Гидроэнергетика СССР - Гидротурбины

Глава семнадцатая
ОСНОВНОЕ ГИДРОСИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

1. Гидротурбины

Общие положения

Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки, создания и эксплуатации гидросилового оборудования показывает, что гидромашиностроение развивается в соответствии с определенными тенденциями. Главными из них являются:
повышение быстроходности гидротурбин всех систем и их продвижение в области более высоких напоров, что позволяет уменьшить габариты агрегата и увеличить частоту вращения;
постоянное совершенствование энергетических и кавитационных качеств гидромашин и их конструктивного исполнения;
разработка и создание новых, более прогрессивных типов гидромашин, в том числе обратимых, диагональных, горизонтальных капсульных;
предельное увеличение единичной мощности агрегатов для сверхмощных гидроэлектростанций;
дальнейшее улучшение технологии изготовления, повышение надежности и долговечности оборудования.

Рис. 17.1. Суммарная и единичная мощности изготовленных гидротурбин.
1 — Риони ГЭС; 2 — Иваньковская ГЭС; 3 — Угличская ГЭС; 4 — Днепрогэс; 5 — Усть-Каменогорская* ГЭС; 6 — Волжские ГЭС; 7 — Братская ГЭС; 8 — Красноярская ГЭС; 9 — Саяно-Шушенская ГЭС.

Отечественное гидротурбостроение особенно значительных успехов достигло в последнее десятилетие. Ведущая роль в создании и развитии гидротурбин принадлежит производственному объединению турбостроения «Ленинградский металлический завод» имени XXII съезда КПСС (ЛМЗ). Серьезных успехов достигло ныне и производственное объединение атомного турбостроения «Харьковский турбинный завод» имени С. М. Кирова (ХТЗ), который вначале выпускал гидротурбины по чертежам ЛМЗ. а затем стал изготовлять гидротурбины собственной конструкции. Эти два завода практически обеспечивают потребности в гидротурбинном оборудовании всех гидроэлектростанций Советского Союза. причем весьма характерным является непрерывный рост количества изготавливаемых гидротурбин и значительное увеличение их единичной мощности (рис. 17.1).
В последнее время нашими заводами поставляются гидротурбины на экспорт во многие страны мира, в том числе в Канаду. Бразилию. Финляндию. Норвегию. Грецию. Исландию. Индию и другие страны.
Глубокая теоретическая разработка, комплекс лабораторных и натурных исследований, обобщение опыта эксплуатации машин дало возможность разработать на научной основе номенклатуру крупных реактивных гидротурбин, «покрывающих» весь рабочий диапазон напоров и мощностей. Номенклатура охватывает крупные поворотнолопастные и радиально-осевые гидротурбины вертикального исполнения с диаметрами рабочих колес 250—1050 см для поворотнолопастных и 180—850 см для радиально-осевых турбин. Номенклатура не только фиксирует достигнутый уровень, но и определяет направление дальнейшего развития исследований по созданию рабочих колес с более высокими техническими параметрами и характеристиками.
Каждой системе гидротурбин соответствует своя область оптимальных напоров. В СССР считается оптимальным следующее распределение по напорам:
до 20 м — область осевых горизонтальных гидротурбин (поворотнолопастных и пропеллерных);
до 80 м — область осевых вертикальных гидротурбин (поворотнолопастных и пропеллерных);
от 40 до 150 м — область диагональных гидротурбин (поворотнолопастных и проллерных);
от 45 до 600 м — область радиально-осевых гидротурбин;
свыше 500 м — область ковшовых гидротурбин.

Горизонтальные капсульные гидротурбины

Широкое применение в СССР нашли горизонтальные капсульные гидротурбины. Их основное преимущество перед вертикальными — возможность в условиях низконапорных ГЭС размещения агрегатов в теле водослива без значительного заглубления, что существенно снижает стоимость строительства гидроэлектростанции. Кроме того, благодаря осевому потоку и благоприятным формам проточной части горизонтальные капсульные гидротурбины по сравнению с вертикальными имеют большую пропускную способность и соответственно большую, примерно на 20—25%, мощность, а также меньшие габариты турбинного блока. В СССР успешно эксплуатируются более 50 капсульных гидроагрегатов мощностью 17,5—20 МВт с диаметром рабочею колеса гидротурбины 5,5—6 м (Киевская, Каневская, Череповецкая, Перепадные ГЭС). На Саратовской ГЭС установлены и эксплуатируются два опытных горизонтальных капсульных гидроагрегата, изготовленных заводами ЛМЗ и «Электросила», являющихся самыми крупными в мире агрегатами такого типа. Диаметр рабочего колеса этой гидротурбины 7,5 м, при расчетном напоре 10,6 м агрегат развивает мощность 45 МВт. В настоящее время агрегаты такого типоразмера поставлены на ГЭС Дженпег в Канаде, предполагается их установка на Дунайских ГЭС Джердап II—Железные Ворота II, Надьмарош, Никопол — Турну Мигуреле (Югославия, Румыния, Венгрия, Болгария).

Таблица 17.1. Горизонтальные капсульные гидротурбины

В табл. 17.1 приведены основные параметры крупных горизонтальных капсульных гидротурбин, изготовленных советскими заводами и некоторыми зарубежными фирмами. Анализ приведенных данных показывает значительные успехи наших заводов в производстве таких гидроагрегатов.

Рис. 17.2. Разрез по агрегату ГЭС Джердап — Железные Ворота.
Таблицa 17.2. Поворотнолопастные гидротурбины большой мощности и габаритов

Поворотнолопастные осевые гидротурбины

Важной вехой отечественного гидротурбостроения в послевоенные годы явилось создание поворотнолопастных гидротурбин рекордной в то время мощности для Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС. Эти агрегаты при напоре 19 м развивают мощность 118 МВт, а при напоре 22,5 м—126 МВт; диаметр рабочего колеса турбины равен 9,3 м. Успешное создание таких турбин было отмечено на V Мировой энергетической конференции в Вене (1956 г.) как высшее достижение мирового гидротурбостроения. Совершенствование гидротурбин этого типа позволило ЛМЗ создать гидротурбины мощностью 178 МВт на напор 27 м с диаметром рабочего колеса 9,5 м (рис. 17.2) для ГЭС Джердап — Железные Ворота (Югославия — Румыния). Это самая мощная в мире гидротурбина поворотнолопастного типа. Самыми крупными в мире (по габаритам) поворотнолопастными гидротурбинами с весьма быстроходными рабочими колесами (приведенный расход составляет 1900—2150 л/с, что значительно превышает параметры аналогичных зарубежных турбин) являются гидротурбины, установленные на Саратовской ГЭС.
Как видно из табл. 17.2, отечественные поворотнолопастные гидротурбины осевого типа превосходят по своим параметрам зарубежные.

Рис. 17.3. Разрез по агрегату Зейской ГЭС.

Диагональные гидротурбины

Наряду с низконапорными гидроэлектростанциями поворотнолопастные гидротурбины широко внедряются и на ГЭС с более высокими напорами. Преимущество таких машин, имеющих двойное регулирование, по сравнению с радиально-осевыми заключается в более высокой частоте вращения, пологой характеристике и более высоком среднеэксплуатационном к. п. д., в способности к более широкому регулированию по расходу и напору, что особенно важно для малоагрегатных гидроэлектростанций с большими колебаниями напоров и расходов и низкими пусковыми напорами. Однако при установке обычных осевых поворотнолопастных гидротурбин на более высокие напоры ухудшаются как их энергетические качества, так и кавитационные свойства вследствие возрастания диаметра втулки рабочего колеса. Исследования, проведенные в СССР за последние годы, показали, что продвижение гидротурбин двойного регулирования на более высокие напоры возможно за счет применения диагональных гидротурбин, в которых ось поворота лопастей располагается под острым углом к оси вращения рабочего колеса. Эти турбины обладают важным свойством сохранять высокий к. и. д. и устойчивый режим работы при значительных колебаниях напора и мощности. Такая опытная турбина установлена на Бухтарминской ГЭС, ее мощность 77,0 МВт, расчетный напор 65,5 м и диаметр рабочего колеса 4,35 м.

Таблица 17.3. Диагональные гидротурбины

Большой комплекс научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, выполненный в последние годы по разработке диагональных машин, завершился в 1976 г. пуском в эксплуатацию на Зейской ГЭС созданных ЛМЗ диагональных гидротурбин мощностью по 220 МВт при расчетном напоре 78,5 м, с диаметром рабочего колеса турбины 6,0 м (рис. 17.3 и табл. 17.3). Это в настоящее время самые мощные в мире диагональные гидротурбины. Опыт их эксплуатации показал, что они надежно работают как при частичных нагрузках, так и при малых напорах. Позднее Ленинградский металлический завод разработал для строящейся Колымской ГЭС диагональные гидротурбины, рассчитанные на еще больший напор — до 116 м (при пусковом напоре 40 м). Таким образом, по созданию мощных гидротурбин диагонального типа советские заводы также прочно держат лидирующее положение.

Пропеллерные гидротурбины

В отечественной практике пропеллерные гидротурбины, к сожалению, применяются редко. Однако на работающих в мощной энергосистеме низконапорных гидроэлектростанциях с большим числом агрегатов и незначительным колебанием напоров такие агрегаты должны давать существенные технико-экономические преимущества по сравнению с поворотнолопастными. Так, на Днепрогэс II вместо поворотнолопастных мощностью по 107 МВт установлены пропеллерные гидротурбины мощностью 115 МВт при расчетном напоре 34,3 м, с диаметром рабочего колеса 6,8 м. Напоры на Днепрогэс меняются мало — от 33 до 38,8 м, причем 90% времени электростанция работает при напорах 34—36 м. Благодаря отсутствию в пропеллерных гидротурбинах механизма разворота лопастей рабочего колеса диаметр втулки был уменьшен, что при сохранении диаметра рабочего колеса дало возможность увеличить расход через турбину, повысить ее номинальную мощность на 8 МВт, уменьшить массу гидротурбины на 70 т и довести к. и. д турбины до 95%.
Существенным преимуществом пропеллерных гидротурбин является также и то, что они не загрязняют воду протечками масла.

Радиально-осевые гидротурбины

Значительным прогрессом в развитии отечественного гидротурбостроения явилось создание ЛМЗ мощных радиально-осевых гидротурбин для Красноярской ГЭС (при расчетном напоре 93 м турбина Красноярской ГЭС развивает мощность 508 МВт).
Особенностью турбин Красноярской ГЭС является их высокая быстроходность, что позволило получить столь большую единичную мощность при номинальном диаметре рабочего колеса 7,5 м. Приведенный расход рабочего колеса этой турбины достигает 1170 л/с при приведенных скоростях 60—80 об/мин, что на 30% превышает принимавшиеся ранее расходы для подобного типа турбин. Рабочее колесо неразъемное, сварное, с 14 отлитыми в кокиль лопастями, имеющими наплавленное антикавитационное покрытие в опасных зонах. Наибольший диаметр рабочего колеса 8,65 м, высота 4,0 м, масса около 250 т. На строительство ГЭС рабочие колеса доставлялись из Ленинграда водным транспортом по Северному морскому пути и далее по Енисею.
ХТЗ для Нурекской ГЭС созданы высоконапорные гидротурбины мощностью по 310 МВт при расчетном напоре 230 м, для Ингурской ГЭС — мощностью по 265 МВт при расчетном напоре 325 м. Накопленный опыт позволил разработать еще более мощные гидроагрегаты для Саяно-Шушенской ГЭС, и Ленинградским металлическим заводом в настоящее время изготовлена для этой ГЭС сверхмощная гидротурбина радиально-осевого типа мощностью 650 МВт. Уникальность сооружения и оборудования потребовала выполнения большого комплекса научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию оптимальной проточной части и конструкции гидротурбинного оборудования, по отработке конструкций гидротурбинного блока и его элементов на моделях различных размеров. В результате была разработана быстроходная радиально-осевая гидротурбина с диаметром рабочего колеса 6,5 м, с очень высоким к. и. д. в оптимальной зоне — 95,6%, развивающая мощность 650 МВт при расчетном напоре 194 м (максимальный напор 220 м) и 720 МВт при напоре 202 м (рис. 17.4).
Рабочее колесо турбины сварно-литой конструкции: нижний обод и 16 лопастей штампуются из нержавеющей стали, верхний обод — литой. Перевозка рабочих колес осуществляется водным транспортом. Металлическая оболочка спиральной камеры выполняется из высокопрочной стали толщиной до 40 мм и рассчитывается на совместную работу с арматурой окружающего ее железобетона. Привод лопаток направляющего аппарата осуществляется индивидуальными сервомоторами, что помимо улучшения компоновки оборудования на крышке турбины обеспечивает повышение надежности работы турбины и большую плотность закрытия направляющего аппарата. Эта гидротурбина с так называемым штатным рабочим колесом начинает работать при минимальном напоре, равном 175 м. А для работы при более низких напорах, в том числе и пусковом напоре 60 м, первые турбины оснащаются временными рабочими колесами, приспособленными именно к такому диапазону напоров.
Впервые такая идея была реализована на Нурекской ГЭС, где на первых трех пусковых гидротурбинах приняты временные рабочие колеса, способные работать, начиная с напора 90 м и до напора 175 м, при котором возможен ввод в работу штатных колес, при этом мощность турбин возрастает от 85 до 240 МВт.

Рис. 17.4. Разрез по агрегату Саяно-Шушенской ГЭС.

Установка временных рабочих колес на Нурекской ГЭС потребовала сооружения временного водоподводящего тракта с водозабором, расположенным на 100 м ниже постоянных водоприемников. И тем не менее экономический эффект здесь весьма значительный (по данным дирекции Нурекской ГЭС — около 13 млн. руб.).
В табл. 17.4 приведены параметры некоторых крупных радиальноосевых гидротурбин, изготовленных отечественными и зарубежными заводами.

Таблицa 17.4. Радиально-осевые гидротурбины мощностью более 200 МВт

Серьезного внимания заслуживает предложение института «Гидропроект» и ХТЗ имени С. М. Кирова о совмещении функции гидротурбины и предтурбинного затвора в одной машине. В такой гидротурбине, технический проект которой разработан ХТЗ, между направляющим аппаратом и статором располагается цилиндрический затвор, опускаемый при закрытом направляющем аппарате и остановленной гидротурбине. В этом случае уплотнения направляющего аппарата разгружаются от действия напора, а кавитационные явления практически отсутствуют. Предполагается установка гидротурбины описанной конструкции на Рогунской ГЭС, мощность гидроагрегата 600 МВт, расчетный напор 245, максимальный 320, минимальный 200 м (пусковой напор 185 м; диаметр рабочего колеса турбины 6 м, а диаметр цилиндрического затвора 9,35 м). Для отработки надежной конструкции такой гидротурбины намечено создание опытной установки в условиях Зеленчукской ГЭС (максимальный напор 246,2 м, расчетный напор 234 м, мощность агрегата 80 МВт, диаметр рабочего колеса турбины 2 м). Аналогичная конструкция применена на ГЭС Утард-Ш (Канада), где установлено четыре гидроагрегата мощностью по 190 МВт с номинальным напором 145 м. Наружный диаметр цилиндрического затвора равен 6,6 м, привод осуществляется при помощи шести винтовых домкратов и масляных двигателей.
Харьковским турбинным заводом предложена и другая, более сложная конструкция гидротурбины1, совмещающая функции турбины и запорного органа, в которой перекрытие проходного сечения после направляющего аппарата осуществляется самим рабочим колесом радиально-осевого типа, имеющим на верхнем периферийном торце ступицы цилиндрический запорный гребень. Турбина имеет два вала — внутренний и наружный, вставленные аксиально один в другой. Рабочее колесо соединено с внутренним валом и опускается вниз при помощи сервомотора, перекрывая, таким образом, проходное сечение после направляющего аппарата. Такая конструкция впервые применена в Советском Союзе в качестве опытной на Жинвальской ГЭС. Мощность опытной гидротурбины 35 МВт, диаметр рабочего колеса 1,8 м, максимальный напор 166,5 м, расчетный напор 133 м.

1 А. с. 401819 (СССР). Радиально-осевая турбина/ В. К. Рубцов, Η. Н. Робук,
А. А. Меловцев и др. Опубл. в Б. И., 1973, № 41.

Ковшовые гидротурбины

Производство ковшовых гидротурбин в Советском Союзе вследствие малой потребности пока не достигло того уровня, который характерен для производства поворотнолопастных и радиально-осевых гидротурбин. Наиболее мощные гидротурбины такого типа изготовлены ЛМЗ для Татевской ГЭС. Это шестисопловые вертикальные турбины мощностью по 54,5 МВт, работающие при напоре 570 м. Рабочее колесо диаметром 1,86 м выполнено сварно-литым, состоящим из 20 ковшей и 2 ободьев. Максимальный гарантированный к. и. д. турбины 91,2%.
В настоящее время на ЛМЗ (ковшовые гидротурбины в СССР выпускает только ЛМЗ) разрабатываются значительно более мощные шестисопловые ковшовые гидротурбины для Зарамагской ГЭС. При расчетном напоре 620 м и диаметре рабочего колеса 3,28 м они будут развивать мощность 178 МВт при частоте вращения 300 об/мин.