Конструктивные особенности и основные характеристики гидротурбин

Прообразом гидротурбин можно считать водяные колеса, старейшие из которых (нории) возникли еще в древнем Египте. Использование энергии потока в наклонном русле является древнейшим способом утилизации водной энергии, уходящим, как уже отмечалось, ко времени зарождения цивилизации. Вначале использовались лишь кинетическая энергия потока, т. е. на реках не было никак подпорных сооружений. Колесо, снабженное плоскими лопастями, опускалось в текущую воду, и лопасти, подхватываемые течением, заставляли колесо вращаться.

Водяные колеса, как гидродвигатели, использующие кинетическую энергию потока и энергию положения, из-за невозможности применения их для получения значительных мощностей распостранения не получили. Развитие пошло по пути поиска более совершенных преобразователей водной энергии, где используется напор потока, получивших название — гидротурбины.

Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, преобразующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины) [8].

Гидротурбина состоит из нескольких основных элементов, состав и расположение которых на разных типах турбин может различаться.

Самая большая и ответственная деталь гидротурбины — рабочее колесо. Именно оно, взаимодействуя с водным потоком, приводится во вращение и вращает вал, на который оно и насажено. Вал, в свою очередь, приводит во вращение гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Главный элемент рабочего колеса — лопасти, которые в разных типах турбин могут быть, как закреплены неподвижно, так и иметь возможность разворота.

Доступ воды в турбину обычно регулирует направляющий аппарат. Основной его элемент — особой формы лопатки, которые могут поворачиваться и изменять количество поступающей в турбину воды, вплоть до полного перекрытия ее доступа. Таким образом, осуществляется пуск и остановка турбины, а также изменение ее мощности. Направляющий аппарат монтируется на статоре, внутрь которого помещается рабочее колесо. Сверху монтируется крышка турбины, предотвращающая попадание воды на генератор.

Гидротурбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом [10].

Основными количественными и качественными характеристиками гидротурбин являются:

• — напор;
• — расход;
• — мощность.

Напор турбины Н (м) определяется при проектировании турбинной установки. Он выражает энергию, которой располагает турбина (рабочий напор). Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях напора Н и расхода Q называют номинальной.

Гидродинамические качества рабочего колеса в основном определяют такие характеристики гидротурбины как:

• — КПД;
• — приведенный расход;
• — частота вращения;
• — кавитационный коэффициент;
• — коэффициент быстроходности.

Обычно эти параметры определяются при испытаниях модельной турбины на лабораторной установке [9].