ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ТУРБИН И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Гидравлические турбины можно разделить на два класса по действию воды на рабочее колесо: активные (рис. 8-1) и реактивные (рис. 8-2). Два эти класса различаются внешним признаком: в активных турбинах рабочее колесо не погружено в поток, а в реактивных оно помещено внутрь потока.
Из активных турбин основное распространение получили так называемые ковшовые турбины, рабочее колесо которых состоит из ковшей (рис. 8-1, а). На ковши поток подается цилиндрической струей, вытекающей из сопел — одного, двух, четырех, шести.
Класс реактивных турбин по направлению потока, подводимого к рабочему колесу и отводимого от него, делится на три системы: 1) осевые (рис. 8-2,а,г,д); 2) радиально-осевые (рис. 8-2, б) и 3) диагональные (рис. 8-2, в)
В осевых турбинах поток подводится к колесу и отводится от него по цилиндрическим поверхностям, параллельным оси турбины. В радиально-осевых турбинах поток подводится к рабочему колесу по радиальным к оси турбины поверхностям, а отводится так же, как и у осевых турбин параллельно оси турбины. В диагональных турбинах поток подводится к рабочему колесу и отводится от него по конусным поверхностям, образующим с осью турбины некоторый угол.
Системы турбин различаются и по конструктивным признакам. Так, осевые турбины бывают пропеллерные (рис. 8-3, б) и пово-ротнолопастные (рис. 8-3, в). У пропеллерных турбин лопасти неподвижны относительно корпуса рабочего колеса, у поворотнолопастных— лопасти имеют возможность поворачиваться относительно корпуса и становиться под разным углом к потоку. Двухперовые поворотнолопастные турбины отличаются тем, что лопасти у них могут поворачиваться попарно, так как две лопасти располагаются на одной цапфе (рис. 8-2, г и 8-3, г). Другой разновидностью поворотнолопастных турбин являются так называемые капсульные горизонтальные турбины (рис. 8-2, (3). У них перед рабочим колесом или после него располагается обтекаемая потоком капсула, в которой помещается генератор.
Рис. 8-2. Реактивные турбины и элементы гидротурбинных установок: а — поворотнолопастная; б — радиально-осевая; в — диагональная; г — двухперовая поворотнолопастная; д — капсульный агрегат с горизонтальной поворотнолопастной турбиной; е — схема подвода воды к турбине круглой металлической спиральной камерой; ою — статор турбины (общий вид)
Приведенная классификация не охватывает всех типов гидротурбин и не может претендовать на большую строгость. Однако она применяется на практике и в литературе и поэтому ею целесообразно пользоваться.
Большое разнообразие систем турбин объясняется использованием различных напоров ГЭС.
Для низких напоров применяются поворотнолопастные турбины. Максимальный напор для этой системы турбин равен примерно 90 м. В последние годы при небольших напорах, примерно до 20 м, применяют горизонтальные капсульные турбины. При напорах с 50 до 550—650 м обычно используют радиально-осевые турбины. Вместе с тем в диапазоне напоров от 70 до 150 м могут быть применены диагональные турбины. Примерно с 350 м и выше устанавливают ковшовые турбины.
Общая тенденция в развитии гидротурбин заключается в продвижении турбин с поворотными лопастями в зону напоров радиальноосевых турбин, а радиально-осевых турбин — в зону ковшовых.
В современной энергетике все большее значение приобретают ГАЭС, предназначенные для заполнения ночных провалов графика нагрузки энергосистем с последующим покрытием пиков.
Агрегаты ГАЭС бывают двух-, трех- и четырехмашинные, т. е. раздельные (рис. 8-4). Раздельные агрегаты состоят из турбины с генератором и насоса с электродвигателем, а трехмашинные агрегаты — из турбины, насоса и генератора-двигателя, находящихся на одном валу. Наибольшее распространение получают двухмашинные агрегаты, состоящие из обратимой гидравлической машины (радиально-осевой, осевой, диагональной или капсульной) и обратимой электрической машины. Так как агрегаты при высоком напоре получаются меньше по габаритам и стоимость ГАЭС уменьшается, то развитие обратимых насосо-турбин идет преимущественно по пути создания радиально-осевых и диагональных машин. При этом для радиально-осевых машин можно назвать максимальный напор 1000 м, для диагональных 150 м. Насосо- турбина на 1000 м имеет несколько рабочих колес, расположенных на одном валу таким образом, чтобы поток проходил рабочие колеса последовательно, т. е. в этом агрегате сохранен принцип многоступенчатого насоса.
При решении проблем переброски стока северных рек в южные районы требуются обратимые агрегаты на небольшой напор. Здесь могут применяться поворотиолопастные рабочие колеса и горизонтальные капсульные агрегаты.
Для ПЭС используются капсульные обратимые агрегаты, которые могут работать в турбинном и насосном режимах, как в направлении бассейн — море, так и в направлении море — бассейн.
Элементы гидротурбинной установки
Основными элементами каждой турбины являются рабочее колесо и направляющий аппарат. У реактивных турбин направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток (рис. 8-2), которые могут одновременно поворачиваться на одинаковый угол и менять направление потока перед рабочим колесом. В результате этого на рабочем колесе меняется расход, проходящий через колесо, а стало быть, мощность турбины. В момент, когда лопатки соприкасаются друг с другом, подача потока воды на рабочее колесо прекращается и рабочее колесо останавливается. Таким образом, направляющий аппарат служит одновременно запорным органом турбины.
У реактивных турбин, как правило, поток подводится к направляющему аппарату при помощи спиральной камеры круглого (рис. 8-2,6, е) или таврового (рис. 8-2, а) сечения. Такая форма подводящей камеры позволяет получить минимальные размеры блока здания станции для одного агрегата. Отвод воды от рабочего колеса реактивной турбины осуществляется отсасывающей трубой, коническая форма которой позволяет, наилучшим образом использовать энергию потока на рабочем колесе.
У активных турбин роль направляющего аппарата выполняют сопла (рис. 8-1). Расход воды активных турбин регулируется изменением размера выходного сечения сопел, отчего меняется диаметр струи при неизменной ее скорости. Когда выходное сечение сопла станет равным нулю, подача воды на рабочее колесо прекратится. Таким образом сопло активных турбин выполняет роль запорного органа турбины. Отвод воды в НБ обычно производится каналом.
Основные параметры турбины
Основными параметрами турбин считаются номинальный диаметр D1 (м), частота вращения п (об/мин), номинальная мощность N (МВт) и расчетный напор Яр (м).
Номинальным (расчетным) диаметром JO , турбины считают: для осевых (поворотнолопастных и пропеллерных) —1 наибольший диаметр камеры рабочего колеса (рис. 8-5, а); для радиально-осевых— наибольший диаметр входных кромок рабочего колеса (рис. 8-5,6 и в); для ковшовых — диаметр окружности рабочего колс- -са по оси струи (рис. 8-5, г) ; для диагональных — диаметр камеры рабочего колеса, который пересекается с осью поворота лопастей, т. е., но сути дела, так же, как и для поворотнолопастных турбин.
В табл. 8-1 приведены данные по наиболее крупным турбинам отечественного и иностранного производства.