Турбина Пелтона

Турбина Пелтона — это активный тип гидравлической турбины, преобразующей потенциальную энергию водного потока (напора) в механическую энергию вращения вала. Относится к классу ковшовых турбин, в которых рабочий процесс осуществляется за счёт воздействия струи воды на лопатки (ковши) специальной формы, расположенные по окружности рабочего колеса. Турбина Пелтона применяется на гидроэлектростанциях (ГЭС) с высоким напором воды — от 50 до 2000 метров и более, и характеризуется высоким коэффициентом полезного действия (КПД) в диапазоне 85–95 %.

История

Конструкция турбины была разработана американским изобретателем Лестером Алланом Пелтоном (Lester Allan Pelton) в 1870-х годах. В 1880 году он получил патент на своё изобретение. Предшественниками Пелтона были водяные колёса и турбины с простыми лопатками, которые имели низкий КПД при высоких напорах. Пелтон предложил разделить ковш на две симметричные половины с острым гребнем (ножом) посередине. Струя воды, ударяя в этот гребень, разделяется на два потока, которые разворачиваются в ковшах почти на 180 градусов, отдавая импульс и покидая колесо с минимальной остаточной скоростью. Это позволило значительно повысить эффективность использования энергии воды.

Первая коммерческая установка турбины Пелтона была осуществлена в 1882 году на шахте в Калифорнии. В России первые турбины Пелтона начали применяться в начале XX века на горных реках Кавказа и Урала. В 1930-е годы в СССР были разработаны собственные конструкции, в том числе для каскада ГЭС на реке Свирь и на Кавказе. Крупнейшие современные турбины Пелтона устанавливаются на ГЭС с напорами свыше 1000 метров, например, на станции Бьедрон (Швейцария) и на ГЭС «Нурек» (Таджикистан).

Устройство и принцип действия

Турбина Пелтона состоит из следующих основных узлов:

• Рабочее колесо — массивный диск с закреплёнными по периметру ковшами (лопатками). Ковши имеют форму двух полуэллипсоидальных чаш, разделённых острым ребром. Количество ковшей может варьироваться от 10 до 30 и более в зависимости от диаметра колеса и расхода воды.
• Сопловой аппарат — одно или несколько сопел (форсунок), каждое из которых формирует компактную струю воды высокой скорости. Сопло оснащено игольчатым затвором, позволяющим регулировать расход воды и, соответственно, мощность турбины.
• Корпус — литой или сварной кожух, защищающий рабочее колесо от разбрызгивания воды и обеспечивающий отвод отработанной воды в отводящий канал. Корпус не является напорным, так как турбина работает при атмосферном давлении.
• Вал — передаёт крутящий момент от рабочего колеса к генератору или другому механизму. Вал вращается в подшипниках скольжения или качения.
• Регулирующий механизм — система сервомоторов и рычагов, управляющая положением игольчатого затвора в сопле. Может также включать дефлектор (отсекатель) струи для быстрого сброса нагрузки.

Принцип действия

Вода под высоким давлением (напором) подаётся по трубопроводу к соплу. В сопле потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию струи, которая вытекает со скоростью, близкой к теоретической скорости свободного падения с высоты напора. Струя ударяет в гребень ковша, разделяется на два потока, которые движутся по внутренней поверхности ковша, разворачиваются и покидают его с противоположной стороны. При этом происходит передача импульса от струи к рабочему колесу, и оно начинает вращаться. Важной особенностью является то, что вода в ковшах движется со скоростью, близкой к половине скорости струи, что обеспечивает максимальную передачу энергии. Отработанная вода падает в отводящий канал и удаляется из турбины.

Классификация

Турбины Пелтона классифицируются по нескольким признакам:

По расположению вала

• Горизонтальные — вал расположен горизонтально. Чаще всего применяются для малых и средних ГЭС, а также в насосных станциях. Обычно имеют одно или два сопла.
• Вертикальные — вал расположен вертикально. Используются на крупных ГЭС с большим расходом воды. Могут иметь до 6 сопел, расположенных по окружности рабочего колеса.

По числу сопел

• Односопловые — простейшая конструкция, используется при малых расходах воды.
• Многосопловые — от 2 до 6 сопел. Позволяют увеличить мощность турбины без увеличения диаметра рабочего колеса, так как струи подаются на разные участки ковшей.

По способу регулирования

• С механическим регулированием (игольчатый затвор).
• С гидравлическим или электрическим сервоприводом.

Характеристики и параметры

Основные параметры турбины Пелтона:

• Напор (H) — высота падения воды, измеряемая в метрах. Для турбин Пелтона характерен высокий напор (от 50 до 2000 м).
• Расход воды (Q) — объём воды, проходящий через турбину в единицу времени (м³/с). Обычно невелик по сравнению с реактивными турбинами.
• 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 может достигать сотен мегаватт.
• Частота вращения (n) — скорость вращения рабочего колеса (об/мин). Для синхронных генераторов частота вращения должна быть кратной частоте сети (50 Гц) и зависит от числа пар полюсов генератора.
• КПД — коэффициент полезного действия, достигает 90–95 % в оптимальном режиме. КПД турбины Пелтона слабо зависит от нагрузки, что является её преимуществом.

Применение

Турбины Пелтона используются в следующих областях:

• Гидроэлектростанции — основной тип применения. Устанавливаются на ГЭС с высоким напором, особенно в горных районах (Кавказ, Альпы, Гималаи, Анды). Примеры: ГЭС «Нурек» (Таджикистан, напор 275 м), ГЭС «Бьедрон» (Швейцария, напор 1869 м), ГЭС «Курейская» (Россия, напор 100 м).
• Насосные станции — в качестве привода для высоконапорных насосов.
• Промышленные установки — для привода компрессоров, мельниц, дробилок в горнодобывающей и металлургической промышленности.
• Малые ГЭС — автономные энергоустановки для удалённых посёлков, баз отдыха, фермерских хозяйств.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий КПД в широком диапазоне нагрузок.
• Простота конструкции и обслуживания.
• Возможность работы при очень высоких напорах (до 2000 м и более).
• Меньший износ по сравнению с реактивными турбинами из-за отсутствия кавитации в рабочем колесе (вода движется при атмосферном давлении).
• Возможность быстрого пуска и остановки.

Недостатки

• Ограниченный расход воды — неэффективна при больших расходах (низких напорах).
• Большие габариты и масса рабочего колеса при высокой мощности.
• Необходимость в точной регулировке струи для предотвращения гидравлических ударов в трубопроводе.
• Чувствительность к абразивному износу ковшей при наличии в воде песка и взвесей.

Интересные факты

• Самая мощная турбина Пелтона в мире (на момент 2024 года) установлена на ГЭС «Бьедрон» (Швейцария) — её мощность составляет 423 МВт при напоре 1869 м.
• В России турбины Пелтона используются на ГЭС «Курейская» (Красноярский край), «Майнская» (Хакасия) и на каскаде ГЭС на реке Чиркей (Дагестан).
• Лестер Пелтон первоначально работал на золотых приисках в Калифорнии, где и наблюдал за работой водяных колёс, что и натолкнуло его на изобретение.
• Ковши турбины Пелтона часто изготавливаются из нержавеющей стали или специальных износостойких сплавов, чтобы противостоять эрозии.

Источники

• Щавелев Д. С. Гидроэнергетика и гидротурбины. — М.: Энергия, 1978.
• Ковалёв Н. Н. Гидротурбины. Конструкции и расчёт. — Л.: Машиностроение, 1971.
• Брызгалов В. И. Гидроэнергетика. — Красноярск: СФУ, 2012.
• Патент США № 230,256 (1880) на турбину Пелтона.
• Техническая документация на турбины Пелтона производства ОАО «Силовые машины» (Россия).