2.3.3. Развитие конструкций турбин.

Гидравлические двигатели, по всей видимости, были первыми механическими двигателями, изобретенными и использованными человеком. Это были различного вида водяные колеса: верхненаливные, средненаливные, нижнебойные и другие, которые применялись вплоть до середины XIX в.

Гидравлические машины, действующие за счет реакции жидкости, — гидро­турбины созданы сравнительно недавно. В 50-х годах XVIII в. Л. Эйлер разработал теоретические основы действия реактивных гидравлических машин, которые имеют большое значение и в настоя­щее время. Однако первые пригодные для практического использования турбины были созданы во Франции – Фурнейроном в 1827—1834 гг., а в России — Н. Е. Са­фоновым в 1837 г. Это были центробежные турбины с неподвижными направля­ющими лопатками, в которых вода двигалась от центра к периферии, рисунок 2.5

Рис. 2.5. Центробежная турбина

Далее прогресс водяных турбин идет довольно быстро. В 1847 — 1849 гг. англий­ский инженер Френсис, работавший в США, конструктивно усовершенствовал реактивную турбину, поместив направляющий аппарат так, что он охватывал ра­бочее колесо и поток двигался от периферии к центру (центростремительная турбина). Такая схема оказалась очень удобной и широко применяется до настоящего времени, рисунок 2.6.

Рис. 2.6. Центростремительная турбина

Направляющий аппарат с поворотными направляющими лопатками был предложен проф. Финком только в 1880 г. В этом же году Пельтоном была изобретена ков­шовая турбина, но регулирование расхода с помощью иглы было запатентовано Доблем только в 1900 г.

Процесс совершенствования турбин продолжался и в XX в. Наибольшее зна­чение имело изобретение Виктора Каплана (Чехословакия), который в 1913 г. предложил систему поворотно-лопастной турбины с двойным регулированием, позволяющую улучшить энергетические показатели пропеллерной турбины, приведенной на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Пропеллерная турбина.

Первая поворотно-лопастная турбина Каплана диаметром 0,6 м была пу­щена 26 марта 1919 г. на установке в Бельме (напор 3 м). Значительные преиму­щества поворотно-лопастных турбин Каплана перед турбинами Френсиса, особенно при малых напорах, способствовали быстрому их совершенствованию и широкому распространению.

Для строительства низконапорных установок большое значение имело создание в 50-х годах горизонтальных капсульных агрегатов с осевыми турбинами. Перво­начально в этой области много было сделано во Франции в связи с планами строи­тельства крупных приливных электростанций (ПЭС). Капсульные агрегаты мощ­ностью по 10 МВт установлены на ПЭС Ране. В СССР были созданы крупные капсуль­ные агрегаты, установленные на ряде русловых ГЭС. ЛМЗ разработал и выпустил капсульные агрегаты по 40 МВт с турбинами диаметром 7,5 м.

В 1950 г. проф. В. С. Квятковский (СССР) предложил использовать новый вид поворотно-лопастных турбин — диагональных. Эти турбины благодаря пре­имуществам двойного регулирования получают все большее распространение. В СССР опытная диагональная турбина была пущена на Бухтарминской ГЭС в 1965 г. (мощность 77 МВт, напор 61 м), а в 1975 г. на Зейской ГЭС введены в эксплуатацию диагональные тур­бины (мощность 215 МВт, напор 87 м, диаметр 6 м).

Разновидности активных турбин. Менее употребительны две системы активных тур­бин — турбины двукратные и наклонноструйные.

Колесо первой турбины изображено на рисунке 2.8. Вода протекает через него последовательно дважды, сперва в центростремительном, затем в центро­бежном направлении.

Рис.2.8. Центростремительно-центробежная двукратная турбина. (Турбина Банки)

Наклонноструйная турбина при­надлежит к числу осевых. Основными органами турбины такой системы явля­ются осевое колесо и игольчатое сопло, рисунок 2.9. Лопасти штампуются обычно из листовой стали и своими боко­выми кромками заливаются как в наружный кольцевой обод, так и во внутренний, являющийся од­новременно и втулкой. Ось сопла располагается в плос­кости, параллельной оси колеса, под углом около 22,5° к плоскости, нормальной к этой оси. Струя, вошедшая в колесо, стремится остаться в плоскости оси сопла, а так как колесо и лопасть вращаются, то струя при протекании по лопасти постепенно оказывается на боль­шем радиусе колеса, чем была при вступлении на него. По этой причине рабочая поверхность лопасти полу­чается по расчету довольно сложной чашеобразной формы.

а) б) в)

Рис. 2.9. Наклонноструйная турбина (Турбина Тюрго).

а – схема наклонноструйной турбины; б - рабочее колесо со стороны входа струи; в – рабочее колесо со стороны выхода воды.

* Справочно. Устаревшие и современные названия систем турбин:

• Френсиса – радиально-осевая;

• Каплана – поворотно-лопастная;

• Пельтона – ковшовая;

• Тюрго – наклонноструйная;

• Банки – двукратная.

17