Основное оборудование ГЭС

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы.

Гидротурбины

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной, если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.

Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально–осевые и ковшовые. Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия.

Осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Каплана) являются низконапорными турбинами. Они используются при малых напорах – от 1–3 до 60–70 м. Схема осевой турбины показана на рисунке 4.5. Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укрепленных в корпусе 2 с обтекателем, соединено валом 3. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8. Чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жестко, с каким–то некоторым углом наклона. В этом случае турбина называется пропеллерной. Однако обычно лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу в зависимости от условий работы (нагрузка, напор) угол установки лопастей может меняться. Такие турбины называются поворотно–лопастными. Поворотно–лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Рис. 4.5. Схема осевой гидротурбины

Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин только тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45–60º).

Радиально–осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Френсиса) являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазоне от 40–60 до 500–700 м. Схема радиально–осевой турбины показана на рисунке 4.6. Цифровые обозначения позиций аналогичны рис. 4.5.

Рабочее колесо радиально–осевой турбины состоит из 12–17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решетку лопастей. Лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата 12, постепенно меняет направление с радиального на осевое. В настоящее время созданы уникальные радиально–осевые турбины мощностью 640 МВт.

Рис. 4.6. Схема радиально–осевой гидротурбины

Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбинами Пельтона, иногда «свободноструйными») – это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400–600м. Схема ковшовой турбины показана на рисунке 4.7.

Рис. 4.7. Схема ковшовой гидротурбины

Основными ее элементами являются сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2, и рабочее колесо 3, укрепленное на валу 4. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды, так что рабочее колесо вращается в воздухе. В этой турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке–сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти 5. Внутри сопла расположена регулировочная игла 6, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а, следовательно, и расход воды.

Ковшовые гидротурбины являются наиболее распространенными активными гидротурбинами.

Радиально–осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС. Поворотно–лопастными осевыми турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной (50–60 Гц). Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах – с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до 1500 об/мин.

Области применения турбин некоторых видов перекрываются. Так, при напорах 50–70 метров могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально–осевые турбины. Выбор оптимального решения производиться на основании технико–экономических сопоставлений различных вариантов.

Гидрогенераторы

Гидравлическим генератором называется машина, преобразующая механическую энергию вращения гидротурбины в электрическую энергию.

Эти машины приводятся во вращение, как правило, сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин. Поэтому гидрогенераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590–640 МВА), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11–0,20.

Гидрогенераторы мощностью свыше нескольких десятков МВА выполняют с вертикальным расположением вала. Гидрогенераторы с меньшей мощностью выполняют обычно с горизонтальным расположением вала.

В верхней части гидрогенератора на одном с ним валу обычно устанавливают вспомогательные машины – возбудитель генератора с подвозбудителем и дополнительный синхронный генератор, предназначенный для питания электродвигателей автоматического регулятора турбины.

В конструкции гидрогенераторов с вертикальным расположением вала весьма ответственной частью является упорный подшипник (подпятник), который воспринимает массу роторов генератора и турбины, давление воды на лопасти турбины, а также динамические усилия. Подпятник состоит из вращающегося диска (пяты), укрепленного на роторе, который посредством ряда сегментов (сухарей) опирается на стальной диск, установленный в корпусе подпятника. Сегменты покрывают слоем антифрикционного сплава (баббита), а корпус заполняют маслом, которое создает жидкостное трение в подпятнике и служит охлаждающей средой, обеспечивающей отвод образующейся теплоты к водяному маслоохладителю.

В зависимости от расположения подпятника гидрогенераторы подразделяют на подвесные и зонтичные (рис. 4.8).

Вподвесных гидрогенераторах подпятник располагается над ротором генератора на верхней крестовине, а один или два направляющих подшипника – под ним; при этом весь турбоагрегат подвешен на подпятнике к этой крестовине (см. рис. 4.8, а).

Взонтичных гидрогенераторах подпятник располагается под ротором на нижней крестовине или на крышке турбины, а генератор – над подпятником в виде зонта. Крестовины представляют собой мощную опорную конструкцию, состоящую из центральной втулки и ряда радиальных балок (см. рис. 4.8, б). Быстроходные гидрогенераторы обычно выполняют подвесного типа, а тихоходные – зонтичного.

Рис. 4.8. Конструктивные схемы подвесного (а) и зонтичного (б)

гидрогенераторов: 1 – верхняя крестовина; 2 – подпятник;

3 – направляющие подшипники; 4 – ротор; 5 – статор;

6 – нижняя крестовина; 7 – фланец вала; 8 – турбина;

9 – фундамент; 10 – направляющий подшипник турбины

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), у которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. Благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания КПД таких агрегатов больше 95 %.

Промышленность РФ выпускает различные типы гидрогенераторов мощностью до 640 МВА.

Для уменьшения габаритов, массы и стоимости гидрогенераторов в машинах большой мощности применяют непосредственное охлаждение обмоток статора, ротора и сердечника статора дистиллированной водой. При тех же основных размерах мощность гидрогенератора с водяным охлаждением можно увеличить более чем в 2 раза по сравнению с гидрогенератором, имеющим поверхностное воздушное охлаждение.

Непосредственное водяное охлаждение обмоток статора и ротора осуществляется так же, как в турбогенераторах – путем пропускания воды через полые проводники обмоток. Сердечник статора охлаждается водой, циркулирующей по трубам, которые проходят сквозь отверстия в листах непосредственного охлаждения.

В последнее десятилетие появились принципиально новые вращающиеся машины системы Powerformer, представляющие собой генераторы, которые работают на значительно более высоких, чем обычные генераторы, напряжениях. Они подключаются непосредственно к сети до 110 кВ и выше. Эти разработки проводятся шведскими отделениями компании АВВ и опробуются на электростанциях в Швеции.

Непосредственное соединение генератора с электрической сетью дает возможность:

· снизить активные потери в шинопроводах, распределительном устройстве и повышающем трансформаторе;

· повысить КПД системы Powerformer на 0,5–0,2 %;

· уменьшить реактивную составляющую мощности за счет исключения трансформатора, наличие которого уменьшает коэффициент мощности и снижает полезную мощность генератора;

· сократить число компонентов схемы: исключаются выключатель, шины и трансформатор среднего напряжения, а также соответствующие измерительные трансформаторы;

· повысить коэффициент готовности вследствие сокращения числа компонентов схемы и высокой надежности самого генератора;

· снизить расходы на обслуживание благодаря меньшему числу компонентов схемы и тому, что Powerformer сам по себе не требует большого ухода;

· проектировать электростанцию более компактно, сократив тем самым объемы строительных работ.