Exploatarea Echipamentelor Si Instalatiilor Mecanice din Centralele Hidroelectrice

Cuprins

SCURT ISTORIC

Principiile de funcționare și ecuațiile fundamentale ale turbinei Francis au fost stabilite încă din 1750 de către Leonard Euler. Prima turbină cu reacțiune – centrifuga a fost montată în 1834 de inginerul Fourneyron la St.Blasien și producea la H = 108m. cadere, 40 CP la 2300 rot/min. În anul 1838, profesorul Redtenbacher a proiectat și realizat tipul de turbine cu racțiune (cu suprapresiune p1>p2), pentru prima oară de tip centripet, așa cum rezultă din aplicarea teoremei impulsului la curgerea prin turbină, obținând randamente peste 0,8. Reglajul ei consta dintr-un șubăr cilindric di tolă, introdus între stator și rotor.

Cu 10 ani mai târziu, Francis a contruit o turbină care nu prezenta nimic nou, dimpotrivă, era mai puțin perfecționată, datorită lipsei aspiratorului. Totuși, timp de aproape 100 de ani această turbină, perfecționată ulterior de fabricile constructoare europene, a fost denumită turbina Francis. Abia in 1880 profesorul Fink și uzinele Voith au construit aparatul director modern cu pale directoare profilate hidrodinamic, care au dus la perfecționarea turbinei Francis. Profesorul Fink a perfecționat statorul turbinei Francis la care se varia admisia apei printr-un obturatur cilindric, înlociundu-l cu o rețea de pale fuzelate hidrodinamic, care pot fi rotite în jurul axelor lor cu ajutorul unor pârghii, de la un inel central de reglaj.

De asemenea fabricile constructoare de mașini hidraulice au introdus aspiratorul modern și au studiat hidrodinamic AD și rotorul, transformând prototipul Francis în turbină Francis radial.

NOȚIUNI GENERALE

Turbina Francis este o turbină cu racțiune, cu admisie totală a apei în turbină, direcția curentului de apă în rotor fiind radial – axială. În această turbină o mică parte din presiunea apei se trasformă în energie cinetică în aparatul director, care conduce apa spre rotor, restul energiei rezultate din presiunea apei se transformă în energie cinetică în rotor. Rotorul primește energia cinetică a apei și o transformă în energie mecanică. Între aparatul director și rotor există un spațiu circular. Apa pătrunde în turbină de la margine spre centru, adică radial, pe toată suprafața acestuia și este evacuată axial, în albia râului printr-un tub, numit aspirator.

Apa care pătrunde în rotor își scade valoarea presiunii de la intrare până la ieșire, astfel la ieșire presiunea scade la nivelul presiunii atmosferice; întreaga energie de presiune este transformată în energie mecanică.

Gana căderilor pentru turbina Francis este cuprinsă în intervalul, H=100m-600m și în funcție de căderea prelucrată și rapiditatea realizată, turbinele Francis se clasifică:

Turbine Francis lente, nsl = 40 – 150

Turbine Francis normale, nsn = 151 – 250

Turbine Francis rapide, nsr = 251 – 450

REGULI PRIVIND PROIECTAREA UNOR SUBANSAMBLE

Rotorul Francis

Asupra rotoarelor F acționează, în regim de funcționare, forțe de natură hidrodinamică, masică și inerțială, precum și momentele corespunzătoare.

Forțele de natură hidraulică, de greutate și cele centrifuge, solicită rotorul turbinei F creând tensiuni în inel, coroană cât și în palete. Tensiuni ce cresc foarte mult la fucționarea la ambalare.

Aceste forțe și momente sunt necesare să fie cunoscute în calculul mecanic al turbinei.

Calculul solicitărilor hidrodinamice variabile în timp este o problemă deosebit de complicată, ceea ce face să se ia în considerare la calculul de rezistență numai sarcinile statice.

Acțiunea curentului de apă asupra paletelor, coroanei și inelului se materializează printr-o forța rezultantă R și momentul M. Forța R se descompune de regulă după axele r, ɵ, Z sau X,Y, Z;

R = Pr + P ɵ + Pz = Px + Py + Pz

Componenta Pr denumită și radială apare în cazul unei nesimetrii a curentului la intrare în rotor sau la ieșire și în special la închiderea aparatului director. Această componentă influentează comportarea dinamică a rotorului. Componenta Pɵ este nesemnificativă, în schimb Pz denumită și forța axială, ajunge la valori deosebit de importante la turbine cu dimnesiuni și căderi H ridicare și care determină calculul mecanic al rotorului și dimensionarea lagărului axial.

Pentru determinarea dimensiunilor principale ale rotorului Francis se folosețte metoda similitudinii, respectiv a turbinei normalizate sau metode statistice.

Caderea H se stabilește din studiile hidroenergetice și din calcule economice, s-a ajuns în prezent la căderi de 600 – 700 m. Puterea turbinei P, a atins valori de 700 MW și se prevede ca acest parametru pentru turbina Francis să se limitezela 1000 MW.

Elementele de calcul ale rotorului Francis sunt prezentate în fig.2. Indicile 1 se referă la intrarea, iar indicile 2 la ieșirea din rotor.

D1i = diametrul exterior de intrare în rotor;

D2i = diametrul interior de intrare în rotor;

D1e = diametrul exterior de ieșire din rotor;

D2e = diametrul interior de ieșire din rotor;

D = diametrul mediu de intrare în rotor, D = 0,5 (D1e + D1i).

Rapiditatea maximă admisibilă pentru a evita cavitația se determină cu relația: Ns =

În rotorul turbinei se disting trei viteze: viteza absolută c (sau v), viteza relativă w și viteza tangențială periferică de rotație u = rω = πDn/60 unde ω este viteza unghiulară ți n este turația în rot/min.

Numărul de palete se poate determina în funcție de turația specifică sau în funcție de căderea și diametrul de intrare exterior, cu relațiile date în continuare:

Zr = (4 + 0,8) ; sau, zr = (10÷12).

Pentru alegerea grosimii maxime a paletei (emax) se utilizează:

emax = 0,005D1 + 0,002mm, la ns mic.

emax = 0,01D1 + 0,002mm, la ns mare.

Grosimea maximă a paletei rotorului se impune din considerente de solicitări mecanice ale rotorului și paletelor. Grosimea maximă emax a paletei va fi plasată la 1/3 din lungimea acesteia, în lungul liniei de curent, începând de la intrare. La iețire se admite emax/6 sau emax/4 când rotorul este turnat.

Abaterile medii aritmetice ale grosimii paletei sunt:

pentru toate paletele = 0,002D

pentru o anumita paleta = 0.003D

Grosimea paletei:

la turbine mici. s = 0,02 m.

la turbine mijlocii. s = 0,05 m.

La turbine mari. s = 0,1 m.

În graficul din figura 3, se prezintă corespondența dintre numărul de palete ale rotorului și turația specifică;

Evoluția formei rotoarelor în funcție de cădere „H” și de valoarea rapidității „ns” sunt prezentate în figurile 4 și 5. La ns < 100, palele sunt zvelte și foarte lungi; la ns > 350, palele sunt groase și scurte (fig.4).

Curbele de randament ale turbinei Francis în funcție de P,Q și H se prezintă în fig. 5. Indicele i – înseamnă instalat, c – de calcul. Puterea de calcul Pc< Pi este aceea care dimensionează diagramele de viteze optime cu Hc, Qc și nc de calcul. (ηc=ηmax este totodată randamentul mam).

3.2. Aparatul director

Un aparat director cilindric utilizat în construcția turbinelor Francis este caracterizat de parametrii geometrici din fig.7. – în care sunt reprezentate paletele derectoare la deschiderea optimă (a), la închis (b) și în poziția radială (c).

Parametrii geometrici principali ai AD sunt:

înalțimea aparatului director, Bo

numărul de pale, za

diametrul cercului pe care se află axele de rotație ale palelor, Da

lațimea paletei, l

grosimea maximă a paletei, δ

deschiderea AD, ao

pasul t.

Poziția fusului paletelor față de bordul de atac și de fugă este definită prin excentricitatea eo = care după unii autori are valorile: eo=0.046 ptr. AD cu 16 palete; eo = 0,040 ptr. AD cu 24 de palete; eo=0,039 ptr AD cu 36 palete.

Deschiderea paletelor directoare este definită prin „ao” care reprezintă distanța dintre două palete învecinate măsurată de la bordul de fugă al uneia până întru-un punct oarecare al celeilalte.

Aparatul director cuprinde 16 – 32 pale cu profile hidrodinamice, care pot fi basculate simultan, realizând astfel reglarea debitului scurs și a direcției vitezei.

Numărul palelor aparatului director trebuie să fie diferit de cel al palelor rotorului, astfel s-ar produce vibrații și șocuri în timpul funcționării. La fiecare poziție de deschidere a palelor aparatului director îi corespunde un anumit unghi de atac și deci anumite viteze la intrarea și ieșirea apei din rotor. Randamentul turbinei depinde de aceste viteze și este maxim pentru un anumit unghi de atac.

3.2.1. Statorul turbinei

Constucția statorului este determinată de tipul turbinei, precum și de căderea H și diametrul rotorului. Numărul coloanelor, precum și dimensiunile lor depind de tipul turbinei, al camerei în spirală, de tehnologia de execuție, precum și de curgerea cu pierderi minime.

Numărul coloanelor statorice zs este jumătate din numărul paletelor directoare (zs = za/2 la φ 180 și zs = za/2 + 1 la φ). Pentru a evita vibrațiile armonice și apariția fenomenului de rezonanță este necesar ca zs și za să fie numere prime între ele.

Coloanele statorice se construiesc profilate, în cazul camerelor în spirală de secțiune circulară cu φmax=360, toate coloanele statorice sunt profilate identic, dar pentru φmax=360 distingem două zone statorice. Pe porțiunea spiralată a camerei (φ=0 la φmax) toate coloanele statorice sunt identice, iar în zona nespiralată a camerei φ=φmax la 360, profilarea coloanelor diferă una de cealaltă și este determinată de liniile de curent respective. Dimensiunile inelelor depind de poziția camerei în spirală față de ax și de dimensiunile acesteia

3.3. Camera spirală

Elementele specifice construcției camerelor în spirală sunt: secțiunea la intrare, ungiul total de înfășurare φmax, lățimea totală B, ungiul spiralei, respective al liniilor de current din camera sp .

Utilizând notațiile din fig 8, se calculează parametrii camerei spirale, astfel:

a) Secțiunea maximă a spiralei sau secțiunea de intrare ,,i” trebuie să preia tot debitul Qc = Q dat prin tema de proiectare. Diametrul acestei secțiuni ,,di” se determină din ecuația de continuitate , Q= vi , în care viteza la intrare în camera spiral se determină orentativ cu relația; vi = (0,15 ÷ 0,25)

b) debitul de distributie uniform pe circumferință ceea ce înseamnă că variază linear cu unghiul α : Qα = Q (α=0 → Q = 0 ; α = 2π → Q = Qc).

c) în orice secțiune a secțiunei spirale se consideră valabilă legea cuplului hidraulic constant.

Pentru ca pierderile de sarcină în AD să fie cât mai mici, trebuie ca direcția și mărimea vitezei apei la intrarea în AD să fie adecvate poziției palelor acestuia, ceea ce depinde în special de valoarea raportului B/Bo și de modul de racordare a secțiunii de înalțime B cu cea de înalțime Bo.

Pentru turbine F de mare putere se utilizează carcase spirale cu 2 intrări, ceea ce permite micșorarea gabaritelor mașinii.

3.4. Tubul de aspirație

Calculul aspiratorului constă în determinarea valorii presiunii din secțiunea de intrare, a înălțimii de aspirație și a tipului de aspirator (drept sau curbat).

Coieficientul de cavitație utilizat la calculul aspiratorului are relația: σ =

Valoarea coieficientului de cavitație depinde de rapiditate, crește odată cu ns, σ =f(ns). Unde σ = coieficient de cavitație.

Înalțimea maxima de aspirație este data de relația:

Hs.max = A- At – σtH, în care:

A = presiunea atmosferică;

At = presiunea de vaporizare a apei la temperatura de funcționare a turbine.

Fenomenul de cavitație poate provoca:

distrugerea muchiei de ieșire a palelor prin coroziune și eroziune;

o micșorare a puterii și turbine;

uneori vibrații puternice ale întregului ansamblu și zgomote în camera turbine.

Înalțimea apei în aspirator se calculează cu relația:

Hs = – σH

P0 = presiunea atmosferică

H = căderea netă a centralei

σ = coefficient de cavitație.

Fenomenul de cavitație are loc când presiunea la ieșirea din rotor (înălțimea de aspirație) devine egala cu presiunea vaporilor de apă saturați la temperatura respective

Prezenta tubului de aspirație creează o depresiune la ieșire din rotor, ceea ce conduce la o creștere a interacțiunii dintre curentul de apă și palate, respectiv la transferal de energie dar, în același timp, favorizează aparația fenomenului de cavitație.

La turbinele Francis modern tipul cel mai utilizat este tubul de aspirație curbat deoarece asigură o bună recuperare a energiei cinetice, structura bună a curentului la ieșire din rotor și posibilități de reducere a adâncimii centralei, respective a investițiilor.

Variația presiunii este strâns legată de cea a vitezei. Se consideră randament al aspiratorului coeficientul de recuperare a energiei cinetice, respective transformarea energiei cinetice în energie de presiune. Randamentele tuburilor de aspirație drepte sunt =0,75 ÷ 0,88 iar pentru cele curbate =0,65 ÷ 0,75.

Rolul tubului de aspirație este :

a. de recuperare a energiei, datorită pozișiei rotorului față de nivelul aval.

b. de recuperare a unei părți cât mai mari din energia cinetică a apei la ieșirea din rotor.

În figura 9 a. se prezintă funcționarea turbine Francis fără aspirator. Din diferența energiilor specifice din punctul “0” (în lac și la ieșirea din rotor, rezultă că turbina prelucrează numai o parte din energia disponibilă H, respectiv energia potențială dată de cota Hs și energia cinetică data de viteza c2 ( ) nu este utilizată, ceea ce diminueză randamentul.

e0 – e2 = [ + + z0 ] – ( + + z2 ), la ieșirea din rotor : p2 = p0 = pat ; z0 – z2 = H – Hs; c0 0 rezultă: e0 – e2 = H – Hs –

În figura 9 b. Scurgerea nu este liberă, ci este dirijată de un aspirator cilindric cu diametrul D2.

Și în acest caz, repetând calculul va rezulta că se recupereză din energia toatală (H) partea echivalentă cu Hs , rămânand nerecuperată energia cinetică , astfel : + z2 + = + z3+ = cons tant dar : z2 = Hs ; z3 = 0 ; = ; c2 = rezultă : e2 = : + z2 + = + respective : e0 – e2 = + z0 + = H – dacă forma tubului este tronconică se poate scrie energiile specific rezultând : e2 = + e0 – e2 = H – .

Ultima relație arată că și o parte a energiei cinetice este recuperată, respectiv energia echivalentă cu .Mai eficace sunt aspiratorele difuzoare moderne hidrodinamice de forma celor din figura 9 c-d

3.5 Lagărul turbinei

La turbina F verticale de puteri și gabarite mari lagărele de turbină sunt cu segmenții basculanți, care, în timpul rotației, se înclină automat cu unghiul de atac față de vectorul vitezei u. În acest fel, între cei m segmenți și fusul lagărului se creeză un film de ulei foarte subțire în care se nasc forțe hidrodinamice

mFz = m C z ΔS (rω2)

Cz = coeficientul portanței Fz = portanța, care este componenta forței hidrodinamice m = numărul de segmenți; ΔS (m2) = suprafața unui segment ω = viteza unghiulară

La alegerea materialului antifricțiune trebuie să se țină seama de următorii factori:

→ presiunea specifică “p”;

→ produsul „pv”;

→ viteza periferică “v”;

→ natura forțelor care apar în funcționarea lagărului (constante, variabile, cu șoc);

→ condiții de ungere;

→ felul frecării (semifluidă, fluidă);

→ materialul din care este confecționat fusul (dur, moale);

→ sensibilitatea la uzură și gripare.

Datorită frecarii care se produce în lagar, o parte din energie se transformă în căldură care trebuie evacuată, pentru a nu mări temperatura lagarului. Evacuarea căldurii se face pe două căi principale diferite : naturală și artificială.Evacuarea naturală a căldurii se face prin convecție, radiație și conductivitate (transimitere prin masa arborelui și a lagărului). Evacuarea artificială a căldurii se realizează cu ajutorul unor instalații suplimentare (răcitori de ulei) prin care uleiul este recirculat și răcit în același timp.

Echilibrul termic al lagărului se stabilește în momentul în care fluxul de căldură produs prin frecare (Pf) este egal cu fluxul de căldură evacuat din lagăr.

Pf = Q1 + Q2

Q1 = fluxul de căldură evacuat din lagăr prin intermediul lubrifiantului.

Q2 = fluxul de căldură evacuat din lagăr prin fus, cuzinet și corpul lagărului.

Căldura evacuată de lubrifiant prin răcitori se calculează cu realția :

Q1 = ρcvGe(t2 – t1)

ρ = densitatea lubrifiantului (kg/m3)

cv = căldura specifică a lubrifiantului (J/kg – grad)

Ge = debitul de ulei în secțiunea minimă.

t1 și t2 = temperaturile uleiului la intrare și ieșire din lagăr.

Caldura evacuată din lagăr prin convecție, radiație și conductivitate este :

Q2 = αA(t-t0)

α = coeficient de convecție termică a lagărului (daW/m2 0C)

A = suprafața exterioară a lagărului (m2)

t = temperatura filmului de lubrifiant (0C)

t0 = temperatura mediului ambiant (0C)

Căldura produsă în lagar prin frecare este :

Pf = μFv

μ = coeficient de frecare

F = portanța peliculei de lubrifian

v = viteza periferică

Înlocuind în ecuația Pf pe Pf, Q1 și Q2 cu relațiile stabilite și punând condiția că temperatura filmului de lubrifant să nu depășească în funcționare temperatura de 50 – 70 0C , se determina debitul de ulei Ge necesar răcirii lagărului.

Jocul diametral la lagărele de turbină având cuzineți cu compozitie ce trebuie realizat prin montaj, se poate stabili cu forma cu formula

δ = 0,15 +

d = diametrul fusului arborelui;

δ = jocul diametral.

4. DESCRIERE CONSTRUCTIVĂ ȘI FUNCȚIONALĂ

4.1. Descriere constructivă

Rotorul Francis este format din inel și coroana, între care se dispun paletele,

Paletele sunt corpuri geometrice complexe de formă oarecare, de grosime redusă și secțiune variabilă, încastrate în coroana și inel.

În plan meridian, zona paletelor rotorice este limitată de muchia de intrare notată cu 1-1 și respectiv de ieșire 2-2. Curentul se angajează pe paleta de la muchia de intrare la cea de ieșire. (fig 10). Aceste muchii sunt, de regulă, linii oarecare în spațiu, care infulenteaza atât geometria păleței cât și caracteristicile de funcționare

Rotoarele Francis se construiesc din fontă, bronz și oțel aliat. Din fontă se construiesc pentru căderi mici și puteri mici iar cele din bronz se construiesc în special pentru zone în care apă este corozivă. Din oțel aliat se construiesc pentru căderi și puteri mijlocii și mari

Rotoarele F pentru căderi și puteri mijlocii și mari, se execută din oțel aliat, de regulă cu 13% crom și 4% nichel și oțel austenitice – feritice, care au o bună rezistență la abraziune și cavitatie, au proprietăți de sudabilitate fără preîncălzire și asigura o durata de exploatre de trei ori mai mare decât a oțelul carbon obișnuit.

Dimensiunile rotorului și geometria să determina tehnologia de execuție. Paletele se execută profilate, pentru a reduce pierderile hidraulice. Rotoarele turbinei F se execută prin :

● turnare simultană a paletelor cu inel și coroana (sistem monobloc).Tehnologia de fabricație a rotoarelor monobloc din oțel aliat și inoxdabil, se aplică la fabricarea rotoarelor F de cădere foarte mare și putere

● turnare și prelucrare individuală a paletelor și pe urmă ansamblarea la inel și coroana prin turnare. Marginile paletelor care intră la turnare în coroana și inel, ștanțate în prealabil din tola de grosime s, au formă de cozi de rândunică.

● turnare sau matrițarea paletelor, turnarea și prelucrare a coroanei și inelului, după care se realizează asamblarea finală a rotorului prin sudură; Paletele se toarnă în cochilii și se îmbină cu coroana prin sudură în baie de zgura și cu inelul prin sudură semiautomată în mediu de bioxid de carbon. În inel și coroana se preva crestături profilate pentru fixarea paletelor și sudarea acestora din exterior. După sudură se efectuează tratamentul termic, prelucrarea mecanică și echilibrarea statică a rotorului. Această tehnologie se aplică la rotoarele de înalta cădere, unde accesul în spațiul dintre palete este practic imposibil.

Rotoarele de dimensiuni mari, care nu se încadrează în gabaritele transportului feroviar, se execută din părți ce se îmbină prin buloane sau se transporta pe cai maritime – fluviale.

Pentru obținerea unei calități superioare a suprafeței paletei, în cazurile când rotorul se execută din oțel carbon, se pot aplică în faza de execuție următoarele tehnologii de fabriatie

● în căzul în care se urmărește cu precădere o rezistență la abraziune, paletele se acoperă prin metalizare cu pistolul cu un strat de oțel dur cu 1,2 % carbon, sau cu oțel inoxidabil pentru rezistență la cavitatie

● rotorul se plachează în zone critice de regulă în zona muchiilor de ieșire, cu tole de oțel inoxidabil (Ni 18, Cr 18, M0 25).

După terminarea fabricației, rotorul este supus operației de echilibrare static, în continuare se asamblează cu arborele turbinei și i se face echilibrarea dinamică și proba la ambalare. Echilibrarea statică se execută prin suspedarea rotorului pe o sferă. Precizia de echilibrare sa fie în așa fel încat 0,2 kgfm (2Nm) să scoată sistemul din echilibru .

În coroană, în general sunt practicate găuri de echilibrare hidraulică care asigură uniformizarea presiunilor pe fețele rotorului și decu micșorarea forțelor axiale.

Fixarea rotorului pe arborele turbine se face cu ajutorul unor buloane și bucși de centrare, asigurare împotriva desfacerii. Tehnologia de fixare a rotorului pe arborele turbinei este în funcție de poziția arborelui, astfel:

La turbinele cu ax vertical:

la turbinele care au cuplul M < 10000 kgfm, asamblarea rotorului cu arbore se face prin împănare. Capătul arborelui este puțin conic pentru a asigura centrarea, iar pana preia cuplul de torsiune. Fixarea se realizează prin piuliță înșurubatoare pe capătul de jos al arborelui și prevăzută cu siguramță.

la puteri mijlocii și căderi mici rotoarele rapide se fixează pe arbore prin împănarea butucului cu pană și prin prinderea flanșei rotorului de flanșă butucului cu buloane.

rotoarele turbinelor de puteri mari și foarte mari se fixează de flanșa arborelui cu buloane.

La turbinele cu ax orizontal:

la turbinele la care arborele traversează aspiratorul, butucul rotorului se fixează pe arborele prin pană și deplasarea în sens axial se limitează printr-un inel din două jumătăți, introdus întru-un canal de pe arbore.

turbinele mai noi au rotorul în consolă, iar fixarea se face de flanșa arborelui prin buloane.

Rotorul turbinei are montate pe coroană și inel, inelele labirint care se întrepătrund în cadrul montajului cu inelele labirint fixe de pe capacul turbinei și inelul inferior al aparatului director creând labirinți cu spații mici în care apa este laminată în timpul funcționarii, asigurandu-se o etanșare a rotorului și evitându-se pierderile de apă în exteriorul rotorului. La unele rotoare, în partea inferioară a rotorului, suprafața labirint este creată pe de o parte din construcția inelului rotoric ce prezintă o prelucrare a diametrelor în trepte sub formă de pieptene, iar pe de altă parte de inelul statoric. Jocurile admise în labirinți se situează în jurul valorii de 0,8 ÷ 1,2 mm.

Viteza ridicată a apei la trecerea prin etanșări (labirinți) și conținutul important de materii abrasive conduc la uzura rapidă a labirinților. Din aceasta cauză etanșările se execută cu inele ușor demontabile din bronz sau otel inoxidabil. Cromajul dur electrolytic al labirintului fix, care se uzează primul, prelungește durata de funcționare. Au fost încercate și inele din cauciuc și mase plastic, dar nu au dat rezultate.

Apararul director

Este de tip cilindric și se prezintă ca o rețea circular de pale dispuse vertical sau orizontal, cu un profil hidrodinamic bine stabilit. Palele au centrele de rotație dispuse pe același diametru la distanțe egale între ele. Axa fiecărei pale formează același unghi cu tangent la cercul de dispunere a palelor, în orice moment al funcționării aparatului director, prin aceasta realizând o simetrie hidraulică în toate zonele de curgere. Palele au posibilitatea de manevrare simultană, permițând micșorarea până la închidere a spațiului dintre ele sau mărirea acestuia până la o valoare maxima.

Din punct de verede constructive, aparatul director se compune din următoarele repere mari: palate directoare, pârghii manivelă, brațe pe pârghii, tije de legătură și reglare, furci filetate, inel de reglaj, casete lagăr, bucșe lagăr, manșete de etanșare, capac și inel superior, inel inferior, organe de asmblare și consolidare. Palele funcționează între cele două inele, superior și inferior, uniform distribuite pe același diametru. În zona superioară fusurile palelor sunt ghidate de două bucșe lagăr, montate în casete. În zona inferioară, fusurile sunt ghidate de bucșele presate în alezajele din inelul inferior. Bucșele de ghidaj sunt din Bz 14T (material antifricțiune) sau din OL37 placat cu poliamidă. Etanșarea palelor se face cu manșete de etanșare din cauciuc PO60.

Pe capătul superior al fusurilor paletelor sunt montate pârghiile de acționare cuplate cu fusurile, prin penele cilindrice din două bucăți și brațele pârghiilor. Brațele de pârghie și pârghiile sunt cuplate între ele cu câte un bolț de forfecare, care este astfel dimensionat încât, în cazul apariției unui efort mare la manevrarea palei (din cauza blocării palei datorită unor corpuri străine ), să se rupă prin forfecare și să lase pala liberă în curentul de apă. Cuplarea pârghiei și brațul de pârghie cu bolt de forfecare reprezintă soluția de siguranță pentru pârghiile aparatului director. Legătura între inelul de reglare și brațele de pîrghii de pe fiecare paletă se face cu furcile și tijele de reglare. Tijele de reglare, prin înfiletarea sau dasfacerea din furcile de legătură, reglează lungimea brațului între inelul de reglaj și palele respective și prin aceasta determină poziția palei care trebuie să fie aceeași pentru toate palele.

Cuplarea furcilor de cuplare la inelul de reglaj și brațele de pârghii se face prin intermediul unei articulații cu bolț și bucșă de articulație.

Inelul de reglaj este o construcție inelară turnată din două bucăți îmbinate simetric, montat într-o care de rulare, sprijinit la partea inferioară pe 12 patine din Bronx pe care glisează și ghidat de 12 glisiere montate radial. Cuplarea inelului de reglaj cu servomotoarele se face prin articulații cu bolțuri și bucșe de articulație.

Ruperea bolțurilor de forfecare este semnalizată cu ajutorul unei instalații de semnalizare care constă din întrerupătoare de capăt montate căte unul pe părghiile fiecărei palate și sistemul de conductoare electrice de legătură.

Acționarea inelului de reglare și a paletelor directoare se face cu unul sau două aervomotoare. Acționarea cu două servomotoare poate fi: cu două servomotoare montate în afara capacului turbine în nișe speciale sau direct pe capacul turbinei. Cazul în care servomotoarele sunt montate pe capacul turbinei, acestea pot fi cu pistonul de tip plonjor drept cu două camere, instalat pe capacul turbinei printr-un support în consolă), sau cu servomotor toroidal, amplasat direct pe capaculturbinei lângă inelul de reglare, de care este legat printr-o articulație sferică.

Paleta directoare este realizată prin turnare sau sudare. Se prelucrează mechanic doar bordul de fugă al paletei și suprafața de așezare, respective cea de etanșare la închidere completă.

La îmbinare se prevede o garniture de cauciuc vulcanizat. De regulă, paleta este goală în interior.

Statorul turbinei.

Este constituit dintr-un număr de coloane profilate dispuse în zona de la ieșire din camera în spiral, având rolul de a conduce curentul de apa înspre paletele AD în condițiile intrării optime în rețeaua de profile directoare.

Pentru reducerea pierderilor hidraulice din stator și AD, direcția de la intrare a coloanelor statorice trebuie să coincide cu direcția vitezelor determinate de camera în spiral a turbine sau de canalul de aducțiune, iar direcția elementelor de la ieșire a coloanelor statorice, cu direcția primelor elemnte ale palelor directoare corespunzătoare deschiderii de calcul (aoc).

Statorul turbine rigidizează carcasa spirală și preia forțele care acționează asupra acesteia iar prin coloanele profilate asigură o bună conducere a curentului de apă spre AD.

Pentru reducerea pierderilor hidraulice, pe baza cercetărilor de laborator, se recomandă ca să se amplaseze coloanele statorice între cele ale AD. Coloanele pot fi masive sau tubulare. Inelele statorice asigură îmbinarea coloanelor. Această imbinare poate fi:

Coloanele statorice sudate din exterior cu inelele;

Coloanele trec prin inelele statorice și îmbinarea se face prin sudură.

Carcasa spirală

Camera spirală constituie primul element din circuitul hidraulic al turbine Francis, în această camera se formează curentul care intră uniform în AD pe toata periferia acestuia. Are o formă de camera melcată, deoarece liniile de curent sunt spirale logaritmice.

Camera spirală asigură o intrare aproximativ uniformă a apei în AD. Viteza la intrare în carcasa spirală este limitată la 12m/s pentru a menține pierderile de sarcină în limite admisibile.

La căderi mai mari viteza rămâne constatntă, 12m/s.

Tehnologia de fabricație se stabilește în funcție de căderea ,,H” și de dimensiunile turbinei. Camerele în spirală metalice se execută prin sudare (pentru turbina cu H ≤ 200 m care se sudează la fața locului), sudare – turnare (pentru turbine radial axiale de înaltă presiune și gabaritele mici), sau turnare (pentru turbine cu D ≤ 3 m. Si H ≥200 m).

La turbina Francis rapid, poate fi metalică sau din beton armat și se execută fie sudată din segmente de tolă, fie din otel turnat.

Carcasa spirală metalică cu gabarit mare se betonează în fundația turbinei, în care caz forța determinată de greutatea ansamblului rotitor este transmisă betonului care formează puțul turbinei. Partea interioară a învelișului CS se îmbină prin sudura cu inelele superioe și inferior ale statorului, partea inferioară a spiralei se leagă cu betonul prin ancorare, iar partea superioară se izolează de masivul de beton printr-o garnitură elastică.

În cazul turbinelor de mare putere, grosimea peretelui carcasei spirale de secțiune circulară depășește 60 mm.

Pentru a se reduce grosimea peretelui există patru soluții:

să se utilizeze oțeluri aliate cu o rezistență admisibilă foarte mare;

să se execute carcasa din tolă subțire care să transmită eforturile unui bloc de beton;

să se construiască o carcasă cu două intrări;

să se aleagă o nouă formă a secțiunii transversale, ai cărei pereți să se comporte ca un corp de egală rezistență. La căderi ’30m, carcasa spirală din beton armat poate fi dimensionată și construită suficient de rezistentă și pentru turbina cu diametrul rotorului până la 10 m.

Camera în spirală servește la fixarea servomotoarelor AD, a lagărului turbinei și altor piese.

Tubul de aspirație

Tuburile de aspirație se fac în general din beton, având pe unele porțiuni căptușeli sin tolă metalică. Căptușeala tubului de aspirație, la majoritatea turbinelor Francis, este o contrucție metalică, sudată din tole într-un tot unitar și apoi betonată în exterior. La noi în țară conurile tuburilor de aspirație, fiind alcătuite dintr-un număr de piese care admit o ușoară glisare telescopică, se pot demonta și permit acces sub rotor pentru revizii și reparații locale, precum și pentru demontarea și remontarea rotorului. Cotul și partea tronconică sunt executate din beton. La unele turbine Francis verticale este realizat și cotul în construcție metalică .

Tubul de aspirație curbat pentru H < 200m, conul se execută din tole de otel carbon cu grosimea de 10 – 20 mm, părțile componente fiind îmbinate cu flanșe sau prin sudură. Rigiditatea cerută de condițiile funcționale și de transport se asigură prin nervuri circulare sau longitudinale. Partea curbată și conică se execută din beton.

Tubul de aspirație pentru H < 200m, conul aspiratorului nu se betonează, executându-se demontabil, spre a facilita scoaterea rotorului printr-o nișăsau prin demontarea părții conice a tubului de aspirație, fără demontarea rotorului generatorului electric.

Forma și dimensiunile tubului de aspirație depind de construcția, gabaritele și puterea turbinei. Formele constructive ale tubului de aspirație sun următoarele:

vertical tronconic (microturbine F de puteri sub 5000 CP)

vertical curbat la partea inferioară spre direcția orizontală (turbine Francis verticale de puteri mari

orizontal curbat spre direcție verticală (turbine cu ax orizontal).

hidrocon (turbine F duble).

Arborele turbine, servește la transmiterea momentului motor la arborele hidrogeneratorului și la preluarea forței axiale. Turbinele de mare putere se construiesc cu arbore de tip vertical, iar cele mici și medii se execută cu arbore orizontal. Arborii de la HA vertical sunt supuși unor momente de torsiune și unor forte axiale de întindere, iar cei de la HA orizontale sunt supuși unor momente de torsiune, de încovoiere, precum și forțelor axiale de întindere.

Turbina poate fi îmbinată cu generatorul prin unul, doi și trei arbori. Flanșele arborilor se îmbină prin șuruburi, fiind prevăzute cu suprafețe special de montaj și de contact. Bătaia admisă pe direcție axială și radială la construcția arborilor mai mari este de 0,002mm. Tehnologia de execuție a semifabricatului arborilor poate fi: prin forjare (pentru arbori cu d ≤ 1400mm), prin sudarea flanșelor la arborele cilindric executat ca semifabricat, obținerea prin forjare a tolelor curbate și sudarea a doua tole groase îndoite și cu flanșe turnate.

Aducerea la cotele geometrice prevaăzute în documentașia de execuție se realizează prin prelucrări mecanice prin așchiere. Calculul mecanic al arborilor se efectuează ținând cont în primul rând de momentul de torsiune și apoi de comportarea la vibrații.

Arborii turbinei se construiesc ca tuburi cu pereți groși, orificiul central având rol tehnologic, în cazul rotoarelor F și P, fiind folosit pentru introducerea gașei necesare demontării rotorului pentru revizie și remontarea lui după repartiție.

Etanșare arbore turbină

Etanșarea arborelui turbinei are rolul de a proteja agregatul împotriva pătrunderii apei din circuitul hydraulic în capacul turbine. La hidroagregatele echipate cu lagăre de cauciuc, etanșarea arborelui turbinei este cu membrane din cauciuc de tip frontal.

La hidroagregatele echipate cu lagăre de turbină cu cuzineți cu compoziție cu ungere cu ulei, s-au montat etanșari cu segmenți din grafit.

4.2. Descriere funcțională

Turbinele cu reacțiune utilizează, prin gradul de reacțiune ρ 0,6 – 0,9, cea mai mare parte a energiei sub formă de energiei potential și o cotă de energie cinetică. Ele sunt cu atât mai mult turbine cu racțiune, cu cât gradul de reacțiune devine mai mare. Turbinele Francis sunt parcurse de fluxul apei după traseul numit hidraulic, care cuprinde: carcasa de admisie a apei (camera în spirală), statorul turbinei 2, aparatul director 3, rotorul turbinei 4 și tubul de aspirație . Subansamblele principale care asigură funcționarea turbinei sunt: lagărul turbinei, etanșarea arbolelui turbinei, arborele turbinei și labirinții montați pe rotor.

Admisia apei la turbina Francis de puteri și căderi mari se face printr-o construcție specială, de forma cochiliei unui melc, denumită camera spirală. Camera spirală are rolul asigurării admisiei și distribuirii ei uniforme pe coloanele statorului și periferia AD.

Forma secțiunii camerrei spirale nu este întotdeauna circular, ci, în unele cazuri, poate fi elipsă, trapez sau romb.

Statorul, prin coloanele profilate hidrodinamic, conduce uniform apa spre aparatul director, împrimându-I direcția optima de intrare. Traseul apei prin zona de curgere a turbinei se continuă cu aparatul director, care asigură un current radial – axial simetric, în condiții cinematice optime, a apei la intrarea în rotor. Servește pentru dirijarea apei spre rotor cu minimum de pierderi și cu vitezele de intrare cele mai convenabile. Dirijarea apei spre rotor se face prin statorul și aparatul director, care fac ca apa să lovească palele rotorului sub un anumit unghi.

Pentru reducerea pierderilor hidraulice din stator și AD, direcția de la intrare a coloanelor statorice trebuie să coincide cu direcția vitezelor determinate de camera în spirală a turbinei sau de canalul de aducțiune, iar direcția elementelor de la ieșire ale coloanelor statorice, cu direcția primelor elemente ale paletelor directoare corespunzătoare deschiderii de calcul aoc..

Modificarea deschiderii aparatului director prin schimbarea poziției paletelor acestuia, permite admisia unor debite diferite în turbină și implicit realizarea de puteri diferite transminse hidrogeneratorului. Acțiunarea paletelor aparatului director se face de către două servomotaore cu un sistem clasic inel de reglare – pârghii. Servomotoarele de acționare sunt comandate de către regulator prin intermediul sistemului de reglaj. Aparatul director are și rolul de organ de protecție, prin închiderea lui comandată automat întrerupându-se accesul apei în turbină la o aruncare bruscă de sarcină sau în cazul unei avarii a instalației. Blocarea aparatului director cu paletele la poziția complet închis se realizează prin intermediul a două dispositive de blocare manuale.

Aparatul director, indeplinește următoarele funcții:

Distribuie apa uniform pe toată periferia rotorului

Transformă o parte a energiei de presiune în energie cinetică

Imprimă curentului de apă la ieșirea din rețeaua de pale o viteză absolută Co, care să fie înclinată sub unghiul absolut αo (unghiul la vârful paletei) față de tangent la cercul de diametru Do (diametrul cercului paletelor);

Reglează debitul ce trece prin turbină;

Închide complet, cât mai etanș, apa spre turbine, în caz de nevoie.

AD modifică debitul la intrare în rotor prin modificarea poziției palelor directoare. În poziția în care aceste pale ajung în contact unele cu altele, debitul va fi zero iar turbina se oprește. Deci AD asigură oprirea turbinei. Apa pătrunde în aparatul director, unde o mica parte din presiunea apei se transformă în energie cinetică, după care este condusă spre rotor, restul energiei rezultate din presiunea apei transformându-se în energie cinetică în rotor, datorită interacțiunii apei cu rețeaua de pale a rotorului. Din aparatul director, în continuare, apa trece prin camera rototrului și rotor unde are loc transformarea energiei hidraulice a apei în energie mecanică. Reglarea debitului de apă la intrarea în rotorul turbinei este realizată de regulatorul de turație care comandă rotirea concomitentă în același sens a paletelor aparatului director, rotire comandată de regulatorul de turație prin intermediul sistemului de reglaj.

Rotorul primește energia cinetică a apei și prin variația momentului cinetic al apei în rotor, se obține cuplul motor la arborele turbinei, respective transformarea energiei cinetice în energie mecanică/ Între aparatul director și rotor există un spațiu circular. Apa pătrunde în rotor de la margine spre centru, pe toată suprafața acestuia, adică radial și este evacuate în canalul de fugă printr-un tub, numit aspirator. Apa care pătrunde în rotor își scade valoarea presiunii de la intrare pînă la ieșire, astfel încât la ieșire, presiunea scade la nivelul presiunii atmosferice; întreaga energie de presiune este transformată în energie mecanică. Din cauza formei palei, apa trecând prin rotor își schimbă direcția. La ieșirea de pe palele rotorului apa are o viteză micșorată și cu o altă direcție. Această soluție este specifică turbinei de putere și cădere mica. Scurgerea apei prin turbină trebuie să se facă în așa fel încât să se piardă cât mai puțin din energia ei prin ciocniri sau turbioane. De aceea viteza și direcția apei care intră în rotor trebuie să fie în așa fel încât să nu aibă loc ciocniri ale apei cu palele rotorului. Muchiile de intrare ale palelor trebuie să fie ascuțite iar palele să fie subțiri și cu o curbură lină.

Evacuarea apei din zona rotorului spre canalul de fugal centralei în condiții hidraulice optime se face prin intermediul tubului de aspirație care continua camera rotorului; Tubul de aspirație mai are rolul de a recupera o parte din energia cinetică a apei la ieșirea din rotor, îmbunătățind astfel randamentele hidraulice ale mașinii.

Transmiterea cuplului motor de la rotorul turbinei la cupla hidrogeneratorului se face cu ajutorul arborelui turbinei. În zona capacului turbinei arborele este ghidat de către un lagăr de conducere cu ulei care poate prelua eventualele încărcări radiale rezultate din desechilibrul maselor rotorice și a forțelor hidraulice neuniforme ce pot aparea pe rotor. Pentru evitarea pătrunderii apei în zona lagărului pe arbore și în capacul turbinei este montată o etanșare dee serviciu prevăzută cu inele de etanșare cu grafit.

Evitarea unor depresiuni periculoase în zona rotorului și a tubului de aspirație, cauzate de o închidere bruscă a aparatului director sau de diverse regimuri tranzitorii de funcționare a agregatului, este posibilă prin folosirea ventilelor de rupere a vacuumului amplasate pe capacul turbinei. Ventilele de rupere a vacuumului etanșează sub acțiunea forței de compresiune a câte unui arc elicoidal de compresiune și au rolul de a rupe vacuumul din carcasa turbinei, care s-ar forma în timpul unei descărcări bruște a turbinei, respective la o închidere bruscă a aparatului director.

Ventilul intră în funcțiune automat, la o diferență de presiune care apare între presiunea atmosferică și presiunea din camera turbinei la o închidere bruscă a aparatului director. Accesul în camera spirală se asigură printr-o gură de vizitare, iar golirea camerei spirale se realizează printr-un ventil de golire a camerei spirale. Ventilul de golire a carcasei spirale, servește la golirea apei din carcasa spiral cu ocazia reparațiilor rotorului turbinei, manevrarea ventilului se realizează cu o instalație hidraulică. În cazul ruperii unui sau mai multor bolțuri de forfecare, ca urmare a pătrunderii unui corp străin între paletele directoare, se închide contactul microîntrerupătoarelor instalației pentru semnalizarea ruperii bolțurilor se siguranță, montate pe pârghiile paletelor și se semnalizează la panoul centralei. Singurul organ de reglaj la turbina Francis este aparatul director, care este comandat direct de RAV în scopul obținerii valorii dorite a turației la mers în gol sau a puterii la mers în sarcină.

5.TURBINE FRANCIS CU AX ORIZONTAL

Se construiesc cu diametre de rotor până la 9cm adică până la ≤ 1. În prezent există turbina Francis care prelucrează căderi până la 520m, ceea ce este posibil numai la contrapresiuni în aspirator Hs = -5m la -10m și eliminand coroziunea prin folosirea oțelurilor speciale inoxidabile și profile de palete atent studiate. La debite mai mari și căderi mai mici decât cele pentru turbina F monorotoare se utilizează turbina F cu rotor dublu, din care apa este evacuată prin două aspiratoare.