Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
v. Скорость исте- чения струи из отверстия (сопла) v: 64 v = k√ 2Gh, где k = 0,970-0,985 – коэффициент, характеризующий потери напора в преде- лах проточной части турбины и на выходе из сопла. Тем самым, в сопле 97-98,5% удельной энергии воды Н, подведённой по трубопроводу (за вычетом потерь), преобразуется в кинетическую. Рабочее колесо ковшовой турбины расположено в воздушном про- странстве. Рабочее колесо снабжено ковшеобразными лопастями (ковшами) (7), каждая из которых последовательно принимает на себя высокоскорост- ную струю. Внутри сопла (3) имеется регулирующая игла. Игла перемещает- ся вдоль оси потока и меняет диаметр выходящей из сопла струи, тем самым, регулируя расход воды (мощность). Для быстрого отвода струи от рабочего колеса в ковшовой турбине имеется отклонитель (6). Рабочее колесо, сопло и отклонитель заключены в закрытый кожух (5). Вода, отдав свою энергию ра- бочему колесу, стекает в отводящий канал (нижний бьеф). В настоящее вре- мя выпускаются ковшовые турбины с несколькими соплами на одной турбине. Ковшовые турбины выполняются как с горизонтальным расположени- ем вала (оси), так и вертикальным. Ковшовые турбины применяются на высоконапорных ГЭС в диапазоне напоров 300÷2000 м. Единичная мощность ковшовых турбин не превышает 300 МВт. На территории бывшего СССР ковшовые турбины применялись редко из-за относительно небольшого количества деривационных ГЭС в ус- ловиях высокогорья. Ковшовые турбины единичной мощностью 178 МВт при частоте вра- щения 300 об/мин разработаны ЛМЗ для Зарамагской ГЭС (турбины шести- сопловые, расчетный напор 620 м, диаметр рабочего колеса 3,28 м). 4.1.3. Реактивные турбины Класс реактивных турбин в зависимости от направления воды, посту- пающей к лопастям турбин, подразделяется на следующие системы: ради- ально-осевые, осевые (поворотно-лопастные и пропеллерные) и диаго- нальные. Характерными особенностями реактивных турбин, отличающих их от активных, являются: расположение рабочего колеса полностью в воде и од- 65 новременный подвод воды ко всем лопастям турбины. Общий вид рабочих колес реактивных турбин показан на рис. 4.4. Радиально-осевые турбины (турбины Френсиса), характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а на сходе с рабочего колеса в осевом направлении. Радиально-осевые турбины могут выполняться с вертикальным расположением вала (оси) и с горизон- тальным. Радиально-осевые турбины применимы для широкого диапазона напо- ров от 40 до 600 м. Рабочее колесо радиально-осевого типа, представляет собой простран- ственную систему, состоящую из верхней ступицы (верхний обод), нижнего обода, между которыми располагаются лопасти сложной пространственной формы (рис. 4.4, а). Число лопастей турбины может колебаться от 9 для низ- конапорных до 21 для высоконапорных турбин. Находясь в потоке, рабочее колесо, кроме давления воды, испытывает действие центробежных сил, кото- рые существенно возрастают при разгонной частоте вращения. Расчёт такой конструкции представляет большую сложность и производится с рядом до- пущений. Поэтому при проектировании крупных РК обязательно проводят экспериментальные тензометрические исследования их напряженного со- стояния на моделях колес. Пропеллерные турбины с жёстким закреплением лопастей (рис. 4.4, б) и поворотно-лопастные (турбины Каплана) с поворотом лопастей обра- зуют систему (рис. 4.4, в, г) осевых турбин, отличающихся тем, что поток воды на входе и выходе с рабочего колеса имеет одно и то же осевое направ- ление. Расположение осей турбин может быть как вертикальным, так и гори- зонтальным. При низких и средних напорах (до 80 м) используются осевые вертикальные турбины (пропеллерные и поворотно-лопастные). При низких напорах (до 20 м) – осевые горизонтальные капсульные турбины. Поворотно-лопастная вертикальная турбина отличается от пропеллер- ной тем, что ее лопасти могут поворачиваться. Поэтому КПД этой турбины при частичных нагрузках выше, чем у пропеллерной, благодаря тому, что расход может регулироваться не только с помощью лопаток направляющего аппарата, но и поворотом лопастей, обеспечивая оптимальное обтекание ра- бочего колеса. Для каждого установившегося режима работы существует наивыгод- нейшее взаимное расположение разворота лопастей и открытия направляю- щего аппарата. Оптимальную зависимость между их положением называют комбинаторной зависимостью. 66 Рис. 4.4. Рабочие колеса реактивных турбин а – радиально-осевая; б – пропеллерная; в – поворотно-лопастная; г – двухперовая; д – диагональная Мощными поворотно-лопастными турбинами оснащены все Волжские гидростанции (в г. Жигулевске, в г. Волжском и в г. Саратове). Каждая из 20 турбин Волжской ГЭС (г. Жигулевск) при напоре 22,5 м имеет мощность 126 МВт. Для рабочего колеса турбины поворотно-лопастного типа характерным является наличие механизма поворота лопастей, расположенного внутри корпуса (втулки) РК. Наиболее распространенным механизмом является кри- вошипный тип привода. Во втулке часто располагают и сервомотор привода механизма поворота лопастей, хотя имеются и другие схемы. Во многих по- воротно-лопастных турбинах смазка механизма осуществляется маслом, проникающим через зазоры из цилиндра сервомотора, то есть объём втулки, где размещается механизм поворота лопастей, постоянно заполнен маслом. Между подвижным фланцем лопасти и втулкой РК устраивается уплотнение для предотвращения попадания воды в область механизма поворота и наобо- рот протечек масла из этого объёма в воду. В практике эксплуатации необхо- димого качества уплотнения достичь не удалось, поэтому имеет место попа- дание масла в воду, что является серьёзным недостатком. Поэтому несколько лет назад было разработано «экологически чистое» поворотно-лопастное ра- бочее колесо для Нижне-Камской, Чебоксарской и Майнской ГЭС. Конст- рукция РК выполнена с применением в механизме поворота лопастей опор- ных втулок, поверхности трения которых изготовлены из полимерных мате- риалов, не требующих смазки маслом. Это позволило внутреннюю полость корпуса рабочего колеса РК отделить от масла системы регулирования, что- 67 бы исключить попадание масла в воду. Все трущиеся поверхности в сопря- жениях с полимерными поверхностями выполнены из нержавеющей стали, в предположении, что эти трущиеся пары будут исправно работать на водяной смазке. Однако опыт показал, что свойства полимерных материалов оказа- лись неудовлетворительными, в трущихся парах возникали большие силы трения, которые в значительном ряде случаев привели к поломке деталей ме- ханизма поворота лопастей. Элементы подвода воды к вертикальной осевой турбине схожи с трак- том подвода воды к радиально-осевой: (спиральная камера – направляющий аппарат – лопасти турбины – камера рабочего колеса. Форма поперечного сечения спиральной камеры у радиально-осевых турбин круглая, а у осевых – тавровая. Это продиктовано условиями работы турбин. Радиально-осевые турбины высоконапорные, поэтому механические нагрузки на спиральную камеру высокие и требуют применения металла для их изготовления при наивыгоднейших очертаниях. Поворотно-лопастные турбины низконапорные, поэтому спиральные камеры выполняются из бето- на, нагрузки на который меньше, а укладка его в геометрически прямолиней- ные блоки проще. Отвод воды от осевой турбины так же, как от радиально- осевой, происходит через отсасывающую трубу. Диагональные турбины, предложенные в нашей стране В.С. Квятков- ским по своей конструкции также поворотно-лопастные. Однако по направ- лению движения потока они не являются осевыми, в них линии тока направ- лены по коническим образующим, т.е. поток движется по диагонали. Форма лопастей и угол наклона лопастей к горизонту существенно отличаются от осевых поворотно-лопастных (рис. 4.4, д). Их свойства позволяют расширить область применения по сравнению с поворотно-лопастными осевыми турбинами и использовать на высоконапор- ных ГЭС (диапазон напоров 50÷150 м). Крупнейшие в мире диагональные турбины, изготовленные ЛМЗ, установлены в 1975 г. на Зейской ГЭС (еди- ничная мощность 215 МВт, расчетный напор 78,5 м). Обратимые гидротурбины (насосотурбины) используются на ГАЭС. Для напоров 50÷150 м (наиболее распространенных) на ГАЭС в качестве наилучших конструкций в последнее время нашли применение поворотно- лопастные насосотурбины диагональной системы. Они по сравнению с ради- ально-осевыми обладают большей быстроходностью (см. ниже), за счёт по- ворота лопастей обеспечивают лучшие КПД при частичных мощностях и приближаются к оптимуму в обоих режимах (турбинный и насосный при одинаковых n и Н), но уступают им в кавитационных свойствах. При напорах менее 20 м в качестве обратимых турбин применяют горизонтальные кап- сульные поворотно-лопастные машины. Лопасти, находящиеся в коррозионной среде, испытывая совместное действие нагрузки от потока воды и центробежных сил, подвергаются спе- 68 цифическим кавитационным разрушениям. Поэтому к материалу лопастей предъявляются не только требования высоких механических свойств мате- риалов, обеспечивающих необходимую прочность лопасти, но и стойкости против кавитационного разрушения её поверхности. В практике гидротурбостроения лопасти изготовлялись из разных ма- териалов. Применение углеродистой и малолегированной сталей для лопа- стей нецелесообразно из-за неудовлетворительной их сопротивляемости ка- витационным воздействиям Наилучшим качеством по кавитационной стой- кости наряду с другими положительными свойствами обладает нержавеющая сталь 1Х18Н9Т, нанесенная на поверхность лопасти путём автоматической наплавки широкими ленточными электродами. В этом случае само тело ло- пасти может быть изготовлено из высокопрочной некавитационной стали. Диаметр рабочего колеса турбины DI является основным размером, оп- ределяющим при заданном напоре и пропускной способности (Q) мощность и массу турбины. Гидродинамические качества рабочего колеса в основном определяют такие характеристики турбины, как КПД, приведенный расход, частота вра- щения, кавитационный коэффициент и др. Они определяются при испытани- ях модельной турбины на лабораторной установке. Коэффициент полезного действия установки определяется как отно- шение использованной энергии или мощности к энергии или мощности по- тока. Стремление к наиболее полному использованию располагаемой водной энергии является основной тенденцией всей современной гидроэнергетики в мире. Достигнутый уровень КПД в современных крупных турбинах призна- ётся достаточно высоким, но задача его дальнейшего повышения продолжает быть актуальной проблемой современного гидротурбостроения. Отечествен- ные турбины Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью 650 МВт и Красноярской ГЭС 508 МВт имеют КПД около 95%. Турбины проектируются во взаимной увязке со всеми элементами тур- бинной установки. Чтобы экономично использовать энергию воды, номинальный режим турбины рассчитывают при максимальном КПД. Поэтому если при номи- нальной нагрузке, когда проходящий через турбину поток воды, создает но- минальный крутящий момент, происходит внезапный сброс нагрузки с ге- нератора, то есть происходит резкое снижение (почти до нулевого значения) противодействующего момента, агрегат за несколько секунд может раскру- титься до скорости, равной максимальной частоте вращения турбины. Для предотвращения увеличения частоты вращения агрегата при сбро- се нагрузки требуется уменьшить почти до нулевого значения крутящий мо- мент, создаваемый потоком воды, проходящим через турбину. Это выполня- ется системой регулирования турбины, которая действует на закрытие на- 69 правляющего аппарата (НА), и подача воды на лопасти рабочего колеса тур- бины почти полностью прекращается. При своевременном закрытии НА (исправное его состояние) агрегат успевает достичь частоты вращения на 30-35% выше номинальной, посколь- ку регулятор обладает некоторым запаздыванием. В случае неисправной работы регулятора, когда после сброса номи- нальной нагрузки НА турбины остаётся полностью открытым и турбина раз- вивает максимальный крутящий момент, агрегат развивает максимальную частоту вращения, существенно превышающую номинальную. Эту макси- мальную частоту вращения называют угонной (nу) или разгонной. Явление угона характеризуют коэффициентом угонной частоты враще- ния (Ку), равным отношению угонной к номинальной частоте вращения: Ку = nу /nн. Коэффициент угонной частоты вращения для разных систем турбин ориентировочно составляет: для ковшовых 1,8; для радиально-осевых 1,8÷2,2; для поворотно-лопастных 2,0÷3,5. Во избежание гидравлического удара в проточном тракте турбины ре- гулятором частоты вращения задаётся определённая скорость закрытия НА турбины (например, время закрытия НА для турбины Саяно-Шушенской ГЭС в диапазоне от 80% открытия до 20% составляет 7,5-8,0 с.), то есть сис- тема регулирования не может быстро изменить крутящий момент турбины, но в то же время сокращает подачу воды так, чтобы турбина, развивая оборо- ты при сбросе нагрузки, не достигала разгонной частоты вращения. Направляющий аппарат (НА) является одним из главных узлов, оп- ределяющих компоновку всей турбины. При проектировании НА для уменьшения в нём потерь необходимо так конструировать спиральную камеру и НА, чтобы в наиболее важном диапа- зоне режимов работы турбины (области высоких КПД) угол между вектором скорости потока в спиральной камере и касательной к оси профиля направ- ляющей лопатки на входе был минимальным. Направляющий аппарат подаёт воду на лопасти РК под некоторым уг- лом. Окружная скорость u на лопасти всегда поддерживается неизменной, так как неизменной должна оставаться частота вращения ротора генератора. Это необходимо для поддержания постоянной частоты переменного электри- ческого тока в сети. При больших углах поворота лопаток НА поток на лопа- сти радиально-осевых РК попадает с ударом. Это является одной из причин снижения КПД этих турбин. При поворотных лопастях правильное безудар- 70 ное попадание потока на лопасти происходит в более расширенном диапазо- не открытий НА, поэтому и характеристика КПД поворотно-лопастных тур- бин выгодно отличается от характеристики радиально-осевых турбин. Одновременный поворот лопаток НА осуществляется усилием серво- моторов, представляющих собой цилиндры, в которых силой давления масла перемещаются поршни (рис. 4.5), передавая усилия через кинематические связи на поворот лопаток НА. Рис. 4.5. Схема кинематической связи направляющих лопаток НА с двумя сервомоторами 1 – лопатки; 2 – регулирующее кольцо; 3 – корпус сервомотора; 4 – поршень сервомотора; 5 – шток сервомотора Большой эффект может дать применение схемы с индивидуальными сервомоторами, при которой устраняется регулирующее кольцо. Наиболее целесообразным может оказаться применение такой схемы для турбин с на- пором 100-200 м. Поэтому уже на турбинах Саяно-Шушенской ГЭС был применён при- вод лопаток НА с индивидуальным сервомотором на каждую лопатку (рис. 4.6). Для уменьшения размеров индивидуальных сервомоторов было впервые применено повышенное давление в МНУ и системе регулирования 6,3 МПа. Опыт эксплуатации подтвердил основное преимущество такого приво- да – это большие перестановочные усилия по перемещению лопаток НА. Создана улучшенная компоновка турбины и оптимальные условия для её об- служивания. Индивидуальные сервомоторы позволяют увеличить плотность закрытия НА, достичь одинакового открытия всех лопаток на всём диапазоне. 71 Рис. 4.6. Фрагмент крышки турбины Саяно-Шушенской ГЭС с индивидуальными сервомоторами привода лопаток НА 1 – крышка турбины; 2 – корпус индивидуального сервомотора; 3 – золотник индивиду- ального сервомотора; 4 – промежуточный сервомотор; 5 – поршень со штоком индивиду- ального сервомотора; 6 – лопатка НА; 7 – верхний подшипник лопатки НА; 8 – средний подшипник лопатки НА; 9 – нижний подшипник лопатки НА; 10 – побудительный золотник; 11 – рычаг; 12 – тяга Подшипники вертикальных турбин играют роль лишь направляющих подшипников (подпятник – упорный подшипник агрегата в целом рассмот- рим ниже). Направляющие подшипники подвержены лишь действию случай- ной нагрузки, вызываемой динамической неуравновешенностью вращаю- щихся частей, а также несимметричностью потока воды. Число подшипников в агрегате устанавливают в зависимости от конст- рукции турбины, генератора и соответствующей длины вала. В крупных тур- бинах применяются в основном подшипники скольжения. Для вертикальных турбин широкое распространение получили резиновые подшипники на водя- ной смазке, в ряде случаев применялся и лигнофоль. В других видах под- шипников, где применяется масляная смазка для вкладышей, используется баббит. Вал вертикальной турбины испытывает совместное действие растя- жения и кручения, проектирование и изготовление валов для мощных и сверхмощных турбин является достаточно сложной проблемой. Например, вал для турбины Саяно-Шушенской ГЭС изготовлен сварным из двух полу- 72 цилиндров с толщиной стенки 300 мм. По концам вал обычно имеет фланцы для соединения с рабочим колесом и валом генератора или непосредственно со ступицей ротора. МНУ при проектировании турбины выбирают, исходя из расчёта коли- чества масла, необходимого для регулирования турбины в наиболее неблаго- приятном цикле (полное открытие НА – отказ насосов подкачки – закрытие НА). В этом режиме при расходовании масла давление в котле МНУ будет уменьшаться, но объёма масла должно хватить, чтобы обеспечить указанный цикл. Воздушный объём котла должен обеспечивать (после израсходования масла на процесс регулирования) сохранение минимального давления, доста- точного для закрытия турбины. Транспортировка узлов и деталей турбины является предметом спе- циального рассмотрения в проекте турбин, поскольку, чем крупнее может быть изготовлен и собран узел (не расчленен на части) в заводских условиях, тем качество его выше. В первую очередь это касается рабочих колёс. Нераз- резное колесо по своим энергетическим качествам существенно выше раз- резных, сочленяемых на месте монтажа. Так, неразрезные РК, изготовленные и обработанные целиком на заводе, были поставлены на Красноярскую ГЭС, Усть-Илимскую и Саяно-Шушенскую ГЭС из г. Ленинграда Северным Мор- ским путём и далее по реке до места монтажа. На ГЭС Итайпу (Бразилия – Парагвай) заготовки (ободья и лопасти) были доставлены на ГЭС, где был создан временный заводской цех по изго- товлению и обработке рабочего колеса, поскольку доставить целиком РК не представлялось возможным. Это достаточно дорогостоящее мероприятие (создание заводского цеха непосредственно на ГЭС) подчеркивает важность задачи изготовления неразрезных конструкций РК. |