Су турбинасы: тарихы мен дамуы

Кіріспе

Турбинаның түрі

Су турбинасы – судың кинетикалық және потенциалдық энергиясын механикалық жұмысқа түрлендіретін айналмалы машина. Су турбиналары 19 ғасырда жасалған және электр желілері пайда болғанға дейін өнеркәсіптік қуатты қамтамасыз етуде кеңінен қолданылды. Қазіргі кезде олар негізінен электр энергиясын өндіру үшін қолданылады. Су турбиналарын көбінесе судың потенциалдық энергиясынан электр қуатын өндіру үшін тоғандарда кездестіруге болады.

Тарих

Су дөңгелектері жүздеген жылдар бойы өнеркәсіптік қуат алу үшін пайдаланылып келді. Олардың басты кемшілігі – үлкен мөлшері, ол пайдаланылатын су ағынының мөлшері мен қысымын шектейді. Су дөңгелектерінен заманауи турбиналарға өту шамамен жүз жылға созылды. Даму Өнеркәсіптік революция кезеңінде ғылыми қағидалар мен әдістерді қолдану арқылы жүзеге асты. Олар сол кездегі жаңа материалдар мен өндіріс тәсілдерін де кеңінен пайдаланды.

Сүрлеу

Турбина сөзін француз инженері Клод Бурдин 19 ғасырдың басында енгізді, ол грекше "τύρβη" сөзінен шыққан, бұл "айналу" немесе "күшті ағын" дегенді білдіреді. Ертедегі су турбиналары мен су дөңгелектерінің басты айырмашылығы – судың энергияны айналатын роторға жеткізетін айналма қозғалысының болуы. Осы қосымша қозғалыс компоненті турбинаның бірдей қуатты су дөңгелегінен кіші болуына мүмкіндік берді. Олар жылдамырақ айналып, көбірек суды өңдей алды және жоғарырақ баспен жұмыс істей алды. (Кейіннен, айналма қозғалысын пайдаланбайтын импульстік турбиналар дамытылды.)

Уақыт шкаласы

[[Файл:Хемтудағы римдік диірмен. Тунис, Хемту қаласындағы римдік турбиналы диірмен. Диірменнің су жетегінен тангенциалды түрде келген су ағыны, шахтадағы көлденең дөңгелекті нағыз турбина сияқты айналдырды. Фаусто Веранцио өзінің «Machinae Novae» (1595) кітабында Францис турбинасына ұқсас роторы бар тік осьті диірменді сипаттаған. Иоганн Сегнер 18 ғасырдың ортасында Венгрия Корольдігінде реактивті су турбинасын (Сегнер дөңгелегі) жасады. Ол көлденең осьті болды және қазіргі су турбиналарының алдағы бақылаушысы еді. Бұл өте қарапайым машина, ол әлі де шағын су электр станцияларында қолданылады. Сегнер турбинаны жобалаудың алғашқы математикалық теориялары бойынша Эйлермен бірге жұмыс істеді. 18 ғасырда Роберт Баркер атты дәрігер осыған ұқсас реакциялық гидравликалық турбинаны ойлап тапты, ол лекция залында демонстрация ретінде танымал болды. 1851 жылға дейін сақталған осы типтегі қозғалтқыштың жалғыз мысалы Пуэрто-Риконың Понсе қаласындағы Асьенда Буэна-Вистада табылған, ол қуат өндіруге қолданылған. 1820 жылы Жан Виктор Понселе ішкі ағынды турбинаны жасады. 1826 жылы Бенуа Фурнейрон сыртқа қарай ағынды турбинаны жасады. Бұл бір өлшемде қисық қабырғалары бар қақпақ арқылы суды жіберген тиімді машина (~80%) болды. Тұрақты бөлігінің де қисық жетектері болды. 1844 жылы Урия А. Бойден Фурнейрон турбинасының өнімділігін жақсартқан сыртқа қарай ағынды турбинаны жасады. Оның жүгіруші пішіні Францис турбинасына ұқсас болды. 1849 жылы Джеймс Б. Фрэнсис ішкі ағынды реакциялық турбинаның тиімділігін 90% -дан астам деңгейге жеткізді. Ол сонымен қатар күрделі сынақтар жүргізіп, су турбинасын жобалау үшін инженерлік әдістерді әзірледі. Оның атымен аталған Францис турбинасы – алғашқы заманауи су турбинасы. Бүгінде ол әлемдегі ең көп қолданылатын су турбинасы болып табылады. Францис турбинасы сонымен қатар радиалды ағынды турбина деп те аталады, өйткені су жүгірушінің сыртқы шеңберінен ортасына қарай ағады. Ішкі ағынды су турбиналары жақсы механикалық құрылымына ие және барлық заманауи реакциялық су турбиналары осы конструкцияға сәйкес келеді. Су ішке айналғанда жылдамдығы артып, жүгірушіге энергия береді. Су қысымы турбина қақпақтарынан өткенде және энергиясын жоғалтқанда атмосфералық немесе кейбір жағдайларда атмосферадан төменгі қысымға дейін төмендейді. 1876 жылы Джон Б. Маккормик Фрэнсис конструкцияларына негізделген алғашқы заманауи аралас ағынды турбинаны көрсетті, ол бастапқыда Holyoke Machine Company компаниясы өндірген, ал кейін Германия мен АҚШ инженерлері жетілдірген Геркулес турбинасын жасады. Бұл конструкция Францис конструкциясының ішкі ағым қағидаларын Джонвал турбинасының төменгі ағысымен тиімді біріктірді, ағым кіреберісте ішкі, дөңгелектің корпусы арқылы осьтік және шығыста сәл сыртқа қарай бағытталды. Бастапқыда төмен жылдамдықта 90% тиімділікпен жұмыс істеген бұл конструкция келесі онжылдықтарда «Виктор», «Рисдон», «Сэмсон» және «Нью Америка» сияқты туындыларында көптеген жақсартуларға ие болды, бұл американдық турбиналық инженерияның жаңа дәуірін ашты. Су турбиналары, әсіресе Америкада, Роберт Е. Хортон мен Клеменс Гершель Америка Құрама Штаттарында алғашқы заманауи гидравликалық зертхана ретінде сипатталған Холойок сынақ флюмінінің құрылуымен үлкен стандарттануға ұшырады. 1872 жылы Джеймс Б. Эмерсон Лоуэллдің сынақ флюмдерінен жасаған, ал 1880 жылдан кейін Массачусетс штатының Холойок гидравликалық зертханасы Гершельмен стандартталды, ол оны Вентури өлшегішін, ірі ағындыларды өлшеудің алғашқы дәл құралын, әртүрлі турбина модельдерінің су қуатының тиімділігін дұрыс өлшеу үшін пайдаланды. Еуропалық гидрологтар кейбір бөгет есептеулеріне күмәнмен қарағанмен, бұл құрылыс 1932 жылға дейін ірі өндірушілер арасында стандартты тиімділікті тексеруге мүмкіндік берді, сол кезде заманауи құрылыстар мен әдістер көбейді. 1890 жылдар шамасында қазіргі заманғы сұйық подшипник ойлап табылды, қазір ол ауыр су турбинасының шпиндельдерін қолдау үшін әмбебап түрде қолданылады. 2002 жылғы мәліметтерге сәйкес, сұйық подшипниктердің орташа істен шығу аралығы 1300 жылдан астам. 1913 жыл шамасында Виктор Каплан винт тәрізді машинаны – Каплан турбинасын жасады. Бұл Францис турбинасының эволюциясы болды және төменгі бас су электр станцияларын дамыту мүмкіндігін революциялады.

[[File:Roman mill at Chemtou. jpg|thumb|upright|Roman turbine mill at Chemtou, Tunisia. The tangential water inflow of the mill race made the submerged horizontal wheel in the shaft turn like a true turbine. Fausto Veranzio in his book Machinae Novae (1595) described a vertical axis mill with a rotor similar to that of a Francis turbine. Johann Segner developed a reactive water turbine (Segner wheel) in the mid 18th century in Kingdom of Hungary. It had a horizontal axis and was a precursor to modern water turbines. It is a very simple machine that is still produced today for use in small hydro sites. Segner worked with Euler on some of the early mathematical theories of turbine design. In the 18th century, a Dr. Robert Barker invented a similar reaction hydraulic turbine that became popular as a lecture hall demonstration. The only known surviving example of this type of engine used in power production, dating from 1851, is found at Hacienda Buena Vista in Ponce, Puerto Rico. In 1820, Jean Victor Poncelet developed an inward flow turbine. In 1826, Benoît Fourneyron developed an outward flow turbine. This was an efficient machine (~80%) that sent water through a runner with blades curved in one dimension. The stationary outlet also had curved guides. In 1844, Uriah A. Boyden developed an outward flow turbine that improved on the performance of the Fourneyron turbine. Its runner shape was similar to that of a Francis turbine. In 1849, James B. Francis improved the inward flow reaction turbine to over 90% efficiency. He also conducted sophisticated tests and developed engineering methods for water turbine design. The Francis turbine, named for him, is the first modern water turbine. It is still the most widely used water turbine in the world today. The Francis turbine is also called a radial flow turbine, since water flows from the outer circumference towards the centre of runner. Inward flow water turbines have a better mechanical arrangement and all modern reaction water turbines are of this design. As the water swirls inward, it accelerates, and transfers energy to the runner. Water pressure decreases to atmospheric, or in some cases subatmospheric, as the water passes through the turbine blades and loses energy. In 1876, John B. McCormick, building on Francis's designs, demonstrated the first modern mixed flow turbine with the development of the Hercules turbine, initially manufactured by the Holyoke Machine Company and subsequently improved upon by engineers in Germany and the United States. The design effectively combined the inward flow principles of the Francis design with the downward discharge of the Jonval turbine, with flow inward at the inlet, axial through the wheel's body, and slightly outward at the outlet. Initially performing optimally at 90% efficiency at lower speeds, this design would see many improvements in the subsequent decades in derivatives under names like "Victor", "Risdon", "Samson" and "New American," ushering in a new era of American turbine engineering. Water turbines, particularly in the Americas, would largely become standardized with the establishment of the Holyoke Testing Flume, described as the first modern hydraulic laboratory in the United States by Robert E. Horton and Clemens Herschel, the latter of which would serve as its chief engineer for a time. Initially created in 1872 by James B. Emerson from the testing flumes of Lowell, after 1880 the Holyoke, Massachusetts hydraulic laboratory was standardized by Herschel, who used it to develop the Venturi meter, the first accurate means of measuring large flows, to properly measure water power efficiency by different turbine models. While skepticism of certain weir calculations were held by European hydrologists, the facility allowed for standard efficiency testing among major manufacturers through 1932, by which time more modern facilities and methods had proliferated. Around 1890, the modern fluid bearing was invented, now universally used to support heavy water turbine spindles. As of 2002, fluid bearings appear to have a mean time between failures of more than 1300 years. Around 1913, Viktor Kaplan created the Kaplan turbine, a propeller type machine. It was an evolution of the Francis turbine and revolutionized the ability to develop low head hydro sites.

Жұмыс істеу теориясы

Ағынды су турбинаның қанаттарына бағытталып, қанаттарға күш түсіреді. Турбина айналып тұрғандықтан, күш қашықтық бойында әрекет етеді (қашықтыққа әрекет ететін күш – жұмыстың анықтамасы). Осылайша, энергия су ағынынан турбинаға беріледі. Су турбиналары екі топқа бөлінеді: реакциялық турбиналар және импульстік турбиналар. Су турбинасы қанаттарының нақты пішіні судың қысымына және таңдалған жұмыс айналымының түріне байланысты.

Импульстік турбиналар

Импульстік турбиналар су ағынының жылдамдығын өзгертеді. Ағын турбинаның иісті қанаттарына қысым түсіріп, оның бағытын өзгертеді. Нәтижесінде импульс өзгеруі турбина қанаттарына күш түсіреді. Турбина айналуда болғандықтан, күш белгілі бір қашықтықта (жұмыс) әсер етеді, ал бұрылған су ағынының энергиясы азаяды. Импульстік турбина – ротор қанаттары арқылы өтетін сұйықтың қысымы тұрақты болып қалатын және барлық пайдалы жұмыс сұйықтың кинетикалық энергиясының өзгеруінен туындайтын турбина. Су турбина қанаттарына тиіспей тұрып, саптама арқылы қысымынан (потенциалдық энергиясынан) кинетикалық энергияға айналады және турбинаға бағытталады. Турбина қанаттарында қысым өзгермейді, сондықтан турбинаның жұмыс істеуі үшін корпус қажет емес. Импульстік турбиналардағы энергияның берілуін Ньютонның екінші заңы сипаттайды. Импульстік турбиналар көбінесе өте жоғары (>300 м/1000 фут) су басы қолданылатын жағдайларда қолданылады.

Суды сорғылау-жинау гидроэлектр қуаты

Кейбір су турбиналары жинақтамалы гидроэлектр станциялары үшін жасалған. Олар ағын бағытын өзгертіп, сорғы ретінде жұмыс істей алады.

Тиімділік

Ірі, заманауи су турбиналары 90%-дан жоғары механикалық тиімділікпен жұмыс істейді.

Өзіндік жылдамдық

Турбинаның нақты жылдамдығы турбинаның пішінін оның өлшеміне қатыссыз сипаттайды. Бұл белгілі өнімділікке ие қолданыстағы конструкциядан жаңа турбина дизайнын масштабтауға мүмкіндік береді. Нақты жылдамдық – нақты гидроэнергетикалық объектіні дұрыс турбина түрімен сәйкестендірудің басты өлшемі. Нақты жылдамдық – бұл турбинаның бірлікке тең су биіктігінде белгілі бір шығын Q үшін айналу жылдамдығы, соның арқасында бірлік қуатты өндіруге қабілетті.

Туыстық заңдары

Афинитеттік заңдар турбинаның қуатын модельдік сынақтар негізінде болжауға мүмкіндік береді. Ұсынылып отырған конструкцияның шамамен бір фут (0,3 м) диаметріндегі кішкентай көшірмесін сынауға болады және зертханада алынған өлшемдерді жоғары дәлдікпен нақты қолдануда пайдалануға болады. Афинитеттік заңдар сынақ моделі мен нақты қолданыс арасындағы ұқсастық принципіне негізделген. Турбина арқылы өтетін ағын үлкен клапан немесе турбинаның сыртында орналасқан қақпалар арқылы реттеледі. Қақпаның әртүрлі ашылу деңгейлері үшін дифференциалдық бас пен ағын көрсетілген график, турбинаның әртүрлі жағдайлардағы тиімділігін көрсететін «төбе диаграммасын» құрастыруға мүмкіндік береді.

Ажырату жылдамдығы

Су турбинасының қашқыш жылдамдығы – бұл толық ағын кезіндегі, валда жүктеме болмағандағы жылдамдығы. Турбина осы жылдамдық тудыратын механикалық күштерге төтеп беру үшін жобаланады. Өндіруші қашқыш жылдамдық көрсеткішін ұсынады.

Жүгірткі қақпасы

Су турбинасын қоршап тұрған бас бармақ қақпалар (сары). Олардың бұрышын өзгерту арқылы су ағыны басқарылады, соның салдарынан турбинаның жылдамдығы және оның өндіретін энергиясы реттеледі. Бас бармақ қақпасы немесе бағыттағыш қанатша – су турбинасын қоршап тұрған, оған кіретін су ағынын басқаратын қақпалар (немесе қанатшалар) сақинасы. Олардың арасындағы ашылуды өзгерту арқылы турбинаның айналу жылдамдығы және осы арқылы өндірілетін электр қуатының мөлшері басқарылады.

Турбинаның қақпақ материалдары

Су турбинасындағы турбина қақпақтары үнемі су мен динамикалық күштерге ұшырағандықтан, олардың жоғары коррозияға төзімділігі мен беріктігі болуы керек. Су турбиналарындағы көміртекті болаттан жасалған жүгіргіштердің бетіне жабылатын ең көп қолданылатын материал – аустениттік болат қорытпалары, олар пленканың тұрақтылығын арттыру үшін 17-20% хромды қамтиды, бұл судагы коррозияға төзімділікті жақсартады. Бұл болат қорытпаларындағы хром мөлшері, атмосфералық коррозияға төзімділік көрсету үшін қажетті 12% хромның ең төменгі шегінен асып түседі. Болат қорытпаларындағы хром концентрациясының жоғары болуы турбина қақпақтарының қызмет ету мерзімін ұзартады. Қазіргі уақытта қақпақтар мартензиттік тот баспайтын болаттан жасалады, ол аустениттік тот баспайтын болатқа қарағанда 2 есе жоғары беріктікке ие. Коррозияға төзімділік пен беріктікпен қатар, дәнекерлеуге жарамдылық және тығыздық та турбина қақпақтарының материалына қойылатын маңызды талаптар. Дәнекерлеуге жарамдылығы жоғары болса, жөндеу оңай және жоғары сапалы болады. Төмен тығыздық, оңай айналу арқасында тиімділікті арттырады. Каплан турбинасының қақпақтарында ең көп қолданылатын материал – тот баспайтын болат қорытпасы (SS). Мартензиттік тот баспайтын болат қорытпаларының жоғары беріктігі стандартты көміртекті болаттан гөрі жұқарақ бөлімдер жасауға мүмкіндік береді; массаның азаюы су турбинасының гидродинамикалық ағыс жағдайын және тиімділігін жақсартады. Тиімділікті сақтау үшін эрозияны азайту маңызды, себебі эрозия қақпақтардың гидравликалық профиліне кері әсер етеді, бұл айналудың оңайлығын төмендетеді.

Сақтау

Фрэнсис турбинасының қызмет мерзімінің соңына таяп, шұңқырлы коррозия, шаршаудан жарылу және катастрофалық бұзылуға ұшырағаны көрсетілген. Алдыңғы жөндеу жұмыстарында тот баспайтын болаттан жасалған дәнекерлеу таяқшалары қолданылғаны көрініп тұр. Турбиналар негізгі элементтеріне минималды күтім-жөндеу жасаумен ондаған жылдар бойы жұмыс істеуге арналған; толық жөндеу аралықтары бірнеше жылды құрайды. Жүгірткілерді және суға тікелей тиетін бөліктерді күтіп-жөндеуге тозған бөліктерді алып тастау, тексеру және жөндеу кіреді. Қалыпты тозуға кавитациядан туындаған шұңқырлы коррозия, шаршаудан жарылу және судағы қатты бөлшектердің абразиясы жатады. Болат элементтерді дәнекерлеу арқылы жөндеу жүргізіледі, көбінесе тот баспайтын болаттан жасалған таяқшалар қолданылады. Зақымдалған аймақтар кесіліп немесе тазаланып, содан кейін бастапқы немесе жақсартылған пішінге дейін дәнекерленеді. Ескі турбиналардың қызмет мерзімі аяқталар кезде оларға осылайша көп мөлшерде тот баспайтын болат қосылуы мүмкін. Жоғары сапалы жөндеуді қамтамасыз ету үшін күрделі дәнекерлеу процедуралары қолданылуы мүмкін. Толық жөндеу кезінде тексеру және жөндеуді қажет ететін басқа элементтерге подшипниктер, тығыздағыш және вал қабықшалары, сервомоторлар, подшипниктер мен генератор орамдарының салқындату жүйелері, тығыздағыш сақиналар, қақпа механизмдерінің байланыстыру элементтері және барлық беттер жатады.