Гидроэнергетика СССР - Высоконапорные глубинные затворы

Проектирование, изготовление и монтаж высоконапорных затворов водосбросных отверстий таких гидроэлектростанций, как Саяно-Шушенская, Усть-Илимская, Ингурская, Рогунская, представляло исключительно сложную техническую задачу, поскольку увеличение напоров (до 100—300 м и выше) повысило нагрузки на затворы до 100 000—150 000 кН, а с учетом значительных пропускаемых расходов воды приводит, кроме того, к большим поперечным сечениям глубинных водосбросов. В этих условиях конструкция высоконапорного глубинного затвора в значительной мере оказывает влияние на выбор как конструкций и компоновки сооружений, так и способов пропуска расходов воды в период строительства и эксплуатации.
За рубежом для перекрытия сравнительно небольших отверстий (диаметром до 3,0 м), как правило, применяют в качестве регулирующих конусные и игольчатые затворы, а в качестве аварийных — дисковые и шаровые. Наиболее распространенными основными затворами являются большегабаритные (площадь сечения более 20 м²) плоские и сегментные затворы, работающие при напорах до 120 м.
Из-за отсутствия технических решений и научных проработок для затворов указанных выше параметров, как в отечественной, так и зарубежной практике в проектах ряда отечественных ГЭС приходилось использовать многоярусные компоновки водосбросных сооружений, располагаемых по высоте обычно через 100—120 м (например, Нурекская ГЭС).  В результате проведения широкого комплекса расчетных, проектно-конструкторских и экспериментальных работ институтом «Гидропроект», СКВ «Мосгидросталь» и «Ленгидросталь», ВНИИГ были разработаны технические проекты следующих затворов:
плоского скользящего аварийно-ремонтного затвора на напор 200 м с площадью перекрываемого отверстия до 60 м². Для такого затвора возможно изготовление гидроподъемников на усилие 18 000 кН;
плоского скользящего затвора с сопровождающим кольцом на напор 180 м при диаметре отверстия 5 м (в настоящее время создан и установлен на водосбросах арочной плотины Ингурской ГЭС);
сегментного (со сферической напорной поверхностью) основного регулирующего затвора на напор 200 м и расход до 1000 м³/с, который может устанавливаться в середине водовода или в конце его на выходе.
Высокие напоры предъявляют особые требования к расположению глубинного затвора в сооружении, гидравлическим условиям, системе уплотнения, конструкции, условиям аэрации (с целью предупреждения возникновения кавитации и вибрации), а также к материалам, технологии изготовления, точности монтажа и условиям эксплуатации. Особенно возрастают эти требования для затворов, работающих при частичных открытиях отверстий для регулирования пропуска расходов воды.
Важной проблемой является также необходимость решения вопроса гашения избыточной кинетической энергии высокоскоростного потока за основным регулирующим затвором с целью исключения разрушительного воздействия его на строительную часть сооружения. Здесь должны быть найдены новые компоновочные решения высоконапорных водосбросных сооружений, которые позволили бы часть избыточной кинетической энергии потока гасить непосредственно за камерами затворов внутри туннеля, и эффективные средства борьбы с кавитационными разрушениями элементов водосбросного тракта. В настоящее время проводятся лабораторные исследования применительно, в первую очередь, к водосбросным сооружениям Рогунского гидроузла. Одним из решений, позволяющих существенно улучшить условия работы высоконапорных водосбросов, является использование водосбросного сооружения, работающего в условиях закрученного потока. В этом случае поверхности обделки вихревых водосбросов находятся в более благоприятных кавитационных условиях, чем это имеет место в обычных туннельных водосбросах, что обусловлено созданием избыточного давления за счет центробежных сил, возникающих при закрутке потока. Наиболее эффективное гашение высокоскоростного потока обеспечивается при соединении двух и более потоков, закрученных в одном направлении. Исследуются также схемы с соударением встречных потоков, с камерой гашения и др.
Большой интерес представляют плоские скользящие и катковые (гусеничные) затворы. На концевом участке строительного туннеля Чарвакской ГЭС установлены скользящие затворы 5,0X6,0X95 с опорами скольжения из ДСП-БГТ. Нагрузка на затвор при напоре 80 м составляет 27 500 кН. Каждый затвор обслуживается индивидуальным гидроподъемником с подъемной силой 3000 кН (с дожимом около 1000 кН). Посадка на порог осуществляется пригрузкой — давлением столба воды над затвором.
На рис. 18.2 показан плоский скользящий затвор, перекрывающий глубинное отверстие диаметром 4,35 м водосброса арочной плотины

Рис. 18.2 Основной плоский скользящий затвор, перекрывающий отверстие диаметром 4350 мм на водосбросе Ингурской ГЭС.
1 — обшивка; 2 — ригели; 3 — опорно-концевые стойки; 4 — основные опорные полозы; 5 — подвесное устройство; 6 — боковые полозы.

Ингурской ГЭС. Затвор предназначен для регулирования и пропуска расходов до 750 м³/с при напоре 181 м. полная нагрузка на затвор составляет 31 000 кН. Нож затвора имеет криволинейное очертание радиусом 2175 мм в плоскости Верховой обшивки, что обеспечивает такое формирование вытекающей из-под затвора струи, которое исключает попадание ее на низовую грань пазов.

На рис. 18.3 показан аварийно-ремонтный затвор с сопровождающим кольцом, установленный на выходе глубинных отверстий водосбросов арочной плотины Ингурской ГЭС. Затвор опускается в поток при максимальном напоре 181 м при главной нагрузке на затвор 35 480 кН. При нормальной работе водосброса затвор находится в поднятом положении и располагается таким образом, что ось сопровождающего кольца совмещается с осью водовода и уплотнения на кольце отключают камеры затвора от давления воды. Кроме того, указанное положение кольца при пропуске высокоскоростных расходов через водосбросы позволяет защитить опорные части затвора в пазах, а также значительно уменьшить вероятность кавитационной эрозии по сравнению с обычными незащищенными пазами. В опущенном положении затвор перекрывает отверстие водовода, а сопровождающее кольцо при этом опускается в нижнюю камеру корпуса. Уплотнения выполнены полиэтиленовыми, обладают деформативно-гидравлическим действием.
Основные и аварийно-ремонтные затворы Ингурской ГЭС обслуживаются гидроприводами с подъемно-дожимным усилием до 9000 кН.
Плоские гусеничные затворы с Катковыми цепями применяют при большой нагрузке на затвор, а также в тех случаях, когда не представляется возможным разместить необходимое число колес. При движении под нагрузкой плоских затворов, оборудованных гусеничными опорами, силы трения невелики вследствие небольшого коэффициента трения качения в их опорно-ходовых частях. В связи с этим для маневрирования такими затворами требуются механизмы со значительно меньшей подъемной силой. 

Рис. 18.3. Аварийно-ремонтный плоский скользящий затвор с сопровождающим кольцом диаметром 5040 мм водосброса Ингурской ГЭС. Вид с нижнего бьефа.
1 — обшивка; 2 — ригели; 3 — опорные полозья; 4 — полиэтиленовые уплотнения.

Кроме того, небольшие размеры опорно-ходовых частей позволяют уменьшить ширину паза, что положительно сказывается на гидравлических и кавитационных характеристиках затворов.
Все эти качества позволили на водосбросных отверстиях размером 3,5X9,0 м Нурекской ГЭС применить в качестве аварийно-ремонтных гусеничные затворы, воспринимающие нагрузку 37 800 кН при расчетном напоре 120 м; подъемная сила обслуживающего механизма 3200 кН. На плотине Серр Понсон (Франция) применен гусеничный затвор для перекрытия отверстия 6,2X11,0 м, воспринимающий нагрузку 85 932 кН при напоре 126 м. Японская фирма «Мицубиси Седзи Кайся ЛТД» изготовила секционный гусеничный затвор размером 5,34x6,99 м, рассчитанный на напор 92,72 м.
В качестве основных затворов, регулирующих пропуск расхода воды, нашли широкое применение сегментные глубинные затворы (табл. 18.3). Работа глубинного высоконапорного затвора без вибрации при частичном открытии отверстия в большой степени зависит от того, насколько хорошо уплотнение прижато к затвору. В связи с этим сегментные затворы имеют конструктивные особенности. Так, на Чарвакской, Токтогульской и Красноярской ГЭС затворы имеют цилиндрические опоры и управляемое гидравлическое уплотняющее устройство. На Нурекской, Асуанской, Кырджали и Футазе ГЭС затворы имеют эксцентриковые опоры и деформативные уплотнения и работают вполне удовлетворительно, однако эксплуатация таких затворов более сложна и стоимость очень высока.

Таблица 18.3. Высоконапорные глубинные сегментные затворы

Следует отметить, что установленный на водосбросе плотины Токтогульской ГЭС сегментный затвор 5,0X6,0X112,3 м, имеющий с напорной стороны эпоксидное покрытие с армированием стеклотканью, показал высокие эксплуатационные качества. В СКВ «Мосгидросталь» разработан сегментный затвор диаметром 5450 мм со сферической обшивкой и опиранием на одну конусообразную ногу. Затвор рассчитан на напор 200 м, имеет пропускную способность 1000 м³/с и весит на 25 % меньше, чем затвор с цилиндрической обшивкой.
В настоящее время проводятся опытно-конструкторские работы па выявлению оптимальных компоновок механического оборудования затворных камер для пропуска расхода 2000—3000 м³/с при напорах 200—300 м; по изысканию новых материалов и на их основе новых конструктивных решений для создания уплотняющих, опорно-ходовых и подъемно-посадочных устройств с повышенными грузонесущими, антифрикционными, технологическими и другими характеристиками в соответствии с требованиями высоконапорного механического оборудования.

Механизмы для маневрирования затворами

Для маневрирования затворами в отечественной практике применяются стационарные механизмы с электрическим приводом, в том числе наиболее широкое использование получили гидравлические подъемники, грузоподъемность которых достигала 10 000 кН. Можно выделить следующие типы гидроподъемников:
с индивидуальным или общим приводом для подъема затворов за одну точку;
с устройством для синхронизации работы силовых гидроцилиндров для опускания затворов за две точки;
с телескопическими гидроцилиндрами большой высоты подъема;
реверсивного действия для маневрирования двустворчатыми воротами;
с поршнем двустороннего действия для глубинных затворов, опускание которых невозможно под действием их собственного веса и требуются еще дожимные усилия.
Подвижные механизмы — мостовые, козловые краны — достигли подъемной силы 7000 кН, при этом козловые краны с захватными балками, обслуживающие затворы плотины, приспособлены и для работы в северных климатических условиях. Для этого краны имеют утепленные и обогреваемые электрокалориферами помещения механизмов и захватных балок; снизу эти помещения закрываются створками, которые при опускании подвески крана с захватной балкой автоматически открываются. Используемые захватные балки с электроприводом повышенной надежности, с большим крутящим моментом на захватном органе способны скалывать лед.

Сороудерживающие решетки

В отечественной практике наиболее широкое распространение имеют вертикальные сороудерживающие решетки, позволяющие использовать для их очистки подъемные средства, предусмотренные для маневрирования затворами верхнего бьефа гидроэлектростанции.
Для повышения эксплуатационных качеств решетки, как правило, размещают в закрытом помещении щитового отделения верхнего бьефа, что особенно важно для гидроэлектростанций нашей страны, работающих в зимних, большей частью суровых условиях.
Для совершенствования конструкции сороудерживающих решеток применяют: стержни решеток обтекаемой формы; ригели каркаса в виде пустотелых балок с закруглениями со стороны напорной и безнапорной граней, причем плоскости ригелей совпадают с направлениями струй в потоке перед отверстиями; диафрагмы, раскосы и другие элементы, введенные в конструкцию для обеспечения жесткости, используют в минимальном количестве; пазы в бычках перекрывают стенками опорных балок каркаса.
В гидротехнической практике ряда зарубежных стран чаще находят применение наклонные сороудерживающие решетки с размещением как самих решеток, так и решетко-очистных машин вне здания. Такое решение представляется оправданным при отсутствии низких температур или при возможном малом засорении решеток, позволяющем в зимнее время не производить очистки. Кроме того, при наклонном расположении решеток усложняется очистка пространства перед ними от затонувших или полузатонувших топляков и сора, В последние годы нашли применение сороудерживающие решетки с ригелями и диафрагмами сквозной конструкции.

Таблица 18.4. Крупнейшие турбинные трубопроводы

1 Характеристика трубопроводов PD дана для участков с максимальным расчетным напором. Она представляет собой произведение внутреннего давления воды в кгс/см² на диаметр трубопровода в см.