Гидротурбины

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной, если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.

Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально–осевые и ковшовые. Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия.

Осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Каплана) являются низконапорными турбинами. Они используются при малых напорах – от 1–3 до 60–70 м. Схема осевой турбины показана на рисунке 4.5. Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укрепленных в корпусе 2 с обтекателем, соединено валом 3. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным – от 4 до 8. Чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жестко, с каким–то некоторым углом наклона. В этом случае турбина называется пропеллерной. Однако обычно лопасти делаются поворотными, т.е. на ходу в зависимости от условий работы (нагрузка, напор) угол установки лопастей может меняться. Такие турбины называются поворотно–лопастными. Поворотно–лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Рис. 4.5. Схема осевой гидротурбины

Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин только тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45–60º).

Радиально–осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Френсиса) являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазоне от 40–60 до 500–700 м. Схема радиально–осевой турбины показана на рисунке 4.6. Цифровые обозначения позиций аналогичны рис. 4.5.

Рабочее колесо радиально–осевой турбины состоит из 12–17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решетку лопастей. Лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата 12, постепенно меняет направление с радиального на осевое. В настоящее время созданы уникальные радиально–осевые турбины мощностью 640 МВт.

Рис. 4.6. Схема радиально–осевой гидротурбины

Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбинами Пельтона, иногда «свободноструйными») – это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400–600м. Схема ковшовой турбины показана на рисунке 4.7.

Рис. 4.7. Схема ковшовой гидротурбины

Основными ее элементами являются сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2, и рабочее колесо 3, укрепленное на валу 4. Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды, так что рабочее колесо вращается в воздухе. В этой турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке–сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти 5. Внутри сопла расположена регулировочная игла 6, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а, следовательно, и расход воды.

Ковшовые гидротурбины являются наиболее распространенными активными гидротурбинами.

Радиально–осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС. Поворотно–лопастными осевыми турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной (50–60 Гц). Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах – с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до 1500 об/мин.

Области применения турбин некоторых видов перекрываются. Так, при напорах 50–70 метров могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально–осевые турбины. Выбор оптимального решения производиться на основании технико–экономических сопоставлений различных вариантов.