Как работают гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанция (ГЭС) представляет собой сложную систему сооружений и оборудования для получения электрической энергии из энергии воды [4]. Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, преобразующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины). Использование энергии потока в наклонном русле является древнейшим способом утилизации водной энергии. Вначале использовалась лишь кинетическая энергия потока, то есть на реках не было никак подпорных сооружений. Колесо, снабженное плоскими лопастями, опускалось в текущую воду, и лопасти, подхватываемые течением, заставляли колесо вращаться. Схема работы такого простейшего гидродвигателя - водоподливное колесо – представлена на схеме (рис. 1, а). Здесь сила тяжести воды, текущей по наклоненному руслу, использовалась для создания скорости в потоке [7].

Рис. 1. Схема работы: а) водоподливного и б) водоналивного колеса. 1 – наклонное русло реки (а), лоток, подводящий воду (б); 2 – лопасти колеса; 3 – вал колеса

С глубокой древности применялось и водоналивное колесо. Здесь же она (тяжесть воды) приводит колесо во вращение, перемещая и непрерывно заполняя лотки колеса, то есть это колесо использует энергию положения потока. Если бы удавалось заполнять и опорожнять весь объём лотка в самом верхнем и нижнем положениях, то работа и мощность такого колеса равнялась бы работе и мощности потока. Практически этого сделать нельзя, так как вода не сразу заполняет лоток и начинает выливаться из него, не дойдя до нижней точки, то есть используемая энергия оказывается меньше. Водяные колеса, как двигатели, использующие кинетическую энергию потока по схеме 1,а и энергию положения по схеме 1,б, из-за невозможности применения их для получения значительных мощностей распространения не получили. Развитие пошло по пути поиска более совершенных преобразователей водной энергии, где используется напор потока, получивших название – турбины. Турбины разделяются на два класса – активные и реактивные [7].

Турбины, использующие только кинетическую энергию потока, рабочие органы которых работают без избыточного давления, открыто, называют активными. Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию давления, процесс преобразования энергии в которых происходит в замкнутых установках, называют реактивными [7].

Активные турбины.

В классе активных турбин наиболее распространенной системой являются ковшовые (турбины Пельтона, рис. 2) [7].

Рис. 2. Ковшовая турбина Пельтона

В ковшовой турбине вода из верхнего бьефа (1) подводится трубопроводом (2) к рабочему колесу (4) через сходящийся насадок – сопло (3). На выходе из сопла струя воды приобретает высокую скорость v. Скорость истечения струи из отверстия (сопла) v:

v = k ,

где k = 0,970-0,985 – коэффициент, характеризующий потери напора в проточной части турбины и на выходе из сопла [7].

Рабочее колесо ковшовой турбины расположено в воздушном пространстве. Оно снабжено ковшеобразными лопастями (ковшами) (7), каждая из которых последовательно принимает на себя высокоскоростную струю. Внутри сопла (3) имеется регулирующая игла. Игла перемещается вдоль оси потока и меняет диаметр выходящей из сопла струи, регулируя расход воды (мощность). Для быстрого отвода струи от рабочего колеса в ковшовой турбине имеется отклонитель (6). Рабочее колесо, сопло и отклонитель заключены в закрытый кожух (5). Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает в отводящий канал (нижний бьеф). В настоящее время выпускаются ковшовые турбины с несколькими соплами на одной турбине [7].

Реактивные турбины.

Особенности реактивных турбин: расположение рабочего колеса полностью в воде и одновременный подвод воды ко всем лопастям турбины.      

Параметры турбин являются: напор (Н), расход (Q), мощность (N). Вода из верхнего бьефа через водозабор (водоприёмник) по напорному подводящему турбинному водоводу и спиральную камеру подводится к рабочему колесу турбины под давлением. На рабочем колесе поток теряет большую часть своей энергии и отводится через камеру рабочего колеса и отсасывающую трубу в нижний бьеф [7].

Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях H и Q называют номинальной. Минимальная мощность соответствует Н мин. Частота вращения в установившемся режиме n (об/мин) и диаметр рабочего колеса D_I (м) являются параметрами, определяемыми для выбора турбин. Получение трехфазного тока частотой 50 Гц - синхронная частота вращения, необходимая для работы турбин в России[7].

Рабочее колесо связано со всеми узлами турбины, с параметрами проектируемого агрегата и ГЭС в целом, в проточной части определяет  КПД и надёжность агрегата [7].

 Гидроэлектрические дамбы-эти машины блокируют движение реки и создают большой резервуар, в котором образуется давление. Оно приводит в движение турбины, которые производят электричество. Вместо дыма они обеспечивают давление воды- это главное для работы плотины.

Плотина забирает воду из резервуара через впускные башни. Вода затягивается вниз под действием силы тяжести: , где 9,8 .Пока она опускается, давление воды увеличивается: - давление жидкости, где -плотность, h-высота(глубина), g 9,8 - ускорение свободного падения. Чем глубже, тем выше давление воды. На значительной глубине оно составляет 100000 . Вода под давлением поступает из впускных тоннелей в конусообразные трубы. Здесь образуется мощный поток воды, который врывается в турбины. Но для того, чтобы управлять производимой электроэнергией, надо контролировать этот мощный поток. Шлюзовые ворота открываются и закрываются для того, чтобы изменить количество воды, вращающейся в турбинах.

Вал соединяет каждую турбину с генератором. Он содержит комплект электромагнитов, которые вертятся в медной обмотке. Вращающееся магнитное поле выталкивает электроны из витков металла, и это создаёт электрический поток.

У этого сооружения 17 турбинно-генераторных установок, которые отправляют полученное электричество на трансформаторы, откуда уже по проводам электроэнергию получают люди.