Основное оборудование ГЭС

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы.

Гидротурбины

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Гидротурбины подразделяются на два класса: активные и реактивные. Турбина называется активной, если используется только кинетическая энергия потока, и реактивной, если используется и потенциальная энергия при реактивном эффекте. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т. е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.

Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально-осевые и ковшовые. Рассмотрим схемы их устройства и принцип действия.

Осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Каплана) являются низконапорными турбинами. Они используются при малых напорах — от 1−3 до 60−70 м. Схема осевой турбины показана на рисунке 5.

Рис. 5. Схема осевой гидротурбины

Рабочее колесо осевой турбины, состоящее из лопастей рабочего колеса 1, укрепленных в корпусе 2 с обтекателем, соединено валом 3. Количество лопастей рабочего колеса может быть различным — от 4 до 8. Чем больше напор, тем больше количество лопастей. Лопасти могут быть укреплены жестко, с каким-то некоторым углом наклона. В этом случае турбина называется пропеллерной. Однако обычно лопасти делаются поворотными, т. е. на ходу в зависимости от условий работы (нагрузка, напор) угол установки лопастей может меняться. Такие турбины называют поворотно-лопастные. Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Диагональные турбины, разработанные в последние десятилетия, отличаются от осевых турбин только тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 45 — 60є).

Радиально — осевые турбины (за рубежом их обычно называют турбинами Френсиса) являются средненапорными турбинами. Они используются при напорах в диапазоне от 40−60 до 500−700 м. Схема радиально — осевой турбины показана на рисунке 6.

Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из 12 — 17 лопастей рабочего колеса 1, образующих круговую решетку лопастей. Лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата 12, постепенно меняет направление с радиального на осевое. В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 640 МВт.

Рис. 6. Схема радиально-осевой гидротурбины

Ковшовые турбины (за рубежом их называют турбинами Пельтона, иногда «свободноструйными») — это высоконапорные турбины, используемые при напорах более 400 — 600 м. Схема ковшовой турбины показана на рисунке 7.

Рис. 7. Схема ковшовой гидротурбины

Основными ее элементами являются сопло 1, к которому вода подводится по трубопроводу 2, и рабочее колесо 3, укрепленное на валу Сопло и рабочее колесо установлены выше уровня воды, так что рабочее колесо вращается в воздухе. В этой турбине потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке-сопле полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти 6. Внутри сопла расположена регулировочная игла 8, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а, следовательно, и расход воды. гидравлический энергия водоток гидротурбина Ковшовые гидротурбины являются наиболее распространенными активными гидротурбинами.

Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской и других ГЭС. Поворотно-лопастными осевыми турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская, Кременчугская и другие ГЭС.

На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной (50−60 Гц). Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах — с большими значениями этого коэффициента.

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения изменяется от 16,6 до 1500 об/мин.

Области применения турбин некоторых видов перекрываются. Так, при напорах 50−70 метров могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. Выбор оптимального решения производиться на основании технико-экономических сопоставлений различных вариантов.