471 2

12.2. TURBINY WODNE

12.2. TURBINY WODNE

12.2.1. Zasady działania i rodzaje turbin wodnych

Parametrami charakteryzującymi turbiny wodne są: moc P, prędkość obrotowa n, spad H, średnica wirnika D oraz wyróżnik szybkobieżności n_s. Jeżeli turbina uzyskuje dla spadku H [m] przy danej prędkości obrotowej n [min^-1] maksymalną moc P [kW], to wyróżnik szybkobieżności n_s określa prędkość obrotową wirnika tej turbiny oddającej moc 1 KM przy spadzie 1 m, przy czym

n_s = n

(1,36 P)^m H⁵¹⁴

[min ']

Wielkość ta charakteryzuje kształt wirnika (ustalone są odpowiednie proporcje jego wymiarów) oraz wyznacza warunki pracy, które zapewniają podobny przepływ w turbinach geometrycznie podobnych. Turbina o podwyższonym wyróżniku szybkobieżności dla danego spadu i tej samej mocy będzie miała wirnik o mniejszej średnicy.

Turbiny wodne dzielą się na dwa zasadnicze rodzaje: turbiny wodne akcyjne (,natryskowe) oraz reakcyjne {naporowe). Podział ten wynika, podobnie jak podział turbin parowych (patrz podrozdz. 4.4), z ich zasady działania.

Ze względu na konstrukcję wirnika i związany z tym charakterystyczny sposób przetwarzania energii rozróżnia się następujące typy turbin wodnych oraz stosowane dla nich zakresy spadów H i wyróżników szybkobieżności n_s:

-    Peltona    H = 300 — 2000 m; n_s ^ 50 min^-1

-    Francisa (pompoturbiny) H = 20h-600 m (60-e600 m); n_s = 50h-450 min^-1

- Kapłana (rurowe)    H = 3-h80 m (do 20 m); n_s = 450-e 1000 min^-1

- Banki-Michella    H = 1 h-60 m (200 m); n_s = 2h-70 min^-1

Z wymienionych typów tylko turbina Peltona jest turbiną akcyjną. W turbinach akcyjnych energia potencjalna spiętrzenia zostaje zamieniona w dyszy (dyszach) na energię kinetyczną zgodnie z równaniem (12.1) i woda z prędkością c, pod ciśnieniem atmosferycznym p_a (rys. 12.3a) jest doprowadzona do wirnika, gdzie następuje przetwarzanie energii kinetycznej wody na energię ruchu obrotowego. Prędkość wylotowa wody zmniejsza się do c₂. Natomiast w turbinie reakcyjnej tylko część energii wody zostaje zamieniona na energię kinetyczną w kierownicach K przed wlotem do wirnika (porównaj wartości prędkości c_t dla turbiny akcyjnej i reakcyjnej na rys. 12.3a i b), a pozostała część energii wody - w wirniku, podobnie jak w parowej turbinie reakcyjnej. Prędkości względne wody w wirniku, turbiny akcyjnej w₂ < w_u a w turbinie reakcyjnej, ponieważ następuje dalszy przyrost prędkości, w₂> W\. Dlatego prędkość wylotowa wody c₂ dla turbiny reakcyjnej jest duża i gdyby woda z tą prędkością wypływała swobodnie do wody dolnej przy ciśnieniu p₂ ^ p_a, wówczas wystąpiłaby duża strata wylotowa c'₂², powodując znaczne zmniejszenie sprawności elektrowni. W celu wykorzystania mocy straty

471