ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОТОЧНОГО ТРАКТА РЕАКТИВНЫХ ГИДРОТУРБИН

Каждому типу гидротурбин при­сущи свои особенности в их проточ­ном тракте. Рассмотрим только наиболее часто применяемые реак­тивные гидротурбины.

Основными элементами проточ­ной части реактивных гидротурбин (рис. 9.7) кроме описанного ранее рабочего колеса, являются: турбин­ная (спиральная) камера 1, статор турбины 2, направляющий аппа­рат 3, камера с рабочим колесом 4, отсасывающая труба 5, камера ра­бочего колеса 6.

Вода из верхнего, бьефа низко­напорных ГЭС поступает непосред­ственно к турбинной камере, предназначенной для подвода воды на рабочее колесо. В высоконапорных гидроэлектростанциях вода к тур­бинной камере направляется по тру­бопроводу.

Турбинные камеры. Различают от­крытые и спиральные турбинные камеры. Для малых турбин (0^1,6 м) и низких 'напоров (9—10 м) турбинные ка­меры выполняются открытыми. Для сред­них и крупных турбин — спиральными. При Этом, если напор менее 40 м, спирали изготовляются бетонными таврового сече­ния (рис.. 9.8,а), при более высоких напо­рах — металлическими (сварными или ли­тыми) круглого сечения (рис. 9.8,6).

Площадь входного сечения спирали за­висит от расхода и скорости потока. Для сохранения постоянной скорости воды в спирали сечение последней уменьшается по мере поступления воды в направляющий аппарат. Угол охвата спирали <р°_Мако от­считывается от начального сечения до ее концевой части, называемой зубом -спи­рали: В бетонных спиральных камерах этот угол принимается не менее 180°, для стальных достигает 345—360°. Снижение угла φ°макс для низконапорных ГЭС приводит к уменьшению ширины подводящего водо­вода (размер В на рис. 9.8) и объема строительных работ.

Статор турбины служит для передачи нагрузки на фундамент ГЭС от вращаю­щихся частей агрегата, осевого усилия во­ды и массива здания электростанции, рас­положенного над спиралью. Статор обычно состоит из отдельно поставленных колонн, связанных между собой при помощи верх­него и нижнего поясов. Число колонн по соображениям уменьшения сопротивлений потоку обычно выбирается вдвое меньше числа направляющих лопаток. Конструк­тивно колонны располагаются так, чтобы между выходной кромкой колонны и на­правляющей лопаткой оставался достаточ­ный зазор. Размеры колонны в плане, их конфигурация и расположение целиком определяются геометрическими данными спирали, условиями обтекания, а также ус­ловиями прочности.

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регули­рования расхода в соответствии с разви­ваемой мощностью генератора, закрытия доступа воды к турбине при ее остановке и создания определенного направления (за­крутки) потока.

Направляющий аппарат состоит из двух опорных колец и подвижных лопаток об­текаемой формы, размещенных между эти­ми кольцами Лопатки с помощью регу­лирующего кольца 1 (рис. 9.9) могут одновременно поворачиваться вокруг соб­ственных осей 5 на определенный угол, об­разуя одинаковые просветы а₀, называемые открытием направляющего аппарата.

Регулирующее кольцо поворачивается под воздействием специальных механизмов системы регулирования (сервомоторов), прикрепляемых тягой 4 Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины, определяемых диаметром рабочего колеса, и колеблется от 12 до 32 (при Di>8,5 м)

Камера рабочего колеса представляет собой металлическое кольцо (см. рис. 9.5), в котором размещается рабочее колесо осе­вых турбин. К нижнем части камеры непо­средственно примыкает отсасывающая труба.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса тур­бины и нижним бьеф и оказывает большое влияние, па энергетические показатели турбины.

При прямоосной отсасывающей трубе используемый турбиной напор определяет­ся не разностью отметок между верхним и нижним бьефом, а разностью отметок меж­ду верхним бьефом и выходом из рабочего колеса. В этом случае напор, равный по величине высоте расположения рабочего колеса над уровнем нижнего бьефа, назы­ваемый высотой отсасывания и обозначаемый И_в (рис. 9.10) теряется.

При такой конструкции скорости в по­токе воды на выходе из отсасывающей трубы значительно меньше, чем на входе в нее, а следовательно, потери кинетической энергии уменьшаются. Однако приме­нение конических прямоосных отсасываю­щих труб для больших турбин приводит, к необходимости значительного заглубле­ния подземной части здания ГЭС, что вле­чет за собой дополнительную затрату средств и увеличение объема работ. Поэто­му такие трубы применяются для турбин с диаметром до 1,5—2 м. При больших диаметрах турбин используются изогнутые отсасывающие трубы (рис.. 9.11), состоя­щие из конически расходящегося патрубка 1, колена 2 и горизонтального раструба 3. Такие трубы дают возможность уменьшить заглубление здания ГЭС.

Основные габариты изогнутой отсасы­вающей трубы определяются для поворот­но-лопастных турбин высотой h=(1,9÷2,3)D, и длиной L=(3,5÷4,5).D_i. Для раднально-асевых турбин эти размеры не­сколько выше. Вообще по энергетическим показателям всегда предпочтительнее более высокая труба, однако, как указывалось выше, с ростом h увеличивается объем ра­бот и стоимость сооружения ГЭС.

КАВИТАЦИЯ

Кавитация представляет со­бой физическое явление, возникаю­щее в потоке при быстром течении жидкости, и оказывает влияние на энергетические и механические по­казатели турбин, ухудшая их с мо­мента своего появления.

Известно, что чем меньше давле­ние, оказываемое на жидкость, тем ниже температура ее кипения. Если быстро текущая вода встречает на своем пути какое-либо препятствие, то за ним появится область пони­женного давления, и если давление в этой- области будет меньше упру­гости водяных паров, то вода там закипит и будут образовываться пу­зырьки пара. По мере дальнейшего продвижения пузырьков с потоком воды в зону более высокого давле­ния пар в них конденсируется и образуются пустоты, а при объеди­нении их — крупные -каверны. Эти пустоты мгновенно заполняются водой и в центре их возникает гидрав­лический удар с давлением до не­скольких тысяч атмосфер. Если пу­стоты смыкаются в потоке на метал­лической поверхности какой-либо детали или на бетоне, то последние начинают разрушаться.

Кроме того, в зоне пониженного давления начинают интенсивно вы­деляться из воды газы (воздух), ко­торые, попадая в смыкающиеся пу­зырьки пара, сильно сжимаются, вследствие чего температура газов резко повышается. Кислород же (из воздуха) при высокой темпера­туре, активно воздействуя на ме­талл, способствует коррозии и до­полнительному его разрушению.

У реактивных турбин кавитационному разрушению подвержены главным образом нижние (по пото­ку) поверхности лопастей рабочего колеса, его камера, а также другие части турбины, где образуется пони­женное давление. У ковшовых тур­бин при кавитации разрушаются в первую очередь сопла.

При кавитации возникает харак­терный шум и вибрация машины (иногда удары). Кавитация снижа­ет КПД, пропускную способность и мощность турбин. Все это является крайне нежелательным, а в ряде случаев недопустимым.

Разрушительное действие кави­тации можно значительно умень­шить тщательной обработкой под­верженных ей элементов турбины, а также применением для них особо стойких материалов (хроме-никелевые стали).

Особое значение имеет обеспече­ние бескавитационных условий рабо­ты реактивных турбин. Эти условия определяются, выбором соответст­вующего заданному напору типа и быстроходности турбины (см. § 9.6), а также высоты отсасыва­ния H_s, определяемой расположение ем турбины относительно уровня нижнего бьефа.

Кавитация будет отсутствовать, если будет соблюдено следующее условие:

(9.6)

где В — барометрическое давление, м вод. ст., которое определяется расположением турбины над уров­нем моря по формуле В=10,33-V./900 (10,33- атмосферное дав­ление на уровне моря, м вод. ст., а. V — абсолютная отметка местопо­ложения турбины над уровнем мо­ря, м); а — коэффициент кавита­ции, изменяющийся в зависимости от типа турбины и их нагрузки. Обычно о определяется при испыта­нии модели турбины.

Практически считается, что кавитация будет отсутствовать, если

(9.7)

где k — поправочный коэффициент, вводимый при пересчете коэффи­циента с модели на натуру (k = 1,05÷1,1).

Высоту отсасывания H_s принято отсчитывать:

для вертикальных радиально-осевых турбин — от нижней плоско­сти направляющего аппарата;

для горизонтальных радиально-осевых и поворотно-лопастных—'от наивысшей точки рабочего колеса;

для вертикальных пропеллерных и поворотно-лопастных турбин — от оси разворота лопастей рабочего колеса.

Высота отсасывания принимает­ся положительной, если плоскость отсчета ее находится выше уровня воды в нижнем бьефе (см. рис. 9.10), в противном случае, ког­да рабочее колесо турбины находит­ся ниже уровня нижнего бьефа,— отрицательной.