Конструкции проточного тракта зданий ГЭС

1.

Кафедра Гидроэнергетики и возобновляемых источников
энергии
«
»
К.т.н., доцент, Желанкин В.Г.
.
Москва 2023

2.

2
ВОДОПРИЕМНИКИ ГЭС
Водоприемники предназначены для забора воды из верхнего бьефа или из
верхового бассейна (ГАЭС), для задержания мусора, льда и подвода воды к турбинам.
Несмотря на разнообразие компоновочных решений, основные принципы
конструирования водоприемников одинаковы для всех типов.
Водоприемник ГЭС включает следующие элементы:
- забральная балка (стенка) (служит для задержки плавающего сора, ледяной шуги
и воспринимает давление ледяного поля со стороны водохранилища);
- сороудерживающие решетки (служат для задержки мусора, крупных обломков
льда и шуги);
- основной ремонтный затвор (служит для перекрытия проточного тракта турбины
при проведении ремонтных работ);
- аварийный затвор (служит для быстрого перекрытия проточного тракта турбины
при возникновении аварийных ситуаций);
- напорная стенка (железобетонная стенка, воспринимающая напор воды от УВБ до
начала турбинного тракта);
- подъемные механизмы (кран для обслуживания сороудерживающих решеток,
основного ремонтного затвора, механизмов аварийного затвора);
- устройства для очистки сороудерживающих решеток (грейфер или грабли для
очистки мусора, пневматические устройства, электрообогрев решеток и др.).

3.

2
ВОДОПРИЕМНИКИ ГЭС
Схема глубинного водоприемника:
1 – забральная балка; 2 – сороудерживающая решетка; 3 – аэрационная
труба; 4 – водовод; 5 – порог для задержки мусора.

4.

2
ВОДОПРИЕМНИКИ ГЭС
Различают поверхностные водоприемники, обеспечивающие водой безнапорный
открытый водовод, и глубинные, направляющие поток в отверстие, полностью
заглубленное под уровень воды. Обычно на крупных ГЭС используются глубинные
водоприемники для обеспечения стабильного напорного режима в водопроводящем
тракте. По расположению в составе гидроузла и особенностям конструкции
водоприемники можно разделить на плотинные, береговые и башенные.
На рисунке изображена схема наиболее распространенного водоприемника с
глубинным отверстием. Пролеты водоприемника перекрываются в верхней части
забральной балкой, предотвращающей попадание в отверстие плавающего мусора и
льда. В средней части водоприемника размещается механическое оборудование, в
головной части – сороудерживающая решетка.
Размеры решетки должны обеспечивать нормативную скорость течения воды в ее
створе, поэтому правильное взаимное расположение забральной балки, решетки и
отверстия определяет основные размеры водоприемника. Форма поверхности
водоприемника должна быть подобрана так, чтобы не нарушалось плавное течение
воды и не возникали излишние гидравлические потери.
Забральная балка и верхняя кромка отверстия для предотвращения прохода плавающих
тел и подсоса воздуха заглубляются под уровень сработки на высоту ℎг (не менее чем на
1,5-2 м).

5.

2
ВОДОПРИЕМНИКИ ГЭС
Плотинные водоприемники:
а – со смежными решетками; б – с выносными плоскими несъемными решетками;
в – с цилиндрическими несъемными решетками; 1 – решетка;
2 – паз ремонтного затвора; 3 – паз аварийного затвора; 4 – забральная балка;
5 – козловой кран; 6 - гидроподъемники; 7 – аварийный затвор;
8 – аэрационная труба; 9 - поддерживающие конструкции

6.

2
ВОДОПРИЕМНИКИ ГЭС
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 1 Береговой водоприемник с шахтой для затворов:
1 – решетка; 2 – дисковый затвор; 3 – аэрационная труба; 4 – затворохранилище;
5 – клапан воздуховода ; 6 – кран
Рис. 2 Башенный водоприемник:
1 – фундамент; 2 – решетка; 3 – цилиндрический затвор (закрыт);
4 – маховик затвора

7.

2
СОРОУДЕРЖИВАЮЩИЕ РЕШЕТКИ ГЭС
В пролетах водоприемников устанавливают сороудерживающие решетки для
предотвращения попадания в лопастную систему турбин крупных бревен, коряг, льдин.
На ГАЭС, при необходимости, решетки устанавливаются с обоих концов
водопроводящего тракта.
Решетки состоят из несущего каркаса, образованного опорно-концевыми стойками и
ригелями, а также навешенных на каркас стержневых панелей, собранных из стержней
на стяжных болтах и распорных втулках. Опорно-концевые стойки снабжаются
скользящими опорно-ходовыми частями, аналогичными устанавливаемым на затворах.
При большой высоте отверстия решетка делится на секции. Несущий каркас
рассчитывается на давление воды, которое зависит от степени засорения решетки и по
нормам принимается равным 0,02 – 0,03 МПа, что соответствует перепаду 2 – 3 м.
При конструировании решеток добиваются снижения гидравлических потерь, для чего
ригели делают обтекаемой формы, располагая их вдоль направления линий тока воды,
или сквозными из труб. Второй вариант предпочтительнее для ГЭС с переменными
режимами, т.к. обеспечивает малые потери при любом направлении течения. Для
уменьшения потерь напора стержни также делают обтекаемой формы.
Расстояние между стержнями для турбин ПЛ принимается равным 0,05D1, (но не более
20 см), для РО – 0,03 D1, (но не более 10 см). С учетом того, что зависимость потерь
напора от скорости квадратичная, требуется тщательный подход к выбору скорости
перед решетками. Максимальное значение скорости для русловых ГЭС ограничивается
нормами до 1,2 м/с для слабо засоренных и 1 м/с – для сильно засоренных водотоков,
для заглубленных неочищаемых решеток допустимая скорость снижается до 0,4 м/с.

8.

8
СОРОУДЕРЖИВАЮЩИЕ РЕШЕТКИ ГЭС
Примеры сороудерживающих решеток:
а – вид с напорной стороны; б – разрез решетки со сплошными ригелями,
ориентированными по потоку; в – то же со сквозными ригелями из круглых
профилей; г – крепление стержней; 1 – опорно-кольцевая стойка; 2 – ригель; 3 –
секции стержней; 4 – стяжной болт; 5 – распорная втулка.

9.

9
СОРОУДЕРЖИВАЮЩИЕ РЕШЕТКИ ГЭС
Площадь сороудерживающей решетки Fр определяется по формуле:
Fр= Qp/Vр,
где Qp - максимальный расход через агрегатный блок, Vр – допустимая скорость на
сороудерживающей решетке.
Допустимая скорость на сороудерживающей решетке в водоприемнике
приплотинной ГЭС может иметь существенно большие значения, чем для русловой
ГЭС и определяется согласно действующим нормативным документам.
Рекомендованный диапазон для оценочного проекта можно принять в пределах 1,4
– 1,8 м/с.
Различают несколько способов очистки сороудерживающих решеток.
1. Механическая очистка от плавающего сора осуществляется граблями или
грейферами.
Эти
устройства
двигаются
вверх-вниз
в
пазах
перед
сороудерживающей решеткой с помощью крана, захватывают мусор, который
выгружается на транспортные средства и вывозится с гидроузла.
2. Пневматическая очистка сжатым воздухом. Позволяет оторвать мусор от
решетки и отогнать шугу, взломать наледи. Каналы и отверстия для подачи сжатого
воздуха располагаются в фундаментной плите и бычках водоприемника.
3. Электрообогрев – применяется для предотвращения обмерзания решетки путем
пропуска через нее тока высокого значения (до 300 А). Требует значительных
затрат электроэнергии.

10.

10
ЗАТВОРЫ ЗДАНИЙ ГЭС
В зданиях ГЭС и водоприемниках затворы применяются для перекрытия
водопропускных отверстий и регулирования пропускания расхода воды и вместе с
механизмами управления относятся к гидромеханическому оборудованию.
По функциональному назначению выделяют несколько видов затворов.
Основные (рабочие) затворы предназначены для регулирования расходов. Они
должны открываться и закрываться под напором, в потоке воды. Такие затворы
устанавливаются на водосбросах зданий ГЭС совмещенного типа и водоприемниках
головных узлов некоторых деривационных ГЭС.
Аварийные затворы применяются в случае аварии с основным затвором, при
потере регулирования или повреждении турбины, разрыве водовода. Такие затворы
закрываются в потоке под напором, открываются без напора, с предварительным
выравниванием уровней перед затвором и за ним после устранения последствий
аварии. Аварийный затвор обычно позволяет осушить перекрытый им водовод для
ремонта.
Ремонтные затворы устанавливают при выравненных уровнях воды с
последующим осушением водоводов при плановых ремонтах. Открытие затворов
также производится при выравненных уровнях без напора.
Наибольшее распространение на ГЭС получили плоские затворы со скользящими
опорами - см. рисунок.

11.

11
ЗАТВОРЫ ЗДАНИЙ ГЭС
Опорно-ходовые части плоских затворов:
a— скользящие; б— колесные; 1 — опорный скользящий полоз; 2 — рельс для
скольжения; 3 — закладная часть рабочего пути; 4 — опорная полоса уплотнения;
5 — уплотнение; 6 — боковое колесо; 7 — закладная часть обратного пути; 8 —
обратное колесо; 9 — резиновый буфер; 10 — консольная ось; 11 — рабочее колесо;
12 — рельс для качения

12.

12
СПИРАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Виды и конструкции спиральных камер.
В случае, когда используются реактивные гидротурбины, из водоприемника или
напорных станционных водоводов поток воды поступает в спиральную камеру.
Форма спиральной камеры рассчитывается таким образом, чтобы при снижении
расхода воды поступающей в направляющий аппарат, обеспечить поддержание
постоянной скорости потока, падающего на лопасти турбины, по всему периметру.
Различают следующие виды спиральных камер:
- бетонные;
- металлические;
- литые.
Бетонные спиральные камеры обычно имеют форму таврового сечения с углами
охвата φохв от 135 град. до 230 град. и различаются по своей конструкции в
зависимости от значения высоты отсасывания, глубины нижнего бьефа, вида
основания. Различают следующие виды конструкций бетонных спиральных камер
смотри рисунок.
Спиральная камера с металлической облицовкой имеет круглое сечение с углами
охвата, достигающими 360 град., что позволяет эффективно перераспределять расход
воды, поступающей в направляющий аппарат и обеспечивать устойчивый режим
работы турбины. Облицовка воспринимает нагрузку от давления воды и
устанавливается в бетоне здания ГЭС на уплотняющую и гидроизолирующую
прослойку, состоящую из войлока с пропиткой и битумных матов.

13.

13
СПИРАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Спиральные камеры:
а, б – бетонные камеры; в, г –
металлические камеры; д, е, ж
– сечения бетонных камер; з –
сечение металлической
камеры
д) - равномерно развитая
вверх и вниз спиральная
камера имеет наибольшее
распространение и
используется при средних
параметрах глубины нижнего
бьефа и заглублении рабочего
колеса; е) - развитая вниз используется в случае
небольшой глубины нижнего
бьефа (до 5-7 м) при
достаточным заглублении
рабочего колеса (высота
отсасывания более 2-х метров)
с целью снижения длины вала
гидроагрегата;
ж) - развитая вверх - используется в случае
значительной глубины нижнего бьефа (более
7-10 м) при небольшом заглублении рабочего
колеса с целью снижения выемки котлована
под здание ГЭС.

14.

14
СПИРАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Спиральная камера и отсасывающая труба вертикальной РО турбины.

15.

15
НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Схема направляющего аппарата
реактивной гидротурбины:
а — рабочее колесо; б — направляющий
аппарат.
Невращающиеся части турбины:
а – крышка турбины; б — статорная часть;
в — направляющий аппарат; 1 — верхнее кольцо
статорной части; 2— нижнее кольцо статорной
части; 3— колонны; 4 — регулирующее кольцо;
5 — верхнее кольцо направляющего аппарата;
6 — рычаги; 7 — серьги; 8 — нижнее кольцо
направляющего аппарата; 9—лопатки.

16.

16
РАБОЧИЕ КОЛЕСА
ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ
ГИДРОТУРБИН ГЭС
Осевая поворотно-лопастная турбина:
а — поперечный разрез; б—' план-разрез;
в—внешний вид рабочего колеса; г —рабочие
колеса для разных напоров;
1 — корпус рабочего колеса; 2— обтекатель;
3 — лопасти; 4 — камера рабочего колеса;
5 —неподвижный обтекатель;
6—' лопатки направляющего аппарата;.
7 — колонны статора

17.

17
РАБОЧИЕ КОЛЕСА ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ
ГИДРОТУРБИН ГЭС
Механизм поворота лопастей рабочего колеса:
а — схемы механизма; б — конструкция; 1 — поршень сервомотора; 2 —ось
лопасти; 3 — эксцентрик; 4 — лопасть; 5 — крестовина; 6 — шток; 7—серьга.

18.

18
РАБОЧИЕ КОЛЕСА
РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ
ГИДРОТУРБИН ГЭС
Радиально-осевая турбина:
а—поперечный разрез; б— план-разрез; в —
внешний вид рабочего колеса; г — рабочие
колеса для разных напоров; 1— ступица
рабочего колеса; 2—обод рабочего колеса; 3
— лопасти; 4 — лопатки направляющего
аппарата; 5 — колонны статора

19.

19
РАБОЧИЕ КОЛЕСА И УСТРОЙСТВА КОВШЕВЫХ
ГИДРОТУРБИН ГЭС
Ковшовая турбина:
а — общий вид рабочего колеса; б — разрез по турбине.
РК ковшовой турбины состоит из обода 1, снабженного по периферии ковшами 2,
отлитыми совместно с ободом или прикрепленными к нему сваркой или болтами. Ковш
состоит из двух симметрично расположенных полусферических чаш, разделенных
ножом. На оборотной стороне ковша имеется прорезь, обеспечивающая
беспрепятственное вхождение ковша под струю. Колесо заключено в кожух 3 и
вращается на одном валу с ротором генератора. Вода к турбине подводится из верхнего
бьефа турбинными водоводами, заканчивающимися одним или несколькими соплами
— сужающимися насадками 6.

20.

20
РАЗРЕЗ ПО РУСЛОВОМУ ЗДАНИЮ ГЭС

21.

21
ОТСАСЫВАЮЩИЕ ТРУБЫ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Принцип работы отсасывающей трубы:
а - рабочее колесо без отсасывающей трубы;
б — с отсасывающей трубой.

22.

22
ОТСАСЫВАЮЩИЕ ТРУБЫ ГИДРОТУРБИН ГЭС
Стандартная
отсасывающая труба:
а — разрез; б — план; 1 — конус;
2 — колено; 3 — диффузор.
Для турбин подземных ГЭС и
гидромашин
ГАЭС
разработана
специальная
отсасывающая
труба
уменьшенной ширины, увеличенной
высоты, с круглыми сечениями колена.
Для
горизонтальных
турбин
применяется
горизонтальная
прямоосная отсасывающая труба.
На малых ГЭС используются также
вертикальные прямоосные и коленчатые
горизонтальные S-образные трубы.
Отсасывающие трубы, как правило,
выполняются
в
бетоне.
Металлом
облицовывается конус, иногда — торовая
часть колена и лишь изредка (на
высоконапорных турбинах) — все колено.

23.

23
Спасибо за внимание!