ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ ГЭС Российский патент 2007 года по МПК F03B1/00 F03B3/02 

Изобретение относится к гидротурбиностроению и строительной части ГЭС.

Преимущественная область использования - ГЭС на реках с незначительным колебанием уровня воды в нижнем бьефе с напором от 5 м до 700 м и более и с большим диапазоном расхода воды.

Известны гидроагрегаты - аналоги предлагаемому техническому решению с расположением ротора генератора и турбины на общем вертикальном валу составном или целом. Установки гидроагрегатов выполнены на консольно-подвешенном валу с различными системами опирания вращающихся частей.

Применяются агрегаты с зонтичными генераторами, у которых подпятник расположен под ротором генератора, причем они опираются на мощную нижнюю крестовину или передают нагрузку на крышку турбины через опорную конструкцию [2, стр.20-38], [4, стр.52-68]. Система опирания включает также турбинный направляющий подшипник, расположенный выше турбины и максимально приближенный к ней, и роторный направляющий подшипник. В случае зонтичного исполнения генератора требуется мощная нижняя крестовина или мощная крышка турбины. К тому же зонтичное исполнение генератора на крышке турбины является еще и затруднительным или даже невозможным при скорости вращения, близкой к 200 об/мин [4, стр.53].

Разновидностью системы опирания является схема с подвесным генератором, у которой подпятник, воспринимающий осевые нагрузки, и верхний направляющий подшипник, препятствующий радиальным перемещениям вращающихся частей, опираются на мощную верхнюю крестовину. Крестовина передает нагрузку на корпус статора турбины, укрепленной в бетонной конструкции. Второй направляющий подшипник расположен в нижней крестовине, которая крепится к бетону, и третий турбинный направляющий подшипник, закрепленный на крышке турбины.

Ближайшим аналогом является гидроагрегат с подвесным генератором, принятый за прототип [2, рис.22а]. Общими признаками его с предлагаемым агрегатом является закрепление вала на его конце и единая система опор вращающихся частей. Подпятник в процессе работы воспринимает все осевые нагрузки от веса вращающихся частей агрегата и осевого давления воды на лопасти рабочего колеса.

Общими недостатками приведенных аналогов и прототипа является консольно-подвесная конструкция агрегата, где равнопрочный по всей длине вал работает на растяжение и кручение и подвержен большим радиальным нагрузкам от работающей турбины. Из-за изменяющегося режима работы турбины вал и направляющий турбинный подшипник работают в тяжелых условиях. Наличие мощных крестовин или крышек турбин в агрегате усложняет и удорожает строительную часть ГЭС.

Сама консольно-подвесная конструкция агрегата с расположением турбины на свободном нижнем конце вала в принципе предполагает размещение подпятника выше турбины и необходимость в отсасывающей трубе, выполненной в бетонной строительной части. А, как известно, габариты отсасывающей трубы диктуют размеры и компоновку плотины и здания ГЭС и требуют большого объема земляных и бетонных работ [2, стр.20], [4, стр.41-42].

Рост мощности агрегата предопределяет увеличение осевой нагрузки от потока воды через турбину на вал и, соответственно, увеличение массы всего агрегата. То есть он сдерживается практически не снижаемой удельной массой агрегата при удорожании строительной части.

Использование любой из существующих систем турбин в агрегате не устраняет указанные недостатки.

Известны турбины - аналоги 2-х классов: реактивные и активные. У реактивных во всем проточном тракте поток напорный и рабочее колесо способно осуществлять преобразование всех трех компонент энергии жидкости:

кинетической и потенциальной, состоящей из энергии давления и энергии положения [1, стр.146-156]. Реактивные в основном преобразуют потенциальную энергию потока воды. К ним относятся системы: поворотно-лопастная осевая, поворотно-лопастная диагональная, пропеллерная, радиально-осевая с вертикальным расположением вала.

Существенными недостатками первых трех систем являются:

1. Протечки воды между концами лопастей и стенками камеры, а также в местах крепления лопастей к втулке, что снижает мощность и КПД турбины [2, стр.31].

2. Стесненность (снижение) сечения потока воды в проточной части турбины, вызванная размещением в ней корпуса втулки, втулки крепления лопастей и обтекателя, что увеличивает диаметр спиральной камеры [6, стр.4].

3. Консольное закрепление лопастей, несущих большую нагрузку в корневых сечениях и требующих соответственного момента сопротивления, что увеличивает удельную массу турбины и ограничивает рост ее мощности [2, стр.28].

Ко второму классу относятся турбины, у которых поток в рабочем колесе безнапорный (со свободной поверхностью струи). Рабочее колесо таких турбин использует только кинетическую энергию жидкости. К активным относится ковшовая турбина, включающая подводящий трубопровод, коноидальное сопло для формирования и регулирования струи, которое выполняет и роль направляющего аппарата, вал и рабочее колесо с ковшами (турбина Пельтона). Из класса активных турбин ковшовая принята за прототип.

Недостатками этой турбины, которые устраняются предлагаемым техническим решением, следует считать:

1. Невозможность подведения сопла непосредственно к рабочей поверхности ковша под эффективным углом воздействия струи, что отрицательно влияет на мощность и КПД.

2. Цикличное нагружение ковшей от нулевого до максимального, что неблагоприятно отражается на долговечности материалов колеса и ковшей и вредно для узлов крепления ковшей.

3. Неуправляемый разлет отраженных струй в разных направлениях, частично, и в направлении тормозящем рабочее колесо.

4. Неорганизованный сброс отработавшего потока воды без использования в полной мере его реактивного действия.

Ближайшим аналогом предлагаемому техническому решению из реактивного класса турбин является радиально-осевая (турбина Френсиса), принятая также за прототип. Общими признаками прототипа и предлагаемой турбины являются:

1. Содержат ободы рабочего колеса.

2. Лопасти и ободы представляют собой единую жесткую конструкцию.

3. Лопасти не могут изменять угол установки.

Общими недостатками этого прототипа и всех реактивных турбин-аналогов являются:

1. Необходимость в отсасывающей трубе в строительной части ГЭС, где возникают гидравлические потери мощности турбины в результате контакта воды со стенками на большом расстоянии и потери при выходе из нее со скоростью потока воды, особенно при низких и средних напорах [2, стр.94-97], [3, стр.9], [5, стр.142-149]. Как показали исследования баланса энергии, в модельной турбине эти потери достигают более 21% мощности турбины [5, табл.8].

2. Размещение рабочего колеса на свободном нижнем конце консоли вала, что способствует возникновению вибрации и биения, вызывает тяжелые условия работы направляющего турбинного подшипника, требующие соответственной прочности конструкции.

Радиально-осевой турбине также присущ недостаток - сложные конструкции уплотнений, не исключающие протечку воды между ободом и стенкой камеры рабочего колеса [2, стр.46-49], что снижает КПД турбины. Применяются установленные на нижнем ободе щелевые уплотнения, работа которых основана на создании малого зазора между вращающейся и неподвижной деталью (1,5-2,5 мм). Иногда с целью повышения коэффициента сопротивления делаются еще и уширенные канавки. При очень высоких напорах применяются лабиринтовые уплотнения, также использующие принцип повышения сопротивления движению потока. Применяющиеся конструктивные типы уплотнений: щелевые, щелевые с канавками, гребенчатые или гребенчатые с нарезкой допускают бесполезное протекание воды через зазоры [5, стр.91-93].

Задача предлагаемого изобретения заключается в создании турбины и гидроагрегата в целом большего диапазона мощности с превышением достигнутой и высокого технико-экономического уровня за счет:

1. Повышения осевой нагрузки на турбину с одновременным снижением удельной массы агрегата, что позволит повысить мощность и применять его на повышенных расходах и напорах свыше 700 м.

2. Более полного использования кинетической компоненты энергии потока, исключения протечек воды мимо турбины, что даст повышение удельной мощности, коэффициентов полезного действия и быстроходности.

3. Устройства отсасывающих труб в самой конструкции рабочего колеса, что позволит исключить отсасывающую трубу из строительной части ГЭС и, тем самым, упростить, удешевить и ускорить ее строительство.

Поставленная задача решается перенесением опоры агрегата (подпятника) под нижний конец вала на станину, размещенную на бетонной опоре на уровне нижнего бьефа. Реактивное рабочее колесо прикреплено к валу выше подпятника верхним и нижним концами. Жесткое закрепление повышает сопротивление вала изгибу и кручению. Близкое расположение турбины к опоре улучшает условия работы вала, турбинного подшипника и опоры при изменяющихся режимах работы и позволяет нагрузить турбину в большей степени.

Вал при таком размещении опоры работает на сжатие и кручение, причем максимальной осевой нагрузке подвергается только нижний конец вала от вращающихся частей агрегата и потока воды. Оставшаяся часть вала испытывает осевую нагрузку только от собственной массы и массы ротора генератора. Следовательно, возможно выполнение вала неравнопрочным по длине, снижение его диаметра в верхней части и соответственно уменьшение его диаметра выше турбины. Этому способствует и условие работы вала на сжатие, а, как известно, стали имеют гораздо большее сопротивление на сжатие, чем на растяжение. Очевидна возможность снижения удельной массы агрегата за счет снижения массы вала по всей его длине.

Опорно-консольная конструкция агрегата допускает выполнение опоры в виде шарового или радиально-упорного подшипника в герметичной ванне с избыточным давлением масла.

Мощность и быстроходность турбины увеличена за счет реактивного действия истекающих в атмосферу струй воды из отсасывающих труб, присоединенных по касательной к удлиненному ободу рабочего колеса, закрытого снизу - поддону. Струи воды реактивной силой повышают скорость вращения турбины (эффект Сегнерова колеса). При этом определенный объем движущегося потока воды удерживается во вращающемся поддоне и переносится им. Масса этого объема воды вместе с относительно небольшой массой поддона и коротких отсасывающих труб увеличивают осевую нагрузку на вал, что допускает конструкция опоры агрегата.

Для полного использования кинетической компоненты потока воды струи из отсасывающих труб направлены на соосное активное колесо турбины. Оно свободно вращается на общем валу в противоположном реактивному колесу направлении и передает вращение валу с жестко закрепленным зубчатым колесом через передаточные шестерни, установленные на станине. Для этого нижний обод активного колеса снабжен зубчатым колесом с внутренним зацеплением. Так как поток воды отдает в реактивном колесе большую часть энергии, окружная скорость вращения активного колеса заведомо предусмотрена ниже окружной скорости реактивного. Для передачи валу крутящего момента от активного колеса служит редуктор, деталями которого являются и детали турбины - вал, станина-подпятник и нижний обод активного колеса. Редуктор выполнен повышающим угловую скорость вращения вала с возможностью значительного превышения угловой скорости от реактивного колеса. Одновременно он снижает окружную скорость активного колеса. Это достигают расчетом диаметров зубчатого колеса вала и передаточной шестерни.

По мнению автора, существенными отличительными признаками от ковшовой турбины является:

1. Отсасывающая труба постоянно направлена под максимально эффективным углом воздействия к рабочей поверхности.

2. Труба подводится на минимально возможное расстояние к входной кромке рабочей поверхности (величина зазора).

3. Количество труб равно количеству воспринимающих нагрузку элементов.

4. Выходная кромка рабочей поверхности ориентирована под прямым углом к радиальному направлению.

На выходную кромку лопасти струя прямо не направлена (не действует), что позволяет отводить отраженный сформированный поток по касательной к турбине с использованием его реактивного действия. Эти признаки несомненно относятся к существенным, т.к. они влияют на полноту использования энергии потока и являются следствием этого технического результата.

Все лопасти постоянно несут нагрузку, незначительно уменьшающуюся при переходе струй с лопасти на лопасть. Число лопастей равно числу труб. Это обеспечивает равномерное нагружение и вращение активного колеса, что повышает его долговечность.

Протекающий через турбину поток воды отдает энергию в реактивном рабочем колесе, при выходе из отсасывающих труб, в активном рабочем колесе и при сходе с него. Практически энергия потока, как потенциальная, так и кинетическая ее составляющие, используются полностью за исключением неизбежных потерь на трение в проточном тракте турбины и местных вихревых при изменении величины, направления и скорости. С точки зрения полноты использования энергии нет необходимости в отсасывающей трубе, назначение которой состоит в использовании только части кинетической энергии, которой обладает вода после выхода из рабочего колеса реактивной турбины. Коэффициент восстановления или КПД хороших отсасывающих труб достаточно большой длины и диффузорности достигают в лучшем случае 80-85% [2, стр.97].

Близкое размещение реактивного колеса к станине-подпятнику и закрепление его поддоном к валу позволяет снизить биение и вибрацию и уменьшить величину зазора между ободом и камерой. Это, в свою очередь, позволит уплотнить зазор двумя гибкими упругими кольцам коробчатого профиля, входящими одно в другое. Одной боковой стороной они прикреплены к уплотняемым деталям, а другой выпуклой стороной контактируют между собой, причем противоположные вогнутые поверхности подвержены давлению воды. Конструкция исключает протечку воды через зазор. Вход воды в уплотнение снизу вверх исключает попадание твердых частиц между трущимися поверхностями.

Управление давлением и нестационарными процессами в потоке ниже лопастей реактивного колеса осуществляют расчетом и регулированием суммарной площади поперечного сечения отсасывающих труб поддона.

На фиг.1 приведенных чертежей изображен вид сверху гидроагрегата (камера рабочего колеса условно не показана); на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез по В-В фиг.2 (в верхней четверти обод не показан); на фиг.4 - узел А (уплотнение станины-подпятника); на фиг.5 - узел В (уплотнение реактивного рабочего колеса с камерой).

Гидроагрегат (фиг.1-5) содержит на вертикальном валу 1, опертом нижним концом на станину-подпятник 2, реактивное рабочее колесо 3 турбины с нижним ободом 4. Верхним концом к кромке обода и нижним концом к валу герметично закреплен поддон 5. Дно его выполнено конусообразным с вогнутой поверхностью для снижения гидравлического сопротивления. По касательной к боковой поверхности поддона присоединены прямоугольного сечения отсасывающие трубы 6. Они направлены на лопасти 7 с заостренной входной кромкой активного рабочего колеса 8. Оно состоит из вертикальных лопастей 7 дугообразного поперечного сечения, жестко соединенных с верхним и нижним ободами, и охватывает поддон с трубами небольшой длины. Трубы подходят к входной кромке лопастей с тыльной стороны на расстояние, равное зазору между ними под эффективным углом воздействия. Выходная кромка 9 лопасти ориентирована под прямым углом к радиальному направлению турбины с плавным переходом от направления лопасти за пределом досягаемости струи. На фиг.3 показано стрелками изменение направления вектора скорости струи в секторе воздействия на лопасть. Угол встречи струи с рабочей поверхностью показан 45° (максимально эффективный).

Активное рабочее колесо 8 свободно вращается на валу 1 в противоположном направлении реактивному колесу 3 (фиг.1, 2 и 3). Направление вращения показано дугообразными стрелками. Для передачи вращения валу в попутном направлении нижний обод активного колеса снабжен зубчатым колесом 10 с внутренним зацеплением. Оно вращает вал с закрепленным зубчатым колесом 11 через передаточные шестерни 12 на осях 13, установленных на станине-подпятнике 2. Такая передача вращения снижает окружную скорость активного колеса, что немаловажно при значительном его диаметре. Вместе с этим она обеспечивает передачу вращения валу с угловой скоростью, превышающей угловую скорость реактивного колеса (повышающий скорость двухступенчатый зубчатый редуктор, изменяющий направление вращения).

Уплотнение обода 4 реактивного рабочего колеса со стенкой камеры 14 (фиг.2, 5) выполнено упругим гибким коробчатого профиля внешним кольцом 15, закрепленным одной стороной к камере с помощью Г-образного профиля металлической закладной 16, и входящим в него внутренним кольцом 17, также герметично закрепленным на входной кромке обода между пластинчатыми кольцами 18. Уплотнительные кольца при радиальном смещении кольца 17 постоянно контактируют выпуклыми пружинящими боковыми сторонами, а их противоположные вогнутые поверхности подвержены давлению воды. Выполнены они из синтетических материалов, например резинотканевыми с покрытием соприкасающихся поверхностей фторопластом.

Уплотнение станины-подпятника осуществлено широко применяемой в технике манжетой 19 с кольцевой спиральной пружиной 20.

Агрегат вращается под действием потока воды на опертом на станину-подпятник 2 валу 1 (фиг.2). Пройдя лопасти реактивного рабочего колеса 3 (фиг.2) турбины поток попадает во вращающийся поддон 5. Вода сходит с лопастей в направлении, противоположном вращению поддона. Объем протекающей воды в поддоне вращается вместе с ним. Скорость вращения воды в поддоне ниже скорости самого поддона, т.е. в этот момент поток тормозит поддон. Однако вращение его препятствует отрыву воды от нижних кромок лопастей колеса, вызывающему явление кавитации. Траектория движения потока, разделяющегося на трубы, сложная: в радиальном направлении, вниз и по окружности. С учетом еще и давления под колесом вода со скоростью входит в трубы. Сформированная струя, выходящая из трубы, реактивным действием увеличивает скорость вращения реактивного колеса. Вместе с тем она воздействует на лопасть 7, передвигаясь от входной кромки до предела досягаемости (до перехода на следующую лопасть), отдавая кинетическую составляющую энергии потока. Лопасти постоянно несут нагрузку, незначительно уменьшающуюся при переходе струи. За пределом воздействия струи на лопасть с выходной кромки 9 сходит по касательной к турбине организованный отработанный поток, реактивным действием повышающий скорость вращения активного колеса.

Предложенный гидроагрегат включает существенные признаки обоих классов турбин (Френсиса и Пельтона) и по сути является реактивно-активной турбиной, что длинно, а посему целесообразно присвоить ему название «Турбина Казаченко».

Источники информации

1. Пособие для изучения ПТЭ по разделу «Гидротехнические сооружения и гидротурбинные установки» М., Энергия, 1971 г.

2. Кривченко Г.И. «Гидравлические машины, турбины и насосы». М., Энергия, 1978 г.

3. «Турбинное оборудование ГЭС». Под ред. А.А.Морозова М. - Л., Госэнергоиздат, 1958 г.

4. Справочник конструктора гидротурбин. Под ред. Н.Н.Ковалева. Л., Машиностроение, 1971 г.

5. Смирнов И.Н. «Гидравлические турбины и насосы». М., Высшая школа, 1969 г.

6. Ковалев Н.Н. «Достижения отечественного гидротурбостроения». М., Знания, 1956 г.

Агрегат предназначен для применения на ГЭС с незначительным колебанием уровня нижнего бьефа, с большими диапазонами напора и расхода воды. Вертикальный вал агрегата оперт нижним концом с конусообразной рабочей поверхностью на станину-подпятник. К валу и рабочему колесу герметично прикреплен поддон, по касательной к которому прикреплены отсасывающие трубы. Струи из них направлены на лопасти активного рабочего колеса, свободно вращающегося на валу и передающего ему вращение через повышающий скорость и изменяющий направление вращения редуктор, деталями которого являются части агрегата. Количество труб равно числу лопастей. Струи подводятся непосредственно к их рабочим поверхностям под постоянным эффективным углом воздействия. Уплотнения реактивного колеса выполнены упругими кольцами коробчатого профиля, контактирующими выпуклыми боковыми поверхностями с противоположных сторон, подверженных давлению воды. Подвод воды к уплотнению снизу вверх исключает попадание твердых частиц между трущимися поверхностями. Конструкция устройства позволяет повысить быстроходность и КПД. 5 ил.

Гидравлический агрегат ГЭС с отсасывающей трубой и опорой, содержащий установленные на вертикальном валу ротор генератора и турбину с реактивным рабочим колесом, имеющим уплотненные ободы, отличающийся тем, что вал оперт нижним концом с конусообразной рабочей поверхностью на станину-подпятник, а верхним концом к кромке обода и нижним концом к валу герметично прикреплен поддон с дном, выполненным конусообразным с вогнутой поверхностью, по касательной к боковой поверхности поддона присоединены отсасывающее-направляющие трубы, направленные на лопасти активного рабочего колеса с заостренными входными кромками, свободно вращающегося на валу и передающего ему вращение через повышающий скорость и изменяющий направление вращения зубчатый редуктор, деталями которого служат части агрегата, причем число труб равно количеству лопастей, трубы подходят под углом к входным кромкам лопастей с тыльной стороны на расстояние, равное зазору между ними, а выходные кромки лопастей ориентированы под прямым углом к радиальному направлению турбины с плавным переходом от направления лопасти за пределом досягаемости струи, при этом уплотнения ободов реактивного рабочего колеса с направлением потока снизу вверх выполнены двумя эластичными кольцами коробчатого профиля, входящими одно в другое и контактирующими выпуклыми пружинящими боковыми поверхностями с противоположных вогнутых сторон, подверженных рабочему давлению воды.