?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Основы гидроэнергетики. Радиально-осевые турбины
saiga20k wrote in rushydro

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.

Фото отсюда

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. Взято отсюда

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:


Фото отсюда


На небольших ГЭС радиально-осевые турбины часто устанавливают не вертикально, а горизонтально, что упрощает их монтаж и обслуживание. Фото отсюда


Раньше, с целью увеличения мощности турбины, нередко применялось объединение двух рабочих колес на одном вале. Сейчас такая схема почти не используется. Фото отсюда

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. Фото отсюда.
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.




  • 1
Интересно, а почему их назвали X-blade в ролике?

Hello Everyone:

I have a website in the US called www.frenchriverland.com. I have much information about hydro on it. Of use to you folks is my collection of Soviet era hydro manuals that include:

HYDROTURBINES: DESIGN AND CONSTRUCTION by Nikolaĭ Nikolaevic Kovalev

Technology of Heavy Electric Machine Building Hydro Generators by M. I. Zundelevich and S. A. Prutkovski

Tidal Energy for Hydroelectric Power Plants by L. B. Bernshtein

These books are extremely rare. The Zundelevick book on generators I looked for for 25 years. I finally found a copy in a bookstore in Greece!

Soviet Hydro Engineering was some of the best in the world. Your most famous design engineer who is know the world over is Honorable Nikolaĭ Nikolaevic Kovalev. Frankly, I think he was the greatest hydro engineer ever known.

I particularly liked the Soviet design and use of tailraces discharging up stream of a designed hydraulic jump. The greater the flood flow passing over the dam and the higher the tailwater became, the gross head just increased! This is described in:
Ejection into Tailraces of Hydropower Plants: S. M. Slisskii

I spent last winter rebuilding a 15 MW LMZ Kaplan unit. It is on 165 feet of head. Some interesting Soviet design features included the use of copper compression sleeves between the generator shaft and the thrust block and the use of a phenolic insulating washer placed between the thrust block and the thrust runner. This is a beautiful design that allows final shaft adjustment by sanding the a wedge into the face of the collar. This tips the shaft into its vertical centerline to eliminate "coning". There were many more design features of the Electrosila generator and LMZ Kaplan that after 40 years in this business I had never encountered before.

You may enjoy one of my youthful misadventures. I removed, rebuilt and installed two "camel back" turbines from the gorge at Livermore Falls. We had thermite bars, crawler cranes and liquid oxygen all going at the same time. Please enjoy:

http://www.frenchriverland.com/livermore_falls.htm

I would include photos but I do not know how to upload them. It is OK you will find many photos on my website including those of my son Will Fay and my daughter Celeste Fay. Celesty was honored last year in Nashville, TN at "Hydro Vision International" as one of the notable young women hydro engineers. I am very proud of them!

Well thank you for reading my rambles. Good luck with the worlds most interesting profession!

Sincerely,

William K. Fay P.E.
Gig Harbor, WA USA


  • 1