Кіріспе

Су турбинасы (ағылш. Cross flow turbine, Bánki Michell turbine, немесе Ossberger turbine) – австралиялық Энтони Мишель, венгр Донат Банки және неміс Фриц Оссбергер әзірлеген су турбинасы. Мишель 1903 жылы турбина дизайнына патент алды, ал оны көп жылдар бойы Weymouth компаниясы өндірді. Оссбергердің алғашқы патенты 1933 жылы тіркелді ("Free Jet Turbine" 1922, Imperial Patent No. 361593 және "Көлденең ағынды турбина" 1933, Imperial Patent No. 615445), ол осы турбинаны стандартты өнім ретінде шығарды. Бүгінде Оссбергердің атымен аталатын компания осы турбина түрін өндірушілердің алдыңғы қатарында тұр. Көптеген су турбиналарынан айырмашылығы, оларда осьтік немесе радиалды ағын болса, көлденең ағынды турбинада су турбинаның ішінде көлденең немесе турбина қанаттары арқылы өтеді. Су дөңгелегі сияқты, су турбинаның шетінен кіреді. Ішкі бөлігінен өткен соң, ол қарсы жағынан, сыртқа қарай шығады. Судың турбина арқылы екі рет өтуі қосымша тиімділік береді. Су шыққанда, ол кішкентай қоқыстар мен ластанудан тазарады. Көлденең ағынды турбина – төмен жылдамдықты машина, ол төмен қысымды, бірақ жоғары ағынды жерлерге өте қолайлы. Суретте қарапайымдық үшін бір түтік көрсетілгенімен, көптеген практикалық көлденең ағынды турбиналарда екі түтік болады, олар су ағынының кедергісін болдырмау үшін орналастырылған. Көлденең ағынды турбиналар көбінесе бір білікті бөлісетін әртүрлі қуатты екі турбинадан тұрады. Турбина дөңгелектерінің диаметрі бірдей, бірақ әртүрлі көлемді бірдей қысымда өңдеу үшін ұзындығы әртүрлі болады. Бөлінген реттегіш құрылғы, турбинаның бастапқы бөлігіндегі бағыттағыш қанаттар жүйесі, ағынға байланысты 33, 66 немесе 100% қуатпен икемді жұмыс істеуді қамтамасыз етеді. Турбинаның салыстырмалы түрде қарапайым құрылысының арқасында пайдалану шығындары төмен болады.

Құрылыстың егжей-тегжейі

Турбина цилиндрлі су дөңгелегі немесе жүгірушіден тұрады, оның көлденең білігі бар және радиалды және тангенциалды орналастырылған көптеген (37-ге дейін) қақпақтардан құралған. Қақпақтардың жиектері су ағынына қарсы кедергіні азайту үшін өткірленген. Қақпақтың қимасы жартылай дөңгелек пішіндес (түтіктің бойымен кесілген). Қақпақтардың ұштары дискілерге дәнекерленіп, хомяк клеткасы сияқты қоршау жасайды және кейде "қасқыр клеткалы турбиналар" деп аталады; тордың орнына турбинада науа тәрізді болат қақпақтар болады. Су алдымен турбинаның сыртынан ішіне ағады. Вальв немесе тіл тәрізді реттегіш құрылғы ағынның қимасын өзгертеді. Су ағыны сопло арқылы цилиндрлік жүгірушіге бағытталады. Су жүгірушіге шамамен 45/120 градус бұрышта кіреді, судың кинетикалық энергиясының бір бөлігін белсенді цилиндрлік қақпақтарға жеткізеді. Реттеу құрылғысы қажетті қуатқа және қол жетімді суға байланысты ағынды басқарады. Қатынас мынадай: (0–100%) судың 0–100%×30/4 қақпаққа жіберіледі. Су екі соплоға екі бағыттағыш қанат арқылы жіберіледі. Олар ағынды бөліп, бағыттап, судың кез келген ендегі ашылу үшін тегіс кіруін қамтамасыз етеді. Бағыттағыш қанаттар турбина корпусының жиектеріне тығыз жабысуы керек, сондықтан су деңгейі төмен болғанда, олар сумен жабдықтауды тоқтатуы мүмкін. Сондықтан бағыттағыш қанаттар субақа мен турбина арасындағы клапан ретінде әрекет етеді. Екі бағыттағыш та автоматты немесе қолмен басқаруға қосылатын басқару тұтқаларымен орнатылуы мүмкін. Турбина геометриясы (сопло, жүгіруші, білік) су ағынының тиімділігін қамтамасыз етеді. Су жүгірушіге екі рет әсер етеді, бірақ қуаттың көп бөлігі жүгірушіге су кірген кезде бірінші өтуде беріледі. Су турбинадан шығып жатқанда қуаттың тек 1/3 бөлігі ғана жүгірушіге беріледі. Су қақпақтардың арналары арқылы екі бағытта ағып өтеді: сырттан ішке және іштен сыртқа. Көптеген турбиналар екі сопломен жұмыс істейді, екі су ағыны жүгірушідің ішінде бір-біріне кедергі келтірмейді. Дегенмен, турбинаның, су басының және турбина айналу жылдамдығының үйлесімді болуы өте маңызды. Кросс-ағынды турбина импульстік типке жатады, сондықтан жүгірушіден өтетін қысым тұрақты болады.

Артықшылықтар

Кросстық турбинаның ең жоғары тиімділігі Каплан, Фрэнсис немесе Пелтон турбиналарына қарағанда сәл төмен. Алайда, кросстық турбинаның әртүрлі жүктемеде тиімділік қисығы тегіс болады. Бөлінген ротор және турбина камерасының арқасында турбина ағын мен жүктеме 1/6-дан максималды деңгейге дейін өзгергенде тиімділігін сақтайды. Төмен бағасы мен жақсы реттелу қасиеттеріне байланысты кросстық турбиналар көбінесе мың кВт-тан аз қуаты бар және су басы төмен шағын және микросу электр станцияларында қолданылады. Әсіресе, өзен арнасындағы кішкентай станцияларда, тегіс тиімділік қисығы басқа турбина жүйелерімен салыстырғанда жылдық өнімділікті жақсырақ қамтамасыз етеді, себебі кішкентай өзендерде су көлемі кейбір айларда төмендейді. Турбинаның тиімділігі өзендердің су ағыны азайған кезде электр энергиясын өндіруге болатынын анықтайды. Егер қолданылатын турбиналар жоғары ең жоғары тиімділікке ие болса, бірақ жартылай жүктемеде нашар жұмыс істесе, жылдық өнімділік тегіс тиімділік қисығы бар турбиналарға қарағанда төмен болады. Жартылай жүктемеде өте жақсы жұмыс істеуіне байланысты кросстық турбина қадағалаусыз электр энергиясын өндіруге өте ыңғайлы. Оның қарапайым құрылысы оны басқа турбина түрлерімен салыстырғанда күтіп ұстауды жеңілдетеді; күтіп ұстауды қажет ететін тек екі подшипник және үш айналмалы элемент бар. Механикалық жүйе қарапайым болғандықтан, жөндеу жұмыстарын жергілікті механиктер орындай алады. Тағы бір артықшылығы – ол көбінесе өзін-өзі тазарта алады. Су ротордан шыққанда, жапырақтар, шөп сияқты заттар роторда қалмайды, бұл шығындардың алдын алады. Сондықтан, турбинаның тиімділігі сәл төмен болса да, ол басқа түрлерге қарағанда сенімдірек. Әдетте, ағынды кері бұру немесе жылдамдықты өзгерту арқылы роторды тазалау қажет болмайды. Басқа турбина түрлері оңай тоқталып қалады, нәтижесінде жоғары номиналды тиімділікке қарамастан қуат шығындары пайда болады.