Раздел 4. Гидравлические турбины

Лекция 10. Классы гидротурбин — активные и реактивные. – Классификация гидротурбин, понятие о номенклатуре
и маркировке гидротурбин. – Направляющий аппарат реактивных гидротурбин. – Турбины одинарного и двойного регулирования. – Изменение лопастной решетки рабочего колеса при изменении напора

 

Известные в течение тысячелетий гидравлические двигатели — водяные колеса имели лопастные рабочие колеса, вращающиеся в воздухе под воздействием свободной водяной струи. Такими же по своему классу были и появившиеся более трехсот лет назад гидравлические турбины. Только более 150 лет тому назад появились турбины, у которых лопастное рабочее колесо было полностью погружено в поток. С точки зрения гидравлики упомянутые два класса гидротурбин существенно отличаются друг от друга.

В турбинах, названных активными (см. классификацию гидротурбин), рабочее колесо вращается в воздухе и только часть лопастей в данный момент времени находится во взаимодействии с водой. Поскольку на лопасти попадает свободная струя воды, она может отдать колесу только свою кинетическую энергию. В связи с этим скорость струи воды перед рабочим колесом должна быть максимально большой.

В реактивных турбинах по всей длине проточного тракта поток сплошной, напорный, рабочее колесо полностью погружено и вращается в воде и все его лопасти одновременно обтекаются потоком. Эти особенности реактивных турбин делают возможным использование рабочим колесом энергии давления и кинетической энергии. В связи с этим скорость потока перед входом на рабочее колесо даже при высоких напорах может быть сравнительно небольшой.

Под термином номенклатура в гидротурбостроении подразумевается заранее оговоренный ряд систем и типоразмеров гидротурбин, параметры которых, по возможности, покрывают весь возможный диапазон мощностей, напоров и расходов на гидроэлектростанциях. Номенклатурный ряд гидротурбин разрабатывается в каждой стране с учетом накопленного научного, технического и производственного опыта. Введение номенклатуры гидротурбин преследует две основные цели:

—сократить число систем и типов гидротурбин до минимума с тем условием, чтобы при этом была покрыта вся возможная область их применения на гидроэлектростанциях;

—за счет унификации заводского станочного парка и технологии изготовления максимально удешевить процесс производства гидротурбин при сохранении их высоких эксплуатационных свойств.

Первая номенклатура отечественных гидротурбин была разработана в 1948 г. и все дальнейшие этапы ее совершенствования наглядно отражают развитие отечественного гидротурбостроения.

Современная номенклатура вертикальных поворотно-лопастных осевых и радиально-осевых гидротурбин, разработанная в 1982 г., представлена с помощью комплекса нормативно-технических документов — стандартов, устанавливающих:

– типы, основные параметры и размеры гидротурбин;

– очертания проточной части поворотно-лопастных гидротурбин в области рабочего колеса и направляющего аппарата;

– типы и размеры профилей лопаток направляющего аппарата;

– типы и размеры металлических спиральных камер;

– типы и размеры бетонных спиральных камер;

– типы и размеры изогнутых отсасывающих труб;

– конструктивные схемы гидротурбин;

– предельную металлоемкость гидротурбин.

 

 

 

Рис. 10.1. Номенклатура осевых поворотно-лопастных и радиально-осевых турбин

 

Номенклатурный график представляет собой поле в логарифмических координатах напора и мощности, в котором размещены области применения отдельных типов гидротурбин, их максимальные и минимальные диаметры D ₁, рис. 10.1.

 

Маркировка отечественных гидротурбин включает 4 основных показателя:

1. Вид или система турбины — поворотно-лопастная ПЛ, пропеллерная Пр, поворотно-лопастная диагональная ПЛД (иногда — Д), пропеллерная диагональная ПрД, радиально-осевая РО, ковшовая К.

2. Тип турбины (максимальный напор / номер модели).

3. Тип компоновки — с вертикальной осью вращения В или горизонтальной Г (могут быть дополнительные сведения — конструкция турбинной камеры металлическая М или бетонная Б, турбина капсульная К, угол между осью вращения и осями поворота лопастей у Д-турбин, число струй у ковшовых турбин).

4. Диаметр рабочего колеса турбины D ₁ в см.

Примеры:

ПЛ15/826-ГК-550 — поворотно-лопастная на максимальный напор 15 м, заводская модель 826, горизонтальная капсульная D ₁ = 5,5 м;

ПЛД70-В-600 — диагональная ПЛ на максимальный напор 120 м, вертикальная, D ₁ = 6 м;

Д120/45-2556-В-600 — диагональная ПЛ на максимальный напор 70 м, модель 2556, угол между осью вращения и осями поворота лопастей 45º, D ₁ = 6 м;

РО115/810-ВМ-780 — радиально-осевая на максимальный напор 115 м, модель 810, вертикальная, с металлической спиральной камерой, D ₁ = 7,8 м;

К400-В6-300 — ковшовая, на максимальный напор 400 м, вертикальная, с шестью соплами, D ₁ = 3 м.

Регулирование расхода воды и мощности реактивных гидротурбин всех типов производится направляющим аппаратом (НА) (рис. 10.2), который состоит из 24-32 направляющих лопаток, которые образуют кольцевую решетку лопастей, создающую закрутку (циркуляцию) потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. За счет того, что все лопатки устроены с возможностью одновременного их поворота каждой вокруг своей оси на одинаковый угол, направляющий аппарат используется для регулирования расхода воды и мощности, развиваемой турбиной. При синхронном повороте всех лопаток на некоторый угол изменяется открытие а ₀ от некоторого максимального значения, рис. 10.2. При изменении углового положения лопаток НА изменяется не только расход воды, но и циркуляция потока перед рабочим колесом, при этом изменяется и взаимодействие потока с лопастями рабочего колеса, поэтому одновременно с мощностью изменяется и КПД турбины.

 

 

Рис. 10.2. Регулирование расхода турбины направляющим аппаратом

 

С целью сохранения эффективности (КПД) турбины при разных расходах около 100 лет тому назад было предложено устроить лопасти осевых турбин с возможностью поворота каждой из них вокруг своей оси на некоторый угол, одинаковый для всех лопастей. Таким образом, рабочие колеса реактивных турбин могут изготавливаться как с жестко установленными лопастями (пропеллерные осевые и диагональные, радиально-осевые), так и с поворотными лопастями (поворотно-лопастные осевые и диагональные). У первых режим работы, мощность и расход воды регулируются только открытием а ₀ направляющего аппарата. У вторых — как открытием направляющего аппарата, так и угловым положением лопастей рабочего колеса j₀. В последнем случае лопастная система рабочего колеса лучше приспособлена к потоку, формируемому направляющим аппаратом, и поэтому кпд таких турбин оказывается высоким в широком диапазоне мощностей и напоров. Турбины с поворотными лопастями рабочего колеса называются турбинами двойного регулирования. Турбины с жесткозакрепленными лопастями называются турбинами одинарного регулирования.

Форма рабочего колеса, главным образом, форма, число и конструкция лопастей, зависят от действующего на турбину напора, который определяет усилие со стороны потока на лопасть рабочего колеса. При небольших напорах и усилие на лопасть осевого рабочего колеса небольшое, поэтому лопасть может иметь большую площадь, она может иметь нетолстое корневое сечение в месте присоединения лопасти ко втулке, число лопастей небольшое (3-4), диаметр втулки минимальный. С увеличением напора усилие на лопасть возрастает, и, чтобы обеспечить ее прочность, ее площадь должна быть уменьшена, число лопастей увеличено, корневое сечение утолщено, диаметр втулки увеличен. При этом пропускная способность турбины сократится, а гидравлические характеристики колеса ухудшатся из-за необходимости размещения в потоке толстых, плохо обтекаемых корневых сечений. При предельном для осевых турбин напоре число лопастей достигает максимума (7), втулка, особенно у поворотнолопастных колес, где в ней должно размещаться много механизмов поворота лопастей, становится очень широкой, корневые сечения толстыми и, таким образом, дальнейшее распространение осевых колес на более высокие напоры становится конструктивно невозможным.

Сохранение достоинств турбин двойного регулирования при более высоких напорах возможно за счет применения вместо осевых колес диагональных, у которых подвод потока к колесу производится не в осевом направлении, а с периферии колеса. Однако тенденции изменения геометрической формы диагонального колеса при увеличении напора такие же, как и осевых колес, поэтому и у диагональных турбин есть пределы применимости по максимальному напору. Основной причиной ограничения диапазонов применения осевых и диагональных турбин по напору является та конструктивная особенность, что их лопасти устроены в виде консолей, прикрепленных одним концом к центральной втулке колеса.

Конструктивным путем распространения реактивных турбин на более высокие напоры является применение другой схемы прикрепления лопастей, то есть переход от консолей к балкам. Этот путь реализован в радиальноосевой турбине, где лопасти одним концом прикреплены к центральной втулке, а другим — к внешнему ободу. За счет этого радиально-осевые турбины могут применяться уже при напорах до 700 м, однако здесь теряется важное достоинство — лопасти уже не могут быть конструктивно изготовлены поворотными, и радиально-осевые турбины становятся турбинами одинарного регулирования.

При предельном напоре для радиально-осевых турбин усилие на лопасть становится столь большим, что ее приходится делать очень короткой и недопустимо толстой, что настолько ухудшает гидравлические характеристики колеса, что целесообразность его применения теряется. Причина ограничения диапазона применения радиально-осевых турбин по напору — их "реактивность", то есть необходимость размещения в потоке плохообтекаемого рабочего колеса. И поэтому единственным способом использования на ГЭС более высоких напоров является переход на применение активных турбин, то есть выемка рабочего колеса из потока воды и размещение его в воздухе. Сопротивление обтекаемых воздухом лопастей неизмеримо меньше, чем обтекаемых водой, и поэтому размеры и форма элементов крепления лопастей могут быть практически любыми и рассчитанными на восприятие любых требуемых механических нагрузок.

Области использования турбин основных классов и видов по напору показаны на рис. 10.3. Осевые, поворотно-лопастные и пропеллерные турбины применяются при напорах до 70 м. В области напоров 40-200 м могут использоваться диагональные поворотно-лопастные или пропеллерные турбины. Радиально-осевые турбины используются в области напоров от 40 до 700 м, ковшовые турбины — при напорах более 400 м.

Для турбин малой мощности (100–3000 кВт) границы использования турбин каждого вида по напору снижаются. Например, радиально-осевые турбины могут оказаться целесообразными и при напорах 20-25 м, а ковшовые — при напорах 150-200 м.

Области применения турбин разных видов по напору перекрываются. При напорах 50-70 м могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. Выбор оптимального решения производится на основании технико-экономических сопоставлений различных возможных вариантов.

 

 

Рис. 10.3. Области применения турбин по напору