5.2. Гідротурбіни й оборотні гідромашини

Гідротурбіни. У гідротурбіні енергія водного потоку перетворюється в механічну енергію обертання вала, від якого приводиться в обертання ротор гідрогенератора, де механічна енергія перетворюється в електричну. Тип гідротурбін вибирається, виходячи з умов їх роботи, обумовлених напором, енергетичними й кавітаційними показниками, забезпеченням високих значень к.к.д. у заданому діапазоні напорів і навантажень.

Різноманіття природних умов приводить до того, що напори на ГЕС змінюються в широкому діапазоні від декількох метрів до 1000 м і більше, одинична потужність гідроагрегатів досягає 700 МВт і вище.

За принципом дії гідротурбіни поділяються на реактивні й активні. Основним робочим органом турбіни, в якому відбувається перетворення енергії, є робоче колесо. Вода до робочого колеса в реактивних турбінах підводиться через напрямний апарат, а в активних – через сопла. У реактивній турбіні тиск води перед робочим колесом більше атмосферного, а за ним може бути як більше, так і менше атмосферного тиску. В активній турбіні вода перед робочим колесом і за ним має тиск, рівний атмосферному.

Основним розміром турбіни, що визначає параметри її проточного тракту, є діаметр робочого колеса D1, для великих турбін сягаючий більше 10 м.

Існує велика кількість різних видів турбін, однак у практиці гідроенергетичного будівництва широко використовуються чотири види: осьові, діагональні, радіально-осьові, які відносяться до реактивних, і ковшові активні турбіни.

Області застосування турбін різних видів залежно від напору показані на мал. 5.5.

Області застосування турбін деяких видів можуть перекриватися. Так, при напорах 50–70 м можуть застосовуватися й осьові, і діагональні, й радіально-осьові турбіни.

Оптимальний тип турбін вибирається на підставі техніко-економічних зіставлень різних варіантів.

Осьові турбіни бувають горизонтальні капсульні при напорах в основному до 25 м; поворотно-лопатеві вертикальні (турбіни Каплана) при напорах до 60 м; пропелерні при напорах до 60 м.

Робоче колесо осьової турбіни складається з лопатей, укріплених у корпусі з обтічником, і з'єднане з валом. Кількість лопатей звичайно становить від 4 до 8 і збільшується з підвищенням напору.

Робоче колесо з валом являють собою обертову частину турбіни.

Мал. 5.5. Області застосування турбін різних видів

Турбінна спіральна камера в основному виконується бетонною й має трапецоїдальний поперечний переріз. Тільки при відносно високих напорах (звичайно більш 50 м) застосовуються металеві турбінні камери круглого поперечного перерізу.

Колони статора турбіни призначені для передачі навантаження від верхнього опорного пояса статора до нижнього. Для зменшення гідравлічних втрат колони статора мають зручно обтічну форму.

Напрямний апарат складається з 20–32 напрямних лопаток, що залежить від діаметра розташування лопаток (D0), які формують кільцеву решітку лопатей, створюючи закручення потоку перед його входом на лопаті робочого колеса. Крім того, лопатки напрямного апарата використовуються для регулювання потужності турбіни. Із цією метою кожна лопатка може повертатися на осі й при синхронному повороті всіх лопаток на деякий кут змінюється відкриття. Відповідно змінюються витрата, що пропускається, і потужність гідротурбіни.

Вода відводиться від робочого колеса за допомогою відсмоктувальної труби, що являє собою розширюваний водовід (дифузор), який забезпечує планове зниження швидкості до виходу потоку в нижній б'єф, дозволяючи зменшити кінетичну енергію потоку при виході з турбіни й за рахунок цього підвищити її к.к.д. Відсмоктувальна труба великих турбін завжди виконується з бетону.

Поперечний розріз будинку ГЕС із гідроагрегатом з осьовою турбіною показаний на мал. 4.18.

Капсульні гідротурбіни з генератором у капсулі, що утворюють разом капсульний гідроагрегат, застосовуються при низьких напорах і великих витратах води, досягають потужності 70 МВт і вище при діаметрі робочих коліс 8 м і більше.

Вони мають підвищені енергетичні показники (пропускну здатність й к.к.д.) завдяки прямоточному тракту й характеризуються зменшеними габаритами агрегатного блоку ГЕС, що дозволяє знизити вартість будівництва. Максимальний к.к.д. таких турбін досягає 94–95%.

При використанні капсульних агрегатів потік по довжині всього проточного тракту має мінімальні повороти й, що особливо важливо, прямовісний рух без повороту у відсмоктувальній трубі. Це приводить до зниження гідравлічних втрат і збільшення к.к.д. турбіни, особливо при великих витратах води. У результаті такі турбіни розвивають на 20–35% більшу потужність, ніж вертикальні того ж розміру. Мал. 5.6. Капсульний агрегат Київської ГЕС: 1 – колони статора; 2 – шахта; 3 і 4 – ротор і статор генератора; 5 – масловодоприймач; 6 – підп'ятник; 7– капсула; 8 – бичок; 9 – напрямний апарат; 10 – робоче колесо турбіни; 11 – турбінний підшипник

У капсульному агрегаті (мал. 5.6) металева герметична капсула, в якій розміщається генератор, розташовується звичайно з боку верхнього б'єфа, що забезпечує найбільш сприятливі гідравлічні умови в проточному тракті. Капсула опирається на залізобетонний бичок і порожні статорні колони, через які проходять маслоі шинопроводи. Регулююче кільце конічного напрямного апарата й сервомотори розташовані зовні капсули. Вхід у капсулу з машинного залу передбачений по вертикальній герметизованій металевій шахті.

В Україні горизонтальні капсульні гідротурбіни виготовляються на ВАТ «Турбоатом». Такі гідротурбіни виробництва ВАТ «Турбоатом» одиничною потужністю 21 МВт при напорі 7,7 м встановлені на Київській ГЕС у кількості 20 агрегатів (див. мал. 5.6), на Канівській ГЕС (24 агрегати) – одиничною потужністю 23 МВт при напорі 7,4 м, на Єникидській ГЕС – одиничною потужністю 38,7 МВт при напорі 16 м (4 агрегати) в Азербайджані, а також на ГЕС Пурнарі II у Греції й на ГЕС Клостерфос у Норвегії.

Капсульні гідротурбіни, виготовлені в Росії на ВАТ «Силові машини – ЛМЗ», встановлені на Саратовській ГЕС (2 агрегати) потужністю 47,3 МВт, напір 10,6 м, D1=7,5 м;

на ГЕС Дженмег (6 агрегатів) потужністю 29 МВт, напір 7,3 м, D1=7,5 м у Канаді; на ГЕС Джердап (8 агрегатів) у Сербії потужністю 29 МВт, напір 7,45 м, D1=7,5 м та ін.

Найбільш великі капсульні агрегати встановлено на ГЕС Tadami потужністю 65,8 МВт, напір 20,7 м, D1=6,7 м в Японії (1989 р.); ГЕС Hangjiang потужністю 48,2 МВт, напір 27,3 м, D1=5,46 м у Китаї (2003 р.) У Бразилії на р. Мадейра будуються ГЕС Санто-Антоніо встановленою потужністю 3,15 млн.кВт і ГЕС Джирау встановленою потужністю 3,3 млн. кВт, де передбачається установка капсульних агрегатів одиничною потужністю 73,5 і 76,5 МВт при напорі 13,9 і 15,1 м, D1=8,17 і 7,94 м відповідно.

Мал. 5.7. Розріз по поворотно-лопатевій турбіні Кременчуцької ГЕС: 1 – колони статора; 2 – напрямні лопатки; 3 – нижнє кільце; 4 – кришка турбіни; 5 – лопаті робочого колеса; 6 – корпус робочого колеса; 7 – фланець вала; 8 – вал; 9 – обтічник робочого колеса; 10 – камера робочого колеса; 11 – висувний сегмент; 12 – важіль напрямної лопатки; 13 – серга; 14 – регулююче кільце; 15 – сервомотори; 16 – підшипник; 17 – опорна конструкція підп'ятника генератора

 Мал. 5.8. Розріз по гідроагрегату Зейської ГЕС із діагональною поворотнолопатевою турбіною й зонтичним генератором: 1 – лопатки напрямного апарата; 2 – колони статора; 3 – сферична частина камери робочого колеса; 4 – нижній пояс камери робочого колеса; 5 – робоче колесо турбіни; 6 – кришка турбіни; 7 – спіральна камера; 8 – опорний фланець; 9 – сервомотор напрямного апарата; 10 – турбінний підшипник; 11 – мастилопроводи до сервомотора робочого колеса; 12 – вал; 13 – маслоприймач; 14 – генераторний підшипник; 15 – надставка вала; 16 – маточина ротора генератора; 17 – опорний конус; 18 – кришка робочого колеса; 19 – сервомотор робочого колеса; 20 – підп'ятник

Поворотно-лопатеві вертикальні гідротурбіни (Каплана) за обсягами використання перебувають на другому місці у світовій практиці після радіально-осьових гідротурбін. У цих турбінах лопаті виконуються поворотними, завдяки чому залежно від умов роботи (навантаження, напору) кут їх установки може змінюватися, що дозволяє одержати більш високі енергетичні показники.

Такі турбіни встановлені на каскаді Дніпровських ГЕС (Каховська, Дніпродзержинська, Кременчуцька), Волзьких ГЕС (Рибинська, Горьківська, Волзька, Саратовська) та ін.

Найбільш потужними турбінами цього типу виробництва ВАТ «Турбоатом» оснащені ГЕС Сальто Гранде (Аргентина–Уругвай) — 138 МВт, Шамхорська ГЕС (Азербайджан) — 195 МВт, Шульбинська ГЕС (Казахстан) — 230 МВт, Дністровська ГЕС-1 (Україна) — 120 МВт, Міатлинська ГЕС (Росія) — 113 МВт, а турбінами виробництва ВАТ «Силові машини – ЛМЗ» оснащені Волгоградська й Волзька ГЕС — 115 МВт (Росія), Джердап — 175 МВт (Сербія–Румунія), Саратовська ГЕС — 60 МВт при розрахунковому напорі 9,7 м з найбільшими турбінами, що мають діаметр робочого колеса 10,3 м (Росія).

Конструкція вертикальної поворотно-лопатевої турбіни показана на мал. 5.7 на прикладі турбіни Кременчуцької ГЕС (діапазон напорів 9,6–16,9 м, потужність 58 МВт, діаметр робочого колеса D1=8,0 м).

Пропелерні гідротурбіни, в яких лопаті жорстко закріплені, застосовуються при незначних коливаннях напору на ГЕС. У них завдяки відсутності механізму розвороту лопатей робочого колеса зменшується діаметр втулки, що дає можливість збільшити витрату через турбіну й підвищити її потужність.

Діагональні гідротурбіни відображають прагнення використовувати поворотнолопатеві турбіни при більш високих напорах. Вони відрізняються від осьових турбін тим, що лопаті робочого колеса встановлені з нахилом до осі обертання (кут 45–60°). Лопаті робочого колеса — поворотні, що дозволяє застосовувати поворотнолопатеві турбіни в області більш високих напорів і конкурувати з радіально-осьовими завдяки можливості більш широкого регулювання з урахуванням напору й витрати, підвищенню середньоексплуатаційного к.к.д.

Однак їх надійність нижча, ніж радіально-осьових турбін.

Найбільші діагональні турбіни виробництва ВАТ «Силові машини – ЛМЗ» встановлено на Зейській ГЕС потужністю 220 МВт при напорах 74,5–97,3 м, діаметрі робочого колеса 6,0 м (мал. 5.8).

Радіально-осьові гідротурбіни (Френсіса) знайшли найбільш широке застосування в гідроенергетиці. Вони застосовуються при напорах від 40 до 700 м (мал. 5.9).

На таких турбінах потік води входить у робоче колесо в радіальному напрямку, а виходить із нього в осьовому, у зв'язку із чим вони й названі радіально-осьовими.

Робоче колесо радіально-осьової турбіни складається з 12–17 лопатей, що утворюють кругову решітку. Лопаті жорстко закладені в маточину й обід, завдяки чому все робоче колесо одержує необхідну міцність і твердість. Робоче колесо з'єднане із фланцем вала.

Спіральна камера звичайно виконується металевою із круглим поперечним перерізом для кращого сприйняття значного внутрішнього тиску води.

Напрямний апарат, що складається з 16–24 напрямних лопаток, забезпечує необхідний напрямок потоку перед входом на робоче колесо.

Такі турбіни виробництва ВАТ «Силові машини – ЛМЗ» встановлені на Красноярській ГЕС із потужністю гідроагрегата 500 МВт, максимальний напір 101 м, розрахунковий 93 м, D1=7,5 м; на Саяно-Шушенській ГЕС потужністю 640 МВт, максимальний напір 220 м, розрахунковий 194 м з робочим колесом (D1=7,7 м) з 16 лопатями, а в останні роки на Бурейській ГЕС потужністю 330 МВт, напір 120 м; на ГЕС Уїтес потужністю 211 МВт, напір 118 м (Мексика); ГЕС Ялі потужністю 188,5 МВт, напір 208 м (В'єтнам) та ін.

Мал. 5.9. Розріз по гідроагрегату з високонапірною радіально-осьовою турбіною: 1 – робоче колесо турбіни; 2 – кришка турбіни; 3 – вал; 4 – генератор

Мал. 5.10. Розріз по гідроагрегату Нурекської ГЕС із радіальноосьовою турбіною й підвісним генератором: 1 – верхня хрестовина опорної конструкції ротора; 2 – охолоджувачі; 3 – підп'ятник (упорний підшипник); 4 – радіальні підшипники; 5 – розпірні домкрати; 6 – шини; 7 – кожух; 8 – охолоджувачі; 9 – корпус статора; 10 – сердечник статора; 11 – обмотка змінного струму статора; 12 – полюси ротора; 13 – обід ротора; 14 – колодки гальм; 15 – гальмове кільце ротора; 16 – остов ротора; 17 – фланець вала; 18 – маточина ротора; 19 – вал ротора; 20 – нижня хрестовини опорної конструкції ротора

Великі турбіни виробництва ВАТ «Турбоатом» встановлені на Нурекській ГЕС (мал. 5.10) з потужністю гідроагрегата 300 МВт, максимальний напір 275 м, розрахунковий 223 м (Таджикистан); на Чиркейській ГЕС потужністю 250 МВт, максимальний напір 207 м, розрахунковий 170 м (Росія); на Інгурській ГЕС (Грузія) потужністю 260 МВт, максимальний напір 404 м, розрахунковий 325 м, а в останні роки на ГЕС Пьєра дель Агіла (Аргентина) з потужністю турбіни 356 МВт, напір 108 м, на ГЕС Агуа-Мільпа (Мексика) з потужністю турбіни 325 МВт, напір 145 м; ГЕС Тери (Індія) з потужністю турбіни 255 МВт, напір 188 м; на ГЕС Ель-Кахон (Мексика) з потужністю турбіни 380 МВт, напір 156,5 м; на ГЕС Ла Йеска (Мексика) з потужністю 426 МВт, напір 186,7 м, турбіни з вбудованим кільцевим затвором.

Ці сучасні радіально-осьові турбіни виробництва ВАТ «Турбоатом» і «Силові машини – ЛМЗ» мають високий к.к.д., максимальна величина якого сягає 96%.

Найбільшими турбінами є радіальноосьові турбіни ГЕС Гренд-Кулі-3 (США) потужністю 820 МВт, напір 87 м, D1=9,7 м; ГЕС Ітайпу (Бразилія – Парагвай) потужністю 800 МВт, напір 118,4 м і «Три ущелини» (Китай) з потужністю гідроагрегата 700 МВт, напори 71–113 м (розрахунковий 80,6 м), D1=10 м, максимальний к.к.д. 96% фірм «Alstom Power» і «GE Hydro» (мал. 5.11 і 5.12).

Великі сучасні гідротурбіни також роблять фірми «Voith Siemens», «Tech Hydro», «Toshiba» й ін.

Ковшові гідротурбіни застосовуються на ГЕС при великих напорах (більше 300 м) або на малих ГЕС, де гідротурбіна повинна працювати при дуже малих витратах (0,3–0,7 м3/с) і напорах 100 м і вище. Основними елементами ковшової турбіни є сопла й робоче колесо, яке складається з диска з робочими лопатями, схожими на ковші (звідси назва «ковшова»). Загальне число лопатей 12~40.

Конструктивні форми ковшових турбін значною мірою залежать від загального числа сопел, тобто числа струменів, що натікають із величезною швидкістю на лопаті турбіни. Збільшення числа струменів приводить до відповідного збільшення потужності турбіни при збереженні діаметра робочого колеса.

За положенням вала всі турбіни поділяються на дві групи – горизонтальні й вертикальні. У горизонтальних турбінах (мал. 5.13) використовуються схеми з однією й двома струменями, причому в другому випадку потрібна спеціальна форма розгалуження водовода. У вертикальних турбінах (мал. 5.14) застосовується охоплюючий спіральний водовід, що дає можливість використовувати різне число струменів, наприклад два, чотири, шість, а іноді й непарне їх число.

Вода до ковшових турбін підводиться по напірним водоводам.

На відміну від ковшових в осьових і радіально-осьових турбінах по всій довжині проточного тракту потік суцільний, напірний, робоче колесо обертається у воді й всі його лопаті постійно обтікаються потоком. Ці особливості осьових і радіально-осьових турбін уможливлюють використання робочим колесом всіх компонентів енергії води, що протікає: енергії тиску, енергії положення (потенційної) і кінетичної енергії.

У ковшових турбінах робоче колесо обертається в повітрі й тільки частина лопатей у цей момент часу перебуває у взаємодії з водою. Робоче колесо ковшових турбін може використовувати тільки кінетичну енергію води, тобто перед входом на робоче колесо вся її енергія повинна бути перетворена в кінетичну, що здійснюється за допомогою сопла. Таким чином, швидкість води (струменя) визначає величину кінетичної енергії, що підводиться до робочого колеса. Гранична величина швидкості води обмежується в основному величиною втрат, тобто рівнем падіння к.к.д.

В останні роки найбільш велика високонапірна ковшова турбіна встановлена на ГЕС Будрон у складі гідровузла Клузон-Диксан (Швейцарія) потужністю 400 МВт, напір більше 1800 м.

Оборотні гідромашини (насос-турбіни) одержали розвиток у зв'язку з інтенсивним будівництвом ГАЕС, в яких у нічний період, коли в енергосистемі є надлишок потужності, агрегати працюють у насосному режимі, перекачуючи воду з нижньої водойми у верхню, а в період максимуму навантаження у вечірній пік вони працюють у турбінному режимі, видаючи електроенергію в енергосистему. Таким чином, оборотна гідромашина працює як турбіна і як насос. Оборотні гідромашини можуть виконуватися, як і реактивні гідротурбіни, осьовими, діагональними й радіально-осьовими.

Мал. 5.11. Схематичне зображення спіральної камери й турбіни

Мал. 5.12. Схематичне зображення будинку ГЕС «Три ущелини»: 1 – генератор; 2 – турбіна

 Мал. 5.13. Горизонтальна ковшова турбіна: 1 – водовід; 2 – робоче колесо турбіни; 3 – передтурбінний затвор; 4 – вал

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

б

 Мал. 5.15. Розріз по насос-турбіні ГАЕС Реккун-Маунтін: 1 – робоче колесо; 2 – лопатки напрямного апарата; 3 – колони статора; 4 – напрямний підшипник; 5 – вал; 6 – спіральна камера; 7 – сервомотор; 8 – трубопровід стисненого повітря для віджимання води з порожнини робочого колеса; 9 – трубопровід для відводу води з камери робочого колеса

 Мал. 5.16. Розріз по насос-турбіні Загорської ГАЕС: 1 – робоче колесо; 2 – лопатки напрямного апарата; 3 – спіральна камера; 4 – статор; 5 – відсмоктувальна труба; 6 – конус робочого колеса; 7 – колектор; 8 – вал; 9 – напрямний підшипник

Область застосування оборотних гідромашин з однією й багатоступінчастими насос-турбінами безупинно розширюється у бік більш високих напорів.

При низьких напорах до 15 м на ГАЕС можуть застосовуватися горизонтальні капсульні оборотні агрегати.

При напорах до 150 м можливе використання діагональних насос-турбін, встановлених, наприклад, на японських ГАЕС Синкан і Такане 1.

При напорах від 60 до 600–700 м найбільше поширення у світі одержали вертикальні радіально-осьові насос-турбіни.

Найбільш потужні оборотні гідроагрегати з радіально-осьовими насос-турбінами, що мають високі енергетичні показники, встановлені в США на ГАЕС Реккун-Маунтін з потужністю в турбінному режимі 360–400 МВт, розрахунковий напір 297 м (максимальний — 305 м), частота обертання 300 об/хв., D1=4,95 м (мал. 5.15) і Бас Каунті – 360 –500 МВт, розрахунковий напір 329 м (384 м), частота обертання 257,1 об/хв., D1=6,4 м, максимальні к.к.д. у насосному й турбінному режимах 92,7 і 92%; в Японії на ГЕС Kazunogawa – 400 МВт, напір 714 м, Kannagawa – 470 МВт, напір 653 м.Мал. 5.17. Розріз по оборотному агрегату Дністровської ГАЕС

При напорах більше 700 м одержали поширення компактні багатоступінчасті насос-турбіни, на валу яких встановлено два й більше робочих коліс.

У Франції й Італії побудовані кілька ГАЕС із такими агрегатами потужністю по 130–150 МВт при напорах 700–1300 м.

Великі сучасні оборотні гідромашини виготовляють фірми «Voith Siemens», «Toshiba», «Tech Hydro», «GE Hydro», ВАТ «Cилові машини – ЛМЗ», ВАТ «Турбоатом» та ін.

Оборотні гідромашини виробництва ВАТ «Cилові машини – ЛМЗ» встановлені на Загорській ГАЕС (Росія) і Круонісській (Кайшадорській) (Литва) з потужністю гідроагрегата в турбінному режимі 200 МВт, розрахунковий напір 100 м, D1=6,3 м, максимальні к.к.д. у насосному й турбінному режимах 92,0 і 92,5% (мал. 5.16); на Ташлицькій ГАЕС (Україна) потужністю 161 МВт, напір 73 м, D1=6,3 м.

Найбільш потужні в Європі оборотні гідромашини виробництва ВАТ «Турбоатом» встановлюються на Дністровській ГАЕС (Україна) з потужністю гідроагрегата в турбінному режимі 380 МВт, напір 135 м, D1=7,3 м, максимальний к.к.д. у насосному й турбінному режимах 92,8 і 93,5% відповідно (мал. 5.17).

Завдяки вдосконаленню конструкції і технології виготовлення оборотних гідромашин зросли надійність їх роботи, к.к.д., коефіцієнт готовності до роботи, що важливо з огляду на їх інтенсивне використання в різних режимах.

ВАТ «Турбоатом» виробляє парові турбіни для ТЕС і АЕС, гідротурбіни й оборотні гідромашини для ГЕС і ГАЕС й газові турбіни для ТЕС.