Развитие конструкций гидротурбин

Гидротурбина, гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия Г. делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом Г., в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Г. через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. В активной Г. вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной Г. давление, воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления. Первая реактивная Г. была изобретена в 1827 французским инженером Б. Фурнероном; эта Г. имела на рабочем колесе мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные. Г. уже не применяются. В 1855 американский инженер Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо Г. с неповоротными лопастями, а в 1887 немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками (см. Радиально-осевая гидротурбина.). В 1889 американский инженер А. Пелтон запатентовал активную — ковшовую гидротурбину, в 1920 австрийский инженер В. Каплан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину. Радиально-осевые, поворотнолопастные и ковшовые Г. широко применяются для выработки электрической энергии (см. Гидроэнергетика). В современной Г. полный кпд равен 0,85—0,92; при благоприятных условиях работы лучших образцов Г. он достигает 0,94—0,95. Геометрические размеры Г. характеризуются номинальным диаметром Д, рабочего колеса. Г. разных размеров образуют турбинную серию, если обладают однотипными рабочими колёсами и геометрическими подобными элементами проточной части. Определив необходимые параметры одной из Г. данной серии, можно подсчитать, пользуясь формулами подобия, те же параметры для любой гидравлической турбины этой серии (см. Моделирование гидродинамическое и аэродинамическое). Каждую турбинную серию характеризует коэффициент быстроходности, численно равный частоте вращения вала Г., развивающей при напоре 1 м мощность 0,7355 квт (1 л. с.). Чем больше этот коэффициент, тем больше частота вращения вала при заданных напоре и мощности. Г. и электрический генератор обходятся дешевле при увеличении частоты их вращения, поэтому стремятся строить Г. с возможно большим коэффициентом быстроходности. Однако в реактивных Г. этому препятствует явление кавитации, вызывающее вибрацию агрегата, снижение кпд и разрушение материала Г. Графики, выражающие зависимости величин, характеризующих Г., называются турбинными характеристиками. На рис. 4 представлены характеристики Г. при постоянном напоре и частоте вращения колеса, но при различных нагрузках и расходе воды. В реальных условиях Г. работают при меняющемся напоре; их поведение в этом случае изображается универсальными характеристиками для модели и эксплуатационными характеристиками — для натурной Г. Универсальные характеристики строятся на основании лабораторных исследований модели, проточная часть которой геометрически подобна натурной. К 1970 максимальная единичная мощность работающих гидроагрегатов достигла 500 Мвт. Широкое распространение получили обратимые гидроагрегаты для гидроаккумулирующих и приливных электростанций, состоящие из насосо-турбины (гидромашины, способной работать как в насосном, так и в турбинном режимах) и двигателя-генератора (электромашины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах). В обратимых гидроагрегатах применяются только реактивные Г. Для приливных электростанций используются капсульные гидроагрегаты. В 1962 в СССР разработана номенклатура поворотнолопастных и радиально-осевых Г., в которой даются система типов и размеров Г. и их основные гидравлические и конструктивные характеристики (табл.). Эта номенклатура основана на закономерном изменении зависимостей геометрических и гидравлических параметров рабочих колёс от напора.

Основными тенденциями в развитии Г. являются: увеличение единичной мощности, продвижение каждого типа Г. в область повышенных напоров, совершенствование и создание новых типов Г., улучшение качества, повышение надёжности и долговечности оборудования. В СССР созданы и успешно работают Г. радиально-осевого типа мощностью 508 Мвт на расчётный напор 93 м с диаметром рабочего колеса 7,5 м для Красноярской ГЭС, разрабатываются Г. такого же типа для Саянской ГЭС (единичная мощность 650 Мвт, расчётный напор 194 м, диаметр рабочего колеса 6,5 м). Больших успехов в создании Г. достигли фирмы; «Хитати», «Мицубиси», «Тосиба» (Япония), «Нохаб» (Швеция), «Нейрпик» (Франция), «Инглиш электрик» (Великобритания), «Фойт» (ФРГ) и др. Например, японской фирмой «Тосиба» проектируются Г. для ГЭС Гранд-Кули-III единичной мощностью 600 Мвт на напор 87 м с диаметром рабочего колеса 9,7 м.