Гидравлические турбины - это турбины, в которых в качестве рабочего тела используется вода. Они применяются в качестве привода электрического генератора на гидроэлектростанциях. Гидравлические турбины классифицируются по типу потока, по направлению потока, по виду рабочего колеса и по величине напора.
Важнейшим критерием технического уровня энергетической машины является КПД, характеризующий степень использования потенциальных ресурсов энергоносителя, будь то топливо, вода и др. У гидротурбин это отношение использованной энергии потока к запасенной, для аккумулирования которой сооружаются гидроузлы различной компоновки.
Коэффициент полезного действия является суммарным показателем гидротурбины, так как определяется совершенством ее проточного тракта, уровнем конструктивных и технологических решений, качеством изготовления, монтажа и эксплуатации.
Чем выше КПД, тем, разумеется, ниже себестоимость вырабатываемой электроэнергии, экономически эффективней работа ГЭС в целом.
Наряду с этим следует иметь в виду, что современные гидротурбины отличаются очень высокими КПД (например, 95,8 % и дальнейшее, даже незначительное их увеличение становится все затруднительнее).
Обычно наряду с КПД рассматривается такая характеристика, как кавитационная эрозия, количественным выражением которой является потеря массы элементов проточного тракта за определенный период.
Этот показатель в значительной степени зависит от высоты расположения рабочего колеса относительно уровня воды в нижнем бьефе, режимов работы, а также свойств материала, прежде всего от его кавитационной стойкости, которая в свою очередь обусловлена интенсивностью кавитационных явлений.
Эти две последние характеристики, определяемые в процессе модельных испытаний на специальных стендах гидравлической лаборатории зачастую с участием представителей заказчика и гарантируемые заводами-изготовителями, являются основными, регламентируемыми в конкретных условиях на поставку гидротурбин.
К не менее существенным характеристикам следует отнести надежность гидротурбин в эксплуатации, т. е. безотказность и длительность работы, которые определяют также продолжительность межремонтного периода и простоя агрегата в ремонте.
Надежность гидравлических турбин - это способность турбин выполнять свои функции без отказов и повреждений в течение заданного срока эксплуатации при определенных условиях работы.
Надежность гидравлических турбин зависит от многих факторов, таких как:
- Качество проектирования, изготовления, монтажа и наладки турбин,
- Соответствие параметров турбин (напор, расход, скорость, мощность) параметрам гидроэлектростанции,
- Режим работы турбин (постоянный, переменный, пусковой, остановочный, аварийный),
- Состояние рабочего колеса, лопастей, уплотнений, подшипников, регулирующей аппаратуры и других элементов турбин,
- Качество воды, проходящей через турбину (загрязненность, температура, агрессивность, кавитация),
- Воздействие внешних факторов (механические, тепловые, электрические, магнитные, химические, биологические),
- Своевременность и правильность проведения технического обслуживания, ремонта и диагностики турбин.
Для повышения надежности гидравлических турбин необходимо учитывать все эти факторы на всех этапах жизненного цикла турбин, а также применять современные методы и средства контроля, защиты и управления турбинами.
Надежность гидравлических турбин влияет на эффективность, безопасность и экономичность работы гидроэлектростанций.
В условиях острого дефицита маневренной мощности, покрыть который могут прежде всего ГЭС, а также ГАЭС, надежность и готовность гидротурбин к работе становится основными показателями, ради которых иногда поступаются и трудоемкостью, и стоимостью оборудования.
Очень важно, чтобы все узлы турбины обладали одинаковой надежностью, так как отказ даже самого незначительного механизма может стать причиной вывода всего агрегата из работы.
Особое внимание должно быть уделено рабочему колесу поворотно-лопастных турбин, в частности уплотнению фланцев лопастей, и направляющему аппарату тех же турбин, так как в связи с отказом от быстродействующих затворов направляющий аппарат практически превратился в единственный орган, способный перекрыть поток воды к рабочему колесу и обеспечить нормальный и аварийный остановы агрегата.
Как известно, гидроэнергетическое оборудование характеризуется значительной металлоемкостью изделий и трудоемкостью производства. Улучшение этих показателей достигается различными путями.
Снижению металлоемкости гидротурбин способствует применение современных материалов с улучшенными механическими свойствами, с высокой коррозионно-усталостной прочностью и кавитационной стойкостью.
Этой же цели в узлах трения служит замена металлов неметаллическими материалами с большой износостойкостью, меньшим коэффициентом трения, не нуждающимися в смазке, что позволяет отказаться от сложной системы ее подачи, от уплотнения фланцев лопастей и что, наконец, предотвращает недопустимое загрязнение природных водоемов.
Переход на некоторых гидротурбинах от кольцевого обрезиненного вкладыша к сегментному, наряду с упрощением узла направляющего подшипника в целом, позволяет для крепления резинового слоя к металлу отказаться от вулканизации, а также снизить расход осветленной воды на смазку, что в условиях некоторых ГЭС является решающим фактором при выборе типа этого узла.
Недостаточно надежная облицовка вала из листовой нержавеющей стали в зоне направляющего подшипника с обрезиненным вкладышем заменяется наплавкой на валу нержавеющего слоя, что повышает общую надежность агрегата.
Постепенный отказ от спаривания турбинных валов с генераторными в условиях завода и переход к раздельной обработке отверстий во фланцах по точным кондукторам призваны ликвидировать встречные перевозки и трудоемкие дополнительные операции.
Широкое внедрение сварных конструкций увеличило коэффициент использования металла, уменьшило трудоемкость механической обработки и загрузку уникального станочного оборудования.
Изготовление сварных радиально-осевых рабочих колес со штампованными лопастями из толстолистового нержавеющего проката позволило улучшить геометрию лопастей и колеса в целом, сделать его более стойким против кавитационной эрозии и трещинообразования.
Применение малоуглеродистых нержавеющих сталей, не требующих высокого нагрева при сварке, сделало колеса более технологичными в изготовлении и ремонтопригодными в условиях эксплуатации.
Оснащение предприятий современным раскройным и металлообрабатывающим оборудованием с программным управлением, наряду с экономией листового проката, обеспечивает качество вырезки, получение сложных деталей заданной формы и размеров.
Значительного снижения трудоемкости и разгрузки уникального станочного оборудования и сборочных площадок также добились, отказавшись, где это возможно, от механической обработки стыков кольцевых деталей и секторов, соединяемых при монтаже сваркой.
Крепление верхнего кольца или крышки турбины на верхнем поясе статора посредством специального обработанного кольца или опорных шпилек, привариваемых при монтаже с последующим дополнением стыкового зазора эпоксидной композицией упростило достижение заданных торцовых зазоров между направляющими лопатками и сопрягаемыми деталями.
Изготовление камер рабочих колес из двухслойного листового проката штампованной конструкции, свариваемых при монтаже, позволило уменьшить зазоры в паре лопасть-камера и соответственно сократить объемные потери на работающей турбине.
Весьма эффективны так называемые смешанные или сталежелезобетонные конструкции спиральных камер гидротурбин, при использовании которых часть нагрузки передается на железобетонный блок здания ГЭС. Благодаря этому уменьшается необходимая толщина стального проката, упрощаются изготовление и монтаж закладных частей.
Таким образом, совершенствование конструкции отдельных узлов и выбор оптимальной компоновки турбинного оборудования в целом, применение новейшей технологии его изготовления, использование новых металлических и неметаллических материалов позволили значительно улучшить качество гидротурбин.
В настоящее время заводы-изготовители в технических условиях на поставку гарантируют 30-летний срок службы гидротурбин и длительность эксплуатации между капитальными ремонтами не менее 25 тысяч часов.