Файл: Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет.pdf

О—65°. Синхронность поворота всех лопаток достигается с помощью установленного на переднем статоре регулирующего кольца и по­ воротных механизмов, связывающих кольцо с лопатками. Перо лопатки, имеющее переменный профиль и винтообразную форму,

Рис. 1.5. Прямоточная горизонтальная гидротурбина Ортачальской ГЭС:]

1 — входной статор; 2 — направляющий аппарат; 3 — передний подшипник; 4 — рабо­ чее колесо; 5 — камера турбины; 6 — задний подшипник; 7 — выходной статор; 8 — валик к генератору маятника; 9 — наружное лабиринтное уплотнение; 10 — контактное уплотнение (подвижное кольцо заднего уплотнения); 11 — контактное уплотнение (под­ вижное кольцо переднего уплотнения); 12 — внутреннее лабиринтное уплотнение; 13 —

маслоприемник

обеспечивает хорошую закрутку потока и надежное его перекры­ тие при закрытом положении направляющего аппарата.

Поворотный механизм состоит из лопатки, надетого на наруж­ ную цапфу лопатки рычага, серьги, регулируемой длины, двух накладок, сферических пальцев со втулками и срезного пальца. Последний предохраняет детали направляющего аппарата от по­ ломок в случае застревания между лопатками инородного тела.

Сервомоторы, установленные вертикально на специальных пли­ тах, расположены над турбиной. Один из них снабжен стопором.

14

Рабочее колесо состоит из корпуса, шести лопастей и двух опор­ ных цапф (полувалов), расположенных по обе стороны корпуса. Лопасти рабочего колеса поворачиваются кривошипным механиз­ мом с крестовиной, перемещаемым сервомотором, выполненным внутри корпуса рабочего колеса. Поршень сервомотора и крестовина закреплены на штоке, в котором предусмотрены кольцевые каналы и отверстия для подвода масла в полости сер­ вомотора.

Масло давлением 20 кгс/см2 подводится к сервомотору через трубчатые штанги. Последние через центральное отверстие перед­ него полувала соединены с маслоприемником, установленным во внутреннем кольце переднего статора.

Обратная связь сервомоторов рабочего колеса и направляющего аппарата с расположенным в колонке регулятора комбинатором осуществляется тросовой передачей. Ротор генератора соеди­ няется с лопастями рабочего колеса с помощью надетого на пери­ ферийные цапфы лопастей обода, состоящего из двух, соединенных друг с другом колец. Ротор генератора закреплен на ободе с по­ мощью восьми радиальных и четырех тангенциальных шпонок. В каждой половине обода на плоскости разъема предусмотрены по шесть карманов для размещения цапф лопастей с надетыми на них сферическими бронзовыми втулками и обоймами. На торцо­ вой поверхности цапфы лопасти закреплена подушка из нержавею­ щей стали, опирающаяся на бронзовую сферическую пяту.

Центровка и крепление обода на лопастях выполняются при монтаже клиньями с последующей их приваркой к ободу. По обе стороны обода расположена камера турбины, состоящая из двух колец.

Для защиты генератора от воды с обеих сторон обода рабочего колеса расположены контактные уплотнения. Они представляют собой подвижные кольца, надетые на горловины обоих поясов камеры турбины. В подвижных кольцах предусмотрены пазы, в которые установлена резина круглого сечения; она и является уплотняющим элементом.

На подвижных кольцах уплотнений и на кольцевых ребрах камеры установлены резиновые ленты (см. рис. III.2), предохра­ няющие генератор от протечек воды через зазоры между подвиж­ ными кольцами и камерой. Подвижные кольца прижимаются к не­ ржавеющим погонам масляными домкратами, установленными в кольцевом ребре каждой из камер турбины.

Эксплуатация турбин показала, что достаточно хорошее прижа­ тие уплотняющих резиновых колец обеспечивается резиновыми лентами, и потому масляными домкратами пользовались только при остановленной турбине. Для предохранения уплотняющей резины от действия грязной воды потока к ней предусмотрен под­ вод чистой воды.

Для защиты генератора от протечек воды через уплотнения по обе стороны обода на пояса камеры турбины установлены гребен­

15

чатые водосборники, из нижней части которых вода отводится в сливные колодцы ГЭС.

Соединенные с корпусом рабочего колеса опорные полувалы установлены на два опорных подшипника. Полувалы выполнены как одна деталь с облицованными нержавеющей сталью крыш­ ками корпуса рабочего колеса; крышки являются упорными дис­ ками трения (подпятника и контрподпятника). Подшипники за­ креплены на торцах внутренних колец переднего и заднего статоров турбины.

Задний подшипник воспринимает кроме опорных нагрузок все осевые гидравлические усилия. Передний подшипник при оста­ новках турбины воспринимает еще и обратные осевые усилия. Вкладыши подшипников — сферические самоустанавливающиеся с резиновой облицовкой — смазываются водой. Для смазки под­ шипников, уплотнений и цапф направляющих лопаток предусма­ тривается автоматически включаемая подача чистой воды.

Турбины и генераторы для Ортачальской ГЭС были выполнены отечественными заводами, не имевшими тогда опыта в создании таких машин. В связи с этим конструкции некоторых узлов тур­ бины и генератора оказались неудачными. Устранение неполадок часто задерживалось трудностью перекрытия турбинной камеры вследствие большого скопления наносов под щитами.

Недостаточно жесткое соединение лопастей рабочего колеса с ободом привело к необходимости уже в начальный период экс­ плуатации перейти на пропеллерный режим Агрессивная вода приводила к интенсивному износу резиновых уплотняющих ко­ лец, а плохое качество резиновых лент—к проникновению воды в генератор. В конструкции турбины не была предусмотрена воз­ можность смещения подвижных колец при демонтаже, в связи с чем при замене уплотняющей резины требовался частичный де­ монтаж агрегата.

В последний период эксплуатации на ободъях рабочих колес образовались трещины, вызванные усталостными явлениями, низ­ ким качеством обода и наличием острых углов в шпоночных па­ зах, что привело к концентрации напряжений.

Эти причины послужили поводом для замены горизонтальных прямоточных агрегатов Ортачальской ГЭС вертикальными. Замена прямоточных агрегатов не свидетельствует, однако, о ненадеж­ ной конструкции машин.

Возможные пути повышения надежности прямоточных агрега­ тов несколько лет назад рассматривались в Гидротурбинном от­ деле Центрального Котлотурбинного института. Были предложены варианты конструктивных разработок уплотнений, защищающих ротор генератора от воды, варианты конструкций с ротором ге­ нератора, опирающимся на пяту не только в зоне рабочего колеса, но и по периферийному диаметру ротора и др. Вскоре получили распространение капсульные агрегаты и работы по прямоточным были прекращены.

16

Советские заводы, накопившие в последние годы большой опыт в конструировании, изготовлении и монтаже горизонтальных агрегатов, в состоянии создать надежные прямоточные аг­ регаты. Следует при этом заметить, что область применения таких агрегатов невелика и ограничивается напорами не выше 15 м и диаметрами рабочих колес не более 3 м.

3.ПОЛУПРЯМОТОЧНЫЕ ГИДРОАГРЕГАТЫ

ИГИДРОАГРЕГАТЫ С УНИВЕРСАЛЬНЫМ ШАРНИРОМ

Горизонтальные турбины, соединенные с генератором, распо­ ложенным в бычке обтекаемой формы, по сторонам которого предусмотрены каналы для подвода воды к рабочему колесу, называются полупрямоточными или шахтными. Такая компоновка по сравнению с другими горизонтальными агрегатами обеспечивает более удобный доступ к механизмам турбины и генератора.

Генератор может быть установлен как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего бьефа. В практике отечественного гидро­ турбостроения принята верховая компоновка, при которой гене­ ратор располагается со стороны верхнего бьефа.

Соединение валов турбины и генератора может быть непо­ средственным или через ускорительную передачу — мультипли­ катор. При установке мультипликатора скорость вращения гене­ ратора увеличивается, а его габариты существенно уменьшаются, что позволяет выполнить подводящие каналы и весь проточный тракт полупрямоточной турбины менее искривленными.

Первые полупрямоточные агрегаты были установлены в 1954 г. во Франции на ГЭС Вадринау (р. Мозель) при напоре 4,6 м с еди­ ничной мощностью 1498 кВт; диаметр рабочего колеса турбины

3,05 м.

В 1958 г. одна полупрямоточная турбина конструкции и по­ ставки ЛМЗ была установлена на Камской ГЭС. Здание станции проектировалось для установки в нем вертикальных агрегатов, вследствие чего проточный тракт полупрямоточной турбины ока­ зался не оптимальным.

Из-за большого диаметра генератора и невозможности увели­ чить ширину блока агрегата огибающие блок каналы подводящего тракта турбины оказались зажатыми и искривленными. В резуль­ тате поток на входе в направляющий аппарат стал неоднородным и гидравлические потери на протяжении всего проточного тракта сильно возросли. Кроме того, из-за тех же ограничений блока длина отсасывающей трубы оказалась недостаточной вме­ сто 4,5DX); по той же причине выходной статор пришлось распо­ ложить слишком близко к рабочему колесу. Все это также способ­ ствовало ухудшению энергетических качеств турбины.

Генератор полупрямоточного агрегата установлен в шахте, выполненной в бычке обтекаемой формы. Там же расположена, пята двустороннего действия, воспринимающая действующие на

турбину осевые гидравлические усилия. Фланцы валов турбины и генератора соединены жестко и стянуты припасованными бол­ тами. Каналы (см. рис. II.2), охватывающие бычок, служат для подвода воды из напорной камеры к рабочему колесу. Они имеют в начале прямоугольное сечение и по мере приближения к турбин­ ной камере переходят в полукруглые. Для предохранения стенок каналов от разрушения, а генераторного помещения от фильтра­ ции воды, каналы облицованы стальными листами. Стенки гене-

Турбина состоит из двух статоров — переднего и заднего, ка­ меры турбины, направляющего аппарата, двух сервомоторов, рас­ положенных в шахте под направляющим аппаратом, рабочего колеса с опорной цапфой, вала, уплотнения вала, опорного под-

18

шипнйКа й масЛопрйемнйка со штангами. Турбина снабжена также вспомогательными механизмами и устройствами автоматики. Оба статора служат опорой и связью всех частей турбины.

Передний статор служит опорой для осевого направляющего аппарата и отделяет генераторное помещение от турбинной ка­ меры, осуществляя плавный переход от сечений каналов к круг­ лому сечению камеры.

В собранном виде статор выполнен в виде обода, закрепленного на массивной колонне, имеющей по вертикальной оси, в направле­ нии потока, обтекаемый зуб фасонного профиля. Для возмож­ ности монтажа и демонтажа ротора турбины верхняя часть ста­ тора выполнена отъемной. Задний статор с шестью профильными колоннами служит для крепления опорного подшипника турбины. Его наружное кольцо с одной стороны примыкает к камере рабо­ чего колеса, с другой со стороны нижнего бьефа — к коническому патрубку и прямоосной отсасывающей трубе.

На валу генератора установлены подпятник и генератор маят­ ника регулятора. Весь ротор агрегата опирается на три подшип­ ника, из которых два относятся к генератору; шейки вала в этих подшипниках смазываются маслом.

Опорный подшипник турбины выполнен с резиновым вклады­ шем на водяной смазке. Для смазки и охлаждения подшипника вода подводится из напорной камеры турбины или резервного трубопровода технического водоснабжения.

Установленные у подшипника со стороны потока резиновые и гребенчатые уплотнения предохраняют его от загрязненной воды.

Подвод воды к подшипнику, переключение с одного источника питания на другой, контроль подачи воды и температуры пол­ ностью автоматизированы.

Опыт эксплуатации этого подшипника выявил сильный износ резиновых вкладышей (и этого не удается избежать даже под­ бором более твердой резины). Поэтому применять резиновые вкла­ дыши в подшипниках горизонтальных гидротурбин не следует.

Рабочее колесо имеет четыре поворотные отъемные лопасти, отлитые из медистой стали 18ДГС-Л. Поворот лопастей произво­ дится сервомотором с помощью бескрестовинного кривошипно­ шатунного механизма.

Поршень сервомотора перемещается вместе со штоком, прохо­ дящим через центральное отверстие корпуса рабочего колеса и вала турбины. При перемещении поршень сервомотора поворачи­ вает лопасти, воздействуя на них через серьги, стаканы и рычаги.

Рычаги соединены с серьгами шарнирно, серьги, в свою оче­ редь, шарнирно соединены со стаканами, жестко закрепленными на поршне сервомотора. Стаканы вместе с поршнем перемещаются во втулках, установленных на диафрагме корпуса.

Внутри штока расположены штанги рабочего колеса, по ко­ торым подводится масло в полости сервомотора и отводится из