Лекція №9. ГІДРАВЛІЧНІ ТУРБІНИ

Мета і завдання: Ознайомитись з активними та реактивними гідротурбінами. Знати основні елементи проточного тракту реактивних гідротурбін, подібність гідротурбін, формули перерахунку, а також їх характеристики.

Конспект лекції:

9.1. Класифікація гідротурбін

Гідравлічною турбіною називається двигун, що перетворює енергію води, що рухається, в механічну енергію обертання його робочого колеса. Залежно від того, які з трьох членів рівняння Бернуллі головним чином використані в конструкції машини, розрізняються типи турбін. Віддана водою робочому колесу енергія рівна різниці енергій в потоці до і після робочого колеса. Таким чином, вся енергія потоку складається з енергії прокладання, енергії тиску, потенційної і кінетичної енергії. Турбіни, хоча б частково використовуючі потенційну енергію, називаються реактивними. В таких турбінах процес перетворення енергії на робочому колесі відбувається з надміром тиску. Крім того, в робочому колесі частково використовується і кінетична енергія потоку.

Якщо в гідротурбінах використовується тільки кінетична енергія потоку, то вони називаються активними. В таких турбінах вода поступає на робоче колесо без надмірного тиску. Для досягнення високого ККД в них майже весь натиск перетвориться в швидкість. В практиці прийнято гідротурбіни підрозділяти на класи, системи, типи і серії. Існує два класи гідротурбін: активні і реактивні. Клас реактивних турбін об'єднує наступні системи: осьово-пропелерні і поворотно-лопатеві, діагональні поворотно-лопатеві і радіально-осьові турбіни. В клас активних турбін входять системи ковшових, похило-струменевих турбін і турбін подвійної дії. Останні дві системи не мають такого широкого розповсюдження, як ковшові. Кожна система турбін містить декілька типів, що мають геометрично подібні проточні частини і однакову швидкохідність, але різняться за розмірами. Геометрично подібні турбіни різних розмірів утворюють серію. Окрім того, всі турбіни умовно діляться на низько-, середньо- і високонапірні. Низьконапірними прийнято рахувати турбіни, що працюють при Н<25 м, середньонапірними при 25≤Н≤80 м і високонапірними при Н>80м.

Турбіни підрозділяються на малі, середні і крупні. До малих турбін відносяться ті, у яких діаметр робочого колеса менше 1,2 м при низьких натисках і менше 0,5 м при високих, а потужність складає не більше 1000 кВт. До середніх - ті турбіни, у яких 1,2≤ D ≤2,5 м при низьких натисках і 0,5≤ D ≤1,6 м при високих, а потужність 1000 кВт< N ≤15000 кВт. До крупних турбін відносяться ті, які мають діаметр більший, ніж у середніх. Проте, підкреслимо, умовність і історичність такого розподілу гідротурбін.

9.2. Активні гідротурбіни

Найбільш поширеними найактивнішими гідротурбінами і є ковшові. Принципова схема ковшової турбіни приведена на мал. 9.1. Вода з верхнього б'єфу підводиться трубопроводом в

Мал. 9.1. Схема ковшової турбіни.

будинок до робочого колеса, виконаного у вигляді диска, закріпленого на валу турбіни, і що обертається в повітрі. По колу диска розташовані ковшоподібні лопаті (ковши) (мал. 9.2). На ковшах відбувається перетворення гідравлічної енергії, укладеної в струмені, в механічну. Ковші рівномірно розподіляються по ободу робочого колеса і послідовно один за іншим при його обертанні приймають струмінь.

Мал. 9.2. Робоче колесо ковшової турбіни.

Підведення води до робочого колеса здійснюється за допомогою сопла, усередині якого розташована регулююча голка. Сопло є насадокою, з отвору якого при роботі турбіни викидається струмінь води, що сходиться. В соплі вся енергія води, підведена до нього по трубопроводу за вирахуванням втрат, звертається в кінетичну. Голка, переміщаючись в соплі в подовжньому напрямі, міняє його вихідний перетин і тим самим діаметр струменя, що виходить. При зміні діаметра струменя змінюється витрата через сопло. Голка в одному з крайніх своїх положень повністю закриває сопло і зупиняє турбіну. Вода, віддавши свою енергію робочому колесу, стікає з нього в відвідний канал. Для швидкого відведення струменя від робочого колеса, необхідного для запобігання гідравлічного удару, що виникає при повільному закритті сопла голкою, застосовується відхилювач, відкидаючий воду убік. Переміщення голки і відхилювача проводиться одночасно. Таким чином, в ковшових турбінах здійснюється регулювання витрати і потужності турбіни.

Конструктивні форми ковшових турбін досить різноманітні і можуть розрізнятися по розташуванню вала (вертикальні і горизонтальні), по числу сопл і робочих коліс на одному валу. Турбіни використовуються в діапазоні натиску 300-2000 м з діаметром робочого колеса до 7,5 м. Відома турбіна потужністю 200 МВт (ГЕС Мон-Сені, Франція).