Водяной турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую, носителем которой является вал ее рабочего колеса. По принципу работы водяные турбины разделяются на два основных типа: активные и реактивные.
Активные турбины. Общая схема работы активной водяной турбины видна на рис. 5.4. На горизонтальном валу насажено колесо с лопатками, размещенными по всей длине окружности; оно называется рабочим колесом. Лопатки имеют форму ковшей. Вода из в. б. к рабочему колесу подводится при помощи трубопровода, заканчивающегося насадком — соплом. Напор Н перед насадком расходуется целиком на создание скорости и вода вытекает из сопла в атмосферу с большой скоростью1.
На швейцарской ГЭС Фюлли Н= 1600 м, диаметр сопла d = 0,038 м, скорость вытекания струи примерно равна 170 м/с (612 км/ч).
Встречая на своем пути лопатки рабочего колеса, струя из сопла попадает на какую-либо из них и поворачивает колесо, совершая при этом работу. После отклонения струей одной лопатки под удар воды подходит другая, т. е. процесс вращения колеса происходит непрерывно.
Процесс использования энергии струи здесь происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счет кинетической энергии воды. Перед рабочим колесом весь имеющийся напор Н превращается в живую силу струи — кинетическую энергию.
Из рис. 5.4 нетрудно видеть, что в данном случае используемым напором будет не разность отметок воды в верхнем и нижнем бьефах Н, а величина (Н— а), т. е. разность отметок в. б. и сопла. Здесь а — потерянная часть напора.
Присоединив к валу рабочего колеса турбины электрический генератор, можно механическую энергию, полученную в турбине, превратить в электрическую.
Активные турбины называют также свободноструйными. В них функции аппарата, направляющего поток воды на рабочее колесо и регулирующего ее количество, т. е. изменяющего мощность, выполняет насадок с игольчатым затвором, с помощью которого можно прекратить подачу воды в рабочее колесо турбины и остановить ее.
В современной активной турбине под действием струи волы в любой момент времени находится только одна лопатка или две, если вода на колесо подводится через два насадка. Активная турбина, изображенная на рис. 5.4, носит название ковшовой (но форме лопаток ее рабочего колеса); она устанавливается на высоконапорных ГЭС.
Реактивная турбина.
Реактивными называют турбины, в которых рабочее колесо находится целиком в потоке воды под напором и приводится во вращение реактивным давлением струи, протекающих между его изогнутыми лопатками, причем это давление передается на все лопатки рабочего колеса одновременно. Рабочее колесо насажено на вал (рис. 5.5), через который приводится в действие электрический генератор; рабочее колесо пометено внутри направляющего аппарата, являющегося невращающейся частью турбины. Вход воды в турбину происходит в горизонтальной плоскости под некоторым углом к радиусу колеса. Протекая между лопатками рабочего колеса, вода меняет направление и выходит из рабочего колеса вниз в вертикальном направлении.
Направляющий аппарат имеет ряд лопаток, расположенных под некоторым углом к радиусу. Протекая между лопатками направляющего аппарата, вода при поступлении на лопатки рабочего колеса турбины получает не только определенную по величине скорость, но и определенное направление. В направляющем аппарате часть напора (потенциальной энергии) превращается в скорость (кинетическую энергию), и к турбине энергия подходит в форме потенциальной и кинетической.
Реактивная водяная турбина обычно располагается выше уровня воды в и. б., на некоторой минимальной высоте h9 над ним (см. рис. 5.5). Чтобы при этом избежать в напоре ГЭС потери, равной этой высоте hs, реактивная турбина снабжается отсасывающей трубой, непосредственно примыкающей к выходному сечению рабочего колеса и заканчивающейся под уровнем воды и. б. Таким образом, вода, выходя из рабочего колеса реактивной турбины, попадает не в атмосферу, а проходит в и. б. через отсасывающую трубу, заполняя ее полностью. Использование в турбине напора h обусловливается тем, что в отсасывающей трубе благодаря ее герметичности и погружению под уровень и. б. всегда имеется разрежение (вакуум).
Отсюда нетрудно видеть, что отсасывающая труба позволяет частично использовать кинетическую энергию выходящего из турбины водного потока.
Реактивные турбины по принципу подвода воды к рабочему колесу разделяются на осевые, с осевым подводом воды (рис. 5.6), и радиально-осевые (рис. 5.7).
В осевых турбинах поток попадает на рабочее колесо и уходит с него по винтовым линиям, расположенным по цилиндрическим поверхностям, концентричным оси вращения рабочею колеса. Эти турбины в свою очередь делятся на пропеллерные и поворотно-лопастные. И те и другие имеют одинаковую форму рабочего колеса, напоминающую гребной винт, и состоящего из втулки и лопастей. Различие между ними в том, что в поворотно-лопастной турбине лопатки рабочего колеса могут поворачиваться с помощью сервомотора гидравлического действия, расположенного во втулке рабочего колеса. У пропеллерных (жестколопастных) турбин лопатки не поворачиваются.
Рис. 5.7. Разрез (а) и план (б) реактивной радиально-осевой вертикальной турбины малой мощности:
1 — вал регулятора, 2 — рабочее колесо, 3 — зал турбины, 4 крышка турбины, 5 — поворотные лопатки направляющего аппарата, 6 — отсасывающая труба, 7 — тяги регулирования.
Наличие поворотных лопаток у турбины хотя и усложняет се конструкцию, но позволяет иметь более высоким к. п. д. за счет уменьшения гидравлических потерь при изменениях мощности (изменениях напора и расхода).
В радиально-осевых турбинах поток попадает на рабочее колесо по спиральным линиям, расположенным в плоскостях перпендикулярных оси вращения, и. меняя направление в рабочем колесе, уходит с него так же, как в осевых турбинах.
Направляющий аппарат турбины охватывает рабочее колесо по всей окружности. Его лопатки могут поворачиваться около своих осей, закрепленных в верхнем и нижнем опорных кольцах. Он совмещает в себе и регулирующий орган турбины, так как при повороте лопаток изменяется просвет между ними, и подаваемый к рабочему колесу расход воды. Все лопатки направляющего аппарата поворачиваются одновременно на один угол. Сблизив их. можно прекратить доступ воды на рабочее колесо и остановить его.
Сверху реактивная турбина имеет крышку, через которую пропущен вал рабочего колеса.
Регулирование турбин. Для обеспечения нормальной работы генератора необходимо поддерживать постоянным число его оборотов. а следовательно, и число оборотов турбины. Максимальные допустимые в практике отклонения от нормального числа оборотов турбины в ту или другую сторону не превосходят 5—6%.
Время полного открытия или закрытия турбины колеблется от 3 до 8 с в зависимости от мощности масляного сервомотора автоматического регулятора.
Понятие о коэффициенте быстроходности. Основной характеристикой турбины является ее быстроходность. Быстроходность любой турбины характеризуется коэффициентом быстроходности. т. е. числом оборотов, даваемых геометрически подобной ей
турбиной моделью, которая развивает мощность в 1 л. с. при напоре 1 м (подобные турбины имеют одну и ту же форму и число лопаток, отличаясь лишь размерами).
В теории гидравлических двигателей выводится такое выражение для коэффициента быстроходности турбины:
где пs — коэффициент быстроходности; п число оборотов турбины в минуту; N — мощность, л. с.; Н -напор, м.
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы расход воды через турбину в каждый момент соответствовал мощности, отдаваемой генератором, что достигается путем поворота лопаток направляющего аппарата. При нарушении этого соответствия и уменьшении нагрузки генератора турбина, обладая излишней мощностью, пойдет в разгон; при увеличении нагрузки турбина из-за недостатка мощности не в состоянии будет обеспечить генератору нормальное число оборотов, из-за чего последний не даст нормального напряжения и потребной мощности. Изменение открытия лопаток направляющего аппарата турбин на ГЭС производится автоматически, с помощью автоматического регулятора без вмешательства обслуживающего персонала.
Из формулы (32) видно, что число оборотов турбины прямо пропорционально коэффициенту быстроходности при данных напоре и мощности:
(33)
Таким образом, для получения большого числа оборотов при одном и том же напоре необходимо применять более быстроходные турбины.
Из формулы (32) также видно, что при данном числе оборотов и мощности с увеличением напора коэффициент быстроходности падает.
Следовательно, каждый тин турбин, отличающийся своей быстроходностью, применим только при определенных напорах.
Основные типы турбин характеризуются следующими коэффициентами быстроходности ns:
Ковшовые................................................................................................................... 4—24
Радиально-осевые тихоходные 50—150
Радиально-осевые нормальные 150 250
Радиально-осевые быстроходные 250 150
Пропеллерные и поворотно-лопастные 300-1000
С увеличением быстроходности уменьшаются размеры турбин. Однако выбор турбин производится не только по признаку быстроходности; существуют дополнительные условия, связывающие величину напора Н и коэффициент быстроходности п, например, кавитация.
Кавитация — сложное физическое явление, возникающее при обтекании лопастей турбин водным потоком с большими скоростями. сопровождаемое их пульсациями, вызывающими местные гидравлические удары, приводящие к коррозии металла, его усталости и разрушению. С учетом явлений кавитации поворотно-лопастные и пропеллерные турбины могут использоваться при напорах 25 30 м и ниже, причем турбины с п= 700-800 применяются при напорах ниже (5 -7 м. Радиально-осевые турбины устанавливаются при напорах 25 300 м; с увеличением напора применяются рабочие колеса меньшей быстроходности. При напорах выше 300—350 м устанавливаются только ковшовые турбины.
Характеристики турбин. Эксплуатационные качества турбины определяются величиной ее к. п. д. во всем диапазоне изменения расхода и напора ГЭС. У разных типов турбин в зависимости от изменения напора и расхода ГЭС к. п. д. меняется по-разному. Чтобы судить о том. как меняется к. п. д. турбины, производит испытание моделей турбин в лаборатории. Модель турбины представляет собой точную копию действительной турбины. но уменьшенного размера. На модельной установке снимаются различные характеристики турбин.
Если на графике по оси абсцисс отложить расходы (или мощности) турбины в процентах от максимального при постоянном напоре, а по оси ординат — соответствующие к. п. д. в процентах и через полученные точки провести линию, получится кривая, которая называется расходной характеристикой турбины (рис. 5.8). Нанеся на один график характеристики разных типов турбин, можно судить о достоинствах и недостатках того или другого их типа в работе при переменном расходе.
Так, из приведенных характеристик видно, что высокий к. п. д. на большей части диапазона изменения мощности (расхода) сохраняется только у поворотно-лопастных реактивных и струйно-ковшовых активных турбин. Радиально-осевые турбины по своим характеристикам занимают промежуточное положение между поворотно-лопастными и пропеллерными.
Из рис. 5.8 видно, что все турбины на малых мощностях работают с низким к. п. д., поэтому работать в этой зоне не рекомендуется.
У радиально-осевых и пропеллерных турбин в зоне больших мощностей к. п. д. начинает резко уменьшаться, в силу чего дальнейшее увеличение расхода может привести не к увеличению мощности, а к ее снижению. Поэтому и в зоне больших мощностей область работы этих турбин ограничивают.
Полная картина изменения к. п. л. турбины в зависимости от изменения мощности и напора лается на универсальных эксплуатационных характеристиках. На рис. 5.9 приведена такая характеристика для радиально-осевой турбины. По оси абсцисс отложены значения напоров, а по оси ординат соответствующие мощности. Линии разных открытии направляющего аппарата турбины на характеристике представлены наклонными лучами; на рисунке нанесены также линии равных значений к. п. д. По такой характеристике можно установить значение к. п. д. турбины при любом сочетании напора и мощности. Линия полного открытия даст представление о том. как изменяется максимальная возможная мощность турбины в связи с изменением напора. Из рис. 5.9 видно, что максимальный к. п. д., равный 0,87, достигается при открытии на 0.8 полного и при напоре 60—68 м.
Выбор числа турбин ГЭС.
Число водяных турбин, устанавливаемых на ГЭС, определяется сезонным колебанием расходов воды в реке, конфигурацией графика нагрузки, режимом работы ГЭС и строительно-экономическими соображениями. Оно должно быть выбрано так. чтобы при всех колебаниях расхода воды в реке ГЭС обеспечивала бы покрытие графика нагрузки или части его с наиболее высоким к. п. д.
Значительные колебания стока реки и графика нагрузки требуют увеличения числа агрегатов и уменьшения их мощности.
Зарегулированный расход реки и равномерный график нагрузки позволяют укрупнять агрегаты, уменьшая их число. Работа ГЭС совместно с другими электростанциями дает некоторую свободу в назначении режима гидроагрегатам и позволяет уменьшить их число.
При проектировании ГЭС учитываются псе перечисленные факторы и выбор числа агрегатов производится путем сравнительных подсчетов ряда вариантов с учетом энергетических, строительных (с точки зрения капитальных затрат) и эксплуатационных соображений, в результате которых принимается наиболее рациональный из них.
При выборе числа агрегатов ориентируются па ранее изготовлявшиеся машины, для того чтобы сократить расходы, связанные с разработкой технической документации и технологии изготовления.
В сверхмощных ГЭС при назначении числа агрегатов приходится считаться с предельной мощностью и размерами турбин, сообразуясь с техническими и технологическими возможностями их изготовления.
Типы установок водяных турбин.
Водяные турбины устанавливаются в специальных камерах, называемых турбинными, отсасывающей трубы к входному больше, чем у тихоходных. Выходные скорости в иен обычно не превышают 1,2—2,5 м/с и дают недоиспользование напора в размере от 5 до 30 см.
Отсасывающие трубы с кривым коленом для крупных и средних турбин выполняются обычно железобетонными, а для малых турбин — металлическими (прямые конические). Выбору рациональных форм их уделяется большое внимание, и завод поставщик турбины, гарантирующий ее к. п. д.. задает окончательные размеры и формы спиральной камеры и отсасывающей трубы, являющиеся совершенно обязательными при строительстве. На современных крупных ГЭС электрогенератор всегда помещается на одном валу с турбиной, так как они имеют одинаковое число оборотов, и называется гидрогенератором.
