.svg/1280px-Water_turbine_(en_2).svg.png)
Водяная турбина – это вращающаяся машина, преобразующая кинетическую и потенциальную энергию воды в механическую работу.
Водяные турбины были разработаны в 19 веке и широко использовались в промышленных целях до появления электрических сетей . Сейчас они в основном используются для производства электроэнергии. Водяные турбины в основном устанавливаются на плотинах для выработки электроэнергии из потенциальной энергии воды.
Водяные колеса уже сотни лет используются в промышленности. Их основным недостатком является размер, который ограничивает скорость потока и напор , который можно использовать. Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет. Развитие произошло во время промышленной революции с использованием научных принципов и методов. Они также широко использовали новые материалы и методы производства, разработанные в то время.
Слово « турбина» было введено французским инженером Клодом Бурденом в начале 19 века и происходит от греческого слова «τύρβη», означающего «вихрение» или «вихрь». Основное различие между ранними водяными турбинами и водяными колесами заключается в вихревом компоненте воды, который передает энергию вращающемуся ротору. Этот дополнительный компонент движения позволил турбине быть меньше водяного колеса той же мощности. Они могли бы перерабатывать больше воды, вращаясь быстрее, и могли бы использовать гораздо большие головы. (Позже были разработаны импульсные турбины, в которых не использовалось завихрение.)
Самые ранние известные водяные турбины датируются Римской империей . Две мельницы со спиральными турбинами почти идентичной конструкции были найдены в Хемту и Тестуре , современный Тунис , и относятся к концу III или началу IV века нашей эры. Горизонтальное водяное колесо с расположенными под углом лопастями было установлено на дне заполненной водой круглой шахты. Вода из мельницы поступала в яму по касательной, создавая закрученный столб воды, который заставлял полностью погруженное колесо действовать как настоящая турбина. [1]
Фаусто Веранцио в своей книге Machinae Novae (1595) описал мельницу с вертикальной осью и ротором, похожим на ротор турбины Фрэнсиса . [2]
Иоганн Сегнер разработал реактивную водяную турбину ( колесо Сегнера ) в середине 18 века в Венгерском королевстве . Он имел горизонтальную ось и был предшественником современных водяных турбин. Это очень простая машина, которую до сих пор производят для использования на небольших гидростанциях. Сегнер работал с Эйлером над некоторыми из ранних математических теорий конструкции турбин. В 18 веке доктор Роберт Баркер изобрел аналогичную реактивную гидравлическую турбину, которая стала популярной для демонстрации в лекционном зале. [3] Единственный известный сохранившийся пример двигателя этого типа, используемого в производстве электроэнергии, датируемый 1851 годом, находится в Hacienda Buena Vista в Понсе, Пуэрто-Рико . [4]
В 1820 году Жан-Виктор Понселе разработал турбину с приточным потоком.
В 1826 году Бенуа Фурнейрон разработал турбину с выходящим потоком воздуха. Это была эффективная машина (~80%), которая пропускала воду через желоб с изогнутыми в одном направлении лопастями. Стационарная розетка также имела изогнутые направляющие.
В 1844 году Урия А. Бойден разработал турбину с выходящим потоком, которая улучшила характеристики турбины Фурнейрона. Форма его рабочего колеса напоминала форму турбины Фрэнсиса .
В 1849 году Джеймс Б. Фрэнсис усовершенствовал реактивную турбину с входящим потоком до КПД более 90%. Он также провел сложные испытания и разработал инженерные методы проектирования водяных турбин. Турбина Фрэнсиса , названная в его честь, является первой современной водяной турбиной. Сегодня это по-прежнему самая широко используемая водяная турбина в мире. Турбину Фрэнсиса также называют турбиной с радиальным потоком, поскольку вода течет от внешней окружности к центру рабочего колеса.
Водяные турбины с приточным потоком имеют лучшее механическое устройство, и все современные турбины с реакционной водой имеют такую конструкцию. Когда вода закручивается внутрь, она ускоряется и передает энергию бегуну. Давление воды снижается до атмосферного, а в некоторых случаях и ниже атмосферного, поскольку вода проходит через лопатки турбины и теряет энергию.
В 1876 году Джон Б. Маккормик , основываясь на проектах Фрэнсиса, продемонстрировал первую современную турбину смешанного потока, разработав турбину Hercules, первоначально произведенную компанией Holyoke Machine Company и впоследствии усовершенствованную инженерами в Германии и США. [5] В конструкции эффективно сочетаются принципы входящего потока конструкции Фрэнсиса с нисходящим выпуском турбины Йонваля , с потоком внутрь на входе, осевым через корпус колеса и слегка наружу на выходе. Первоначально работая оптимально при КПД 90% на более низких скоростях, эта конструкция в последующие десятилетия претерпела множество улучшений в производных под такими названиями, как «Виктор», «Рисдон», «Самсон» и «Новый американец», открывая новую эру американского производства. турбиностроение. [6] [7]
Водяные турбины, особенно в Америке, стали в значительной степени стандартизированы с созданием испытательного лотка Холиока , описанного Робертом Э. Хортоном и Клеменсом Гершелем как первая современная гидравлическая лаборатория в Соединенных Штатах , последний из которых будет служить ее руководителем. инженер какое-то время. [8] [9] Первоначально созданная в 1872 году Джеймсом Б. Эмерсоном на основе испытательных лотков Лоуэлла , после 1880 года гидравлическая лаборатория Холиока, штат Массачусетс, была стандартизирована Гершелем, который использовал ее для разработки счетчика Вентури , первого точного средства измерения. большие потоки, чтобы правильно измерить эффективность использования энергии воды различными моделями турбин. [10] [11] [12] Хотя европейские гидрологи скептически относились к некоторым расчетам плотины, этот объект позволял проводить стандартные испытания эффективности среди крупных производителей до 1932 года, когда к этому времени распространилось более современное оборудование и методы. [13] [14] : 100
Примерно в 1890 году был изобретен современный жидкостный подшипник , который теперь повсеместно используется для поддержки шпинделей тяжеловодных турбин. По состоянию на 2002 год среднее время наработки на отказ жидкостных подшипников превышает 1300 лет.
Примерно в 1913 году Виктор Каплан создал турбину Каплана — машину пропеллерного типа. Это была эволюция турбины Фрэнсиса, которая произвела революцию в возможностях строительства гидростанций с низким напором.
.png/1280px-Pelton_wheel_(patent).png)
Все распространенные водяные машины до конца 19 века (включая водяные колеса) по сути были реактивными машинами; Напор воды действовал на машину и производил работу. Реакционная турбина должна полностью удерживать воду во время передачи энергии.
В 1866 году калифорнийский слесарь Сэмюэл Найт изобрел машину, которая вывела импульсную систему на новый уровень. [15] [16] Вдохновленный струйными системами высокого давления, используемыми при гидравлической добыче на золотых приисках, Найт разработал черпаковое колесо, которое улавливало энергию свободной струи, которая преобразовывала высокий напор (сотни вертикальных футов в трубе). или затвор ) воды в кинетическую энергию. Это называется импульсной или тангенциальной турбиной. Скорость воды, примерно в два раза превышающая скорость периферии ведра, делает разворот в ведре и выпадает из желоба на низкой скорости.
В 1879 году Лестер Пелтон , экспериментируя с колесом рыцаря, разработал колесо Пелтона (конструкция с двумя ковшами), которое отводило воду в сторону, устраняя некоторую потерю энергии колеса рыцаря, которое отводило часть воды обратно к центру колеса. Примерно в 1895 году Уильям Добл усовершенствовал полуцилиндрическую форму ковша Пелтона, придумав эллиптический ковш с вырезом в нем, чтобы обеспечить более чистый вход струи в ковш. Это современная форма турбины Пелтона, эффективность которой сегодня достигает 92%. Пелтон был весьма эффективным пропагандистом своего дизайна, и, хотя Добл взял на себя управление компанией Пелтон, он не изменил название на Добл, потому что это была узнаваемая торговая марка.
Турго- и поперечноточные турбины позже стали импульсными конструкциями.
Поток воды направляется на лопасти рабочего колеса турбины, создавая на лопастях силу. Поскольку бегун вращается, сила действует на расстоянии (сила, действующая на расстоянии, является определением работы ). Таким образом, энергия передается от потока воды к турбине.
Водяные турбины делятся на две группы: реактивные турбины и импульсные турбины.
Точная форма лопаток водяной турбины зависит от давления подачи воды и типа выбранного рабочего колеса.
На реакционные турбины воздействует вода, которая меняет давление при движении через турбину и отдает свою энергию. Они должны быть заключены в кожух, чтобы выдерживать давление воды (или всасывание), или они должны быть полностью погружены в поток воды.
Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реактивных турбин.
Большинство используемых водяных турбин являются реактивными турбинами и используются при низком (<30 м или 100 футов) и среднем (30–300 м или 100–1000 футов) напоре. В реактивной турбине падение давления происходит как на неподвижных, так и на подвижных лопатках. Он в основном используется на плотинах и крупных электростанциях.
Импульсные турбины изменяют скорость водной струи. Струя давит на изогнутые лопатки турбины, изменяя направление потока. Результирующее изменение импульса ( импульс ) вызывает силу, действующую на лопатки турбины. Поскольку турбина вращается, сила действует на расстоянии (работа), и отведенный поток воды остается с уменьшенной энергией. Импульсная турбина – это турбина, в которой давление жидкости, обтекающей лопатки ротора, постоянно и вся работа осуществляется за счет изменения кинетической энергии жидкости.
Перед попаданием на лопатки турбины давление воды ( потенциальная энергия ) преобразуется соплом в кинетическую энергию и фокусируется на турбине. На лопатках турбины не происходит изменения давления, и для работы турбины не требуется корпус.
Второй закон Ньютона описывает передачу энергии для импульсных турбин.
Импульсные турбины часто используются в системах с очень высоким напором (>300 м/1000 футов).
Мощность , доступная в потоке;
где:
Некоторые водяные турбины предназначены для гидроаккумулирующих электростанций. Они могут менять направление потока и работать как насос [1] для заполнения высокого резервуара в часы непиковой нагрузки, а затем переключаться на водяную турбину для выработки электроэнергии во время пиковой нагрузки на электроэнергию. Турбина этого типа обычно представляет собой турбину Дериаса или Фрэнсиса .
Система такого типа используется в Эль Йерро, одном из Канарских островов: «Когда производство энергии ветром превышает потребность, избыточная энергия будет перекачивать воду из нижнего резервуара на дне вулканического конуса в верхний резервуар на вершине вулкана 700». метров над уровнем моря. Нижний резервуар хранит 150 000 кубических метров воды. Хранящаяся вода действует как аккумулятор. Максимальная емкость хранилища составляет 270 МВтч. Когда спрос вырастет и не будет достаточно энергии ветра, вода будет сброшена на четыре гидроэлектростанции. турбины общей мощностью 11 МВт». [17] [18]
Большие современные водяные турбины работают с механическим КПД более 90%.
.jpg/1280px-Raccoon_Mountain_Pumped-Storage_Plant_(08).jpg)
Выбор турбины зависит от доступного напора воды и в меньшей степени от доступного расхода. Как правило, импульсные турбины используются для объектов с высоким напором, а реактивные турбины используются для объектов с низким напором . Турбины Каплана с регулируемым шагом лопаток хорошо адаптированы к широкому диапазону условий расхода или напора, поскольку их пиковая эффективность может быть достигнута в широком диапазоне условий потока.
Небольшие турбины (в основном мощностью менее 10 МВт) могут иметь горизонтальные валы, и даже довольно большие турбины колбового типа мощностью до 100 МВт или около того могут быть горизонтальными. Очень большие машины Фрэнсиса и Каплана обычно имеют вертикальные валы, поскольку это позволяет наилучшим образом использовать имеющуюся напорную часть и делает установку генератора более экономичной. Колеса Пелтона могут быть как с вертикальным, так и с горизонтальным валом, поскольку размер машины намного меньше доступной головки. Некоторые импульсные турбины используют несколько струй на каждое рабочее колесо для балансировки тяги вала. Это также позволяет использовать рабочее колесо турбины меньшего размера, что может снизить затраты и механические потери.
Удельная скорость турбины характеризует форму турбины, не связанную с ее размером. Это позволяет масштабировать новую конструкцию турбины из существующей конструкции с известными характеристиками. Конкретная скорость также является основным критерием подбора конкретного гидроузла с правильным типом турбины. Удельная скорость – это скорость, с которой турбина вращается для определенного расхода Q с напором агрегата и, таким образом, способна производить единичную мощность.
Законы подобия позволяют прогнозировать мощность турбины на основе модельных испытаний. Миниатюрную копию предлагаемой конструкции диаметром около одного фута (0,3 м) можно протестировать, а лабораторные измерения с высокой уверенностью применить к конечному варианту применения. Законы подобия выводятся на основе требования сходства между тестовой моделью и приложением.
Поток через турбину контролируется либо большим клапаном, либо калитками, расположенными вокруг рабочего колеса турбины снаружи. Дифференциальный напор и расход можно построить для ряда различных значений открытия затвора, создавая диаграмму холмов, используемую для демонстрации эффективности турбины в различных условиях.
Разгонная скорость водяной турбины — это ее скорость при полном расходе и отсутствии нагрузки на валу. Турбина будет спроектирована так, чтобы выдерживать механические силы такой скорости. Производитель предоставит номинальную скорость разгона.
С середины 18 века для управления скоростью водяных турбин использовались регуляторы различных конструкций . В течение первых 100 лет управления скоростью водяных турбин использовались различные системы флайбола или регуляторы первого поколения. В ранних системах флайбола компонент флайбола, противодействующий пружине, воздействовал непосредственно на клапан турбины или калитку, контролируя количество воды, поступающей в турбины. Новые системы с механическими регуляторами появились примерно в 1880 году. Ранний механический регулятор представляет собой сервомеханизм , который состоит из ряда шестерен, которые используют скорость турбины для приведения в движение флайбола и мощность турбины для приведения в действие механизма управления. Механические регуляторы продолжали улучшаться с точки зрения усиления мощности за счет использования шестерен и динамических характеристик. К 1930 году у механических регуляторов было множество параметров, которые можно было установить в системе обратной связи для точного управления. Во второй половине двадцатого века электронные регуляторы и цифровые системы начали заменять механические регуляторы. В электронных регуляторах, также известных как регуляторы второго поколения, флайбол был заменен датчиком скорости вращения , но управление по-прежнему осуществлялось через аналоговые системы. В современных системах, также известных как регуляторы третьего поколения, управление осуществляется в цифровом виде с помощью алгоритмов , запрограммированных на компьютер регулятора. [20]
Калитка или направляющий аппарат — это компонент водяных турбин, предназначенный для управления потоком воды, поступающей в турбину . Турбину окружает ряд небольших проемов калиток. Когда калитки открываются шире, в рабочее колесо турбины поступает больше воды, что приводит к увеличению выходной мощности. Управление открытием и закрытием калитки позволит контролировать выходную энергию, генерируемую турбинами, в соответствии с желаемыми уровнями выходной энергии. [21]
Учитывая, что лопатки водяной турбины постоянно подвергаются воздействию воды и динамических сил, они должны иметь высокую коррозионную стойкость и прочность. Наиболее распространенным материалом, используемым для накладок на рабочие колеса из углеродистой стали в водяных турбинах, являются сплавы аустенитной стали , которые содержат от 17% до 20% хрома для повышения стабильности пленки, что улучшает стойкость к коррозии в воде. Содержание хрома в этих стальных сплавах превышает минимум 12% хрома, необходимый для проявления некоторой устойчивости к атмосферной коррозии. Более высокая концентрация хрома в стальных сплавах позволяет значительно продлить срок службы лопаток турбины. В настоящее время лопатки изготавливаются из мартенситных нержавеющих сталей , которые имеют высокую прочность по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями в 2 раза. [22] Помимо коррозионной стойкости и прочности в качестве критериев выбора материала, свариваемость и плотность турбинной лопатки. Повышенная свариваемость позволяет облегчить ремонт лопаток турбины. Это также обеспечивает более высокое качество сварки, что приводит к более качественному ремонту. Выбор материала с низкой плотностью важен для достижения более высокой эффективности, поскольку более легкие лопасти вращаются легче. Наиболее распространенным материалом, используемым в лопатках турбин Kaplan, являются сплавы нержавеющей стали (SS). Сплавы мартенситной нержавеющей стали имеют высокую прочность, более тонкое сечение, чем стандартная углеродистая сталь, и уменьшенную массу, что улучшает гидродинамические условия потока и эффективность водяной турбины. [22] Было показано, что нержавеющая сталь (13Cr-4Ni) обладает улучшенной стойкостью к эрозии под всеми углами воздействия благодаря процессу лазерной упрочнения . [23] Важно свести к минимуму эрозию, чтобы поддерживать высокую эффективность, поскольку эрозия отрицательно влияет на гидравлический профиль лопастей, что снижает относительную легкость вращения. [24]
Турбины рассчитаны на работу в течение десятилетий с минимальным обслуживанием основных элементов; межремонтные интервалы составляют порядка нескольких лет. Техническое обслуживание направляющих и деталей, подвергающихся воздействию воды, включает снятие, проверку и ремонт изношенных деталей.
К нормальному износу относятся точечная коррозия , вызванная кавитацией , усталостное растрескивание и истирание из-за взвешенных твердых частиц в воде. Стальные элементы ремонтируются сваркой, обычно стержнями из нержавеющей стали . Поврежденные участки вырезаются или шлифуются, а затем привариваются к исходному или улучшенному профилю. Таким образом, к концу срока службы старых рабочих колес турбин может быть добавлено значительное количество нержавеющей стали. Для достижения высочайшего качества ремонта можно использовать тщательно продуманные сварочные процедуры. [25]
К другим элементам, требующим проверки и ремонта при капитальном ремонте, относятся подшипники , сальниковая коробка и втулки вала, серводвигатели, системы охлаждения подшипников и катушек генератора, уплотнительные кольца, элементы тяги калитки и все поверхности. [26]
Водяные турбины обычно считаются экологически чистым источником энергии, поскольку турбина практически не вызывает изменений в воде. Они используют возобновляемый источник энергии и рассчитаны на работу в течение десятилетий. Они производят значительные объемы электроэнергии в мире.
Исторически имели место и негативные последствия, в основном связанные с плотинами, которые обычно необходимы для производства электроэнергии. Плотины изменяют естественную экологию рек, потенциально убивая рыбу, останавливая миграцию и нарушая средства существования людей. Например, индейские племена на северо-западе Тихого океана зарабатывали себе на жизнь ловлей лосося , но агрессивное строительство плотин разрушило их образ жизни. Плотины также вызывают менее очевидные, но потенциально серьезные последствия, включая повышенное испарение воды (особенно в засушливых регионах), накопление ила за плотиной, а также изменения температуры воды и режима течения. В Соединенных Штатах сейчас запрещено блокировать миграцию рыбы, например, белого осетра в Северной Америке , поэтому лестницы для рыбы должны быть предоставлены строителями плотин.
В результате испытаний экспериментальных моделей произошло постепенное и прогрессивное развитие единообразия водяных колес и моделей водяных колес с момента открытия испытательного лотка Холиока, которого до того времени не существовало, так что колеса в настоящее время в Соединенных Штатах более однородны.
Я назвал испытательный лоток Холиока первой современной гидравлической лабораторией.
Такие существовали и до 1881 года, но они были столь скромными или незначительными по размерам, что не могли дать результатов, подходящих, конечно же, для современной практики.
[В статье] воспроизводится письмо Гершеля покойному доктору Анвину с описанием его изобретения счетчика Вентури.
Письмо датировано 5 июня 1888 года и адресовано инженером-гидротехником компании Holyoke Water Power Co., штат Массачусетс. В своем письме Гершель говорит, что он испытал однодюймовый расходомер Вентури на высоте менее 210 футов: «Я теперь удовлетворен тем, что существует новый и важный принцип, который можно применить к искусству измерения жидкостей, включая такие жидкости, как сжатый воздух, осветительные или топливные газы, пар и т. д. Кроме того, форма счетчика должна быть трубчатой. в обоих направлениях;
такой счетчик будет измерять объемы, текущие в обоих направлениях, что в некоторых местах становится полезным атрибутом...»
