Гидравлическая турбина представляет собой ротационный двигатель, который преобразует энергию движущейся воды — включая потенциальную, кинетическую и энергию давления — в механическую энергию вращающегося вала. Основная сфера применения этих машин — гидроэлектростанции, где они приводят в действие электрические генераторы. Современные гидротурбины — это мощные агрегаты: диаметр их рабочего колеса может доходить до 10 метров, единичная мощность — превышать 600 МВт, а расчетный напор — достигать 1700 метров.
Принцип действия и классификация
По принципу действия все гидравлические турбины делятся на два основных класса: активные и реактивные. Ключевым элементом любой турбины является рабочее колесо, где и происходит преобразование энергии воды.
- Активные турбины: Вода подводится к рабочему колесу через сопла под атмосферным давлением. Давление перед колесом и после него остается равным атмосферному.
- Реактивные турбины: Вода поступает через направляющий аппарат под давлением, превышающим атмосферное. Давление за рабочим колесом может быть как выше, так и ниже атмосферного.
Историческая справка
История гидротурбин началась в XIX веке. Первую реактивную турбину создал французский инженер Бенуа Фурнерон в 1827 году; её мощность составляла всего 6 лошадиных сил. Значительный вклад внесли и другие изобретатели: американец Джеймс Френсис в 1855 году разработал радиально-осевое рабочее колесо с неподвижными лопастями, а немец Финк в 1887 году усовершенствовал конструкцию, предложив направляющий аппарат с поворотными лопатками.
Активные турбины получили развитие благодаря американцу Лестеру Пелтону, запатентовавшему в 1889 году свою знаменитую ковшовую турбину. В 1920 году австрийский инженер Виктор Каплан получил патент на поворотно-лопастную турбину. Именно эти три типа — поворотно-лопастные (Каплана), радиально-осевые (Френсиса) и ковшовые (Пелтона) — стали основой современной гидроэнергетики.
Конструкция и характеристики
Проектирование лопастей рабочего колеса — сложная инженерная задача, требующая решения специальных уравнений. Эффективность современных турбин очень высока: их полный коэффициент полезного действия (КПД) находится в диапазоне 0.85–0.92, а у лучших моделей в оптимальных условиях достигает 0.94–0.95. Важнейшим геометрическим параметром является номинальный диаметр рабочего колеса (обозначаемый как D).
Турбины, имеющие геометрически подобные проточные части, объединяются в серии. Для характеристики серии используется коэффициент быстроходности — условная частота вращения вала турбины, развивающей мощность в 1 л.с. (0.7355 кВт) при напоре в 1 метр. Чем выше этот коэффициент, тем выше частота вращения при заданных мощности и напоре, что удешевляет как саму турбину, так и связанный с ней генератор. Однако для реактивных турбин рост быстроходности ограничивается опасным явлением кавитации, вызывающим вибрацию, эрозию материала и падение КПД.
Способы регулирования и исполнение
Реактивные турбины классифицируются по способу регулирования мощности:
- Одинарное регулирование: Мощность изменяется с помощью поворотных лопаток направляющего аппарата.
- Двойное регулирование: Используется как поворотный направляющий аппарат, так и рабочее колесо с поворотными лопастями (турбины Каплана).
Активные турбины (ковшовые) не имеют спиральной камеры и отсасывающей трубы. Расход воды в них регулируется специальными иглами, перемещающимися внутри сопел. По расположению вала турбины бывают вертикальными, горизонтальными и наклонными.
Гидроагрегаты и перспективы развития
Совокупность гидравлической турбины и гидрогенератора называется гидроагрегатом. Особый интерес представляют обратимые гидроагрегаты для гидроаккумулирующих и приливных электростанций. Они включают в себя насос-турбину (работающую в двух режимах) и двигатель-генератор. Для приливных станций часто применяются капсульные агрегаты горизонтального исполнения.
Основные направления развития гидротурбостроения — это увеличение единичной мощности, расширение диапазона рабочих напоров для каждого типа турбин, повышение надежности, долговечности и создание новых, более эффективных конструкций.