ГИДРОТУРБИНА

ГИДРОТУРБИНА гидравлическая
турбина, водяная турбина, ротационный двигатель, преобразующий механическую
энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося
вала. По принципу действия Г. делятся на активные и реактивные. Осн. рабочим
органом Г., в к-ром происходит преобразование энергии, является рабочее
колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных Г. через сопла, в
реактивных- через направляющий аппарат. В активной Г. (рис. 1) вода перед
рабочим колесом и за ним имеет давление, равное атмосферному. В реактивной
Г. (рис. 2) давление воды перед рабочим колесом больше атм., а за ним может
быть как больше, так и меньше атм. давления.

Рис. 1. Схема активной гидротурбины:
а- рабочее колесо; б - сопла.

Рис. 2. Схема реактивной
гидротурбины: а - рабочее колесо; б - направляющий аппарат.

Первая реактивная Г. была
изобретена в 1827 франц. инж. Б. Фурнсроном; эта Г. имела на рабочем колесе
мощность 6 л. с., но из-за плохих энергетических свойств подобные Г. уже
не применяются. В 1855 амер. инж. Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое
рабочее колесо Г. с неповоротными лопастями, а в 1887 нем. инж. Финк предложил
направляющий аппарат с поворотными лопатками (см. Радиально-осевая гидротурбина).
В 1889 амер. инж. А. Пелтон запатентовал активную - ковшовую гидротурбину,
в 1920 австр. инж. В. Каштан получил патент на поворотнолопастную гидротурбину.
Радиально-осевые, по-воротнолопастные и ковшовые Г. широко применяются
для выработки электрич. энергии (см. Гидроэнергетика).

Для расчёта профиля лопасти
рабочего колеса Г., вращающегося с постоянной угловой скоростью, используется
ур-ние (рис.3):

где H - рабочий напор Г.,
т. е. запас энергии 1 кг воды (разность отметок горизонтов воды перед входом
в сооружения гидравлич. силовой установки и по выходе из них за вычетом
потерь на сопротивление во всех сооружениях, но без
вычета потерь в самой Г.); Uлопастей на входе воды в рабочее колесо и на выходе из него, м/сек; Vи Vи aточках, соответствующих осереднённой по энергии поверхности тока, град;
g - ускорение свободного падения, м/сек².

В левую часть ур-ния вводится
множитель n, являющийся гидравлич. кпд гидротурбины. Часть мощности, полученная
колесом, расходуется на преодоление механич. сопротивлений, эти потери
учитываются механич. кпд гидротурбин nрабочего колеса учитывается объёмным кпд гидротурбины

. Полный кпд гидротурбины

-отношение полезной мощности, отдаваемой турбинным валом, к мощности пропускаемой
через Г. воды. В совр. Г. полный кпд равен 0,85-0,92; при благоприятных
условиях работы лучших образцов Г. он достигает 0,94-0.95.

Геом. размеры Г. характеризуются
номинальным диаметром Д, рабочего колеса. Г. разных размеров образуют турбинную
серию, если обладают однотипными рабочими колёсами и геом. подобными элементами
проточной части. Определив необходимые параметры одной из Г. данной серии,
можно подсчитать, пользуясь формулами подобия, те же параметры для любой
гидравлической турбины этой серии (см. Моделирование гидродинамическое
и аэродинамическое). Каждую турбинную серию характеризует коэфф. быстроходности,
численно равный частоте вращения вала Г., развивающей при напоре 1 м мощность
0,7355 квт (1 л. с.). Чем больше этот коэфф., тем больше частота вращения
вала при заданных напоре и мощности. Г. и электрич. генератор обходятся
дешевле при увеличении частоты их вращения, поэтому стремятся
строить Г. с возможно большим коэфф. быстроходности. Однако в реактивных
Г. этому препятствует явление кавитации, вызывающее вибрацию агрегата,
снижение кпд и разрушение материала Г.

Рис. 3. Треугольники скоростей
на входе в рабочее колесо гидротурбины и на выходе из него.

Рис. 4. Характеристики гидротурбины
при постоянном напоре и частоте вращения колеса: т - кпд; Q -расход воды;
N - нагрузка гидротурбины.

Графики, выражающие зависимости
величин, характеризующих Г., наз. турбинными характеристиками. На рис.
4 представлены характеристики Г. при постоянном напоре и частоте вращения
колеса, но при различных нагрузках
и расходе воды. В реальных условиях Г. работают при меняющемся напоре;
их поведение в этом случае изображается универсальными характеристиками
для модели и эксплуатац. характеристиками - для натурной Г. Универсальные
характеристики строятся на основании лабораторных исследований модели,
проточная часть к-рой геометрически подобна натурной.

Рис. 5. Универсальные характеристики
для модели гидротурбины.

На универсальных характеристиках
(рис. 5), исходя из условий моделирова-ния, в координатах приведённых величин
расхода Q'для Г. данной серии диаметром рабочего колеса 1 м, работающих при напоре
1 м) наносятся изолинии равных кпд , коэфф. кавитации сигиа и открытии направляющего
аппарата аосновании универсальных и показывают зависимость кпд натурной турбины n
% от нагрузки N Мвт и напора H м 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 Hзаглубление рабочего колеса Г. под уровень воды в нижнем бьефе (разность
отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа).

Рис. 6. Эксплуатационные
характеристики для натурной гидротурбины.

Проточная часть реактивных
Г. состоит из следующих осн. элементов (рис. 7): спиральной камеры гидротурбины
1; направляющего аппарата 2, регулирующего расход воды; рабочего колеса
3 и отсасывающей трубы 4, отводящей воду от Г. Реактивные Г. по направлению
потока в рабочем колесе делятся на осевые

и радиально-осевые. По способу
регулирования мощности реактивные Г. бывают одинарного и двойного регулирования.
К Г. одинарного регулирования относятся Г., содержащие направляющий аппарат
с поворотными лопатками, через к-рый вода подводится к рабочему колесу
(регулирование в этих Г. производится изменением угла поворота лопаток
направляющего аппарата), и лопастнорегу-лируемые Г., у к-рых лопасти рабочего
колеса могут поворачиваться вокруг своих осей (регулирование в этих Г.
производится изменением угла поворота лопастей рабочего колеса). Г. двойного
регулирования содержат направляющий аппарат с поворотными лопатками и рабочее
колесо с поворотными лопастями. Поворот-нолопастные Г., применяемые на
напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными гидротурбинами. Разновидностью
осевых являются двух-перовые, в к-рых на каждом фланце размещаются по две
лопасти вместо одной. Радиально-осевые Г. одиночного регулирования применяют
на напоры до 500-600 м. Активные Г. строят преим. в виде ковшовых Г. и
применяют на напоры выше 500-600 м; их делят на парциальные и непарциальные.
В парциальных Г. вода к рабочему колесу подводится в виде струй через одно
или неск. сопел и поэтому одновременно работает одна или неск. лопастей
рабочего колеса. В непарциальных Г. вода подводится одной кольцевой струёй
и поэтому одновременно работают все лопасти рабочего колеса. В активных
Г. отсасывающие трубы и спиральные камеры отсутствуют, роль
регулятора расхода выполняют
сопловые устройства с иглами, перемещающимися внутри сопел и изменяющими
площадь выходного сечения. Крупные Г. снабжаются автоматич. регуляторами
скорости.

Рис. 7. Проточная часть реактивной
гидротурбины.

По расположению вала рабочего
колеса Г. делятся на вертикальные, горизонтальные и наклонные. Сочетание
Г. с гидрогенератором наз. гидроагрегатом. Горизонтальные гидроагрегаты
с поворотно-лопастными или пропеллерными Г. могут выполняться в виде капсулъного
гидроагрегата.

Широкое распространение получили
обратимые гидроагрегаты для гидроак-кумулирующих и приливных электростанций,
состоящие из насосо-турбины (гидромашины, способной работать как в насосном,
так и в турбинном режимах) и двигателя-генератора (электромашины, работающей
как в двигательном, так и в генераторном режимах). В обратимых гидроагрегатах
применяются только реактивные Г. Для приливных электростанций используются
капсульные гидроагрегаты.

В 1962 в СССР разработана
номенклатура поворотнолопастных и радиально-осевых Г., в к-рой даются система
типов и размеров Г. и их основные гидравлич. и конструктивные характеристики
(табл.). Эта номенклатура основана на закономерном изменении зависимостей
геом. и гидравлич. параметров рабочих колёс от напора.

Осн. тенденциями в развитии
Г. являются: увеличение единичной мощности, продвижение каждого типа Г.
в область повышенных напоров, совершенствование и создание новых типов
Г., улучшение качества, повышение надёжности и долговечности оборудования.
В СССР созданы и успешно работают Г. радиаль-но-осевого типа мощностью
508 Мет на расчётный напор 93 м с диаметром рабочего колеса 7,5 м для Красноярской
ГЭС, разрабатываются Г. такого же типа для Саянской ГЭС (единичная мощность
650 Мвт, расчётный напор 194 м, диаметр рабочего колеса 6,5 м).

Больших успехов в создании
Г. достигли фирмы: "Хитати", "Мицубиси", "Тосиба" (Япония), "Нохаб" (Швеция),
"Нейрпик" (Франция), "Инглиш электрик" (Великобритания), "Фойт" (ФРГ) и
др. Напр., япон. фирмой "Тосиба" проектируются Г. для ГЭС Гранд-Кули-III
единичной мощностью 600 Мет на напор 87 м с диаметром рабочего колеса 9,7
м.

Лит.: Шпанхаке В., Рабочие
колёса насосов и турбин, пер. с нем., ч. 1, M.- Л., 1934; Турбинное оборудование
гидроэлектростанций, под ред. А. А. Морозова, 2 изд.. М. -Л., 1958; Ковалев
H. H., Гидротурбины, М.-Л., 1961; Кривченко Г. И., Автоматическое регулирование
гидротурбин, М.-Л., 1964; Tenot A., Turbines hydrauliques et regulateurs
automa-tiques de vitesse, v. 1-4, P., 1930-35.

M. Ф. Красилъников.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я