружений на 10—15%. Мощность, развиваемая капсульным агрегатом, на 20—30% больше мощности вертикального агрегата с тем же диаметром колеса, что позволяет соответственно сократить фронт здания ГЭС.
На рис. 1-20 изображен отвечающий современным требованиям турбинный блок крупной водосливной ГЭС с капсульными агрегатами [156]. При напоре на водосливе 10,8 м удается достичь на 1 м длины здания ГЭС удельного суммарного расхода 77 м3/сек. Предложен и ряд других решений водосливных ГЭС с горизонтальными агрегатами, иногда имеющих ту же исходную схему (рис. 1-21) [303], иногда оригинальных.
Рис. 1-21. Водосливная ГЭС с капсульными агрегатами (/7=15 м, Naгр= 20 МВт= 5,5 м). Применены арочные железобетонные затворы и полукруглые решетки (проект).
При напорах от 20 до 50 м и сбросных расходах обеспеченностью 0,01% до 42 000 м3/сек целесообразно возведение (на скальных и полускальных основаниях) водосливных ГЭС с высоким машинным залом и сороудерживающими решетками, несколько вынесенными вперед (рис. 1-22) Примерно так решена русловая Плявиньская ГЭС на Даугаве (рис. 1-23). Гидравлической особенностью этой ГЭС по сравнению с другими отечественными водосливными гидроэлектростанциями является сброс с водослива свободной струи.
1). Недостаточно развитый носок водослива не обеспечит отброс струи за наклонный участок водобоя и приведет к уменьшению напора турбины (см. § 2-6
Рис. 1-22. Проект современной водосливной ГЭС при напоре 20—50 м.
Таблица 1-4
Здания ГЭС с консольными водосливами
* Дополнительный агрегат, для которого водохранилище, создаваемое плотиной Бор, является нижним бьефом [219].
- По данным проектного задания 1956 г.
2 А-Г — арочно-гравитационная; А — арочная; Г —гравитационная.
Для узких створов может оказаться выгодным использовать схему встроенной водосливной ГЭС, как это имеет место, например, на ГЭС Шаньюцзян (1957 г., 4X15 МВт, КНР) [166], а при большем числе агрегатов их можно располагать в несколько рядов и ярусов (рис. 1-11, 1-12).
Консольный водосброс над высоким машинным залом (табл. 1-4 и рис. 1-14,13) находит применение на приплотинных ГЭС с гравитационными, арочно-гравитационными и арочными плотинами (рис. 1-24—1-26) при напорах, превышающих 40—50 м. Профиль консольного водослива может быть любого очертания (с оголовком практического профиля, в виде широкого порога, с консолью, имеющей в конце прямой или обратный уклон, без развитой консоли), причем в начале водослив иногда может иметь напорный участок.
Для ГЭС рассматриваемого типа (приплотинных или встроенных) характерен отброс струи и высокий машинный зал. Поэтому ГЭС Ова- Спин (рис. 1-26,6) должна быть отнесена к ГЭС с консольными водосбросами, хотя она и не имеет собственно консоли1. Обращаем внимание на то, что ГЭС Ова-Спин по существу является деривационной, у которой гидроэлектростанция совмещена с арочной плотиной, создающей водохранилище последующей ступени каскада и являющейся нижним бьефом данной ГЭС.
Здание Княжегубской ГЭС первоначально было запроектировано с консольным водосбросом. Ее строительство началось в 1951 г., в процессе строительства, в 1955 г., от устройства консольного водосброса отказались. ГЭС Наглу в Афганистане (рис. 1-25,г), а также ГЭС на р. Синьаньцзян (КНР) [166, 204] построены с консольным водосбросом. Под консольным водосбросом расположен машинный зал гидроузла Пель (ГДР), в котором установлен агрегат собственных нужд мощностью 3 МВт.
Особенностью ГЭС Шастан (Франция) является полунапорный консольный водосброс. На ГЭС Жениссиа (Франция) сброс воды через здание ГЭС предусматривается только при чрезвычайных паводках, причем вода переливается через проезжую часть плотины и затем через перекрытие машинного зала.
Особенностью здания ГЭС Ивайловград (Болгария) [342] является наличие консольного водосброса над высоким машинным залом и двух водосливных пролетов (по одному с каждой стороны здания ГЭС) с носком для свободного отброса струи.
Рис. 1-25. ГЭС с машинными залами, расположенными под консольными водосбросами гравитационных плотин. а— Пель; б — Синьаньцзян; в — Ивайловград; г — Наглу; д — Слапы.
Исходя из основной гидравлической особенности — свободного отброса струи —сюда же можно отнести Плявиньскую ГЭС. Однако как русловая ГЭС она не удовлетворяет основному конструктивному признаку зданий с консольными водосбросами, являющихся приплотинными.
ГЭС Монтейнар (Франция) в отличие от всех других рассмотренных здесь ГЭС с консольными водосбросами является не приплотинной, а встроенной. Кроме консольного водослива она имеет водоспуски (2 0 2,5 м, длина каждого 37 м) с суммарной пропускной способностью 320 м/сек. Ниже отсасывающей трубы расположена галерея для пропуска строительных расходов [50].
Наконец, нельзя не упомянуть о последних проектных проработках строящейся в СССР крупнейшей в мире Саянской ГЭС с установленной мощностью более 6 млн. кВт при расчетном напоре 221,9 м. Паводок предполагается сбрасывать через консольные водосбросы (центральный или два боковых), частично расположенные над зданием ГЭС. Для включения водосбросов в работу до полного наполнения водохранилища они запроектированы полунапорными, с заглубленными входными отверстиями (рис. 1-26, в).
Водослив, переходящий над машинным залом в быстроток, плавно сопрягающийся с дном отводящего русла (рис. 1-14,14). Данная схема совмещения впервые была принята на испанской водосливной ГЭС Салиме [177] (1955 г., 4X36,8 МВт). Здание ГЭС расположено за гравитационно-арочной плотиной высотой 131,5 м. Водослив переходит над зданием ГЭС в быстроток, плавно сопрягающийся с дном водобойного колодца. Из отсасывающих труб поток поступает в поперечный канал, а затем через туннель сбрасывается в нижний бьеф за стенкой водобойного колодца.
Аналогичная схема совмещения использована на японской ГЭС Хатанаги № 1 (ΣN=85 МВт). Плотина контрфорсная, с полыми и одиночными контрфорсами высотой до 125 м [76].
Сифонные водосбросы (рис. 1-14, 8, 15).
Идея совмещения здания ГЭС и сифонных водосбросов выдвинута в 30-х годах инженером М. Виигом при проектировании ГЭС Рибург-Шверштадт (Германия). Водосброс, проходящий над горизонтальным патрубком отсасывающей трубы в форме сифона, предполагалось разместить под турбинной камерой [87, 96]. В 1945 г. Π. И. Лаупман [144] предложил здание ГЭС с горизонтальной прямоточной турбиной и вынесенным генератором совместить с сифонным водосбросом, расположенным над высоким машинным залом (рис. 1-14,75). В зависимости от высотного положения гребня сифон может быть самозаряжающимся или заряжающимся при помощи вакуумной установки, с клапанным затвором на гребне (гребень ниже НПУ). Затвор на гребне сифона нужен при удельных расходах, превышающих 35 м3/сек на 1 м гребня, поскольку для достижения такого или большего расхода требуется развить высоту ключевого сечения, что во избежание превышения предельного значения вакуума в ключевом сечении возможно лишь за счет понижения гребня. Предложение Π. П. Лаупмана опередило технические возможности турбостроения, поскольку изготовление мощной горизонтальной прямоточной турбины в то время еще не было возможным. Позже Π. П. Лаупман предложил располагать сифонные водосбросы над турбинной камерой, в обхват вертикального вала агрегата (рис. 1-14,8).
Водосброс, совмещенный с турбинной камерой (рис. 1-14, 18—21).
По имеющимся данным [96], использование турбинной камеры для пропуска сбросных расходов было предусмотрено на ГЭС, построенной еще в 1885—1898 гг. (Германия, ГЭС Рейнфельден, 20X6,0 МВт), которая, по-видимому, является первой совмещенной ГЭС. Совмещением преследовалась одна цель — сокращение водосбросного фронта, поскольку возможность эжекции в то время еще не была открыта.
В настоящее время имеется несколько ГЭС с пропуском расхода через турбинную камеру. На рис. 1-14,75 представлена Домановская ГЭС (БССР, Н — 2,5 м, 3X100 кВт, Qarp=15 м3/сек). Натурными испытаниями установлено, что при изменении QB/QT в пределах 1,39—2,52 увеличение мощности за счет эжекции достигает 9—22% [281]. Достичь
сбросного расхода, существенно превышающего расход турбины, при допустимом падении мощности агрегата удается вследствие значительной площади поперечного сечения камеры. При Qb/Qt≥5 потери напора в камере становятся больше увеличения напора за счет эжекции. Наличие направляющего аппарата перед водосливом уменьшает коэффициент расхода водослива камеры на 5—6%.
Рис. 1-27. ГЭС Сант-Панталеон с. холостым выпуском спиральной камеры, использующимся как водосброс (План — см. на рис. 1-14, 21).
На рис. 1-27 приведен разрез ГЭС Сант-Панталеон (Австрия, 2χ Х25 МВт) с поворотнолопастными турбинами (D1 = 4,6 м). При расчетном напоре 20,3 м расход турбины равен 140 м3/сек [314]. Спиральная камера имеет холостой выпуск, пропускающий расход от 140 до 177 м3/сек и являющийся водосбросом, предохраняющим от переполнения подводящий канал при внезапной остановке турбин. Холостой выпуск выполнен диффузорным с выходным сечением 3,5X2,5 м. Исследования на модели показали, что наличие неработающего холостого выпуска при нагрузке турбины, равной 50—100% от полной, приводит к снижению к. п. д. турбины всего на 0,1—0,05%, что лежит в пределах точности измерений. Лишь при напоре, равном 0,75 от расчетного, наблюдается снижение к. п. д. на 0,4%.
Расширение выпуска в плане и устройство за выходным отверстием трамплина создали благоприятный режим нижнего бьефа и способствовали эжекции. При несимметричной работе выпусков в нижнем бьефе образовывалась зона обратных течений, оказывающих интенсивное воздействие на берега. Установка на модели сопрягающих открылков не дала ожидаемого эффекта. Избежать возвратных течений удалось путем придания дну водосброса на выходе из него поперечного уклона, обеспечивающего веерообразное растекание струи на всю ширину нижнего бьефа.
Исследования спиральной камеры с отверстием в сторону нижнего бьефа производились в Австрии также для ГЭС Герляххаузен1 (рис. 1-28).
Пропуск сбросного расхода через турбинные камеры рассматривался в 1955—1956 гг. в нескольких вариантах проекта Саратовской ГЭС.
1 Как и на ГЭС Сант-Панталеон отверстие в спиральной камере не является холостым выпуском, обычно применяющимся для ограничения давлений в длинном напорном трубопроводе.
В низовой стенке прямоугольной турбинной камеры предусматривалось устройство отверстия (рис. 1-14,20) для сброса воды в нижний бьеф через короткий напорный водосброс. Отверстие в стенке камеры перекрывается вертикальными жалюзи, отверстие водосброса — плоским затвором.
Рис. 1-28. Варианты исследованной спиральной камеры ГЭС Герляххаузен с отверстием в ее стенке. Пропускная способность отверстия 50 м3/сек.
Прямоугольная камера шириной, равной 47%, с тремя отверстиями в низовой стенке, перекрываемыми плоскими затворами, рассматривалась в варианте Саратовской ГЭС с раструбной отсасывающей трубой (рис. 1-14,24). При открытых отверстиях на модели зафиксирована значительная неравномерность распределения давления по длине камеры, достигающая 3 м вод. ст. (при закрытых отверстиях она составляла лишь 0,3 м вод. ст.), и резкое ухудшение энергетической характеристики турбины [272], При напоре, равном 8 м, открытие водосбросных отверстий турбинной камеры приводило к падению мощности турбины с 27 000 до 1 500 кВт (приведено к натуре). По-видимому, сброс через турбинные камеры при столь отрицательном его влиянии на мощность турбины целесообразен лишь на низконапорных ГЭС, где при многоводных паводках неизбежна остановка агрегатов вследствие падения напора.
При модельных испытаниях установлено также, что в углах прямоугольной турбинной камеры при закрытых водосбросных отверстиях образуются застойные зоны и неустойчивая зона у торцевой стенки за направляющим аппаратом. Устройство выгородок в углах камеры и плавно очерченного зуба (при угле охвата 90°) привело к исчезновению застойных и неустойчивых зон и повысило к. п. д. турбины на 1%.
Водосбросы, выведенные в отсасывающую трубу (рис.1-14 , 23, 24).
Первые попытки увеличить напор турбины в паводок путем подвода воды в отсасывающую трубу были сделаны в целях эжекции. Относятся они к началу этого века [193, 330]. Создавались или эжекторные турбины, или установки с подводом воды в колено или в диффузор отсасывающей трубы.
Первые сведения об удачном использовании эжекции в колено отсасывающей трубы относятся к 1911 г. На ГЭС Глейнштадтен (Германия) в паводок напор падал до 25% от нормального, что приводило к снижению мощности до нуля. За счет эжекции удалось получить мощность, составляющую 17% от нормальной [193].
В 1928 г. вносится предложение о подаче воды в отсасывающую трубу через сопло, выведенное в ее колено (насадок Фримана)*. В 30-х годах в США было построено несколько крупных для того времени ГЭС с эжекцией в отсасывающую трубу: Алкона (2X4 МВт), Хаденпайл (2X9 МВт), Блэк-Ривер (2X8 МВт) и др. [193, 341].
Эжекторные турбины и здания ГЭС с подводом воды в отсасывающие трубы для восстановления мощности агрегатов в паводок не оправдывались экономически, поскольку малая дополнительная пропускная способность гидроэлектростанции исключала возможность сокращения длины водосбросного фронта гидроузла или использования водоводов, выведенных в отсасывающую трубу, для пропуска строительных расходов.
Рис. 1-29. Вариант турбинного блока Куйбышевской ГЭС с водосбросами, выведенными в боковые стенки колена отсасывающей трубы.
В Советском Союзе возможность пропуска расхода через отсасывающие трубы в целях эжекции, сокращения водосбросного фронта гидроузла и пропуска строительных расходов изучалось при проектировании крупных ГЭС на Волге (табл. 1-5). На Куйбышевской ГЭС в створе Самарской Луки предполагалось осуществить пропуск воды в паводок через водосброс, выведенный в колено отсасывающей трубы. Эта же схема исследовалась при проектировании Волжской ГЭС имени В. И. Ленина и Саратовской ГЭС. При устройстве отверстий в боковых стенках колена отсасывающей трубы (рис. 1-29) предполагалось во избежание нарушения обычных форм отсасывающей трубы перекрывать эти отверстия плоскими затворами типа шлюзных ворот. Для закрытия отверстия в колене отсасывающей трубы возможно применение сегментного, секторного или клапанного затвора. При перекрытии плоским затвором только входного отверстия водовода, выведенного в колено отсасывающей трубы, форма колена нарушается примыкающим к нему «карманом» (рис. 1-30). По данным исследований НИС Гидропроекта, проведенных на модели с рабочим колесом D1 = 450 мм, при нормальной эксплуатации турбины ее к. п. д. снижается на 0,3—0,8%, пропускная способность турбины — на 2,5%, мощность — на 1,5—3,5% [101]. По данным ЛПИ при углах установки лопастей рабочего колеса φ=+10=+20° (D1=350 мм) наличие «кармана» снижает к.п.д. примерно па 2% [192].
В СССР построено несколько небольших ГЭС с водосбросами, выведенными в отсасывающую трубу, например Лужская ГЭС (Ленинградская область, 1956 г., 3x270 кВт), в которой за счет использования отсасывающей трубы для пропуска расходов в паводок удалось отказаться от других водосбросных сооружений (рис. 1-14,23) [155], Шильская ГЭС (Псковская область, 1958 г., 2X475 кВт). На Шильской ГЭС при отсутствии сброса воды через отсасывающую трубу из-за отрицательного влияния отверстий в колене трубы наблюдается снижение к. п. д. агрегата на 1 —1,5%; при сбросе имеет место эффект эжекции.
1 Пропуск сбросного расхода через сопло в колено отсасывающей трубы изучался применительно к ГЭС Кембс [330, 96].
Водосбросы, выведенные в камеру отсасывающей трубы (рис. 1-14,22).
Эта схема предложена С. А. Егоровым применительно к малым ГЭС [97]. Была попытка использовать эту схему на Саратовской ГЭС в варианте с раструбной отсасывающей трубой (рис. 1-14,24 и 1-33). При D1=10 м значительные размеры раструба вызвали затруднения в придании ему надлежащей прочности и жесткости, что послужило причиной отказа от такого варианта.
Рис. 1-30. Вариант здания Саратовской ГЭС с напорными водосбросами под турбинной камерой и водосбросами, выведенными в колено отсасывающей трубы (1957 г.). Двухагрегатный турбинный блок с турбинами встречного вращения (см. рис. 1-1,б) (H= 3,7=16,0 м, 18Х55,6 МВт, D1=10 м).
Таблица 1-5
Здания ГЭС с водосбросами, выведенными в отсасывающую трубу
Водосбросы между турбинными блоками (рис. 1-14,25 и 26).
В 1905 г. на ГЭС Шеврокой (Швейцария) в натурных условиях был поставлен эксперимент для определения влияния отгона прыжка за водосбросными пролетами на напор турбин, установленных в блоках между водосливами, т. е. по схеме бычковой ГЭС. Турбинные блоки имитировались пролетами плотины с частично закрытыми отверстиями [96]. Была установлена возможность при Qb/Qt = 9,6 и статическом напоре 4,53 м по высить напор турбин на 37,9%. Проведенные в том же году на р. Арве аналогичные исследования на опытной установке (без турбин) подтвердили эффективность эжекции при размещении турбинных блоков между пролетами водосливной плотины.
Таким образом, схема бычковой ГЭС предложена и опробована более полувека назад. Однако строительство бычковых ГЭС началось лишь в 1941 г. в верхнем течении р. Дравы. В настоящее время каскад бычковых ГЭС на этой реке состоит из шести ГЭС [250, 167] (табл. 1-6).
В Советском Союзе построена одна бычковая ГЭС — Орточальская на р. Куре с напором 8—11 м. Три турбины размещены в блоках шириной 13 м каждый. Ширина пролетов плотины — 14 м. Первоначально на этой ГЭС были установлены горизонтальные прямоточные агрегаты, которые вследствие их неудовлетворительной работы (из-за большого количества наносов) заменены вертикальными. Проекты бычковых ГЭС разрабатывались также для гидроузлов на р. Дон, для Нижне-Волжской и других ГЭС.
Бычковые ГЭС
Таблица 1-6
Рис. 1-31. Башенная ГЭС. Водослив расположен над отсасывающей трубой (проект). 1 — сороудерживающая решетка; 2 — быки водослива.
Бычковая ГЭС Аржанта на р. Дордонь (Франция) имеет три горизонтальных опытных агрегата: один — с низовой капсулой, второй — с генератором, вынесенным в шахты (оба агрегата мощностью по 14,4 МВт), и третий, мощностью 3 МВт, для работы в качестве компенсатора [49].
К бычковым может быть отнесена ГЭС Митчелл (США, 4х19 Мет), построенная в 20-х годах [96, 341, 331]. На этой ГЭС за счет совмещения достигнуто сокращение фронта бетонных сооружений на 1/3 и увеличение напора в паводок за счет эжекции на 10—15%. По компоновке с ГЭС Митчелл несколько схожа предложенная Η. М. Иванцовым так называемая башенная ГЭС [104], представленная на рис. 1-31. Лабораторные исследования показывают, что пропускная способность блока лимитируется не сечением между башнями агрегатов, а водосливом.
Крупнейшей бычковой ГЭС является ГЭС Уэллс (США, 820 Мет). В каждом из десяти турбинных блоков установлен агрегат с поворотнолопастной турбиной (D1= 7,4 м). Водосливы между турбинными блоками имеют практический профиль. Ширина отверстий в свету 14 м, напор над гребнем 20 м (сдвоенные плоские затворы). При сбросе паводка наблюдается увеличение мощности за счет эжекции [338].
Напорные водосбросы между турбинными блоками
Напорные водосбросы между турбинными блоками (рис. 1-14, 28) имеет Головная ГЭС на р. Вахше (D1= 3,7 м). Входные и выходные отверстия водосбросов расположены у дна подводящего и отводящего русл, сечение водосбросов 4χ5 м. Набор изменяется в пределах 22— 32 м. Донные водосбросы обеспечивают сброс паводка и транзит наносов через гидроузел (количество взвешенных наносов на 1 м фронта гидроузла достигает 0,506 млн. т в год).
В 30-х годах в Гидропроекте при проектировании Нижне-Уфимской ГЭС изучалась возможность расположения быстротока («водослива — эжектора») между турбинными блоками с отверстиями отсасывающих труб, находящимися в области отгона прыжка в конце быстротока (рис. 1-14,27) [239]. Такая схема обеспечивает значительный эффект эжекции.
