Глава Vl
ГИДРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ И КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ТУРБИН
VI.1. СХЕМЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И УСТАНОВОК ГИДРОАГРЕГАТОВ
Гидроэлектростанция (ГЭС) входит в состав гидроузла, сооружаемого с целью получения электрической энергии, водоснабжения, улучшения условий судоходства, защиты от наводнений и др.
По способу создания напора воды существует две основные Схемы гидроэнергетических сооружений — плотинная и деривационная [21]. В плотинной схеме ГЭС может быть русловой или приплотинной. Здание русловой электростанции является продолжением плотины и воспринимает напор воды. Здание приплотинной электростанции расположено за плотиной или в стороне от нее и не воспринимает напора воды. В плотинной схеме ГЭС могут быть разные варианты расположения здания машинного зала станции. В деривационной схеме основную часть напора создает напорный трубопровод или туннель. Перед деривационным отводом воды в русле реки строится невысокая плотина. В деривационных ГЭС иногда более экономично подземное расположение здания станции.
В практике строительства установилось три вида компоновок гидроагрегатов: с расположением осей в вертикальном, наклонном и горизонтальном положениях.
Вертикальные установки. При установке гидроагрегатов в вертикальном положении наиболее характерны две схемы компоновок; с зонтичным и подвесным генераторами. Выбор схемы установки гидроагрегата зависит от диаметра рабочего колеса, напора и компоновки здания станции. При диаметре рабочего колеса 5 м, низких и средних напорах предпочтительно принимать схему компоновки гидроагрегата с зонтичным генератором и подпятником, установленным на опоре, расположенной на крышке турбины (рис. VI. 1 и VI.2). Вал агрегата единый, с двумя опорными подшипниками — турбинным и генераторным. При установке гидроагрегата с осевыми турбинами — ПЛ и ДПЛ—генераторный опорный подшипник рекомендуется устанавливать над ротором генератора во избежание повышенного биения надставки вала.
При компоновке гидроагрегата с радиально-осевыми или пропеллерными турбинами генераторный опорный подшипник может быть расположен под ротором генератора, в масляной ванне подпятника. Для турбин с диаметром рабочего колеса D<5 м расположение подпятника на опоре, установленной на крышке турбины, может быть рекомендовано только в тех случаях, когда при этой компоновке остается достаточно места в шахте турбины для удобного обслуживания всех размещенных в ней механизмов.
Схема установки гидроагрегатов с зонтичным генератором и с расположением пяты на опоре крышки турбины получила широкое применение в практике отечественной гидроэнергетики. Применение такой схемы позволяет снизить общую высоту гидроагрегата и его массу, уменьшить капитальные затраты и сократить цикл строительства здания станции.
Применяются и другие схемы установок гидроагрегатов: с зонтичным или подвесным генераторами, с расположением пяты на верхней или нижней крестовине генератора [18]. Такие схемы могут быть рекомендованы при установке турбин с диаметром рабочего колеса 5 м на низкие и средние напоры (рис. VI.3 и VI.4).
В вертикальных гидроагрегатах обычно применяются два опорных направляющих подшипника: турбинный и генераторный. В практике отечественного гидротурбостроения при высоких напорах применяются схемы компоновок гидроагрегатов с подвесным генератором. По этой схеме устанавливают два вала (турбинный и генераторный) и три опорных подшипника (рис. VI.5), а подпятник располагают на верхней крестовине.
Рис. VI. 1. Конструктивная схема поворотно-лопастной турбины при D>5 м с генератором зонтичного типа и опорой пяты на крышке турбины: 1 — крышка турбины; 2 - маслоприемник; 3 — опора пяты
Горизонтальные установки. Для использования водотока низких напоров в практике гидроэнергетического строительства получили широкое применение установки гидроагрегатов с осями в горизонтальном и наклонном положениях [4, 46, 47]. Такое расположение гидроагрегатов дает наибольший экономический эффект благодаря совмещению гидротехнических сооружений ГЭС, позволяющему осуществить сброс паводковых вод через здание станции, уменьшить гидравлическое сопротивление в проточной части, увеличить быстроходность как по приведенному расходу, так и по частоте вращения и, следовательно, ведет к увеличению мощности по сравнению с вертикальным расположением.
Рис. VI.2. Конструктивная схема РО турбины при 5,0 м с генератором зонтичного типа и опорой пяты на крышке турбины:
1 — крышка турбины; 2 — пята; 3 — опора пяты
Применение такой компоновки гидроагрегатов позволяет применять простые по форме элементы бетонных блоков здания станции.
В гидроэнергостроительстве возможны разные установки горизонтальных гидроагрегатов: прямоточные; шахтные, с расположением гидрогенератора в специальном помещении или с генератором, установленным в верховом бычке; капсульные с мультипликаторами или без них. Прямоточная компоновка характеризуется наиболее целесообразной формой проточной части. В теле плотины между коротким подводящим каналом и прямоосной конической отсасывающей трубой устанавливается агрегат, в котором генератор расположен в специальном помещении; при этом ротор генератора соединен с периферийными цапфами лопастей рабочего колеса турбины.
Вода из верхнего бьефа обтекает капсулу, статор, направляющий аппарат, поступает к рабочему колесу и отводится отсасывающей трубой в нижней бьеф.
Рис. VI.3. Конструктивная схема РО турбины при D< 5,0 м с генератором подвесного типа:
1 — верхняя крестовина генератора; 2 — пята
Размещение ротора генератора на периферии лопастей рабочего колеса позволяет придать всем элементам турбины, опорным конструкциям и механизмам компактную, хорошо обтекаемую форму, улучшает технико-экономические показатели строительства ГЭС.
Однако прямоточные агрегаты не получили широкого применения из-за трудности создания надежной конструкции и уплотнения в соединении ротора генератора с периферийными цапфами лопастей рабочего колеса турбины. Не получила применения и горизонтальная установка с шахтной компоновкой, в которой вода в проточную часть турбины подводится коротким водоводом, охватывающим шахту (бычок) с расположенным в ней генератором. В настоящее время получила применение компоновка горизонтального гидроагрегата с капсулой, при которой строительство гидротехнических сооружений низконапорных ГЭС (рис. VI.6) получает оптимальное технико-экономическое решение.
В настоящее время максимальная мощность в одном гидроагрегате составляет 45 МВт при диаметре рабочего колеса D1=7,5 м и напоре 12 м.
Рис. VI.4. Конструктивная схема ПЛ турбины при D< 5,0 м с генератором зонтичного типа и пятой, установленной на нижней крестовине генератора:
1 — нижняя крестовина генератора; 2 — маслоприемник; 3 — пята
В капсульных гидроагрегатах применяют замкнутое принудительное воздушное (поверхностное) охлаждение генератора или водяное. Воздушное охлаждение требует установки специального компрессора и воздухоохладителя, которые размещаются в головной части капсулы или в специальном помещении. При необходимости уменьшить габаритные размеры генератора или увеличить его мощность применяют форсированное охлаждение (за счет увеличения плотности воздуха) или водяное. В настоящее время считается целесообразным применять водяное охлаждение как более прогрессивное.
В зависимости от количества, размеров гидроагрегатов и компоновки здания станции в теле плотины вал агрегата выполняется единым с двумя опорными подшипниками или раздельно вал генератора и вал турбины с тремя опорными подшипниками.
Рис. VI.5. Конструктивная схема ПЛ турбины при D< 5,0 м с генератором подвесного типа и тремя опорными подшипниками:
1 — маслоприемник; 2 — пята; 3 и 4 — верхняя и нижняя крестовины генератора
При раздельных валах сервомотор рабочего колеса иногда размещают между фланцами валов. Такая компоновка позволяет приблизить центр тяжести консольного рабочего колеса к опорному подшипнику турбины.
Поворотный механизм направляющего аппарата и сервомоторы располагают со стороны наружного кольца направляющего аппарата или непосредственно в капсуле. Статор турбины, воспринимающий осевое гидравлическое усилие, устанавливается перед направляющим аппаратом и кольцо статора крепится фундаментными болтами к закладным балкам или к специальному фундаментному кольцу. Колонны статора располагают радиально или наклонно к оси агрегата. Обычно две колонны, верхнюю и нижнюю, выполняют полыми для прохода в капсулу за генератором. Переднюю часть капсулы закрепляют при установке статора с тремя-четырьмя колоннами. Верхнюю колонну выполняют проходной для доступа в капсулу перед генератором. В другом варианте консольную часть капсулы закрепляют растяжками и для прохода в ее переднюю часть устанавливают одну проходную колонну.
Рис. VI.6. Горизонтальный капсульный гидроагрегат
Рабочее колесо турбины устанавливают консольно, что позволяет получить лучшие энергетические характеристики. Все остальные механизмы и вспомогательное оборудование гидроагрегата устанавливают в помещениях здания станции.
Установки с пропеллерными турбинами. Пропеллерные. турбины могут быть установлены как в вертикальном, так и в горизонтальном (наклонном) положениях на те же напоры, при которых применяют поворотно-лопастные или диагональные турбины. Главное условие установки пропеллерных турбин — незначительные (±10 %) колебания напоров (от Hр) и мощности. Допустимые колебания напора и мощности уточняются и определяются построением энергетических характеристик для конкретной установки и типоразмера турбины.
Установка пропеллерной турбины по сравнению с поворотно-лопастной позволяет увеличить мощность на 8—12 %, коэффициент быстроходности на 12—15 %, коэффициент полезного действия на 1—1,5%; уменьшить массу турбины на 13— 15 %, снизить трудоемкость ее изготовления на 20—25 % за счет исключения механизмов и деталей разворота лопастей, улучшить эксплуатационное обслуживание и надежность. Коэффициент быстроходности повышается и по Q, и по n благодаря уменьшению втулочного отношения на 14—22 % и установке цилиндрической камеры рабочего колеса, КПД повышается за счет уменьшения объемных потерь через щели по периферии лопастей и их корневому сечению.
Следует также отметить, что при уменьшении диаметра втулки рабочего колеса и при цилиндрической камере рабочего колеса увеличивается суммарная площадь лопастей, тем самым уменьшается удельная нагрузка на них воды, что благоприятно сказывается на улучшении энергокавитационной характеристики.
Установка регуляторного, вспомогательного оборудования и затворов. При вертикальном исполнении гидроагрегата регуляторное оборудование, включающее регулятор и маслонапорную установку на отечественных электростанциях, обычно располагают на отметке пола машинного зала. Такое расположение удобнее для наблюдения и обслуживания. Вспомогательное оборудование устанавливают в турбинных помещениях в шахте турбины. За рубежом и на некоторых отечественных ГЭС регуляторное оборудование располагают на более низких отметках помещений, ближе к сервомоторам направляющего аппарата — при этом уменьшается длина трубопроводов.
В горизонтальных капсульных агрегатах регуляторное и вспомогательное оборудование устанавливают при входе в помещение турбины на разных отметках здания.
Затворы перед спиральными камерами средне- и высоконапорных турбин устанавливаются только на гидростанциях с длинными напорными трубопроводами или в случае, когда вода одним напорным трубопроводом подводится к двум или нескольким турбинам. При коротких подводящих водоводах в средненапорных турбинах более целесообразно и экономично устанавливать в головном сооружении быстродействующие щитовые затворы. Установка таких затворов определяется гидравлическими, прочностными и экономическими расчетами.
Установка с ковшовыми турбинами. Установка гидроагрегатов с ковшовой турбиной выполняется как с горизонтальным, так и с вертикальным валом. Горизонтальные гидроагрегаты выполняют с одним, двумя или тремя рабочими колесами на одном валу и с одним или двумя соплами на каждое колесо. Перед коллектором устанавливают шаровой затвор, который является оперативным и аварийным с автоматическим управлением.
В связи с увеличением мощности в одном гидроагрегате стали применять установки с вертикальным валом, что позволяет более экономично строить здание и гидротехнические сооружения в целом, повысить энергетические и технико-экономические характеристики турбины и генератора, улучшить условия эксплуатации и ремонта оборудования.
Вертикальная турбина устанавливается с одним рабочим колесом и четырьмя или шестью соплами, что позволяет получить более высокую быстроходность, т. е. иметь рабочее колесо меньшего диаметра с большей частотой вращения и, следовательно, уменьшить стоимость турбины, генератора и станции в целом. Перед коллектором, как и при компоновке с горизонтальным валом, устанавливают шаровой затвор с ранее указанными назначениями.
Регуляторное оборудование турбины располагают в турбинном помещении.
Установка гидроагрегатов на ГАЭС. В зависимости от напора, а также мощности мотор-генератора установка гидроагрегатов выполняется вертикальной или горизонтальной. В практике гидроэнергетического строительства ГАЭС применяют в основном четыре типа установок: 1) насосный и турбинный агрегаты — отдельными блоками; 2) трехмашинный агрегат; 3) обратимые (двухмашинные) агрегаты; 4) обратимые и турбинные агрегаты. При использовании первого типа установки получаются наилучшие энергетические характеристики, повышается надежность и долговечность оборудования, но при этом в два раза увеличивается длина здания станции, а следовательно, увеличиваются капитальные затраты и цикл строительства ГАЭС. Кроме того, такая компоновка агрегатов не всегда позволяет разместить гидротехнические сооружения в запланированном створе аккумулирующей станции.
При использовании трехмашинного агрегата [ротор состоит из насоса, мотора (генератора) и турбины] КПД агрегата в целом ниже, чем в первом варианте. Здание станции по высоте в полтора раза выше; более сложны подводящая и отводящая части насоса и турбины.
Таблица VI. 1. Основные данные поворотно-лопастных, пропеллерных и диагональных гидротурбин
Продолжение табл. VI.1
Продолжение табл. VI. 1
Продолжение табл. VI. 1
Продолжение табл. VI.1
Продолжение табл. VI.1
Продолжение табл. VI.1
Таблица VI.2. Основные данные радиально-осевых и обратимых гидротурбин
Продолжение табл. VI.2
Продолжение табл. VI. 2
Продолжениетабл. VI.2
Продолжение табл. VI. 2
Продолжение табл. VI.2
Продолжение табл. VI.2
Продолжение табл. VI. 2
Примечание. Турбины поз. 10 и 16 по компоновке двухрядные; турбина поз. 27 — опытная с рабочим колесом, которое в аварийных и оперативных режимах является и запорным органом; турбина поз. 30 — опытная с кольцевым затвором.
Таблица VI.3. Основные параметры насос-турбин зарубежных фирм для ГАЭС
Примечание. В числителе дроби приведены данные для насоса, в знаменателе — для турбины.
Такая компоновка агрегата более сложна в эксплуатации и ремонте оборудования и поэтому в последнее десятилетне ее не стали применять при строительстве ГАЭС. В настоящее время широкое применение на аккумулирующих электростанциях нашли установки обратимых (двухмашинных) агрегатов. По энергетическим характеристикам, удобству в эксплуатации и надежности такие установки близки к первому варианту, но при этом значительно сокращаются цикл и капитальные затраты на строительство здания, водоводов, устанавливаемого энергетического и вспомогательного оборудования. Схемы установок обратимых агрегатов аналогичны схемам для обычных ГЭС. В зависимости от напора и компоновки подводящей части перед спиральной камерой (водоводом) устанавливают дисковые или шаровые затворы, а в головном сооружении — быстродействующие щитовые затворы.
Габаритные размеры, масса и конструктивные данные важнейших узлов большинства гидротурбин, изготовленных отечественными заводами, приведены в табл. VI. 1 и VI.2. Основные параметры некоторых насос-турбин зарубежных фирм для ГАЭС приведены в табл. VI.3.
