Машинное здание ГЭС и его оборудование являются основными "энергетическими" элементами гидроэлектростанции (ГЭС), в которых используется гидравлическая энергия, созданная и подведенная к машинному зданию остальными элементами ГЭС (плотиной, деривационными сооружениями, трубопроводами).
Внешний вид машинного здания и его расположение в комплексе сооружений ГЭС может быть очень разнообразным. Машинное здание может входить в состав плотины, находиться у плотины, в непосредственной близости от нее, но получать воду по трубопроводам, проходящим в теле плотины или в специальных тоннельных ходах или просто по поверхности грунта между плотиной и зданием. Также машинные здания могут находиться далеко от плотины, в конце деривационного водовода.
Схемы конструктивного оформления машинного здания при таком разнообразии вариантов расположения машинного здания также не могут быть одинаковыми как вследствие различных соотношений напоров и расходов, так и вследствие различного способа ввода воды в здание. Расположение здания относительно реки и транспортных путей также оказывает существенное влияние на схему машинного здания.
При высоких напорах, порядка 25 - 35 м обойтись без сооружения плотины перед машинным зданием не представляется возможным, так как давление воды на машинное здание со стороны верхнего бьефа является чрезмерно большим. В таких ГЭС приходится поэтому находить наиболее экономичную комбинацию плотины с расположенный за ней машинным зданием, обеспечивающую устойчивость против давления воды.
Возможные варианты расположения в очень большой степени зависят от соотношения мощности отдельного агрегата и величины напора.
Задачей "машинного здания" (понимая под этим термином все элементы здания с его оборудованием) является наиболее полное и наиболее экономичное использование подведенной к нему энергии. Поэтому его оборудование, а именно турбины и генераторы, а также спиральные камеры и всасывающие трубы должны быть применены максимально совершенной конструкции, обеспечивающей минимальные потери энергии в пределах машинного здания и тем самым максимальную эффективность использования теоретической мощности энергии, созданной остальными элементами ГЭС.
Ввиду этого практика гидроэлектростроительства проявляет большие заботы в области максимального усовершенствования оборудования машинного здания.
Требование максимальной экономичности приводит к стремлению возможно упростить конструкцию и уменьшить размеры машинного здания.
Параллельно с этим должны быть внесены усовершенствования, упрощающие и удешевляющие эксплуатацию ГЭС, автоматизирующие ее обслуживание при эксплуатации, уменьшающие количество обслуживающего персонала и соответственно количество служебных помещений.
Несмотря на то, что автоматизация управления и улучшение конструкций машинного оборудования требуют увеличения расходов на сооружение ГЭС, они являются, тем не менее, средством повышения экономичности ГЭС.
Строительные конструкции машинного здания в основном делятся на две части:
1. Фундаменты здания или "подводную" часть, включающие конструкции всасывающих труб. Внутри фундаментов или непосредственно на них располагаются также спиральные камеры водяных турбин. Непосредственно на фундаменты опираются также массивные бетонные или железобетонные конструкции, поддерживающие генераторы и вращающиеся детали машинных агрегатов.
2. Верхнее строение машинного здания или надводную часть, внутри которого располагаются генераторы, почти всегда электрическое распределительное устройство, а иногда также и повысительная подстанция (последнее встречается довольно редко, и главным образом, при небольших мощностях и в установках старого типа).
Основными элементами машинного оборудования здания являются турбины и генераторы. Наиболее распространенная и современная конструкция машинного агрегата и внутренний вид такого машинного здания изображены на фотографиях (вертикальные агрегаты с турбиной Френсиса или Каплана). Реже встречающаяся конструкция турбин Пельтона, применяемая при больших напорах.
К расположенной под генератором турбине вода подводится по металлическому трубопроводу, берущему воду непосредственно из водохранилища плотины или же из напорного бассейна в конце деривации.
Из трубопровода, подведенного к турбине с передней стороны агрегата, вода входит в спиральный кожух турбины, передняя часть которого на рисунке снята, чтобы показать внутренние элементы турбины (с той же целью вырезана передняя правая четверть генератора).
Вода по спирали обходит по окружности турбины, поступая при этом внутрь турбины через промежутки (отверстия) между опорными стойками, поддерживающими вес элементов оборудования, расположенных над ними.
С целью дать "свободный" (т. е, с минимальными потерями энергии) проход воды между стойками последним придается форма плоских и длинных лопаток, между которыми ходит вода, постепенно, номере приближения к центру турбины, и обретая все большую скорость движения. Группа таких лопаток разует как бы "кольцо лопаток", называемое часто "скоростным кольцом", "опорными лопатками" или "скоростными лопатками".
При движении по спирали (сзади турбины) вода уходит лит в промежутки между скоростными лопатками и до правого сечения спирали доходит лишь небольшое количество воды, что дает возможность сделать эту часть спирали сильно уменьшенной в размерах.
Выйдя из скоростных лопаток, вода входит в промежутки между "направляющими лопатками", в которых ее скорость снова (и очень значительно) возрастает и приобретает направление, необходимое для наиболее полного использования энергии воды. Направляющие лопатки в отличие от скоростных опорных являются подвижными, поворачивающимися каждая вокруг своей собственной вертикальной оси.
Из направляющих лопаток вода поступает на криволинейные лопатки рабочего колеса турбины, наглухо залитые (или отлитые совместно) в верхнем ободе рабочего колеса. Втулка этого обода насажена (со шпонкой) на вертикальный турбинный посредством которого вращение, создаваемое действием выходящих из направляющего аппарата струй воды, передается генератору.
Одновременный и совершенно одинаковый поворот направляющих лопаток осуществляется поворотом их индивидуальных рычажков (сережек), соединенных посредством своих втулок с осями направляющих лопаток.
Посредством поворота лопаток достигается увеличение или уменьшение расстоянии между концами направляющих лопаток, что увеличивает или уменьшает количество воды поступающее из спирали в турбину, а следовательно, соответственно изменяет запасы энергии, поступающие на рабочие лопатки турбины и мощность на валу турбины. Таким путем осуществляется регулирование мощности турбины.
Вал турбины соединяется посредством жесткой (с болтовым соединением) муфты, т. е. двумя фланцами, откованными на концах валов, с валом генератора.
Вал генератора приводит при своем вращении в движение сидящий на нем ротор генератора. При вращении ротора с электрическими обмотками (катушками проводов, оживленных током), закрепленными на нем, вокруг вращающегося ротора создаются вращающиеся магнитные поля, благодаря чему в проводах обмотки статора генератора, расположенного вокруг ротора, создаются мощные электрические токи, отводимые к местам потребления электрической энергии.
На внешней обойме (цилиндрическом кожухе) статора по окружности опираются 6 - 8 лап опорной крестовины (балочной опорной конструкции с обычно радиальными опорными балками), наверху которой располагается подпятник.
На последнем подвешивается вал генератора вместе с ротором генератора и присоединенным к нему валом турбины и ее рабочим колесом. На этот же подпятник передаются и различные вертикальные усилия, наблюдающиеся при движении воды в турбине.
Над подпятником очень часто располагается небольшой генератор постоянного тока, вращающийся вместе с основным генератором и дающий ток для создания магнитного поля в роторе генератора. В крупных агрегатах мощность данного вспомогательного генератора, называемого "возбудителем", достигает нескольких сот киловатт.
Спиральный кожух турбины во многих случаях заделываете глухо в бетонных массивах фундаментов машинного здания, в которых предусматриваются расширяющиеся всасывающие трубы для отвода воды после использования ее энергии в рабочем колесе турбины.
Генератор располагается на полу машинного здания, однако, так как вес генератора достигает часто нескольких сот тонн, то и конструкция пола получается чрезвычайно массивной и является необходимым создание опорных железобетонных стоек-стенок, поддерживающих пол генераторного зала и приходящуюся на него нагрузку.
В свою очередь стойки, выполняемые иногда в виде сплошного бетонного цилиндра, опираются на верх спирального кожуха турбины, внутри которого нагрузка воспринимается указанными выше опорными лопатками. Последние передают нагрузки фундаментам здания.
Высота генератора достигает 3 - 6 м (и даже - 10 м), и это требует устройства специального служебного мостика (отдельно для каждого агрегата или общего для нескольких агрегатов).
Трансформаторы и все остальное оборудование трансформаторной подстанции часто помещаются в промежутке между машинным зданием и платиной, а также на крыше машинного здания. Распределительные устройства и щиты управления могут располагаться в специальных помещениях под трансформаторами, причем эти помещения имеют пол на одной отметке с полом машинного зала.
При проектировании машинных зданий наибольшие затруднения вызывает определение габаритов зданий, для чего требуется знание габаритов оборудования и габаритов помещений, необходимых для размещения оборудования. Основным методом, обеспечивающим наиболее успешные результаты, в этом случае является систематическое исследование существующих машинных зданий различных ГЭС и подбор образцов, наиболее близко подходящих к заданным условиям.
Смотрите дальше: Повышение эксплуатационной надежности гидравлических турбин