Оборудование гидросооружений и гидроэлектростанций

Основная литература
1. Гидроэлектрические станции/под редакцией В.Я. Карелина и Г.И. Кривченко. - М.: Энергия, 1987.
2. Гидротехнические сооружения (речные): учебник для вузов: в 2 ч. /Л. Н. Рассказов и др. - М.: Изд-во АСВ, 2011.
3. Журнал «Гидротехническое строительство».
4. Подбор гидроэнергетического и вспомогательного оборудования ГЭС. Методическая разработка/Янченко А. В. – Н. Новгород: НАСИ, 1991

1. Общие сведения об оборудовании ГТС и ГЭС
Оборудование можно разделить на:
основное технологическое,
вспомогательное технологическое,
электрическое,
механическое,
подъемно-транспортное.
Конкретные типы и виды оборудования зависят от назначения и функций ГТС и ГЭС.

Оборудование плотины на р. Немане

Богучанская ГЭС на р. Ангаре

Саяно-Шушенская ГЭС на р. Енисее

ГЭС Три ущелья, р. Янцзы

Судоподъемник Красноярской ГЭС на р. Енисее

Козловые краны на водосливной плотине

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ-1
3. ГИДРОТУРБИНЫ
Классы турбин:
реактивные;
активные.
Типы турбин:
реактивные – осевые (поворотно-лопастные ПЛ (Каплана); пропеллерные (Пр)); радиально-осевые (Френсиса) РО; диагональные Д и др.
активные – ковшовые К (Пельтона); поперечно-струйные (Банки); наклонно-струйные (Тюрго); свободно-поточные (СП)

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ-2
Насосы
По характеру силового воздействия, а следовательно, и по виду рабочей камеры различают насосы динамические и объемные. В динамическом насосе силовое воздействие на жидкость осуществляется в проточной камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса. В объемном насосе силовое воздействие на жидкость происходит в рабочей камере, периодически изменяющей свой объем и попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ-3
Насосы
К динамическим насосам относятся:
1) лопастные: а) центробежные; б) осевые;
2) электромагнитные;
3) насосы трения: а) вихревые; б) шнековые;
в) дисковые; г) струйные и др.
К объемным насосам относятся:
1) возвратно-поступательные: а) поршневые и плунжерные; б) диафрагменные;
2) крыльчатые;
3) роторные: а) роторно-вращательные; б) роторно-поступательные.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ-4
Обратимые гидромашины (ГМ)
Это гидромашины, которые работают и как турбины, и как насосы.
Обратимые ГМ применяются на ГАЭС.
При работе ГАЭС как ГЭС обратимые ГМ эксплуатируются как гидротурбины.
При работе ГАЭС как НС обратимые ГМ эксплуатируются как гидронасосы.

Схема установки турбины на ГЭС

Область применения гидравлических турбин

КОНСТРУКЦИИ ГИДРОТУРБИН
Турбина состоит из следующих элементов:
– рабочего колеса (ротора турбины);
– статора турбины (неподвижной части);
– устройства, подводящего к турбине воду;
– устройства, отводящего от турбины воду;
– устройства для изменения расхода воды;
– системы управления работой турбины.
Турбины являются частью гидроагрегата.
Гидроагрегат – это совокупность гидромашины и элетромашины.
На ГЭС гидроагрегат состоит из гидротурбины и гидрогенератора; на ГАЭС – из насосотурбины и двигателя-генератора; на НС – из насоса и электродвигателя.

Вертикальный гидроагрегат

Схемы гидроагрегатов с реактивными турбинами

Компоновка гидроагрегата – разрез вдоль тока воды

Схемы гидроагрегатов
(условные обозначения)
1 – ротор генератора; 2 – статор генератора; 3 – рабочее колесо; 4 – турбинная камера; 5 – колонны статора турбины; 6 – лопатки направляющего аппарата; 7 – отсасывающая труба; 8 – вал; 9 – фланец вала; 10 – верхняя крестовина; 11 – нижняя крестовина; 12 – крышка турбины; 13 – опорная конструкция; НП – направляющий подшипник; ПП – подпятник; ТНП – турбинный направляющий подшипник

Реактивные гидротурбины
Поворотно-лопастная ПЛ Диагональная Д

Реактивные гидротурбины
Радиально-осевые РО
D2≥D1 D2≤D1

РАБОЧИЕ КОЛЕСА
Турбина с турбинной
камерой и
отсасывающей трубой
ПЛ
Д
РО

Ортогональная турбина

Активные гидротурбины
Ковшовая К

Активные гидротурбины
Наклонно-струйная (а) и поперечно-струйная (б)

Турбинные камеры
Назначение: подвод воды к рабочему колесу.
Виды: открытая (безнапорная); закрытые – прямоугольная; кожуховая; спиральная; прямоточная.
Конструкция: по материалам – бетонная; железобетонная; стальная; сталежелезобетонная

Бетонная спиральная камера

Металлическая спиральная камера

Отсасывающие трубы реактивных турбин
Назначение: отвод воды от рабочего колеса в нижний бьеф.
Виды: прямоосная; раструбная; изогнутая.

ОТСАСЫВАЮЩИЕ ТРУБЫ
Прямоосные отсасывающие трубы:
а) коническая с криволинейной образующей; б) раструбная; в) для горизонтальных турбин

Изогнутая отсасывающая труба для вертикальной турбины

КАВИТАЦИЯ В ТУРБИНАХ
Кавитация (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (пузырьков, или каверн), заполненных паром. Возникает при разрыве жидкости вращающимся рабочем колесом
Отметка рабочего колеса
РК=УНБМИН+НS,
где УНБМИН – минимальный уровень нижнего бьефа; высота отсасывания

Отсчет высоты отсасывания в различных турбинах

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОТУРБИНАМИ

Задачи системы регулирования
Пуск турбины в работу
Остановка агрегата
Поддержание синхронной частоты вращения
Выдача требуемой мощности
Выдача мощности в соответствие с расходом и напором
Защита агрегата в случае аварии

ПОДБОР ГИДРОТУРБИН
Подобрать турбину – это:
1) определить вид турбины – активная, реактивная;
2) определить тип турбины – ПЛ, Д, РО, К и др.;
3) определить типоконструкцию – ПЛ20, Д60, РО230 и т. д.
4) подобрать стандартный диаметр РК – D1;
5) подобрать синхронную частоту вращения – n;
6) определить высоту отсасывания – Нs;
7) подобрать турбинную камеру и отсасывающую трубу.

Тип турбины
Тип турбины определяется , главным образом, максимальным напором. В описании типа первые буквы обозначают систему турбины: ПЛ, Д, РО, К и т. д. Следующие цифры обозначают возможный максимальный напор, например, ПЛ-20; РО-75 и т. д.
Далее указывается исполнение: В – вертикальное, Г – горизонтальное; затем буква, показывающая тип турбинной камеры: Б – бетонная, М – металлическая; последние цифры дают диаметр рабочего колеса в см.
Таким образом, шифр турбины будет, например,
ПЛ-20ВБ-500 или РО-75ГМ-600.
Мощность одной турбины: N1т = Nу/z,
где Nу – установленная мощность; z – количество турбин.

Номенклатура турбин ОАО «ЛМЗ»

Проточная часть турбин-1
По данным подбора вычерчивается проточная часть в виде (для РО):

Проточная часть турбин-2
По данным подбора вычерчивается проточная часть в виде (для ПЛ и Д):

Определение отметки рабочего колеса
Отметка рабочего колеса
РК=УНБМИН+НS,
где УНБМИН – минимальный уровень нижнего бьефа; высота отсасывания
где σт – коэффициент кавитации, соответствующий выбранному приведенному расходу.

Определение выработки электроэнергии ГЭС
Общая формула для выработки:
Однако проинтегрировать не удается из-за произвольной зависимости N(t). Поэтому выработку определяют приближенно. Например, если принять N(t)=const=Nср
Э= NсрТ.
Nср – средняя мощность за период Т.
При определении Э за год: Э=8760Nср , кВт∙ч.

Гидрогенераторы
Принцип работы
Схема генератора
Конструкция генератора – подвесного и зонтичного
Охлаждение генератора

Схемы вертикальных гидрогенераторов
Подвесной
Зонтичный
Зонтичный с опорой на крышку турбины

Охлаждение гидрогенераторов
1-ротор;
2-статор;
3-охладитель

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА состоит из:
Системы низкого (генераторного) напряжения
Системы высокого напряжения (напряжения ЛЭП)
Системы собственных нужд: для освещения, системы регулирования, двигателей насосов, компрессоров, для системы пожаротушения, вентиляции, кондиционирования

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ-1
Передача электроэнергии осуществляется на большие расстояния, так как обычно потребители находятся достаточно далеко от источников электроэнергии – электростанций. Передача производится по воздушным (ВЛ) линиям – ЛЭП. Достаточно редко передача осуществляется кабельными (КЛ) линиям, под землей, так как такая передача дорога.

Линия электропередач (воздушная)

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ-2
Передача электроэнергии – это, прежде всего, передача мощности, определяемой формулой (для переменного тока):
N=IUcosφ,
где I – сила тока, А; U – напряжение, В; cosφ – коэффициент мощности, cosφ=0,7-0,9.

Варианты передачи электроэнергии
Возможны два варианта передачи мощности:
- небольшим напряжением U, таким, какое выдает генератор. При этом силой тока I будет большой; в этом случае потребуются провода большого сечения, т. е. большого веса, что потребует мощных опор.
- большим напряжением, но малой силой тока; тогда сечения проводов и мощность опор будут сравнительно небольшими. Однако при этом потребуется повышение напряжения, для чего используются электрические трансформаторы для повышения напряжения.

НАПРЯЖЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Передача производится по ЛЭП на высоком напряжении (110, 220, 330, 500, 750 кВ). Чем больше расстояние передачи, тем выше принимается напряжение.
Напряжение гидрогенераторов 0,4, 6,3, 10, 20 кВ.

Схема трансформатора

Конструкция трансформатора

Обозначения (для трансформатора)
1 — бак; 2 — вентиль; 3 — болт заземления; 4 — термосифонный фильтр; 5 — радиатор; 6 — переключатель; 7 — расширитель; 8 — маслоуказатель; 9 — воздухоосушитель; 10 — выхлопная труба; 11 — газовое реле; 12 — ввод ВН; 13 — привод переключающего устройства; 14 — ввод НН; 15 — подъемный рым; 16 — отвод НН; 17 — остов; 18 — отвод ВН; 19 — ярмовые балки остова (верхняя и нижняя); 20 — регулировочные ответвления обмоток ВН; 21 — обмотка ВН (внутри HH); 22 — каток тележки

Принципиальная электрическая схема ГЭС

Состав электрической схемы
Состав:
система низкого (генераторного) напряжения (СНН);
система высокого напряжения (СВН);
система собственных нужд (ССН).
СНН и ССН размещаются внутри здания ГЭС, СВН – вне здания, на открытом распределительном устройстве (ОРУ).

Открытое распределительное устройство

Размещение механического оборудования водоприемника
Пор
Нреш
Вреш

Обозначения
Схема водоприемника: 1 – сороудерживающая решетка; 2 – забральная стенка; 3 и 4 – пазы ремонтного и аварийного затворов; 5 – промежуточная стенка; 6 – гидроподъемник; 7 – аэрационная труба; 8 – обводная труба (байпас); 9 – козловой кран (при использовании автомобильных кранов может отсутствовать)

Сороудерживающие решетки
Решетки предназначены для задержания предметов, находящихся в глубине воды.
Они представляют систему вертикальных стержней (стальных полос), закрепленных на раме.
Расстояние между стержнями решетки следует принимать не более D1/20 для поворотно-лопастных, D1/30 – для радиально-осевых турбин (D1 – диаметр рабочего колеса).
Для предотвращения обмерзания через решетку пропускают электроток небольшой силы (электрообогрев)

Конструкция решетки
1 – рама
2 – стержни
3 – подвеска

Размеры решетки
Площадь решетки
Fреш=Qреш/Vреш,
где Qреш – расход воды через решетку, если на одну турбину одна решетка, расход равен расходу турбины; Vреш скорость воды через решетку, для возможности ее очистки Vреш≤1,0-1,2 м/с.
Высота решетки:
Нреш= Fреш/Вреш,
где Вреш – ширина решетки, равная ширине блока агрегата за вычетом толщины бычков.

Отметка порога водоприемника
Отметка порога водоприемника определяется как:
Пор≤УМО-Нреш-Нзап,
где Нреш – высота решетки; Нзап – запас против образования водной воронки перед решеткой.

Машина для очистки сороудерживающей решетки
1 – тележка
2 – неподвижные зубья
3 – подвижные зубья
4 – стержень решетки
4

Затворы водоприемника
Ремонтные – предназначены для ремонта и осмотра элементов проточного тракта турбин, а также других затворов. Опускают и поднимают в неподвижной воде. Ремонтные затворы – 1 затвор на 3-4 турбины.
Аварийные – для быстрого перекрытия воды, поступающей на турбину. Опускаются в движущейся воде, т. е. при наличии трения между затвором и пазами. Поэтому они должны иметь большой вес или опускаться принудительно. Эти затворы расположены в каждой турбине.
Аварийно-ремонтные – объединяют функции двух первых.

Подъемно-транспортное
оборудование
Стационарное – лебедки, гидроподъемники
Нестационарные – краны: козловые, мостовые и др.

Мостовой кран

Краны машинного зала здания ГЭС
Устанавливают один или два крана. 2 крана позволяют уменьшить высоту машзала.
Грузоподъемность определяется весом наиболее тяжелой части агрегата – рабочего колеса или ротора генератора.
При одном кране его грузоподъемность равна весу этой части.
При двух кранах наиболее тяжелую часть монтируют с помощью траверсы – специальной балки. Тогда грузоподъемность каждого крана равна половине веса тяжелой части плюс половина веса траверсы. Вес траверсы – примерно 10 % веса тяжелой части.

Монтаж ротора генератора двумя мостовыми кранами
1
2
3
4

Обозначения к монтажу ротора
1 – ротор генератора
2 – траверса
3 – 1-й мостовой кран
4 – 2-й мостовой кран

Траверса Бурейской ГЭС

Козловые краны

Лебедки

Гидроподъемник
Гидроподъемник
Затвор сегментный

Вспомогательное оборудование ГЭС
Система осушения проточной части агрегата.
Масляное хозяйство, его назначение и структура.
Пневматическое хозяйство. Использование сжатого воздуха в здании ГЭС.
Система техводоснабжения

Система осушения проточной части агрегата
Осушение необходимо для осмотра и ремонта турбинных камер, рабочих колес, отсасывающих труб и др.
Часть воды (выше УНБ) сливается самотеком, остальная должна удаляться принудительно. Длительность удаления должна быть не более 4-8 ч.
Кроме того, должна удаляться профильтровавшаяся вода (непрерывно).

Схемы осушения проточной части агрегата

Обозначения
I – насосы на каждый агрегат
II - общая насосная станция
III – схема с переносным насосом
IV – cлив воды в потерну, далее в насосную станцию
V – слив воды в коллектор, далее в насосную станцию

Масляное хозяйство
Предназначено для приемки свежего масла, хранения его, хранения отработанного масла.
Используются 2 сорта масла: турбинное (для смазки); изоляционное (трансформаторное). Смешивание недопустимо. Сорта хранятся в разных емкостях.

Пневматическое хозяйство
Сжатый воздух используется для торможения генератора, отжатия воды из камеры рабочего колеса, для пневматического инструмента, а также для поддержания полыньи у водоприемников и затворов.
Для создания запаса сжатого воздуха устанавливают компрессоры. Сжатый воздух хранится в ресиверах (сосудах).

Техническое водоснабжение
Используется для охлаждения генераторов, больших компрессоров, трансформаторов.
Вода забирается насосами из нижнего бьефа, очищается фильтрами.
Вода используется также для пожаротушения.

ВИДЫ НАСОСОВ
Общие сведения о насосах приведены ранее.
Динамические – перекачивают воду непрерывно.
Объемные – перекачивают воду прерывисто.
В дисциплине рассматриваются только динамические насосы как наиболее применяемые на ГТС и ГЭС. Насосы приводятся в действие электромоторами

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Насосная станция
Двига-
тель
Насос

Схема центробежного насоса

Схема осевого насоса

Обратимые гидромашины
Обратимые гидромашины могут выполняться, как и реактивные гидротурбины, осевыми, диагональными и радиально-осевыми.
Тип определяется напором и конструкцией ГАЭС.

Схема обратимой ГМ
а) 1 – затвор; 2 – обратимый генератор-двигатель; 3 – обратимая ГМ; б – рабочее колесо

Станционные водоводы
Станционные трубопроводы можно разделить на три группы:
заделанные трубопроводы включают стальные облицовки в бетонном массиве плотин, сталежелезобетонные трубопроводы на их низовых гранях, стальные облицовки с железобетонной обделкой шахт и туннелей;
открытые ( не заделанные) трубопроводы, выполняемые в большинстве случаях на опорах;
засыпанные трубопроводы, выполняемые в траншеях и засыпаемые грунтом.

Станционные водоводы
Водоводы приплотинных зданий ГЭС

Сталежелезобетонные водоводы Саяно-Шушенской ГЭС

ОБОРУДОВАНИЕ ГТС
Состав оборудования ГТС: механическое, гидравлическое, электрическое и др. Рассматривать будем только механическое оборудование, к которому относятся:
Затворы,
Закладные части,
Подъемно-транспортные механизмы.

Литература
1. Гидротехнические сооружения (речные). В 2-х частях. Учебник для вузов. /Л. Н. Рассказов и др. – М.: АСВ, 2011.

Классификация затворов-1
По местоположению отверстия:
Поверхностные,
Глубинные.
По функциям:
Основные (эксплуатационные) и ремонтные,
Аварийные,
Строительные.
По режиму работы:
Регулирующие,
Не регулирующие.

Классификация затворов-2
По материалам затвора:
Стальные,
Из алюминиевых сплавов,
Железобетонные.
Деревянные,
Тканевые.
По способу передачи воспринимаемого давления:
Поверхностные – на быки и устои,
Поверхностные – на порог сооружения,
Глубинные – через опорно-ходовые части на сооружение,
Глубинные – через корпус затвора на сооружение.

Классификация затворов-3
По конструкции:
Поверхностные – плоские (щиты), балочные (шандоры), сегментные, вальцовые, секторные, крышевидные, клапанные, откатные, с поворотными фермами, поворотные рамы, подкосные, мягкие, плавучие (батопорты).
Глубинные – плоские, сегментные, плоские задвижки, дисковые (дроссельные), игольчатые, конусные, поворотные цилиндрические, шаровые и др.

Типы поверхностных затворов

Типы глубинных затворов

Общие условия работы затворов
Большинство затворов должны позволять пропускать через перекрываемые ими отверстия переменный расход. Это возможно при различной степени открытия затвора.
Открытие достигается:
Для поверхностных затворов – их опусканием, либо подъемом. Пропуск льда достигается только при опускании затвора.
Для глубинных затворов – также подъемом либо поворотом.

Функции затворов
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.

Требования к затворам
Затворы водопропускных сооружений должны удовлетворять следующим основным требованиям:
- прочности и устойчивости конструкции в целом и ее отдельных узлов;
- водонепроницаемости затвора и мест сопряжений его с частями сооружений или мест сопряжений отдельных частей затвора;
- возможности свободного маневрирования в стоячей или текущей воде в зависимости от назначения затвора;
- возможности регулирования пропуска воды (при ее заборе или сбросе) при различных открытиях отверстий без нарушения нормальной работы затвора (для основных регулирующих затворов).

Пропуск воды с помощью поверхностных затворов
а) подъемный затвор; б) опускной затвор;
в) двойной затвор; г) затвор с клапаном

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЗАТВОРЫ
ПЛОСКИЕ ЗАТВОРЫ (СХЕМЫ)

Схемы сегментных затворов

Схемы секторных затворов

Крышевидный и клапанный затворы

Сегментный затвор со стороны НБ

Плавучий затвор комплекса защитных сооружений С.-Петербурга от наводнений

Ворота нижней головы шлюза

Плоский затвор с безнапорной стороны

Глубинный скользящий затвор

Глубинный колесный затвор

Глубинный затвор водовода

Задвижка поворотная

Шаровой затвор, вид сверху

Шаровой затвор в разрезе

ОБОРУДОВАНИЕ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
По назначению и условиям работы оборудование подразделяется на основное, предназначенное для непосредственного выполнения операций шлюзования, и вспомогательное, которое необходимо для нормальной эксплуатации основного оборудования. По условиям приведения его в действие – на гидромеханическое и электротехническое.

СХЕМА СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
Схема однокамерного шлюза
1 – верхний подходной канал; 2 – верхняя голова; 3 – камера шлюза; 4 – нижняя голова; 5 – нижний подходной канала; 6 – направляющие палы; 7 – причальная стенка.

Системы питания судоходных шлюзов
Системы питания предназначены для наполнения или опорожнения камер при шлюзовании; они подразделяются:
по способу подачи воды в камеру и выпуска из нее – на сосредоточенные и распределительные;
по способу забора воды из верхнего бьефа и выпуска ее в нижний – на системы с забором и выпуском воды в подходных каналах шлюза и системы с боковым забором и выпуском воды вне подходных каналов;
В сосредоточенных системах питания впуск воды в камеру и выпуск из нее производится в одном месте по длине камеры, чаще всего у верхней и нижней голов шлюза. В последнем случае такую систему питания называют головной.

Головная система питания
Головные системы питания условно разделены на две группы: безгалерейные и с короткими обходными галереями. В безгалерейных системах наполнение и опорожнение камер может производиться через отверстия в воротах (клинкеты) или из-под ворот.
В системах питания с короткими обходными галереями наполнение или опорожнение камер может производиться через водоводы, располагаемые в днищах или стенах голов шлюза.
Безгалерейные системы наполнения (опорожнения) камер через отверстия в воротах (клинкеты) применялись, в основном, на шлюзах малого напора (до 5 м) и в гидравлическом отношении являлись несовершенными из-за отсутствия эффективных гасительных устройств.

Головная система питания шлюза
Наполнение
из-под щита
и опорож-
нение через
обходные
галереи

Распределительная система питания
Распределительные системы питания характеризуются тем, что подача воды и выпуск ее из камер производится через большое число отверстий (выпусков) из продольных галерей, расположенных в днище или стенах камеры. При этом выпуски могут занимать всю длину или часть камеры шлюза. Распределительные системы разделены на простые и сложные. Простые системы питания не обеспечивают равномерного распределения расхода воды по времени, т.к. в первые выпуски вода поступает раньше, чем в последующие, и это приводит к образованию в камере шлюза уклонов водной поверхности, ухудшающих условия стоянки шлюзуемых судов. Сложные системы питания, обеспечивающие равномерное распределение поступающего в камеру расхода воды на разных ее участках, иногда называют эквиинерционными.

Простая распределительная система питания шлюза
1 – водопроводная галерея; 2 – выпуски (в стенах или днище камеры); 3 – затвор;

Гидромеханическое оборудование шлюзов
Относятся ворота шлюзов, затворы водопроводных галерей, приводные механизмы, подвижные и неподвижные причальные приспособления, предохранительные и амортизирующие устройства, приспособления для проводки судов через шлюзы, а к электротехническому – двигатели механизмов ворот и затворов водопроводных галерей, кабельное хозяйство, аппаратура и приборы сигнализации управления основным оборудованием и приборы эксплуатационного освещения.

Вспомогательное оборудование шлюзов
К вспомогательному оборудованию относят насосы для откачки воды из камеры и отдельных частей шлюза, механизмы установки и подъема всего оборудования – краны, тали, тележки.

Ворота шлюзов
В зависимости от назначения и условий работы ворота, располагаемые на головах, подразделяются на основные или рабочие, ремонтные и аварийные.
Основные ворота перекрывают судоходные отверстия в головах шлюза. Они предназначены для выполнения операций по пропуску судов через шлюз и могут использоваться для наполнения и опорожнения камер.
Ремонтные ворота устанавливаются перед основными и служат для изоляции шлюза от воды верхнего и нижнего бьефов. Они позволяют выполнять осмотр подводных частей сооружения и необходимый ремонт.
Аварийно-ремонтные ворота располагаются на верхних головах перед основными воротами со стороны водохранилищ с большими объемами воды и служат не только для выполнения ремонтных работ в камере шлюза, но и для быстрого перекрытия судоходного отверстия в случае повреждения основных ворот.

Основные типы ворот шлюза-1
Рабочие: а – сегментные; б – откатные (продольный разрез и план)

Схема двустворчатых ворот

Основные типы ворот шлюза-2
Ремонтные затворы: в – шандорный; г – спицевой

Основные типы ворот шлюза-3
Ремонтные затворы: д – плавучее заграждение – батопорт. Аварийные ворота: е – плоские опускные;

Основные типы ворот шлюза-обозначения
1 – основные ворота нижней головы; 2 – ферма; 3 – шандоры; 4 – спица; 5 – опорные шарниры; 6 – основные ворота верхней головы; 7 – аварийные ворота;

Применение ворот шлюзов-1
Двустворчатые ворота являются наиболее распространенным типом заграждения из-за простоты конструкций, доступности для осмотра и ремонта.
Шандорные затворы применяются на шлюзах небольшой ширины и в конструктивном отношении представляют собой деревянные, металлические или железобетонные балки, называемые шандорами. Они укладываются горизонтально друг на друга в специальные пазы при помощи кранов и со стороны камеры поддерживаются промежуточными опорами (фермами).

Применение ворот шлюзов-2
Поворотные фермы шарнирно закрепляются на днище головы и могут при помощи береговых лебедок подниматься в вертикальное положение, а пролеты между ними перекрываются спицами или щитами, опирающимися внизу на порог головы, а вверху – на балку-опору.
Батопорт используется в качестве плавучего ремонтного заграждения и позволяет обслуживать одним затвором несколько шлюзов. Для установки заграждения в рабочее положение плавучая емкость при помощи насосов заполняется водой, а после завершения ремонтных работ вода откачивается, емкость всплывает и буксируется для организации ремонтных работ на другом шлюзе или в безопасное место для хранения.

Применение ворот шлюзов-3
Опускные ворота при нормальной работе шлюза находятся под водой в нише, а в случае аварии поднимаются в рабочее положение. Они применяются при наличии стенки падения достаточной высоты и при значительных глубинах на пороге, просты по конструкции, надежны в работе и экономичны.
Откатные ворота могут быть одно- или двустворчатыми и представляют собой плоский или подкосные щиты, передвигающиеся по рельсам на колесных тележках. В нерабочем состоянии ворота размещаются в боковых нишах устоев верхней головы шлюза.

Затворы водопроводных галерей
Они регулируют поступление воды в камеру шлюза или ее истечение из камеры, обеспечивая при этом нормальные условия стоянки шлюзуемых и ожидающих шлюзования судов в подходных каналах. В случае возникновения аварийной ситуации затворы должны закрываться в потоке воды под любым возможным напором. В зависимости от назначения и условий работы затворы водопроводных галерей подразделяются на основные (рабочие) и ремонтные. Ремонтные затворы располагают слева и справа от рабочего. Наиболее широкое применение на шлюзах нашли плоский, цилиндрический, сегментный и поворотный затворы.

Плоский, цилиндрический и сегментный затворы

Поворотный затвор
1 – верхнее уплотнение; 2 – нижнее уплотнение; 3 – неподвижная часть; 4 – гидроподъемник; 5 – основой затвор; 6 – водопроводная галерея; 7 – обтекатели потока; 8 – ремонтный затвор; 9 – уплотняющее кольцо; 10 – опорный узел.

Пазовые конструкции плоских скользящих затворов
а) металличес-
кая;
б) сборная желе-
зобетонная

Схема бычков с пазами
а) неразрезного
б) разрезного
1 - паз ремонтного
затвора; 2 – затвор;
3 – ходовая часть
затвора; 4 – паз с НБ;
5 – поверхностное
уплотнение; 6 – главное уплотнение

Вес затвора (кН)

Усилие для подъема затвора

Усилия для маневрирования затворами

Усилие посадки (продолжение)

Усилие посадки (продолжение)

Усилие посадки (продолжение)

Оборудование для маневрирования затворами
Для маневрирования затворами сооружения специально оборудуют закладными частями, подъемными механизмами и служебными мостами.
Закладные части затворов — это неподвижные конструкции, заделанные в тело сооружения и обеспечивающие правильное функционирование затворов: опорные рельсы, устройства для создания водонепроницаемости в местах контакта затвора с постоянными частями сооружения и для обогрева этих контактов.
Подъемные механизмы с подвесными тросами, цепями и штангами предназначены для подъема, опускания, поворота и вкатывания затворов, а также для подъема, установки и очистки решеток.
Служебные мосты служат для размещения на них стационарных или подвижных подъемников затворов, передвижения различных предметов оборудования, материалов, а также служебного персонала.

Подъёмные механизмы секторного затвора

Захватная балка с электроприводом

Захватная балка с электроприводом
1 – собственно балка; 2 – захватное устройство; 3 – электропривод; 4 – направляющие.
Соединение балки с затвором производится через серьги (2 шт.) или захват.

Маневрирование лебедкой

Подкрановый путь
1 – подкрановая
балка (двутавр);
2 – подкрановый рельс;
3 – тормозная балка;
4 – подкос.
Подкрановая балка в зда-
нии ГЭС опирается на колонну, на плотине или водоприемнике – на бычки

Рельс на подкрановой балке
Колонна
Подкрановая
балка
Рельс

Подкрановый рельс
Рельсы подкрановых
путей кранов (размеры в мм) - ГОСТ Р 51685-2000

Противофильтрационные уплотнения
Основные требования к уплотнениям: герметичность, долговечность, износоустойчивость, малое сопротивление движению затвора, ремонтопригодность, динамическая устойчивость (устойчивость против незатухающих автоколебаний при протечке), неповреждаемость щелевой кавитацией, хорошие демпфирующие свойства по отношению к вибрации всего затвора.
Горизонтальные уплотнения. Они делятся на верховые (по верхней кромке глубинных затворов) и донные обтекаемой формы с минимальной шириной нижней площадки для уменьшения вибрации, давления воды на затвор и невозможности образования вакуума и присоса затвора.

Материалы уплотнения
Наиболее широкое применение для донных (и других уплотнений), получили износоустойчивая и морозоустойчивая резина, полосовая или специального профиля, обеспечивающая более качественную защиту от фильтрации; при применении резины предусматривают специальные закладные части в бетоне сооружения, на которые опирается затвор, обеспечивая прижатие резины с допустимой деформацией. Уплотнение по верхней кромке затвора выполняют из профильной резины

Боковые уплотнения
Боковые уплотнения.
Их располагают перед обшивкой; они прижимаются к закладной части давлением воды. Уплотнения бывают в виде гибкого металлического листа толщиной 2...5 мм и шириной 150...300 мм, полосовой, прикрепленной к гибкому стальному листу, или профильной резины, прикрепленной к затвору.

Донные уплотнения
1, 2 – стальные
пластины и
отливка; 3 – баб-
бит; 4 – дерево;
5, 6 – профильная
и плоская резина
7 – резиновое
уплотнение бруса

Уплотнения глубинных затворов
1 – обшивка зат-
вора;
2 – профильная
резина.

Боковые уплотнения

Затворохранилище
Различают стационарные затворы, постоянно находящиеся на отверстии, и инвентарные, хранящиеся в затворохранилище. Каждый инвентарный затвор обслуживает несколько отверстий и устанавливается при необходимости в любое из них передвижным краном.

Конструкция затворохранилища

Вид затворохранилища

Вспомогательное оборудование судоходных шлюзов-1
Для обеспечения нормальной работы отдельных элементов сооружения и его оборудования на шлюзах предусматриваются различные устройства и приспособления, в том числе причальное оборудование, предохранительные и амортизирующие устройства, приспособления для проводки судов через шлюзы и др.
Причальное оборудование предназначено для швартовки шлюзующихся и ожидающих шлюзования судов. Оно может быть выполнено в виде неподвижных (причальные тумбы и стационарные рымы) и подвижных (плавучие рымы) устройств. Существуют также различные способы механизированной и автоматизированной учалки судов.

Вспомогательное оборудование судоходных шлюзов-2
Предохранительные устройства служат для защиты ворот от навала судов и, кроме того, способствуют увеличению скорости входа судов в камеру шлюза.
Амортизирующие устройства предназначены для защиты сооружения и от-дельных его элементов от повреждений при навалах судов.
Для проводки через шлюзы несамоходных судов и составов используют различные тяговые средства. Наиболее распространенным способом тяги в шлюзах являются буксировка на тросе или толкание. На отдельных шлюзах используется и береговая тяга, например, электровозы или лебедки.

Причальные сооружения

Причальное оборудование

Причальная тумба

Плавучий рым шлюза

Плавучий рым - вид сверху

Схема подходного канала к шлюзу
Здесь: длина причальной линии шлюзов lm

Баржа с рабочими колесами на судоподъемнике

Схема вертикального судоподъемника

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И АППАРАТУРА ГТС (СТО 17330282.27.140.004-2008)
Под контрольно-измерительными системами подразумеваются комплексы контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), установленные на сооружениях и предназначенные для контроля их состояния на протяжении всего периода эксплуатации. При этом сбор информации от контрольно-измерительной аппаратуры и устройств может проводиться полностью вручную, полностью или частично автоматизировано.

Состав контрольных наблюдений-1
На бетонных плотинах должны контролироваться следующие параметры:
- наклоны сооружений;
- осадки сооружений;
- горизонтальные перемещения;
- взаимные смещения элементов сооружений;
- фильтрационное противодавление по подошве сооружений и фильтрационные напоры в основании;
- фильтрационные расходы через тело и швы плотины;
- температурный режим в теле сооружения;
- температурный режим фильтрационной воды;
- химическая и механическая суффозия в плотине и основании;
- раскрытие трещин, температурно-осадочных и строительных швов;
- размывы дна и берегов в нижнем бьефе.

Состав контрольных наблюдений-2
На грунтовых плотинах должны контролироваться :
- физико-механические свойства материала плотин;
- осадки по гребню и бермам;
- горизонтальные перемещения по гребню и бермам;
- положение кривой депрессии в теле плотины и значения фильтрационных напоров в основании и в зонах береговых примыканий;
- расходы фильтрационной воды;
- температурный режим в основании и теле плотины (для сооружений в северной климатической зоне);
- уровни воды в верхнем и нижнем бьефах.

Состав контрольных наблюдений-3
На прилегающей к ГТС территории при должны контролироваться;
- осадки оползневых и потенциально неустойчивых склонов (на поверхности и в глубине склонов);
- горизонтальные смещения оползневых и потенциально неустойчивых склонов (на поверхности и в глубине склонов);
- взаимные перемещения геологических пород вдоль геологических нарушений (геологических разломов);
- горизонтальные и вертикальные перемещения геологических пород вблизи береговых примыканий арочных плотин.

Состав контрольных наблюдений-4
В подземных зданиях гидроэлектростанций должен проводиться контроль за:
- напряженным состоянием анкерного и сводового крепления, вмещающего массива;
- деформациями стен и свода камеры;
- фильтрационным и температурным режимами массива;
- протечками воды в помещения.

Состав контрольных наблюдений-5
На ГТС гидроаккумулирующих электростанций следует дополнительно контролировать:
- деформации крепления откосов верхнего и нижнего бассейнов;
- избыточное фильтрационное давление за бетонным креплением откосов в процессе сработки верхнего бассейна;
- деформации опор трубопроводов;
- напряжения в элементах трубопроводов.

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-1
Контроль осадок должен выполняться с использованием:
- поверхностных марок;
- боковых марок;
- глубинных марок;
- опорных рабочих реперов;
- фундаментальных реперов;
- гидростатических нивелиров;
- инклинометрических труб;
- элеваторов высот.

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-2
Контроль горизонтальных перемещений с использованием:
- прямых отвесов;
- обратных отвесов;
- створных знаков;
- подвижных визирных марок;
- опорных визирных марок;
- инклинометров;
- оптических, магнитных или других датчиков для измерения перемещения натянутой струны.

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-3
Контроль пьезометрических напоров и противодавления в теле и основании грунтовых плотин с использованием:
- пьезометров опускных;
- пьезометров закладных;
- преобразователей давления (пьезодинамометров).
Под подошвой и в основании бетонных плотин с использованием:
- пьезометров закладных;
- пьезометров опускных;
- преобразователей давления (пьезодинамометров).

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-4
Контроль расхода фильтрационной воды в дренажных устройствах и в местах неорганизованного выхода воды в бетонных и грунтовых сооружениях и их основаниях :
- мерных водосливов;
- расходомеров;
- объемометрических измерений;
- гидрометрических вертушек.

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-5
Контроль уровней воды в нижнем и верхнем бьефах следует осуществлять с использованием различных типов поплавковых приборов, а также
- погружных датчиков давления;
- устройств для измерения расстояния до поверхности воды, например, лазерной рулетки;
- пневмогидравлической аппаратуры.

Состав контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)-6
Контроль температуры в теле грунтовых и бетонных сооружений должен выполняться с использованием закладных термометров, например:
- струнных преобразователей температуры;
- термометров сопротивления;
- термопар и других измерительных устройств.

Конструкция пьезометра

Электрические пьезометры
Работа основана на воздействии давления воды на диафрагму 3, перемещение которой пропорционально давлению; оно преобразуется при помощи тензометрического индуктивного или струнного преобразова­телей 4 и 5 в электрический сигнал.
1-провод; 2-фильтр; 3-диафрагма;
4-преобразователь струнный; 5-преобразователь индуктивный; 6-изоляция; 7-корпус

Расходомер Вентури
1- трубопровод; 2-горловина; 3-пьезометр
1
2
3

Определение расхода
где Q —расход жидкости; C — экспериментальный коэффициент, отражающий потери внутри расходомера; F1 и F2— площади сечения трубопровода и горловины соответственно; ρ — плотность жидкости; P1 и P2 — статические давления на входе трубы и в горловине.

Термопара

Термопара. Принцип работы
Для того, чтобы измерить температуру на различных объектах, часто используются термопары.
Общий принцип работы термопары .
При соединении проводников, материалом для которых служат разнородные металлы, на противоположных концах появляется напряжение, вызванного контактной разницей потенциалов. Значение полученного напряжения находится в полной зависимости от температуры. Таким образом, разные металлы, соединенные между собой, выступают в роли гальванического элемента, обладающего повышенной чувствительностью к перепадам температур. Данная конструкция представляет собой температурный сенсор, который и называется термопарой.

Измерение осадок сооружений
Наиболее распространенным методом изучения осадок является геометрическое нивелирование. При этом способе используется несложное и недорогое оборудование. Для наблюдений осадок методом геометрического нивелирования в сооружении закладывают осадочные марки, располагаемые в местах ожидаемых деформаций внизу сооружения: возле осадочных и температурных швов, по углам отдельных секций, на кольцах статоров генераторов и т. п. Измерения осадок фундаментов сооружений производятся относительно исходных глубинных или грунтовых реперов.

Исходный репер
1 - железобетонный
или металлический
колодец; 2 - асбоцементная
труба диаметром 250 мм; 3 –
железобетонный пилон;
4 - арматура; 5 - нивелирная
марка; 6 - сальник;
7 - крышка.

Конструкция деформационной марки
1 - защитный колпак (крышка) осадочной марки; 2 - нивелирная марка (нержавеющая сталь); 3 - металлический короб; 4 - пластина для гидроуровня ; 5 - штыри.

Щелемеры
Используются для измерения перемещений бетонных конструкционных массивов, а также контроля динамики деформации трещин в кирпичной или каменной кладке, бетонных сооружениях или горной породе.
В зависимости от требований к контролируемым параметрам, щелемеры могут устанавливаться в одно, двух и трехосном исполнении с диапазоном контроля от 2 до 250 мм.

Конструкция щелемера

Измерение уровня воды-1
Уровни воды определяются на водомерных постах. Существуют различные водомерные посты: свайные, реечные, смешанные, передаточные и автоматические.
Уровни воды на свайном водомерном посту измеряются переносной рей­кой длиной около 1,5 м с делениями через 1 - 2 см. Реечный водомерный пост устраивают там, где име­ется устойчивая вертикальная стенка, к которой можно надежно при­крепить металлическую или деревянную рейку.

Свайный водомерный пост
В створе, перпендикулярном направлению русла реки, забивают на глубину ниже уровня промерзания грунта ряд свай диаметром 20—30 см.
Сваи срезают горизонтально на 5—10 см выше земли. В центр среза забивают барочные гвозди длиной 15— 20 см с широкими шляпками.
Эти сваи ставят на таком расстоянии друг от друга в зависимости от крутизны берега, чтобы разность отметок по высоте их составляла 0,80—0,95 м.
Срез нижней сваи должен быть примерно на 0,3 м ниже низшего горизонта вод, а верхней сваи — на столько же выше наивысшего горизонта вод.
На берегу вблизи створа ставят 1—2 постоянных репера (забетонированный рельс или марка в стене постоянного сооружения), которые привязывают к реперам государственной высотной основы и к реперам, в отметках которых составлен гидроузел.

Устройство свайного поста

Измерение УВ на свайном посту
Для наблюдений уровня воды применяется переносная водомерная рейка.
Низ переносной рейки оковывается железом. При помощи такой рейки определяют, насколько уровень воды в момент наблюдения выше или ниже верха ближайшей сваи.
Зная номер сваи и ее отметку, можно определить отметку уровня воды.
Результаты наблюдений на водомерном посту записываются в специальном журнале, в котором указываются дата и время наблюдений, номер сваи и отсчет по переносной рейке.

Измерение уровня воды-2
Смешанные водомерные посты оборудуются так, чтобы высокие уровни регистрировались с помощью реек, а низкие - с помощью свай.
Передаточные водомерные посты устраивают там, где нет свободного доступа к берегу или он крайне затруднен. Передаточные водомерные посты обычно бывают поплавкового типа. Поплавок поднимается или опускается вместе с уровнем воды в реке; на тросе, прикрепленном к поплавку и перекинутом через блоки, имеется указатель, по которому отме­чается уровень воды на горизонтальной рейке.
На автоматических водомерных постах уста­навливается лимниграф (самописец) - барабан, обернутый бумагой, на которую нанесена сетка. Барабан вращается часовым механизмом. Перо лимни­графа перемещается с помощью системы тросов в зависимости от коле­баний поплавка, находящегося в специально устроенном колодце, сообщающемся с рекой горизонтальной трубой.

Уровнемер с самописцем
1 – будка; 2 – самописец;
3 – столик; 4 – колодец;
5 – поплавок;
6 – соединительная
труба

Устройство самописца «Валдай»

Самописец – обозначения
Самописец предназначается для непрерывной записи колебаний уровня воды. Он состоит из поплавковой системы и регистрирующего механизма. Поплавковая система состоит из пустотелого металлического поплавка 1 с грузом 2, который прикрепляется под поплавком. Поплавок подвешен на мягком тросе 3, на противоположном конце которого прикреплен груз-противовес 4. Поплавок и груз крепятся к тросу специальными зажимами 5. Трос надевается на поплавковое колесо 6, представляющее собой два соединенных диска – малый и большой. Поплавковая система при колебаниях уровня воды приводит во вращение барабан 7 самописца, сцепляющийся с осью поплавкового колеса.

Самописец – запись УВ
Регистрирующий механизм состоит из барабана 7, часового механизма 12 и каретки 13 с пером, скользящей вдоль образующей барабана. Барабан вращается на подвижном центре, укрепленном в левом боку корпуса, и на основной оси 8 поплавкового колеса, укрепленной в правом боку корпуса. Лента с обрезанными уголками накладывается на барабан, концы ее заправляются в прорезь и зажимаются поворотом рычага на щеке барабана. Часовой механизм помещен во влагонепроницаемой коробке. Он действует от гиревого привода. На верхней стороне коробки укреплена заводная головка 14 и выведены два рычага – один из них, с индексом «ВКЛ», служит для пуска и остановки часового механизма, а другой, с индексами «П» (прибавить) и «У» (убавить), предназначен для регулировки хода.
Каретка с пером передвигается вдоль барабана действием часового механизма, передаваемым на каретку через стальную струну, навитую одним концом на барабанчик заводной головки 14; на свободном конце струны подвешена гиря 15. Каретка скреплена со струной зажимным винтом и после завода часового механизма может быть передвинута и закреплена в требуемом исходном положении.