Статьи / Основы гидроэнергетики. Классификация гидротурбин

Полезные материалы для участников Олимпиады
Блог РусГидро

Завершив рассказ о плотинах, перейдем к тому оборудованию, ради которого плотины и создают напор воды – к гидравлическим турбинам (гидротурбинам). Сегодня мы поговорим о классификации, принципе работы и основных элементах гидротурбин; в последующих сообщениях мы более подробно остановимся на гидротурбинах различных типов.


Рабочее колесо поворотно-лопастной турбины

Прообразом гидротурбин можно считать водяные колеса, старейшие из которых (нории) возникли еще в древнем Египте. Развитие гидротурбин в том виде, в котором мы их знаем, началось в 19 веке – в 1855 году американец Френсис изобрел радиально-осевую турбину, в 1887 году немецкий инженер Финк придумал направляющий аппарат с поворачивающимися лопатками. Самая «молодая» из распространенных гидротурбин – диагональная, патент на нее был получен в 1932 году.


Рабочее колесо турбины ГЭС Адамса на Ниагарском водопаде. Между прочим, 1895 год.

По принципу работы, все гидротурбины разделяются на два сильно отличающихся класса – активные и реактивные. Рабочее колесо реактивных турбин полностью погружено в поток воды, в активных же турбинах рабочее колесо работает при атмосферном давлении и приводится в действие отдельными струями воды. Большинство гидротурбин – реактивные, из активных широкое распространение получили только ковшовые турбины, использующиеся в специфических условиях – при очень высоких напорах.


Бывают и вот такие турбины, хотя это редкая экзотика. Фото отсюда

Второй классифицирующий признак гидротурбин – ориентация их вала. Используются турбины как с вертикальным, так и с горизонтальным положением вала. По ряду причин технического и экономического характера, горизонтальное расположение вала применяется в первую очередь на малых ГЭС (исключение – горизонтальные капсульные гидроагрегаты, устанавливающиеся и на крупных ГЭС).


Ковшовая гидротурбина с горизонтальным расположением вала. Фото отсюда

Гидротурбина состоит из нескольких основных элементов, состав и расположение которых на разных типах турбин может различаться. Для примера, рассмотрим конструкцию наиболее распространенной радиально-осевой турбины с вертикальным положением вала.

Взято отсюда


Еще одна картинка, на ней лучше видна принципиальная схема направляющего аппарата. Взято отсюда

Самая большая и ответственная деталь гидротурбины – рабочее колесо. Именно оно, взаимодействуя с водным потоком, приводится во вращение и вращает вал, на который оно и насажено. Вал, в свою очередь, приводит во вращение гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Главный элемент рабочего колеса – лопасти, которые в разных типах турбин могут быть как закреплены неподвижно, так и иметь возможность разворота.


Рабочее колесо радиально-осевой турбины.

Доступ воды в турбину регулирует направляющий аппарат. Основной его элемент – особой формы лопатки, которые могут поворачиваться и изменять количество поступающей в турбину воды, вплоть до полного перекрытия ее доступа. Таким образом, осуществляется пуск и остановка турбины, а также изменение ее мощности.


Лопатка направляющего аппарата.

Направляющий аппарат монтируется на статоре, внутрь которого помещается рабочее колесо. Сверху монтируется крышка турбины, предотвращающая попадание воды на генератор. Вокруг статора размещается спиральная камера, или как ее часто называют – «улитка». Ее задача – обеспечить равномерную подачу воды на лопасти турбины со всех ее сторон. Отработавшая вода сбрасывается в нижний бьеф через отсасываю трубу. Вот собственно и вся гидротурбина.


Статор (на переднем плане) и спиральные камеры.

Наиболее распространенными в настоящее время являются осевые турбины (поворотно-лопастные, пропеллерные, двухперовые), радиально-осевые, диагональные и ковшовые турбине. Несколько особняком стоят насос-турбинные установки, устанавливаемые на гидроаккумулирующих электростанциях; по конструкции, они бывают радиально-осевыми и диагональными. Каждый тип турбин оптимален для определенного сочетания расходов воды и напоров, хотя в ряде случаев их диапазоны пересекаются и соответственно для одной ГЭС могут быть выбраны турбины разных типов.

Взято отсюда