Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Роль затворов, основные функции

Тема 8. Направляющий аппарат. Затворы ГЭС

Выполнил: студент гр. 4-70к

Князев Ю.Ю.

Проверил: доцент, к.т.н.

Сулыненков И.Н.

Иваново 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ. 3

1. НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ГЭС.. 5

2. ЗАТВОРЫ ГЭС.. 9

Поверхностные затворы.. 11

2.1 Плоские затворы.. 11

2.2 Сегментные затворы.. 12

2.3 Секторные затворы.. 13

2.4 Вальцовые затворы.. 13

Глубинные затворы.. 14

2.5 Задвижки. 14

2.6 Цилиндрические затворы.. 15

2.7 Дисковые затворы.. 15

2.8 Игольчатые затворы.. 16

Роль затворов, основные функции. 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 17

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 20

ВСТУПЛЕНИЕ

Люди очень давно научились использовать энергию воды для того, чтобы вращать рабочие колеса мельниц, станков, пилорам. Но постепенно доля гидроэнергии в общем количестве энергии, используемой человеком, уменьшилась. Это связано с ограниченной возможностью передачи энергии воды на большие расстояния. С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища. Большое значение для эффективности работы станции имеет выбор места. Необходимо наличие двух факторов: гарантированная обеспеченность водой в течение всего года и как можно больший уклон реки. Гидроэлектростанции разделяются на плотинные (необходимый уровень реки обеспечивается за счёт строительства плотины) и деривационные (производится отвод воды из речного русла к месту с большой разностью уровней).

Отличаться может и расположение сооружений станции. Например, здание станции может входить в состав водонапорных сооружений (так называемые русловые станции) или располагаться за плотиной (приплотинные станции).

Работа гидроэлектростанций основана на использовании кинетической энергии падающей воды. Для преобразования этой энергии применяются турбина и генератор. Сначала эти устройства вырабатывают механическую энергию, а затем уже электроэнергию. Турбины и генераторы могут устанавливаться непосредственно в дамбе или возле неё. В некоторых случаях используется трубопровод, посредством которого вода, находящаяся под давлением, подводится ниже уровня дамбы или к водозаборному узлу ГЭС.

Современные технологии производства гидроэлектроэнергии позволяют получать довольно высокий КПД. Иногда он в два раза превышает аналогичные показатели обычных теплоэлектростанций. Во многом такая эффективность обеспечивается особенностями оборудования гидроэлектростанций. Оно очень надёжно, да и пользоваться им просто.

НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ ГЭС

Направляющий аппарат. Направляющий аппарат состоит из одинаковых, равномерно расположенных лопаток, имеющих возможность синхронно поворачиваться относительно своих осей (Рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема направляющего аппарата

Функции направляющего аппарата:

- создание равномерного, осессиметричного потока, закрученного относительно оси вращения рабочего колеса;

- регулирование расхода и мощности турбины путем изменения проходного сечения и циркуляции на входе в рабочее колесо;

- полное перекрытие потока через турбину, в том числе и в аварийных случаях.

В настоящее время существует несколько конструкций, удовлетворяющих всем вышеперечисленным условиям (Рисунок 1.2).

Радиальный (цилиндрический) направляющий аппарат применяют в радиально-осевых, диагональных и осевых вертикальных гидротурбинах. Конический направляющий аппарат находит применение в капсульных, реже в диагональных и вертикальных осевых гидротурбинах. Осевой направляющий аппарат применяют и прямоточных гидротурбинах.

Рисунок 1.2 – Схемы направляющих аппаратов,

а – радиальный; б – конический; в – осевой

Отличия в этих конструкциях касаются в основном формы профиля и схемы привода направляющих лопаток, конструкции стопора направляющего аппарата и предохранительных устройств, а также типа примененных уплотнений.

Схемы привода различаются лишь принципом передачи усилия от сервомоторов, что осуществляется либо через центральное регулирующее кольцо и распределительный механизм, либо непосредственным воздействием на рычаги направляющих лопаток от индивидуальных сервомоторов, управляющих положением каждой лопатки и имеющих ту или иную схему синхронизации. Преимущественное распространение получил привод с центральным регулирующим кольцом (Рисунок 1.3).

Регулятор турбины в автоматическом режиме или на ручном управлении через главный золотник подает масло под давлением в одну из полостей каждого сервомотора, одновременно соединяя другую полость со сливом. При этом на штоках поршней создается усилие, которое через тягу передается на регулирующее кольцо и заставляет последнее поворачиваться в своей опоре (Рисунок 1.4).

Рисунок 1.3 – Общее устройство привода лопаток направляющего аппарата,

1 – рычаг, 2 – шпонка, 3 – накладка, 4 – палец срезной, 5 – вилка, 6 – стяжка,

7 – вилка левая, 8 – упор, 9 – втулка, 10 – палец вилки

Рисунок 1.4 – Схема связи сервомоторов с направляющими лопатками

Поворот регулирующего кольца через соединенные с ним шарнирно серьги, пальцы, накладки и рычаги вызывает синхронный поворот всех направляющих лопаток на один и тот же угол. Во избежание поломок при попадании между соседними лопатками посторонних предметов, в приводе каждой из них устанавливают предохранительное устройство в виде срезного пальца.

Герметичность направляющего аппарата в закрытом положении обеспечивается системой уплотнений. Лопатка направляющего аппарата выполняется в виде литой или сварно-литой (сварно-кованой) конструкции, состоящей из профильной части и круглых опорных цапф, служащих для фиксирования положения лопатки и обеспечения поворота вокруг заданной оси (Рисунок 1.1).

На верхней цапфе лопатки направляющего аппарата с помощью разрезной цилиндрической шпонки и болта закрепляется рычаг, выполняемый обычно в виде отливки или сварной конструкции с последующей механической обработкой. Рычаг посредством срезного пальца соединяется с накладкой, являющейся при нормальной работе механизма составной частью рычага. В случае попадания между соседними лопатками посторонних предметов при ходе на закрытие срезной палец разрушается и лопатка с рычагом остается в прежнем положении, а накладка перемещается в соответствии с ходом регулирующего кольца. Такое устройство защищает другие детали механизма от возможных перегрузок.

Накладки связаны с регулирующим кольцом серьгами, состоящими из стяжек с вилками по концам. Вилка на одном конце каждой серьги посредством пальца соединяется с накладкой, а на другом конце также с помощью пальца соединяется с нижним поясом регулирующего кольца.

Конструкция направляющего аппарата должна удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: максимальное открытие направляющего аппарата должно обеспечить расчетный расход через турбину (с запасом не менее 5%) и ее номинальную мощность; полное закрытие турбины при условии минимальных протечек через зазоры; при потере управления (разрушение предохранительного элемента) лопатка не должна поворачиваться под воздействием потока вокруг собственной оси.

Из направляющего аппарата вода поступает в пространство в котором она, направляясь поверхностями крышки турбины и нижнего кольца направляющего аппарата, подходит к рабочему колесу.¹

ЗАТВОРЫ ГЭС

Важнейшим элементом оборудования любой гидроэлектростанции являются затворы – устройства, позволяющие регулировать пропуск воды через ее сооружения. От надежности затворов напрямую зависит безопасность эксплуатации всей станции, поэтому этим устройствам уделяется особое внимание.

Все затворы можно разделить на несколько групп. Принципиально отличается специфика работы затворов на водосбросных сооружениях, и затворов, связанных с трактом подачи воды на турбины – первые большую часть времени закрыты, вторые – наоборот, открыты. К затворам, обслуживающим турбины, зачастую предъявляются особые требования по скорости работы, а также по способности выдерживать большие гидродинамические нагрузки – ведь некоторым из них приходится перекрывать разогнавшийся в водоводах поток воды, обладающий огромной энергией. Отдельно выделяют поверхностные затворы и затворы глубинные, работающие под давлением воды.

Часто выделяют основные затворы (как правило, это затворы на водосбросной плотине), аварийные – перекрывающие поток воды при авариях (они должны работать быстро и в условиях текущей воды), ремонтные – перекрывающие доступ воды при ремонте основного затвора (обычно они опускаются в спокойную воду). По конструкции, чаще всего затворы изготавливают из стали, но иногда используются и другие материалы – алюминиевые сплавы, железобетон, дерево.⁴

В зависимости от рода перекрываемых отверстий затворы сооружений

¹Helpiks.org. Основные рабочие органы гидротурбины. [Электронный ресурс].

⁴Студиопедия. Плотины и затворы ГЭС. [Электронный ресурс].

ГЭС делятся на поверхностные, закрывающие водосливные и водоприемные отверстия, куда вода поступает из верхних слоев водохранилища, и глубинные, служащие для закрытия глубинных отверстий, расположенных ниже уровня воды верхнего бьефа (Рисуннки 2.1, 2.2).

Рисунок 2.1 – Схемы поверхностных затворов,

а) – плоский щит, б) – шандоры, в) – сегментный, г) – вальцовый, д) – секторный

Рисунок 2.2 – Схемы затворов глубинных отверстий и турбинных трубопроводов,

а) – плоский, б) – задвижка, в) – сегиентный, г) – цилиндрический,

д) – дисковый, е) - игольчатый

Поверхностные затворы

Плоские затворы

Из поверхностных затворов следует отметить прежде всего плоские щиты и шандоры. Первые являются основными затворами, вторые используются при ремонте оборудования и сооружений. Плоский затвор помещается в пазах быков или устоев и передвигается в вертикальном направлении (Рисунок 2.1а). Воспринимаемое им давление воды передается быкам или устоям. Затворы обычно выполняются металлическими. Различают затворы скользящие, колесные и катковые. Последние два изготовляются для облегчения подъемных усилий. Предусматриваются специальные уплотняющие устройства для предотвращения фильтрации воды через зазоры между затвором и неподвижными частями сооружений.

Шандоры представляют собой деревянные или металлические балки, укладываемые в пазах друг на друга в виде стенки (Рисунок 2.1б) Подобные щиты и шандоры устанавливаются также на входе в напорные трубопроводы турбин и па выходе из отсасывающей трубы.

Рисунок 2.3 – Плоский затвор

Оперируют такими затворами с помощью электрических и гидравлических приводов, а если большая оперативность не нужна – то с помощью кранов, обычно козловых.²

⁶Saiga20k. Основы гидроэнергетики. Затворы. [Электронный ресурс].

Эти затворы часто используют в качестве ремонтных и аварийно-ремонтных – например, на Саяно-Шушенской ГЭС водоводы перекрываются именно плоскими затворами.

Недостатками плоских затворов являются значительное усилие на подъем, превышающее его вес в 2-3 раза, невысокая устойчивость к ледовым нагрузкам, риск заклинивания затвора в пазах вследствие их износа или засорения.

Сегментные затворы

Сегментные затворы представляют собой изогнутый по дуге круга щит, могущий целиком вращаться вокруг некоторой оси, на который насажены ноги, поддерживающие полотнище затвора (Рисунок 2.1в). Ноги шарнирно закреплены в быках или устоях, воспринимающих давление воды. При маневрировании затворы вращаются вокруг горизонтальной оси расположения шарниров.

Такая конструкция значительно снижает усилие на подъем, а также увеличивает жесткость затвора и соответственно его сопротивляемость ледовым нагрузкам, лучшая работа в зимних условиях (отсутствие обмерзающих колес), меньшая высота быков, возможность автоматического действия. Однако имеются и недостатки необходимость большей длины устоев, невозможность переустановки затвора из одного отверстия в другое.

Рисунок 2.4 - Сегментый затвор комплекса защитных сооружений

Санкт-Петербурга от наводнений

Сегментные затворы получили очень широкое распространение как основные поверхностные затворы водосбросных сооружений, достигая зачастую очень внушительных размеров (впрочем, есть и немало глубинных сегментных затворов). Затворы такого типа установлены, в частности, на береговом водосбросе Саяно-Шушенской ГЭС.

Секторные затворы

Близок с сегментному так называемый секторный затвор, который в отличие от сегментного пропускает воду не под, а над собой, что очень удобно при сбросе в нижний бьеф льда, плавающих тел с малыми потерями воды. Секторные затворы имеют поперечное сечение в виде сектора покрытого водонепроницаемой обшивкой устанавливаемой обычно по трем плоскостям (Рисунок 2.1д) Под затвором в теле плотины устраивается ниша, в которую опускается затвор при необходимости сброса излишней воды. Затвор вращается на оси, закрепленной в пороге плотины. Управление им обычно гидравлическое. Затворы могут перекрывать пролеты шириной до 60 м и высотой до 10 м.⁴

Вальцовые затворы

Вальцовые или цилиндрические затворы представляет собой полый металлический цилиндр, перекрывающий водосливное отверстие и поднимаемые вверх путем перекатывания его по зубчатым рейкам, расположенным в нишах быков или устоев (Рисунок 2.1г). Для увеличения высоты затвора его цилиндр снабжается специальным нижним, а иногда и верхним щитками.

Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому получили широкое распространение па плотинах с тяжелыми условиями зимней службы (навал льда). Затворы могут перекрывать пролеты шириной до 45–50 м и высотой до 9 м. К недостаткам их следует отнести значительную массу и стоимость, а также значительные размеры быков.

Вальцовые затворы отличаются очень большой устойчивостью к внешним воздействиям, но значительной стоимостью, поэтому применяются относительно редко, в основном на горных реках, перемещающих большое количество наносов.

Рисунок 2.5 – Вальцовый затвор

Глубинные затворы

Водосбросные глубинные отверстия плотин перекрываются глубинными затворами, которые могут быть плоскими, сегментными, цилиндрическими, дисковыми и так далее. Первые два типа аналогичны описанным выше (Рисунок 2.2а,б).

Задвижки

Задвижки (Рисунок 2.2в) имеют небольшие габариты и действуют от гидравлического или электрического привода. Конструктивно они представляют собой литые диски прямоугольной или круглой формы, которые перекрывают галереи или трубопроводы. Эти диски при открытии отверстия вдвигаются внутрь специального кожуха. Задвижки применяются в основном как рабочие затворы на напоры до 400 м. Их диаметр зависит от используемого напора и может достигать нескольких метров.

Цилиндрические затворы

Конструктивно затворы представляют собой полые цилиндры, перемещающиеся по вертикали (Рисунок 2.2г). Своей боковой поверхностью или днищем они закрывают отверстия башенных водоприемников. Из-за своей громоздкости они не получили заметного распространения, хотя и имеют хорошие эксплуатационные качества. Они используются для напоров, не превышающих 100 м.

Дисковые затворы

Дисковые затворы состоят из цилиндрического корпуса, в котором на горизонтальной или вертикальной оси вращается диск (Рисунок 2.1д). Перекрытие воды осуществляется поворотом диска. Дисковые затворы надежны в эксплуатации, являются наиболее распространенными, изготовляются диаметром до 8,5 м и устанавливаются на напорных трубопроводах при напоре до 250 – 300 м (при небольших диаметрах до 600 м). Управление затвором осуществляется, как правило, с помощью гидравлического привода, приводимого в действие сервомоторами.

Достоинством затворов являются хорошие маневренные качества и сравнительно низкая стоимость. Недостатком – сложность создания хороших уплотнений и сравнительно большая потеря напора.

Рисунок 2.2 – Дисковый затвор одной из японских ГЭС

Эти затворы в гидроэнергетике применяются преимущественно в качестве предтурбинных при больших напорах (в том числе более 1000 м). Они довольно дороги, но при напорах более 200-250 м особых альтернатив им нет. В России такие затворы установлены на Баксанской, Гизельдонской, Зеленчукской ГЭС, а самые большие затворы этого типа в России будут смонтированы на строящейся Зарамагской ГЭС-1.²

Игольчатые затворы

Игольчатые затворы состоят из корпуса и обтекателя, внутри которого перемешается плунжер (игла), закрывающий и открывающий отверстие в корпусе (Рисунок 2.2е). Затворы имеют малые потери напора и применяются при диаметрах трубопровода до 6,5 м и напорах до 800 м. Устанавливают их главным образом с низовой стороны водоспуска. К недостаткам относят высокую стоимость, сложность конструкции и изготовления.

Роль затворов, основные функции

Роль затворов водопропускных сооружений в комплексе гидротехнических сооружений определяется требованием пропуска необходимого расхода воды или прекращения пропуска воды через водопропускные сооружения в любое время для обеспечения бесперебойной работы гидроузла. Поэтому затворы должны работать независимо и безотказно.

Основными функциями затворов водопропускных сооружений являются:

- поддержание заданного уровня воды в верхнем бьефе путем регулирования пропуска воды в нижний бьеф;

- прекращение поступления воды через водозаборные сооружения путем полного закрытия их отверстий;

- перекрытие отдельных отверстий в случае аварии или на время ремонта сооружения и гидросилового оборудования.⁴

²Saiga20k. Основы гидроэнергетики. Затворы. [Электронный ресурс].

⁴Студиопедия. Плотины и затворы ГЭС. [Электронный ресурс].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные преимущества гидроэнергетики очевидны. Разумеется, главным преимуществом гидроресурсов является их возобновляемость: запас воды практически неисчерпаем. При этом гидроресурсы значительно опережают в развитии остальные виды возобновляемых источников энергии и способны обеспечивать энергией большие города и целые регионы.

Кроме того, пользоваться этим источником энергии можно достаточно просто, что подтверждается длительной историей гидроэнергетики. Например, генераторы гидроэлектростанций можно включать или выключать в зависимости от энергопотребления.

В то же время достаточно спорным является вопрос о влиянии гидроэнергетики на окружающую среду. С одной стороны, эксплуатация гидроэлектростанций не приводит к загрязнению природы вредными веществами, в отличии от выбросов СО₂, производимыми ТЭС и возможными авариями на АЭС, которые могут понести за собой глобальные катастрофические последствия.

Но в то же время образование водохранилищ требует затопления значительных территорий, зачастую плодородных, а это становится причиной негативных изменений в природе. Плотины часто перекрывают рыбам путь к нерестилищам, нарушают естественное течение рек, приводят к развитию застойных процессов, снижают способность к «самоочищению», а следовательно резко изменяют качество воды.

Себестоимость производимой энергии на ГЭС гораздо ниже, чем на атомных и тепловых электростанциях, и они способны быстрее выходить на режим выдачи рабочей мощности после включения, однако их строительство обходится дороже.

Кроме того, всё используемое оборудование обладает ещё одним важным преимуществом. Это длительный срок службы, что объясняется отсутствием теплоты в процессе производства. И действительно часто менять оборудование не нужно, поломки случаются крайне редко. Минимальный срок службы ГЭС - около пятидесяти лет. А на просторах бывшего Советского Союза успешно функционируют станции, построенные в двадцатых или тридцатых годах прошлого века. Управление гидроэлектростанциями осуществляется через центральный узел, и вследствие этого в большинстве случаев там работает небольшой персонал.

Потенциал гидроэнергетики можно определить, суммировав все существующие на планете речные стоки. Расчёты показали, что мировой потенциал равен пятидесяти миллиардам киловатт в год. Но и эта весьма впечатляющая цифра составляет лишь четверть от количества осадков, ежегодно выпадающих во всём мире.

С учётом условий каждого конкретного региона и состояния мировых рек действительный потенциал водных ресурсов составляет от двух до трёх миллиардов киловатт. Эти цифры соответствуют годовой выработке энергии в 10000 - 20000 миллиардов киловатт в час.

Чтобы осознать потенциал гидроэнергетики, выраженный этими цифрами, следует сопоставить полученные данные с показателями нефтяных теплоэлектростанций. Чтобы получить такое количество электроэнергии, станциям, работающим на нефти, требовалось бы около сорока миллионов баррелей нефти каждый день.

Вне всяких сомнений, гидроэнергетика в перспективе не должна оказывать негативное воздействие на окружающую среду или свести его к минимуму. При этом необходимо добиться максимального использования гидроресурсов.

Это понимают многие специалисты и поэтому проблема сохранения природной среды при активном гидротехническом строительстве актуальна как никогда. В настоящее время особенно важен точный прогноз возможных последствий строительства гидротехнических объектов. Он должен дать ответ на многие вопросы, касающиеся возможности смягчения и преодоления нежелательных экологических ситуаций, которые могут возникнуть при строительстве. Кроме того, необходима сравнительная оценка экологической эффективности будущих гидроузлов. Правда, до реализации таких планов ещё далеко, так как сегодня разработка методов определения экологического энергопотенциала не производится.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Helpiks.org. Основные рабочие органы гидротурбины. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://helpiks.org/2-62168.html

2. Saiga20k. Основы гидроэнергетики. Затворы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://saiga20k.livejournal.com/52600.html

3. Studfiles. Гидроэлектростанция (ГЭС). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.studfiles.ru/preview/5809803/

4. Студиопедия. Плотины и затворы ГЭС. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studopedia.ru/4_106734_plotini-i-zatvori-ges.html

Воспользуйтесь поиском по сайту: