Реактивные турбины

Класс реактивных турбин в зависимости от направления воды, поступающей к лопастям турбин, подразделяется на следующие системы: радиально-осевые, осевые (поворотно-лопастные и пропеллерные) и диагональные.

Характерными особенностями реактивных турбин, отличающих их от активных, являются: расположение рабочего колеса полностью в воде и одновременный подвод воды ко всем лопастям турбины.

Радиально-осевые турбины (турбины Френсиса), характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а на сходе с рабочего колеса в осевом направлении.

Радиально-осевые турбины могут выполняться с вертикальным расположением вала (оси) и с горизонтальным.

Радиально-осевые турбины применимы для широкого диапазона напоров - от 40 до 600 м.

В СССР (ЛМЗ), начиная с 1961 года, когда был введен в эксплуатацию агрегат на Братской ГЭС, мощностью 225 МВт по генератору, являлся мировым лидером в области проектирования и изготовления радиально-осевых турбин. Самые мощные в России - турбины Саяно-Шушенской ГЭС (единичная мощность 640 МВт при расчетном напоре 194 м и 720 МВт при напоре 200 м, 1978 г.). До Саяно-Шушенских крупнейшими в России и в мире были радиально-осевые турбины Красноярской ГЭС единичной мощностью 500 МВт (1967 г.). Впоследствии крупнейшие радиально-осевые турбины были установлены на ГЭСИтайпу (Бразилия, Парагвай) в 1983 г., 740 МВт.

Пропеллерные турбины с жёстким закреплением лопастей и поворотно-лопастные (турбины Каплана) с поворотом лопастей образуют систему осевых турбин, отличающихся тем, что поток воды на входе и выходе с рабочего колеса имеет одно и то же осевое направление.

Расположение осей турбин может быть как вертикальным, так и горизонтальным. При низких и средних напорах (до 80 м) используются осевые вертикальные турбины (пропеллерные и поворотно-лопастные). При низких (до 20 м) - осевые горизонтальные капсульные турбины.

Рабочее колесо вертикальной пропеллерной турбины состоит из корпуса (втулки) с обтекателем и лопастей, жестко скрепленных со втулкой и установленных под некоторым постоянным углом к вертикальной оси.

Элементы подвода воды к вертикальной осевой турбине схожи с трактом подвода воды к радиально-осевой: (спиральная камера - направляющий аппарат - лопасти турбины - камера рабочего колеса.

Форма поперечного сечения спиральной камеры у радиально-осевых турбин круглая, а у осевых - тавровая. Это продиктовано условиями работы турбин. Радиально-осевые турбины высоконапорные, поэтому механические нагрузки на спиральную камеру высокие и требуют применения металла для их изготовления при наивыгоднейших очертаниях. Поворотно-лопастные турбины низконапорные, поэтому спиральные камеры выполняются из бетона, нагрузки на который меньше, а укладка его в геометрически прямолинейные блоки проще. Отвод воды от турбины так же, как от радиально-осевой, происходит через отсасывающую трубу.

Поворотно-лопастная вертикальная турбина отличается от пропеллерной тем, что ее лопасти могут поворачиваться. Поэтому КПД этой турбины при частичных нагрузках выше, чем у пропеллерной, благодаря тому, что расход может регулироваться не только с помощью лопаток направляющего аппарата, но и поворотом лопастей, обеспечивая оптимальное обтекание рабочего колеса.

Для каждого установившегося режима работы существует наивыгоднейшее взаимное расположение разворота лопастей и открытия направляющего аппарата. Оптимальную зависимость между их положением называют комбинаторной зависимостью.

Мощными поворотно-лопастными турбинами оснащены все Волжские гидростанции (в г. Жигулевске, в г. Волжском и в г. Саратове). Каждая из 20 турбин Волжской ГЭС (Жигулевск) при напоре 22,5м имеет мощность 126 МВт. На V Мировой энергетической конференции в Вене (1956 г.) успешное создание турбин Волжской ГЭС было признано как высшее достижение ЛМЗ в мировом гидротурбостроении. Лишь через 13 лет (1968 г.) в США на ГЭС Джон-Дей были установлены поворотно-лопастные турбины (единичная мощность 155 МВт при напоре 28,6 м). А в 1970 г. еще более мощные поворотно-лопастные турбины ЛМЗ установлены на ГЭС Джердап-Железные Ворота (рДунай) мощностью 178 МВт (мощность указана по турбине).

Диагональные турбины, предложенные в нашей стране B.C. Квятковским по своей конструкции также поворотно-лопастные. Однако по направлению движения потока они не являются осевыми, в них линии тока направлены по коническим образующим, т.е. поток движется по диагонали. Форма лопастей и угол наклона лопастей к горизонту существенно отличаются от осевых поворотно-лопастных.

Их свойства позволяют расширить область применения по сравнению с поворотно-лопастными осевыми турбинами и использовать на высоконапорных ГЭС (диапазон напоров 50-150 м). Крупнейшие в мире диагональные турбины, изготовленные ЛМЗ, установлены в 1975 г. на Зейской ГЭС (единичная мощность 215 МВт, расчетный напор 78,5 м).

Обратимые гидротурбины (насосотурбины) используются на ГАЭС, которые пока являются самыми лучшими пиковыми электростанциями. Для напоров 50-150 м (наиболее распространенных) на ГАЭС в качестве наилучших юнструкций в последнее время нашли применение поворотно-лопастные насосотурбины диагональной системы. Они по фавнению с радиально-осевыми обладают большей быстроходностью (см. ниже), за счёт поворота лопастей обеспечивают лучшие КПД при частичных мощностях и приближаются к оптимуму в обоих режимах (турбинный и насосный при одинаковых п и Я), но уступают им в кавитационных свойствах. При напорах менее 20 м в качестве обратимых турбин применяют горизонтальные капсульные поворотно-лопастные машины.

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