6. Виды турбин

Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Мощность потока воды, протекающего через некото­рое сечение — створ, определяется расходом воды Q, вы­сотой между уровнем воды в верхнем по течению бас­сейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по те­чению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассей­нов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м³/с) и напора (м):

P=9,81QH.

В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия η. Таким образом, приближенно мощность ГЭС

P =9,81QHη.

Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 2.17, а), а в горных местностях строят спе­циальные обводные каналы, называемые деривационны­ми

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется дина­мическое давление воды, и реактивной, если использует­ся статическое давление при реактивном эффекте.

В ковшовой активной турбине по­тенциальная энергия гидростатического давления в су­живающейся насадке — сопле — полностью превращает­ся в кинетическую энергию движения воды.(Рабочее ко­лесо турбины выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти. Вода, огибая поверхности лопастей, меняет на­правление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения ко­леса турбины.

У радиально-осевых турбин лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступа­ющая с направляющего аппарата, постепенно меняет на­правление с радиального на осевое. Такие турбины ис­пользуют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные раднально-осевые турбины мощностью 700 МВт.

Пропеллерные турбины обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменени­ем нагрузки КПД резко уменьшается.

У поворотно-лопастных гидротурбин в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса пово­рачиваются при изменении режима работы для поддер­жания высокого значения КПД.

Двухперовые турбины имеют спаренные ра­бочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Ши­рокое применение их ограничено конструктивными слож­ностями. Сложная конструкция свойственна также диагональным турбинам, у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.

Гидрогенератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую.

Н а ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока.

Вращающаяся часть простейшего генератора – ротор – представляет собой двухполюсный электромагнит, магнитное поле которого создается при протекании по обмотке возбуждения постоянного тока от независимого источника. Этот ток подается на ротор через неподвижные щетки, прижатые к вращающимся вместе с ротором контактным кольцам. На статоре размещена силовая обмотка, которая в простейшем случае состоит из одного витка.

Ротор, жестко связанный с валом турбины, вращается с постоянной частотой. За счет магнитного потока ротора в витке обмотки наводится переменная электродвижущая сила. Если к выводам обмотки статора подключить нагрузки, то по обмотке потечет ток, на выводах появится напряжение, которое также будет переменным, изменяющимся по синусоиде.

Основные конструктивные части гидрогенератора – ротор и статор. Обод ротора выполняется в виде металлического кольца с прикрепленными к нему полюсами. В гидрогенераторах полюсы расположены вплотную друг к другу и образуют сплошную наружную цилиндрическую поверхность.

Статор гидрогенератора состоит из сердечника и корпуса. Сердечник является магнитопроводом и представляет собой массивное стальное кольцо, собранное из тонких (до 0,5 мм) листов электротехнической стали. На внутренней поверхности кольца устроены пазы, в которых размещаются стержни силовой обмотки. Сердечник заключен в сварной металлический корпус, крепящийся к строительным конструкциям здания ГЭС. Для возможности перевозки статор крупных гидрогенераторов разделен на несколько (обычно шесть) сегментов, которые соединяются при монтаже.

Ротор – это самый крупный и тяжелый узел генератора, его диаметр может достигать 15 м, масса 1000 т и более. Ротор состоит из обода, полюсов, спиц и втулки. Обод представляет собой массивное кольцо, собранное из большого количества стальных сегментов толщиной 3 – 5 мм. На внешней поверхности обода устраиваются пазы, в которые вставляются и расклиниваются хвостовики металлических сердечников полюсов с надетыми на них катушками обмотки возбуждения. Внутренняя сторона обода соединяется сварными спицами с втулкой, представляющей собой крупную деталь, соединяющую ротор с валом.