Продолжаем знакомится с гидротурбинами. Напомню в прошлый раз мы изучили ковшовую турбину или турбину Пельтона.
Радиально-осевые турбины являются самым старым, но при этом самым распространенным типом гидротурбин. Техническая простота (и соответственно, дешевизна), очень широкий диапазон возможных напоров и расходов обеспечили им признанное лидерство. На крупнейших гидроэлектростанциях мира установлены именно эти турбины, им же принадлежит рекорд по единичной мощности турбины.
Отдаленным предком радиально-осевых турбин можно считать турбину Фурнерона изобретенную еще в 1826 году ( и усовершенствованную Бойденом в 1844 году). Ее КПД составлял около 80%, что по тем временам было настоящим прорывом, что привело к активному использованию турбин этого типа (фактически, это была первая промышленная гидротурбина в мире). Интересной особенностью турбины Фурнерона было размещение ее направляющего аппарата — не снаружи, а внутри рабочего колеса.
Турбина Фурнерона
Радиально-осевую турбину изобрел американский инженер Джеймс Фрэнсис (собственно, во всем мире эти турбины именуются турбинами Фрэнсиса). При этом, он не просто предложил турбину, но и разработал систему расчетов турбины, а также провел комплекс гидравлических испытаний турбины. Вообще, Фрэнсис был очень талантливым инженером — помимо турбины, он изобрел спринклерную систему пожаротушения, строил канала, плотины и системы защиты от наводнений. Турбина Фрэнсиса неоднократно совершенствовалась и свой современный вид приобрела в конце 19 века, после изобретения немецким инженером Финком поворотных лопаток направляющего аппарата.
Джеймс Фрэнсис
Турбины Фрэнсиса быстро получили самое широкое распространение; причем, в связи с отсутствием альтернатив, они использовались и на небольших напорах, что сейчас не практикуется. Например, турбины этого типа установлены на Волховской ГЭС, расчетный напор которой — 11,2 м. Сейчас на таких напорах ставят поворотно-лопастные турбины.
Свое название радиально-осевые турбины получили по направлению движения воды в ней. Рабочее колесо турбины состоит из ступицы, верхнего и нижнего обода, а также лопаток, которые неподвижно прикреплены к ободьям. По способу изготовления, рабочие колеса бывают сварными (чаще всего) либо цельнолитыми. Конструкция рабочего колеса, не содержащая движущихся деталей, очень прочна, что позволяет использовать турбину на весьма высоких напорах. С другой стороны, невозможность поворота лопаток приводит к наличию зон с низким КПД, а также с повышенной вибрацией, работа в которых не рекомендуется.
Устройство и действие радиально-осевой турбины
Современные радиально-осевые турбины могут использоваться на напорах до 700 м. Однако, на небольших напорах радиально-осевые турбины приходится делать очень больших размеров, и в этом случае они уступают поворотно лопастным турбинам. На очень высоких напорах, особенно при относительно небольших расходах воды, более предпочтительно использование ковшовых турбин. Таким образом, наиболее оптимальны для радиально-осевых турбин средние и высокие напоры (от 50 до 300 м).
Это радиально-осевое рабочее колесо, рассчитанное на напор 1,8 м, имеет диаметр 4,5 м при мощности всего 0,4 МВт.
А вот это, работающее на напоре 91,5 м, имеет диаметр 1,2 м и мощность более чем в 20 раз больше — 10 МВт.
В зависимости от конкретных условий, форма радиально-осевых рабочих колес может заметно отличаться:
Раньше, с целью увеличения мощности турбины, нередко применялось объединение двух рабочих колес на одном вале. Сейчас такая схема почти не используется.
Крупнейшие в мире радиально-осевые турбины (как и гидравлические турбины вообще) установлены на американской ГЭС Гранд Кули.
Их максимальная мощность составляет 805 МВт. Фото отсюда
Примерно такую же (и даже чуть большую — 812 МВт) мощность имеют и турбины строящейся китайской ГЭС Xiangjiaba.
Турбины по 1000 МВт каждая проектировались для Эвенкийской ГЭС, так что потенциально мы еще можем вырваться вперед.
Особая история — обратимые радиально-осевые насос-турбины, которые устанавливаются на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Подавляющее большинство ГАЭС имеют именно такие насос-турбины, и напор на некоторых из них доходит до 1000 м (этом случае, используются многоступенчатые насос-турбины).
Рабочее колесо насос-турбины Загорской ГАЭС-2.