Пропеллерная турбина

Пропеллерная турбина — это разновидность гидравлической турбины, в которой рабочее колесо имеет лопасти, закреплённые неподвижно под определённым углом, и работает по принципу осевого потока (вода движется параллельно оси вращения). Относится к классу реактивных турбин, где преобразование потенциальной энергии воды в механическую происходит за счёт изменения давления и скорости потока при прохождении через лопастной аппарат. Пропеллерные турбины применяются преимущественно на низконапорных гидроэлектростанциях (ГЭС) с большими расходами воды.

История

Первые конструкции пропеллерных турбин появились в начале XX века как развитие идей американского инженера Лестера Пелтона (создателя ковшовой турбины) и австрийского изобретателя Виктора Каплана. В 1913 году Каплан предложил конструкцию турбины с поворотными лопастями, которая получила его имя (турбина Каплана). Однако прототипом для неё послужила более простая пропеллерная турбина с жёстко закреплёнными лопастями, запатентованная в 1912 году шведским инженером Йонасом Хессбломом. Первые промышленные образцы пропеллерных турбин были установлены в 1910-х годах на ГЭС в Швеции и США.

В СССР и России пропеллерные турбины начали активно применяться с 1930-х годов при строительстве каскадов ГЭС на равнинных реках (Волга, Днепр, Кама). Крупнейшие советские гидроэнергетики, такие как С. Я. Жук и И. Г. Александров, способствовали внедрению этих турбин на станциях с напорами от 3 до 25 метров.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Пропеллерная турбина состоит из следующих узлов:

• Рабочее колесо — ротор с лопастями, закреплёнными под постоянным углом. Число лопастей обычно составляет от 3 до 8, в зависимости от напора и расхода воды.
• Направляющий аппарат — система неподвижных или регулируемых лопаток, расположенных перед рабочим колесом. Он закручивает поток воды, придавая ему оптимальную скорость и направление.
• Камера рабочего колеса — корпус, в котором вращается колесо. Для пропеллерных турбин характерна осевая камера (цилиндрическая или коническая).
• Отсасывающая труба — диффузор, расположенный после рабочего колеса. Он восстанавливает давление и отводит отработанную воду в нижний бьеф.
• Вал турбины — передаёт крутящий момент от рабочего колеса к генератору.

Принцип работы

Вода под напором поступает в направляющий аппарат, который закручивает поток в спираль. Затем поток попадает на лопасти рабочего колеса, где происходит изменение момента количества движения. Вода давит на лопасти, заставляя колесо вращаться, и одновременно теряет скорость и давление. После прохождения колеса вода поступает в отсасывающую трубу, где её скорость дополнительно снижается, а давление повышается, что предотвращает кавитацию. Вся энергия воды (потенциальная и кинетическая) преобразуется в механическую энергию вращения вала.

Классификация

Пропеллерные турбины классифицируют по нескольким признакам:

По конструкции рабочего колеса

• С жёсткими лопастями — лопасти отлиты или приварены к ступице под фиксированным углом. Это наиболее простой и дешёвый тип, но его КПД резко падает при изменении расхода воды.
• С поворотными лопастями — фактически это турбины Каплана, у которых угол установки лопастей может изменяться во время работы. Такие турбины имеют более высокий КПД в широком диапазоне нагрузок, но конструктивно сложнее и дороже.

По расположению вала

• Вертикальные — вал расположен вертикально. Наиболее распространённый тип для крупных ГЭС.
• Горизонтальные — вал расположен горизонтально. Используются на малых ГЭС и в капсульных гидроагрегатах (например, в приливных электростанциях).

По типу камеры

• Открытые — камера рабочего колеса имеет свободную поверхность воды (обычно в бетонных водоводах).
• Закрытые — камера полностью заполнена водой под давлением (трубопроводные турбины).

Характеристики и параметры

Основные параметры пропеллерной турбины:

• Напор (H) — разность уровней воды между верхним и нижним бьефом. Для пропеллерных турбин он обычно составляет от 2 до 30 метров, редко до 50 метров.
• Расход воды (Q) — объём воды, проходящий через турбину в единицу времени. Может достигать сотен кубометров в секунду на крупных агрегатах.
• Мощность (P) — механическая мощность на валу, рассчитываемая по формуле P = η·ρ·g·Q·H, где η — КПД, ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения. Мощность одной турбины может варьироваться от нескольких киловатт до 100–200 МВт.
• КПД — коэффициент полезного действия. У современных пропеллерных турбин с жёсткими лопастями КПД составляет 85–90% в номинальном режиме, но при отклонениях от расчётного расхода он падает до 70–75%. У турбин Каплана КПД достигает 92–94% в широком диапазоне нагрузок.
• Частота вращения — обычно 50–600 об/мин, в зависимости от напора и диаметра колеса.

Применение

Пропеллерные турбины используются в следующих областях:

• Гидроэлектростанции — основное применение. Устанавливаются на низконапорных и средненапорных ГЭС, особенно на равнинных реках с большими расходами воды. Примеры: Волжская ГЭС (Россия), ГЭС «Итайпу» (Бразилия/Парагвай, часть агрегатов — пропеллерные), ГЭС «Три ущелья» (Китай, часть агрегатов).
• Малые и микроГЭС — компактные пропеллерные турбины (горизонтальные, капсульные) устанавливаются на небольших реках и каналах для автономного энергоснабжения.
• Приливные электростанции — капсульные пропеллерные агрегаты могут работать как в прямом, так и в обратном направлении, что позволяет использовать энергию приливов.
• Насосы-турбины — в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) пропеллерные турбины могут работать в обратном режиме как насосы для закачки воды в верхний бассейн.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД при номинальном режиме работы.
• Простота конструкции (особенно у турбин с жёсткими лопастями) — меньше движущихся частей, ниже стоимость изготовления и обслуживания.
• Компактность — осевая конструкция позволяет размещать турбину в небольших камерах.
• Возможность работы при больших расходах воды и низких напорах, что недоступно для радиально-осевых (турбин Френсиса) и ковшовых турбин.

Недостатки

• Резкое снижение КПД при изменении расхода воды (для турбин с жёсткими лопастями). Это делает их менее гибкими в эксплуатации на реках с переменным стоком.
• Склонность к кавитации при высоких напорах или неправильном выборе режима работы. Кавитация разрушает лопасти и камеру.
• Ограниченный диапазон напоров — при напорах выше 30–40 метров эффективность падает, и предпочтение отдаётся радиально-осевым турбинам.
• Сложность регулирования — для изменения мощности требуется регулировать расход воды через направляющий аппарат, что при жёстких лопастях приводит к большим потерям.

Сравнение с другими типами турбин

Интересные факты

• Самая мощная пропеллерная турбина в мире (с жёсткими лопастями) установлена на ГЭС «Гранд-Кули» (США) — её мощность составляет около 125 МВт при напоре 27 метров.
• В России пропеллерные турбины составляют основу парка низконапорных ГЭС Волжско-Камского каскада. Например, на Волжской ГЭС (г. Волжский, Волгоградская область) установлено 22 пропеллерных агрегата мощностью по 115 МВт каждый.
• Пропеллерные турбины часто используются в системах водоснабжения и канализации для утилизации избыточного напора воды — так называемые «гидротурбины-утилизаторы».
• Из-за низкого напора пропеллерные турбины иногда называют «тихоходными» — их частота вращения значительно ниже, чем у ковшовых турбин, что требует использования редукторов или многополюсных генераторов.

Источники

• Брызгалов В. И. «Гидроэнергетика и гидротурбины: учебное пособие». — М.: Энергоатомиздат, 2010.
• Ковалёв Н. Н. «Гидравлические турбины: конструкция, расчёт, эксплуатация». — Л.: Машиностроение, 1985.
• ГОСТ 23956-80 «Турбины гидравлические. Термины и определения».
• Каталог «Гидротурбины и гидрогенераторы» (АО «Силовые машины», Санкт-Петербург).
• Отчёты и технические данные Волжской ГЭС (филиал ПАО «РусГидро»).