Значение слова ГИДРОТУРБИНА в Большой советской энциклопедии, БСЭ
- 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. ( рис. 1 ) вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной Г. ( рис. 2 ) 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 ).
Для расчёта профиля лопасти рабочего колеса Г., вращающегося с постоянной угловой скоростью, используется уравнение ( рис. 3 ):
где Н - рабочий напор Г., т. е. запас энергии 1 кг воды (разность отметок горизонтов воды перед входом в сооружения гидравлической силовой установки и по выходе из них за вычетом потерь на сопротивление во всех сооружениях, но без вычета потерь в самой Г.); U1 и U2 - окружные скорости лопастей на входе воды в рабочее колесо и на выходе из него, м/сек ; V1 и V 2 - абсолютные скорости воды на входе и выходе, м/сек ; ( a 1 и a2 - углы между направлениями окружных и абсолютных скоростей в точках, соответствующих осереднённой по энергии поверхности тока, град ; g - ускорение свободного падения, м/сек2 .
В левую часть уравнения вводится множитель hr , являющийся гидравлическим кпд гидротурбины. Часть мощности, полученная колесом, расходуется на преодоление механических сопротивлений, эти потери учитываются механический кпд гидротурбин h0 . Утечка воды в обход рабочего колеса учитывается объёмным кпд гидротурбины.
Полный кпд гидротурбины h hг T hm T h0 - отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через Г. воды. 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.
Характеристики поворотнолопастных и радиально-осевых гидротурбин, выпускаемых в СССР
Марка пово-ротнолопаст-ной гидротурбины
Напор, м
Число лопа-стей
Мощность, Mвт
Марка радиально-осевой гидротурбины
Напор, м
Мощность, Мвт
ПЛ-10
3-10
4
0,6-49
РО-45
30-45
6,5-265
ПЛ-15
5-15
4
1.3-88
PОv7 5
40-75
9,7-515
ПЛ-20
10-20
4
3.3-115
PO-115
70-115
21.5-810* ПЛ-ЗО
15-30
5
6-180
PO-170
110-170
34-900*
ПЛ-40
20-40
6
8,2-245
PO-230
160-230
29.5-920*
ПЛ-50
30-50
7
13-280
PO-310
220-310
31-485
ПЛ-60
40-60
8
15-315
PO-400
290-400
31-280
ПЛ-70
45-70
8
15.8-350
PO-500
380-500
33-195
ПЛ-80
50-80
8
17-385
* Верхний предел показывает мощности, технически возможные. К 1970 максимальная единичная мощность работающих гидроагрегатов достигла 500 Мвт .
На универсальных характеристиках ( рис. 5 ), исходя из условий моделирования, в координатах приведённых величин расхода Q'1 л/сек и частоты вращения h'1 об/мин (характерных для Г. данной серии диаметром рабочего колеса 1 м , работающих при напоре 1 м ) наносятся изолинии равных кпд h %, коэффициент кавитации s и открытия направляющего аппарата a0 . Эксплуатационные характеристики ( рис. 6 ) строятся на основании универсальных и показывают зависимость кпд натурной турбины h % от нагрузки N Мвм и напора Нм при номинальной частоте вращения турбины n const. Здесь же обычно наносят линию ограничения мощности, выражающую зависимость гарантированной мощности от напора. На этих же характеристиках изображают линии равных допустимых высот отсасывания HS м , показывающих заглубление рабочего колеса Г. под уровень воды в нижнем бьефе (разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа).
Проточная часть реактивных Г. состоит из следующих основных элементов ( рис. 7 ): спиральной камеры гидротурбины 1 ; направляющего аппарата 2 , регулирующего расход воды; рабочего колеса 3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от Г. Реактивные Г. по направлению потока в рабочем колесе делятся на осевые и радиально-осевые. По способу регулирования мощности реактивные Г. бывают одинарного и двойного регулирования. К Г. одинарного регулирования относятся Г., содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих Г. производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастнорегулируемые Г., у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих Г. производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса). Г. двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями. Поворотнолопастные Г., применяемые на напоры до 150 м , могут быть осевыми и диагональными гидротурбинами . Разновидностью осевых являются двухперовые, в которых на каждом фланце размещаются по две лопасти вместо одной. Радиально-осевые Г. одиночного регулирования применяют на напоры до 500-600 м . Активные Г. строят преимущественно в виде ковшовых Г. и применяют на напоры выше 500-600 м ; их делят на парциальные и непарциальные. В парциальных Г. вода к рабочему колесу подводится в виде струй через одно или несколько сопел и поэтому одновременно работает одна или несколько лопастей рабочего колеса. В непарциальных Г. вода подводится одной кольцевой струей и поэтому одновременно работают все лопасти рабочего колеса. В активных Г. отсасывающие трубы и спиральные камеры отсутствуют, роль регулятора расхода выполняют сопловые устройства с иглами, перемещающимися внутри сопел и изменяющими площадь выходного сечения. Крупные Г. снабжаются автоматическими регуляторами скорости.
По расположению вала рабочего колеса Г. делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Сочетание. Г. с гидрогенератором называют гидроагрегатом . Горизонтальные гидроагрегаты с поворотно-лопастными или пропеллерными Г. могут выполняться в виде капсульного гидроагрегата .
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 .
Лит.: Шпанхаке В., Рабочие колёса насосов и турбин, пер. с нем., ч. 1, М.-Л., 1934; Турбинное оборудование гидроэлектростанций, под ред. А. А. Морозова. 2 изд., М. - Л., 1958; Ковалев Н. Н., Гидротурбины, М. - Л., 1961; Кривченко Г. И., Автоматическое регулирование гидротурбин, М. - Л., 1964; Tenot А., Turbines hydrauliques et regulateurs automatiques de vitesse, v. 1-4, P., 1930-35.
М. Ф. Красильников.
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012