Активни и реактивни водни турбини

В съвременната хидроенергетика намират приложение различни видове водни турбини, които работят с геодезични напори от няколко метра до няколко хиляди.

Най-разпространената им класификация се подчинява на принципа на действие, според който се разделят на две основни групи - активни и реактивни.

Работният процес при активните водни турбини се характеризира с преобразуване само на кинетична енергия, докато реактивните преобразуват предимно потенциалната енергия на водата.

Активни водни турбини

От активните турбини в съвременните ВЕЦ най-често се използва пелтоновата водна турбина. Пелтоновите турбини се използват при високи падове (обикновено Н> 500 m), но при по-малка мощност се конструират и за по-ниски (Н=200-500 m).

Характеризират се със сравнително проста конструкция, висока маневреност и работят с висок КПД (максимална стойност до 92%) при режими, значително различаващи се от оптималния. В България пелтонови турбини са инсталирани в много ВЕЦ-ове, сред които Сестримо, Белмекен, Батак, Пещера и др.

Проточната част на пелтоновата турбина се състои от няколко последователно свързани елемента - разпределително устройство (колектор), направляващо устройство, работно колело и работна камера (кожух). По напорния тръбопровод водата се довежда до направляващото устройство, в което енергията й се преобразува изцяло в кинетична.

Направляващото устройство формира струя, която атакува лопатките на работното колело и упражнява динамичен натиск върху него. Този натиск създава въртящия момент на вала на турбината. След като отдаде енергията си на водното колело, водата пада в шахта, откъдето се отвежда в долния басейн.

Регулирането на мощността на турбината се извършва с иглата на направляващото устройство. Задвижването й се осъществява от електромеханична или хидромеханична система. Направляващото устройство се конструира с една до шест дюзи в зависимост от големината на дебита.

При три и повече дюзи турбината обикновено се изпълнява с хоризонтален вал. Ако валът е хоризонтален, се налага да бъдат монтирани две работни колела.

Турбина Мичел-Банки

Друг тип активна турбина е двукратната водна турбина, известна още като турбина Мичел-Банки. Използва се за падове от 2 до 200 метра, но мощността й е ограничена обикновено до 1000 kW поради сравнително ниските стойности на КПД (максимум до 85%).

В отделни случаи мощността на турбините от този тип достига 2000 kW. Двукратната турбина обаче има редица предимства от гледна точка на специфичните изисквания към водните турбини с малка мощност.

Сред тях са изключително простата и технологична конструкция, работата в широк диапазон от режими, възможностите за ръчно и автоматично управление и ниската себестойност. У нас такива турбини са инсталирани във ВЕЦ Севлиево, Шумата, Гашня, Б. Вир и други.

Проточната част на този тип турбини се състои от направляващо устройство, работно колело, работна камера и изпускателна тръба. Водата постъпва от напорния тръбопровод в направляващото устройство (дюза), което преобразува енергията на водата изцяло в кинетична.

След дюзата водната струя атакува лопатките на работното колело, преминава през вътрешността му и отново атакува работните лопатки (двукратно действие). При това преминаване на водата между работните лопатки се изменя посоката и големината на скоростта, резултат на което е въртящият момент върху вала на работното колело. След като напусне работното колело, водата попада в работната камера.

Турго турбина

Турго турбините са известни още като наклонно-струйни турбини. Характерно за този тип активни турбини е, че водната струя атакува лопатките на работното колело не тангенциално (както при пелтоновата турбина), а под известен ъгъл. Подходящи са за напор от 30 - 250 м, имат мощност от 100 до 10 000 kW и максимална стойност на КПД 86%.

Основните елементи на тази турбина напълно отговарят по наименование и предназначение на другите активни турбини (направляващ апарат, работно колело, работна камера). Особеното при нея е, че формата на работните лопатки е значително по-опростена в сравнение с тази при пелтоновата турбина, което позволява да бъдат изработвани чрез щамповане.

Освен това тя е с по-висока бързоходност, което означава, че при едни и същи стойности на дебита и напора, тя ще има по-малки габарити и маса. Направляващият апарат е като при пелтоновата турбина.

Той формира струя, която атакува лопатките на работното колело под ъгъл, чиято стойност обикновено е 20 - 22°. В лопатките струята се извива в междулопатъчните канали, от което възниква сила, респективно въртящ момент.

Процесът на енергопреобразуване се характеризира с относително по-големи загуби от тези в пелтоновата турбина. Главно поради тази причина наклонно-струйната турбина не може да конкурира успешно пелтоновата при средни и големи мощности. Тя намира приложение предимно в инсталации с по-малката мощност поради по-ниската си стойност.

Реактивни водни турбини

В зависимост от посоката на движение на водата в работното колело реактивните турбини биват радиално-осови (тип Францис), осови и диагонални. Францисовите турбини са реактивни водни турбини, които покриват много широко поле от дебити и напори.

Работният им процес се отличава с много висока ефективност (измерени са стойности до 95%). В нашата страна францисови турбини са инсталирани във ВЕЦ Момина клисура, Студен кладенец, Алеко, Девин, Кричим и други.

В работното колело на францисовата турбина водата се движи от радиална посока (на входа) в осова (след изхода).

Според разположението на вала францисовите турбини биват хоризонтални и вертикални. Както при всяка друга реактивна турбина, проточната част на францисовата турбина се състои от турбинна камера, направляващ апарат, работно колело и дифузор.

Осови турбини

Осовите турбини са реактивни водни турбини, които се използват при големи дебити и сравнително ниски напори - от 2 до 80-90 м. В работното колело на тези турбини водата се движи в осова посока както в зоната на входа, така и в зоната на изхода.

В сравнение с останалите водни турбини те притежават най-голяма пропускателна способност и бързоходност. По принцип осовите турбини биват с неподвижни (тип пропелер) и с подвижни (тип Каплан) лопатки.

Следва да се отбележи, че обикновено осовите турбини се изпълняват като капланови, което позволява да се осигурят високи стойности на средноексплоатационния КПД при изменение на натоварването и напора на турбината. От гледна точка на стойността на напора, осовите турбини биват нисконапорни (Н<15 м), среднонапорни (15 - 35 м) и високонапорни (Н>35 м).

Нисконапорните се изпълняват най-често с хоризонтален вал като хоризонтални, капсулни, правотокови, шахтови и по-рядко с вертикален вал. Среднонапорните обикновено се конструират с вертикално разположен вал. Високонапорните по правило са с вертикален вал.

Проточната част на осовите турбини е съставена от същите елементи по наименование и предназначение като при францисовите турбини. Различията са в конструкцията на някои от тези елементи. При вертикалните осови турбини обикновено се използват спирални камери и само за много ниски напори - правоъгълни.

За напори до 40 м спиралните камери най-често са с шестоъгълно сечение, ъгъл на развитие 180° - 270° и се изработват от стоманобетон (при по-високи напори се прави метална обшивка). В конструкциите на високонапорните осови турбини се използват и метални спирални камери с кръгли сечения. В изходящата част на камерата са разположени статорните колони, които най-често са с постоянна височина.

В по-старите конструкции на спирали с кръгли сечения се срещат и статори с променлива височина. Турбинните камери на хоризонталните осови турбини обикновено са правотокови с пръстеновидни сечения. Статорните колони свързват вътрешното тяло (капсула, обтекател) с външния пръстен на камерата. През статора се осигурява достъп до генератора, който е разположен в капсулата.

Във вертикалните осови турбини се използва цилиндричен направляващ апарат. Направляващите лопатки по-често са със симетричен профил и се задвижват от лостова система. Функциите и изискванията към този вид направляващ апарат са като при францисовите турбини. При хоризонталните осови турбини се използва конусен и по-рядко радиален направляващ апарат.

Срещат се конструкции на осови турбини с неподвижни направляващи лопатки (турбини с малка мощност и незначителни колебания на напора). В този случай експлоатацията на турбината се ограничава до режими, близки до номиналния. Такива турбини сe наричат Томан-Каплан или полу-Каплан.

Работното колело се състои от главина и работни лопатки. При пропелерните осови турбини работните лопатки са неподвижни спрямо главината, докато при каплановите те могат да се завъртат около осите си по време на работа. Механизмът за завъртане на работните лопатки е разположен в корпуса и се състои от силов цилиндър (сервомотор) и лостова система.

Диагонални водни турбини

По отношение на основните параметри (дебит и напор) тези турбини заемат междинно положение между осовите и францисовите. В съвременната хидроенергетика намират приложение диагоналните турбини с подвижни лопатки.

В зависимост от големината на напора ъгълът на лопатките спрямо оста на работното колело се изменя в границите от 30 до 60о. По правило се конструират с вертикално разположен вал.

При диагоналните турбини се използват спирални камери с кръгли сечения и пълен ъгъл на обхват и цилиндричен направляващ апарат. Работното им колело е разположено в зона от проточната част на турбината, където водата се движи по диагонала между радиалното и осовото направление.

Обикновено се използва колянов дифузор, но съществуват и проекти за хоризонтални диагонални капсулни турбини, в схемата на които е предвиден прав конусен дифузор.

По материали на В. С. Обретенов