5.2. Гидротурбины и обратимые гидромашины

Гидротурбины. В гидротурбине энергия водного потока преобразуется в механическую энергию вращения вала, от которого приводится во вращение ротор гидрогенератора, где механическая энергия преобразуется в электрическую. Тип гидротурбин выбирается, исходя из условий их работы, определяемых напором, энергетическими и кавитационными показателями, обеспечением высоких значений к.п.д. в заданном диапазоне напоров и нагрузок.

Многообразие природных условий приводит к тому, что напоры на ГЭС изменяются в широком диапазоне от нескольких метров до 1000 м и более, единичная мощность гидроагрегатов достигает 700 МВт и выше.

По принципу действия гидротурбины делятся на реактивные и активные. Основным рабочим органом турбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода к рабочему колесу в реактивных турбинах подводится через направляющий аппарат, а в активных – через сопла. В реактивной турбине давление воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления. В активной турбине вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

Основным размером турбины, определяющим параметры ее проточного тракта, является диаметр рабочего колеса D 1, для крупных турбин достигающий более 10 м.

Существует большое количество различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используются четыре вида: осевые, диагональные, радиально-осевые, которые относятся к реактивным, и ковшовые активные турбины.

Области применения турбин различных видов в зависимости от напора показаны на рис. 5.5.

Области применения турбин некоторых видов могут перекрываться. Так, при напорах 50–70 м могут применяться и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. Оптимальный тип турбин выбирается на основании технико-экономических сопоставлений различных вариантов.

Осевые турбины бывают горизонтальные капсульные при напорах в основном до 25 м; поворотно-лопастные вертикальные (турбины Каплана) при напорах до 60 м; пропеллерные при напорах до 60 м.

Рабочее колесо осевой турбины состоит из лопастей, укрепленных в корпусе с обтекателем, и соединено с валом. Количество лопастей обычно составляет от 4 до 8 и увеличивается с повышением напора.

Рис. 5.5. Области применения турбин различных видов

Рабочее колесо с валом представляют собой вращающуюся часть турбины.

Турбинная спиральная камера в основном выполняется бетонной и имеет трапецеидальное поперечное сечение. Только при относительно высоких напорах (обычно более 50 м) применяются металлические турбинные камеры круглого поперечного сечения.

Колонны статора турбины предназначены для передачи нагрузки от верхнего опорного пояса статора к нижнему. Для уменьшения гидравлических потерь колонны статора имеют удобообтекаемую форму.

Направляющий аппарат состоит из 20–32 направляющих лопаток, что зависит от диаметра расположения лопаток (D 0), которые образуют кольцевую решетку лопастей, создающую закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Кроме того, лопатки направляющего аппарата используются для регулирования мощности, развиваемой турбиной. С этой целью каждая лопатка может поворачиваться на оси и при синхронном повороте всех лопаток на некоторый угол изменяется открытие. Соответственно изменяются пропускаемый расход и мощность гидротурбины.

Вода отводится от рабочего колеса с помощью отсасывающей трубы, представляющей собой расширяющийся водовод (диффузор), обеспечивающий плановое снижение скорости до выхода потока в нижний бьеф, что позволяет уменьшить кинетическую энергию потока при выходе из турбины и за счет этого повысить ее к.п.д. Отсасывающая труба крупных турбин всегда выполняется из бетона.

Поперечный разрез здания ГЭС с гидроагрегатом с осевой турбиной показан на рис. 4.18.

Капсульные гидротурбины с генератором в капсуле, образующими вместе капсульный гидроагрегат, применяются при низких напорах и больших расходах воды, достигают мощности 70 МВт и выше при диаметре рабочих колес 8 м и более. Они обладают повышенными энергетическими показателями (пропускной способностью и к.п.д.) благодаря прямоточному тракту и характеризуются уменьшенными габаритами агрегатного блока ГЭС, что позволяет снизить стоимость строительства. Максимальный к.п.д. таких турбин достигает 94–95%.

Рис. 5.6. Капсульный агрегат Киевской ГЭС: 1 – колонны статора; 2 – шахта; 3 и 4 – ротор и статор генератора; 5 – масловодоприемник; 6 – подпятник; 7– капсула; 8 – бычок; 9 – направляющий аппарат; 10 – рабочее колесо турбины; 11 – турбинный подшипник

При использовании капсульных агрегатов поток по длине всего проточного тракта имеет минимальные повороты и, что особенно важно, прямоосное движение без поворота в отсасывающей трубе. Это приводит к снижению гидравлических потерь и увеличению к.п.д. турбины, особенно при больших расходах. В результате такие турбины развивают на 20–35% большую мощность, чем вертикальные того же размера.

В капсульном агрегате (рис. 5.6) металлическая герметичная капсула, в которой размещается генератор, располагается обычно со стороны верхнего бьефа, что обеспечивает наиболее благоприятные гидравлические условия в проточном тракте. Капсула опирается на железобетонный бычок и полые статорные колонны, через которые проходят маслои шинопроводы. Регулирующее кольцо конического направляющего аппарата и сервомоторы расположены снаружи капсулы. Вход в капсулу из машинного зала предусмотрен по вертикальной герметизированной металлической шахте.

В Украине горизонтальные капсульные гидротурбины изготавливаются на ОАО «Турбоатом». Такие гидротурбины производства ОАО «Турбоатом» единичной мощностью 21 МВт при напоре 7,7 м установлены на Киевской ГЭС в количестве 20 агрегатов (см. рис. 5.6), на Каневской ГЭС (24 агрегата) – единичной мощностью 23 МВт при напоре 8,4 м, на Еникидской ГЭС – единичной мощностью 38,7 МВт при напоре 16 м (4 агрегата) в Азербайджане, а также на ГЭС Пурнари II в Греции и на ГЭС Клостерфос в Норвегии.

Капсульные гидротурбины, изготовленные в России на ОАО «Силовые машины – ЛМЗ», установлены на Саратовской ГЭС (2 агрегата) мощностью 47,3 МВт, напор 10,6 м, D 1 =7,5 м; на ГЭС Дженмег (6 агрегатов) мощностью 29 МВт, напор 7,3 м, D 1 =7,5 м в Канаде; на ГЭС Джердап (8 агрегатов) в Сербии мощностью 29 МВт, напор 7,45 м, D 1 =7,5 м и др.

Наиболее крупные капсульные агрегаты установлены на ГЭС Tadami мощностью 65,8 МВт, напор 20,7 м, D 1 =6,7 м в Японии (1989 г.); ГЭС Hangjiang мощностью 48,2 МВт, напор 27,3 м, D 1 =5,46 м в Китае (2003 г.)

В Бразилии на р. Мадейра строятся ГЭС Санто-Антонио установленной мощностью 3,15 млн. кВт и ГЭС Джирау установленной мощностью 3,3 млн. кВт, где предусматривается установка капсульных агрегатов единичной мощностью 73,5 и 76,5 МВт при напоре 13,9 и 15,1 м, D 1 =8,17 и 7,94 м соответственно.

 

Рис. 5.7. Разрез по поворотно-лопастной турбине Кременчугской ГЭС: 1 – колонны статора; 2 – направляющие лопатки; 3 – нижнее кольцо; 4 – крышка турбины; 5 – лопасти рабочего колеса; 6 – корпус рабочего колеса; 7 – фланец вала; 8 – вал; 9 – обтекатель рабочего колеса; 10 – камера рабочего колеса; 11 – выдвижной сегмент; 12 – рычаг направляющей лопатки; 13 – серьга; 14 – регулирующее кольцо; 15 – сервомоторы; 16 – подшипник; 17 – опорная конструкция подпятника генератора

 

Рис. 5.8. Разрез по гидроагрегату Зейской ГЭС с диагональной поворотнолопастной турбиной и зонтичным генератором: 1 – лопатки направляющего аппарата; 2 – колонны статора; 3 – сферическая часть камеры рабочего колеса; 4 – нижний пояс камеры рабочего колеса; 5 – рабочее колесо турбины; 6 – крышка турбины; 7 – спиральная камера; 8 – опорный фланец; 9 – сервомотор направляющего аппарата; 10 – турбинный подшипник; 11 – маслопроводы к сервомотору рабочего колеса; 12 – вал; 13 – маслоприемник; 14 – генераторный подшипник; 15 – надставка вала; 16 – ступица ротора генератора; 17 – опорный конус; 18 – крышка рабочего колеса; 19 – сервомотор рабочего колеса; 20 – подпятник

Поворотно-лопастные вертикальные гидротурбины (Каплана) по объемам использования находятся на втором месте в мировой практике после радиально-осевых гидротурбин. В этих турбинах лопасти выполняются поворотными, благодаря чему в зависимости от условий работы (открытия, напора) угол их установки может меняться, что позволяет получить более высокие энергетические показатели.

Такие турбины установлены на каскаде Днепровских ГЭС (Каховская, Днепродзержинская, Кременчугская), Волжских ГЭС (Рыбинская, Горьковская, Волжская, Саратовская) и др.

Наиболее мощными турбинами этого типа производства ОАО «Турбоатом» оснащены ГЭС Сальто Гранде (Аргентина–Уругвай) – 138 МВт, Шамхорская ГЭС (Азербайджан) – 195 МВт, Шульбинская ГЭС (Казахстан) – 230 МВт, Днестровская ГЭС-1 (Украина) – 120 МВт,

Миатлинская ГЭС (Россия) – 113 МВт, а турбинами производства ОАО «Силовые машины – ЛМЗ» оснащены Волгоградская и Волжская ГЭС – 115 МВт (Россия), Джердап – 175 МВт (Сербия–Румыния), Саратовская ГЭС – 60 МВт при расчетном напоре 9,7 м с самыми крупными турбинами, имеющими диаметр рабочего колеса 10,3 м (Россия).

Конструкция вертикальной поворотно-лопастной турбины представлена на рис. 5.7 на примере турбины Кременчугской ГЭС (диапазон напоров 9,6–16,9 м, мощность 58 МВт, диаметр рабочего колеса D 1 =8,0 м).

Пропеллерные гидротурбины, у которых лопасти жестко закреплены, применяются при незначительных колебаниях напора на ГЭС. У них благодаря отсутствию механизма разворота лопастей рабочего колеса уменьшается диаметр втулки, что дает возможность увеличить расход через турбину и повысить ее мощность.

Диагональные гидротурбины отражают стремление использовать поворотно-лопастные турбины при более высоких напорах. Они отличаются от осевых турбин тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45–60°). Лопасти рабочего колеса – поворотные, что позволяет применять поворотно-лопастные турбины в области более высоких напоров и конкурировать с радиально-осевыми благодаря возможности более широкого регулирования с учетом напора и расхода, повышению среднеэксплуатационного к.п.д.

Однако их надежность ниже, чем радиально-осевых турбин.

Самые крупные диагональные турбины производства ОАО «Силовые машины – ЛМЗ» установлены на Зейской ГЭС мощностью 220 МВт при напорах 74,5–97,3 м, диаметре рабочего колеса 6,0 м (рис. 5.8).

Радиально-осевые гидротурбины (Френсиса) нашли наиболее широкое применение в гидроэнергетике. Они применяются при напорах от 40 до 700 м (рис. 5.9). На таких турбинах поток воды входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него в осевом, в связи с чем они и названы радиально-осевыми.

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из 12–17 лопастей, образующих круговую решетку. Лопасти жестко заделаны в ступицу и обод, благодаря чему все рабочее колесо получает необходимую прочность и жесткость. Рабочее колесо соединено с фланцем вала.

Спиральная камера обычно выполняется металлической с круглым поперечным сечением для лучшего восприятия значительного внутреннего давления воды.

Направляющий аппарат, состоящий из 16–24 направляющих лопаток, обеспечивает требуемое направление потока перед входом на рабочее колесо.

Рис. 5.10. Разрез по гидроагрегату Нурекской ГЭС с радиальноосевой турбиной и подвесным генератором: 1 – верхняя крестовина опорной конструкции ротора; 2 – охладители; 3 – подпятник (упорный подшипник); 4 – радиальные подшипники; 5 – распорные домкраты; 6 – шины; 7 – кожух; 8 – охладители; 9 – корпус статора; 10 – сердечник статора; 11 – обмотка переменного тока статора; 12 – полюсы ротора; 13 – обод ротора; 14 – колодки тормозов; 15 – тормозное кольцо ротора; 16 – остов ротора; 17 – фланец вала; 18 – ступица ротора; 19 – вал ротора; 20 – нижняя крестовина опорной конструкции ротора

 

Рис. 5.9. Разрез по гидроагрегату с высоконапорной радиально-осевой турбиной: 1 – рабочее колесо турбины; 2 – крышка турбины; 3 – вал; 4 – генератор

Такие турбины производства ОАО «Силовые машины – ЛМЗ» установлены на Красноярской ГЭС с мощностью гидроагрегата 500 МВт, максимальный напор 101 м, расчетный 93 м, D 1 =7,5 м; на Саяно-Шушенской ГЭС мощностью 640 МВт, максимальный напор 220 м, расчетный 194 м с рабочим колесом (D 1 =7,7 м) с 16 лопастями, а в последние годы на Бурейской ГЭС мощностью 330 МВт, напор 120 м; на ГЭС Уитес мощностью 211 МВт, напор 118 м (Мексика); ГЭС Яли мощностью 188,5 МВт, напор 208 м (Вьетнам) и др.

Крупные турбины производства ОАО «Турбоатом» установлены на Нурекской ГЭС (рис. 5.10) с мощностью гидроагрегата 300 МВт, максимальный напор 275 м, расчетный 223 м (Таджикистан); на Чиркейской ГЭС мощностью 250 МВт, максимальный напор 207 м, расчетный 170 м (Россия); на Ингурской ГЭС (Грузия) мощностью 260 МВт, максимальный напор 404 м, расчетный 325 м, а в последние годы на ГЭС Пьера дель Агила (Аргентина) с мощностью турбины 356 МВт, напор 108 м, на ГЭС АгуаМильпа (Мексика) с мощностью турбины 325 МВт, напор 145 м; ГЭС Тери (Индия) с мощностью турбины 255 МВт, напор 188 м; на ГЭС Эль-Кахон (Мексика) с мощностью турбины 380 МВт, напор 156,5 м; на ГЭС Ла Йеска (Мексика) с мощностью 426 МВт, напор 186,7 м, турбины со встроенным кольцевым затвором.

Эти современные радиально-осевые турбины производства ОАО «Турбоатом» и «Силовые машины – ЛМЗ» имеют высокий к.п.д., максимальная величина которого достигает 96%.

Самыми крупными турбинами являются радиально-осевые турбины ГЭС Гренд-Кули-3 (США) мощностью 820 МВт, напор 87 м, D 1 =9,7 м; ГЭС Итайпу (Бразилия – Парагвай) мощностью 800 МВт, напор 118,4 м и «Три ущелья» (Китай) с мощностью гидроагрегата 700 МВт, напоры 71–113 м (расчетный 80,6 м), D 1 =10 м, максимальный к.п.д. 96% фирм «Alstom Power» и «GE Hydro» (рис. 5.11 и 5.12).

Крупные современные гидротурбины также производят фирмы «Voith Siemens», «Tech Hydro», «Toshiba» и др.

Ковшовые гидротурбины применяются на ГЭС при больших напорах (более 300 м) или на малых ГЭС, где гидротурбина должна работать при очень малых расходах (0,3–0,7 м 3 /с) и напорах 100 м и выше. Основными элементами ковшовой турбины являются сопла и рабочее колесо, которое состоит из диска с рабочими лопастями, похожими на ковши (отсюда название «ковшовая»). Общее число лопастей 12 ~ 40.

Конструктивные формы ковшовых турбин в значительной степени зависят от общего числа сопел, т.е. числа струй, натекающих с огромной скоростью на лопасти турбины. Увеличение числа струй приводит к соответственному увеличению мощности турбины при сохранении диаметра рабочего колеса.

По положению вала все турбины делятся на две группы – горизонтальные и вертикальные. В горизонтальных турбинах (рис. 5.13) используются схемы с одной и двумя струями, причем во втором случае требуется специальная форма разветвления водовода. В вертикальных турбинах (рис. 5.14) применяется охватывающий спиральный водовод, что дает возможность использовать различное число струй, например две, четыре, шесть, а иногда и нечетное их число.

Вода к ковшовым турбинам подводится по напорным водоводам.

В отличие от ковшовых в осевых и радиально-осевых турбинах по всей длине проточного тракта поток сплошной, напорный, рабочее колесо вращается в воде и все его лопасти постоянно обтекаются потоком. Эти особенности осевых и радиально-осевых турбин делают возможным использование рабочим колесом всех компонентов энергии протекающей воды: энергии давления, энергии положения (потенциальной) и кинетической энергии.

В ковшовых турбинах рабочее колесо вращается в воздухе и только часть лопастей в данный момент времени находится во взаимодействии с водой. Рабочее колесо ковшовых турбин может использовать только кинетическую энергию воды, т.е. перед входом на рабочее колесо вся ее энергия должна быть преобразована в кинетическую, что осуществляется с помощью сопла. Таким образом, скорость воды (струи) определяет величину кинетической энергии, подводимой к рабочему колесу. Предельная величина скорости воды ограничивается в основном величиной потерь, т.е. уровнем падения к.п.д.

В последние годы наиболее крупная высоконапорная ковшовая турбина установлена на ГЭС Будрон в составе гидроузла Клузон-Диксан (Швейцария) мощностью 400 МВт, напор более 1800 м.

Обратимые гидромашины (насосотурбины) получали развитие в связи с интенсивным строительством ГАЭС, у которых в ночной период, когда в энергосистеме имеется избыток мощности, агрегаты работают в насосном режиме, перекачивая воду из нижнего водоема в верхний, а в период максимума нагрузки в вечерний пик они работают в турбинном режиме, выдавая электроэнергию в энергосистему. Таким образом, обратимая гидромашина работает как турбина и как насос.

Рис. 5.11. Схематическое изображение спиральной камеры и турбины

Рис. 5.12. Схематическое изображение здания ГЭС «Три ущелья»: 1 – генератор; 2 – турбина 3 – предтурбинный затвор; 4 – вал

 

Рис. 5.13. Горизонтальная ковшовая турбина: 1 – водовод; 2 – рабочее колесо турбины;

 

а

Мал. 5.14. Вертикальна ковшова турбіна: а – розріз по гідроагрегату; б – план ковшової шестисоплової турбіни; 1 – водовід; 2 – робоче колесо турбіни; 3 – сопло; 4 – генератор   Рис. 5.14. Вертикальная ковшовая турбина: а – разрез по гидроагрегату; б – план ковшовой шестисопловой турбины; 1 – водовод; 2 – рабочее колесо турбины; 3 – сопло; 4 – генератор

б

 

Рис. 5.15. Разрез по насосотурбине ГАЭС Рэккун-Маунтин: 1 – рабочее колесо; 2 – лопатки направляющего аппарата; 3 – колонны статора; 4 – направляющий подшипник; 5 – вал; 6 – спиральная камера; 7 – сервомотор; 8 – трубопровод сжатого воздуха для отжатия воды из полости рабочего колеса; 9 – трубопровод для отвода воды из полости рабочего колеса

Рис. 5.16. Разрез по насосотурбине Загорской ГАЭС: 1 – рабочее колесо; 2 – лопатки направляющего аппарата; 3 – спиральная камера; 4 – статор; 5 – отсасывающая труба; 6 – конус рабочего колеса; 7 – коллектор; 8 – вал; 9 – направляющий подшипник

 

Обратимые гидромашины могут выполняться, как и реактивные гидротурбины, осевыми, диагональными и радиально-осевыми.

Область применения обратимых гидромашин с одной и многоступенчатыми насосотурбинами непрерывно расширяется в сторону более высоких напоров.

При низких напорах до 15 м на ГАЭС могут применяться горизонтальные капсульные обратимые агрегаты.

При напорах до 150 м возможно использование диагональных насосотурбин, установленных, например, на японских ГАЭС Синкан и Такане 1.

Рис. 5.17. Разрез по обратимому агрегату Днестровской ГАЭС

При напорах от 60 до 600–700 м наиболее широкое распространение в мире получили вертикальные радиально-осевые насосотурбины.

Самые мощные обратимые гидроагрегаты с радиально-осевыми насосотурбинами, имеющими высокие энергетические показатели, установлены в США на ГАЭС РэккунМаунтин с мощностью в турбинном режиме 360–400 МВт, расчетный напор 297 м (максимальный – 305 м), частота вращения 300 об/мин, D 1 =4,95 м (рис. 5.15) и Бас Каунти – 360 –500 МВт, расчетный напор 329 м (384 м), частота вращения 257,1 об/мин, D 1 =6,4 м, максимальные к.п.д. в насосном и турбинном режимах 92,7 и 92%; в Японии на ГЭС Kazunogawa – 400 МВт, напор 714 м, Kannagawa – 470 МВт, напор 653 м.

При напорах более 700 м получили распространение компактные многоступенчатые насосотурбины, на валу которых установлены два и более рабочих колес.

Во Франции и Италии построены несколько ГАЭС с такими агрегатами мощностью по 130 –150 МВт при напорах 700–1300 м.

Крупные современные обратимые гидромашины производят фирмы «Voith Siemens»,

«Toshiba», «Tech Hydro», «GE Hydro», ОАО «Cиловые машины – ЛМЗ», ОАО «Турбоатом» и др.

Обратимые гидромашины производства ОАО «Силовые машины – ЛМЗ» установлены на Загорской ГАЭС (Россия) и Круонисской (Литва) с мощностью гидроагрегата в турбинном режиме 200 МВт, расчетный напор 100 м, D 1 =6,3 м, максимальные к.п.д. в насосном и турбинном режимах 92,0 и 92,5% (рис. 5.16); на Ташлыкской ГАЭС (Украина) мощностью 161 МВт, напор 73 м, D 1 =6,3 м.

Одни из самых мощных в мире обратимые гидромашины производства ОАО «Турбоатом» устанавливаются на Днестровской ГАЭС (Украина) с мощностью гидроагрегата в турбинном режиме 324 МВт, напор 135 м, D 1 =7,3 м, максимальный к.п.д. в насосном и турбинном режимах 92,8 и 93,5 % соответственно (рис. 5.17).

Благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления обратимых гидромашин возросли надежность их работы, к.п.д., коэффициент готовности к работе, что важно, учитывая их интенсивное использование в разных режимах.

ОАО «Турбоатом» (Харьков) производит паровые турбины для ТЭС и АЭС, гидротурбины и обратимые гидромашины для ГЭС и ГАЭС и газовые турбины для ТЭС.