Рабочие механизмы и направляющий аппарат Саяно-Шушенской ГЭС
Гидротурбинное оборудование создавалось исходя из условий, что турбины мощностью 650 МВт имеют размеры блока турбин мощностью 540 МВт; высокого максимального напора 220 м; наличия сменных рабочих колес, станочного парка на заводе, возможности транспортировки, а также с учетом современного уровня металлургии.
Направляющий аппарат (см. рис. 1) является одним из главных узлов, определяющих компоновку всей турбины. Впервые в СССР создан направляющий аппарат с индивидуальными сервомоторами. Для обеспечения мощности турбин со сменными рабочими колесами потребовалось увеличить открытие направляющего аппарата на 43% по сравнению с открытиями, необходимыми для работы со штатными рабочими колесами.
При таких больших открытиях, требующих большого хода .сервомоторов, нормализованная кинематика со стяжками и регулирующим кольцом не размещались в размерах турбины. Применение индивидуальных сервомоторов позволило улучшить компоновку турбины и создать хорошие условия обслуживания ее узлов. Индивидуальные сервомоторы увеличивают плотность закрытия направляющего аппарата, позволяют отказаться от ломкого элемента на случай попадания инородного тела между лопатками. Лопатки всегда остаются управляемыми. Сервомотор служит демпфером всех колебаний лопаток. Применение индивидуального привода позволяет осуществлять одинаковое открытие всех лопаток на всем диапазоне открытий. Система управления сервомоторами (синхронизация) применена гидромеханическая. Большое число золотников и сервомоторов позволило организовать их серийное производство, тем более что золотники и сервомоторы для турбин Загорской ГАЭС изготавливаются по тем же чертежам.
В конструкции направляющего аппарата применена специальная осевая разгрузка лопаток, что значительно упрощает конструкцию восприятия вертикальной силы, повышает надежность направляющего аппарата. При напорах 220 м большое значение имеет плотность закрытия направляющего аппарата. По кромкам прилегания плотность создается натягом индивидуальных сервомоторов, а по торцам — специальным уплотнением. Впервые проведена работа по определению потребного давления в сервомоторах при напряженно-деформированном состоянии деталей, а также экспериментальная, расчетная и конструкторская работа, направленная на изучение поведения направляющего аппарата при рассогласовании лопаток, по обеспечению его работоспособности и надежности.
Разработанная конструкция направляющего аппарата позволяет проводить крупноблочный монтаж. Для этой
цели впервые в практике монтажных работ была разработана и применена специальная траверса грузоподъемностью 300 т, позволяющая переносить и опускать полностью собранный направляющий аппарат. Этой же траверсой осуществляется перенос отдельно и вместе рабочего колеса и вала. Подшипник турбины
Впервые в мировой практике для гидротурбин направляющий подшипник создан резиновым, сегментным на водяной смазке, воспринимающим радиальную нагрузку в 62 т при линейной скорости вала йорядка 15 м/с и удельном давлении порядка 7 кгс/сма. К моменту проектирования Саянских турбин имелся опыт эксплуатации подшипников на водяной смазке порядка 11 м/а и удельном давлении до 5 кгс/см2.
Если спроектировать направляющий подшипник по старым нормам, то размеры получились бы такими, что разместить его внутри опоры подпятника, не ухудшив условия эксплуатации, было бы невозможно. Вулканизация сегментов такого подшипника являлась бы весьма трудной и новой задачей для заводов резинотехнической промышленности.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы показали работоспособность, надежность и долговечность работы подшипников на водяной смазке при скорости вращения вала 15—20 м/с и удельных давлениях порядка 7—8 м/с, а его» размеры обеспечивали хорошую компоновку и технологичность. Вал турбины
Большие трудности пришлось преодолеть при проектировании вала турбины. С одной стороны единый вал агрегата должен передавать огромную мощность 735 МВт при частоте вращения 142,8 об/мин, с другой стороны размеры его ограничивались возможностью изготовления зеркала подпятника генератора, через внутреннее отверстие которого должен пройти фланец вала. Трудность проектирования заключалась еще и в том, что вал должен использоваться и для сменных и для штатных рабочих колес.
В результате разработан вал с трубой диаметром 1945 мм и толщиной стенки 275 мм, вес 90 т. Технологически возможная точность изготовления вала и подпятника не обеспечивала допустимую величину боя вала. Поэтому ПО «Ленинградский металлический завод» совместно с ЛЭО «Электросила» имени С. М. Кирова и В/Т «Спец-гидроэнергомонтаж» разработали способ центровки вала агрегата. Предусмотрен компенсирующий элемент, позволяющий обеспечить надлежащее качество общей линии вала, что позволило отказаться от проверки в цеху общей линии вала по струнам. Рабочие колеса
Для Саяно-Шушенской ГЭС необходимо было создать два совершенно разные по типу и конфигурации рабочие колеса (РК): сменные — для работы при напорах 60— 140 м и мощности 150—400 МВт и штатные — для работы 175—220 м и мощности до 735 МВт.
Сменные РК должны «вписаться» в проточный-тракт турбин со штатными РК, а замена Сменных колес не должна сопровождаться заменой основных деталей турбин.
В результате исследовательских и конструкторско-технологических работ было разработано сменное РК типа РО 820а. За основу было взято рабочее; колесо ГЭС Сархуага, уменьшена его высота, изменен наклона нижнего обода. Это позволило вписаться в проточный тракт штатных турбин, получить требуемую для работы на пониженных напорах характеристику и использовать с частичной переделкой имеющуюся на заводе тяжелую оснастку (штампы, пространственные шаблоны).
Сменные рабочие колеса выполнены цельносварными из углеродистой стали диаметром 6,05 м, массой 90 т. При создании РК исходили из требований обеспечения высокого КПД, оптимальной компоновки турбины, конструктивности и технологичности, рационального способа транспортировки. Особенностью создания штатных ,РК являлось то, что при сравнительно небольших их размерах они должны воспринимать огромную мощность, небольшом размере РК и большом числе лопастей существовали технологические трудности создания цельносварного РК.
Разработанное ПО «Ленинградский металлический завод» РК типа ГО-230/833 имеет высокие энергетические и кавитационные показатели, отвечает условиям технологичности, прочности н конструктивности.
Большая работа проделана объединением по снижению массы РК. Найдена оптимальная форма верхнего обода, позволяющая повысить общую жесткость обода и приблизить опорный подшипник турбины к центру приложения радиальных сил на колесо. Найдено решение, позволяющее уменьшить местную жесткость верхнего и нижнего ободов в местах сопряжения с выходной кромкой лопастей за счет местного утонения ободов, что повышает динамическую прочность колес. Эти мероприятия позволили снизить первоначальную массу РК с 180 до 142 т. Снижение веса РК имеет важное значение и для транспортировки,' так как улучшаются условия погрузочно-разгрузочных работ, проводки судна по р. Енисею.
В ПО «Ленинградский металлический завод» разработаны специальные приспособления для перегрузки колес на пирсе Красноярской ГЭС.