Значительным техническим новшеством для поворотно-лопастных турбин явилась компоновка гидротурбинного оборудования с опорой пяты на крышку турбины, позволившая сократить общую длину валов агрегата и применить его для водосливных ГЭС, которые имеют важное значение для использования энергии равнинных рек Такая конструкция впервые была разработана Ленинградским металлическим заводом для агрегатов Пермской ГЭС.
Турбины эти начал изготовлять Сызранский завод гидротурбин с 1954 г и в том же году установил первые их образцы на Пермской ГЭС Мощность турбин 21 800 кВт при напоре 21 л и диаметре рабочего колеса 5 м (см. рис. 59).
В связи с весьма обжатыми габаритами ГЭС водосливного типа представлялось необходимым максимально уменьшить высоту агрегата, что было достигнуто объединением в одну деталь вала генератора, вала турбины и крышки рабочего колеса В результате высота агрегата составила всего 13,27 м.
Такой тип турбины минимальной высоты с подпятником, расположенным на крышке турбины, был успешно применен также и для агрегатов Цимлянской ГЭС, имеющих мощность 41 500 кВт при расчетном напоре 17,5 м (и максимальном — до 26 м) и диаметре колеса 6,6 м с шестью лопастями.
В результате переноса пяты на крышку турбины высота агрегата понизилась более чем на 3 м (при общей его высоте около 20 л«), значительно уменьшился вес генератора благодаря отказу от специальной громоздкой крестовины, на которой ранее устанавливалась пята, при этом значительно сократилась высота здания гидроэлектростанции Таким образом был достигнут значительный экономический эффект в сокращении объема строительных работ (см. рис. 66).
Ленинградский металлический завод изготовил несколько таких турбин, и с 1952 г они находятся в эксплуатации.
В начале 1954 г Харьковский турбогенераторный завод выпустил две первые мощные поворотно-лопастные гидротурбины для Каховской ГЭС, которые уже в июле того же года были смонтированы на гидроэлектростанции (см. рис. 17).
Празднуя 40-летие Советской власти, наша страна отметила важнейшее событие в области гидроэнергетики — пуск на полную мощность величайшей в мире Волжской ГЭС имени Ленина Все 20 турбин этого энергетического гиганта спроектированы и построены на Ленинградском металлическом заводе.
Таблица 28
Радиально осевые турбины изготовленные ЛМЗ и зарубежные.
Таблица 28 (окончание)
Эти турбины при напоре 22,5 м развивают мощность 126 тыс. кВт и имеют очень высокий к.п.д. — до 94% Разрез по агрегату показан на рис. 64
Таким образом, мощность только одной турбины Волжской ГЭС в два с лишним раза превышает всю мощность первенца ГОЭЛРО — Волховской ГЭС имени Ленина Каждую секунду сквозь турбину проходит до 700 л«3 воды, т.е. половина среднегодового расхода р Оки, вливающегося ежесекундно в Волгу 2 млн. м3 воды проходит через каждую турбину за каждый час — целое озеро площадью в квадратный километр и глубиной в 2
Рис 64 Крупнейший в мире гидроагрегат с поворотно-лопастной турбиной на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина.
Диаметр рабочего колеса турбины 9,3 м Расстояние от лопастей рабочего колеса ротора до верхней точки генератора 20 w Диаметр статора 17,5 м Если начертить цилиндр, взяв за основу эти размеры, то получится башня высотой в семиэтажный дом — это примерная величина гидротурбинного агрегата.
Невелико, на первый взгляд, число оборотов ротора этой турбины — 68,2 об/мин. Однако линейная скорость крайних точек полюсов ротора вдоль катушек статора достигает при этом числе оборотов 180 км в час.
Вес рабочего колеса турбины 426 т, вес каждой (из шести) поворотной лопасти 20 т Столь же гигантских размеров достигают и генераторы мощностью 130 тыс. кВт, весом по 1600 т Диаметр ротора этих генераторов 14,3 м, вес 650 т, к.п.д. гидрогенераторов 97,4%
Общая высота турбины и генератора составляет 40 м — выше десятиэтажного дома Вес одного гидроагрегата — более 3000 т, для его перевозки потребовалось три железнодорожных состава Интересно отметить, что валы для гидроагрегатов ковались из слитков весом до 180 т.
Первая из двадцати турбин была закончена на ЛМЗ в марте 1954 г, а всего на создание таких невиданных агрегатов потребовалось менее трех лет (1954—1957 гг. ).
Имея диаметр рабочего колеса только на 30 см больше, чем х турбин Угличской и Рыбинской ГЭС, бывших уникальными до Великой Отечественной войны, турбины Волжской ГЭС обеспечивают почти в два раза большую мощность, что указывает на значительное возрастание нагрузок на детали и на соответствующие требования к их надежности Так, например, центробежная сила, возникающая в каждой попасти рабочего колеса, достигает 1400 т, осевое давление воды на колесо — 1500 т и для поворота лопастей во время работы требуется усилие в 2340 т.
Вес эти показатели агрегатов Волжской ГЭС значительно превышают соответствующие показатели, достигнутые за рубежом (см табл. 30), где самые крупные турбины поворотно-лопастного типа имеют мощность 101 500 кВт (ГЭС Мак-Нэри, США) 1 За рубежом наибольшая по диаметру рабочего колеса — DK = 8 м — турбина этого типа установлена на ГЭС Варьон в Швеции (Ντ = = 14200 кВт, Н — 6,15 л<) Таким образом, турбины Волжской ГЭС имени Ленина являются рекордными по размеру и весу, а также самыми мощными в мире турбинами поворотно-лопастного типа Создание этих турбин было отмечено Пятой мировой энергетической конференцией в Вене (1956 г ) как высшее достижение мирового гидротурбостроения.
Конструкция гидроагрегата очень компактна Несмотря на большие размеры турбины и трудности обеспечения абсолютной симметрии осевых деформаций несущих конструкции, удалось осуществить компоновку с опорой пяты на крышку турбины, что позволило сократить общую длину валов агрегата до 13,8 м по сравнению с 18,7 м на агрегатах Рыбинской ГЭС.
1 Для проектируемой в США крупной ГЭС Аис-Харбор фирмой Морган Смит приняты к изготовлению три поворотно-лопастные турбины мощностью 107 тыс. кет каждая при напоре 27,2 м, 90 об/мин, с диаметром рабочего колеса 7,2 м.
При создании турбин Волжской ГЭС обращалось большое внимание на снижение веса турбины и улучшение технологичности конструкций, так как это в свою очередь снижает затраты металла, уменьшает трудоемкость изготовления и в конечном счете снижает стоимость оборудования В процессе производства широко применялась сварка и специализированные уникальные станки отечественного изготовления.
Длительная эксплуатация гидротурбин Волжской ГЭС показала их высокие качества и надежную работу на всех режимах.
Создание большой серии крупнейших в мире гидротурбин и генераторов Волжской ГЭС имени Ленина свидетельствует об огромном успехе советского гидротурбостроения.
Таблица 29
Поворотно-лопастные гидротурбины.
В табл. 29 приведены параметры и показатели оборудования десяти построенных и строящихся гидроэлектростанций Волжского и Камского каскадов.
За время, прошедшее от выпуска в 1930 г первой поворотнолопастной турбины мощностью 294 кВт до выпуска в 1953 г турбин Волжской ГЭС имени Ленина, советские ученые и инженеры как в ЛМЗ, так и в ряде привлеченных заводом научно-исследовательских организаций разработали теорию расчета рабочих колес осевых турбин, позволившую в сочетании с экспериментальными работами на моделях создать серию рабочих колес поворотно-лопастных турбин различной быстроходности, охватывающих область напоров от 3—4 до 40—45 м Эти колеса обеспечивают высокий кпд турбин и имеют достаточно низкий кавитационный коэффициент.
Хорошо отработаны остальные элементы проточной части спиральная камера, отсасывающая труба, камера рабочего колеса, направляющим аппарат и статор, что позволило добиться высоких энергетических и кавитационных качеств поворотно-лопастных турбин.
Улучшилась система регулированья турбин и повысилась технологичность конструкции, что позволило уменьшить затраты труда при изготовлении гидротурбин и снизить их стоимость, в особенности при выпуске их большой серией. Так, трудоемкость изготовления двадцатой турбины Волжской ГЭС имени Ленина по сравнению с первой турбиной уменьшилась на 33%
За рассматриваемый период изготовлено много поворотно-лопастных турбин с диаметрами работах колес различных размеров 3,7, 5,0, 6,0, 7,2, 8,0, 9,0, 9,3 м и мощностью до 126 тыс. квт, для напоров до 88 м (табл 30).
Таблица 30
Сопоставление параметров поворотно-лопастных турбин советского и иностранного изготовления.
*Вертикальный агрегат Пермской ГЭС для опытной горизонтальной полу прямоточной турбины диаметр колеса на 10% меньше.
**Наибольший напор для поворотно лопастных гидротурбин.
Важнейшей задачей, стоящей перед турбостроительными заводами, является снижение веса изготовляемых турбин одновременно с повышением их экономичности так, например, если турбина для Каховской ГЭС, имеющая диаметр рабочего колеса 8 л, весит 1050 г, то турбина для Волжской ГЭС со значительно большим диаметром колеса (9,3 м) весит 1500 т.
В результате применения более совершенных конструкций и повышения качества их изготовления значительно снизились затраты металла на единичную мощность (рис 65).
Удельный вес поворотно-лопастных турбин (напоры до 20 м) за 25 лет снизился в среднем с 25 до 15 кг/кВт, а радиально-осевых (напор 30—60 м) — с 16 до 8 кг]кВт и того же типа высоконапорных (70—300 м) уменьшился с 7,5 до 4 кг/кВт.
Существенное снижение удельного расхода металла было достигнуто путем улучшения технологии изготовления и, в частности, широкого применения сварки Так, при проектировании статора гидротурбин для ряда гидроэлектростанций (Павловской, Каховской, Новосибирской) только благодаря применению сварной конструкции вместо литого статора была получена экономия 30 т металла на одной турбине.
У вновь создаваемых турбин повышался кпд, и на современном этапе он находится на уровне самых высоких требований.
Гарантированный кпд турбин Волжской ГЭС при оптимальном режиме достигает 94%, зарубежные фирмы гарантируют к.п.д. , не превышающий 93% 1.
Между тем каждая дополнительная единица кпд дает, например, на Волжской ГЭС имени Ленина и Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС дополнительную мощность около 40 тыс. кВт Построенные турбины обладают весьма высокими гидравлическими качествами, которые позволяют осуществить минимальные заглубления здании гидроэлектростанций, а уменьшенные заглубления, хотя бы на 1 м, при огромных площадях строите тп ства экономят стране десятки миллионов рублей.
1 Максимальные значения кпд зарубе/кных гидротурбин, по данным Пятой международной энергетической конференции в Вене (1956 г ), в сред нем составляют для поворотно юпастных 93%, для радиально осевых 92% и д 1я ковшевых 91 %
Из схем на рис. 66 виден прогресс в развитии конструктивном схемы поворотно-лопастной турбины в СССР Высотные размеры агрегата постепенно уменьшаются, что достигается переносом пяты с крестовины генератора на крышку турбины и сокращением числа опор у гидроагрегата с четырех до двух Если в прежних конструкциях отношение высоты агрегата (от обтекателя турбины до верхней точки гидрогенератора) к диаметру рабочего колеса турбины составляло 3,5- 4,2, то в новых оно равно 2,6-2,7.
При этом длина вала агрегата уменьшилась более чем вдвое, значительно снизилась металлоемкость машины и ее стоимость Эти изменения продиктованы новыми схемами так называемых совмещенных гидроэлектростанций строительство которых впервые начато в СССР.
