Гидравлические турбины

1. Оборудование гидроэлектростанций

1. Состав оборудования гэс.

Оборудование гидроэлектростанций по функциональному значению делится на несколько групп.

Гидросиловое оборудование – это гидротурбины и механическая часть гидрогенераторов. На ГАЭС к гидросиловому оборудованию относят также обратные гидромашины и двигатель-генератор.

Вспомогательное оборудование необходимое для обеспечения работы гидросилового оборудования. К нему относят системы технического водоснабжения, воздушного хозяйства, масляного хозяйства, осушение и тому подобное

Механическое оборудование включает в себя затворы, решетки, механизмы, а также краны для обслуживания гидротурбин и гидрогенераторов.

Электротехническое оборудование – электрическая часть генераторов, повышающие трансформаторы, коммутационная аппаратура, воздушные токопроводи, системы релейной защиты, автоматики, телеуправление, связи.

Кроме этих главных видов оборудования необходимых для функционирования ГЭС необходимо сантехническое оборудование, которое обеспечивает отопление, вентиляцию, пожаротушение, водоснабжение и канализацию.

2. Гидротурбины.

2.1. История возникновения гидромашин.

Вода, двигаясь в руслах рек под действием сил веса располагает запасом энергии.

Для двух сечений реки на участке длиной L удельная энергия 1кг воды равняется согласно закону механической жидкости – закон Д. Бернули:

Из уравнения удельной энергии потока мы видим, что вся энергия Е потока состоит из кинетической энергии и потенциальной энергии ( ), которая в свою очередь представляет энергию давления и энергию положения z.

В зависимости от того, которые с трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции гидравлической машины, мы получим разные типы турбин.

Если обозначить вход в гидромашину индексом 1, а выход индексом 2, то отданная энергия воды к машины будет равняться разности энергии в потоке до и после рабочего колеса:

Турбины, которые хотя бы частично используют потенциальную энергию, называются реактивными.

Турбины, в которых давление на входе и выходе из рабочего колеса одинаковы, называются свободноструйными или активными.

Историческая справка

Свыше 3000 лет до н.э. в Китае и Египте уже использовались простые гидравлические машины – водные колеса, водоподъемные машины, для мельниц, для ирригационных каналов. Такие колеса, диаметр которых равнялся около 7 метров, использовали только кинетическую энергию потока со скоростью не менее 1 м/с.

Такие гидравлические машины имели большие недостатки: очень большие размеры, небольшую частоту вращения около (3-10 об/мин.) и использовали малые давления.

Значительным шагом в использовании энергии водного потока было создание гидравлической турбины, которая использовала все виды энергии: кинетическую, потенциальную и потенциальную энергию положения.

Особый вклад в развитие гидротурбин внес член Российской Академии Наук Леонард Ейлер, который в 1745 году создал теорию лопастных гидравлических машин, он выдвинул идею использования направляющего аппарата.

В практике впервые гидравлические турбины появились в 1834 году в Франции (Б. Фурнейрон) и на Урале в 1837 году (Г. Сафонов).

В них использовались рабочие колеса центробежного типа (вода двигается от центра к периферии). Это был недостаток разработанных машин. КПД подобных турбин составлял 50-60 %.

В 1849 году англичанин Дж. Френсис конструктивно усовершенствовал реактивную турбину Фурнейрона. Вокруг рабочего колеса он разместил направляющий аппарат, превратив турбину в радиально-осевую.

Такие турбины продолжают называться – турбины Френсиса или радиально-осевыми (рис. 1).

1 – колоны статора, а и б - верхний и нижний пояса статора, 2 – направляющие лопатки, 3 – нижнее кольцо направляющего аппарата, 4 – крышка турбины, 5 – стаканы опор верхней цапфы направляющих лопаток, 6 – крепление крышки к верхнему поясу статора, 7 – фланец вала, 8 – вал, 9 и 10 – верхний и нижний обод рабочего колеса, 11 – лопасти рабочего колеса, 12 – рычаги, 13 – серьги, 14 – регулирующее кольцо, 15 – тяга сервомотора, 16 – подшипник, 17 – опора подпятника, 18 – обтекатель, 19а и 19б – уплотнения обода рабочего колеса, 20 – разгрузочные отверстия, 21 – уплотнение камеры подшипника

Рис. 1. Радиально-осевая гидротурбина (turbine Francis)

В 1880 году американец А. Пельтон создал активную ковшовую турбину, рабочее колесо которой использует только кинетическую энергию потока. Но регулирование расхода с помощью иглы было запатентовано Доблем лишь в 1900 г. Эти турбины используют при высоких напорах свыше 400 м (рис. 2).

1 – регулирующая игла, 2 – кожух, 3 – отражатель, 4 – стальной щит,

5 – тормозное сопло

Рис. 2. Ковшовая гидротурбина (turbine Pelton)

Процесс усовершенствования турбин длится и в ХХ веке. Самое большое значение имело изобретение Виктора Каплана (Чехословакия), что в 1913 г. предложил систему поворотно-лопастной турбины с двойным регулированием, которое позволяет улучшить энергетические показатели, и в 1917 г. получил на нее патент. Значительные преимущества поворотно-лопастных турбин Каплана перед турбинами Френсиса, особенно при малых напорах, содействовали быстрому их усовершенствованию и широкому распространению (рис. 3).

Для строительства низконапорных установок большое значение имело создание в 50-х годах капсульных агрегатов с осевыми турбинами. Сначала в этой области много было сделано во Франции в связи с планами строительства больших приливных электростанций (ПЭС).

В 1950 г. проф. В. С. Квятковский (Россия) предложил использовать новый вид поворотно-лопастных турбин – диагональных, а в 1952 г. в Великобритании аналогичное предложение было сделано Дериазом. Диагональная поворотно-лопастная турбина (рис. 4) соединила наилучшие качества поворотно-лопастной турбины (уровень КПД) и радиально-осевой (высокие кавитационные качества).

Значительный вклад в развитие теории гидромашин внесли ученые С.О. Чаплигин, Н.Є. Жуковкий, І.І. Куколевский и выдающийся украинский ученый Г.Ф. Проскура, которые создали основу современных методов расчетов проточной части гидромашин.

1 – колоны статора, 2 – направляющие лопатки, 3 – нижнее кольцо, 4 – крышка турбины, 5 – лопасти рабочего колеса, 6 – втулка, 7 – фланец вала, 8 – вал, 9 – обтекатель рабочего колеса, 10 – камера рабочего колеса, 11 – выдвижной сегмент, 12 – рычаг направляющей лопатки, 13 – серьга, 14 – регулирующее кольцо, 15 – сервомоторы, 16 – подшипник, 17 - опорная конструкция подпятника генератора

Рис. 3. Поворотно-лопастная гидротурбина (turbine Kaplan)

1 – рабочее колесо, 2 – цапфа, 3 – втулка, 4 – рычаг, 5 – тяга, 6 – поршень,

7 – камера

Рис. 4. Диагональная поворотно-лопастная гидротурбина (turbine Deriaz)