Первыми гидротурбинами смело можно считать водяные колеса, древнейшие из которых появились еще в античном Египте. Эволюция гидротурбин в современный вид началась в 19 веке — в 1855 году американец Френсис изобрел радиально-осевую турбину, в 1887 году немецкий инженер Финк придумал направляющий аппарат с поворачивающимися лопатками. Последняя из распространенных гидротурбин — диагональная, патент который был приобретен в 1932 году. развитием новых технологий и изучением гидротурбин как таковых, появилось очень много видов турбин, которые используются в разных видах деятельностях человека. Но особенно востребованным они являются в гидроэнергетике.
Далее мы познакомимся с гидротурбинами и их видами.
В зависимости от принципа работы и преобразования механической энергии воды в механическую энергию на валу гидравлической турбины, а также напора и мощности ГЭС различают два вида: активные и реактивные.
Реактивные гидротурбины (напорноструйные), в которых давление в потоке на входе в рабочее колесо больше, чем на выходе из него.
Активные турбины (свободноструйные)— давление в потоке на входе и выходе из рабочего колеса одинаково и равно, как правило, атмосферному давлению. Деление на классы производится в зависимости от того, за счет какого вида энергии работает РК турбины.
В реактивных гидротурбинах потенциальная энергия потока на входе в РК (
z
1
+
В активных гидротурбинах давление на входе и на выходе из РК одинаково. Следовательно, в РК используется только кинетическая энергия потока:
Реактивные и активные гидравлические турбины делятся на различные системы в зависимости от направления потока в РК и специфике регулирования расхода.
Каждая система имеет тихоходные, нормальные и быстроходные типы турбин, характеризуемые значением коэффициента быстроходности
n
s
=
Быстроходность турбины определяется в основном геометрией рабочего колеса и его лопастей. Геометрически подобные турбины разных габаритов образуют серию.
Класс → Система → Тип → Серия
В вид реактивных гидротурбин входят следующие системы:
Осевыегидротурбины — вертикальные, поворотнолопастные и пропеллерные, ток воды в РК этих гидротурбин движется вдоль оси турбины; Диагональные поворотнолопастные гидротурбины-ток воды в РК движется вдоль конических поверхностей.
Радиально-осевые гидротурбины-в пределах рабочего колеса ток воды меняет свое направление из радиального в осевое.
Основные элементы реактивных турбин являются: статор, состоящий из опорных колонн, связывающих верхнее и нижнее опорные кольца, направляющий аппарат, состоящий из поворотных лопаток и рабочее колесо соединенное с валом. [2]
В вид активных гидравлических турбин входят такие системы:
Ковшовые гидротурбины; оси струй воды касательны к средней окружности ковшей и находятся в плоскости рабочего колеса;
Наклонно-струйные гидротурбины; струя воды подводится к РК под углом;
Двукратные гидротурбины — двойного действия; струя воды проходит через каналы РК дважды.
Наиболее распространенным видом являются ковшевые турбины. Основные элементы этой системы являются: сопло, к которому подводиться вода от напорного трубопровода, регулирующая игла позволяющая изменять открытие сопла за счет ее смещения в осевом направлении, и рабочее колесо, насаженное на вал. По периметру рабочее колесо имеет ковши- лопасти в которые ударяет струя воды, выбрасываемая из сопла. [2]
Рис. 1. Активная (ковшовая) турбина: а- рабочее колесо, б- гидротурбинная установка , 1 — рабочее колесо; 2 — регулирующая игла; 3 — сопловый патрубок; 4 — задвижка на трубопроводе; 5 — насадок сопла; 6 — водотводящий лоток
Радиально-осевые турбины являются средненапорными и применяются при напорах начиная от 40–60 м до 500–700 м. Схема представлена на рис. 2.
Рис.2. Схема радиально-осевой турбины
Лопасти 11 колеса для большей прочности жестко прикреплены в ступицу 4 и обод 10 и образуют «круговую» решетку, рабочее колесо присоединено к фланцу с валом 2, для снижения гидравлических потерь при выходе с лопаток служит обтекатель 12, Вода подводится к РК по турбинной камере 6 спиральной формы, статор 7, направляющий аппарат 9, верхнее 5 и нижнее 8 опорные кольца, крышка 3.
Поворотно-лопастные турбины — это самый распространенный вид турбин при малых напорах, до 40 м. Лопасти этой турбины могут поворачиваться вокруг своей оси в зависимости от напора из-за чего она сохраняет высокий КПД. На рис. 3 показана схема такой турбины.
Рис. 3. Схема поворотно-лопастной турбины. 1 — опорная конструкция, 2 — верхнее опорное кольцо, 3 –механизм поворота направляющих лопаток, 4 — турбинная камера, 5 — направляющий аппарат с лопатками, 6 — статор, 7 — лопатки рабочего колеса, 8 — нижнее опорное кольцо, 9 — вал рабочего колеса
Основным преимуществом радиально-осевых турбин данного типа является самый высокий оптимальный КПД из всех существующих типов. Недостаток — менее пологая рабочая характеристика, чем у поворотно-лопастной гидротурбины.
Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины — неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования к качеству подаваемой воды.
Преимуществами поворотно-лопастных турбин лопасти которой могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность и благодаря этому турбина может сохранять высокий КПД при изменении напора. Также мощность может регулироваться с помощью лопаток направляющего устройства. Лопасти гидротурбины могут быть расположены как перпендикулярно её оси, так и под углом. Ось турбины может располагаться как вертикально, так и горизонтально. Один из главных недостатков такого типа турбин это то, что при высоких напорах теряют свою эффективность за счет кавитации.
Гидроэнергетика является одним из перспективных отраслей энергетики. Она имеет большой потенциал в дальнейшей развитии и модернизации текущих гидроэлектростанций. Турбины, которые применяются в ГЭС, очень гибки в использовании. Они могут применяться как на мелководных и с маленьким напором реках, так и на полноводных с высоким напором. Что там, что тут эти турбины очень эффективно преобразуют энергию.
Из-за географической особенности России, в частности в большинстве равниной местности, у нас распространенной является поворотно-лопастная турбина, которая очень эффективна по своему характеру.
Из-за всемирной тенденции в сокращении использовании невозобновляемых природных ресурсов и бережного отношения к природе, в будущем у гидроэнергетики очень большие перспективы. А также с развитием новых технологий человечество сможет преобразовывать энергию на сверхвысоких напорах.
Литература:
- Vik962.33_Gidromashiny_i_apparaty. [Электронный ресурс].Vik962/ StudFiles:Электронный файловый архив студентов.-2019.-С.2. Режим доступа:https://studfile.net/preview/7542911/page:2/, свободный.- Загл. с экрана. (дата обращения: 02.02.2022).
- Киселев П. Г. и др. Справочник по гидравлическим расчетам-4 издание дополненное и переработанное/Под ред. П. Г. Киселева/”Энергия”/Москва/1972.-275с.
- Марченко Анна. Сердце ГЭС. [Электронный ресурс]. Анна Марченко/ Энерговектор: Электронный портал.-2018. Режим доступа: http://www.energovector.com/energoznanie-serdtse-ges.html, свободный.- Загл. с экрана. (дата обращения: 29.01.2022).
