2.5. Ковшові гідротурбіни

Ковшові гідротурбіни є єдиною системою активних турбін, що використовуються у потужних агрегатах при напорах від 300 до 1767 м (на ГЕС "Райссек", Швейцарія). У області напорів 300÷600 м вони поступаються більш швидкохідним радіально-осьовим турбінам, що мають меншу питому масу і вартість установленого кіловата потужності.

Інші системи активних гідротурбін: похило-струминеві (Тюрго), подвійної дії (Банки) та ін., застосовуються в установках середньої і малої потужності.

Основною перевагою ковшових турбін, що дозволяє застосовувати їх при найвищих напорах, є відсутність явно виражених у них кавітаційних явищ і, як наслідок, незначние кавітаційне зношення турбіни. Пояснюється це тим, що перетворення енергії на робочому колесі відбувається при тиску, близькому до атмосферного, і динамічне розрідження, що може виникнути тільки усередині шару рідини, мале. Тільки у окремих установках спостерігаються сліди кавітаційних руйнувань ковшів робочого колеса. Найбільш схильні до зносу насадки і голки сопел, але їх легко замінити. Позитивними якостями ковшових турбін є мала залежність їх к.к.д. від зміни потужності (полога робоча характеристика) при малих змінах напорів; можливість збереження оптимальних значень к.к.д. при регулюванні потужності відключенням окремих сопел (бажано попарно); мала розгінна частота обертів n_розг=(1,7÷1,8)·n, де n - нормальна частота обертів; мала схильність до вібрацій; простіша конструкція деяких основних вузлів і елементів турбіни.

Основний недолік ковшових турбін – їх мала швидкохідність і, як наслідок, велика металоємність. Пояснюється це парциальністтю дії потоку на робочому колесі, причому у кожен момент часу працює тільки частина ковшів. Зменшення парціальної дії і збільшення швидкохідності досягається за рахунок збільшення числа сопел z_сп.

Потужність ківшевої турбіни рівна

_(2.2)

де К_стр – коефіцієнт струмини, _{; φ – швидкісний коефіцієнт сопла, φ=0,98÷0,99.}

При горизонтальному положенні вала агрегату хороших умов відведення води від колеса вдається досягти тільки при одному або двох соплах. При вертикальному розташуванні валу вода, що сходить із робочого колеса, відкидається у сторони, і менше впливає на струмені, тому число сопел приймають від 4 до 6, а у тих випадках, коли прагнуть досягти максимуму к.к.д., знижують їх число до 2 або 3.

До недоліків ковшовихі турбін слід віднести їх менший, у порівнянні із реактивними турбінами коефіцієнт корисної дії, що не перевищує 92%, що є наслідком наявності підвищених гідравлічних втрат при великій швидкості струменя, втрат на удар при його вході на ківш і втрат на виході із ковша.

Конструкція горизонтальної ківшевої одноколісної двохсоплової турбіни показана на рис.2.7.

Рис. 2.7. Одноколісна горизонтальна ковшева гідротурбіна

Вода, що надходить до турбіни через шаровий затвор 20, що управляється двохциліндровим серводвигуном 1, послідовно проходить посилений поперечними ребрами трійник 19, встановлені перед соплами коліна 4 і сопла 5, приєднані до фланців болтами. Через коліна і корпуси сопел проходять штоки 15 із насадженими на їх кінцях голками 13. Штоки за допомогою тяги 3 і колінчастих важелів 2 переміщаються серводвигуном 16, що управляється регулятором турбіни. При переміщенні обох голок змінюються живі перерізи у насадках сопел, а отже, витрата і потужність турбіни. При закритті голок, витрата через турбіну припиняється. Відкриттю голок сприяють пружини 18. Корпуси сопел розташовані у циліндричних патрубках кожуха 6 турбін і можуть переміщатися у них в поздовжньому напрямі при деформації коліна. Усередині корпусів розташовані циліндричні напрямні штока, сполучені ребрами із зовнішніми стінками. Біля вихідних отворів сопел встановлені відсікачі струменя 12, кронштейни яких кріпляться також до кожуха. Відсікачі синхронно пов'язані між собою голками і приводяться в дію за допомогою тяги спеціальним серводвигуном. При скиданні навантаження вони швидко відсікають струмінь, що дозволяє потім повільно закривати голки і не призводить до підвищення тиску вище установленої норми при розтягнутому у часі гідравлічному ударі в трубопроводі.

Кожух установлений на фундаментній рамі 11, залитій бетоном. Він охоплює згори і з бічних сторін робоче колесо 8 і відводить у канал 14 відпрацьовану воду, так щоб вона не потрапляла на ківш і струмені. Нижній струмінь захищений також спеціальним кожухом 17. Від нижнього сопла вода частково відводиться по каналу 9.

На кожусі установлено гальмівне сопло 10, струмінь з якого б'є у зворотній бік ковшів і швидко зупиняє колесо при гальмуванні. Ковші робочого колеса відлиливають окремо від ступиці і укріплюють на ній кожен двома припасованими блотами. Ступиця закріплена на валу 7 і зафіксована двома шпонками. Вал обертається в укріплених на нижній частині кожуха підшипниках із примусовим масляним змащенням. Верхні частини кожуха і корпусів підшипників виконані зйомними. Це дає можливість опустити або зняти ротор турбіни в зібраному виді. Через аераційні отвори у каналі 9 під кожух надходить атмосферне повітря.

При роботі турбіни робоче колесо відкачує повітря із кожуха, і створює в ньому деякий вакуум, який з одного боку, сприяє зменшенню вентиляційних втрат, а з іншого, підсмоктуючи воду, підвищує рівень у відвідному каналі і, утрудняючи схід потоку із робочого колеса, збільшує втрати. Практично ефект від відсмоктування повітря залежить від витрати через турбіну, висоти розташування робочого колеса і його окружної швидкості. У нових конструкціях ковшовихі турбін повітря подають через спеціальний пристрій, автоматично регулюючи його кількість за спеціальною програмою залежно від потужності турбіни.