Турбіни малої гідроенергетики

Водяні зубчаті колеса різних форм були першими машинами, які перетворювали енергію текучої води в обертальний рух. Вони приводили в рух млини, лісопилки, водяні насоси та інші машини.

З середини XIX ст. почалися винаходи різного виду турбін для малої гідроенергетики. В 1849 р. англійський інженер Джеймс Френсіс розробив радіальну турбіну, яка отримала назву його прізвище. Турбіна Френсіса (рисунок 4.7.1) є турбіною реактивного типу, в якій робоче колесо турбіни повністю занурене у воду, а тиск і швидкість води зменшуються в процесі її проходження через турбіну. Вода спочатку входить у спіраль, яка являє собою кільцевий канал, що обводить робоче колесо турбіни, а потім тече між нерухомими лопатями, які направляють потік води. Направляючі лопаті зроблені таким чином, що енергія потоку води трансформується в обертальний рух без втрат енергії на турбулентність. Зазвичай направляючі лопаті можна регулювати, що дозволяє пристосовувати турбіну до змін потоку води та її навантаження. Вода після віддачі енергії турбіні прямує через вихідний отвір у центрі турбіни.

Турбіна Френсіса використовується при середніх напорах і витратах води. Регулювання турбіни Френсіса можливе тільки за рахунок направляючих лопатей, ККД турбіни при номінальному навантаженні досягає 90 %. Турбіна Френсіса працює як турбіна надлишкового тиску і може використовуватися як насосна турбіна в гідроакумулюючій електростанції.

Рисунок 4.7.1 - Турбіна Френсіса: 1 - подача води; 2 - корпус турбіни; 3 - регулювальний направляючий апарат; 4 - робоче колесо; 5 - витік води

В 1886 р. американець Лестер Пелтон винайшов турбіну, яка призначена для значних напорів і малих витрат води. Турбіна Пелтона (рисунок 4.7.2) належить до типу імпульсних турбін, у якій існуючий напір води перетворюється в кінетичну енергію при атмосферному тиску і частковому впуску потоку в турбіну, найголовніше вдосконалення, зроблене Пелтоном порівняно з древнім водяним колесом, це симетричні двійні ковші. Ребро роздільника ділить струмінь пополам, утворюючи два потоки, які відхиляються один від одного. Колесо розміщується вище рівня стоку, що означає втрату гідростатичного напору, однак у той же час не відбувається занурення робочого колеса у воду.

Рисунок 4.7.2 - Турбіна Пелтона 1 - подача води; 2 - вхідний отвір; 3 - робоче колесо; 4 - витік води

Процес передачі енергії відбувається так. Через сопла вода з великою швидкістю діє на напівкруглі ложкоподібні ковші, які розташовані на робочому колесі, і передає всю енергію турбіні. Завдяки симетрії потоку практично не утворюються осьові зусилля колеса турбіни. Турбіну Пелтона доцільно застосовувати при будь - якому потоці і напорі, який більше ЗО м. Для збільшення потужності турбіни можуть бути оснащеними одним, двома і більшою кількістю сопел.

В 1912 р. австрієць Віктор Каплан винайшов турбіну з лопатевим колесом, яке обертається подібно до гребного гвинта судна у водяному потоці. Турбіна Каплана, як і турбіна Френсіса, є турбіною реактивного типу. В турбіні Каплана (рисунок 4.7.3) вода тече крізь гвинт і примушує його обертатися. В цій турбіні площа, через яку протікає вода, дорівнює всій площі, що охоплюється лопатями. Виходячи з цього, турбіна Каплана використовується для значних об’ємів водяних потоків при напорі до десятків метрів.

Рисунок 4.7.3 - Турбіна Каплана 1 - подача води; 2 - регулювальний направляючий апарат; З - ступиця робочого колеса; 4 - лопаті робочого колеса; 5 - вал робочого колеса турбіни; 6 - витік води

Вода надходить у турбіну через боковий канал, потрапляє на направляючі лопаті, а потім тече вздовж осі гвинта, тому такі турбіни називають осьовими. Потік води, що проходить через турбіну, може контролюватися зміною відстані між направляючими лопатями, при цьому також регулюється і нахил лопатей гвинта. Кожному положенню направляючих лопатей відповідає конкретне положення лопатів гвинта, що забезпечує високу продуктивність турбіни. В турбіні Каплана швидкість обертання лопатів удвічі більша за швидкість потоку води, що дозволяє отримати високу частоту обертання навіть при відносно низьких швидкостях потоку води.

Турбіна поперечної течії була винайдена інженером Мічелом в 1903 p., а трохи пізніше незалежно угорцем Донатом Банкі і в подальшому отримала назву турбіни Банкі. В турбіні Банкі (рисунок 4.7.4) струмінь прямокутного перерізу двічі проходить через лопаті, встановлені на периферії циліндричного ротора перпендикулярно до його осі. Вода тече крізь лопаті спочатку в напрямі від периферії ротора до його центра, а потім, після перетину відкритого простору всередині ротора, від внутрішньої частини за межі ротора. Перетворення енергії відбувається двічі - при вході на лопаті і виході з лопатей, що забезпечує простий та ефективний спосіб відведення води з ротора.

Рисунок 4.7.4 - Турбіна Банкі (прямоточна турбіна)

Сучасні конструкції подібних турбін виготовляються із соплом, яке охоплює більшу дугу периферії ротора, що дозволяє збільшити потік при тому ж розмірі турбіни. За рахунок зміни ширини ротора і розмірів вхідного отвору можна прилаштовувати турбіну до різних величин потоку води. Показники роботи при неповному завантаженні добрі, при номінальному навантаженні ККД становить 80 %. Турбіни використовуються при напорі до 200 м.

Кожний вид турбіни має свою зону використання. На рисунку

4.7.5 показано границі використання різних видів турбін залежно від напору (м) і витрат води (м3/с).

Висота падіння (напір), м 1000 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 910 20 ЗО 50 100 Витрати води, м3/с Рисунок 4.7.5 - Границі використання різних видів турбін