Введение

Водная турбина

Турбина с поперечным потоком, турбина Бэнки-Мишеля или турбина Оссбергера – это водная турбина, разработанная австралийцем Энтони Мичеллом, венгром Донатом Бэнки и немцем Фрицем Оссбергером. Мишель получил патенты на конструкцию своей турбины в 1903 году, и производственная компания Weymouth изготавливала её на протяжении многих лет. Первый патент Оссбергера был выдан в 1933 году («Турбина свободного потока» 1922, Имперский патент № 361593 и «Турбина с перекрестным потоком» 1933, Имперский патент № 615445), и он производил эту турбину как стандартный продукт. Сегодня компания, основанная Оссбергером и носящая его имя, является ведущим производителем этого типа турбин. В отличие от большинства водных турбин, которые имеют осевой или радиальный поток, в турбине с поперечным потоком вода проходит через турбину поперечно, то есть через лопасти турбины. Как и в случае с водяным колесом, вода подается к краю турбины. После прохождения внутрь рабочего колеса, она выходит на противоположной стороне, направляясь наружу. Двойной проход через рабочее колесо обеспечивает дополнительную эффективность. При выходе воды из рабочего колеса она также помогает очистить его от мелкого мусора и загрязнений. Турбина с поперечным потоком – это машина с низкой скоростью, хорошо подходящая для мест с небольшим напором, но большим расходом воды. Хотя на иллюстрации для простоты показана одна насадка, большинство практических турбин с поперечным потоком имеют две, расположенные таким образом, чтобы потоки воды не мешали друг другу. Турбины с поперечным потоком часто строятся как две турбины разной мощности, использующие один и тот же вал. Рабочие колеса имеют одинаковый диаметр, но разную длину для обработки разных объемов при одинаковом давлении. Разделенные колеса обычно изготавливаются с объемами в определенных пропорциях. Разделенный регулирующий узел, система направляющих лопаток в верхней части турбины, обеспечивает гибкую работу с выходной мощностью 33, 66 или 100 %, в зависимости от расхода воды. Низкие эксплуатационные расходы достигаются благодаря относительно простой конструкции турбины.

Детали конструкции

Турбина состоит из цилиндрического водяного колеса или бегуна с горизонтальным валом, состоящего из многочисленных лопастей (до 37), расположенных радиально и тангенциально. Края лопастей заострены для уменьшения сопротивления потоку воды. Лопасть выполнена в виде частичного круглого сечения (как отрезок трубы по всей ее длине). Концы лопастей приварены к дискам, образуя клетку, напоминающую клетку для хомяка, и такие турбины иногда называют "турбинами с клеткой для белки"; вместо прутьев у турбины имеются стальные лопасти в форме желоба. Вода сначала поступает извне турбины внутрь. Регулирующий механизм, имеющий форму лопасти или языка, изменяет поперечное сечение потока. Водяная струя направляется к цилиндрическому бегуну через сопло. Вода входит в бегун под углом примерно 45/120 градусов, передавая часть своей кинетической энергии активным цилиндрическим лопастям. Регулирующее устройство контролирует поток в зависимости от необходимой мощности и доступного количества воды. Соотношение подачи воды составляет от 0 до 100% – от 0 до 100%×30/4 лопастей. Подача воды в два сопла регулируется двумя направляющими лопатками. Они разделяют и направляют поток таким образом, чтобы вода плавно поступала в бегун при любой ширине раскрытия. Направляющие лопатки должны плотно прилегать к краям корпуса турбины, чтобы при низком уровне воды они могли перекрывать подачу воды. Таким образом, направляющие лопатки выполняют функцию клапанов между напорным трубопроводом и турбиной. Обе направляющие лопатки могут регулироваться с помощью управляющих рычагов, к которым может быть подключено автоматическое или ручное управление. Геометрия турбины (сопло, бегун, вал) обеспечивает эффективность струи воды. Вода воздействует на бегун дважды, но большая часть энергии передается при первом прохождении, когда вода входит в бегун. Только 1/3 энергии передается бегуну, когда вода покидает турбину. Вода течет через каналы между лопастями в двух направлениях: снаружи внутрь и изнутри наружу. Большинство турбин работают с двумя струями, расположенными таким образом, чтобы две струи воды в бегуне не мешали друг другу. Однако необходимо, чтобы параметры турбины, напор и скорость вращения были согласованы. Турбина с перекрестным потоком является турбиной импульсного типа, поэтому давление остается постоянным на бегуне.

Преимущества

Пиковая эффективность турбины с поперечным потоком несколько ниже, чем у турбин Kaplan, Francis или Pelton. Однако турбина с поперечным потоком характеризуется плавной кривой эффективности при изменяющейся нагрузке. Благодаря разделенному рабочему колесу и турбинной камере, турбина сохраняет свою эффективность при изменении расхода и нагрузки в диапазоне от 1/6 до максимального значения. Ввиду низкой стоимости и хорошего регулирования, турбины с поперечным потоком чаще всего применяются на мини- и микро-ГЭС мощностью менее тысячи кВт и с напором менее. Особенно это актуально для малых деривационных ГЭС, где плавная кривая эффективности обеспечивает более высокую годовую выработку электроэнергии по сравнению с другими типами турбин, поскольку водоток в малых реках обычно уменьшается в некоторые месяцы года. Эффективность турбины определяет, будет ли вырабатываться электроэнергия в периоды низкого уровня воды в реке. Если используемые турбины имеют высокую пиковую эффективность, но демонстрируют низкие показатели при частичной нагрузке, годовая выработка электроэнергии будет меньше, чем при использовании турбин с плавной кривой эффективности. Благодаря отличным характеристикам при частичной нагрузке, турбина с поперечным потоком идеально подходит для автономного производства электроэнергии. Её простая конструкция облегчает обслуживание по сравнению с другими типами турбин: требуется обслуживать всего два подшипника и только три вращающихся элемента. Механическая система проста, поэтому ремонт могут выполнять местные механики. Дополнительным преимуществом является способность турбины к самоочистке. Когда вода покидает рабочее колесо, листья, трава и другой мусор не задерживаются в нем, что предотвращает потери. Таким образом, несмотря на несколько более низкую эффективность, турбина более надежна, чем другие типы. Обычно не требуется очистка рабочего колеса, например, путем изменения направления потока или регулирования скорости. Другие типы турбин более склонны к засорению, что приводит к потерям мощности, несмотря на более высокую номинальную эффективность.