Turbiny wodne
1 Podzial turbin wodnych :
Turbiny wodne, podobnie jak turbiny parowe i gazowe, dzieli sie ze wzgledu na zasade dzialania na dwa rodzaje:
& akcyjne, w kt6rych woda jest doprowadzana do wirnika z maksymalna predkością pod ciśnieniem zblizonym do atmosferycznego,
& reakcyjne, w ktorych woda jest doprowadzana do wirnika pod ciśnieniem większymm od atmosferycznego.
Ze wzgledu na Cechy konstrukcyjne turbiny akcyjne nazywa sie natryskowymi a reakcyjne — naporowymi (rys. 10.27) [2]. Ważne znaczenie dla podzialu turbin wodnych na typy ma wspołczynnik szybkobieżności
gdzie n, N i Hu, oznaczają odpowiednio: prędkość obrotową, moc turbiny i spad użyteczny elektrowni. Im wyróżnik n, jest większy, tym turbina jest bardziej szybkobieżna.
Rys. 10.27. Turbina: a) natryskowa, b) naporowa [2
Rys. 10.28. Kształty wirników turbin wodnych: a, b) Peltona, c, d, e) Francisa, f, g) Kaplana [2]
Różne warunki hydrotechniczne powodują duże różnice spad6w elektrowni, dlatego opracowano systemy elektrowni wodnych charakterystyczne dla danego zakresu wyróżnika ns będącego funkcją spadu elektrowni Hu
turbiny Peltona H = 300-2000 m, ns = 2-35,
turbiny Francisa H = 50-500 m, ns = 50-450,
turbiny Deriaza H = 50-300 m, ns , = 250-500,
turbiny Kapłana i śmigłowe H = 3-80 m, ns = 300-1000.
Kształty wirników turbin różnych systemów przestawiono na rysunku 10.28. Tylko turbiny Peltona są akcyjne, pozostałe są typu reakcyjnego.
2 Ważniejsze cechy wybranych systemów turbin wodnych
Turbiny Peltona (akcyjne) są stosowane do dużych spadów. Woda jest doprowadzona do wirnika jedną lub więcej dyszami, które pełnią rolę kierownic. Łopatki wirnika turbiny Peltona mają kształt czarek, dzięki czemu odbierają efektywnie energię kinetyczną strumienia wody (rys. 10.28). Woda, która spłynęła z wirnika, jest odprowadzana do wody dolnej. Schemat turbiny Peltona w przekroju z dwiema dyszami przedstawiono na rysunku 10.29.
Rys. 10.29. Turbina Peltona: 1 — wirnik, 2 — obudowa wirnika, 3 — zbieracz wody, 4 — iglica,5 — dysza, 6 — odchylacz strumienia, 7 — rurociąg zasilający [21
Turbiny reakcyjne. W turbinach reakcyjnych woda jest doprowadzana do wirnika na całym obwodzie za pomocą kierownicy, nadającej wodzie ruch obrotowy, przez co prędkość przepływu ma także składową obwodową [4].
Turbiny wodne Francisa i Deriaza, stosowane na średnie spady, charakteryzują się promieniowo-osiowym przepływem wody, która jest kierowana na wirnik kierownicami. Rozwiązania konstrukcyjne obu typów turbin są podobne, różnica polega na tym, że wirniki turbin Francisa mają nieruchome łopatki, a nowszego typu turbiny Deriaza mają łopatki wirnika przestawiane podczas pracy (rys. 10.30 i 10.31). Turbiny wodne systemu Francisa i Deriaza są stosowane jako pompoturbiny.
Rys. 10.30. System Francisa: a) kierunek przepływu, b) wirnik [4]
Turbiny Kaplana oraz turbiny śmigłowe są stosowane na spady niskie, należą do turbin osiowych. Wirnik turbiny Kaplana ma ruchome łopatki, łopatki turbin śmigłowych są natomiast mocowane na stale (rys. 10.32). Dzięki możliwości zmiany położenia zarówno łopatek wirnika, jak i kierownic, turbiny w układzie Kaplana mają bardzo dobre właściwości regulacyjne, a ponadto charakteryzują się dużą sprawnością hydrauliczną [4].
Rys. 10.31. System Deriaza: a) kierunek przepływu, b) wirnik [4]
Turbiny Kaplana pracujące w układzie poziomym lub ukośnym, w obudowie rurowej, stosuje się w elektrowniach wodnych małej mocy. Mają one także zastosowanie jako pompoturbiny [2].
Rys. 10.32. Turbina Kapłana:1 — łopatki kierownicy, 2 — wirnik,
3 — pierścień regulacyjny,
4 — cięgło serwomotoru [2]
• Budowa turbozespołu wodnego
Turbozespół wodny (hydrozespół) składa się z turbiny wodnej, generatora elektrycznego oraz układów pomocniczych. Występuje duża różnorodność rozwiązań hydrozespołów, wynikająca z konieczności ich dostosowania do warunków lokalnych.
Budowa hydrozespołu zależy od przyjętego systemu turbiny wodnej, a więc przede wszystkim od spadu elektrowni, który zależy od topografii cieku. Zasadniczy wpływ na wymiar turbin, budynku elektrowni i rozwiązania hydrotechniczne ma przełyk elektrowni. Największe turbozespoły wodne osiągają moce 500-700 MWe [3].
Na rysunku 10.33 przedstawiono schematycznie przekrój przez turbozespól z pompoturbiną Deriaza [ 12]. Woda doprowadzana jest spiralą wlotową 2 – spiralnym kanałem, którym woda dopływa do kierownicy. Kierownica służy do regulacji przełyku turbozespołu (strumienia wody przepływającej przez turbinę) oraz do odpowiedniego ukierunkowania strugi wody na łopatki wirnika 1. Z obudowy wirnika woda spływa do rury ssawnej 3. Prądnica 4, będąca jednocześnie silnikiem, jest sprzężona bezpośrednio z wirnikiem turbiny 1.
Rurowy turbozespół elektrowni pływowej z turbiną Kaplana przedstawiono w przekroju na rysunku 10.34. Połączony bezpośrednio z pompoturbiną generator–silnik znajduje się w gruszkowatej obudowie – w gruszce. Opływana wodą gruszka jest w komorze doprowadzającej, ponieważ ten turbozespół nie ma spirali [2].
Rys. 10.34. Turbozespół elektrowni pływowej z turbiną Kaplana: 1 — wirnik, 2 — gruszka
• 'Turbozespoły pompowe
Turbozespoły pompowe są stosowane przede wszystkim w elektrowniach szczytowo-pompowych. We współczesnych elektrowniach pompowych turbozespół pełni podwójną rolę: podczas spadu wody wykonuje pracę turbinową, a podczas napełniania zbiornika górnego – pracę pompową. Turbozespół pompowy jest więc dwumaszynowy, ponieważ składa się tylko z pompoturbiny i prądnicy-silnika [3]. Sprawność takiego zespołu maszynowego przekracza 0,75 [4].
Każda reakcyjna turbina wodna może, co prawda, pracować jako pompa i odwrotnie, ale zazwyczaj będą one miały bardzo małą sprawność [4]. Pompoturbiny są to specjalnie opracowane turbozespoły zapewniające pracę turbinową i pompowa z dużą sprawnością. Pompoturbiny są zawsze typu reakcyjnego, dla spadów niskich – systemu Kaplana, dla średnich – Deriaza lub Francisa i dla wysokich – Francisa [2].
Na rysunku 10.33 przedstawiono turbozespół z pompoturbiną Deriaza. Przejście do pracy pompowej wymaga zmiany obrotów wirnika 1 oraz odpowiedniego ustawienia jego łopatek. Podczas pracy pompowej woda napływa do turbozespołu rurą ssawną 3 i wypływa spiralą 2.
Na niskie spady stosuje się rurowe turbiny Kaplana, które – obracając się w przeciwną stronę – pracują jako pompy osiowe. Rurowe turbiny lewarowe stosuje się do spadów zaledwie 2-3 m. Mają one wirnik umieszczony nad poziomem wody górnej, dlatego uruchomienie maszyny wymaga zastosowania pompy próżniowej (rys. 10.35).
Rys. 10.35. Rurowa turbina Kaplana w układzie lewarowym
N3on_