9.3. Реактивні гідротурбіни

До реактивних гідротурбін відносяться: радіально-осьові, пропелерні, поворотно-лопатеві (включаючи двохперову) і діагональні. Для реактивних турбін характерні наступні основні ознаки. Робоче колесо розташовується повністю у воді, тому потік води віддає енергію одночасно всім лопатям робочого колеса. Перед робочим колесом тільки частина енергії води знаходиться в кінетичній формі, інша ж - потенційна енергія, відповідна різниці тиску до і після колеса.

Надмірний тиск у міру протікання води по проточному тракту робочого колеса витрачається на збільшення відносної швидкості, тобто на створення реактивного тиску потоку на лопаті. Зміна напряму потоку за рахунок кривизни лопатей приводить до виникнення активного тиску потоку. Таким чином, дія потоку на лопаті робочого колеса складається з реактивної дії, що виникає через збільшення відносної швидкості, і активного тиску виникаючого через зміну напрями потоку.

Радіально-осьові турбіни (Ро) (за кордоном їх називають турбінами Френсіса) характерні тим, що вода при вході на робоче колесо рухається в радіальній площині, а після робочого колеса - в осьовому напрямі, і використовуються в досить широкому діапазоні натисків - від 30-40 м до 500 - 550 м. Такий великий діапазон забезпечується конструктивними змінами робочого колеса і всієї турбінної установки.

Робоче колесо радіально-осьове завивання турбіни складається з ряду лопатей 2 складної просторової форми, рівномірно розподілених по колах маточини 1 (верхній обід) і нижнього обода 3 (мал.9.3). Всі три частини з'єднані між собою і представляють одну жорстку конструкцію. Число лопатей може коливатися від 9 для низьконапірних до 21 для високонапірних турбін. За діаметр робочого колеса приймається максимальний діаметр по вхідних кромках лопатей. Лопаті робочих коліс крупних гідротурбін мають в перетині по лінії потоку обтічну форму, що дозволяє робити їх значної товщини для досягнення необхідної міцності. Із збільшенням натиску, що використовується, форма робочого колеса радіально-осьових турбін міняється, відношення вихідного діаметра до вхідного зменшується. Високонапірні турбіни обладнують холостими випусками для відведення води від робочого колеса і зменшення таким чином гідравлічного удару при скиданні навантаження. Наймогутніша турбіна такого типу в СРСР (650 МВт) встановлена на Саяно-Шушенській ГЕС.

Пропелерні турбіни (Пр). Робоче колесо такої турбіни знаходиться в камері, нижче направляючого апарату.

Мал. 9.3. Робоче колесо радіально-осьової турбіни.

1 - маточина; 2 - лопаті; 3 - нижній обід; 4 - лопатки направляючого апарату.

Тому між направляючим апаратом і робочим колесом здійснюється неробочий поворот потоку. На лопаті робочого колеса потік поступає тільки в осьовому напрямі, через що такі турбіни називаються осьовими.

Робоче колесо (9.4) складається з втулки 1 з обтічником 2 і робочих лопатей 3 і, як видно з рисунків, відрізняється від коліс радіально-осьових турбін відсутністю нижнього обода, меншим числом лопатей і їх формою (в даному випадку вона схожа на форму веслового гвинта або пропелера).

Число лопатей залежить від натиску і може коливатися від трьох до восьми (росте із збільшенням натиску). Лопаті закріплені на втулці під постійним кутом φ: -10°; -5°; 0°; +5°; +10°; +15°; +20°, відлічуваним від деякого середнього положення (φ =0).

Мал. 9.4. Робоче колесо пропелерної турбіни.

1 - втулка; 2 - обтічник; 3 - лопаті; 4 - камера робочого колеса; 5 - лопатки направляючого апарату.

Звичайно на турбінах з діаметром робочого колеса 0,1-1,6 м є можливість перестановки лопатей при зупинці турбіни на той або інший кут, якщо така потреба виникне під час експлуатації.

Основною перевагою пропелерних турбін є простота конструкції і порівняно високий ККД. Проте турбіни мають істотний недолік, що полягає в тому, що із зміною навантаження різко змінюється і ККД. Зона високих значень ККД спостерігається тільки у вузькому діапазоні зміни потужності. Цей недолік істотно знижує ефективність пропелерних турбін при використовуванні їх в системах з дефіцитом енергії. Проте це неістотно, якщо основною задачею ГЕС є робота в піковій частині графіка навантаження, тобто: при рівному числі годин використовування встановленої потужності ГЕС. Іноді на крупних ГЕС пропелерні турбіни встановлюються спільно з радіально-осьовими або поворотно-лопатевими які мають більш розтягнутий діапазон максимального значення ККД.

Поворотно-лопатеві турбіни (ПЛ). За конструктивним виконанням поворотно-лопатеві турбіни (за кордоном їх називають турбіни Каплана) відрізняються від пропеллерних тільки тим, що у них лопаті робочого колеса в процесі роботи можуть повертатися навкруги своїх осей, перпендикулярних осі валу .

Потужність, що віддається робочим колесом такої турбіни, і його ККД при постійному натиску залежать як від відкриття лопаток направляючого апарату, так і від кута повороту лопатей по відношенню до втулки. Змінюючи кут установки лопатей при різних відкриттях направляючого апарату, а отже, при різній потужності, можна знайти таке накладення лопатей, при якому ККД турбіни матиме найбільше значення. Конструктивно поворотно-лопатеві турбіни виконуються таким чином, що лопаті робочого колеса на ходу турбіни можуть автоматично повертатися на деякий (оптимальний) кут φ (звідси назва поворотно-лопатеві) одночасно із зміною відкриття направляючого апарату. Таке подвійне регулювання дає дуже великі переваги, оскільки забезпечує автоматичну підтримку високого значення ККД в широкому діапазоні зміни потужності.

Поворотно-лопатеві турбіни використовуються в діапазоні напорів від 3-5 до 35-45 м. Останнім часом, прагнучи використовувати деякі переваги цих турбін перед радіально-осьовими робляться небезуспішні спроби застосовувати їх на натиски до 70-75 м. Найпотужніша поворотно-лопатева турбіна (178 МВт) виготовлена в СРСР і встановлена на ГЕС Джердан на Дунаї.

Двохперова турбіна. Збільшення числа лопатей робочого колеса поворотно-лопатевої турбіни по мірі підвищення використовуваного напору приводить до зростання відносного діаметра втулки і подальшому погіршенню енергетичних якостей турбіни. Для пом'якшення цього недоліку застосовуються спарені (двохперові) робочі лопаті, що мають загальний фланець і загальну цапфу (мал.9.5), що дозволяє підвищити пропускний турбіною розхід. Двохперові турбіни не мають поки широкого розповсюдження.

Діагональні турбіни (Д). Поява цих турбін обумовлена тими ж причинами, що і двохперових, тобто прагненням забезпечити можливість роботи осьових турбін подвійного регулювання в області натисків, що використовуються радіально-осьовими турбінами.

Відмінність діагональних турбін від поворотно-лопатевих полягає в конструкції робочого колеса, яка є конусоподібною втулкою з розташованими на ній під деяким кутом до осі обертання колеса лопатями (число їх доходить до 14), що можуть повертатися навкруги своїх осей.

Мал. 9.5. Робоче колесо двохперової турбіни.

При цьому втулка робочого колеса, не дивлячись на свої відносно великі розміри в порівнянні з втулкою у поворотно-лопатевих турбін не створює утруднення потоку. Завдяки цьому за робочим колесом немає ділянки з різким розширенням перетину, як в осьових турбінах, що в поєднанні з іншими особливостями діагональних турбін забезпечило ним більш високі енергетичні і кавітаційні якості. Максимальне значення ККД діагональної турбіни на 1,5-2,5% вище, ніж осьової. Разом з тим вони складніше по конструкції, ніж осьові і радіально-осьові, а останнім у ряді випадків поступаються і по кавітаційним якостям.

Діагональні турбіни не мають широкого розповсюдження в СРСР, вони встановлені лише на Бухтармінській і Зейській ГЕС потужністю 75 і 200 МВт відповідно. Проте, як показують дослідження, вони можуть виявитися вельми ефективними в діапазоні натисків від 35-40 м до 150-200 м і особливо при великих коливаннях навантаження.

Частина з розглянутих тут турбін може бути використана не тільки у вертикальному, але і в горизонтальному виконанні. Крім того, турбіни можуть бути виконані оборотними (турбіна-насос), що, зокрема, важливо для споруджуваних ГАЕС.