Гидротурбина (ГТ)

Гидротурбина (ГТ) - гидравлическая турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую энергию воды (ее энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала.

По принципу действия ГТ делятся на:

• активные,

• реактивные.

Основным рабочим органом ГТ, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо.

Вода подводится к рабочему колесу в активных ГТ через сопла, в реактивных - через направляющий аппарат.

В активной ГТ вода перед рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному.

В реактивной ГТ давление воды перед рабочим колесом больше атмосферного, а за ним может быть как больше, так и меньше атмосферного давления.

Полный КПД гидротурбины h = hг · hm · h0 - отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой через ГТ воды.

В современной ГТ полный КПД равен 0,85-0,92; у лучших образцов ГТ он достигает 0,94-0,95.

Hr - гидравлический 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.

Геометрические размеры ГТ характеризуются номинальным диаметром Д, рабочего колеса.

ГТ разных размеров образуют турбинную серию, если обладают однотипными рабочими колесами и геометрическими подобными элементами проточной части.

Определив необходимые параметры одной из ГТ данной серии, можно подсчитать, пользуясь формулами подобия, те же параметры для любой гидравлической турбины этой серии.

Каждую турбинную серию характеризует коэффициент быстроходности, численно равный частоте вращения вала ГТ, развивающей при напоре 1 м мощность 0,7355 квт (1 лс).

Чем больше этот коэффициент, тем больше частота вращения вала при заданных напоре и мощности.

ГТ и электрический генератор обходятся дешевле при увеличении частоты их вращения, поэтому стремятся строить ГТ с возможно большим коэффициентом быстроходности.

Однако в реактивных ГТ этому препятствует явление кавитации, вызывающее вибрацию агрегата, снижение КПД и разрушение материала ГТ.

Графики, выражающие зависимости величин, характеризующих ГТ, называются турбинными характеристиками.

В реальных условиях ГТ работают при меняющемся напоре; их поведение в этом случае изображается универсальными характеристиками для модели и эксплуатационными характеристиками - для натурной ГТ.

Универсальные характеристики строятся на основании лабораторных исследований модели, проточная часть которой геометрически подобна натурной.

На универсальных характеристиках, исходя из условий моделирования, в координатах приведенных величин расхода Q'1 л/сек и частоты вращения h'1 об/мин (характерных для ГТ 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 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 ГТ под уровень воды в нижнем бьефе (разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа).

Проточная часть реактивных ГТ состоит из следующих основных элементов:

• спиральной камеры гидротурбины;

• направляющего аппарата, регулирующего расход воды;

• рабочего колеса;

• отсасывающей трубы, отводящей воду от ГТ.

Реактивные ГТ по направлению потока в рабочем колесе делятся на:

• осевые,

• радиально-осевые.

По способу регулирования мощности реактивные ГТ бывают:

• одинарного регулирования,

• двойного регулирования.

К ГТ одинарного регулирования относятся ГТ, содержащие направляющий аппарат с поворотными лопатками, через который вода подводится к рабочему колесу (регулирование в этих ГТ производится изменением угла поворота лопаток направляющего аппарата), и лопастно-регулируемые ГТ, у которых лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих ГТ производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса).

ГТ двойного регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее колесо с поворотными лопастями.

Поворотно-лопастные ГТ, 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 ГТ одиночного регулирования применяют на напоры до 500-600 м.

Активные ГТ строят преимущественно в виде ковшовых ГТ и применяют на напоры выше 500-600 м; их делят на парциальные и непарциальные.

В парциальных ГТ 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 ГТ вода подводится одной кольцевой струей и поэтому одновременно работают все лопасти рабочего колеса.

В активных ГТ отсасывающие трубы и спиральные камеры отсутствуют, роль регулятора расхода выполняют сопловые устройства с иглами, перемещающимися внутри сопел и изменяющими площадь выходного сечения.

Крупные ГТ снабжаются автоматическими регуляторами скорости.

По расположению вала рабочего колеса ГТ делятся на:

• вертикальные,

• горизонтальные,

• наклонные.

Сочетание ГТ с гидрогенератором называют гидроагрегатом.

Горизонтальные гидроагрегаты с поворотно-лопастными или пропеллерными ГТ могут выполняться в виде капсульного гидроагрегата.