Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ГИДРАВЛИ́ЧЕСКАЯ ТУРБИ́НА

  • рубрика
  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 7. Москва, 2007, стр. 67-68

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. В. Волшаник

ГИДРАВЛИ́ЧЕСКАЯ ТУРБИ́НА (гид­ро­тур­би­на), гид­рав­ли­че­ский дви­га­тель, пре­об­ра­зую­щий ме­ха­нич. энер­гию по­то­ка во­ды в энер­гию вра­щаю­ще­го­ся ва­ла. Осн. ра­бо­чим ор­га­ном Г. т., в ко­то­ром про­ис­хо­дит пре­об­ра­зо­ва­ние энер­гии, яв­ля­ет­ся ло­па­ст­ное вра­щаю­щее­ся ра­бо­чее ко­ле­со, со­еди­нён­ное ва­лом с ро­то­ром гид­ро­ге­не­ра­то­ра. Со­во­куп­ность Г. т. и гид­ро­ге­не­ра­то­ра на­зы­ва­ет­ся гид­ро­аг­ре­га­том.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Г. т.: ус­та­нов­лен­ная мощ­ность, пря­мо про­пор­цио­наль­ная на­по­ру и рас­хо­ду во­ды; макс. на­пор, рав­ный раз­но­сти от­ме­ток уров­ней во­ды в верх­нем и ниж­нем бье­фах за вы­че­том гид­рав­лич. по­терь в во­до­под­во­дя­щем трак­те; макс. рас­ход (ко­ли­че­ст­во во­ды, ко­то­рое спо­соб­на про­пус­тить тур­би­на в еди­ни­цу вре­ме­ни); кпд, рав­ный от­но­ше­нию по­лез­ной мощ­но­сти, от­да­вае­мой ва­лом тур­би­ны, к мощ­но­сти под­во­ди­мо­го по­то­ка во­ды; диа­метр ра­бо­че­го ко­ле­са; т. н. син­хрон­ная час­то­та вра­ще­ния, рав­ная, как пра­ви­ло, час­то­те вра­ще­ния ро­то­ра гид­ро­ге­не­ра­то­ра; вы­со­та от­са­сы­ва­ния (макс. раз­ность от­ме­ток рас­по­ло­же­ния ра­бо­че­го ко­ле­са и уров­ня ниж­не­го бье­фа, при ко­то­рой не воз­ни­ка­ют не­до­пус­ти­мые ка­ви­та­ци­он­ные яв­ле­ния). Мощ­ность круп­ней­ших Г. т. пре­вы­ша­ет 700 МВт, они при­ме­ня­ют­ся при на­по­рах до 2000 м. Диа­метр ра­бо­чих ко­лёс тур­бин круп­ных гид­ро­элек­тро­стан­ций дос­ти­га­ет 11 м, луч­шие гид­ро­тур­би­ны име­ют кпд, пре­вы­шаю­щий 96%.

По прин­ци­пу дей­ст­вия Г. т. раз­де­ля­ют на ре­ак­тив­ные (на­пор­но­ст­руй­ные) и ак­тив­ные (им­пульс­ные или сво­бод­но­струй­ные). В ре­ак­тив­ных тур­би­нах ра­бо­чее ко­ле­со пол­но­стью по­гру­же­но в во­ду, а по­ток по всей дли­не про­точ­но­го трак­та яв­ля­ет­ся на­пор­ным. Это де­ла­ет воз­мож­ным ис­поль­зо­ва­ние ра­бо­чим ко­ле­сом как ки­не­ти­че­ской, так и по­тен­циаль­ной энер­гии про­те­каю­щей жид­кости. По­это­му ско­рость по­то­ка пе­ред вхо­дом на ра­бо­чее ко­ле­со да­же при вы­со­ких на­по­рах мо­жет быть срав­ни­тель­но не­боль­шой. Ло­па­сти ра­бо­че­го ко­ле­са име­ют та­кую фор­му, что­бы в ре­зуль­та­те пе­ре­па­дов дав­ле­ния на них воз­ни­ка­ли подъ­ём­ные си­лы, ко­то­рые за­став­ля­ют ра­бо­чее ко­ле­со вра­щать­ся. В ак­тив­ных тур­би­нах ра­бо­чее ко­ле­со вра­ща­ет­ся в воз­ду­хе под дей­ст­ви­ем сво­бод­ной струи во­ды, ко­то­рая мо­жет от­дать ко­ле­су толь­ко свою ки­не­ти­че­скую энер­гию. В свя­зи с этим ско­рость струи во­ды пе­ред ра­бо­чим ко­ле­сом долж­на быть мак­си­маль­но боль­шой. По­это­му в ак­тив­ных тур­би­нах во­да под­во­дит­ся к ко­ле­су че­рез со­пло, пре­об­ра­зую­щее низ­ко­ско­ро­ст­ной по­ток в вы­со­ко­ско­ро­ст­ной. Ло­па­сти ра­бо­че­го ко­ле­са от­кло­ня­ют на­прав­лен­ную на них струю, что­бы уве­ли­чить из­ме­не­ние им­пуль­са во­ды и мак­си­ми­зи­ро­вать дей­ст­вую­щие на ло­па­сти си­лы.

Гл. по­ка­за­те­ля­ми, ха­рак­те­ри­зую­щи­ми вид (сис­те­му) Г. т., яв­ля­ют­ся фор­ма и уст­рой­ст­во её про­точ­но­го трак­та, со­стоя­ще­го из трёх осн. эле­мен­тов: ра­бо­че­го ко­ле­са и уст­ройств, под­во­дя­щих и от­во­дя­щих от не­го во­ду.

Рис. 1. Схема осевой турбины: 1 – лопасти рабочего колеса; 2 – втулка с обтекателем; 3 – вал; 4 – турбинная камера; 5 – статор; 6 – направляющий аппарат с лопатками...

Ре­ак­тив­ные Г. т. раз­де­ля­ют на осе­вые, диа­го­наль­ные и ра­ди­аль­но-осе­вые. У осе­вых гид­ро­тур­бин (по за­ру­беж­ной тер­ми­но­ло­гии – тур­би­ны Ка­пла­на) по­ток по­сту­па­ет на ра­бо­чее ко­ле­со и вы­хо­дит в осе­вом на­прав­ле­нии (рис. 1). В за­ви­си­мо­сти от кре­п­ле­ния ло­па­стей на втул­ке ра­бо­че­го ко­ле­са осе­вые Г. т. раз­де­ля­ют на про­пел­лер­ные (с жё­ст­ким за­кре­п­ле­ни­ем) и по­во­рот­но-ло­па­ст­ные (в за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий ра­бо­ты угол ус­та­нов­ки ло­па­стей мо­жет из­ме­нять­ся в пре­де­лах при­мер­но 35°). По­во­рот­но-ло­па­ст­ные тур­би­ны слож­нее про­пел­лер­ных, но у них вы­ше энер­ге­тич. по­ка­за­те­ли. Диа­го­наль­ные гид­ро­тур­би­ны (тур­би­ны Де­риа­са – Квят­ков­ско­го) от­ли­ча­ют­ся от осе­вых тем, что ло­па­сти ра­бо­че­го ко­ле­са ус­та­нов­ле­ны с на­кло­ном к оси вра­ще­ния (угол 30–60°). Бы­ва­ют как с жё­ст­ко ус­та­нов­лен­ны­ми, так и с по­во­рот­ны­ми ло­па­стя­ми. У ра­ди­аль­но-осе­вых гид­ро­тур­бин (тур­би­ны Френ­си­са) по­ток по­сту­па­ет на ра­бо­чее ко­ле­со в ра­ди­аль­ном на­прав­ле­нии, а вы­хо­дит из не­го в осе­вом. Ло­па­сти это­го ви­да тур­бин жё­ст­ко за­де­ла­ны в сту­пи­цу и обод ко­ле­са.

Рис. 2. Схема ковшовой турбины: 1 – сопло; 2 – подводящий трубопровод; 3 – рабочее колесо; 4 – вал; 5 – рабочие лопасти; 6 – "игла" для регулирования расхода воды; ...

У тур­бин с жё­ст­ко за­кре­п­лён­ны­ми ло­па­стя­ми ре­жим ра­бо­ты, мощ­ность и рас­ход во­ды ре­гу­ли­ру­ют­ся толь­ко от­кры­ти­ем на­прав­ляю­ще­го ап­па­ра­та; у Г. т. с по­во­рот­ны­ми ло­па­стя­ми – как от­кры­ти­ем на­прав­ляю­ще­го ап­па­ра­та, так и уг­ло­вым по­ло­же­ни­ем ло­па­стей ра­бо­че­го ко­ле­са. В по­след­нем слу­чае ло­па­ст­ная сис­те­ма ра­бо­че­го ко­ле­са мо­жет быть 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 жё­ст­ко за­кре­п­лён­ны­ми ло­па­стя­ми на­зы­ва­ют­ся тур­би­на­ми оди­нар­но­го ре­гу­ли­ро­ва­ния.

Ак­тив­ные Г. т. раз­де­ля­ют на ков­шо­вые (тур­би­ны Пел­то­на), на­клон­но-струй­ные (тур­би­ны Тюр­го), дву­крат­ные (тур­би­ны Бан­ки) и осе­вые коль­цевые (тур­би­ны Сфин­дек­са). Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны ков­шо­вые Г. т. (рис. 2). Ло­па­сти ра­бо­че­го ко­ле­са это­го ви­да тур­бин по­хо­жи на ков­ши, что и да­ло на­звание тур­би­не. Ков­шо­вые тур­би­ны ис­поль­зу­ют­ся при на­по­рах бо­лее 400–600 м; мощ­ность ре­гу­ли­ру­ют из­ме­не­ни­ем рас­хо­да.

Круп­ные ре­ак­тив­ные тур­би­ны по­кры­ва­ют ши­ро­кую об­ласть на­по­ров – от 1–2 до 600–700 м, при этом об­лас­ти при­ме­не­ния тур­бин раз­ных ви­дов по на­по­ру пе­ре­кры­ва­ют­ся. При на­по­рах 50–70 м мо­гут быть при­ня­ты и осе­вые, и диа­го­наль­ные, и ра­ди­аль­но-осе­вые тур­би­ны. При бо­лее вы­со­ких на­по­рах ис­поль­зу­ют ак­тив­ные тур­би­ны. Для тур­бин ма­лой мощ­но­сти (100–3000 кВт) гра­ни­цы при­ме­не­ния по на­по­ру сни­жа­ют­ся, напр. ра­ди­аль­но-осе­вые тур­би­ны мо­гут ока­зать­ся це­ле­со­об­раз­ны­ми при на­по­рах 20–25 м, а ков­шо­вые – при на­по­рах 150–200 м. Вы­бор оп­ти­маль­но­го ре­ше­ния про­из­во­дит­ся на ос­но­ва­нии тех­ни­ко-эко­но­мич. со­пос­тав­ле­ний разл. воз­мож­ных ва­ри­ан­тов.

Пер­вые гид­рав­лич. дви­га­те­ли, к ко­то­рым при­ме­ним тер­мин «Г. т.», поя­ви­лись бо­лее 300 лет на­зад как ре­зуль­тат со­вер­шен­ст­во­ва­ния во­дя­ных ко­лёс. Эти тур­би­ны име­ли ло­па­ст­ные ра­бо­чие ко­лё­са, вра­щаю­щие­ся в воз­ду­хе под воз­дей­ст­ви­ем сво­бод­ной во­дя­ной струи. Пер­вая ре­ак­тив­ная Г. т. бы­ла изо­бре­те­на в 1827 франц. инж. Б. Фур­не­ро­ном; она име­ла на ра­бо­чем ко­ле­се мощ­ность 4,4 кВт, но из-за пло­хих энер­ге­тич. свойств по­доб­ные Г. т. уже не при­ме­ня­ют­ся. В 1855 амер. инж. Дж. Френ­сис изо­брёл ра­ди­аль­но-осе­вое ра­бо­чее ко­ле­со с не­по­во­рот­ны­ми ло­па­стя­ми, а в 1887 нем. инж. Финк пред­ло­жил на­прав­ляю­щий ап­па­рат с по­во­рот­ны­ми ло­пат­ка­ми. В 1889 амер. инж. А. Пел­тон за­па­тен­то­вал ак­тив­ную – ков­шо­вую – гид­ро­тур­би­ну, в 1920 чеш. инж. В. Ка­план по­лу­чил па­тент на по­во­рот­но-ло­па­ст­ную тур­би­ну. По­сле то­го как в 1880-е гг. бы­ла раз­ра­бо­та­на сис­те­ма пе­ре­да­чи элек­трич. то­ка на боль­шие рас­стоя­ния и по­яви­лась воз­мож­ность со­сре­до­то­чить про­из-во элек­тро­энер­гии на элек­тро­стан­ци­ях, на­ча­лась но­вая эпо­ха в ис­то­рии тур­бо­строе­ния. Ра­ди­аль­но-осе­вые, по­во­рот­но-ло­па­ст­ные и ков­шо­вые Г. т. ши­ро­ко при­ме­ня­ют для вы­ра­бот­ки элек­трич. энер­гии (см. Гид­ро­энер­ге­ти­ка). По­ми­мо гид­ро­элек­тро­стан­ций, Г. т. не­боль­шо­го раз­ме­ра с ра­бо­чим ко­ле­сом, по­доб­ным ра­ди­аль­но-осе­во­му, при­ме­ня­ют в бу­ро­вых ус­та­нов­ках для при­во­да вра­щаю­ще­го­ся ин­ст­ру­мен­та, раз­ру­шаю­ще­го твёр­дую гор­ную по­ро­ду.

Лит.: Крив­чен­ко Г. И. Гид­рав­ли­че­ские ма­ши­ны: тур­би­ны и на­со­сы. 2-е изд. М., 1983; Гид­ро­тур­бо­строе­ние: Сб. на­уч. тр. СПб., 2002; Гид­ро­ма­ши­ны. М., 2004.

Вернуться к началу