Основными узлами ковшовых гидротурбин являются: рабочее колесо, распределитель, направляющий аппарат (сопло), дефлектор, вал, направляющий подшипник, сервомотор, система регулирования и вспомогательное оборудование (трубопроводы, тормозные сопла, специальная арматура и др.). Следует отметить, что такие узлы, как вал, направляющий подшипник, сервомоторы, маслонапорная установка, регулятор скорости, в принципе ничем не отличаются от тех же узлов реактивных турбин, поэтому они не описаны.
К основным преимуществам ковшовых турбин следует отнести: высокую эффективность при частичных нагрузках (за счет включения в работу неполного числа сопл), простоту конструкции, легкость замены отдельных узлов, легкое осуществление режима синхронного компенсатора и др.
Наибольшая единичная мощность, освоенная для вертикальных турбин, составляет примерно 300 МВт. На рис. VI 1.5 приведена конструкция турбины Зарамагской ГЭС, созданной ПО ЛМЗ в 1984 г. Ее мощность 176 МВт, напор 618 м, частота вращения 300 об/мин.
Рабочее колесо — основной наиболее ответственный узел, состоящий из системы ковшей, симметрично расположенных относительно оси вращения. В настоящее время практически все фирмы изготавливают рабочие колеса без механического крепления ковшей к диску.
Рис. VII.5. Разрез турбины Зарамагской ГЭС
Применяются либо цельнолитые колеса из коррозионно-стойкой стали, либо сварные конструкции двух основных типов: в одном из них применен отлитый венец из ковшей, который сваривается с опорным диском; в другом — отдельно отлитые ковши, которые в дальнейшем свариваются между собой и с опорным диском. В СССР применяются только сварные конструкции. Конструкция рабочего колеса турбины Зарамагской ГЭС диаметром 3,3 м показана на рис. VII.5. Рабочее колесо разработано в сварно-литом исполнении и состоит из 20 ковшей, отлитых из коррозионно-стойкой стали, и двух ободьев, откованных из той же стали. Хвостовые части ковшей плотно пригоняются друг к другу и свариваются между собой с обеих сторон. Кольцо из сваренных между собой ковшей приваривается к ободьям. Соединение колеса с валом осуществляется шпильками М100 и двумя цилиндрическими шпонками диаметром 100 мм. Рабочая и тыльная поверхности ковшей обрабатываются до сварки хвостовиков, что позволяет выполнить их механической обработкой с большой точностью. После окончательной обработки рабочее колесо должно быть отбалансировано.
Направляющий аппарат ковшовых турбин выполняется в виде системы сопл с перемещающимися внутри профилированными иглами. Величина пропускаемого через сопло расхода регулируется положением игл относительно выходных отверстий сопл. Наибольшее распространение имеют шестисопловые турбины, позволяющие эффективно использовать работу турбины на половинном числе сопл.
Наиболее эффективными являются бесштоковые прямоточные сопла, где создается наиболее устойчивое движение жидкости и имеют место минимальные потери. На рис. VII.6 показана конструкция такого сопла. На фланцах отводов распределителя (коллектора) турбины устанавливают шесть сопл, проточная часть которых прямолинейна. Каждое сопло состоит из корпуса, насадки, иглы, масляного сервомотора, разгрузочного устройства и вспомогательных деталей. Корпус представляет собой сварно-литую конструкцию в виде укрепленной на ребрах капсулы, помещенной в наружном цилиндре. Все механизмы сопла находятся в капсуле. Для уменьшения усилия перестановки иглы в сторону закрытия предусмотрена специальная гидравлическая разгрузка, которая складывается из двух компонентов: масляной и водяной. Водяная разгрузка осуществляется за счет уменьшения площади торца опоры иглы, масляная — за счет специального поршня (расположенного внутри капсулы), на который постоянно действует масло из маслонапорной установки. Размеры разгрузочных поршней приняты такими, чтобы суммарное усилие, действующее на иглу, было небольшим и преодолевалось сервомотором, управляющим иглой при малых размерах самого сервомотора. Вся система управлений соплом спроектирована так, что при аварийном снижении давления масла в МНУ игла имеет тенденцию на закрытие. Корпус сопла с ребрами, насадки, игла, опорные и сменные кольца, а также шток выполнены из коррозионно-стойкой стали. В конструкции сопла применены опорные втулки как из бронзы, так и из стеклоэпоксидной композиции. Для предотвращения протечек в разгрузочных устройствах и сервомоторах предусмотрены манжетные уплотнения.
В средней части капсулы на штоке выполнен специальный конус, через который по передающему устройству обеспечивается обратная связь с распределительным золотником сервомотора. Подвод и отвод масла от полостей сервомотора осуществлен через ребра капсулы. При ходе иглы на закрытие на последнем небольшом участке пути до полного закрытия отвод из полости сервомотора дросселируется. На внешней стороне каждого насадка установлены экраны, защищающие сопла от действия соседних струй, а также воды, сходящей с ковшей. Кроме того, каждое сопло защищено экраном от действия струи, сходящей с обтекателя.
Распределитель (коллектор) служит для подвода воды к соплам многосопловой ковшовой турбины, который может быть осуществлен различными способами. В частности, возможно применение однониточного и двухниточного распределителей. В последнем случае каждая нитка подводит поток к половине общего количества сопл и оборудована отдельным затвором. Такая система, будучи примерно равноценной однониточной по своим энергетическим свойствам, имеет определенные преимущества по габаритным размерам. На рис. VII.4 приведена характерная для крупных ковшовых турбин конструкция двухниточного распределителя.
Рис. VII.6. Прямоточное сопло
Рис. VII.7. Дефлектор:
1 — отсекатель; 2 — отклонитель; 3 — отжимающий отсекатель; 4 — рассеиватель
Кожух турбины формирует внешние границы области, в которой находится рабочее колесо, и обеспечивает оптимальный отвод с рабочего колеса сходящего потока. Кроме того, как элемент конструкции турбины в целом кожух воспринимает радиальные нагрузки от подшипника и служит основанием для размещения отдельных элементов оборудования. Внутреннее очертание кожуха отрабатывается специальными модельными исследованиями. Кожух выполняется в виде сварной конструкции с наружными ребрами жесткости. В приведенной на рис. VII.5 конструкции турбины кожух выполнен из двух частей (по высоте), соединяемых при монтаже сваркой. Нижняя часть состоит из отдельных секторов (из условия транспортировки и монтажа), секторы соединяются монтажной сваркой. К каждому сектору при монтаже приваривают цилиндр с фланцем для соединения кожуха с патрубками распределителя. В нижней части кожуха предусмотрены специальные лапы для закрепления его на фундаменте. Верхняя часть кожуха также состоит из секторов, _ в каждый из которых вварены трубы для ввода внутрь кожуха тяг обратных связей и масляных трубопроводов сервомоторов обтекателей. Для возможности ремонта и осмотра в кожухе предусмотрены закрываемые крышками люки. Кожух должен быть тщательно отцентрован и выставлен на заданной отметке, что выполняется с помощью болтов и клиньев.
Дефлекторы на ковшовой турбине дают возможность избежать гидравлического удара в напорном трубопроводе, а также значительно снизить разгонную частоту вращения ротора. Основное назначение дефлектора — отвод воды от рабочего колеса в возможно короткое время. Для этого дефлектор всегда должен находиться вблизи струи, однако размещение его не должно обуславливать необходимость увеличения расстояния сопла от рабочего колеса. Усилие для введения дефлектора в струю должно быть возможно меньшим. В настоящее время практически применяются три различных вида дефлектора: отклонители; отсекатели; распылители. Действие отклонителей заключается в том, что при введении их в струю она сразу же отклоняется от своего первоначального направления. При введении в струю отсекателя в начальный момент отклоняется только часть струи, в то время как другая часть еще взаимодействует с колесом. Действие распылителя основано на том, что с помощью специального механизма из головки иглы выталкиваются наклонные пластины, которые рассеивают струю, выходящую из сопла. На рис. VII.7 показаны все три типа дефлекторов. В современных отечественных конструкциях применяются только отсекатели, требующие для введения в действие наименьшего усилия и обеспечивающие полный отвод отсеченной струи на стенки кожуха.
В конструкции турбины Зарамагской ГЭС (см. рис. VII.5) на каждом сопле установлены отсекатели. Отсекатель состоит из корпуса, закрепленного в нем специального ножа из коррозионно-стойкой стали, который при нормальной работе отстоит от поверхности струи на 10 мм. При необходимости отсечь струю от колеса вступают в действие специальные сервомоторы отсекателя, установленные на корпусах сопл и управляемые от специальных золотников, размещенных на кожухе турбины. Корпус обтекателя связан шарнирно с тягой сервомотора, благодаря чему отсекатель может поворачиваться вокруг оси, закрепленной в приливах насадки сопла.
Существуют конструкции ковшовых турбин, в которых все отсекатели управляются одним сервомотором, связанным с регулятором и тягами с рычагами, укрепленными на осях поворота отсекателей. Сервомотор отсекателя располагается непосредственно на кожухе турбины.
Для торможения вала турбины при любых остановках предусматривают специальные тормозные сопла, при открытии которых струя воды направляется в тыльную сторону ковшей против вращения рабочего колеса. В конструкции турбины Зарамагской ГЭС предусмотрено два тормозных сопла. Подвод воды к тормозным соплам осуществляется по специальным трубопроводам от затвора турбины. Управление тормозными соплами производится с помощью масляного сервомотора. При нормальной остановке одновременно с отключением выключателя генератора и подачей сигнала на закрытие основных сопел тормозные сопла включаются. Их отключение происходит одновременно с включением в действие тормозов генератора, т. е. при частоте вращения, равной 20—30 % от номинальной. При аварийной остановке импульс на включение тормозных сопл подается одновременно с закрытием шаровых затворов. Отключение тормозных сопл происходит так же, как при нормальной остановке.
