Основное гидроэнергетическое оборудование зданий ГЭС и ГАЭС

УДК 621.311
ББК 31.57
 
О-65
Рецензенты: 
доктор технических наук К.Н. Анахаев,  
главный научный сотрудник Института прикладной математики  
и автоматизации ИПМА КБНЦ РАН;
доктор технических наук, профессор В.В. Волшаник,  
профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства НИУ МГСУ
 
 
 
 Орехов, Г.В.
О-65  
Основное гидроэнергетическое оборудование зданий ГЭС и ГАЭС [Электронный ресурс] : 
[учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений] / Г.В. Орехов; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный 
университет, кафедра гидравлики и гидротехнического строительства. — Электрон. дан. и прогр. 
(9,6 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ
, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru. — 
Загл. с титул. экрана.
 
 
ISBN 978-5-7264-2332-6 (сетевое)
 
 
ISBN 978-5-7264-2333-3 (локальное)
В учебном пособии приводятся описание основных сооружений гидроэнергетических объектов, их 
параметры и состав сооружений. Наиболее подробно рассматриваются машинные здания таких объектов 
как сооружения, в которых устанавливается энергетическое оборудование. Рассматриваются устройства и 
конструкции гидравлических турбин, гидрогенераторов, обратимых гидромашин, двигателей-генераторов, 
трансформаторов, устанавливаемых в машинных зданиях этих объектов. Даются краткие сведения по конструкции маслонапорных установок. Изложены основные сведения по теории гидротурбин. Большое внимание уделяется подбору основного гидроэнергетического оборудования на заданные условия.
Для обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений.
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2020

Редактор, корректор А.А. Космина 
Компьютерная правка и верстка В.Е. Гурьянчевой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 22.07.2020. Объем данных 9,6 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................................................................................................................5
1. Основные параметры гидроэнергетических установок........................................................................6
1.1. Энергия и мощность потока воды.
...................................................................................................6
1.2. Схемы создания напора при строительстве гидроузлов энергетического назначения...............7
1.3. Основные параметры .......................................................................................................................9
2. Состав сооружений гидроэнергетических объектов. Здания станций..............................................12
2.1. Состав сооружений и их назначение.............................................................................................12
2.2. Типы зданий ГЭС и ГАЭС..............................................................................................................13
2.3. Гидроэлектростанции с русловыми зданиями.
.............................................................................14
2.4. Гидроэлектростанции с приплотинными зданиями.
....................................................................16
2.5. Здания деривационных гидроэлектростанций.
.............................................................................18
2.6. Особенности сооружений гидроаккумулирующих электростанций..........................................18
3. Гидроагрегаты и здания ГЭС и ГАЭС...................................................................................................20
3.1. Гидроагрегаты и конструкция зданий гидроэнергетических объектов.
.....................................20
3.2. Гидроагрегаты и здания ГЭС.
.........................................................................................................22
3.3. Гидроагрегаты и здания ГАЭС.......................................................................................................23
4. Гидротурбины.
.........................................................................................................................................25
4.1. Конструктивные схемы основных типов турбин.........................................................................25
4.2. Подводящие и отводящие элементы турбин.................................................................................31
4.3. Кавитация и допустимая высота отсасывания.
.............................................................................36
4.4. Характеристики гидротурбин.
........................................................................................................39
4.5. Подбор турбин при проектировании ГЭС.
....................................................................................44
5. Гидромашины для гаэс ..........................................................................................................................52
5.1. Гидромашины, применяемые в трёхмашинных схемах.
..............................................................52
5.2. Двухмашинные схемы. Обратимые гидромашины......................................................................54
5.3. Подбор обратимых гидромашин для ГАЭС..................................................................................57
6. Генераторы ГЭС и двигатели-генераторы ГАЭС.................................................................................59
6.1. Параметры генераторов для ГЭС...................................................................................................59
6.2. Конструкции генераторов...............................................................................................................59
6.3. Определение основных размеров гидрогенераторов ГЭС.
..........................................................64
6.4. Двигатели-генераторы для ГАЭС...................................................................................................65
7. Трансформаторы.....................................................................................................................................67
7.1. Назначение и основные параметры трансформаторов................................................................67
7.2. Подбор и определение размеров трансформаторов
при проектировании зданий ГЭС и ГАЭС.
...........................................................................................71
Библиографический список.......................................................................................................................73

ВВЕДЕНИЕ
Изучение курса «Основное гидроэнергетическое оборудование зданий ГЭС и ГАЭС» в рамках 
специализации «Строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности» является важной составной частью подготовки специалиста-гидротехника, которому в практической 
деятельности, при проектировании и строительстве, а также при эксплуатации гидроэлектростанций (ГЭС), гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) и других гидротехнических и гидроэнергетических объектов необходимо решать вопросы, связанные с подбором, установкой, использованием и ремонтом основного энергетического оборудования.
В учебном пособии даётся описание основных сооружений гидроэнергетических объектов, их 
машинных зданий, устройства и конструкции гидравлических турбин и гидрогенераторов. Турбина 
и генератор представляют собой гидроагрегат, относящийся к основному энергетическому оборудованию таких сооружений. Приводятся краткие сведения по теории работы гидротурбин в объёме, 
необходимом лишь для понимания их рабочего процесса. Основное внимание в пособии уделяется 
подбору основного гидроэнергетического оборудования на заданные условия. Дело в том, что состав сооружений и компоновочные решения гидроэлектростанций чрезвычайно разнообразны. Нет 
ни одной ГЭС (ГАЭС), конструкция и условия работы которой были бы похожи на другую станцию, 
что связано с разнообразными природными условиями возведения гидроэнергетических объектов. 
Широкий спектр факторов, который необходимо учитывать, значительно усложняет процесс проектирования ГЭС. Их параметры, компоновка, типы сооружений и оборудования теснейшим образом 
связаны с топографическими, геологическими, гидрологическими и другими условиями местности 
и климатом, вследствие чего гидроэнергетический объект представляет собой уникальное и чрезвычайно ответственное сооружение как по надежности, так и по воздействию на окружающую среду.
Указанное накладывает отпечаток на подбор основного оборудования и его компоновку, требующего учёта многочисленных факторов. Поэтому конструкция сооружения (здания ГЭС или ГАЭС), 
в котором устанавливаются гидроагрегаты, полностью подчинена общей идее создания соответствующих условий для нормальной эксплуатации и ремонта основного энергетического оборудования.
В учебном пособии рассмотрены типы, энергетические характеристики, основные механические 
и геометрические параметры турбин и генераторов гидроэнергетических установок. Даются рекомендации о предпочтительном использовании тех или иных положений расчётов. С помощью пособия студент должен научиться использовать полученные знания при решении конкретных задач 
проектирования гидроэнергетических сооружений, определения параметров зданий ГЭС и ГАЭС, 
состава сооружений и основного энергетического оборудования.
Проектирование геометрии проточных частей гидротурбин и обратимых гидромашин, расчёты 
их элементов на прочность, технология изготовления, т.е. вопросы, составляющие предмет изучения специалистов-механиков, в пособии не рассматриваются.
В пособии содержится значительное число чертежей и графиков, в него включены наиболее важные количественные данные, а также отдельные числовые примеры, позволяющие студенту лучше 
воспринимать материал. Настоящее издание может быть использовано инженерно-техническим персоналом при проведении научно-исследовательских работ и проектировании гидроэнергетических 
установок, а также аспирантами, занимающимися проблемами гидротехники и гидроэнергетики. 

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1.1. Энергия и мощность потока воды
Любой поток воды обладает энергией. Энергия потока жидкости применительно к любому выбранному его поперечному сечению, отнeсённая к массе протекающей воды, соответствующей силе 
веса в 1 Ньютон (Н), называется удельной энергией. Эта энергия может быть записана соотношением
 
э =
+
+
p
g
z
V
2
,  
(1.1)
g
ρ
α
2
в котором каждый член выражается в Дж/Н, или в метрах (м), т.е. в единицах напора [20, 21]. Соотношение (1.1) состоит их трёх членов: p/ρg — энергия давления; z — потенциальная энергия (энергия положения); αV
g
2 2
/
 — кинетическая энергия (энергия движения).
В естественных природных условиях энергия воды в руслах рек теряется на преодоление гидравлического сопротивления и встречающихся по течению препятствий в виде поворотов, перепадов 
высот и др. Энергию потока воды можно определить на основании уравнения Бернулли, применённого к выбранному участку водотока [20, 21]:
2
2

2
2
 
Эуч =
−
+
−
+
−

α
α
gW
z
z
p
g
p
g
V
g
V
g
1
2
1
2
1
1
2
2
,  
(1.2)


ρ
ρ
ρ


где W — объём протекающей по участку воды, м3; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; 
ρ — плотность пресной воды, равная 1000 кг/м3; z1 и z2 — высоты над произвольно выбранной плоскостью сравнения (например, над уровнем моря) м; p1 и р2 — давление воды соответственно в начальной 
и конечной точках выбранного участка, Па; V1 и V2 — средняя скорость воды в поперечном сечении 
потока на границах выбранного участка, м/с; α1 и α2 — коэффициенты Кориолиса, поправки к кинетической энергии воды за счёт неравномерного распределения скоростей в поперечном сечении потока. 
Компоненты выражения (1.2) — z1 и z2, p
g
p
g
1
2
ρ
ρ
 и 
, α
α
1
1
2
2
2
2
V
g
V
g
 и 
 — на границах выбранного участка выражаются в метрах водяного столба (м вод. ст., или просто в метрах).
Комплекс, заключённый в выражении (1.2) в скобки, представляет собой напор участка реки (водотока) 
2
2

2
2
α
α
.
H
z
z
p
g
p
g
V
g
V
g
уч =
−
+
−
+
−

2
2
ρ
ρ




1
2
1
2
1
1
Особенностью такой записи является то обстоятельство, что составляющие компоненты, заключённые в скобки выражения (1.2), отражают удельную энергию масс воды, проходящей через ограничивающие выбранный участок поперечные сечения водотока. 
Зная энергию и исходя из известных физических закономерностей [20, 21], легко определить 
мощность потока воды. Если выражение (1.2) отнести к единице времени, получим среднюю за время t мощность участка водотока в ваттах (Вт):
2
2

α
α
2
2
1
2
1
2
1
1
 
N
t
gQ z
z
p
g
p
g
V
g
V
g
уч
уч
Э
=
=
−
+
−
+
−

2
2
.  
(1.3)


ρ
ρ
ρ


В реальных условиях разность кинетических энергий (
) /
α
α
1
1
2
2
2
2
2
V
V
g
−
 — очень малая величина 
по сравнению с величиной перепада уровней z
z
1
2
−
, и ею можно в расчётах пренебречь. Учитывая, 
что p1 = р2, поскольку естественные потоки безнапорные, выражения (1.2) и (1.3) можно записать:
 
Эуч
уч
= ρgWH ,  
(1.4)
 
N
gQH
уч
уч
= ρ
,  
(1.5)
где H
z
z
уч =
−
1
2 — перепад уровней или разность уровней свободной поверхности водотока на длине рассматриваемого участка, м.
6

Подставляя в (1.5) численные значения для плотности пресной воды ρ = 1000 кг/м3 и ускорения 
свободного падения g = 9,81 м/с2, получим выражение, очень удобное для практического использования. Мощность в этом случае будет выражаться в киловаттах (кВт):
 
N
H Q
уч
уч
= 9 81
,
,  
(1.6)
где Q — расход воды, проходящий через рассматриваемый участок реки (водотока).
1.2. Схемы создания напора при строительстве гидроузлов энергетического назначения
В естественных условиях, при наличии природного водопада решение этой задачи упрощается. 
Надо помнить, что подобные естественные условия встречаются весьма редко. В большинстве случаев значительные перепады уровней воды в реках происходят на большой длине, что не даёт возможности их использовать для целей энергетики. Необходимо создать перепад уровней на сравнительно коротком отрезке водотока, что можно сделать только искусственным путём. Для этого 
существует ряд способов. Основными являются плотинный и деривационный способы искусственного создания напора. На практике встречаются случаи, когда применяется комбинированный способ, представляющий собой сочетание плотинного и деривационного.
Плотинная схема. Здесь создание напора предусматривается путём сооружения плотины, которая обеспечивает подпор уровня воды в реке и образование водохранилища (рис. 1.1). Водохранилище может накапливать большой объём воды, который играет важную роль в процессе регулирования 
работы гидроузла энергетического назначения, создавая необходимые для работы запасы воды. Это 
позволяет наиболее полно использовать потенциальную энергию водотока. Плотинная схема применяется на различной местности — равнинной или горной. Гидроэлектростанции, построенные 
на некоторых из них по плотинной схеме, имеют большую мощность, которая согласно выражению 
(1.5) складывается из расхода воды и соответствующего напора. На рис 1.1 показана кривая подпора, отражающая уровни воды в водохранилище по его длине. Кривая подпора формирует величину 
h
под в метрах. Она возникает в результате оттока воды из водохранилища в нижний бьеф и зависит от 
длины водохранилища и величины расхода. Величина h
под рассчитывается по формулам гидравлики 
в зависимости от режима работы водохранилища [20, 21].
Рис. 1.1. Схема создания напора с помощью плотины. Начало участка реки — сечение I-I, конец участка 
реки — сечение II-II: 1 — естественный водоток (река); 2 — естественный водоток (река); 
3 — кривая уровня подпора; 4 — плотина гидроэнергетического объекта
Рис. 1.2 иллюстрирует применение деривационной схемы создания напора, которая позволяет 
получить сосредоточенный перепад Hуч путём создания специального водовода, транспортирующего водные массы из точки забора к гидротурбинам ГЭС, установленным на более низких отметках 
местности. Вода к турбинам станции может подаваться с помощью безнапорной деривации (например, канала), см. схему на рис. 1.2, либо по напорной деривации (по тоннелю, трубопроводу), см. 
схему на рис. 1.3. На практике широко используются обе схемы. Деривационная схема создания напора применяется в местности с большими перепадами высот (предгорные и горные районы), где 
уклоны рек значительно превосходят равнинные. 
В практике гидроэнергетического строительства могут использоваться комбинированные схемы 
создания напора — плотинно-деривационные. В этом случае часть напора создаёт плотина, возводимая на водотоке, а другая часть создаётся деривацией.
7

Рис. 1.2. Деривационная схема создания напора с безнапорной деривацией (каналом): 1 — естественный 
водоток (река); 2 — водоприёмник канала; 3 — канал; 4 — водоприёмник энергетического водовода; 
5 — энергетический (турбинный) водовод; 6 — здание ГЭС
Рис. 1.3. Деривационная схема создания напора с напорной деривацией (тоннель, трубопровод): 
1 — естественный водоток (река со стороны верхнего бьефа); 2 — водоприёмник туннеля; 3 — напорный 
деривационный туннель; 4 — подземное здание ГЭС; 5 — река со стороны нижнего бьефа
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) относятся к особому типу гидроэнергетических 
объектов. Гидравлическое аккумулирование в настоящее время является наиболее эффективным 
способом перераспределения энергии больших значений (мегаваттного уровня). Основным назначением ГАЭС является повышение надёжности, манёвренности и экономичности работы энергосистем. Это достигается путём коррекции прохождения ночного провала суточного графика нагрузки и его пиковой части. Режим работы ГАЭС следующий: часть ночного времени станция работают 
в насосном режиме, перекачивая воду из нижнего бассейна в верхний и тем самым запасая потенциальную энергию (режим заряда), а в дневное время она работает в турбинном режиме, поставляя 
выработанную электроэнергию в сеть. При этом вода из верхнего бассейна перетекает в нижний. Таким образом, для работы ГАЭС также нужен перепад уровней воды, показанный на схеме (рис. 1.4).
Существует несколько принципиальных схем, использующих гидравлическое аккумулирование. 
Это может быть схема простого аккумулирования или смешанного типа, по схеме ГЭС-ГАЭС. Последняя схема предполагает работу части агрегатов обычной ГЭС в насосном режиме, т.е. в режиме заряда. Схема простого аккумулирования может быть реализована в виде наземного комплекса 
сооружений (рис. 1.4, а) или с подземным расположением станционного узла и нижнего бассейна 
(рис. 1.4, б). 
8

а                                                                                                    б
Рис. 1.4. Схемы создания напора на ГАЭС: а — наземный вариант расположения сооружений ГАЭС; 
б — подземный вариант расположения здания станции и нижнего бассейна; 1 — верхний бассейн; 
2 — водоприёмник верхнего бассейна; 3 — движение воды в насосном режиме с расходом Qн (режим 
заряда); 4 — движение воды в турбинном режиме с расходом Qт (режим разряда); 5 — водовод; 
6 — наземное здание ГАЭС; 7 — нижний бассейн; 8 — туннель; 9 — подземное здание ГАЭС; 
10 — подземный нижний бассейн
1.3. Основные параметры 
Напор является одной из основных характеристик гидроузла, определяется разностью отметок 
верхнего и нижнего бьефов, называется статическим напором Hст и определяется, как уже было отмечено ранее, в метрах (см. рис. 1.1):
 
Hст
ВБ
НБ
= ∇
−∇
,  
(1.7)
где ∇ВБ — отметка воды в верхнем бьефе; ∇НБ — отметка воды в нижнем бьефе.
Напор, определяемый как разность удельных энергий в сечении I-I (см. рис. 1.1) до входа в энергетические водоводы и в сечении II-II, расположенном за отсасывающими трубами гидротурбин, называется напором брутто — Hбрутто, м: 
2
2
2
2
 
H
H
v
g
v
g
брутто
ст
=
+
−
α
α
1 1
2
2
.  
(1.8)
В (1.8) v1 и v2 — скорость воды перед подпорным сооружением (в верхнем бьефе) и после него 
(в нижнем бьефе).
Напор, определяемый как разность напора брутто и гидравлических потерь в подводящем и отводящем водоводах hпот, называется напором нетто — Hнетто, м. Его ещё называют действующим напором:
2
2
2
2
 
H
H
v
g
v
g
h
нетто
ст
пот
=
+
−
−
α
α
1 1
2
2
.  
(1.9)
Для практических (оценочных) расчётов разностью кинетических энергий в (1.9) можно пренебречь. Тогда напор H, выраженный в метрах водяного столба, используемый турбинами ГЭС, принимается равным
 
H
H
h
=
−
ст
пот.  
(1.10)
При установке на гидроэлектростанции активных гидротурбин (турбин Пельтона) с выпуском 
воды из подводящего водовода в атмосферу имеется ещё дополнительная потеря напора струи h
стр 
(рис. 1.5, в). Напор Hакт в этом случае определяется следующим образом:
 
H
H
h
h
акт
ст
стр
пот
=
−
−
.  
(1.11)
9