Поворотно-лопастная турбина

Поворотно-лопастная турбина — это тип гидравлической турбины, в которой лопасти рабочего колеса могут поворачиваться вокруг своей оси во время работы, изменяя свой угол установки в зависимости от режима эксплуатации. Относится к классу реактивных турбин и является разновидностью пропеллерной турбины. Основное отличие от обычной пропеллерной турбины — возможность регулировки угла атаки лопастей, что позволяет поддерживать высокий коэффициент полезного действия (КПД) в широком диапазоне напоров и расходов воды. Поворотно-лопастные турбины широко применяются в гидроэлектростанциях (ГЭС) на равнинных реках с относительно низкими напорами (от 3 до 60 метров) и большими расходами воды.

История

Первые конструкции пропеллерных турбин, разработанные в конце XIX — начале XX века (например, турбина Каплана), имели фиксированные лопасти. Однако их КПД резко падал при отклонении от расчётного режима работы. В 1913 году австрийский инженер Виктор Каплан (1876–1934) предложил конструкцию, в которой лопасти рабочего колеса могли поворачиваться синхронно с поворотом направляющего аппарата. Это изобретение позволило значительно улучшить эксплуатационные характеристики турбин на переменных режимах. Первая поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана) была установлена на ГЭС в Чехословакии в 1919 году. В СССР и России такие турбины начали активно применяться с 1930-х годов, в частности, на Волховской ГЭС (1926) и Днепрогэсе (1932). В 1950–1960-х годах были разработаны более мощные конструкции для крупных равнинных ГЭС, таких как Волжская ГЭС (1958) и Красноярская ГЭС (1967).

Устройство и принцип действия

Поворотно-лопастная турбина состоит из нескольких основных узлов:

• Рабочее колесо — вращающаяся часть с лопастями, установленными на ступице. Лопасти имеют возможность поворота вокруг радиальной оси.
• Направляющий аппарат — неподвижная или регулируемая система лопаток, которая направляет поток воды на рабочее колесо и регулирует его расход.
• Камера рабочего колеса — корпус, в котором вращается колесо. Для низконапорных турбин камера часто имеет форму спиральной камеры.
• Вал турбины — передаёт крутящий момент от рабочего колеса к генератору.
• Механизм поворота лопастей — гидравлическая или механическая система, которая изменяет угол установки лопастей в зависимости от режима работы.

Принцип действия основан на реакции потока воды, проходящего через лопасти. Вода поступает из направляющего аппарата на лопасти рабочего колеса, создавая крутящий момент. В поворотно-лопастной турбине угол установки лопастей изменяется одновременно с открытием направляющего аппарата, что позволяет оптимизировать взаимодействие потока с лопастями при любом расходе воды. Это обеспечивает высокий КПД (до 94–96%) в диапазоне нагрузок от 30% до 100% от номинальной.

Классификация

Поворотно-лопастные турбины классифицируются по нескольким признакам:

По расположению вала

• Вертикальные — наиболее распространённый тип, вал расположен вертикально. Используются на большинстве крупных ГЭС.
• Горизонтальные — вал расположен горизонтально. Применяются в капсульных и прямоточных гидроагрегатах, часто на малых ГЭС.

По конструкции рабочего колеса

• Классические (турбины Каплана) — с поворотными лопастями и регулируемым направляющим аппаратом.
• Пропеллерные — с неподвижными лопастями, но с регулируемым направляющим аппаратом. КПД ниже, чем у поворотно-лопастных.
• Капсульные — рабочее колесо и генератор размещены в герметичной капсуле, установленной в потоке воды. Используются на низконапорных ГЭС.

По напору

• Низконапорные (3–20 м) — применяются на равнинных реках.
• Средненапорные (20–60 м) — используются на реках с умеренным уклоном.

Характеристики

Основные параметры поворотно-лопастной турбины:

• Номинальная мощность — от нескольких десятков киловатт до сотен мегаватт. Например, турбины Волжской ГЭС имеют мощность 115 МВт каждая.
• КПД — до 94–96% в оптимальном режиме. При отклонении от расчётного режима КПД снижается, но остаётся выше, чем у пропеллерных турбин.
• Диаметр рабочего колеса — от 1 до 10 метров и более. На крупных ГЭС диаметр достигает 8–9 метров.
• Частота вращения — от 50 до 150 об/мин, в зависимости от напора и мощности.
• Число лопастей — обычно от 4 до 8. Чем выше напор, тем меньше лопастей.

Применение

Поворотно-лопастные турбины используются преимущественно на гидроэлектростанциях, работающих на равнинных реках с большими расходами воды и низкими напорами. Они также применяются в приливных электростанциях, где напор меняется в зависимости от фазы прилива. Основные области применения:

• Крупные ГЭС — Волжская, Камская, Красноярская (Россия), ГЭС «Три ущелья» (Китай), ГЭС «Итайпу» (Бразилия/Парагвай).
• Малые ГЭС — на небольших реках и каналах.
• Приливные электростанции — например, Кислогубская ПЭС в России (1968).
• Насосные станции — в обратимых гидроагрегатах (гидроаккумулирующие электростанции, ГАЭС).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД в широком диапазоне нагрузок (30–100% от номинальной).
• Возможность работы при переменных расходах и напорах.
• Компактность по сравнению с радиально-осевыми турбинами при одинаковой мощности.
• Меньшая стоимость строительства низконапорных ГЭС.

Недостатки

• Более сложная конструкция (механизм поворота лопастей, гидравлическая система управления).
• Более высокая стоимость изготовления и обслуживания.
• Ограничение по напору (до 60–70 метров). При более высоких напорах применяются радиально-осевые турбины.
• Склонность к кавитации при определённых режимах работы.

Интересные факты

• Первая в мире поворотно-лопастная турбина была установлена на ГЭС «Подград» (Чехия) в 1919 году. Её мощность составляла всего 200 кВт.
• Самая мощная поворотно-лопастная турбина в мире установлена на ГЭС «Три ущелья» (Китай) — её мощность достигает 700 МВт.
• В России поворотно-лопастные турбины составляют около 40% всех установленных гидроагрегатов на крупных ГЭС.
• В 1960-х годах в СССР были разработаны поворотно-лопастные турбины для работы в условиях вечной мерзлоты (например, на Вилюйской ГЭС).

Источники

• Гидроэнергетика: учебник для вузов / под ред. В. И. Обрезкова. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• Каплан В. И. Гидравлические турбины. — М.: Машиностроение, 1964.
• Брызгалов В. И. Гидроэнергетика: учебное пособие. — Красноярск: СФУ, 2011.
• Справочник по гидротурбинам / под ред. Н. Н. Ковалёва. — Л.: Машиностроение, 1974.
• Техническая информация о турбинах Каплана на сайте АО «Силовые машины» (Россия).