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 przeły_k elektrowni. Największe turbozespoły wodne osiągają moce 500-700 MW_e [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