Ковшовая турбина своими руками
Основным признаком, характеризующим тип турбины, является конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса. Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требованиям: должна быть исключена возможность удара потока жидкости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверхности; потери на трение о твердые поверхности должны быть минимальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.
Главным конструктивным элементом турбины является рабочее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с потоком жидкости различают четыре вида турбин: ковшовые, осевые, диагональные и радиально-осевые.
Рассмотрим устройство и принцип работы турбин основных типов.
Ковшовая турбина(рис. 2). Турбина представляет собой рабочее колесо 7, укрепленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вращается в воздухе, и только часть лопаток взаимодействует с водой. Вода подается на рабочие лопасти 6 по трубопроводу 2 через сопло 1. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи совпадали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом на две части. Каждая из частей обтекает свою полусферу, воздействуя на лопасти с силой Р.
Так как скорость обтекания лопастей потоком жидкости очень велика, чтобы уменьшить потери мощности, ковши должны быть изготовлены с большой точностью и качественно обработаны. Кроме того, лопасти турбины работают в условиях переменной нагрузки: она максимальна тогда, когда лопасть проходит через струю, а в другое время отсутствует. Это вызывает усталость металла, способствует расшатыванию и ослаблению крепления ковшей. Конструкции крепления лопастей к диску постоянно совершенствуются. В последние десятилетия стали применять неразъемные цельнолитые и сварно-литые рабочие колеса.
Мощность, развиваемую турбиной, регулируют изменением подачи воды через сопло. Для этих целей служит игла 2, которая позволяет изменять или полностью перекрывать выходное сечение сопла. Временно снизить мощность турбины можно и без уменьшения подачи воды через сопло. Для этих целей служит дефлектор, который либо отклоняет, либо отсекает струю.
Рабочее колесо вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе турбины, защищенном от разбрызгивания воды кожухом (корпус и кожух на рисунке не показаны). Увеличивая число сопл, подводящих воду к рабочему колесу, можно получить две, четыре или шесть струй; при этом соответственно увеличивается и мощность турбины.
По расположению вала ковшовые турбины делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные турбины могут иметь одно или два рабочих колеса на одном валу. В вертикальных турбинах, как правило, устанавливается одно рабочее колесо.
В России построено всего несколько ГЭС, оснащенных ковшовыми турбинами. В частности, на Татеевской ГЭС установлены вертикальные шестисопловые турбины мощностью 54,6 МВт, изготовленные на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ).
Такая турбина, рассчитанная на работу при напоре 576-538 м, имеет сварно-литое рабочее колесо из нержавеющей стали диаметром D= 1,86 м с 20 лопастями и сопло с диаметром выходного отверстия dc = 200 мм.
Осевая турбина(рис. 3). Вращающаяся часть (ротор) турбины состоит из рабочего колеса с лопастями 9, вала 1 и обтекателя 10. К статору 5 примыкают турбинная камера 6 и направляющий аппарат 7. Статор состоит из двух мощных металлических поясов (колец): верхнего опорного 4 и нижнего 8, обеспечивающих прочность всей конструкции. Рабочее колесо содержит от 4 до 8 лопастей. Лопасти либо крепятся жестко под некоторым углом к оси вращения колеса, либо выполняются поворотными; в этом случае угол их установки может изменяться в зависимости от нагрузки. В первом случае турбина называется пропеллерной, во втором - поворотно-лопастной. За рубежом поворотно-лопастные турбины обычно называют турбинами Каплана — по имени чешского изобретателя, разработавшего эту конструкцию. Осевые поворотно-лопастные турбины имеют более высокие энергетические показатели, чем пропеллерные.
Турбинная камера 4 выполнена из стали или бетона и имеет в сечении трапецеидальную форму. Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток, которые образуют кольцевые решетки. Лопатки крепятся в нижнем кольце 8 и в крышке турбины 3 посредством осей, что обеспечивает возможность их поворота. На крышке установлен направляющий подшипник 2, ограничивающий радиальные перемещения вала рабочего колеса. Число лопаток устанавливается в зависимости от напора: в крупных турбинах при небольшом напоре оно равно 32, при более высоком - 24, а иногда - 20. Назначение направляющего аппарата - регулировать подачу воды и обеспечивать закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Для изменения положения направляющих лопаток служит специальный механизм.
Важным конструктивным элементом реактивной осевой турбины является отсасывающая труба 11, представляющая собой плавно расширяющийся водовод, обеспечивающий постепенное снижение скорости потока жидкости.
Осевая поворотно-лопастная турбина.Турбинами данного типа оборудовано большинство крупных гидростанций страны. На рисунке 4 показана поворотно-лопастная турбина мощностью 126 МВт, установленная на Волжской ГЭС (1- опорная конструкция; 2 - верхнее опорное кольцо; 3 - механизм поворота направляющих лопаток; 4 - турбинная камера; 5 - направляющий аппарат с лопатками; 6 - статор; 7 — лопатки рабочего колеса; 8 — нижнее опорное кольцо; 9 — вал рабочего колеса). Она рассчитана на напор до 30 м (номинальный 19,5 м) и максимальный расход 700 м 3 /с. Диаметр рабочего колеса 9,3 м, КПД 93,5%.
Осевые поворотно-лопастные турбины могут быть выполнены не только с вертикальным, но и с горизонтальным расположением вала. Особенно широкое распространение получили горизонтальные осевые турбины для погружных, или капсульных, агрегатов, у которых электрогенератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой. Турбины такого типа устанавливают на низконапорных ГЭС, а также на ГЭС, использующих энергию прилива.
В РФ на побережье Баренцева моря работает Кислогубская приливная ГЭС с горизонтальными гидротурбогенераторами мощностью 400 кВт. На рисунке 5 показан горизонтальный капсульный турбоагрегат Киевской ГЭС. Турбина и генератор заключены в стальную капсулу 4. В состав агрегата входят также отсасывающая труба 5, сорозадерживающая решетка 3, затворы водослива 1 для пропуска паводковых вод, коммуникационная шахта 2. Прямоосное движение потока и отсутствие поворота в отсасывающей трубе позволяют уменьшить гидравлические потери и повысить КПД. Горизонтальные турбины развивают мощность на 20-25% выше, чем вертикальные с аналогичными параметрами.
Диагональные турбины.Диагональные турбины разработаны сравнительно недавно. Они рассчитаны на работу при более высоких напорах и отличаются от осевых турбин главным образом тем, что лопасти рабочего колеса установлены под меньшим углом наклона к оси его вращения (45-60°). В связи с этим конструкция рабочего колеса и камеры диагональных турбин несколько изменены по сравнению с осевыми, а стартор, направляющий аппарат и механизм привода направляющих лопаток такие же. На рисунке 6 показана крупнейшая диагональная поворотно-лопастная турбина мощностью 215 МВт с диаметром рабочего колеса 6 м, созданная на ЛМЗ.
Лопасти рабочего колеса 5 с цапфами 4 укреплены под углом 45° в корпусе 2 сферической формы. На каждой цапфе имеется рычаг 6, соединенный шаровым шарниром с тягой 3, предназначенный для одновременного поворота всех лопастей рабочего колеса на один и тот же угол. Привод этого механизма производится от сервомотора 1. Камера 7 рабочего колеса имеет сферическую форму. Это обеспечивает небольшие зазоры между стенками камеры и лопастями рабочего колеса, что повышает КПД турбины.
Радиально-осевые турбины(рис. 7). Турбины данного типа (за рубежом их называют турбинами Френсиса) предназначены для работы при средних напорах (от 40 до 700 м). Конструкция рабочего колеса радиально-осевой турбины существенно отличается от рассмотренных выше. Лопасти 11 колеса для большей прочности жестко заделаны в ступицу 4 и обод 10 и образуют как бы круговую решетку. Рабочее колесо соединяется фланцем с валом 2. Для снижения гидравлических потерь при выходе воды с лопаток служит обтекатель 12.
Вода подводится к рабочему колесу по турбинной камере 6 спиральной формы. Стартор 7, направляющий аппарат 9, верхнее 5 и нижнее 8 опорные кольца, крышка 3 и другие элементы мало отличаются от соответствующих конструкций элементов рассмотренных осевых турбин.
Радиально-осевые турбины установлены в РФ и СНГ на многих крупных ГЭС: Днепропетровской ГЭС (75 МВт), Братской ГЭС (225 МВт), Красноярской ГЭС (508 МВт), Саяно-Шушенской ГЭС (650 МВт) и др. Например ра диально-осевая турбина Братской ГЭС рассчитана на напор до 106 м, имеет диаметр рабочего колеса 5,5 м, КПД 93%.
Области применения турбин различных классов и типов в зависимости от напора показаны на рис. 8. Из схемы видно, что осевые турбины применяются при низких напорах (не выше 70 м), диагональные – при напорах 40-200 м, а радиально-осевые – при напорах 40-700 м. Таким образом, реактивные турбины работают в широкой области напоров (от 1-2 до 700 м). Наиболее высокий напор (от 400 до 1500 м и более) способны воспринимать активные ковшовые турбины.
Области применения турбин некоторых типов перекрываются. Например, при напорах 50-70 м могут работать и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. В этом случае при выборе типа турбины решающее значение имеют технико-экономические соображения.
Мы производим и поставляем гидроагрегаты с ковшовыми турбинами в Россию, СНГ, Европу, Азию и Латинскую Америку.
У нас вы можете купить микро-гидроэлектростанции с ковшовыми турбинами.
Гидроагрегаты с ковшовой турбиной для мини-ГЭС и малых ГЭС мы производим по вашему заказу.
Микро-ГЭС с ковшовыми турбинами
Гидроагрегаты с ковшовыми турбинами для мини-ГЭС и малых ГЭС
Описание и принцип действия
Ковшовая турбина (турбина Пелтона) применяется при очень высоких напорах, которые можно получить только при большом перепаде высот. Как правило, подобные условия встречаются в гористой местности. Турбина Пелтона имеет самый низкий расход воды среди всех типов турбин.
Напорный трубопровод заходит в здание гидроэлектростанции и заканчивается соплом, направляющим струю на рабочее колесо. Струя воды под высоким давлением ударяет в ковши, закрепленные на рабочем колесе, в результате чего рабочее колесо приходит во вращение.
После того, как импульсная энергия воды передается на рабочее колесо, вода стекает в отводящую трубу при атмосферном давлении. Корпус турбины служит для защиты от брызг помещения гидроэлектростанции и делается больших размеров, чтобы отраженная от корпуса вода не попадала назад на ротор и не уменьшала КПД установки.
Защита гидротурбины от разгона осуществляется с помощью отсекателей, направляющих струю воды, выходящую из сопла, мимо рабочего колеса.
Разработанные в ИНСЭТ турбины Пелтона устанавливаются на напоры от 40 до 450 метров.
Основным признаком, характеризующим тип турбины, является конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса. Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требованиям: должна быть исключена возможность удара потока жидкости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверхности; потери на трение о твердые поверхности должны быть минимальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.
Главным конструктивным элементом турбины является рабочее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с потоком жидкости различают четыре вида турбин: ковшовые, осевые, диагональные и радиально-осевые.
Рассмотрим устройство и принцип работы турбин основных типов.
Ковшовая турбина(рис. 2). Турбина представляет собой рабочее колесо 7, укрепленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вращается в воздухе, и только часть лопаток взаимодействует с водой. Вода подается на рабочие лопасти 6 по трубопроводу 2 через сопло 1. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи совпадали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом на две части. Каждая из частей обтекает свою полусферу, воздействуя на лопасти с силой Р.
Так как скорость обтекания лопастей потоком жидкости очень велика, чтобы уменьшить потери мощности, ковши должны быть изготовлены с большой точностью и качественно обработаны. Кроме того, лопасти турбины работают в условиях переменной нагрузки: она максимальна тогда, когда лопасть проходит через струю, а в другое время отсутствует. Это вызывает усталость металла, способствует расшатыванию и ослаблению крепления ковшей. Конструкции крепления лопастей к диску постоянно совершенствуются. В последние десятилетия стали применять неразъемные цельнолитые и сварно-литые рабочие колеса.
Мощность, развиваемую турбиной, регулируют изменением подачи воды через сопло. Для этих целей служит игла 2, которая позволяет изменять или полностью перекрывать выходное сечение сопла. Временно снизить мощность турбины можно и без уменьшения подачи воды через сопло. Для этих целей служит дефлектор, который либо отклоняет, либо отсекает струю.
Рабочее колесо вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе турбины, защищенном от разбрызгивания воды кожухом (корпус и кожух на рисунке не показаны). Увеличивая число сопл, подводящих воду к рабочему колесу, можно получить две, четыре или шесть струй; при этом соответственно увеличивается и мощность турбины.
По расположению вала ковшовые турбины делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные турбины могут иметь одно или два рабочих колеса на одном валу. В вертикальных турбинах, как правило, устанавливается одно рабочее колесо.
В России построено всего несколько ГЭС, оснащенных ковшовыми турбинами. В частности, на Татеевской ГЭС установлены вертикальные шестисопловые турбины мощностью 54,6 МВт, изготовленные на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ).
Такая турбина, рассчитанная на работу при напоре 576-538 м, имеет сварно-литое рабочее колесо из нержавеющей стали диаметром D= 1,86 м с 20 лопастями и сопло с диаметром выходного отверстия dc = 200 мм.
Осевая турбина(рис. 3). Вращающаяся часть (ротор) турбины состоит из рабочего колеса с лопастями 9, вала 1 и обтекателя 10. К статору 5 примыкают турбинная камера 6 и направляющий аппарат 7. Статор состоит из двух мощных металлических поясов (колец): верхнего опорного 4 и нижнего 8, обеспечивающих прочность всей конструкции. Рабочее колесо содержит от 4 до 8 лопастей. Лопасти либо крепятся жестко под некоторым углом к оси вращения колеса, либо выполняются поворотными; в этом случае угол их установки может изменяться в зависимости от нагрузки. В первом случае турбина называется пропеллерной, во втором - поворотно-лопастной. За рубежом поворотно-лопастные турбины обычно называют турбинами Каплана — по имени чешского изобретателя, разработавшего эту конструкцию. Осевые поворотно-лопастные турбины имеют более высокие энергетические показатели, чем пропеллерные.
Турбинная камера 4 выполнена из стали или бетона и имеет в сечении трапецеидальную форму. Направляющий аппарат состоит из направляющих лопаток, которые образуют кольцевые решетки. Лопатки крепятся в нижнем кольце 8 и в крышке турбины 3 посредством осей, что обеспечивает возможность их поворота. На крышке установлен направляющий подшипник 2, ограничивающий радиальные перемещения вала рабочего колеса. Число лопаток устанавливается в зависимости от напора: в крупных турбинах при небольшом напоре оно равно 32, при более высоком - 24, а иногда - 20. Назначение направляющего аппарата - регулировать подачу воды и обеспечивать закрутку потока перед его входом на лопасти рабочего колеса. Для изменения положения направляющих лопаток служит специальный механизм.
Важным конструктивным элементом реактивной осевой турбины является отсасывающая труба 11, представляющая собой плавно расширяющийся водовод, обеспечивающий постепенное снижение скорости потока жидкости.
Осевая поворотно-лопастная турбина.Турбинами данного типа оборудовано большинство крупных гидростанций страны. На рисунке 4 показана поворотно-лопастная турбина мощностью 126 МВт, установленная на Волжской ГЭС (1- опорная конструкция; 2 - верхнее опорное кольцо; 3 - механизм поворота направляющих лопаток; 4 - турбинная камера; 5 - направляющий аппарат с лопатками; 6 - статор; 7 — лопатки рабочего колеса; 8 — нижнее опорное кольцо; 9 — вал рабочего колеса). Она рассчитана на напор до 30 м (номинальный 19,5 м) и максимальный расход 700 м 3 /с. Диаметр рабочего колеса 9,3 м, КПД 93,5%.
Осевые поворотно-лопастные турбины могут быть выполнены не только с вертикальным, но и с горизонтальным расположением вала. Особенно широкое распространение получили горизонтальные осевые турбины для погружных, или капсульных, агрегатов, у которых электрогенератор расположен в стальной капсуле, обтекаемой водой. Турбины такого типа устанавливают на низконапорных ГЭС, а также на ГЭС, использующих энергию прилива.
В РФ на побережье Баренцева моря работает Кислогубская приливная ГЭС с горизонтальными гидротурбогенераторами мощностью 400 кВт. На рисунке 5 показан горизонтальный капсульный турбоагрегат Киевской ГЭС. Турбина и генератор заключены в стальную капсулу 4. В состав агрегата входят также отсасывающая труба 5, сорозадерживающая решетка 3, затворы водослива 1 для пропуска паводковых вод, коммуникационная шахта 2. Прямоосное движение потока и отсутствие поворота в отсасывающей трубе позволяют уменьшить гидравлические потери и повысить КПД. Горизонтальные турбины развивают мощность на 20-25% выше, чем вертикальные с аналогичными параметрами.
Диагональные турбины.Диагональные турбины разработаны сравнительно недавно. Они рассчитаны на работу при более высоких напорах и отличаются от осевых турбин главным образом тем, что лопасти рабочего колеса установлены под меньшим углом наклона к оси его вращения (45-60°). В связи с этим конструкция рабочего колеса и камеры диагональных турбин несколько изменены по сравнению с осевыми, а стартор, направляющий аппарат и механизм привода направляющих лопаток такие же. На рисунке 6 показана крупнейшая диагональная поворотно-лопастная турбина мощностью 215 МВт с диаметром рабочего колеса 6 м, созданная на ЛМЗ.
Лопасти рабочего колеса 5 с цапфами 4 укреплены под углом 45° в корпусе 2 сферической формы. На каждой цапфе имеется рычаг 6, соединенный шаровым шарниром с тягой 3, предназначенный для одновременного поворота всех лопастей рабочего колеса на один и тот же угол. Привод этого механизма производится от сервомотора 1. Камера 7 рабочего колеса имеет сферическую форму. Это обеспечивает небольшие зазоры между стенками камеры и лопастями рабочего колеса, что повышает КПД турбины.
Радиально-осевые турбины(рис. 7). Турбины данного типа (за рубежом их называют турбинами Френсиса) предназначены для работы при средних напорах (от 40 до 700 м). Конструкция рабочего колеса радиально-осевой турбины существенно отличается от рассмотренных выше. Лопасти 11 колеса для большей прочности жестко заделаны в ступицу 4 и обод 10 и образуют как бы круговую решетку. Рабочее колесо соединяется фланцем с валом 2. Для снижения гидравлических потерь при выходе воды с лопаток служит обтекатель 12.
Вода подводится к рабочему колесу по турбинной камере 6 спиральной формы. Стартор 7, направляющий аппарат 9, верхнее 5 и нижнее 8 опорные кольца, крышка 3 и другие элементы мало отличаются от соответствующих конструкций элементов рассмотренных осевых турбин.
Радиально-осевые турбины установлены в РФ и СНГ на многих крупных ГЭС: Днепропетровской ГЭС (75 МВт), Братской ГЭС (225 МВт), Красноярской ГЭС (508 МВт), Саяно-Шушенской ГЭС (650 МВт) и др. Например ра диально-осевая турбина Братской ГЭС рассчитана на напор до 106 м, имеет диаметр рабочего колеса 5,5 м, КПД 93%.
Области применения турбин различных классов и типов в зависимости от напора показаны на рис. 8. Из схемы видно, что осевые турбины применяются при низких напорах (не выше 70 м), диагональные – при напорах 40-200 м, а радиально-осевые – при напорах 40-700 м. Таким образом, реактивные турбины работают в широкой области напоров (от 1-2 до 700 м). Наиболее высокий напор (от 400 до 1500 м и более) способны воспринимать активные ковшовые турбины.
Области применения турбин некоторых типов перекрываются. Например, при напорах 50-70 м могут работать и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. В этом случае при выборе типа турбины решающее значение имеют технико-экономические соображения.
От Древнего Китая до XXI века
С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного дела на Урале. Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов, поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных насосов и других машин.
Для дальнейшего развития промышленности потребовалось создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.
Современные гидравлические турбины по принципу подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.
- Осевые (турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с осью вращения рабочего колеса.
- Радиально-осевые (турбина Френсиса).В этих турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса, а затем изменяет свое направление с радиального на осевое.
- Ковшовые (турбина Пелтона), поток воды в которых поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к рабочему колесу.
По второму способу классификации гидравлических турбин - в зависимости от изменения давления воды - различают реактивные турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).
Большинство гидравлических турбин являются реактивными и подходят для работы при низком (
Читайте также: