Использование энергии в гидравлических турбинах

Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, преобразующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины). Настоящий раздел посвящен только гидравлическим турбинам и насосам, поэтому в дальнейшем слово «гидравлическая» опускается.

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.

Промышленное применение гидроэнергии в России началось в 60-х годах XVIII века, когда знаменитый русский гидротехник К.Д. Фролов создал на Алтае подземный каскад из водяный колес, приводивших в движение горнорудные механизмы и насосы. Весь путь воды в этой установке составлял 1051 м.

Кроме водоподливного с глубокой древности применялось и водоналивное колесо. Если в предыдущем примере сила тяжести воды, текущей по сильно наклоненному руслу, использовалась для создания скорости в потоке V, то здесь она (тяжесть воды) непосредственно приводит колесо во вращение, перемещая и непрерывно заполняя лотки колеса, т.е. это колесо использует энергию положения потока.

Если бы удавалось заполнять и опорожнять весь объём лотка в самом верхнем и нижнем положениях, то работа и мощность такого колеса равнялась бы работе и мощности потока. Практически этого сделать нельзя, так как вода не сразу заполняет лоток и начинает выливаться из него, не дойдя до нижней точки, т.е. используемая энергия оказывается меньше.

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 - турбины.

Подвод воды в турбинах выполняется напорными водоводами.

Подобные схемы позволяют значительно лучше, чем в открытых руслах, использовать энергию потока в широком диапазоне мощностей и напоров.

Параметры турбин являются их количественными и качественными характеристиками: напор (Н), расход (0, мощность (N).

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 Н и Q называют номинальной. Минимальная мощность соответствует Нмт.

Гидродинамические качества рабочего колеса в основном определяют такие характеристики турбины, как КПД, приведенный расход, частота вращения, кавитационный коэффициент и коэффициент быстроходности. Они определяются при испытаниях модельной турбины на лабораторной установке.

Стремление к наиболее полному использованию располагаемой водной энергии является основной тенденцией всей современной гидроэнергетики в мире. Достигнутый уровень КПД в современных крупных турбинах признаётся достаточно высоким, но задача его дальнейшего повышения продолжает быть актуальной проблемой современного гидротурбостроения. Отечественные турбины Саяно-Шушенской ГЭС единичной мощностью 650 МВт и Красноярской ГЭС 508 МВт имеют КПД около 95%.

В зависимости от того, какая часть из слагаемых энергии реализуется в конструкции, турбины разделяются на два класса - активные и реактивные (гидродвигатели, использующие энергию положения в промышленных турбинах имеют незначительное применение).

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.

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.

Турбины подразделяются на классы, системы и типы/классы турбин -активный и реактивный, как мы видели, отличаются характером преобразования энергии на рабочем колесе.

Системы турбин отличаются структурой потока и характерными особенностями проточной части. В системах приняты следующие названия и условные обозначения: пропеллерные турбины (Пр), поворотно-лопастные (ПЛ), радиально-осевые (РО), диагональные (Д), ковшовые (К). Типы турбин отличаются относительными размерами и конфигурацией элементов проточной части. В каждой системе, таким образом, может применяться несколько типов, в которых будет аналогичной конфигурация проточных элементов. Различие будет лишь в размерах. Геометрически подобные турбины одного типа различных размеров образуют серию.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.