Реактивные гидротурбины: принцип работы, виды, применение в ГЭС

Реактивные турбины — основной тип турбин на гидроэлектростанциях (ГЭС) по всему миру. По оценкам, около 60% турбин на ГЭС — реактивные, хотя они конкурируют с импульсными. Реактивная турбина состоит из рядов неподвижных лопаток (направляющих) и рядов подвижных лопаток (рабочего колеса). Направляющие лопатки работают как сопла, а подвижные вращаются под действием импульса пара/воды (изменение импульса) и расширения/ускорения потока относительно себя.

Статья: определение, применение, компоненты, виды, принцип работы, преимущества и недостатки реактивных турбин.

Что такое реактивная турбина?

Реактивная турбина работает по третьему закону Ньютона (действие = противодействие). Крутящий момент возникает в ответ на давление и вес рабочего тела. Вода сначала натекает на неподвижные лопатки, затем на сопла (направляющие).

В реактивной турбине сумма потенциальной энергии (от давления) и кинетической энергии (от скорости) воды заставляет вращаться лопатки рабочего колеса. Вся турбина погружена в воду, и изменение давления вместе с кинетической энергией обеспечивает обмен мощностью. Реактивные турбины работают при меньших напорах и больших расходах, чем импульсные.

Лопатки раннера профилированы как авиационные профили (крылья), создающие силу при обтекании потоком — как подъемная сила крыла самолета. Эта сила вращает рабочее колесо.

У разных типов реактивных турбин свои оптимальные режимы:

• Турбины Пельтон (импульсные) — низкий расход, высокий напор (80–1600 м)
• Турбины Каплан — высокий расход, низкий/средний напор (2–70 м)
• Турбины Франсис — средний расход и напор. Комбинируют импульсное и реактивное действие

Турбины Франсис — самые распространенные благодаря максимальному КПД и широкому диапазону режимов.

Применение реактивных турбин

• Ветроэлектроустановки (для генерации электроэнергии)
• Гидроэлектростанции
• Получение максимальной мощности при низком напоре и высокой скорости потока

Примечание: главная функция — генерация электроэнергии.

Основные компоненты реактивной турбины

Спиральный корпус (спиральная камера)

Имеет равномерно уменьшающееся поперечное сечение по окружности. Обеспечивает равномерную скорость воды, натекающей на лопатки раннера. Вход воды в корпус по окружности снижает давление по ходу движения. Уменьшение сечения компенсирует падение давления, обеспечивая равномерный импульс/скорость на лопатках.

Направляющие лопатки (гидравлические регуляторы)

Установлены в спиральном корпусе для задания направления потока вдоль оси турбины. Без них поток был бы сильно вихревым и неэффективным. В современных турбинах угол установки направляющих регулируется, что позволяет менять расход воды.

Лопатки рабочего колеса (раннер)

Сердце реактивной турбины. Форма лопаток использует энергию давления воды для вращения. Конструкция критически влияет на КПД. В современных турбинах лопатки могут менять угол установки (поворот вокруг оси), адаптируя силу давления к нагрузке и доступному давлению.

Сопла (драфт-труба)

Соединяет выход раннера с судовой. Расширяющееся сечение восстанавливает давление воды, выходящей из раннера с низким давлением, по ходу движения к судовой.

Виды реактивных турбин

Винтовые (пропеллерные) турбины

Обычно 3–6 лопаток, вода постоянно обтекает все лопатки. Устанавливаются только при постоянных нагрузке и напоре. Кривая КПД резко пиковатая при частичной нагрузке — низкая эффективность в нерасчетных режимах.

Турбины Каплан (регулируемые винтовые) достигают высокого КПД в широком диапазоне нагрузок за счет изменения угла лопаток.

Турбины Франсис

Модификация винтовой турбины: вода втекает в раннер радиально и осево. Течение в спиральном корпусе с регулируемыми направляющими лопатками. Раннер имеет 9 и более фиксированных лопаток. Вода поступает сверху и вокруг раннера, затем падает и поворачивает.

Гравитационные турбины

Преобразуют силу тяжести в вращательный момент. Кинетическая энергия гравитации → электроэнергия.

Ламповые турбины (Bulb)

Вариация винтовых. Генератор в герметичном обтекаемом корпусе в центре воздуховода. Привод через винт с переменным шагом за клапаном. Направление потока практически не меняется. Компактность дает гибкость проектирования ГЭС.

Турбины Straflo

Осевые турбины с фиксированными лопатками. Генератор снаружи водопровода, соединен напрямую с раннером.

Трубчатые турбины (Tube)

Давленная линия изгибается перед и после проточной части, обеспечивая прямое соединение с генератором.

Принцип работы реактивной турбины

Ротор с подвижными соплами выбрасывает воду под высоким давлением. При выходе из соплов возникает реактивная сила, вращающая ротор на высокой скорости. Дополнительная реактивная сила возникает при обтекании лопаток раннера потоком. Эта сила вращает раннер. Поток затем проходит через соплу (драфт-трубу) и уходит в судовую.

Преимущества и недостатки реактивных турбин

Преимущества:

• Высокий гидравлический КПД
• Высокая рабочая скорость
• Менее сложная конструкция (по сравнению с импульсными?)
• Высокая эффективность лопаток
• Компактность (малое занимаемое пространство)
• Маслосвободная выхлопная система
• Переносимые размеры
• Способность работать при высоких температурах и давлениях

Недостатки:

• Высокие затраты на обслуживание
• Проблемы с кавитацией
• Высокая стоимость обслуживания
• Возникает осевая сила (потребность в упорных подшипниках)
• Лопатки несимметричны (сложнее изготовление/балансировка)

Заключение

Реактивная турбина работает по третьему закону Ньютона. Момент возникает в ответ на давление и вес жидкости. Вода натекает на неподвижные лопатки, затем на сопла. Рассмотрены определение, функции, применение, компоненты, виды, принцип работы, преимущества и недостатки.

Статья полезна? Поделитесь с коллегами и следите за обновлениями!