Принцип действия гидротурбин и их классификация

По принципу работы, все гидротурбины разделяются на два сильно отличающихся класса — активные и реактивные. Рабочее колесо реактивных турбин полностью погружено в поток воды, в активных же турбинах рабочее колесо работает при атмосферном давлении и приводится в действие отдельными струями воды.

Турбины, использующие только кинетическую энергию потока, рабочие органы которых работают без избыточного давления, открыто, называют активными.

Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию давления, процесс преобразования энергии в которых происходит в замкнутых, изолированных от окружающей среды установках, называют реактивными. В них процесс преобразования энергии происходит при давлении на входе, превышающем атмосферное. При этом частично используется и скоростной напор [7].

Сами термины — «активного» и «реактивного» действия — являются, как это следует из их определения, в большой мере условными. Осуществить чисто реактивное действие практически невозможно, так как поток, подходя к рабочему колесу, уже обладает кинетической энергией. Однако эти названия турбин стали традиционными и используются в практике специалистами во всём мире.

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши). На ковшах происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно один за другим при его вращении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопроводу, за вычетом потерь, обращается в кинетическую. Схема активной гидравлической турбины представлена на рисунке 1.

а — рабочее колесо; б — сопла Рисунок 1 — Схема активной гидравлической турбины К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые, пропелерные, поворотно-лопастные (включая двухперовую), и диагональные. Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки. Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток воды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же — потенциальная энергия, соответствующая разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. энергетика гидротурбина водный Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока [8].

Схема реактивной гидравлической турбины представлена на рисунке 2.

а — рабочее колесо; б — направляющий аппарат Рисунок 2 — Схема реактивной гидравлической турбины Большинство используемых гидротурбин — реактивные, из активных широкое распространение получили только ковшовые турбины, использующиеся в специфических условиях — при очень высоких напорах.

Еще один классифицирующий признак гидротурбин — ориентация их вала. Широкое применение получили турбины, как с вертикальным, так и с горизонтальным положением вала. По ряду причин технического и экономического характера, горизонтальное расположение вала применяется в первую очередь на малых ГЭС [4].

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, среднеи высоко — напорные. Также турбины подразделяются на малые, средние и крупные.