Гидротурбина

Определение "Гидротурбина" в Большой Советской Энциклопедии

Активная гидротурбина (схема)

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия Гидротурбина делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом Гидротурбина, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Гидротурбина через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. В активной Гидротурбина (рис. 1) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной Гидротурбина (рис. 2) давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Проточная часть реактивной гидротурбины

Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Б. Фурнероном; эта Гидротурбина имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные. Гидротурбина уже не применяются. В 1855 американский инженер Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо Гидротурбина с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (см. Радиально-осевая гидротурбина.). В 1889 американский инженер А. Пелтон запатентовал активную — ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер В. Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые Гидротурбина широко применяются для выработки электрической энергии (см. Гидроэнергетика).
Для расчёта профиля лопасти рабочего колеса Гидротурбина, вращающегося с постоянной угловой скоростью, используется уравнение (рис. 3):

Реактивная гидротурбина (схема)

где Н — рабочий напор Гидротурбина, т. е. запас энергии 1 кг воды (разность отметок горизонтов воды перед входом в сооружения гидравлической силовой установки и по выходе из них за вычетом потерь на сопротивление во всех сооружениях, но без вычета потерь в самой Гидротурбина); U₁ и U₂ — окружные скорости лопастей на входе воды в рабочее колесо и на выходе из него, м/сек; V₁ и V₂ — абсолютные скорости воды на входе и выходе, м/сек; (a₁ и a₂ — углы между направлениями окружных и абсолютных скоростей в точках, соответствующих осереднённой по энергии поверхности тока, град; g — ускорение свободного падения, м/сек².

Треугольники скоростей (рабочее колесо гидротурбины)

В левую часть уравнения вводится множитель hr, являющийся гидравлическим кпд гидротурбины. Часть мощности, полученная колесом, расходуется на преодоление механических сопротивлений, эти потери учитываются механический кпд гидротурбин h₀. Утечка воды в обход рабочего колеса учитывается объёмным кпд гидротурбины.

Универсальные характеристики для модели гидротурбины

Полный кпд гидротурбины h = h_г · h_m · h₀ — отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через Гидротурбина воды. В современной Гидротурбина полный кпд равен 0,85—0,92; при благоприятных условиях работы лучших образцов Гидротурбина он достигает 0,94—0,95.

Характеристики гидротурбины

Геометрические размеры Гидротурбина характеризуются номинальным диаметром Д, рабочего колеса. Гидротурбина разных размеров образуют турбинную серию, если обладают однотипными рабочими колёсами и геометрическими подобными элементами проточной части. Определив необходимые параметры одной из Гидротурбина данной серии, можно подсчитать, пользуясь формулами подобия, те же параметры для любой гидравлической турбины этой серии (см. Моделирование гидродинамическое и аэродинамическое). Каждую турбинную серию характеризует коэффициент быстроходности, численно равный частоте вращения вала Гидротурбина, развивающей при напоре 1 м мощность 0,7355 квт (1 л. с.). Чем больше этот коэффициент, тем больше частота вращения вала при заданных напоре и мощности. Гидротурбина и электрический генератор обходятся дешевле при увеличении частоты их вращения, поэтому стремятся строить Гидротурбина с возможно большим коэффициентом быстроходности. Однако в реактивных Гидротурбина этому препятствует явление кавитации, вызывающее вибрацию агрегата, снижение кпд и разрушение материала Гидротурбина

Эксплуатационные характеристики для натурной гидротурбины

Графики, выражающие зависимости величин, характеризующих Гидротурбина, называются турбинными характеристиками. На рис. 4 представлены характеристики Гидротурбина при постоянном напоре и частоте вращения колеса, но при различных нагрузках и расходе воды. В реальных условиях Гидротурбина работают при меняющемся напоре; их поведение в этом случае изображается универсальными характеристиками для модели и эксплуатационными характеристиками — для натурной Гидротурбина Универсальные характеристики строятся на основании лабораторных исследований модели, проточная часть которой геометрически подобна натурной.

Характеристики поворотнолопастных и радиально-осевых гидротурбин, выпускаемых в СССР

Марка пово-ротнолопаст-ной гидротурбины	Напор, м	Число лопа-стей	Мощность, Mвт	Марка радиально-осевой гидротурбины	Напор, м	Мощность, Мвт
ПЛ-10	3-10	4	0,6-49	РО-45	30-45	6,5-265
ПЛ-15	5-15	4	1.3-88	PО–7 5	40-75	9,7-515
ПЛ-20	10-20	4	3.3-115	PO-115	70-115	21.5-810*
ПЛ-ЗО<	15-30	5	6-180	PO-170	110-170	34-900*
ПЛ-40	20-40	6	8,2-245	PO-230	160-230	29.5-920*
ПЛ-50	30-50	7	13-280	PO-310	220-310	31-485
ПЛ-60	40-60	8	15-315	PO-400	290-400	31-280
ПЛ-70	45-70	8	15.8-350	PO-500	380-500	33-195
ПЛ-80	50-80	8	17-385

* Верхний предел показывает мощности, технически возможные. К 1970 максимальная единичная мощность работающих гидроагрегатов достигла 500 Мвт.

На универсальных характеристиках (рис. 5), исходя из условий моделирования, в координатах приведённых величин расхода Q"₁ л/сек и частоты вращения h"₁ об/мин (характерных для Гидротурбина данной серии диаметром рабочего колеса 1 м, работающих при напоре 1 м) наносятся изолинии равных кпд h%, коэффициент кавитации s и открытия направляющего аппарата a₀. Эксплуатационные характеристики (рис. 6) строятся на основании универсальных и показывают зависимость кпд натурной турбины h% от нагрузки N Мвм и напора Нм при номинальной частоте вращения турбины n = const. Здесь же обычно наносят линию ограничения мощности, выражающую зависимость гарантированной мощности от напора. На этих же характеристиках изображают линии равных допустимых высот отсасывания H_S м, показывающих заглубление рабочего колеса Гидротурбина под уровень воды в нижнем бьефе (разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа).

Проточная часть реактивных Гидротурбина состоит из следующих основных элементов (рис. 7): спиральной камеры гидротурбины 1; направляющего аппарата 2, регулирующего расход воды; рабочего колеса 3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от Гидротурбина Реактивные Гидротурбина по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые. По способу регулирования мощности реактивные Гидротурбина бывают одинарного и двойного регулирования. К Гидротурбина одинарного регулирования относятся Гидротурбина, содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих Гидротурбина производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастнорегулируемые Гидротурбина, у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих Гидротурбина производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса). Гидротурбина двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями. Поворотнолопастные Гидротурбина, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными гидротурбинами. Разновидностью осевых являются двухперовые, в которых на каждом фланце размещаются по две лопасти вместо одной. Радиально-осевые Гидротурбина одиночного регулирования применяют на напоры до 500—600 м. Активные Гидротурбина строят преимущественно в виде ковшовых Гидротурбина и применяют на напоры выше 500—600 м; их делят на парциальные и непарциальные. В парциальных Гидротурбина вода к рабочему колесу подводится в виде струй через одно или несколько сопел и поэтому одновременно работает одна или несколько лопастей рабочего колеса. В непарциальных Гидротурбина вода подводится одной кольцевой струей и поэтому одновременно работают все лопасти рабочего колеса. В активных Гидротурбина отсасывающие трубы и спиральные камеры отсутствуют, роль регулятора расхода выполняют сопловые устройства с иглами, перемещающимися внутри сопел и изменяющими площадь выходного сечения. Крупные Гидротурбина снабжаются автоматическими регуляторами скорости.

По расположению вала рабочего колеса Гидротурбина делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Сочетание. Гидротурбина с гидрогенератором называют гидроагрегатом. Горизонтальные гидроагрегаты с поворотно-лопастными или пропеллерными Гидротурбина могут выполняться в виде капсульного гидроагрегата.

Широкое распространение получили обратимые гидроагрегаты для гидроаккумулирующих и приливных электростанций, состоящие из насосо-турбины (гидромашины, способной работать как в насосном, так и в турбинном режимах) и двигателя-генератора (электромашины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах). В обратимых гидроагрегатах применяются только реактивные Гидротурбина Для приливных электростанций используются капсульные гидроагрегаты.

В 1962 в СССР разработана номенклатура поворотнолопастных и радиально-осевых Гидротурбина, в которой даются система типов и размеров Гидротурбина и их основные гидравлические и конструктивные характеристики (табл.). Эта номенклатура основана на закономерном изменении зависимостей геометрических и гидравлических параметров рабочих колёс от напора.

Основными тенденциями в развитии Гидротурбина являются: увеличение единичной мощности, продвижение каждого типа Гидротурбина в область повышенных напоров, совершенствование и создание новых типов Гидротурбина, улучшение качества, повышение надёжности и долговечности оборудования. В СССР созданы и успешно работают Гидротурбина радиально-осевого типа мощностью 508 Мвт на расчётный напор 93 м с диаметром рабочего колеса 7,5 м для Красноярской ГЭС, разрабатываются Гидротурбина такого же типа для Саянской ГЭС (единичная мощность 650 Мвт, расчётный напор 194 м, диаметр рабочего колеса 6,5 м).

Больших успехов в создании Гидротурбина достигли фирмы; «Хитати», «Мицубиси», «Тосиба» (Япония), «Нохаб» (Швеция), «Нейрпик» (Франция), «Инглиш электрик» (Великобритания), «Фойт» (ФРГ) и др. Например, японской фирмой «Тосиба» проектируются Гидротурбина для ГЭС Гранд-Кули-III единичной мощностью 600 Мвт на напор 87 м с диаметром рабочего колеса 9,7 м.

Лит.: Шпанхаке В., Рабочие колёса насосов и турбин, пер. с нем., ч. 1, М.—Л., 1934; Турбинное оборудование гидроэлектростанций, под ред. А. А. Морозова. 2 изд., М. — Л., 1958; Ковалев Н. Н., Гидротурбины, М. — Л., 1961; Кривченко Гидротурбина И., Автоматическое регулирование гидротурбин, М. — Л., 1964; Tenot А., Turbines hydrauliques et régulateurs automatiques de vitesse, v. 1—4, P., 1930—35.
  М. Ф. Красильников.

Рис. 7. Проточная часть реактивной гидротурбины.


Рис. 2. Схема реактивной гидротурбины: а — рабочее колесо; б — направляющий аппарат.


Рис. 5. Универсальные характеристики для модели гидротурбины.


Рис. 3. Треугольники скоростей на входе в рабочее колесо гидротурбины и на выходе из него.


Рис. 1. Схема активной гидротурбины: а — рабочее колесо; б — сопла.

N — нагрузка гидротурбины." href="/a_pictures/18/10/240469853.jpg">N — нагрузка гидротурбины."http://nitrogen.atomistry.com/">N — нагрузка гидротурбины." src="a_pictures/18/10/th_240469853.jpg">
Рис. 4. Характеристики гидротурбины при постоянном напоре и частоте вращения колеса: h — кпд; Q — расход воды; N — нагрузка гидротурбины.