Радиально-осевая турбина

Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса) — это тип реактивной гидравлической турбины, в которой поток воды поступает на рабочее колесо в радиальном направлении (от периферии к центру) и покидает его в осевом направлении (параллельно оси вращения). Относится к классу гидротурбин с частичным подводом воды и является наиболее распространённым типом гидротурбин в гидроэлектростанциях (ГЭС) среднего и высокого напора.

История

Прототип современной радиально-осевой турбины был создан американским инженером Джеймсом Френсисом (James B. Francis) в 1849 году в Лоуэлле (штат Массачусетс, США). Френсис усовершенствовал существовавшие конструкции водяных колёс, предложив рабочее колесо с изогнутыми лопастями, позволявшее эффективно преобразовывать энергию потока воды при напорах от 10 до 100 метров. К концу XIX века турбины Френсиса стали основным типом гидротурбин в мировой гидроэнергетике, вытеснив менее эффективные ковшовые и осевые конструкции. В XX веке, с ростом мощности ГЭС, конструкция турбин Френсиса была оптимизирована для работы при напорах до 600 метров и единичной мощности до 800 МВт.

Устройство и принцип действия

Основными элементами радиально-осевой турбины являются:

• Спиральная камера (направляющий аппарат) — металлический или железобетонный корпус, равномерно распределяющий поток воды по окружности рабочего колеса. Имеет форму спирали, сужающейся к выходу.
• Направляющий аппарат — система поворотных лопаток, расположенных по периметру рабочего колеса. Регулирует расход воды и направление потока, обеспечивая оптимальный угол входа на лопасти.
• Рабочее колесо — вращающийся элемент с лопастями, закреплёнными между двумя дисками (верхним и нижним). Лопасти имеют сложную пространственную форму, обеспечивающую плавное изменение направления потока с радиального на осевое.
• Отсасывающая труба — конический или изогнутый патрубок, расположенный за рабочим колесом. Снижает давление на выходе из турбины, увеличивая перепад напора и повышая КПД.

Принцип действия основан на преобразовании потенциальной энергии воды (напора) в кинетическую энергию вращения. Вода под давлением поступает в спиральную камеру, проходит через направляющий аппарат, который закручивает поток, и попадает на лопасти рабочего колеса. Под действием реактивной силы (изменения импульса потока) колесо начинает вращаться. После прохождения через лопасти вода выходит в отсасывающую трубу и далее в нижний бьеф.

Классификация

Радиально-осевые турбины классифицируются по нескольким признакам:

• По напору:
• Низконапорные (10–30 м) — используются на равнинных реках с большим расходом воды.
• Средненапорные (30–150 м) — наиболее распространённый тип, применяемый на большинстве ГЭС.
• Высоконапорные (150–600 м) — устанавливаются на горных реках с малым расходом.
• По конструкции рабочего колеса:
• С жёсткими лопастями (нерегулируемые) — угол установки лопастей фиксирован.
• С поворотными лопастями (регулируемые) — угол лопастей может изменяться в зависимости от нагрузки, что повышает КПД в диапазоне режимов.
• По расположению вала:
• Вертикальные — вал расположен вертикально, рабочее колесо находится внизу. Наиболее распространённая схема для мощных ГЭС.
• Горизонтальные — вал расположен горизонтально, применяются в малых ГЭС и насосных станциях.

Характеристики

Основные технические параметры радиально-осевой турбины:

• КПД (коэффициент полезного действия) — достигает 92–96% в оптимальном режиме работы. Снижается при отклонении от расчётного напора или расхода.
• Мощность — от нескольких киловатт (малые ГЭС) до 800 МВт (крупные ГЭС, например, Саяно-Шушенская ГЭС).
• Скорость вращения — от 50 до 1000 об/мин в зависимости от напора и размеров.
• Диаметр рабочего колеса — от 0,5 м (малые установки) до 10 м (крупные ГЭС).

Применение

Радиально-осевые турбины являются основным типом гидротурбин в мировой гидроэнергетике. Они устанавливаются на ГЭС с напором от 10 до 600 метров. Примеры крупных ГЭС, использующих турбины Френсиса:

• Саяно-Шушенская ГЭС (Россия) — 10 турбин мощностью по 640 МВт, напор до 220 м.
• Красноярская ГЭС (Россия) — 12 турбин мощностью по 500 МВт.
• Три ущелья (Китай) — 32 турбины мощностью по 700 МВт, напор до 113 м.
• Итайпу (Бразилия/Парагвай) — 20 турбин мощностью по 700 МВт.

Кроме ГЭС, радиально-осевые турбины применяются в насосных станциях (в обратном режиме как насосы) и в малых гидроэлектростанциях (до 10 МВт).

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокий КПД (до 96%) в широком диапазоне напоров.
• Компактность по сравнению с ковшовыми турбинами при равной мощности.
• Возможность работы при переменной нагрузке с сохранением приемлемого КПД.
• Долговечность (срок службы до 50 лет при правильной эксплуатации).

Недостатки:

• Сложность конструкции и высокая стоимость изготовления (особенно для высоконапорных моделей).
• Чувствительность к кавитации — при падении давления ниже критического на лопастях образуются пузырьки пара, вызывающие эрозию металла.
• Ограниченный диапазон рабочих напоров — для каждого конкретного напора требуется индивидуальный расчёт рабочего колеса.
• Необходимость в сложной системе регулирования (направляющий аппарат, сервомоторы).

Интересные факты

• Самая мощная радиально-осевая турбина в мире установлена на ГЭС «Байхэтань» (Китай) — её мощность составляет 1 000 МВт.
• В России крупнейшим производителем радиально-осевых турбин является «Силовые машины» (Санкт-Петербург).
• Турбины Френсиса могут работать в обратном режиме как насосы, что используется в гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС).

Источники

1. Гидроэнергетика: учебник / под ред. В. И. Виссарионова. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
2. Ковалёв Н. Н. Гидротурбины: конструкция, расчёт, эксплуатация. — Л.: Машиностроение, 1985.
3. Francis Turbine: Theory, Design and Application / ed. by J. H. G. Verbruggen. — Springer, 2015.
4. Технические характеристики ГЭС России и мира: справочник / РАО «ЕЭС России», 2008.
5. Паспортные данные турбин Саяно-Шушенской ГЭС (архивные материалы).