Турбина с поперечным потоком , турбина Банки-Михеля или турбина Оссбергера [1] — это водяная турбина, разработанная австралийцем Энтони Мичеллом , венгром Донатом Банки и немцем Фрицем Оссбергером. Мичелл получил патенты на конструкцию своей турбины в 1903 году, и производственная компания Weymouth производила ее в течение многих лет. Первый патент Оссбергера был выдан в 1933 году («Турбина со свободной струей» 1922 года, императорский патент № 361593 и «Турбина с поперечным потоком» 1933 года, императорский патент № 615445), и он изготовил эту турбину как стандартный продукт. Сегодня компания, основанная Оссбергером и носящая его имя, является ведущим производителем этого типа турбин.
В отличие от большинства водяных турбин , которые имеют осевые или радиальные потоки, в турбине с поперечным потоком вода проходит через турбину поперечно или через лопатки турбины. Как и в случае с водяным колесом , вода поступает на край турбины. После прохождения внутрь рабочего колеса она выходит с противоположной стороны, выходя наружу. Прохождение через рабочее колесо дважды обеспечивает дополнительную эффективность . Когда вода выходит из рабочего колеса, она также помогает очистить его от мелкого мусора и загрязнений. Турбина с поперечным потоком — это низкоскоростная машина, которая хорошо подходит для мест с низким напором, но высоким расходом.
Хотя на рисунке для простоты показано одно сопло, большинство практичных турбин с поперечным потоком имеют два, расположенных таким образом, чтобы потоки воды не мешали друг другу.
Турбины с поперечным потоком часто строятся как две турбины разной мощности, которые совместно используют один и тот же вал. Колеса турбин имеют одинаковый диаметр, но разную длину для обработки разных объемов при одинаковом давлении. Подразделенные колеса обычно строятся с объемами в соотношении 1:2. Подразделенный регулирующий блок, система направляющих лопаток в верхней части турбины, обеспечивает гибкую работу с выходом 33, 66 или 100 % в зависимости от потока. Низкие эксплуатационные расходы достигаются благодаря относительно простой конструкции турбины.
Турбина состоит из цилиндрического водяного колеса или ротора с горизонтальным валом, состоящего из многочисленных лопастей (до 37), расположенных радиально и тангенциально. Края лопастей заострены для уменьшения сопротивления потоку воды. Лопасть выполнена в частично круглом сечении (труба разрезанная по всей длине). Концы лопастей приварены к дискам, образуя клетку, похожую на клетку хомяка, и иногда называются «турбинами с беличьей клеткой»; вместо прутков турбина имеет желобообразные стальные лопасти.
Вода сначала течет снаружи турбины внутрь. Регулирующий узел, имеющий форму лопасти или языка, изменяет поперечное сечение потока. Струя воды направляется к цилиндрическому рабочему колесу соплом . Вода поступает в рабочее колесо под углом около 45/120 градусов, передавая часть кинетической энергии воды активным цилиндрическим лопастям.
Регулирующее устройство управляет потоком в зависимости от необходимой мощности и доступной воды. Соотношение таково, что (0–100%) воды поступает на 0–100%×30/4 лопастей. Поступление воды в два сопла дросселируется двумя направляющими лопатками специальной формы. Они разделяют и направляют поток так, чтобы вода плавно поступала в рабочее колесо при любой ширине отверстия. Направляющие лопатки должны герметично прилегать к краям корпуса турбины, чтобы при низком уровне воды они могли перекрыть подачу воды. Таким образом, направляющие лопатки действуют как клапаны между затвором и турбиной. Оба направляющих лопатки можно настроить с помощью рычагов управления, к которым можно подключить автоматическое или ручное управление.
Геометрия турбины (сопло-рабочее колесо-вал) обеспечивает эффективность струи воды. Вода воздействует на рабочее колесо дважды, но большая часть мощности передается при первом проходе, когда вода поступает в рабочее колесо. Только 1 ⁄ 3 мощности передается рабочему колесу, когда вода покидает турбину.
Вода течет через каналы лопастей в двух направлениях: снаружи внутрь и изнутри наружу. Большинство турбин работают с двумя струями, расположенными так, чтобы две струи воды в рабочем колесе не мешали друг другу. Однако важно, чтобы турбина, напор и скорость турбины были согласованы.
Турбина с поперечным потоком относится к импульсному типу, поэтому давление на рабочем колесе остается постоянным.
Пиковая эффективность турбины с поперечным потоком несколько ниже, чем у турбин Каплана , Фрэнсиса или Пелтона . Однако турбина с поперечным потоком имеет плоскую кривую эффективности при переменной нагрузке. Благодаря раздельным рабочему колесу и камере турбины турбина сохраняет свою эффективность, пока поток и нагрузка изменяются от 1/6 до максимума.
Турбины с поперечным потоком, имеющие низкую цену и хорошую регулировку, в основном используются в мини- и микрогидроэлектростанциях мощностью менее тысячи кВт и с напором менее 200 м (660 футов).
В частности, для небольших речных электростанций плоская кривая эффективности обеспечивает лучшую годовую производительность, чем другие турбинные системы, поскольку уровень воды в малых реках обычно ниже в некоторые месяцы. Эффективность турбины определяет, производится ли электроэнергия в периоды, когда реки имеют низкий уровень стока. Если используемые турбины имеют высокую пиковую эффективность, но плохо ведут себя при частичной нагрузке, получается меньшая годовая производительность, чем у турбин с плоской кривой эффективности.
Благодаря своему превосходному поведению при частичных нагрузках турбина с поперечным потоком хорошо подходит для автоматического производства электроэнергии. Ее простая конструкция облегчает обслуживание по сравнению с другими типами турбин; необходимо обслуживать только два подшипника , и имеется только три вращающихся элемента. Механическая система проста, поэтому ремонт может выполняться местными механиками.
Еще одним преимуществом является то, что он часто может очищаться сам. Когда вода покидает рабочее колесо, листья, трава и т. д. не остаются в рабочем колесе, предотвращая потери. Поэтому, хотя эффективность турбины несколько ниже, она более надежна, чем другие типы. Обычно не требуется очистка рабочего колеса, например, путем инверсии потока или изменения скорости. Другие типы турбин засоряются легче и, следовательно, сталкиваются с потерями мощности, несмотря на более высокую номинальную эффективность.