Гидравлическая турбина

Гидравли́ческая турби́на (гидротурби́на) (в историческом контексте также — водяна́я турби́на) — лопастной первичный двигатель, преобразующий механическую энергию потока воды (кинетическую энергию напора и потенциальную энергию положения) в энергию вращения вала^[1].

Водяные турбины являются ключевым элементом гидроэлектростанций (ГЭС), где их вал жёстко соединяется с ротором гидрогенератора для выработки электрического тока. В отличие от паровых и газовых турбин, водяная турбина работает с несжимаемой рабочей средой при относительно низких скоростях вращения и температурах^[2].

История развития

Эволюция водяной турбины берёт своё начало от классического водяного колеса:

В 1827 году французский инженер Бенуа Фурнерон разработал первую работоспособную водяную турбину с центробежным направлением потока и КПД около 70 %.
В 1848 году американский инженер Джеймс Френсис усовершенствовал этот принцип, создав радиально-осевую турбину, которая сегодня является самой распространённой в мире.
В 1880 году Лестер Пелтон запатентовал активную (ковшовую) турбину, эффективно использующую энергию тонких струй воды высокого напора.
В 1912 году австрийский профессор Виктор Каплан изобрёл поворотно-лопастную осевую турбину, совершившую прорыв в освоении равнинных рек с малыми напорами воды.

Классификация водяных турбин

По характеру воздействия потока на рабочее колесо гидротурбины разделяются на два принципиальных класса: реактивные и активные^[3].

Реактивные турбины

В реактивных турбинах вода поступает на рабочее колесо под давлением, превышающим атмосферное. Давление и скорость потока падают непосредственно в процессе прохождения через лопасти рабочего колеса, создавая реактивное усилие. Такие турбины требуют герметичного проточного тракта и обязательного наличия отсасывающей трубы.

Радиально-осевые (турбины Френсиса): Вода поступает на лопасти радиально (от периферии к центру), а выходит вдоль оси вращения. Применяются на напорах от 40 до 700 метров. Характеризуются высокой прочностью и надёжностью.
Поворотно-лопастные (турбины Каплана): Поток движется параллельно оси вращения. Лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своей оси автоматически при изменении расхода воды. Применяются на низких напорах (от 1 до 80 метров) на равнинных реках.
Пропеллерные турбины: Схожи с поворотно-лопастными, но их лопасти закреплены жёстко. Применяются при строго стабильном напоре воды.

Активные (импульсные) турбины

В активных турбинах потенциальная энергия напора полностью преобразуется в кинетическую энергию скоростной струи в специальных направляющих соплах. Вода попадает на лопасти колеса при атмосферном давлении.

Ковшовые (турбины Пелтона): Рабочее колесо представляет собой диск с закреплёнными по периферии лопастями в форме сдвоенных ковшей. Вода из сопел на большой скорости бьёт точно в рассекатель ковша. Применяются на высокогорных ГЭС с огромными напорами (от 200 до 1500 метров) при малом объёме расхода воды.
Наклонно-струйные (турбины Турго) и двухкратные (турбины Банки-Мичелла): Используются в основном на малых и микро-ГЭС.

Основные элементы конструкции

Проточный тракт типовой реактивной водяной турбины состоит из следующих узлов:

Спиральная камера — металлический или бетонный подводящий канал сужающегося сечения, обеспечивающий равномерную подачу воды по всему периметру турбины.
Статор — кольцо из неподвижных профилированных колонн, воспринимающее механические нагрузки от давления воды и веса вышележащих конструкций.
Направляющий аппарат — система поворотных лопаток, регулирующая расход воды (мощность турбины) и задающая потоку оптимальный угол закрутки перед входом на рабочее колесо.
Рабочее колесо — главный узел турбины, несущий на себе рабочие лопасти, на которых происходит преобразование энергии.
Отсасывающая труба — расширяющийся диффузор под рабочим колесом. Она позволяет использовать кинетическую энергию потока на выходе из колеса и полезно использовать высоту его установки над уровнем нижнего бьефа.

Проблема кавитации

Специфической проблемой эксплуатации водяных турбин является гидродинамическая кавитация — образование и последующее схлопывание пузырьков пара в зонах локального падения давления (обычно на тыльной стороне лопастей). Кавитация вызывает сильный шум, вибрацию оборудования и приводит к быстрому механическому разрушению (эрозии) металла лопастей. Для борьбы с ней элементы рабочих колёс изготавливают из высоколегированных нержавеющих сталей и покрывают защитными наплавками.

См. также

↑ Гидравлическая турбина. — М.: Советская энциклопедия, 1971. — Т. 6. — С. 462—465.
↑ Кривченко Г. И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. — Энергоатомиздат, 1983. — С. 35—38.
↑ Барлит В. В. Гидравлические турбины. — Вища школа, 1977. — С. 18—24.

Литература и источники

Аршеневский Ю. А. Гидравлические турбины. — М.: Высшая школа, 1970.
Слисаренко Ф. А. Эксплуатация гидротурбинных установок. — М.: Энергия, 1979.

[БСЭ_гидро-1] Гидравлическая турбина. — М.: Советская энциклопедия, 1971. — Т. 6. — С. 462—465.

[Кривченко-2] Кривченко Г. И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. — Энергоатомиздат, 1983. — С. 35—38.

[Барлит-3] Барлит В. В. Гидравлические турбины. — Вища школа, 1977. — С. 18—24.

[1]

[2]

[3]