»
»
Гидравлическая турбина

Гидравлическая турбина

Водяные колеса, являвшиеся основными двигателями в промышленности на протяжении нескольких веков, в XIX веке уже не отвечали возросшим требованиям производства. Их усовершенствования уже не приводили к увеличению мощности и повышению эффективности. Водяные колеса повсеместно ста­ли вытесняться другими двигателями, в частности паровыми машинами. Значило ли это, что водяное колесо полностью прекратило свое существование? Отнюдь нет! Оно превратилось в новый совершенный гидравлический двигатель – гидравличес­кую турбину.

Смотрите также: ремонт гидронасоса экскаватора

Турбина в наше время является одной из наиболее мощных энергетических машин. Так, мощность турбин Саяно-Шушенской гидроэлектростанции (ГЭС) составляет 6,6 млн кВт, мощность же одного современного гидравлического двигателя доходит до 1 млн кВт! Кроме этого, электрификация всей страны и пи­тание потребителей от единой системы сделали гидротурбину по-своему универсальным двигателем. Действительно, она может посредством электричества приводить механизмы в любом хо­зяйстве, на любом предприятии,в любой шахте.

Прообразом гидротурбины послужило мутовчатое колесо с вертикальным расположением вала, широко распространенное в России еще в XVI веке. В нем свободная струя воды падала на изогнутые лопасти. Впоследствии гидравлические машины, ис­пользующие кинетическую энергию потока, назвали активными гидротурбинами.

Первую гидравлическую турбину в России создал в 1837 г. русский изобретатель И.Е. Сафонов. Его турбина мощностью около 25 кВт была вдвое мощнее верхние наливного колеса с тем же расходом воды. Позже появился целый ряд турбин различных систем.

Большой вклад в развитие турбиностроения внесли отече­ственные ученые и специалисты. Н.Е. Жуковский впервые объ­яснил природу возникновения подъемной силы, действующей на самолет в воздухе. Одновременно он указал и наиболее со­вершенные профили крыльев. При движении крыла в воздухе и в жидкости справедливы одни и те же законы. Каждая лопатка или лопасть водяной турбины активного типа — своеобразное крыло. При обтекании водой она создает свою “подъемную” силу. При этом лопатки установлены по окружности ротора так, что сила, развиваемая всеми лопатками, не поднимает его, а приводит во вращение.

С развитием гидравлических турбин выделяется самостоя­тельный раздел гидромеханики – **гидродинамика**. Огромную роль в создании отечественной гидродинамики сыграли труды академика С.А. Чаплыгина.

Реактивная турбина работает по другому принципу. В рабочем колесе выполняют криволинейные каналы, внутри которых потенциальная энергия воды переходит в кинетическую энер­гию колеса. Сила давления воды на стенку каждого канала по величине равна силе реакции его, но направлена в противо­положную сторону.

Допустим, что жидкость подводится к рабочему колесу турбины активного типа свободным потоком. Колесо вращает­ся, окружная скорость жидкости равна нулю.

Что будет происхо­дить? Жидкость, ударяясь о детали колеса, тормозит ротор. На удар будет затрачиваться ровно четверть подводимой энергии! При этом еще четверть энергии сохранится в уходящей из турби­ны жидкости. В самом лучшем случае с вала турбины можно бу­дет снять лишь 50 % подводимой энергии водяного потока. Что же делать? Надо исключить удар: предварительно, до входа в колесо, “закрутить” поток жидкости. Ведь если окружная скорость жидкости на входе в колесо будет равна окружной скорости его каналов, то и удара, а следовательно, и потерь на входе почти не будет. Так и делают. На статоре турбины, вокруг ротора, устанавливают подвижные лопатки, кинематически свя­занные между собой и с приводом. Они образуют так называе­мый направляющий аппарат, цель которого — создать нужную окружную скорость воды на входе в колесо. Поворо­том лопаток направляющего аппарата регулируют и режим работы турбины, вплоть до останова ее колеса.

Древнее водяное колесо было нижнебойного типа. Эта конструкция жива и в наше время! Только теперь она перевоп­лотилась в ковшовую гидротурбину. Рабочее колесо такой турбины состоит из вала со ступицей, к которой вместо лопаток прикреплены ковши. Вода поступает в сопло, направленное на ковшы, а затем — на рабочее колесо, где вода отдает энергию и сливается в канал. Турбина выполнена так, что вода бьет в ниж­ние ковшы колеса. Иногда размещают несколько сопел по ок­ружности.

Для увеличения мощности гидравлические турбины делают двух- или трехколесными с вертикальным или горизонтальным валом. Горизонтальные гидравлические турбины обладают на 20—25 % большей пропускной способностью, а следовательно, и большей мощностью. А как раположить генератор гидроагрега­та? Тоже горизонтально. Его можно отделить от турбины стен­кой, обеспечивая надежную герметизацию вала. Однако лучше генератор вместе с турбиной поместить непосредственно в поток жидкости. Но ведь его надо тогда изолировать?

Естественно. Ге­нератор заключают в герметичный кожух, который называют капсулой. Гидротехническое сооружение капсульного гидроагрегата упрощается благодаря тому, что жидкость подхо­дит к нему и уходит на слив, практически не меняя своего нап­равления.

Широко применяются турбины пропеллерного типа, движу­щая сила которых создается давлением воды на лопасти ротора, выполненного в виде пропеллера.

Такие турбины особенно удоб­но устанавливать в капсулы.

Для того чтобы обеспечить необходимое давление воды на лопасти турбин, строят плотины. Обычно это грандиозные и очень дорогостоящие сооружения. А как же иначе? Оказывается, можно и иначе! Например, используя переносную гидроэлектро­станцию. Такая гидроэлектростанция РП ГЭС-1,5 демонстриро­валась на выставке НТП-85 ВДНХ СССР. Правда мощность ее невелика: всего 1,5 кВт, но перспективы — большие. Что же это за ГЭС? ГЭС-1,5 — родная сестра любого турбогенератора элек­трического тока. Она содержит водяное колесо — турбину, гене­ратор электрического тока, систему контроля и регулирования. КПД ее завидный — 50 %. А как же с плотиной, она тоже пере­носная? Да, переносная.

Собственно, это и не плотина, а устрой­ство, позволяющее получить давление водяного столба (ведь это главное!) — брезентовый составной рукав. Если входное отвер­стие рукава расположить вверху по течению реки, то на выходе получим давление воды, пропорциональное высоте водяного столба, заключенного в рукаве. Рукав можно отвести от верх­него уровня вниз на большое расстояние.

ГЭС отлично работает при длине рукава 30 м, если уклон реки около 10°, и при длине рукава 100 м, если уклон реки 3-4°. Масса гидроагрегата все­го 85 кг.