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

него. Шток соединен со штангами турбины, расположенными в центральном отверстии валов турбины и генератора.

Осевой направляющий аппарат имеет 12 радиально расположен­ ных лопаток, с помощью которых регулируется расход воды, а при остановке турбины перекрывается водоток.

Цапфы лопаток опираются на подшипники с вкладышами из древпластика, расположенными на наружном и внутреннем коль­ цах направляющего аппарата. Смазка этих подшипников произ­ водится водой, непосредственно из потока.

Поворот лопаток осуществляется двумя сервомоторами при помощи регулирующего кольца и поворотных механизмов. Серво­ моторы диаметром 350 мм и давлением масла 25 кгс/см2 установ­ лены вертикально в шахте турбины. Один из них снабжен стопор­ ным устройством.

К направляющему аппарату примыкает камера турбины, ко­ торая сверху имеет незабетонированный выемной сектор, позво­ ляющий производить монтаж и демонтаж ротора турбины.

В связи с отсутствием в данной установке быстродействующих затворов предусмотрена возможность торможения агрегата раз­ воротом лопастей рабочего колеса. Торможение достигается с на­ рушением комбинаторной зависимости. Лопасти рабочего колеса поворачиваются при неизменном положении лопаток направляю­ щего аппарата. Однако этот способ защиты агрегата от разгона в то время не был изучен. Не было известно также, следует ли по­ ворачивать лопасти на открытие или закрытие и на какую вели­ чину угла. Поэтому по сравнению с другими рабочими колесами на полупрямоточной турбине, которая являлась опытной, утлы поворота лопастей увеличены до ±22° 30', тогда как обычно они выполняются ±16°—±18°.

Испытания, проведенные на полупрямоточной агрегате, пока­ зали, что при торможении агрегата поворотом лопастей на откры­ тие (масло подается в сервомотор рабочего колеса от аккумулятора МНУ, где давление 25 кгс/см2) скорость вращения падает, но при этом вибрации агрегата из-за большого расхода воды через колесо становится недопустимыми.

При торможении поворотом лопастей на закрытие агрегат может достигнуть максимальной скорости вращения, если тормо­ жение началось не сразу после начала возрастания числа оборотов, однако сам процесс торможения проходит спокойно.

Для того чтобы относительно быстро закрывать лопасти необ­ ходимо преодолеть большие гидравлические моменты. Поэтому

этот способ защиты не применяется, так как турбина в случае его использования ставится в тяжелые условия. Кроме того, этот спо­ соб требует специальной АМНУ, что отражается на стоимости обо­ рудования. Опыт эксплуатации оборудования многих ГЭС показал, что главным и единственно надежным органом защиты от разгона

20

является направляющий аппарат. Для повышения надежности защиты от разгона практически все гидроагрегаты, выполненные в СССР за последнее время, снабжаются золотниками аварийного закрытия направляющего аппарата.

Корпус рабочего колеса соединяется с одной стороны с опор­ ной цапфой, облицованной рубашкой из нержавеющей стали,

сдругой — с фланцем вала турбины.

Всредней части вала турбины расположено сальниковое уплот­ нение, защищающее генераторное помещение от воды. Перед саль­ ником установлен затвор, допускающий замену набивки сальника без опорожнения турбинной камеры. У фланцевого соединения под валом турбины установлена монтажная опора, облегчающая

центровку вала турбины. Все процессы управления турбиной и ее механизмами полностью автоматизированы.

Полупрямоточный шахтный гидроагрегат Камской ГЭС в СССР

единственный. Его достоинства заключаются главным образом в том, что генератор, мало отличаясь от обычного вертикального, обладает достаточно большим маховым моментом, позволяющим агрегату работать на систему небольшой мощности или на изоли­ рованного потребителя. Компоновка шахтного агрегата позволяет выполнить его для сравнительно высоких для горизонтальных гидротурбин напоров (20—30 м) и создает благоприятные усло­ вия для установки повышающего мультипликатора.

Можно также представить себе проект агрегата, где вместо бе­ тонной шахты — полушахта и металлическая полукапсула.

В настоящее время заводы нашей страны, накопившие боль­ шой опыт в создании горизонтальных агрегатов, могут выполнять полупрямоточные агрегаты более совершенными. Однако недо­ статки этих агрегатов — искривленный поток и большие габариты генератора, приводящие к расширению фронта ГЭС, сильно сни­ жают их перспективность.

Полупрямоточные гидротурбины широко применялись за гра­ ницей, особенно в ФРГ, Франции и Японии. В этих странах раз­ личными фирмами выполнено много таких турбин для различных гидростанций, в том числе: Аржанта, Трир, Детцем, Лех, Омата, Охито и др.

Гидроагрегат с универсальным шарниром. В 1959 г. на ЛМЗ была предложена конструкция гидроагрегата с универсальным шарниром на подшипниках качения. Она увлекла ряд конструк­ торов своими видимыми преимуществами, и начались ее разра­ ботки. В этой конструкции с помощью двух головок шарнира вращение горизонтального вала гидротурбины передавалось вер­ тикальному валу гидрогенератора, вынесенному из капсулы в по­ мещение, располагающееся непосредственно над проточным трак­ том.

Такая компоновка позволяет значительно уменьшить размеры капсулы и приближает очертание проточного тракта к прямоточ­ ному и, следовательно, достигается меньшее заглубление подошвы

21

ГЭС (рис. 1.7). В этой компоновке более целесообразно установить не конический направляющий аппарат, как в капсульном агре­ гате, а осевой — более простой и технологичный. Упрощается при этом и конструкция генератора, который выполняется обычного типа, главное, не требует мощной пяты и ее опоры. Некоторое подобие пяты устанавливается только для опоры самого ротора генератора.

Универсальный шарнир на подшипниках качения представ­ ляет собой корданный механизм, состоящий из одной или двух

Рис. 1.7. Горизонтальный агрегат с универсальным шарниром:

/ — генератор; 2 — регулятор; 3 — выходной статор; 4 — рабочее колесо; 5 — радиаль­ ный направляющий аппарат; 6 — головная часть капсулы; 7 — универсальные шар­ ниры; 8 пята

головок. Если необходимо передать вращение по прямой линии или с небольшим отклонением от одного вала другому, то приме­ няется одна головка; если вращение передается под некоторым значительным углом, то применяются две головки, соединенные между собой валом (рис. 1.8). Такие шарниры применяются на «гибких» валах прокатных станов и на некоторых типах речных судов в качестве соединительных элементов участков валопроводов. В этих случаях углы передачи вращения не превышают 8—10°. Для передачи вращения от горизонтального вала гидро­ турбины к вертикальному валу гидрогенератора (90°) углы осей головок и соединяющего их вала должны быть по 45°.

Испытания такого шарнира в Ленинградском политехническом

22

неравномерность вращения ведомой головки. По прямой линии или при малых углах передачи вращения этот недостаток мало заметен и не имеет влияния на ведомую головку. При угле передачи

в проточном тракте, называются капсульными. Поскольку эти агрегаты находятся в потоке, то их называют также погружен­ ными. По сравнению с другими типами горизонтальных гидро­ турбин капсульные имеют наиболее высокие энергетические и экономические показатели. В связи с малыми габаритами генера­ тора удается существенно сократить расстояние между осями капсульных агрегатов (табл. 1.2).

Компоновка капсульных агрегатов позволяет значительно упростить форму гидротехнических сооружений, что делает воз­ можным широкое применение индустриальных методов строитель­ ства гидростанций с использованием сборных элементов.

При оборудовании ГЭС капсульными агрегатами стоимость строительства оказывается на 15—25% ниже, чем у гидростан­

23

относительно небольшой энергосистеме или работе агрегата на изо­ лированного потребителя, применение капсульных агрегатов за­ трудняется.

Для мощных энергосистем капсульные агрегаты являются наи­ более перспективными. Они могут применяться при низких на­ порах как на русловых, так и на приливных электростанциях.

В последние годы такие агрегаты нашли широкое применение на ряде советских и зарубежных низконапорных гидростанций.

Ниже приведены описания некоторых компоновок и конструк­ ций капсульных гидротурбин, выполненных советскими заводами. Описание конструкций основных узлов турбины и расчеты на прочность приведены в последующих главах.

Капсульные гидроагрегаты Череповецкой ГЭС. Череповецкая ГЭС является частью гидроузла, входящего в состав сооружений Южного склона Волго-Балтийского канала. Она расположена на р. Шексие и принадлежит к числу низконапорных ГЭС водослив­ ного типа. Всего на ГЭС установлены в две очереди четыре агре­ гата. Два агрегата первой очереди по конструкции отличаются от агрегатов второй очереди.

Гидротурбинное оборудование первой очереди состоит из тур­ бины, непосредственно соединенной с малогабаритным генерато­ ром, маслонапорной установки типа МНУ12,5 с рабочим давле­ нием масла 25 кгс/см2 (одна МНУ на два агрегата) и электрогидравлического регулятора типа ЭГРК-ЮО.

Турбины спроектированы и изготовлены на ЛМЗ им. XXII съезда КПСС, а малогабаритные генераторы с водяным охлажде­ нием обмоток ротора и статора на заводе «Электросила» им. С. М. Кирова. Турбина выполнена с консольным расположе­ нием рабочего колеса (основные параметры см. табл. 1.1).

Турбина (рис. 1.9) состоит из статора, направляющего аппа­ рата, рабочего колеса, вала, опорного подшипника, камеры ра­ бочего колеса, головной части капсулы и маслоприемника.

Статор — сварнолитой, состоит из восьми профильных колонн, соединенных между собой наружным и внутренним поясами. Через верхнюю колонну утолщенного профиля проходят трубо­ проводы и тросовая передача обратной связи, а также осуществ­ ляется сообщение турбинной части капсулы с машинным залом. Через нижнюю колонну проходят сливные трубопроводы.

Направляющий аппарат— конический с 16 поворотными ло­ патками и приводом от двух вертикально расположенных в шахте сервомоторов диаметром 500 мм. Механизм поворота лопаток из-за пространственного движения серег имеет шаровые шарниры. Втулки шарниров механизма поворота и опорные планки регу­ лирующего кольца выполнены из капрона и не требуют смазки.

Рабочее колесо бескрестовинной конструкции с четырьмя по­ воротными лопастями выполнено с втулочным отношением 0,355. Масло под давлением 25 кгс/см2 подводится к сервомотору рабо­ чего колеса через маслоприемник и штанги. Для приближения

24