Содержание
Классификация гидравлических турбин
В
сентябрьском номере газеты «Энерговектор» за 2013 г. мы уже рассматривали
основные виды гидроэлектростанций. Сегодня хотелось бы вернуться к этой теме,
вспомнить историю развития гидроэнергетики и более подробно остановиться на
вопросе эффективности применения различных гидравлических турбин в зависимости
от конкретных условий работы — напора, мощности потока, вида плотины.
От Древнего
Китая до XXI века
С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать
энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные
мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы
появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно
широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во
времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного
дела на Урале.
Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов,
поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных
насосов и других машин.
Сегодня водяные мельницы крутятся в основном для туристов
Для дальнейшего развития промышленности потребовалось
создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века
и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было
создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи
валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.
Современные гидравлические турбины по принципу
подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.
- Осевые
(турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в
осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с
осью вращения рабочего колеса.
- Радиально-осевые
(турбина Френсиса). В этих
турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным
линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса,
а затем изменяет свое направление с радиального на осевое. - Ковшовые
(турбина Пелтона), поток воды в которых
поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к
рабочему колесу.
По второму способу классификации гидравлических
турбин — в зависимости от изменения давления воды — различают реактивные
турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).
Большинство гидравлических турбин являются
реактивными и подходят для работы при низком (
Осевые
турбины
На самых низких напорах (от 5 м) применяют пропеллерные
турбины, которые наиболее быстроходны, что позволяет при малых скоростях потока
получать достаточно высокую скорость вращения.
Высокие обороты турбины, в свою очередь, позволяют применять более
быстроходные, а значит, более лёгкие и дешёвые электрогенераторы. Пропеллерные
турбины наиболее эффективны при постоянных напоре
и расходе воды, а при значительных колебаниях напора и работе генератора на переменную
нагрузку оправдано применять поворотно-лопастные турбины Каплана, в которых
мощность регулируется поворотом не только лопаток направляющего аппарата, но и
рабочего колеса, что помогает поддерживать высокий КПД (более 90%).
Колесо поворотно-лопастной турбины, отработавшей
на Угличской ГЭС 70 лет
Число лопастей на рабочем колесе турбины зависит от
величины напора — чем выше напор, тем больше их число. Четырёхлопастные колёса
применятся для напоров от 5 до 20 м,
при напорах от 20 до 60 м
устанавливают рабочие колёса с 5-8 лопастями.
В нашей стране развитию поворотно-лопастных турбин
уделялось большое внимание.
Первые четыре турбины этого типа были установлены
на Нижнесвирской ГЭС в 1933-1935 гг., и две из них работают до сих пор. Турбины
построенных позднее Угличской и Жигулёвской ГЭС на момент пуска были
крупнейшими в мире. Одними из самых крупных в мире поворотно-лопастных турбин стали
турбины сербско-румынской ГЭС Джердап I на Дунае, изготовленные на
Ленинградском металлическом заводе. Их единичная мощность — около 200 МВт.
Детище
Френсиса
В отличие от равнинных ГЭС России, где доминируют
поворотно-лопастные турбины, по всему миру более распространены турбины
Френсиса, напоминающие большие диски с
изогнутыми лопастями. Рабочее колесо такой турбины состоит из ступицы, верхнего
и нижнего ободьев, а также лопаток, которые неподвижно
прикреплены к ним. Конструкция рабочего
колеса, не содержащая движущихся деталей, с одной стороны, очень прочна, что
позволяет турбине работать при весьма высоких напорах.
С другой стороны, невозможность
поворота лопаток приводит к наличию в графике нагрузки зон с низким КПД, а
также зон с повышенной вибрацией, работа в которых не рекомендуется.
Радиально-осевая турбина Френсиса способна работать
при больших напорах
Турбины Френсиса, как правило, располагают у
основания плотины. Для подвода воды к малым радиально-осевым гидротурбинам при
небольших величинах напора применяют открытые подводящие камеры. А к
гидротурбинам средних и больших мощностей вода подводится через закрытые
спиральные камеры. Профили сечений спиральной камеры подбираются так, чтобы вода
равномерно, по всей окружности, поступала к направляющему аппарату, а из него -
на рабочее колесо.
Турбина и направляющий аппарат целиком помещаются под
водой, и только регулирующий вал, который помогает открывать лопатки
направляющего аппарата, выходит в машинный зал.
Современные радиально-осевые турбины могут использоваться
при напорах от 20 до 700
метров (но наиболее оптимальны средние напоры от 50 до 300 метров), а их
выходная мощность колеблется в диапазоне от нескольких киловатт до гигаватта.
Крупнейшие в мире радиально-осевые турбины
установлены на американской ГЭС «Гранд Кули». Их максимальная мощность
составляет 805 МВт. Турбины единичной мощностью 1000 МВт проектировались для
Эвенкийской ГЭС, так что потенциально мы ещё можем вырваться вперёд.
Изобретение
Пелтона
На самых больших напорах воды применяют ковшовые
турбины (см. рисунок). Изобрёл их в 1870-х годах американский инженер Аллан Пелтон.
Первая турбина Пелтона была установлена в 1878 г. и использовалась для
прямого привода насосов и других механизмов в золотоносной шахте в Неваде. В 1887 г. на другой шахте решили
использовать электродвигатели, для чего к турбине Пелтона присоединили
генератор — это и была первая ГЭС с ковшовой турбиной.
Колесо турбины Пелтона эффективно преобразует импульс водяных струй
во вращательное движение
В ковшовых турбинах вода подаётся через сопла по
касательной к окружности, на которой расположены середины ковшей.
Проходящая
через сопло вода собирается в струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о
лопатку турбины, таким образом, приводя рабочее колесо в движение. После отхода
одной лопатки под струю попадает другая. Рабочее колесо турбины вращается в
воздухе при нормальном атмосферном давлении, в отличие от осевых и
радиально-осевых турбин, работающих под водой.
Лопатки турбины Пелтона имеют двояковогнутую форму с
острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего
использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 м (чаще всего — 300-500 м
и более). Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250
МВт. Как правило, ГЭС с турбинами Пелтона построены по деривационной схеме,
поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично.
В практике российского гидротехнического
строительства ковшовые турбины не получили широкого распространения, в
настоящее время действуют всего 5 малых ГЭС с турбинами Пелтона.
Одна из таких
ГЭС — Малая Краснополянская ГЭС на р. Бешенка, которая принадлежит ООО
«ЛУКОЙЛ-Экоэнерго». Станция была пущена в эксплуатацию в 2005 г. и имеет мощность 1,5
МВт. В здании станции установлен один горизонтальный гидроагрегат.
Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на
швейцарской ГЭС Бьедрон, их единичная мощность — 423 МВт. Эта же ГЭС считается мировым
рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1869 м. До её ввода в строй в 1998 г.
в течение 40 лет первенство по напору принадлежало австрийской ГЭС Рейсек — 1773 м.
* * *
Гидроэлектростанции, как и другие источники
возобновляемой энергии, подвержены влиянию окружающей среды. Зависимость от внешних
условий особенно ярко проявляется на малых ГЭС: расход на небольших водотоках
может изменяться быстро и непредсказуемо. Поэтому гидравлические турбины на малых
ГЭС необходимо подстраивать под постоянно изменяющиеся условия.
О таких
гидравлических турбинах мы расскажем в одном из следующих выпусков газеты.
Источник: Энерговектор
Регулирование гидротурбин | Гидравлическое оборудование ГЭС и его монтаж
Страница 23 из 83
6. РЕГУЛИРОВАНИЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПО СКОРОСТИ
Процесс регулирования изодромным регулятором, когда центробежный маятник отзывается на изменение скорости вращения агрегата в случае уменьшения нагрузки на генератор, происходит в следующем порядке (рис. 4-2).
При установившемся режиме гидроагрегата и постоянной скорости его вращения муфта центробежного маятника, рычаг ОАВ и распределительный золотник будут находиться в среднем положении. Если нагрузка на генератор уменьшится, то скорость вращения гидроагрегата будет увеличиваться, повысится также скорость вращения центробежного маятника, что вызовет перемещение его муфты вверх. Рычаг ОАВ повернется при этом вокруг точки А, займет новое положение О’АВ’ и своим концом сдвинет распределительный золотник вниз.
Масло поступит в правую полость сервомотора, и поршень его передвинется влево, уменьшая открытие направляющего аппарата, что соответственно снизит расход воды через турбину и уменьшит скорость вращения. Одновременно поршень сервомотора через масляный катаракт, который в первый момент будет работать как жесткая связь, так как масло не успеет перетечь через дроссельные отверстия, начнет перемещать вверх точку А рычага. Рычаг в положении О’АВ’, поворачиваясь вокруг точки О’, будет сжимать пружину катаракта и возвращать распределительный золотник вверх, к среднему положению. Рычаг при этом займет положение О’В. Но пружина катаракта будет стремиться занять свое первоначальное положение, возвращая точку А вместе с поршнем катаракта в среднее положение.
При движении точки А вниз рычаг будет поворачиваться вокруг муфты маятника и перемещать распределительный золотник снова вниз, на закрытие направляющего аппарата. Процесс регулирования завершится только тогда, когда поршень катаракта и распределительный золотник возвратятся в первоначальные положения.
При этом скорость вращения агрегата установится нормальной, а направляющий аппарат займет положение, в котором мощность турбины будет соответствовать новой нагрузке генератора.
Регулирование при увеличении нагрузки на генератор выполняется аналогично регулированию при уменьшении нагрузки, только перемещения механизмов регулирующей системы происходят в обратном порядке.
7. РЕГУЛИРОВАНИЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПО СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЮ
При регулировании по скорости центробежный маятник отзывается на изменение скорости агрегата, и муфта маятника в этом случае перемещается пропорционально изменению скорости вращения. В такой системе регулятор начинает действовать не одновременно с мгновенным изменением нагрузки генератора, а с некоторым запаздыванием и при частичном открытии окон распределительного золотника. Это приводит к некоторому отставанию начала действия системы регулирования.
С целью устранения такого замедления в современных системах регулирования иногда применяют регуляторы, отзывающиеся не только на изменение скорости вращения, но и на ускорение этого вращения при изменении нагрузки на агрегат.
В первый момент процесса регулирования ускорение сразу же приобретает максимальное значение, тогда как изменение скорости в это время равно почти нулю. Отзываясь на максимальное ускорение, регулятор сразу же открывает окна распределительного золотника на значительную величину. Следовательно, поршень сервомотора регулирующего органа начнет перемещаться в нужном направлении еще до того, как изменение скорости вращения агрегата и центробежного маятника достигнет некоторой величины, необходимой для соответствующего открытия окон распределительного золотника.
Главным преимуществом таких регуляторов является то, что при резком изменении нагрузки временное изменение скорости вращения агрегата значительно меньше, чем в схеме регулирования только по скорости. Заметно уменьшается также величина повышения давления в подводящем трубопроводе при гидравлическом ударе, возникающем после сброса нагрузки.
В схемах регулятора по скорости и ускорению, помимо обычного центробежного маятника (измерителя скорости), применяется устройство, измеряющее ускорение, называемое инерционным измерителем ускорения.
8. ДВОЙНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ГИДРОТУРБИН
В поворотнолопастных и ковшовых гидротурбинах имеются два регулирующих органа, и мощность, развиваемая турбиной, определяется положением каждого из них. Одна и та же величина мощности турбины может быть получена при различных сочетаниях положений ее регулирующих органов, однако для каждого установившегося режима работы существует наивыгоднейшее взаимное их расположение. Оптимальную зависимость между положением регулирующих органов при различных установившихся режимах работы турбины называют комбинаторной зависимостью. Для поворотнолопастных гидротурбин это — зависимость между открытием направляющего аппарата и углом разворота лопастей рабочего колеса, а для ковшовых — зависимость между положением иглы сопла и отклонителем струи. Группу механизмов системы двойного регулирования, координирующих взаимное положение сервомоторов регулирующих органов, называют комбинатором.
Комбинатор представляет собой клин или кулачок с криволинейным профилем, который кинематически связан с поршнем сервомотора направляющего аппарата турбины и перемещается одновременно с открытием или закрытием направляющего аппарата.
На клин или кулачок опирается рычаг с роликом, связанный с золотником регулятора. Кроме комбинатора, система двойного регулирования дополнительно снабжается сервомотором, управляющим вторым регулирующим органом и распределительным золотником.
Рис. 4-3. Схема двойного регулирования поворотнолопастной гидротурбины.
Комбинаторная зависимость, соответствующая наивыгоднейшему к. п. д. турбины, должна изменяться соответственно изменению напора станции. Такие изменения зависимости, называемые настройкой комбинатора по напору, осуществляются пространственным изменением формы кулачка комбинатора.
В поворотнолопастных гидротурбинах направляющий аппарат и лопасти рабочего колеса приводятся в движение отдельными сервомоторами. Сервомотор направляющего аппарата, действующий, как правило, быстрее сервомотора рабочего колеса, используется как ведущий. Он управляется непосредственно от воздействия маятника, а сервомотор рабочего колеса является ведомым, и им управляет комбинатор в зависимости от положения направляющего аппарата.
На рис. 4-3 представлена принципиальная схема двойного регулирования поворотнолопастной турбины. Действие этой системы регулирования при частичном сбросе нагрузки происходит в следующем порядке. В результате повышения скорости вращения агрегата маятник 1 перемещает золотник 2 вверх и поршень сервомотора 3 будет передвигаться влево, закрывая направляющий аппарат турбины. Одновременно поршень катаракта 4 смещается вверх, осуществляя изодромную обратную связь, а механизм остающейся неравномерности 5 передвигает вверх правое плечо рычага 6. При этом ролик комбинатора 7 смещается по кулачку 8 вниз. Перемещение ролика вниз приводит к перемещению вниз золотника 9, вследствие чего поршень сервомотора 10 будет двигаться вверх, уменьшая разворот лопастей рабочего колеса и приводя к среднему положению золотник 9 с помощью рычага обратной связи 11.
В результате этих действий механизмов регулирования направляющий аппарат и лопасти рабочего колеса двигаются на закрытие, и скорость вращения агрегата начинает уменьшаться из-за снижения скорости вращения маятника и действия обратной связи.
Золотник 2 возвращается в среднее положение и перемещается далее вниз, вследствие чего поршень сервомотора 3 начнет двигаться вправо на открытие направляющего аппарата, а комбинатор будет разворачивать лопасти рабочего колеса на открытие. Далее происходят затухающие колебания системы регулирования. Изменение установившейся скорости вращения агрегата вручную или дистанционно может осуществляться механизмом 12.
Рис. 4-4. Схема двойного регулирования ковшовой гидротурбины.
В ковшовых гидротурбинах при сбросах нагрузки на генератор быстрое закрытие регулирующего органа — игольчатого сопла для уменьшения мощности турбины недопустимо из-за возникновения гидравлического удара в напорном трубопроводе. Поэтому резкое снижение мощности в этих турбинах осуществляется специальным быстродействующим отсекателем струн, который отклоняет струю, направляя ее мимо лопаток рабочего колеса. Для быстрого уменьшения мощности необходимо, чтобы отсекатель включался в работу как можно быстрее, следовательно, рабочая кромка его должна находиться вблизи от поверхности струн.
Диаметр же струн не является постоянным и зависит от мощности турбины, т. е. от положения иглы, поэтому положение отсекателя тоже не является постоянным. Согласование наивыгоднейших положений рабочей кромки отсекателя и иглы сопла производится комбинатором.
На рис. 4-4 представлена наиболее распространенная принципиальная схема регулирования ковшовой, гидротурбины. В этой схеме ведущим является более быстродействующий сервомотор отсекателя. Передача изодромной связи идет от этого же сервомотора, а сервомотор иглы сопла управляется комбинатором.
В рассматриваемой схеме после значительного сброса нагрузки и повышения скорости вращения турбины маятник 1 через систему рычагов смещает золотник 2 вверх и сервомотор 3, двигаясь вправо, начинает перемещать отсекатель 4 на закрытие, одновременно перемещая ролик по клину комбинатора 5 вниз. При этом рычаг 6 смещает золотник 7 вниз, вследствие чего сервомотор 8 перемещает иглу сопла 9 на закрытие.
Передача обратной связи через катаракт 10 смещает золотник 2 вниз к среднему положению.
При этом скорость вращения турбины, достигнув некоторого максимума, начнет снижаться.
Далее золотник 2, пройдя среднее положение и идя вниз, начнет смещать сервомотор 3 на открытие и отсекатель станет выходить из струи, увеличивая мощность турбины. Происходит ряд затухающих колебаний системы регулирования, и скорость вращения турбины приближается к нормальной. По окончании регулирования скорость вращения турбины установится в соответствии с положением рычага 11, перемещаемого механизмом остающейся неравномерности 12 или механизмом изменения скорости вращения 13.
При малых колебаниях системы регулирования движения отсекателя не сказываются на изменении мощности турбины, так как перемещения режущей кромки отсекателя происходят вне струи. Изменение мощности турбины производится лишь перемещением иглы сопла.
В случаях резкого увеличения нагрузки отсекатель лишь дальше отходит от струи, а повышение мощности турбины происходит благодаря движению иглы сопла на открытие.
- Назад
- Вперёд
турбина | Определение, типы и факты
ветряные турбины
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Жан-Виктор Понселе
- Похожие темы:
- газотурбинный двигатель
ветряная мельница
мощность удельная скорость
паровая турбина
водяная турбина
Просмотреть весь соответствующий контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
турбина , любое из различных устройств, преобразующих энергию потока жидкости в механическую энергию. Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему стационарных каналов или лопастей, которые чередуются с каналами, состоящими из реберных лопастей, прикрепленных к ротору. Организовав поток таким образом, что тангенциальная сила или крутящий момент воздействует на лопасти ротора, ротор вращается и совершается работа.
Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер.
Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслуживать отдельного описания.
Водяная турбина использует потенциальную энергию, возникающую из-за разницы высот между водохранилищем выше по течению и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий канал), для преобразования этого так называемого напора в работу. Водяные турбины являются современными преемниками простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.
Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрическими генераторами. Турбины приводятся в движение паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в атомном генераторе. Энергию, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии на турбине. Энтальпия отражает как тепловую, так и механическую формы энергии в процессе течения и определяется как сумма внутренней тепловой энергии и произведения давления на объем.
Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с температурой и давлением парогенератора и с пониженным давлением на выходе из турбины.
Викторина «Британника»
Энергия и ископаемое топливо
От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.
Для газовых турбин энергия, извлекаемая из жидкости, также может быть выражена через изменение энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры на турбине. В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания. Большинство газотурбинных двигателей включают как минимум компрессор, камеру сгорания и турбину. Обычно они монтируются как единое целое и работают как полный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу.
Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать все устройство, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбину. По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье как двигатели внутреннего сгорания.
Энергия ветра может извлекаться с помощью ветряной турбины для производства электроэнергии или для откачивания воды из колодцев. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важными источниками энергии с позднего средневековья до 19 века.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Fred Landis
Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реактивные турбины, обычно используемые для напора менее 450 метров и умеренного или высокого скорости потока. Эти два класса включают в себя основные широко используемые типы, а именно импульсную турбину Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсиса, пропеллерные, Каплана и Дериаза.
Турбины могут быть расположены как с горизонтальным, так и, чаще, с вертикальным валом. Для каждого типа возможны широкие конструктивные изменения для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.
Импульсные турбины
В импульсных турбинах потенциальная энергия, или напор воды, сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло правильной формы. Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ковши, закрепленные на периферии рабочего колеса, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.
Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная струя воды ударяется о лопатки турбины по касательной. Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется так, что желоб остается с обеих сторон.
Колеса пелтона подходят для высокого напора, обычно более 450 метров, при относительно низком расходе воды. Для максимальной эффективности скорость кончика литника должна равняться примерно половине скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.
Мощность данного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Двухструйные устройства являются общими для горизонтальных валов. Иногда на один вал монтируются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.
Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора. Скорость потока через каждую форсунку регулируется расположенным в центре копьем или иглой тщательной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.
Надлежащая конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из форсунки, остается практически неизменной независимо от отверстия, что обеспечивает почти постоянную эффективность в большей части рабочего диапазона. Нецелесообразно резко уменьшать расход воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидравлическому удару) в подающем трубопроводе или затворе. Таких всплесков можно избежать, добавив временное разливное сопло, которое открывается, когда основное сопло закрывается, или, что чаще, частично вставляя дефлекторную пластину между струей и колесом, отводя и рассеивая часть энергии, пока игла медленно закрывается.
Еще один тип импульсной турбины — турботурбина. Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает движение по единственному пути, выходя с другой стороны бегуна. Этот тип турбины использовался в агрегатах среднего размера с умеренно высоким напором.
Реактивные турбины
В реактивной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются реакцией ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления.
Принцип реакции можно наблюдать в ротационном дождевателе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении. Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочих колес реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и скоростей потока, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный входной корпус с регулирующими заслонками для регулирования расхода воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Энергия воды впоследствии извлекается в роторе.
Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерного типа. В турбинах Каплана с неподвижными лопастями и турбинах Каплана с регулируемыми лопастями (названных в честь австрийского изобретателя Виктора Каплана) через машину проходит осевой поток. Турбины типа Фрэнсиса и Дериаза (в честь американского изобретателя британского происхождения Джеймса Б.
Фрэнсиса и швейцарского инженера Пола Дериаза соответственно) используют «смешанный поток», когда вода входит радиально внутрь и выходит в осевом направлении. Рабочие лопатки на турбинах Фрэнсиса и винтовых турбинах состоят из неподвижных лопастей, тогда как в турбинах Каплана и Дериаза лопасти могут вращаться вокруг своей оси, которая находится под прямым углом к главному валу.
Типы гидротурбин | Департамент энергетики
Управление гидроэнергетических технологий
Учить больше
Программа гидроэнергетики
Основы гидроэнергетики
Зачем использовать гидроэнергетику?
История гидроэнергетики
Аккумулирующие гидроэлектростанции
Глоссарий по гидроэнергетике
Портал STEM по гидроэнергетике
Существуют два основных типа гидроэнергетических турбин: реактивные и импульсные.
Тип гидроэлектростанции, выбранный для проекта, зависит от высоты стоячей воды, называемой «напором», и расхода или объема воды с течением времени на участке.
Другие решающие факторы включают глубину установки турбины, эффективность турбины и стоимость. Вот некоторые из наиболее часто используемых турбин в Соединенных Штатах сегодня.
РЕАКЦИОННАЯ ТУРБИНА
Реакционная турбина вырабатывает энергию за счет объединенных сил давления и движущейся воды. Бегун помещается прямо в поток воды, позволяя воде течь по лопастям, а не ударять по каждой из них по отдельности. Реакционные турбины обычно используются на объектах с более низким напором и более высоким расходом и являются наиболее распространенным типом, используемым в настоящее время в Соединенных Штатах.
Двумя наиболее распространенными типами реактивных турбин являются пропеллерные (включая Каплана) и фрэнсисовские. Кинетические турбины также являются разновидностью реактивных турбин.
Пропеллерная турбина
Пропеллерная турбина обычно имеет рабочее колесо с тремя-шестью лопастями. Вода постоянно контактирует со всеми лезвиями.
Представьте себе лодочный винт, вращающийся в трубе. Через трубу давление постоянно; если бы это было не так, бегун потерял бы равновесие. Шаг лопастей может быть фиксированным или регулируемым. Основными компонентами, помимо бегунка, являются спиральный корпус, калитки и вытяжная труба. Существует несколько различных типов пропеллерных турбин:
Турбина в виде колбы : Турбина и генератор представляют собой герметичный блок, расположенный непосредственно в потоке воды.
Straflo : Генератор крепится непосредственно по периметру турбины.
Трубчатая турбина : Напорный трубопровод изгибается непосредственно перед или после рабочего колеса, обеспечивая прямолинейное соединение с генератором.
Турбина Каплана : И лопасти, и калитки регулируются, что позволяет использовать их в более широком диапазоне. Эта турбина была разработана австрийским изобретателем Виктором Капланом в 1919.
Турбина Фрэнсиса
Турбина Фрэнсиса была первой современной гидроэлектрической турбиной и была изобретена британо-американским инженером Джеймсом Фрэнсисом в 1849 году.
Турбина Фрэнсиса имеет рабочее колесо с неподвижными лопастями, обычно девять или более. Вода подается прямо над бегунком и вокруг него, которая затем падает, заставляя лопасти вращаться. Помимо бегунка, к другим основным компонентам относятся спиральный корпус, калитки и вытяжная труба. Турбины Фрэнсиса обычно используются для ситуаций со средним и высоким напором (от 130 до 2000 футов), хотя они также использовались и для более низкого напора. Турбины Фрэнсиса хорошо работают как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.
Кинетическая турбина
Турбины с кинетической энергией, также называемые безнапорными турбинами, вырабатывают электричество за счет кинетической энергии текущей воды, а не потенциальной энергии напора. Системы могут работать в реках, искусственных каналах, приливных водах или океанских течениях. Поскольку кинетические системы используют естественный путь водного потока, они не требуют отвода воды через искусственные каналы, русла рек или трубы, хотя они могут применяться в таких каналах.
Кинетические системы не требуют больших строительных работ, поскольку они могут использовать существующие конструкции, такие как мосты, отводы и каналы.
ИМПУЛЬСНАЯ ТУРБИНА
Импульсная турбина обычно использует скорость воды для перемещения рабочего колеса и производит выброс при атмосферном давлении. Струя воды ударяет в каждое ведро на бегунке. При отсутствии всасывания на нижней стороне турбины вода вытекает из нижней части корпуса турбины после удара по рабочему колесу. Импульсная турбина обычно подходит для приложений с высоким напором и низким расходом. Двумя основными типами импульсных турбин являются турбины Пельтона и турбины с поперечным потоком.
Турбина Пелтона
Турбина Пелтона была изобретена американским изобретателем Лестером Алланом Пелтоном в 1870-х годах. Колесо Пелтона имеет одну или несколько свободных форсунок, выпускающих воду в аэрируемое пространство и сталкивающихся с ковшами рабочего колеса. Турбины Пельтона обычно используются для очень высокого напора и низкого расхода.
Отсасывающие трубы не требуются для импульсной турбины, потому что рабочее колесо должно быть расположено выше максимального нижнего бьефа, чтобы обеспечить работу при атмосферном давлении.
Турбина с поперечным потоком
Оригинальная турбина с поперечным потоком была разработана Энтони Мичеллом, австрийским инженером, в начале 1900-х годов. Позже его усовершенствовал венгерский инженер Донат Банки, а немецкий инженер Фриц Оссбергер усовершенствовал его еще больше. Турбина с поперечным потоком имеет форму барабана и использует удлиненное сопло прямоугольного сечения, направленное против изогнутых лопаток на рабочем колесе цилиндрической формы. Напоминает воздуходувку в виде «беличьей клетки». Турбина с поперечным потоком позволяет воде проходить через лопасти дважды. При первом проходе вода течет снаружи лопастей внутрь; второй проход идет изнутри наружу. Направляющий аппарат на входе в турбину направляет поток в ограниченную часть рабочего колеса.
Турбина с поперечным потоком была разработана, чтобы выдерживать большие потоки воды и меньший напор, чем может выдержать Pelton.
ПОСМОТРЕТЬ ВСЕ
WPTO предоставляет возможность финансирования в размере 4 миллионов долларов США для продвижения технологий прохода и защиты рыбы
Возможность финансирования в размере 4 миллионов долларов США направлена на снижение воздействия гидроэнергетики на окружающую среду с помощью исследований для продвижения инновационных технологий прохода и защиты рыбы.
Учить больше
Новый отчет подчеркивает потребность гидроэнергетики в новых, разнообразных талантах
Гидроэнергетическая отрасль США сталкивается с надвигающейся волной выхода на пенсию, и новая, разнообразная рабочая сила имеет решающее значение для способности отрасли поддерживать текущие операции и расти. Узнайте об этих и других тенденциях и потребностях в рабочей силе гидроэнергетики.
Учить больше
Плывем к готовности к рынку: победители премии «Защита рыбы» продолжают совершенствовать свои технологии для модернизации гидроэнергетических сооружений
После получения премии «Защита рыбы» три команды продолжили разработку своих инновационных концепций, которые могут помочь модернизировать гидроэнергетические объекты и защитить рыбу от воды отводные трубы и водозаборы плотин по всей стране.
Учить больше
WPTO объявляет победителей второго этапа премии за оптимизацию эксплуатации гидроэнергетики
WPTO объявляет шесть победителей второго этапа премии за оптимизацию эксплуатации гидроэнергетики. Эти команды разработали высокотехнологичные решения для улучшения работы гидроэнергетики и устойчивости сети. Третий и последний этап розыгрыша приза открыт!
Учить больше
Исследование
показало, что гидроэнергетика обеспечивает надежное электроснабжение даже во время исторических засух
Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория при финансовой поддержке WPTO недавно завершила самое всестороннее исследование воздействия засухи на производство гидроэлектроэнергии в Соединенных Штатах в этом столетии.
Учить больше
Станьте менеджером гидроэнергетической программы WPTO!
WPTO ищет человека, который присоединится к ее команде в качестве менеджера гидроэнергетической программы! Узнайте больше о вакансии и подайте заявку не позднее 21 сентября 2022 года.
Учить больше
Гидроэнергетика делает больше, чем вы думаете: шесть вещей, которые нужно знать об этой электростанции, работающей на возобновляемых источниках энергии
Гидроэлектростанции вырабатывают энергию, используя перепад высот, создаваемый плотиной или водозаборной конструкцией. Вода течет в одну сторону и выходит в нижней точке, которая вращает турбину, приводящую в действие генератор. Узнайте шесть фактов о потенциале гидроэнергетики.
Учить больше
Образовательные ресурсы по гидроэнергетике для обеспечения потока энергии
В разгар школьного сезона WPTO предлагает ряд образовательных ресурсов для обучения учащихся всех возрастов гидроэнергетике и выделяет программы, разработанные для тех, кто собирается начать свою карьеру в сфере экологически чистой энергетики.