Гірляндна установка на поперечних турбінах

а) Одногирляндная установка на поперечных турбинах

При протекании воды через поперечные турбины все время со­здается крутящий момент вследствие разности гидравлических дав­лений воды на их поверхностях относительно оси вращения. Одно­временно поперечные турбины имеют и значительное лобовое сопротивление в потоке; под действием сил лобовых сопротивлений тур­бин трос гирлянды находится все время в растянутом состоянии и в таком положении способен передавать крутящий момент «а ге­нератор или на рабочую машину, находящуюся на береговой опоре.

Турбины 2 попарно крепятся к тросу 1, причем каждая пара турбин имеет общий узел 3 (рис. 3), обеспечивающий как постоянство положения турбин на тросе, так и возможность рабочих пере­мещений каждой из турбин пары (в гл. 2 рассмотрены детали кон­струкций для всех элементов и узлов одногирляндной ГЭС). В каж­дой паре одна турбина повернута к другой по направлению вра­щения на 90°. Это выполнено с целью выравнивания крутящего момента каждой пары турбин за один оборот. Если бы это не было осуществлено, трос 1 закручивался бы рывками и создавал бы на выходе неравномерный крутящий момент по времени.

Одногирляндная ГЭС

Реакция сил натяжения гирлянды воспринимается береговыми опорами (сваями 4), вкапываемыми в грунт. Свободная опора име­ет крюк 8 и узел упорного подшипника 5, дающий возможность как свободной ориентации конца гирляндного троса, так и его сво­бодного вращения. При необходимости сброса гирлянды с помощью тросика 6 вынимается чека и за чеку оттягивается крюк 8. Сбро­шенная линия располагается ниже по течению вблизи от берега.

Второй конец троса гирлянды идет на генераторную опору; он перекинут через блок 12 и закреплен стяжками 13. Блок закреп­лен на крюке 11. На раме 14 установлена редукторная часть уста­новки.

Трос 18 позволяет установить генератор и муфту на более вы­сокой отметке местности во избежание затопления электрической части установки в паводок. Закрепление конца троса на генератор­ной опоре также шарнирное.

Направление вращения троса выбирается таким образом, чтобы, передавая нагрузку, он работал на скручивание прядей. Только в этом случае он способен передавать мощность, причем, когда заборники турбин по отношению к набегающему потоку расположены выше оси троса,— гирлянда работает «на всплытие». Если ниже тро­са,— «на погружение». В случае работы «на погружение» между дном и гирляндой создается донная водяная подушка, по высоте равная 0,3—0,4 диаметра турбин, которая и не дает гирлянде со­прикасаться с дном. В случае работы «на всплытие» гирлянда рас­полагается у поверхности воды.

Подъемная сила поперечных турбин падает с уменьшением ско­рости их вращения, а потому при значительном торможении гир­лянда теряет плавучесть и опускается на дно. Этим пользуются при эксплуатации гирлянд, работающих «на плаву», для пропуска­ния плавсредств со значительной осадкой (многослойных плотов, катеров) в том случае, если гирляндой перекрыт весь створ реки от берега и до другого берега. Для торможения гирлянды через проток по ширине створа перед гирляндой перебрасывается не­сколько концов проволоки диаметром 2—3 мм. Один из них натя­гивается через проток, другие остаются на дне. При соприкоснове­нии плавучих тел большой массы с проволокой от ее добавочного натяжения вытягивается чека стопорного устройства и гирлянда стопорится ленточным тормозом, опускаясь на дно. Для пуска гир­лянды необходимо отвести ленточный стопор и вложить чеку, а после пуска натянуть следующий конец предохраняющей проволоки через поток.

Бревна, лед и другие плавающие предметы, имеющие незначи­тельную осадку, проходят через гирлянду, работающую «на плаву», беспрепятственно, так как вокруг вращающейся гирлянды создается вращающийся слой воды, который отталкивается от приближаю­щихся предметов.

б) Каскад одногирляндных установок с автономно работающими генераторами

Установка из двух гирлянд была впервые поставлена в деревне Порожки совхоза «Медновский» в июне 1962 г. (рис. 26). Передняя гирлянда выдает электрическую мощность 3,5 квт и предназначена для освещения деревни Мухино, расположенной в 2 км от створа, задняя гирлянда, расположенная от передней на расстоянии 18 м, освещает в Порожках 17 дворов, молочную ферму (75 голов), ко­нюшню (12 лошадей), молокоприемный пункт и силосохранилища.

Каждая из гирлянд состоит из 100 турбин (D = 200 мм; L= = 300 мм). Скорость потока у низовой гирлянды 1,6 м/сек и у вто­рой 1,2 м/сек. Режим работы гирлянд — «на плаву».

Генераторы: на первой гирлянде ПН-28,5В и на второй — ПН-28,5 постоянного тока с оборотами 1 000 об/мин.

Стабилизация сети — балластная; балластной нагрузкой осве­щены: улица деревни, сени дворов и помещения для скота при дворах.

Тверца — река, на которой установлены ГЭС, типичная река рав­нинного типа. В районе деревни Порожки можно разместить 26 по­добных гирлянд, причем каждая из деревень, ближних к Порожкам и расположенным на p. Тверце, имеет такие же возможности. Сов­хоз «Медновский» имеет 24 деревни, лишь 4 из которых освещают­ся вечерами и в утренние часы за счет работы бензогенераторных агрегатов малых мощностей. Мыслится установка автономных гир­лянд, работающих на привод определенных агрегатов, например электродоильных аппаратов.

в) Многогирляндные установки на поперечных турбинах

В тех случаях, когда мощность створа значительно больше той, которую отбирает одиночная гирлянда (см. гл. 2), для увеличения мощности свободнопоточной установки их можно делать двух,- трехгирляндными, а также с большим числом гирлянд. В зависимо­сти от видов сочленения гирлянд на генераторной и свободных опо­рах гирляндные ГЭС могут иметь ряд конструктивных разновидно­стей. При расположении гирлянд в створе следует руководствовать­ся следующими положениями. Если h_cр(м) — средняя глубина ство­ра, то количество гирлянд в данном створе должно быть меньше величины h_cр,/D где D(m) —диаметр гирлянды.

Расстояние между гирляндами в плане, исходя из проведенных лотковых и речных испытаний, должно быть порядка 20/40 D. Если гирлянды в створе работают сопарно, часть на плаву, а часть на погружение, то строй гирлянд идет в шахматном порядке с рассто­янием между однорежимными гирляндами порядка 20/40 D.

Параллельное расположение гирлянд (рис. 4). Узел свободной опоры такой установки состоит из жестких профи­лей 14 (например, уголковых), соединенных между собой накладка­ми 15 и закрепленных кольями 17, причем колья опираются на вкопанные деревянные брусья 13. Можно произвести при потребно­сти и цементацию опоры.

Многогирляндная установка с параллельным расположением гирлянд

В соединение свободной опоры гирлянды входят крюк 16 и узел обоймы упорного подшипника 18. Этот узел cвободноориенти­рующийся (см. гл. 1, § 1, п. «а»).

Узел генераторной опоры имеет площадку генератора 11, рас­положенную со стороны первой гирлянды, на которую набегает поток, жестко сболченную с профилем 8, играющим роль корпуса станины трансмиссионного вала 5. Вал 5 соединен со станиной по­средством опор 4.

Мощность с троса гирлянд может передаваться на трансмисси­онный вал полуперекрещивающимся ремнем (см. рис. 5,а). Однако для установок значительных мощностей лучше применять шестерен­чатое зацеплений посредством пары конических шестеренок (как это изображено на рис. 5,б). Генератор 2 связан либо непосредст­венно через переходную муфту с трансмиссионным валом 5, либо имеет ступень редукции 3. Для использования вертикального гене­ратора, который может быть установлен на высоте, безопасной от наводнения, шестерни 3 можно выполнить коническими, с углом за­цепления 45°.

Узел привода вала трансмиссии на конических шестернях (рис. 5,б) состоит из литых либо сварных промежуточных опор 7, трансмиссионного вала 5, который вращается в подшипниках, вы­полненных путем закладывания роликов между валом и промежу­точной опорой, ее крышка крепится болтом. Вращение передается парой конических шестерен 9 и 10. Трос 1 имеет шарнирную задел­ку на блоке.

Передача вращения с гирлянды на трансмиссионный вал

Установка, собранная по кустовой схеме. Актив­ная часть гирлянды собрана из типовых поперечных турбин; трос гирлянды оканчивается свободным подшипником, далее идет связывающий конец троса 2, работающий «а растяжение (рис. 6,а). Реакция момента трения при вращении свободных подшипников гирлянд воспринимается связывающим стержнем 3, отдельным для каждой группы гирлянд.

Схемы многогирляндных ГЭС на поперечных турбинах

Связывающий стержень жестко скреплен с концами тросов 2, а концы тросов 1 подсоединены к стержню 3 посредством узлов, аналогичных показанным на рис. 3 (позиции 5, 6, 7, 8).

Свободная опора может быть набрана из стальных лент и вры­тых досок с упирающимися на них кольями или может иметь бе­тонное основание. Опора оборудована устройством сброса гирлянд, обеспечивающим как погирляндный, так и одновременный сброс гирлянд. Привод генератора осуществляется здесь цепью Галля (рис. 7,а). Генератор должен быть установлен с возможностью его подтяжки при вытяжке цепи.

Этот привод более дешев по сравнению с приводом при помощи трансмиссионного вала и более прост. Мощность от гирлянд пере­дается со звездочек 3, вращающихся в кронштейнах 2. на роликовую цепь 6, причем направление вращения звездочек 3 подбирается таким образом, чтобы цепь 6, проходящая снизу, работала под ра­бочей нагрузкой натяжения. Сверху звездочек 3 поставлены при­жимные ролики с гладкой поверхностью 7, которые предохраняют цепь от соскакивания с зубчаток. Цепь, проходящая сверху роликов, двигаясь в обратном направлении, катится по ним.

Лучевая схема установки. В двух- и трехгирляндных установках эта схема может быть наиболее просто выполнимой. Гир­лянды как бы лучами расходятся от генераторной опоры (рис. 6,б). Привод может быть выполнен посредством угловых шестеренок или цепей Галля. В последнем случае к ведущим звездочкам гирлянды присоединяются шарнирно, например с помощью шаровых шарниров (рис. 7,б) или карданных шарниров. Шарнир здесь должен держать также осевую нагузку. Свободные опоры удобнее выполнять раз­дельными, на каждую гирлянду отдельно в виде свай или винтовых опор.

В приводимом узле сочленения мощность с гирлянд снимается на вал редуктора при помощи передачи роликовой цепью. В приво­димой схеме (рис. 7,б) вне зависимости от угла наклона гирлянды (здесь 78°) к плоскости зубчатого колеса 6, передающего вращение на роликовую цепь, плоскость зубчатого колеса может быть уста­новлена параллельно плоскости входной зубчатки редуктора. Это достигается регулировкой положения каретки 9, фиксируемой зажи­мом. Гирляндный трос 1 имеет опаянную (латунью, например) окон­цовку и крепится к валу 2 при помощи стяжки 11 болтами 12. Весь узел сочленения гирлянды крепится к береговой плите болтом через сверления обоймы 3. Этот болт продевает и ушки каретки 9. В обойме имеется радиально-упорный подшипник 4 с коническими роликами, который одновременно воспринимает как натяжение гир­лянды, так и боковую (перерезывающую) силу, возникающую от нагрузки на зубчатку. В подшипник 4 продет болт 5, ввернутый до упора в вал 2 и законтренный шплинтом 10. Вал 2 имеет на конце сферический участок, на котором сидит зубчатка 6, Зубчатка 6 с од­ной стороны опирается на зубья венца, выполненного заодно с ва­лом 2, а с другой стороны подпирается упорным подшипником 7. Наклон вала в вертикальной плоскости регулируется наклоном по­становки опоры.

Передача вращения с гирлянд, установленных по кустовой и лучевой схеме на вал генератора

г) Работа поперечных турбин. Формулы для расчета гирляндной ГЭС

Набегающий на турбину поток создает лобовую силу давления. Профиль турбины подобран так, что набегающий поток с одной стороны от оси вращения образует большее давление, чем с Дру­гой, от этого и возникает крутящий момент. Чем выше крутящий момент и скорость вращения турбины, тем выше ее мощность.

Первые поперечные турбины предложены в Советском Союзе 2 октября 1924 г. братьями А. А. и Я. А. Ворониными. Лучшая из этих турбин имела к. п. Д., равный 18%: только 18% энергии, набе­гающей на турбины, преобразовывалось в работу вращения. Про­филь лопастей турбины Ворониных мы иногда применяем и теперь там, где в основном нас интересуют простота и жесткость кон­струкции. Он приведен на рис. 16а и 31. С какой стороны ни набе­гал бы поток на профиль поперечной турбины, он всегда создает вращение одного направления.

Известно много разновидностей поперечных турбин — около 60; 34 из них испытаны в. I960 г. Лучшим к. п. д. обладают попереч­ные турбины, предложенные Е. С. Бирюковым в 1946 г. и улучшен­ные в наших испытаниях. Коэффициент полезного действия этих турбин равен 41—46%. Относительные размеры профиля турбины приведены на рис. 28.

Турбина с этим профилем создает крутящий момент за счет захвата потока всеми кромками лопастей, для чего задние кромки лопастей у нее обогнуты на 120° и образуют «захваты». Кроме того, значительная часть крутящего момента создается и за счет прохода воды через внутреннюю полость турбины. Вода, стараясь двигаться прямолинейно, создает давление на стенки внутреннего канала турбины. Изгиб захватов на 120° выбран исходя из того, чтобы вихрь воды, вращающийся в захвате при его нерабочем положении, высту­пал за обвод захвата таким образом, чтобы обратное обтекание шло по вихрю (как по ролику), а не за счет обтекания потоком захвата, что снизило бы мощность турбины.

Мы считаем, что к. п. д. некоторых видов поперечных турбин при их обработке может быть и более 46%.

Испытаниями гирляндной ГЭС, проведенными НИС Гидропро­екта в деревне Порожки, выяснено, что турбины Бирюкова плаваю­щими в воде предметами не засоряются; бревна, лед и даже про­плывающие плоты повреждений турбинам, работающим «на плаву», не наносят, так как образующийся надгирляндный слой воды (при v=1,25 м/сек он составляет 21 см), предохраняет гирлянду. При давлении на гирлянду в каком-то месте она опускается ниже по глубине. Лодки проходят легко по течению опять-таки без повреж­дения гирлянды; если гирлянда работает на погружение, то ряд по­ставленных выше вопросов снимается вообще. В то же время не всегда возникает необходимость занимать под гирлянды весь створ по всей его ширине; можно, кроме того, на части створа использо­вать торцовые гирлянды. Монтаж гирлянд весьма прост и .вместе с постановкой отнимает немного времени (в некоторых случаях у 4—6 чел. 2—3 ч при мощности ГЭС 2,5—5 квт) при подготовлен­ных заранее элементах установки и в летних условиях.

Испытана также работа гирлянды в шугоносном слое. Шугой турбины не забиваются, но садятся на грунт во время сплошного забивания створа шугой ввиду резкого снижения скоростей течения. После схода шуги и увеличения скорости течения гирлянды само­произвольно начинают работу.

Работа гирляндных ГЭС под льдом (В. Н. Кангин, Ю. М. Но­виков) показала, что гирлянды как «на плаву», так и «на погру­жение» хорошо работают в подледных условиях. В месте прохода троса через лед образуется отверстие диаметром 5—8 см. Пример­зание гирляндного троса ко льду даже при трехдневной остановке ГЭС «а 18°-ном морозе мгновенно было порвало при снятии сто-порения гирлянды. Это получается за счет значительного крутящего момента гирлянд.

Формулы для расчета одногирляндной ГЭС 1. Мощность одной гирлянды с поперечными турбинами по рис. 1

где N_гир — мощность, снимаемая одной гирляндой, кет;

D и L — диаметр поперечной турбины и длина всей активной

части гирлянды (см. рис. 16а и 20), м; v — скорость течения потока, м/сек;

n_н — натечный к. п. д. турбины, характеризующий качество профиля турбины; n_н = 0,46 для поперечных турбин, из­готовляемых Профессионально-техническим училищем № 3 г. Калинина.

2. Мощность по генератору

здесь N_гин — мощность на зажимах генератора, квт;

n_ред и n_ген — к. п. д. редуктора и генератора; n_ред = 0,9— 0,7 (в за­висимости от степени редукции); n_ген = 0,9 — 0,75 для тихоходных генераторов малой мощности (приложе­ние 1).

Общий к. п. д. установки составляет всего 0,24—0,37.

3. Крутящий момент, создаваемый гирляндой поперечных тур­бин, определяется из уравнения М_кр2пn = 102N_гир и определяется по формуле

М_кр выражается в килограммометрах (кГ-м), а мощность N_гир в ки­ловаттах (квт).

Скорость вращения гирлянды п в формуле (3) может быть вы­числена

где п — скорость вращения, об/сек;

С_п — коэффициент скорости вращения; при установившейся опти­мальной нагрузке С_п = 0,23; v и D пояснены к формуле (1).

Для гирлянд п = 60 — 200 об/мин.

4. Лобовое давление (в кГ) со стороны потока

где С_х — коэффициент лобового сопротивления поперечных турбин, С_х = 0,85 на режиме стопорения гирлянды и С_х = 0,65 на рабочем режиме; р — плотность воды: р = 102 кГ-сек^2/М¹,

D, L и v — значения приведены в формуле (1).

• ← Вступ
• Різновиди гірляндних установок на торцевих турбінах →