книги из ГПНТБ / Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет

М. Л. СТЕКЛОВ

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ

Т У Р Б И Н Ы

КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ

ЛЕНИНГРАД

„ М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е 11! ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1 9 7 4

Твонтродькь

ЭКЗЕМПЛЯР

I___

С79

УДК 621.224-131.2

С т е к л о в М. Л. Горизонтальные гидравличе­ ские турбины. Конструкция и расчет. Л., «Машино­ строение» (Ленингр. отд-ние), 1974, 216 с.

В книге рассмотрены различные типы современных горизонтальных гидротурбин, в том числе крупней­ ших в мире.

Показаны характерные особенности проточного тракта горизонтальных гидроагрегатов; дано описа­ ние основных узлов и рекомендации по их конструи­ рованию.

Освещены вопросы монтажа горизонтальных ги­ дротурбин. Значительное внимание уделено смазке опорных подшипников и подпятников.

Книга предназначена для инженерно-техниче­ ских работников, занимающихся вопросами проекти­ рования, расчета и эксплуатации гидротурбин. Она также может быть полезна студентам вузов соответ­ ствующих специальностей.

Табл. 10. Ил. 104. Список лит. 29 назв.

Рецензент канд. техн. наук Н. К- Б а р к о в

Редактор канд. техн. наук Л. Я- Б р о н ш т е й н

30314-135 С 038(01)—74

© Издательство «Машиностроение», 1974 г.

Г Л А В А I

РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГИДРОАГРЕГАТОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Горизонтальными называют гидроагрегаты с горизонтальным или несколько наклонным валом. Гидроагрегаты с горизонталь­ ными гидротурбинами применялись еще в первой половине XIX столетия, в начальный период развития гидротурбостроения. Осевые рабочие колеса в то время еще не были известны и все тур­ бины в основном выполнялись с радиально-осевыми рабочими ко­ лесами. Гидротурбины различались по способу подвода воды

к рабочему колесу и в зависимости от типа подводящей камеры разделялись:

на открытые— турбина в открытой камере (рис. 1.1); котельные — турбина в котельной камере (рис. 1.2); фронтальные— турбина во фронтальной камере (рис. 1.3); спиральные — турбина в спиральной камере (рис. 1.4).

До конца XIX в. гидротурбины выполнялись сравнительно небольших мощностей и служили для непосредственного привода машин. С открытием возможности передачи электрической энер­ гии на большие расстояния (1886— 1891 гг.) гидротурбины стали применяться в качестве двигателей генераторов переменного тока, в связи с чем их мощность стала быстро возрастать.

Возможность увеличения размеров гидроагрегатов при повы­ шении их единичных мощностей ограничивалась следующими кон­ структивными особенностями горизонтальных гидротурбин:

1) установка с горизонтальной турбиной большого размера становилась громоздкой и неудобной для обслуживания;

5

2) ухудшились условия крепления агрегата к фундаменту, в связи с чем для обеспечения необходимой жесткости крупных деталей требовалось значительное повышение металлоемкости машин;

Я) увеличивались нагрузки на опорные подшипники, а их из­ готовление на эти большие нагрузки в то время не было освоено.

При больших размерах турбин их стали выполнять верти­

кальными, что позволило избежать вышеперечисленных ограни­ чений.

<3

Вертикальные гидротурбины получили широкое распростра­ нение и получили название классических. Их единичные мощ­ ности стали расти бурными темпами. В настоящее время имеются вертикальные турбины, мощность которых превышает 500 тыс. кВт. Рассматривается возможность повышения мощности таких турбин до одного миллиона кВт и более. Однако в дальнейшем выясни­ лось, что при напорах ниже 20—25 м энергетически более целе­

ствовало появление гидротурбин с осевыми рабочими колесами, открывшими возможность рационального применения гидротур­ бин при низких напорах. Исследователи и проектировщики столкнулись с необходимостью создания компоновки агрегата более целесообразной, чем существующие вертикальные.

В результате исследований было установлено, что при освое­ нии энергетических ресурсов равнинных рек можно достигнуть значительного экономического эффекта при установке горизон­ тальных гидроагрегатов с прямоосным проточным трактом.

Поскольку создание таких агрегатов было связано с трудностью размещения генератора, американский инженер Леруа Харза в 1919 г. предложил располагать ротор генератора на лопастях рабочего колеса турбины. Эта идея долгое время не могла быть

7

надежного уплотнения для предохранения генератора от воды. Лишь в 1938 г. на р. Иллер в Германии впервые была построе­ на ГЭС Штейнбах, на которой были установлены изготовленные фирмой «Эшер Висс» четыре такие турбины единичной мощ­ ностью по 1840 кВт.

Проточный тракт в этих турбинах прямоосный, обеспечивает прямой поток, вследствие чего в Советском Союзе такие турбины названы прямоточными.

За период с 1938 по 1957 г. фирмами «Эшер Висс» (Швейцария) и «Фойт» (ФРГ) было изготовлено более 75 таких турбин, в основ­ ном с пропеллерными рабочими колесами, суммарной мощностью около ПО тыс. кВт. Все они были установлены на реках Иллер, Лех, Заалех и др.

В 1951 г. на одной из установок Иллерского каскада была вве­ дена в эксплуатацию прямоточная турбина с поворотными лопа­ стями рабочего колеса.

Наиболее крупная прямоточная турбина была создана в Со­ ветском Союзе на Ленинградском металлическом заводе им. XXII съезда КПСС (ЛМЗ). В 1953 г. она была установлена на Орта-

турбины. Агрегаты проработали сравнительно недолго, так как при их эксплуатации в некоторых узлах турбины и генератора выявились существенные неполадки. Эти неполадки и тяжелые условия эксплуатации турбин из-за агрессивной с взвешенными образивными частицами воды в р. Куре привели к замене прямо­ точных агрегатов вертикальными.

Работы исследователей и конструкторов в поисках рациональ­ ных компоновок низконапорных агрегатов привели к созданию новых типов горизонтальных турбин: шахтных и капсульных, или погруженных.

В связи с тем, что поток, проходя через шахтные агрегаты, меняет все же направление, они были названы полупрямоточными. Полупрямоточный (шахтный) агрегат характеризуется располо­ жением генератора в шахте, выполненной в железобетонном бычке обтекаемой формы. Первые четыре таких агрегата с поворотноло­ пастными турбинами единичной мощностью 1490 кВт при напоре 4,6 м и диаметром рабочего колеса 3,05 м были установлены на ГЭС Вадринау на р. Мозель (Франция).

В Советском Союзе горизонтальная полупрямоточная турбина мощностью 21 800 кВт при напоре 16 м с диаметром рабочего колеса 4,5 м была установлена в 1958 г. на Камской ГЭС. Для такого типа агрегатов эта турбина является наиболее мощной, она успешно эксплуатируется и в настоящее время.

Капсульный агрегат характеризуется размещением малогаба­ ритного генератора и примыкающей к нему части турбины в одной общей капсуле обтекаемой формы. Капсула вместе с расположен*

8

ными в ней турбиной и генератором находится внутри потока, по­ этому такие агрегаты называют иногда погруженными.

Два первых капсульных агрегата мощностью по 195 кВт были изготовлены фирмой «Эшер Висс» и в 1936 г. установлены на не­ большой ГЭС Росцин, построенной на р. Парзенте (ПНР). Выяв­ ленные в процессе эксплуатации трудности с системой охлаждения генератора послужили поводом к отказу фирмы от капсульных агрегатов и переходу на изготовление прямоточных.

В отечественной практике под руководством чл.-корр. АН СССР

проф. Б. К. Александрова в 1944 г. был выполнен проект круп­ ного капсульного агрегата для Камской ГЭС. Он не был осущеществлен, так как в то время не были известны малогабаритные генераторы, и потому в проекте был принят обычный, который привел к большой металлоемкости агрегата и не позволил выпол­ нить форму проточного тракта турбины достаточно рациональ­ ной.

Капсульные агрегаты получили развитие лишь после того, как во Франции фирмой «Альстом» был создан малогабаритный гене­ ратор с форсированным охлаждением. В результате совместной работы французских турбинной и генераторной фирм выполнено много капсульных агрегатов.

Первый такой агрегат мощностью 810 кВт был установлен в 1953 г. на ГЭС Костэ. Для создания оптимальной конструкции капсульного агрегата фирмами «Нейрпик» и «Альстом» (Франция) изготовлен ряд опытных машин, которые установлены на ГЭС Аржанта, Комбейрак, Сен-Мало и Бомон-Монт. Опыт изготовле­ ния и эксплуатации этих агрегатов позволил фирмам отработать компоновку и выполнить большую серию капсульных агрегатов для приливных и русловых гидростанций.

В отечественной практике капсульные агрегаты также полу­ чили широкое распространение. С такими агрегатами уже рабо­

установленные на Саратовской ГЭС. В ближайшее время будут введены в строй капсульные агрегаты 2-й очереди Череповецкой ГЭС и агрегаты Каневской ГЭС. Технические характеристики капсульных агрегатов приведены в табл. 1.1.

Все современные горизонтальные турбины (прямоточные, полупрямоточные и капсульные), применяемые при низких напорах, по сравнению с вертикальными, имеют следующие преимущества:

1)более высокие значения к. п. д. и пропускной способности турбины;

2)возможность уменьшения при той же мощности диаметра

рабочего колеса; 3) применение горизонтальных агрегатов позволяет упростить

конструктивную схему гидроузла в целом и в ряде случаев отка­ заться от отдельного здания ГЭС и разместить агрегаты в теле плотины;

9