Гидравлическая турбина

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА (гидротурбина), гидравлический двигатель, преобразующий механическую энергию потока воды в энергию вращающегося вала. Основным рабочим органом гидравлической турбины, в котором происходит преобразование энергии, является лопастное вращающееся рабочее колесо, соединённое валом с ротором гидрогенератора. Совокупность гидравлической турбины и гидрогенератора называется гидроагрегатом.

Основные характеристики гидравлической турбины: установленная мощность, прямо пропорциональная напору и расходу воды; максимальный напор, равный разности отметок уровней воды в верхнем и нижнем бьефах за вычетом гидравлических потерь в водоподводящем тракте; максимальный расход (количество воды, которое способна пропустить турбина в единицу времени); кпд, равный отношению полезной мощности, отдаваемой валом турбины, к мощности подводимого потока воды; диаметр рабочего колеса; так называемая синхронная частота вращения, равная, как правило, частоте вращения ротора гидрогенератора; высота отсасывания (максимальная разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа, при которой не возникают недопустимые кавитационные явления). Мощность крупнейших гидравлических турбин превышает 700 МВт, они применяются при напорах до 2000 м. Диаметр рабочих колёс турбин крупных гидроэлектростанций достигает 11 метров, лучшие гидротурбины имеют кпд, превышающий 96%.

По принципу действия гидравлические турбины разделяют на реактивные (напорно-струйные) и активные (импульсные или свободно-струйные). В реактивных турбинах рабочее колесо полностью погружено в воду, а поток по всей длине проточного тракта является напорным. Это делает возможным использование рабочим колесом как кинетической, так и потенциальной энергии протекающей жидкости. Поэтому скорость потока перед входом на рабочее колесо даже при высоких напорах может быть сравнительно небольшой. Лопасти рабочего колеса имеют такую форму, чтобы в результате перепадов давления на них возникали подъёмные силы, которые заставляют рабочее колесо вращаться. В активных турбинах рабочее колесо вращается в воздухе под действием свободной струи воды, которая может отдать колесу только свою кинетическую энергию. В связи с этим скорость струи воды перед рабочим колесом должна быть максимально большой. Поэтому в активных турбинах вода подводится к колесу через сопло, преобразующее низкоскоростной поток в высокоскоростной. Лопасти рабочего колеса отклоняют направленную на них струю, чтобы увеличить изменение импульса воды и максимизировать действующие на лопасти силы.

Главными показателями, характеризующими вид (систему) гидравлической турбины, являются форма и устройство её проточного тракта, состоящего из трёх основных элементов: рабочего колеса и устройств, подводящих и отводящих от него воду.

Реактивные гидравлические турбины разделяют на осевые, диагональные и радиально-осевые. У осевых гидротурбин (по зарубежной терминологии - турбины Каплана) поток поступает на рабочее колесо и выходит в осевом направлении (рис. 1). В зависимости от крепления лопастей на втулке рабочего колеса осевые гидравлические турбины разделяют на пропеллерные (с жёстким закреплением) и поворотно-лопастные (в зависимости от условий работы угол установки лопастей может изменяться в пределах примерно 35°). Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели. Диагональные гидротурбины (турбины Дериаса - Квятковского) отличаются от осевых тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 30-60°). Бывают как с жёстко установленными, так и с поворотными лопастями. У радиально-осевых гидротурбин (турбины Френсиса) поток поступает на рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него в осевом. Лопасти этого вида турбин жёстко заделаны в ступицу и обод колеса.

У турбин с жёстко закреплёнными лопастями режим работы, мощность и расход воды регулируются только открытием направляющего аппарата; у гидравлических турбин с поворотными лопастями - как открытием направляющего аппарата, так и угловым положением лопастей рабочего колеса. В последнем случае лопастная система рабочего колеса может быть лучше приспособлена к потоку, формируемому направляющим аппаратом, и поэтому кпд таких турбин оказывается высоким в широком диапазоне мощностей и напоров. Турбины с поворотными лопастями рабочего колеса называются турбинами двойного регулирования. Турбины с жёстко закреплёнными лопастями называются турбинами одинарного регулирования.

Активные гидравлические турбины разделяют на ковшовые (турбины Пелтона), наклонно-струйные (турбины Тюрго), двукратные (турбины Банки) и осевые кольцевые (турбины Сфиндекса). Наиболее распространены ковшовые гидравлические турбины (рис. 2). Лопасти рабочего колеса этого вида турбин похожи на ковши, что и дало название турбине. Ковшовые турбины используются при напорах более 400-600 м; мощность регулируют изменением расхода.

Крупные реактивные турбины покрывают широкую область напоров - от 1-2 до 600-700 м, при этом области применения турбин разных видов по напору перекрываются. При напорах 50-70 м могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. При более высоких напорах используют активные турбины. Для турбин малой мощности (100-3000 кВт) границы применения по напору снижаются, например радиально-осевые турбины могут оказаться целесообразными при напорах 20-25 м, а ковшовые - при напорах 150-200 м. Выбор оптимального решения производится на основании технико-экономических сопоставлений различных возможных вариантов.

Первые гидравлические двигатели, к которым применим термин «гидравлические турбины», появились более 300 лет назад как результат совершенствования водяных колёс. Эти турбины имели лопастные рабочие колёса, вращающиеся в воздухе под воздействием свободной водяной струи. Первая реактивная гидравлическая турбина была изобретена в 1827 году французским инженером Б. Фурнероном; она имела на рабочем колесе мощность 4,4 кВт, но из-за плохих энергетических свойств подобные гидравлические турбины уже не применяются. В 1855 году американский инженер Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо с неповоротными лопастями, а в 1887 году немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками. В 1889 году американский инженер А. Пелтон запатентовал активную - ковшовую - гидротурбину, в 1920 году чешский инженер В. Каплан получил патент на поворотно-лопастную турбину. После того как в 1880-е годы была разработана система передачи электрического тока на большие расстояния и появилась возможность сосредоточить производство электроэнергии на электростанциях, началась новая эпоха в истории турбостроения. Радиально-осевые, поворотно-лопастные и ковшовые гидравлические турбины широко применяют для выработки электрической энергии (смотри Гидроэнергетика). Помимо гидроэлектростанций, гидравлические турбины небольшого размера с рабочим колесом, подобным радиально-осевому, применяют в буровых установках для привода вращающегося инструмента, разрушающего твёрдую горную породу.

Лит.: Кривченко Г. И. Гидравлические машины: турбины и насосы. 2-е изд. М., 1983; Гидротурбостроение: Сб. научный тр. СПб., 2002; Гидромашины. М., 2004.