Турбинное оборудование ГЭС.

Лекция 8. Турбинное оборудование ГЭС. Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия Гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом Гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Гидротурбинах через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. В активной Гидротурбине (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной Гидротурбине (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления. Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Бенуа Фурнероном; эта Гидротурбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные гидротурбины уже не применяются. В 1855 американский инженер Джеймс Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо Гидротурбины с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (Радиально-осевая гидротурбина.). В 1889 американский инженер Лестер 1 Аллан Пелтон запатентовал активную — ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер Виктор Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые турбины сейчас широко применяются для выработки электрической энергии Рассмотрим каждый из типов турбины отдельно: Активные турбины: В качестве представителя класса активных гидротурбин рассмотрим здесь наиболее распространенную ковшовую турбину с основными элементами конструкции (рис.5.1). Главными составными частями ковшовой турбины являются рабочее колесо, сопло и игла с регулирующим механизмом. Рис. 5.1. Ковшовая турбина: а - схема установки турбины; б - общий вид рабочего колеса Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска и закрепленному на валу турбины. Колесо вращается в воздухе. По окружности колеса равномерно расположены ковшеобразные лопасти (ковши). Чтобы максимально преобразовать кинетическую энергию воды в механическую энергию вращения рабочего колеса, ковши выполняют эллиптической формы. На эллиптических частях ковша вода меняет свое направление на 180º и сходит с них с очень малой скоростью. Формирование струи, придание ей необходимой скорости и преобразование энергии подводимой трубопроводом воды в кинетическую производится с помощью сопла 1, в котором помещается игла 2 для регулирования расхода и мощности турбины. При перемещении иглы изменяется выходное сечение струи и тем самым ее расход. Скорость перемещения иглы ограничена из-за опасности возникновения гидравлического удара. Для исключения появления гидравлического удара закрытие иглы идет медленно, в течение 20-40 с. В случае необходимости быстрого снижения мощности используется отклонитель струи, который за 2-3 с отводит струю от лопаток. У ковшовых турбин лопасти рабочего колеса испытывают переменную нагрузку. В связи с этим возникают усталостные явления в металле, приводящие к расслаблению крепления. В настоящее время стали применять цельнолитые и сварнолитые рабочие колеса с повышенной надежностью. Конструктивно ковшовые турбины могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу. Ковшовые турбины, диаметр рабочего колеса которых достигает 7,5 м, используются в диапазоне напоров 300-2000 м при расходах порядка 100 м3/с и имеют мощность до 200 МВт. КПД таких турбин составляет 88-91 %. Скорость потока воды из форсунок зависит от напора и может достигать значительных величин, порядка 500—600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об/мин. 2 Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на швейцарской ГЭС Bieudron, их мощность составляет 423 МВт. Эта же ГЭС является мировым рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1 869 м. Реактивные турбины Реактивные гидротурбины получили на ГЭС наибольшее распространение вследствие ряда достоинств. Они имеют высокий КПД, обладают относительно большим числом оборотов, могут использоваться для широкой шкалы напоров и мощностей, их конструкция хорошо компонуется со зданием ГЭС. Конструкция реактивной гидротурбины (рис. 5.2) включает в себя: турбинную (спиральную) камеру 1, статор 2, направляющий аппарат 3, рабочее колесо 4 и отсасывающую трубу 5. Характерные особенности каждой из систем реактивных турбин заключаются, в основном, в особенностях конструкции их рабочих колес. Рис. 5.2. Схема реактивной гидротурбины Спиральная камера. Вода из верхнего бьефа поступает в турбинную камеру по трубопроводу. В ней происходит формирование осесимметричного потока воды, который затем проходит через направляющий аппарат турбины. При такой форме потока обеспечивается его равномерное распределение по окружности рабочего колеса и более эффективный отбор мощности. Вода, поступающая на рабочее колесо с любого направления, имеет равную скорость и начальную вихревую закрутку. Чаще всего турбинная камера выполняется в виде спирали и имеет название спиральной камеры. На ГЭС с напором, превышающим 50-60 м, применяются стальные спиральные камеры гидротурбины круглого сечения (см рисунок), охватывающие статор почти полностью («полная спираль»). На ГЭС с меньшим напором Спиральные камеры изготовляются из железобетона, угол охвата составляет около 225°, сечение имеет вид тавра. Спиральная камера гидротурбины в отличие от других турбинных камер (например, открытых) позволяют вынести значительную часть механизмов гидротурбины в сухое помещение, что улучшает условия эксплуатации турбины. Рис. 5.3. Статор турбины: 1, 2 - верхнее и нижнее кольца статора; 3 - колонны Статор турбины (рис. 5.3) служит для передачи нагрузки от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и конструкций здания электростанции над спиралью на фундамент ГЭС. Обычно статор выполняется в виде двух колец специальной формы, между которыми установлены 3 металлические колонны. Число колонн, их расположение и форма определяются условиями необходимой прочности и обтекания Рис. 5.4. Направляющий аппарат: 1 - регулирующее кольцо; 2, 5 - верхнее и нижнее кольца направляющего аппарата; 3 - рычаги; 4 - серьги; 6 - лопатки Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с необходимой для генератора мощностью, закрытия доступа воды к рабочему колесу турбины при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока. Конструкция направляющего аппарата (рис 5.4) состоит, в основном, из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами. Лопатки с помощью регулирующего кольца могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей на определенный угол, образуя одинаковые просветы величиной а0, называемые открытием направляющего аппарата. Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины и колеблется от 12 до 32. На рабочем колесе происходит непосредственное преобразование энергии движущейся воды в механическую энергию вращения колеса. Для реактивных турбин характерны следующие признаки: 1) рабочее колесо располагается полностью в воде. Поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса; 2) перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме. Остальная же часть энергии - в потенциальной форме, соответствующей, в основном, разности давлений до и после колеса. Избыточное давление и разность уровней потока на входе и выходе из рабочего колеса приводят к увеличению его относительной скорости и тем самым к созданию реактивного давления потока на лопасти турбины. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока; 4 3) действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего изза изменения направления потока. Рассмотрим конструктивные особенности рабочих колес реактивных турбин различных систем. Для конструкции радиально-осевых турбин (РО) (рис. 5.5) характерно то, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из 9-21 лопастей сложной пространственной формы, неподвижно соединенных с верхним и нижним ободами. Радиально-осевые турбины используются при напорах от 30 до 600 м . Рис. 5.6. Рабочие колеса осевых турбин: а Радиально-освевой; б - пропеллерной; в - поворотнолопастной; г – двухперовой; д - диагональной турбины Радиально-осевые турбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса - в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров от 30 - 40м до 500 - 550м. Такой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки. Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верх­ний обод) и нижнего обода 3 (рис. 8.6. а и 8.7.). Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию. Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. (За диаметр рабочего колеса принима­ется максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D1). Пропеллерные турбины (ПР). Рабочее колесо такой турбины располагается в ка­мере ниже направляющего аппарата. Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока. На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми. Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом ф = -10°; -5°; 0°; +5°; +10°; +15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (ф= 0) Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД. Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в системах с дефицитом 5 энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т.е. при малом числе часов использования установленной мощности ГЭС. Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины устанавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД. Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению поворотнолопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (рис. 5.6.,в). Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД, при постоян­ном напоре, зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата, так и от угла по­ворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а, следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ф (отсюда название поворотно-лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого зна­чения КПД в широком диапазоне изменения мощности. Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров от 3 - 5 до 35 -45м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиальноосевыми предпринимаются успешные попытки применять их на напоры до 70 - 75м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178МВт) изготовлена в бывшем СССР и установлена на ГЭС Джердан на Дунае. Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (dвт / D1) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу, что позволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не имеют широкого распространения. Диагональные турбины (ПЛ - Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т.е. стремлением обеспечить возможность работы осевых тур­бин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми тур­бинами. Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструк­ции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположен­ными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 5.6.д). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у пово­ротно-лопастных турбин не создает стеснения потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетиче­ские и кавитационные качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5 - 2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые. Диагональные турбины не имеют широкого распространения в России, они установлены лишь на Бухтарминской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200МВт, соответствен­но. Однако, как показывают исследования, они могут оказаться весьма эффективными в диапазоне напоров от 35 40м до 150 - 200м и особенно при больших колебаниях нагрузки. Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины в нижний бьеф, а также для повышения КПД гидротурбины за счет более полного использования энергии водного потока. Для турбин кинетическая энергия потока за рабочим колесом составляет от 1,5 до 50 % ее входной величины. При отсутствии отсасывающей трубы эта энергия теряется и общий КПД турбины, особенно быстроходной, мал. 6 7