Съвременни турбини за ВЕЦ

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2010

Характеристики и основни параметри на активни и реактивни водни турбини

     В съвременната хидроенергетика се използват разнообразни типове водни турбини. 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. В настоящата статия са разгледани типовете активни и реактивни турбини, познати с имената на своите изобретатели - Пелтон, Банки, Турго, Францис, Каплан и техните основни конструктивни и работни характеристики.

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, 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.

Разпределително и направляващо устройство

Основната задача на разпределителното и направляващото устройство е осигуряването на необходимите стойности на параметрите на течението пред работното колело.

Разпределителното устройство (колекторът) е предназначено да отведе водата от напорния тръбопровод до входа на направляващия апарат с минимални хидравлични загуби, като осигури равномерно разпределение на дебита и на скоростите на входа на дюзите. Колекторът трябва да се конструира по такъв начин, че да може да осигури равни стойности на дебита и налягането на входа на всяка дюза.

Направляващото устройство е предназначено да преобразува енергията на водата изцяло в кинетична и да осигурява плавно изменение на дебита според изискванията на турбинната мощност.

В съвременните пелтонови турбини се използват два вида направляващи устройства – коляновидно и правотоково. Основните елементи и на двете устройства са дюзата и иглата. Разликата в двете конструкции произтича от начина на задвижване на иглата. В правотоковото устройство то се осъществява от силов цилиндър, разположен в обтекателя, докато в коляновидното силовия цилиндър е изнесен извън проточната част и премества иглата с помощта на дълъг лост, който преминава през коляното и смущава течението. От гледна точка на хидравличните загуби и характеристиките на скоростното поле на входа на дюзата, правотоковото устройство има безспорно предимство и затова намира по-широко приложение.

Работно колело на пелтонова турбина

Според конструкцията си, работните колела на пелтоновите турбини биват три вида: съставни с механично закрепване на лопатките; съставни със заварени лопатки и изцяло отлети. Съставните работни колела с механично закрепване на лопатките, в неговия класически вариант, намират ограничено приложение при турбини с малка мощност.

През последните години се използва и нова технология за изработване на съставни работни колела с механично закрепване. При нея лопатките се изработват самостоятелно (отливка или изковка), което дава възможност да бъдат реализирани много прецизно всички изисквания от хидродинамична, конструктивна и технологична гледна точка. Лопатките се монтират върху пръстени, като закрепването се извършва с помощта на конусни щифтове и болтове.

В много редки случаи се прилага технология, при която основният диск и работните лопатки се отливат отделно, след което лопатките се обработват и заваряват към диска.

Някои от водещите в хидротурбостроенето фирми прилагат нови технологии, при които работното колело се отлива от две или повече части, след това лопатките се обработват, частите се заваряват и накрая се извършва окончателната обработка. Най-често се конструират изцяло отлети работни колела. Основният им недостатък е ограничената възможност за точно обработване на лицевата и тилната страна на работните лопатки, независимо от забележителния напредък на технологиите в това отношение през последните години.

Двукратни турбини за ВЕЦ

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.

Наклонно-струйна (Турго) турбина

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.

Компоненти на францисовите турбини

Турбинна камера. Използват се правоъгълни и спирални турбинни камери. Правоъгълните камери намират приложение при нисконапорните (Н<6 м) францисови турбини с малка мощност. Най-често спиралните камери на тези турбини са с кръгло или овално сечение. При францисовите турбини с малка мощност се използват и спирални камери с правоъгълно сечение. Ъгълът на обхват на спиралните камери обикновено е 330° - 360°. Когато турбината е с вертикален вал, спиралната камера се бетонира във фундамента. В хоризонталните турбини спиралната камера се закрепва към фундамента чрез специални опори. При високонапорните францисови турбини спиралните камери са ляти (изцяло или от няколко части).

Спиралните камери на турбините за ниски и средни напори обикновено са със заварена конструкция. В изходящата част на спиралната камера е разположен статорът на турбината. Статорните колони обикновено са профилирани, но при турбините с малка мощност могат да бъдат с кръгло сечение (шпилки).

Направляващ апарат. При францисовите турбини най-често се използва цилиндричен многолопатков направляващ апарат. Направляващите лопатки по принцип са с несиметричен профил с положителна кривина и се задвижват от лостовата система. За определен режим на работа (зададена мощност) на турбината направляващите лопатки са неподвижни. Когато е необходимо да се измени дебитът на турбината (респ. мощността), те се завъртат синхронно. Направляващите лопатки са лагерувани в плъзгащи лагери в капаците на турбината. При францисовите турбини с малка мощност, с оглед намаляване на инвестициите, понякога се използват и еднолопаткови направляващи апарати.

Работно колело. Това е най-важният елемент от проточната част на турбината. Работното колело се състои от два диска -вътрешен (главина) и външен (венец), между които са разположени работните лопатки. Вътрешният диск се закрепва към вала на турбината. Преобразуването на енергията на водата в механична енергия е резултат на силовото взаимодействие на системата от работни лопатки с водното течение. Броят на работните лопатки обикновено е 11 - 17 (нараства с увеличаването на напора).

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. Дълго време като най-сериозна слабост на каплановите турбини се считаше недостатъчно надеждното уплътняване на механизма за завъртане на работните лопатки, вследствие на което след известен срок на експлоатация се наблюдаваше изтичане на масло и замърсяване на водата. Затова при проектирането на нисконапорни ВЕЦ с малки колебания на напора, в някои случаи се предпочиташе да се използват пропелерни турбини (вместо капланови), като изискваната от енергийната система мощност се осигуряваше чрез включване и изключване на определен брой агрегати. Днес може да се каже, че технологичното развитие в областта на хидротурбостроенето е преодоляло този недостатък на каплановите турбини. Друг недостатък на всички осови турбини са относително високите стойности на коефициента на кавитация в сравнение с францисовите турбини, което води до увеличаване на смукателната височина, а това от своя страна увеличава забележимо строителните работи. 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.

Проточна част на осовата турбина

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.

Турбинна камера. 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.

Направляващ апарат. 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.

Работно колело. Състои се 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.

Обикновено се използват две схеми на този механизъм - коляно-мотовилков и кулисен, като по-често се прилага първата схема. Подаването на масло под налягане до силовия цилиндър се извършва чрез специално устройство (т.нар. маслоприемник) по тръбопроводи през кухия вал на турбината. Чрез завъртане на работните лопатки може да се регулира дебитът и мощността дори и при неподвижен направляващ апарат.

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 – 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.

В България засега няма инсталирани диагонални турбини.





Top