Гидротурбины. Активный и реактивный типы

Гидроэнергетика, раздел энергетики, связанный с использованием потенциальной энергии водных ресурсов. Человек ещё в глубокой древности обратил внимание на реки как на доступный источник энергии и начал его использовать. Для этого строились водяные колеса, которые приводили в действие различные механические устройства, например, мельничные жернова.

По мере совершенствования водяных колёс увеличивалась мощность гидравлических установок, "оживляющих" станки, молоты, воздуходувные устройства и т. п. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. С появлением паровой машины примитивные вододействующие установки начали утрачивать своё значение.

Новые возможности в гидроэнергетике открыла гидротурбина, которая была изобретена в первой половине 19 века.

После появления электрической машины и способа передачи электроэнергии на значительные расстояния, гидроэнергетика приобрела новое значение уже как направление электроэнергетики. Началось освоение водной энергии путём преобразования её в электрическую на гидроэлектростанциях (ГЭС) [4].

Важной экономической особенностью гидроэнергетических ресурсов является их вечная возобновляемость, не требующая в дальнейшем дополнительных капиталовложений.

Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в среднем почти в 4 раза дешевле электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Поэтому использованию гидроэнергетических ресурсов придаётся особое значение. Огромную роль в освоении гидроэнергетических ресурсов играет использование гидротурбин различных типов.

Конструктивные особенности и основные характеристики гидротурбин

Прообразом гидротурбин можно считать водяные колеса, старейшие из которых (нории) возникли еще в древнем Египте. Использование энергии потока в наклонном русле является древнейшим способом утилизации водной энергии, уходящим, как уже отмечалось, ко времени зарождения цивилизации. Вначале использовались лишь кинетическая энергия потока, т.е. на реках не было никак подпорных сооружений. Колесо, снабженное плоскими лопастями, опускалось в текущую воду, и лопасти, подхватываемые течением, заставляли колесо вращаться.

Водяные колеса, как гидродвигатели, использующие кинетическую энергию потока и энергию положения, из-за невозможности применения их для получения значительных мощностей распостранения не получили. Развитие пошло по пути поиска более совершенных преобразователей водной энергии, где используется напор потока, получивших название - гидротурбины.

Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, преобразующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины) [8].

Гидротурбина состоит из нескольких основных элементов, состав и расположение которых на разных типах турбин может различаться.

Самая большая и ответственная деталь гидротурбины - рабочее колесо. Именно оно, взаимодействуя с водным потоком, приводится во вращение и вращает вал, на который оно и насажено. Вал, в свою очередь, приводит во вращение гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Главный элемент рабочего колеса - лопасти, которые в разных типах турбин могут быть, как закреплены неподвижно, так и иметь возможность разворота.

Доступ воды в турбину обычно регулирует направляющий аппарат. Основной его элемент - особой формы лопатки, которые могут поворачиваться и изменять количество поступающей в турбину воды, вплоть до полного перекрытия ее доступа. Таким образом, осуществляется пуск и остановка турбины, а также изменение ее мощности. Направляющий аппарат монтируется на статоре, внутрь которого помещается рабочее колесо. Сверху монтируется крышка турбины, предотвращающая попадание воды на генератор.

Гидротурбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом [10].

Основными количественными и качественными характеристиками гидротурбин являются:

- напор;

- расход;

- мощность.

Напор турбины Н (м) определяется при проектировании турбинной установки. Он выражает энергию, которой располагает турбина (рабочий напор). Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях напора Н и расхода Q называют номинальной.

Гидродинамические качества рабочего колеса в основном определяют такие характеристики гидротурбины как:

- КПД;

- приведенный расход;

- частота вращения;

- кавитационный коэффициент;

- коэффициент быстроходности.

Обычно эти параметры определяются при испытаниях модельной турбины на лабораторной установке [9].

Принцип действия гидротурбин и их классификация

По принципу работы, все гидротурбины разделяются на два сильно отличающихся класса - активные и реактивные. Рабочее колесо реактивных турбин полностью погружено в поток воды, в активных же турбинах рабочее колесо работает при атмосферном давлении и приводится в действие отдельными струями воды.

Турбины, использующие только кинетическую энергию потока, рабочие органы которых работают без избыточного давления, открыто, называют активными.

Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию давления, процесс преобразования энергии в которых происходит в замкнутых, изолированных от окружающей среды установках, называют реактивными. В них процесс преобразования энергии происходит при давлении на входе, превышающем атмосферное. При этом частично используется и скоростной напор [7].

Сами термины - "активного" и "реактивного" действия - являются, как это следует из их определения, в большой мере условными. Осуществить чисто реактивное действие практически невозможно, так как поток, подходя к рабочему колесу, уже обладает кинетической энергией. Однако эти названия турбин стали традиционными и используются в практике специалистами во всём мире.

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши). На ковшах происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно один за другим при его вращении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопроводу, за вычетом потерь, обращается в кинетическую. Схема активной гидравлической турбины представлена на рисунке 1.

а - рабочее колесо; б - сопла

Рисунок 1 - Схема активной гидравлической турбины

К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые, пропелерные, поворотно-лопастные (включая двухперовую), и диагональные. Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки. Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же - потенциальная энергия, соответствующая разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. энергетика гидротурбина водный

Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока [8].

Схема реактивной гидравлической турбины представлена на рисунке 2.

а - рабочее колесо; б - направляющий аппарат

Рисунок 2 - Схема реактивной гидравлической турбины

Большинство используемых гидротурбин - реактивные, из активных широкое распространение получили только ковшовые турбины, использующиеся в специфических условиях - при очень высоких напорах.

Еще один классифицирующий признак гидротурбин - ориентация их вала. Широкое применение получили турбины, как с вертикальным, так и с горизонтальным положением вала. По ряду причин технического и экономического характера, горизонтальное расположение вала применяется в первую очередь на малых ГЭС [4].

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко - напорные. Также турбины подразделяются на малые, средние и крупные.

Область применения гидротурбин

Существует большое количество различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используются четыре вида: осевые турбины (поворотно-лопастные, пропеллерные, двухперовые), радиально-осевые, диагональные, которые относятся к реактивным, и ковшовые, которые относятся к активным гидротурбинам.

Области применения гидротурбин различных видов в зависимости от напора показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 - Области применения турбин различных видов

Области применения турбин некоторых видов могут перекрываться. Так, при напорах 50-70 м могут применяться и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. Оптимальный тип турбин выбирается на основании технико-экономических сопоставлений различных вариантов.

Каждый тип турбин оптимален для определенного сочетания расходов воды и напоров, хотя в ряде случаев их диапазоны пересекаются и соответственно для одной ГЭС могут быть выбраны турбины разных типов [5].

Заключение