Содержание
Классификация гидравлических турбин
В
сентябрьском номере газеты «Энерговектор» за 2013 г. мы уже рассматривали
основные виды гидроэлектростанций. Сегодня хотелось бы вернуться к этой теме,
вспомнить историю развития гидроэнергетики и более подробно остановиться на
вопросе эффективности применения различных гидравлических турбин в зависимости
от конкретных условий работы — напора, мощности потока, вида плотины.
От Древнего
Китая до XXI века
С давних времён человечество стремилось продуктивно использовать
энергию воды. За несколько веков до начала нашей эры уже существовали водяные
мельницы в Китае, Индии, Средней и Малой Азии. На Руси водяные мельницы
появились, судя по дошедшим до нас летописям, в XI веке и использовались для помола зерна. Особенно
широко водяные колёса стали применяться в качестве промышленных двигателей во
времена Петра I в связи с бурным развитием горнорудного
дела на Урале. Водяные двигатели использовались для привода кузнечных мехов,
поршневых воздуходувов, кузнечных молотов, прокатных станков, водоотливных
насосов и других машин.
Сегодня водяные мельницы крутятся в основном для туристов
Для дальнейшего развития промышленности потребовалось
создать более совершенный водяной двигатель, который был теоретически обоснован и разработан в начале XIX века
и впервые назван турбиной. В отличие от примитивного водяного колеса, которое было
создано по наитию, гидравлическая турбина оптимизирована для наилучшей передачи
валу силы давления, создаваемой потоком на лопастях рабочего колеса.
Современные гидравлические турбины по принципу
подвода и прохождения потока по рабочему колесу делятся на следующие три основных типа.
- Осевые
(турбина Каплана и пропеллерная турбина), в которых поток воды поступает на лопасти колеса и протекает по ним в
осевом направлении по спиральным линиям, причём ось вращения потока совпадает с
осью вращения рабочего колеса.
- Радиально-осевые
(турбина Френсиса). В этих
турбинах поток воды поступает на лопасти колеса и вначале протекает по спиральным
линиям в радиальном направлении, перпендикулярном оси вращения рабочего колеса,
а затем изменяет свое направление с радиального на осевое. - Ковшовые
(турбина Пелтона), поток воды в которых
поступает на рабочее колесо свободной струёй, направленной по касательной к
рабочему колесу.
По второму способу классификации гидравлических
турбин — в зависимости от изменения давления воды — различают реактивные
турбины (осевые и радиально-осевые) и импульсные (ковшовые).
Большинство гидравлических турбин являются
реактивными и подходят для работы при низком (
Осевые
турбины
На самых низких напорах (от 5 м) применяют пропеллерные
турбины, которые наиболее быстроходны, что позволяет при малых скоростях потока
получать достаточно высокую скорость вращения.
Высокие обороты турбины, в свою очередь, позволяют применять более
быстроходные, а значит, более лёгкие и дешёвые электрогенераторы. Пропеллерные
турбины наиболее эффективны при постоянных напоре
и расходе воды, а при значительных колебаниях напора и работе генератора на переменную
нагрузку оправдано применять поворотно-лопастные турбины Каплана, в которых
мощность регулируется поворотом не только лопаток направляющего аппарата, но и
рабочего колеса, что помогает поддерживать высокий КПД (более 90%).
Колесо поворотно-лопастной турбины, отработавшей
на Угличской ГЭС 70 лет
Число лопастей на рабочем колесе турбины зависит от
величины напора — чем выше напор, тем больше их число. Четырёхлопастные колёса
применятся для напоров от 5 до 20 м,
при напорах от 20 до 60 м
устанавливают рабочие колёса с 5-8 лопастями.
В нашей стране развитию поворотно-лопастных турбин
уделялось большое внимание.
Первые четыре турбины этого типа были установлены
на Нижнесвирской ГЭС в 1933-1935 гг., и две из них работают до сих пор. Турбины
построенных позднее Угличской и Жигулёвской ГЭС на момент пуска были
крупнейшими в мире. Одними из самых крупных в мире поворотно-лопастных турбин стали
турбины сербско-румынской ГЭС Джердап I на Дунае, изготовленные на
Ленинградском металлическом заводе. Их единичная мощность — около 200 МВт.
Детище
Френсиса
В отличие от равнинных ГЭС России, где доминируют
поворотно-лопастные турбины, по всему миру более распространены турбины
Френсиса, напоминающие большие диски с
изогнутыми лопастями. Рабочее колесо такой турбины состоит из ступицы, верхнего
и нижнего ободьев, а также лопаток, которые неподвижно
прикреплены к ним. Конструкция рабочего
колеса, не содержащая движущихся деталей, с одной стороны, очень прочна, что
позволяет турбине работать при весьма высоких напорах.
С другой стороны, невозможность
поворота лопаток приводит к наличию в графике нагрузки зон с низким КПД, а
также зон с повышенной вибрацией, работа в которых не рекомендуется.
Радиально-осевая турбина Френсиса способна работать
при больших напорах
Турбины Френсиса, как правило, располагают у
основания плотины. Для подвода воды к малым радиально-осевым гидротурбинам при
небольших величинах напора применяют открытые подводящие камеры. А к
гидротурбинам средних и больших мощностей вода подводится через закрытые
спиральные камеры. Профили сечений спиральной камеры подбираются так, чтобы вода
равномерно, по всей окружности, поступала к направляющему аппарату, а из него -
на рабочее колесо.
Турбина и направляющий аппарат целиком помещаются под
водой, и только регулирующий вал, который помогает открывать лопатки
направляющего аппарата, выходит в машинный зал.
Современные радиально-осевые турбины могут использоваться
при напорах от 20 до 700
метров (но наиболее оптимальны средние напоры от 50 до 300 метров), а их
выходная мощность колеблется в диапазоне от нескольких киловатт до гигаватта.
Крупнейшие в мире радиально-осевые турбины
установлены на американской ГЭС «Гранд Кули». Их максимальная мощность
составляет 805 МВт. Турбины единичной мощностью 1000 МВт проектировались для
Эвенкийской ГЭС, так что потенциально мы ещё можем вырваться вперёд.
Изобретение
Пелтона
На самых больших напорах воды применяют ковшовые
турбины (см. рисунок). Изобрёл их в 1870-х годах американский инженер Аллан Пелтон.
Первая турбина Пелтона была установлена в 1878 г. и использовалась для
прямого привода насосов и других механизмов в золотоносной шахте в Неваде. В 1887 г. на другой шахте решили
использовать электродвигатели, для чего к турбине Пелтона присоединили
генератор — это и была первая ГЭС с ковшовой турбиной.
Колесо турбины Пелтона эффективно преобразует импульс водяных струй
во вращательное движение
В ковшовых турбинах вода подаётся через сопла по
касательной к окружности, на которой расположены середины ковшей.
Проходящая
через сопло вода собирается в струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о
лопатку турбины, таким образом, приводя рабочее колесо в движение. После отхода
одной лопатки под струю попадает другая. Рабочее колесо турбины вращается в
воздухе при нормальном атмосферном давлении, в отличие от осевых и
радиально-осевых турбин, работающих под водой.
Лопатки турбины Пелтона имеют двояковогнутую форму с
острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего
использования энергии. Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 м (чаще всего — 300-500 м
и более). Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250
МВт. Как правило, ГЭС с турбинами Пелтона построены по деривационной схеме,
поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично.
В практике российского гидротехнического
строительства ковшовые турбины не получили широкого распространения, в
настоящее время действуют всего 5 малых ГЭС с турбинами Пелтона.
Одна из таких
ГЭС — Малая Краснополянская ГЭС на р. Бешенка, которая принадлежит ООО
«ЛУКОЙЛ-Экоэнерго». Станция была пущена в эксплуатацию в 2005 г. и имеет мощность 1,5
МВт. В здании станции установлен один горизонтальный гидроагрегат.
Крупнейшие в мире ковшовые турбины установлены на
швейцарской ГЭС Бьедрон, их единичная мощность — 423 МВт. Эта же ГЭС считается мировым
рекордсменом по напору на гидроагрегатах, составляющему 1869 м. До её ввода в строй в 1998 г.
в течение 40 лет первенство по напору принадлежало австрийской ГЭС Рейсек — 1773 м.
* * *
Гидроэлектростанции, как и другие источники
возобновляемой энергии, подвержены влиянию окружающей среды. Зависимость от внешних
условий особенно ярко проявляется на малых ГЭС: расход на небольших водотоках
может изменяться быстро и непредсказуемо. Поэтому гидравлические турбины на малых
ГЭС необходимо подстраивать под постоянно изменяющиеся условия.
О таких
гидравлических турбинах мы расскажем в одном из следующих выпусков газеты.
Источник: Энерговектор
Саяно-Шушенская ГЭС — Вадим Махоров — ЖЖ
Саяно-Шушенская ГЭС — крупнейшая по установленной мощности электростанция России, 7-я — среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире. Подробнее об этом уникальном сооружении можете почитать под катом.
1. Вечерняя подсветка на СШГЭС
Ездил я туда зимой по приглашению от «РусГидро». Основной целью поездки был виртуальный тур по станции, как я делал уже на Новосибирской ГЭС. Тур получился в разы круче, во-первых станция намного интереснее и больше, а во-вторых в туре есть справки, больше точек просмотра, есть дневная и ночная панорамы станции и тд. Но, к сожалению, тур на данный момент не удалось согласовать со службой безопасности станции и я не знаю, удастся ли вообще это сделать, остаётся надеяться на лучшее.
Но не будем о плохом. Если панорамы и нельзя показывать, то у меня хотя бы есть фотографии с тех же самых мест, где я делал сферы, и не только.
Саяно-Шушенская ГЭС расположена рядом с посёлком Черемушки (недалеко от города Саяногорск) в Республике Хакасия. СШГЭС является первой в каскаде енисейских гидроэлектростанций. Установленная мощность СШГЭС — 6400 МВт, среднегодовая выработка — 22,8 млрд кВтч электроэнергии.
2. Напорный фронт Саяно-Шушенской ГЭС образует бетонная арочно-гравитационная плотина — уникальное по размерам и сложности возведения гидротехническое сооружение.
Конструкция высоконапорной арочно-гравитационной плотины не имеет аналогов в мировой и отечественной практике. Высота сооружения 245 м, длина по гребню 1074,4 м, ширина по основанию — 105,7 м и по гребню — 25 м. В плане она имеет вид круговой арки радиусом 600 м с центральным углом 102 градуса. Плотина СШГЭС входит в десятку самых высоких плотин мира. (Плотина в Швейцарии чуть по-выше, о которой я тоже писал в ЖЖ)
3.
4. На гребне плотины
Устойчивость и прочность плотины под напором воды (около 30 млн.
тонн) обеспечивается и за счет собственного веса (примерно на 60%) и путем передачи гидростатической нагрузки на скальные берега (на 40%). Плотина врезана в скальные берега на глубину до 15 м. Сопряжение плотины с основанием в русле произведено врезкой до прочной скалы на глубину до 5 м.
5.
6. Эксплуатационный водосброс СШГЭС.
Эксплуатационный водосброс предназначен для сброса избыточного притока воды в половодье и паводки, который не может быть пропущен через гидроагрегаты ГЭС либо аккумулирован в водохранилище. Максимальная пропускная способность эксплуатационного водосброса при нормальном подпорном уровне (НПУ — 539 м) составляет 11700 м³/сек.
Водосброс имеет 11 отверстий, которые заглублены на 60 м от НПУ и 11 водосбросных каналов, состоящих из закрытого участка и открытого лотка, которые проходят по низовой грани плотины. Водосбросы оборудованы основными и ремонтными затворами.
Четырехметровые носки-трамплины завершают водосбросы, на сходе с них скорость воды достигает 55 м/с.
7. Водохранилище СШГЭС
Плотина ГЭС образует крупное Саяно-Шушенское водохранилище сезонного регулирования полным объёмом 31,34 км³, полезным объёмом 15,34 км³, длиной 320 км и площадью 621 км².
Распоряжением Правительства РФ от 16 ноября 2006 года Саяно-Шушенское водохранилище включено в перечень 70 водоёмов, являющихся стратегическими источниками питьевой воды, которые будут находиться в исключительной федеральной собственности. Использование их водных ресурсов осуществляется для обеспечения питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения значительных территорий одного или нескольких субъектов РФ.
8. Береговой водосброс
Строительство дополнительного берегового водосброса Саяно-Шушенской ГЭС было продиктовано необходимостью повышения надежности и безопасности гидротехнических сооружений станции.
Сооружение позволяет осуществить дополнительный пропуск расходов до 4000 куб.м/сек (основный пропуск расходов осуществляется через эксплуатационный водосброс и водопропускные тракты гидроагрегатов) и, тем самым, снизить нагрузку на эксплуатационный водосброс станции и обеспечить щадящий режим в водобойном колодце. Береговой водосброс предназначен для пропуска экстремальных паводков и паводков редкой повторяемости. В случае рядовых паводков использования берегового водосброса не предполагается.
9.
10. На фотографии можно увидеть расположение берегового водосброса, относительно самой станции
11. Турбинные водоводы СШГЭС
Турбиннный водовод — напорный трубопровод, подводящий воду к турбинам гидроэлектростанции. На Саяно-Шушенской ГЭС водоводы сталежелезобетонные. Внутренний диаметр 7,5 м; толщина железобетонной облицовки — 1,5 м.
12.
13. Трансформаторная площадка
14.
Трансформаторы
Силовые трансформаторы Запорожского трансформаторного завода повышают напряжение генератора 15,75 кВ до напряжения 500 кВ, на котором электроэнергия передаётся в энергосистему с распределительного устройства. Всего трансформаторов 15 шт. Это 5 групп по 3 фазы. Каждая группа рассчитана на 2 гидроагрегата (1-2, 3-4, 5-6 и т.д.)
Габариты каждого трансформатора: длина — 8,66 м, ширина — 3,61 м, высота — 5,05м; масса — 235 тонн.
15. Машинный зал
В здании ГЭС размещено 10 гидроагрегатов, мощностью 640 МВт каждый, с радиально-осевыми турбинами, работающими при расчётном напоре 194 м (рабочий диапазон напоров — от 175 до 220 м). Номинальная частота вращения гидротурбины — 142,8 об/мин, максимальный расход воды через турбину — 358 м³/с, КПД турбины в оптимальной зоне — около 96%, общая масса оборудования гидротурбины — 1440 т.
Производитель турбин и генераторов генераторов — ОАО «Силовые машины».
По результатам испытаний, проводившихся заводом на уже установленном оборудовании, гидроагрегаты способны развивать мощность до 720 МВт, являясь, таким образом, наиболее мощными из гидроагрегатов ГЭС России.
16. Несколько гидроагрегатов до сих пор в ремонте после известной всем аварии. К 2014 году Саяно-Шушенская ГЭС будет полностью оснащена абсолютно новым и современным оборудованием, обладающим улучшенными рабочим характеристиками и соответствующим всем требованиям надежности и безопасности.
17.
18.
19. Монтажная площадка
20.
21. Спускаемся уровнем ниже. На фото вращающийся огромный ротор. Скорость вращения 142,8 об/мин.
22. Ещё ниже. Шахта турбины.
Гидроагрегат состоит из двух независимых частей: гидротурбины и гидрогенератора соединённых валом. В шахте турбины мы можем видеть и то и другое. Под ногами находится турбина, над головой генератор, в центре видно вращающийся вал.
Прямо под железным полом находятся сервомоторы, которые приводят в движение лопатки направляющего аппарата, регулирующие количество воды поступающее на рабочее колесо турбины.
23. Вал
24.
25. Ещё ниже. Спиральная камера.
Спиральная камера предназначена для подвода воды к направляющему аппарату турбины. Особая форма камеры с уменьшающимися сечениями служит для равномерного распределения потока по всей окружности статора.
26. Сопряжение спиральной камеры с турбинным водоводом. Диаметр здесь 7.5 м. Это больше, чем в стандартном тоннеле метро.
27. Ещё ниже. Рабочее колесо турбины.
Рабочее колесо, соединенное с валом турбины — это ротор радиально-осевой турбины, преобразующий энергию потока воды в механическую.
Вес колеса — 145 тонн, диаметр — 6,77 м.
28.
И наконец мы в самом низу. Отсасывающая изогнутая труба, которая выводит воду на поверхность в нижний бьеф.
29. Центральный пульт управления
30. Вернёмся к видам на станцию
31.
32.
the end
Спасибо «РусГидро» за приглашение и организацию съемок!
типов гидротурбин | Министерство энергетики
Управление гидроэнергетических технологий
Учить больше
Программа гидроэнергетики
Основы гидроэнергетики
Зачем использовать гидроэнергетику?
История гидроэнергетики
Гидроаккумулирующие гидроэлектростанции
Глоссарий по гидроэнергетике
Портал STEM по гидроэнергетике
Существует два основных типа гидроэлектростанций: реактивные и импульсные.
Тип гидроэлектростанции, выбранный для проекта, зависит от высоты стоячей воды, называемой «напором», и расхода или объема воды на участке с течением времени.
Другие решающие факторы включают глубину установки турбины, эффективность турбины и стоимость. Вот некоторые из наиболее часто используемых турбин в Соединенных Штатах сегодня.
РЕАКЦИОННАЯ ТУРБИНА
Реакционная турбина вырабатывает энергию за счет объединенных сил давления и движущейся воды. Бегун помещается прямо в поток воды, позволяя воде течь по лопастям, а не ударять по каждой из них по отдельности. Реакционные турбины обычно используются на объектах с более низким напором и более высокими расходами и являются наиболее распространенным типом, используемым в настоящее время в Соединенных Штатах.
Двумя наиболее распространенными типами реактивных турбин являются пропеллерные (включая Каплана) и фрэнсисовские. Кинетические турбины также являются разновидностью реактивных турбин.
Пропеллерная турбина
Пропеллерная турбина обычно имеет рабочее колесо с тремя-шестью лопастями. Вода постоянно контактирует со всеми лезвиями.
Представьте себе лодочный винт, вращающийся в трубе. Через трубу давление постоянно; если бы это было не так, бегун потерял бы равновесие. Шаг лопастей может быть фиксированным или регулируемым. Основными компонентами, помимо бегунка, являются спиральный корпус, калитки и вытяжная труба. Существует несколько различных типов пропеллерных турбин:
Турбина в виде груши : Турбина и генератор представляют собой герметичный блок, расположенный непосредственно в потоке воды.
Straflo : Генератор крепится непосредственно по периметру турбины.
Трубчатая турбина : Напорный трубопровод изгибается непосредственно перед или после рабочего колеса, обеспечивая прямолинейное соединение с генератором.
Турбина Каплана : И лопасти, и калитки регулируются, что позволяет использовать их в более широком диапазоне. Эта турбина была разработана австрийским изобретателем Виктором Капланом в 1919.
Турбина Фрэнсиса
Турбина Фрэнсиса была первой современной гидроэнергетической турбиной и была изобретена британско-американским инженером Джеймсом Фрэнсисом в 1849 году.
Турбина Фрэнсиса имеет рабочее колесо с неподвижными лопастями, обычно девять или более. Вода подается прямо над бегунком и вокруг него, которая затем падает, заставляя лопасти вращаться. Помимо бегунка, к другим основным компонентам относятся спиральный корпус, калитки и вытяжная труба. Турбины Фрэнсиса обычно используются для ситуаций со средним и высоким напором (от 130 до 2000 футов), хотя они также использовались и для более низкого напора. Турбины Фрэнсиса хорошо работают как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.
Кинетическая турбина
Турбины с кинетической энергией, также называемые безнапорными турбинами, вырабатывают электричество из кинетической энергии текущей воды, а не из потенциальной энергии напора. Системы могут работать в реках, искусственных каналах, приливных водах или океанских течениях. Поскольку кинетические системы используют естественный путь водного потока, они не требуют отвода воды через искусственные каналы, русла рек или трубы, хотя они могут применяться в таких трубопроводах.
Кинетические системы не требуют больших строительных работ, поскольку они могут использовать существующие конструкции, такие как мосты, отводы и каналы.
ИМПУЛЬСНАЯ ТУРБИНА
Импульсная турбина обычно использует скорость воды для перемещения рабочего колеса и производит выброс при атмосферном давлении. Струя воды ударяет в каждое ведро на бегунке. При отсутствии всасывания на нижней стороне турбины вода вытекает из нижней части корпуса турбины после удара по рабочему колесу. Импульсная турбина обычно подходит для приложений с высоким напором и низким расходом. Двумя основными типами импульсных турбин являются турбины Пельтона и турбины с поперечным потоком.
Турбина Пелтона
Турбина Пелтона была изобретена американским изобретателем Лестером Алланом Пелтоном в 1870-х годах. Колесо Пелтона имеет одну или несколько свободных форсунок, выпускающих воду в аэрируемое пространство и сталкивающихся с ковшами рабочего колеса. Турбины Пельтона обычно используются для очень высокого напора и низкого расхода.
Отсасывающие трубы не требуются для импульсной турбины, потому что рабочее колесо должно быть расположено выше максимального нижнего бьефа, чтобы обеспечить работу при атмосферном давлении.
Турбина с поперечным потоком
Оригинальная турбина с поперечным потоком была разработана Энтони Мичеллом, австрийским инженером, в начале 1900-х годов. Позже его усовершенствовал венгерский инженер Донат Банки, а немецкий инженер Фриц Оссбергер усовершенствовал его еще больше. Турбина с поперечным потоком имеет форму барабана и использует удлиненное сопло прямоугольного сечения, направленное против изогнутых лопаток на рабочем колесе цилиндрической формы. Напоминает воздуходувку в виде «беличьей клетки». Турбина с поперечным потоком позволяет воде проходить через лопасти дважды. При первом проходе вода течет снаружи лопастей внутрь; второй проход идет изнутри наружу. Направляющий аппарат на входе в турбину направляет поток в ограниченную часть рабочего колеса.
Турбина с поперечным потоком была разработана, чтобы выдерживать большие потоки воды и меньший напор, чем может выдержать Pelton.
ПОСМОТРЕТЬ ВСЕ
WPTO объявляет о выделении более 16 миллионов долларов на новые национальные гидроэнергетические и морские проекты под руководством лабораторий
Сегодня WPTO объявила о новых проектах на сумму более 16 миллионов долларов, направленных на дальнейшие исследования и разработки в области гидроэнергетики и морской энергетики. Эти награды включают 5,6 млн долларов на гидроэнергетику и 10,5 млн долларов на проекты морской энергетики в шести национальных лабораториях.
Учить больше
Основные возможности финансирования обсуждены в Отделе технологий гидроэнергетики Полугодовой вебинар 9 для заинтересованных сторон0003
9 ноября 2022 года WPTO провела свой последний полугодовой вебинар для заинтересованных сторон и поделилась подробностями с заинтересованными сторонами в области гидроэнергетики и морской энергетики из промышленности, научных кругов и правительства о последних возможностях финансирования, достижениях и проектах офиса.
Учить больше
Победители премии продолжают продвигать инновационные гидроаккумулирующие технологии, три команды продолжили тестирование, завершили дальнейший анализ и определили потенциальные площадки для своих технологий.
Учить больше
Веб-семинар WPTO для обсуждения тем гидроэнергетики в рамках предстоящей программы финансирования малого бизнеса
1 декабря 2022 г. WPTO проведет вебинар для изучения тем гидроэнергетики на первом этапе 2023 финансового года. Инновационные исследования и технологии малого бизнеса. Трансферная программа. Спикеры обсудят эти темы и ответят на вопросы.
Учить больше
Министерство энергетики США объявляет о технической помощи для развития технологий гидроэнергетики
WPTO объявило о возможности получения разработчиками гидроэнергетики и другими заинтересованными сторонами технической помощи для устранения препятствий, связанных с оценкой при разработке гидроаккумулирующих гидроэнергетических проектов, а также для решения проблем, связанных с миссией HydroWIRES.
Учить больше
Интересуетесь карьерой в гидроэнергетике?
В этот национальный день STEM Управление технологий гидроэнергетики представляет ресурсы, инструменты и возможности, которые могут помочь вам сделать карьеру в области экологически чистой энергии в гидроэнергетике.
Учить больше
WPTO предоставляет возможность финансирования в размере 4 миллионов долларов США для продвижения технологий прохода и защиты рыбы
Возможность финансирования в размере 4 миллионов долларов США направлена на снижение воздействия гидроэнергетики на окружающую среду с помощью исследований для продвижения инновационных технологий прохода и защиты рыбы.
Учить больше
Новый отчет подчеркивает потребность гидроэнергетики в новых, разнообразных талантах
Гидроэнергетическая отрасль США сталкивается с надвигающейся волной выхода на пенсию, и новая, разнообразная рабочая сила имеет решающее значение для способности отрасли поддерживать текущие операции и расти.
Узнайте об этих и других тенденциях и потребностях в рабочей силе гидроэнергетики.
Учить больше
Плавание к готовности к рынку: победители премии «Защита рыбы» продолжают совершенствовать свои технологии для модернизации гидроэнергетических сооружений
После получения премии «Защита рыбы» три команды продолжили разработку своих инновационных концепций, которые могут помочь модернизировать гидроэнергетические объекты и защитить рыбу от воды отводные трубы и водозаборы плотин по всей стране.
Учить больше
WPTO объявляет победителей второго этапа премии за оптимизацию эксплуатации гидроэнергетики
WPTO объявляет шесть победителей второго этапа премии за оптимизацию эксплуатации гидроэнергетики. Эти команды разработали высокотехнологичные решения для улучшения работы гидроэнергетики и устойчивости сети. Третий и последний этап розыгрыша приза открыт!
Учить больше
Турбина | Определение, типы и факты
ветряные турбины
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Жан-Виктор Понселе
- Похожие темы:
-
газотурбинный двигатель
ветряная мельница
паровая турбина
водяная турбина
импульсная турбина
Просмотреть весь связанный контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
турбина , любое из различных устройств, преобразующих энергию потока жидкости в механическую энергию.
Преобразование обычно осуществляется путем пропускания жидкости через систему стационарных каналов или лопастей, которые чередуются с каналами, состоящими из ребристых лопастей, прикрепленных к ротору. Организовав поток таким образом, что тангенциальная сила или крутящий момент воздействует на лопасти ротора, ротор вращается и совершается работа.
Турбины можно разделить на четыре основных типа в зависимости от используемых жидкостей: вода, пар, газ и ветер. Хотя одни и те же принципы применимы ко всем турбинам, их конкретные конструкции достаточно различаются, чтобы заслуживать отдельного описания.
Водяная турбина использует потенциальную энергию, возникающую в результате разницы высот между водохранилищем выше по течению и уровнем воды на выходе из турбины (отводящий канал), для преобразования этого так называемого напора в работу. Водяные турбины являются современными преемниками простых водяных колес, которым около 2000 лет. Сегодня гидротурбины в основном используются для производства электроэнергии.
Однако наибольшее количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами, соединенными с электрическими генераторами. Турбины приводятся в движение паром, вырабатываемым либо в генераторе, работающем на ископаемом топливе, либо в атомном генераторе. Энергию, которую можно извлечь из пара, удобно выражать через изменение энтальпии на турбине. Энтальпия отражает как тепловую, так и механическую формы энергии в процессе течения и определяется как сумма внутренней тепловой энергии и произведения давления на объем. Доступное изменение энтальпии через паровую турбину увеличивается с температурой и давлением парогенератора и с уменьшением давления на выходе из турбины.
Для газовых турбин энергия, извлекаемая из жидкости, также может быть выражена через изменение энтальпии, которое для газа почти пропорционально перепаду температуры на турбине. В газовых турбинах рабочим телом является воздух, смешанный с газообразными продуктами сгорания. Большинство газотурбинных двигателей включают как минимум компрессор, камеру сгорания и турбину.
Обычно они монтируются как единое целое и работают как полный первичный двигатель в так называемом открытом цикле, когда воздух всасывается из атмосферы, а продукты сгорания, наконец, снова выбрасываются в атмосферу. Поскольку успешная работа зависит от интеграции всех компонентов, важно рассматривать все устройство, которое на самом деле является двигателем внутреннего сгорания, а не только турбину. По этой причине газовые турбины рассматриваются в статье как двигатели внутреннего сгорания.
Энергия ветра может извлекаться с помощью ветряной турбины для производства электроэнергии или для откачивания воды из колодцев. Ветряные турбины являются преемниками ветряных мельниц, которые были важными источниками энергии с позднего средневековья до 19 века.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Fred Landis
Водяные турбины обычно делятся на две категории: (1) импульсные турбины, используемые для высокого напора воды и низкого расхода, и (2) реактивные турбины, обычно используемые для напора менее 450 метров и умеренного или высокого скорости потока.
Эти два класса включают в себя основные широко используемые типы, а именно импульсную турбину Пелтона и реактивные турбины типа Фрэнсиса, пропеллерные, Каплана и Дериаза. Турбины могут быть расположены как с горизонтальным, так и, чаще, с вертикальным валом. Для каждого типа возможны широкие конструктивные изменения для соответствия конкретным местным гидравлическим условиям. Сегодня большинство гидравлических турбин используются для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.
Импульсные турбины
В импульсных турбинах потенциальная энергия, или напор воды, сначала преобразуется в кинетическую энергию путем выпуска воды через сопло правильной формы. Струя, выбрасываемая в воздух, направляется на изогнутые ковши, закрепленные на периферии рабочего колеса, для извлечения энергии воды и преобразования ее в полезную работу.
Современные импульсные турбины основаны на конструкции, запатентованной в 1889 году американским инженером Лестером Алленом Пелтоном. Свободная струя воды ударяется о лопатки турбины по касательной.
Каждый ковш имеет высокий центральный гребень, так что поток разделяется так, что желоб остается с обеих сторон. Колеса пелтона подходят для высокого напора, обычно более 450 метров, при относительно низком расходе воды. Для максимальной эффективности скорость кончика литника должна равняться примерно половине скорости ударной струи. КПД (работа, производимая турбиной, деленная на кинетическую энергию свободной струи) может превышать 91 процент при работе с 60–80 процентами полной нагрузки.
Мощность данного колеса можно увеличить, используя более одного жиклера. Двухструйные устройства являются общими для горизонтальных валов. Иногда на один вал монтируются два отдельных бегунка, приводящих в движение один электрогенератор. Агрегаты с вертикальным валом могут иметь четыре или более отдельных форсунок.
Если электрическая нагрузка на турбину изменяется, ее выходная мощность должна быть быстро отрегулирована в соответствии с потребностями. Это требует изменения расхода воды, чтобы поддерживать постоянную скорость генератора.
Скорость потока через каждую форсунку контролируется расположенным в центре копьем или иглой тщательной формы, которая скользит вперед или назад под управлением гидравлического серводвигателя.
Надлежащая конструкция иглы гарантирует, что скорость воды, выходящей из форсунки, остается практически неизменной независимо от отверстия, что обеспечивает почти постоянную эффективность в большей части рабочего диапазона. Нецелесообразно резко уменьшать расход воды, чтобы соответствовать уменьшению нагрузки. Это может привести к разрушительному скачку давления (гидравлическому удару) в подающем трубопроводе или затворе. Таких всплесков можно избежать, добавив временное разливное сопло, которое открывается, когда основное сопло закрывается, или, что чаще, частично вставляя дефлекторную пластину между струей и колесом, отводя и рассеивая часть энергии, пока игла медленно закрывается.
Еще один тип импульсной турбины — турботурбина. Струя падает под косым углом на бегунок с одной стороны и продолжает движение по единственному пути, выходя с другой стороны бегуна.
Этот тип турбины использовался в агрегатах среднего размера с умеренно высоким напором.
Реактивные турбины
В реактивной турбине силы, приводящие в движение ротор, достигаются реакцией ускоряющегося потока воды в рабочем колесе при падении давления. Принцип реакции можно наблюдать в ротационном дождевателе для газонов, где выходящая струя вращает ротор в противоположном направлении. Из-за большого разнообразия возможных конструкций рабочих колес реактивные турбины могут использоваться в гораздо большем диапазоне напоров и скоростей потока, чем импульсные турбины. Реакционные турбины обычно имеют спиральный входной корпус с регулирующими заслонками для регулирования расхода воды. На входе часть потенциальной энергии воды может быть преобразована в кинетическую энергию по мере ускорения потока. Энергия воды впоследствии извлекается в роторе.
Как отмечалось выше, широко используются четыре основных типа реактивных турбин: Каплана, Фрэнсиса, Дериаза и пропеллерного типа.
Добавить комментарий