Главнейшими направлениями развития отечественного гидротурбостроения являются непрерывное укрупнение мощности отдельных агрегатов и создание быстроходных турбин для высоких напоров воды.
Ленинградский металлический завод — основная база советского крупного гидротурбостроения — спроектировал, изготовил и установил с начала производства до 1957 г 250 гидротурбин различных типоразмеров на общую мощность свыше 6 млн. кВт кроме того, на других заводах было изготовлено более 4500 гидротурбин общей мощностью около 1 мчи кВт В послевоенный период наблюдался более быстрый рост мощности изготовленных турбин, чем рост их количества.
Динамика повышения мощности в одном агрегате представлена на рис. 74. В 1924—1928 гг. средняя мощность одного агрегата составила 490 кВт, в 1928—1932 гг. (первая пятилетка) — 2500 кВт, в 1933—1937 гг. (вторая пятилетка) —6400 кВт, в годы третьей пятилетки — 26 200 кВт и в четвертой послевоенной пятилетки — 51 тыс. кВт. Таким образом, за 25 лет советского гидротурбин роения средняя мощность гидротурбин, выпускаемых ЛМЗ, выросла более чем в 100 раз.
Еще более возросли средние мощности гидротурбин в пятой пятилетке в связи с изготовлением уникальных турбин (мощности по 126 тыс. кВт каждая) для Волжской ГЭС имени Ленина.
На Волжской ГЭС были установлены гидроагрегаты мощностью но 105 тыс. кВт каждый, однако в эксплуатации они показали способность нести нагрузку 126 тыс. кВт Следовательно, при неизменной мощности гидроэлектростанции можно было бы установить не 20 агрегатов (как это сделано), а меньше, что вызвало бы и соответствующее снижение затрат.
С укрупнением мощности ГЭС и агрегатов сокращается удельная длина на 1 тыс. кВт здания машинною зала ГЭС (табл 31).
Уменьшение удельной длины (на 1 тыс. кВт) здания ГЭС с ростом единичной мощности агрегатов.
Большие размеры турбин заставляют решать сложные задачи по технологии их изготовления, требуют уникального оборудования и решения вопросов перевозки тяжеловесных, часто негабаритных грузов Это приводит к тому, что производственные и транспортные возможности на определенных этапах, сдерживая развитие гидро турбостроения, одновременно являются стимулом совершенствования конструкции и технологии и в конечном счете приводят к резкому повышению качества гидротурбостроения в целом Характерными примерами такого скачкообразного развития гидротурбостроения являются периоды создания наиболее мощных и крупных турбин, определяющих уровень развития техники.
В 1950—1953 гг. такими турбинами были турбины для Волжской ГЭС имени Ленина Эти турбины мало отличаются одна от другой размерами своих диаметров, но в весах и особенно в мощностях заметно резкое отличие Следует иметь в виду, что для Волжской ГЭС изготовлено турбин в несколько раз больше, чем для Рыбинском и Угличской ГЭС, вместе взятых. Такие же машины, в количестве 21 единицы, смонтированы на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС Кроме того, серия турбин Волжской ГЭС будет изготовляться и для ряда других гидроэлектростанций Таким образом, впервые в мировой практике гидротурбостроения появилась необходимость в производстве большой серии одинаковых турбин.
Конструкция гидротурбины для Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС и всех ее узлов, разработанная ЛМЗ, в основных чертах и размерах повторяет конструкцию гидротурбин Волжской ГЭС имени В. И. Ленина, но является дальнейшим шагом на пути усовершенствования конструкции и снижения металлоемкости агрегатов Эти гидротурбины имеют следующие особенности расположение опоры пяты на крышке турбины, наличие золотника для аварийного закрытия направляющего аппарата, цельносварной статор, широкое применение сварных соединении, наличие централизованной станции густой смазки и др.
Учитывая опыт эксплуатации Волжской ГЭС имени Ленина, ЛМЗ внес ряд изменений в конструкцию гидротурбин. Так, с целью повышения жесткости была изменена конструкция крышки турбины, внесены некоторые изменения в конструкции направляющего аппарата и рабочего колеса турбины В результате этих изменений эксплуатационная надежность турбины повысилась, а ее вес снизился с 1500 до 1430 т.
Одной из важнейших проблем, стоящих перед современным гидромашиностроением, является расширение зоны применения поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин по максимальному напору Успешное решение этой задачи должно обеспечить большую быстроходность агрегатов, уменьшение их веса и габаритов и повышение среднеэксплуатационного кпд.
Поворотно-лопастные гидротурбины, применяемые в настоящее время в СССР в интервале напоров 5—40 м, имеют кпд 93—94%, радиально-осевые турбины, применяемые для напоров 40—300 м,— кпд 92—93% и ковшевые турбины, применяемые для напоров 430 м (Храмгэс)1,—к.п.д. 90—91% Таким образом, повышение максимального напора для поворотно-лопастных турбин означает, что из соответствующей зоны менее экономичные турбины вытесняются более экономичными, обладающими на 1—1,5% большим к.п.д. и дающими соответствующее повышение выработки электроэнергии.
При продвижении в область больших напоров быстроходность поворотно-лопастных турбин уменьшается, но остается все же выше быстроходности радиально-осевых турбин Однако, поскольку турбины радиально-осевого типа появились ранее поворотнолопастных, то в первый период развития гидротурбостроения их и устанавливали на ряде гидроэлектростанций (например, на Волховской2), хотя в более поздний период на подобных ГЭС ставились уже поворотно-лопастные турбины.
Максимальный напор, при котором в отечественной практике применяют поворотно-лопастные турбины, равен 35 м, в то время как за рубежом их применяют для напоров 70—88 м3. Таким образом, поворотно-лопастные турбины значительно отодвигают границу применения менее экономичных турбин радиально-осевого типа в сторону более высоких напоров.
В связи с развитием энергосистем и постепенным объединением их в Единую энергетическую систему СССР гидроэлектростанциям все больше и больше отводится регулирующая роль, поэтому на гидроэлектростанциях целесообразно устанавливать поворотнолопастные турбины как наиболее гибкий тип турбин двойного регулирования Необходимо изготовлять поворотно-лопастные турбины, рассчитанные на широкий диапазон напоров Сейчас разрабатывают конструкции таких турбин, рассчитанные для напоров 75—80 и По-видимому, после освоения такого типа турбин будет разрабатываться поворотно-лопастная турбина для напора до 100 м Все это позволит увеличить мощность поворотно-лопастных турбин до 200 н 300 тыс. кВт. Ввиду большой металлоемкости поворотно-лопастных турбин важным вопросом, имеющим народно хозяйственное значение, является снижение их веса.
Для решения всех этих задач широко поставлены научно-ис следовательские работы по уточнению методов расчета проточной части турбины и деталей по исследованию потока и распределения давления внутри турбины.
Для применения в области больших напоров могут служить и другие типы турбин с поворотными лопастями, в частности диагональные, в которых ось поворота лопастей располагается под острым углом к оси вращения рабочего колеса.
Радиально-осевые турбины с поворотными лопастями, разработанные еще в 1950 г в СССР4, до настоящего времени у нас не применены 5.
Гидротурбины этого типа для напоров 70—120 и могут заменить в этой зоне турбины радиально-осевого типа с повышением мощности, числа оборотов гидроагрегатов и выработки энергии на 1,5—2% Эти гидротурбины обладают важным свойством — сохранять высокий к.п.д. и устойчивый режим работы при значительных колебаниях напора и мощности Это значит, что гидроэлектростанции с такими турбинами могут значительно глубже срабатывать водохранилища, а это позволит повысить выработку энергии на каскадах ГЭС и уменьшить пропускную способность водосбросов Способность нового типа турбин работать с хорошем характеристикой при пониженных напорах весьма важна также для пуска первых очередей ГЭС.
На стадии конструктивной разработки находится в настоящее время новый тип диагональной турбины, наиболее экономичной для напоров 50—90 м Опытный агрегат с такой турбиной предполагается установить на Бухтарминской ГЭС Диагональные поворотно-лопастные турбины можно будет успешно приме пять на таких ГЭС, как Усть-Илимская, Енисейская, Зейская, Верхне- Туломская, Шульбинская.
* * *
Весьма перспективным для упрощения форм, а также некоторого удешевления строительной части здания гидроэлектростанции является использование горизонтальных гидроагрегатов с прямоосными отсасывающими трубами.
В равнинных условиях нашей страны строятся и будут строиться регулирующие мощные гидроэлектростанции (Саратовская, Чебоксарская, Киевская, Каневская и др ) с напорами от 6 до 20 ч.
1 Интересно отметить, что уникальной по напору используемому в одной ступени,— 1773 м — является высоконапорная ГЭС Рейссек-Кройцек в Австрии.
2 На Волховской ГЭС намечено заменить гидротурбины радиально-осевого типа поворотно-лопастными.
3 В Италии установлены поворотно-лопастные турбины на напор 88 4 (ГЭС Нембиа)
На таких станциях целесообразно устанавливать горизонтальные гидроагрегаты, позволяющие значительно снизить заглубление здания ГЭС Основное преимущество горизонтальных турбин перед вертикальными состоит в заметно более высоких к.п.д. (на 2—7%) и мощности (на 15—40%), что особенно резко проявляется на гидроэлектростанциях с низкими напорами (5—20 и), оборудуемых особо быстроходными турбинами Поэтому освоение конструкции такого типа гидроагрегатов имеет большое техническое и экономическое значение.
Для условий Пермской ГЭС применение горизонтальных турбин с единичной мощностью агрегата на 20% выше установленных вертикальных поворотно-лопастных гидротурбин (при сохранении суммарной мощности ГЭС) позволило бы количество агрегатов сократить на четыре.
Выпуск мощных горизонтальных турбин открывает возможность установки их на гидроэлектростанциях с небольшим напором воды Использование этих гидротурбин не требует глубоких котлованов и высоких зданий гидроэлектростанций и позволяет существенно снизить капитальные затраты.
В настоящее время на Харьковском турбогенераторном заводе (ХТГЗ) изготовляются турбины для Днепродзержинской ГЭС с диаметром колеса 9,3 м, работающие при очень малом напоре — 9 л«, а также находятся в производстве горизонтальные капсюльные агрегаты для Киевской ГЭС, в которых турбина объединена в общем металлическом подводном корпусе-капсюле с гидрогенератором.
* * *
С началом освоения гидроэнергетических ресурсов больших сибирских рек, характеризуемых как большими расходами воды, так и большими падениями, возникла необходимость создания радиально-осевых турбин максимально возможной единичной мощности и средней быстроходности на напоры порядка 100 м.
Такая мощность в одном агрегате сопряжена с предельно большими размерами турбины — диаметр колеса получается около 6 м При этом надо учитывать, что вопросы прочности, энергетические и кавитационные находятся часто в противоречии друг с другом, например, с точки зрения прочности лопастей их надо делать более толстыми, а увеличение толщины ведет к ухудшению кавитационных качеств колеса Если к этому прибавить требование упрощения в технологическом отношении и максимального снижения веса, то задача создания мощных и крупных гидроагрегатов еще больше усложняется Поэтому требуется постановка комплексных исследований.
Таким образом, если в период становления отечественного гидротурбостроения процент исследователей был значительно меньше, чем конструкторов, то в дальнейшем положение резко изменилось и количество исследователей во много раз превосходит количество конструкторов. Например, в создании турбин для сибирских гидроэлектростанций помимо ЛМЗ принимает участие большое количество исследовательских организаций, в том числе Институт машиноведения АН СССР, ЦНИИТМАШ, Ленинградский политехнический институт имени Калинина, Всесоюзный институт гидромашиностроения, сварочный институт им Е О Патона, Харьковский политехнический институт и многие другие.
Используя богатый накопленный опыт, советские конструкторы энергетического оборудования, изготовившие первые в мире сверхмощные гидроагрегаты с поворотными лопастями для Волжской ГЭС имени Ленина, оказались способными решить задачу создания еще больших агрегатов для крупных гидроэлектростанции.
Поскольку такие станции (так же, как и крупные теплоэлектростанции) в значительной степени будут опорными пунктами Единой энергетической системы СССР, целесообразно устанавливать на них агрегаты большой мощности с тем, чтобы в случае выпадения из системы крупных тепловых турбоагрегатов автоматически включались в работу крупные гидроагрегаты. Это обеспечит регулирование частоты в системе и ее устойчивую работу.
В 1960 г коллективы Ленинградского металлического завода и завода «Электросила» изготовили опытный образец сверхмощного гидроагрегата с радиально-осевой турбиной мощностью 230 тыс. кВт для Брагской ГЭС, первая очередь которой вступила в эксплуатацию досрочно, в 1961 г Турбина рассчитана на работу при номинальном напоре 96 м, с повышением его до 102 м и понижением до 92 м. Именно такая турбина при таком напоре является наиболее экономичной Она дешевле в производстве и экономичнее в эксплуатации чем турбины поворотно-лопастного типа Волжской ГЭС имени Ленина Диаметр ее рабочего колеса всего 5,5 м, число оборотов 125 в минуту А вес ее при мощности, почти в два раза превосходящей мощность волжской турбины, будет в два раза меньше т.е. 700—800 т.
Гидротурбина Братской ГЭС не имеет равных по мощности среди турбин, установленных на гидроэлектростанциях мира1 (см. рис. 74).
Необходимость создания столь мощных гидроагрегатов ставит перед гидротурбостроением трудные проблемы сокращение размеров рабочего колеса, в особенности его диаметра, создание целесообразной конструкции спирального подвода и сокращение ее размеров, увеличение чиста оборотов вала. Есть и другие вопросы, требующие решения, но главной задачей следует считать уменьшение размеров и веса агрегатов и уменьшение размеров блока.
Коллективом Харьковскою турбогенераторного завода имени Кирова закончена разработка эскизного проекта гш антской и самой быстроходной в мире радиально-осевой турбины мощностью 310 тыс. кВт при напоре свыше 200 w для Нурекской ГЭС.
Совершенствование технологического оборудования гидроэлектростанции приобретает решающее значение на новом этапе, в связи с ускорением темпов электрификации, снижением стоимости строительства и себестоимости вырабатываемой электроэнергии. Перед советскими гидромашиностроителями стоят задачи дальнейшего усовершенствования гидравлических качеств турбины и разработки таких конструктивных и компоновочных решении гидротурбинного оборудования, которые позволили бы осуществлять экономичные формы гидротехнических сооружений 51 Необходимо провести большие работы по созданию новых типов гидроагрегатов контрроторных, двухперовых, поворотно-лопастных, диагональных, прямоточных и др.
Наряду с развитием гидротурбин в нашей стране увеличивается объем производства электрических генераторов, трансформаторов и другого комплектующего оборудования Производство генераторов на Ленинградском заводе «Электросила», на Харьковском турбогенераторном заводе и ряде других шло в точном соответствии с требованиями энергетики и производством турбин По уровню техники и технико-экономическим показателям советские генераторы мощностью 50, 100, 150 и 200 тыс. кВт соответствуют новейшим типам зарубежных гидрогенераторов.
Общие итоги развития советского гидротурбостроения приведены на графике (см. рис. 74).
Производство турбин, генераторов, трансформаторов и другого оборудования в СССР обеспечивает потребность быстро растущей отечественной энергетики Более того, Советский Союз поставляет оборудование для электростанций в страны социалистического лагеря и слаборазвитые страны (Индия, ОАР, Гвинея и др ).
Новый период в развитии гидротурбостроения, в который мы вступили, характеризуется еще большим расширением творческой работы исследователей, ученых, конструкторов и производственников, а это позволит еще выше поднять отечественное гидромашиностроение.
