Гидротурбины: история и развитие

Введение

Тип турбины

Водная турбина – это вращающаяся машина, преобразующая кинетическую и потенциальную энергию воды в механическую работу. Водные турбины были разработаны в XIX веке и широко использовались для получения промышленной энергии до появления электрических сетей. В настоящее время они в основном используются для выработки электроэнергии. Водные турбины чаще всего устанавливаются на плотинах для генерации электроэнергии из потенциальной энергии воды.

История

Водяные колеса использовались на протяжении сотен лет для получения промышленной энергии. Их главный недостаток – большие габариты, которые ограничивают расход и напор воды, которые можно использовать. Переход от водяных колес к современным турбинам занял около ста лет. Разработка происходила в период промышленной революции с применением научных принципов и методов. Также широко использовались новые материалы и технологии производства, разработанные в то время.

Свернуть

Слово "турбина" было введено французским инженером Клодом Бурдином в начале 19 века и происходит от греческого слова "τύρβη", означающего "вращение" или "водоворот". Главное отличие ранних водяных турбин от водяных колёс заключается в закручивающемся потоке воды, который передаёт энергию вращающемуся ротору. Этот дополнительный компонент движения позволял турбине быть меньше водяного колеса той же мощности. Они могли перерабатывать больший объём воды, вращаясь быстрее, и использовать значительно больший напор. (Позже были разработаны турбины активного типа, которые не использовали закручивание потока.)

Хронология

[[Файл:Римская мельница в Кемту.jpg|thumb|upright|Римская турбинная мельница в Кемту, Тунис. Касательное поступление воды в мельничный канал заставляло вращаться погруженное в воду горизонтальное колесо на валу, как настоящая турбина. Фаусто Веранцио в своей книге Machinae Novae (1595) описал вертикальную мельницу с ротором, похожим на ротор турбины Франциса. Иоганн Сегнер разработал реактивную водяную турбину (колесо Сегнера) в середине XVIII века в Королевстве Венгрия. Она имела горизонтальную ось и являлась предшественницей современных водяных турбин. Это очень простая машина, которая до сих пор производится для использования на малых гидроэлектростанциях. Сегнер работал с Эйлером над ранними математическими теориями проектирования турбин. В XVIII веке доктор Роберт Баркер изобрел аналогичную реакционную гидравлическую турбину, которая стала популярной в качестве демонстрации в лекционных залах. Единственный известный сохранившийся образец этого типа двигателя, использовавшегося для производства энергии, датируемый 1851 годом, находится на Hacienda Buena Vista в Понсе, Пуэрто-Рико. В 1820 году Жан Виктор Понселе разработал турбину с внутренним потоком. В 1826 году Бенуа Фурнейрон разработал турбину с наружным потоком. Это была эффективная машина (~80%), которая направляла воду через рабочее колесо с лопастями, изогнутыми в одном измерении. Стационарный выход также имел изогнутые направляющие аппараты. В 1844 году Урия А. Бойден разработал турбину с наружным потоком, которая улучшила характеристики турбины Фурнейрона. Форма ее рабочего колеса была похожа на форму турбины Франциса. В 1849 году Джеймс Б. Францис улучшил реакционную турбину с внутренним потоком, достигнув эффективности более 90%. Он также проводил сложные испытания и разработал инженерные методы для проектирования водяных турбин. Турбина Франциса, названная в его честь, является первой современной водяной турбиной. Она до сих пор является наиболее широко используемой водяной турбиной в мире. Турбина Франциса также называется турбиной радиального потока, поскольку вода течет от внешней окружности к центру рабочего колеса. Водные турбины с внутренним потоком имеют более удачную механическую конструкцию, и все современные реактивные водяные турбины имеют такую конструкцию. По мере того как вода закручивается внутрь, она ускоряется и передает энергию рабочему колесу. Давление воды снижается до атмосферного или, в некоторых случаях, ниже атмосферного, по мере того как вода проходит через лопасти турбины и теряет энергию. В 1876 году Джон Б. Маккормик, опираясь на разработки Франциса, продемонстрировал первую современную турбину смешанного потока, создав турбину Hercules, первоначально изготовленную компанией Holyoke Machine Company, а затем усовершенствованную инженерами в Германии и Соединенных Штатах. Конструкция эффективно сочетала принципы внутреннего потока конструкции Франциса с нисходящим выбросом турбины Жонваль, с потоком внутрь на входе, осевым через корпус колеса и слегка наружу на выходе. Первоначально работая оптимально с эффективностью 90% при более низких скоростях, эта конструкция претерпела множество улучшений в последующие десятилетия в производных под названиями "Victor", "Risdon", "Samson" и "New American", открыв новую эру американского турбиностроения. Водные турбины, особенно в Америке, в значительной степени стали стандартизированными с созданием Холоокского испытательного канала, описанного Робертом Э. Хортоном и Клеменсом Гершелем как первая современная гидравлическая лаборатория в Соединенных Штатах, последний из которых некоторое время был ее главным инженером. Первоначально созданный в 1872 году Джеймсом Б. Эмерсоном на основе испытательных каналов Лоуэлла, после 1880 года гидравлическая лаборатория в Холиоке, штат Массачусетс, была стандартизирована Гершелем, который использовал ее для разработки вентуриметра, первого точного средства измерения больших потоков, для правильного измерения эффективности энергии воды различными моделями турбин. Хотя европейские гидрологи скептически относились к некоторым расчетам водосливов, эта установка позволила проводить стандартные испытания эффективности среди крупных производителей до 1932 года, к тому времени более современные средства и методы стали широко распространены. Около 1890 года был изобретен современный жидкостный подшипник, который теперь повсеместно используется для поддержки тяжелых шпинделей водяных турбин. По состоянию на 2002 год жидкостные подшипники имели среднее время безотказной работы более 1300 лет. Около 1913 года Виктор Каплан создал турбину Каплана, машину пропеллерного типа. Она была эволюцией турбины Франциса и произвела революцию в возможности разработки гидросайтов с низким напором.

[[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.

Теория действия

Проточная вода направляется на лопасти рабочего колеса турбины, создавая на них силу. Поскольку рабочее колесо вращается, сила действует на определенном расстоянии (действие силы на расстоянии – это определение работы). Таким образом, энергия передается от потока воды к турбине. Водные турбины подразделяются на две группы: реактивные и импульсные турбины. Точная форма лопастей водяной турбины определяется давлением подачи воды и типом выбранного рабочего колеса.

Импульсные турбины

Импульсные турбины изменяют скорость струи воды. Струя давит на изогнутые лопасти турбины, изменяя направление потока. Результирующее изменение импульса создает силу, действующую на лопасти турбины. Поскольку турбина вращается, эта сила действует на определенном расстоянии (совершая работу), а отводящийся поток воды теряет энергию. Импульсная турбина – это турбина, в которой давление жидкости, обтекающей лопасти ротора, остается постоянным, и вся выработанная работа обусловлена изменением кинетической энергии жидкости. Перед попаданием на лопасти турбины давление воды (потенциальная энергия) преобразуется в кинетическую энергию соплом и направляется на турбину. Изменение давления на лопастях турбины не происходит, и для работы турбине не требуется корпус. Второй закон Ньютона описывает передачу энергии в импульсных турбинах. Импульсные турбины часто применяются в условиях очень высокого напора (> 300 м/1000 футов).

Насосная гидроэлектроэнергия

Некоторые водяные турбины предназначены для гидроаккумулирующих электростанций. Они могут менять направление потока и работать как насос.

Эффективность

Большие современные водяные турбины достигают механического КПД свыше 90%.

Удельная скорость

Специфическая скорость турбины характеризует её форму, не зависящую от размеров. Это позволяет масштабировать конструкцию новой турбины на основе существующей конструкции с известными характеристиками. Специфическая скорость также является основным критерием для подбора подходящего типа турбины к конкретному гидроузлу. Специфическая скорость – это скорость вращения турбины при заданном расходе Q, единичном напоре и, следовательно, при выработке единичной мощности.

Законы аффинитета

Законы аффинитета позволяют прогнозировать характеристики турбины на основе модельных испытаний. Миниатюрная копия предлагаемой конструкции, диаметром около одного фута (0,3 м), может быть испытана, а результаты лабораторных измерений с высокой точностью применены к реальному применению. Законы аффинитета выводятся из условия обеспечения подобия между тестовой моделью и реальной турбиной. Поток через турбину регулируется либо большим клапаном, либо направляющим аппаратом, расположенным вокруг рабочего колеса турбины. Зависимость между напором и расходом может быть построена для ряда различных положений направляющего аппарата, что позволяет получить характеристическую диаграмму, используемую для оценки эффективности турбины в различных режимах работы.

Скорость бегства

Скорость свободного вращения водяной турбины – это её скорость при максимальном расходе воды и отсутствии нагрузки на валу. Турбина должна быть спроектирована для выдерживания механических нагрузок, возникающих при этой скорости. Производитель указывает предельную скорость свободного вращения.

Врата отсека

Изображение миниатюры: Лопатки (желтые), окружающие турбину типа Фрэнсиса. Изменяя их угол, регулируют поток воды, тем самым контролируя скорость вращения турбины и вырабатываемую ею энергию. Лопатка, или направляющая лопасть, представляет собой кольцо лопаток, окружающих водяную турбину и контролирующих поток воды, поступающей в нее; изменяя зазор между ними, регулируют скорость вращения турбины и, следовательно, количество вырабатываемой электроэнергии.

Материалы лопастей турбины

Учитывая, что лопасти турбины в водяной турбине постоянно подвергаются воздействию воды и динамических сил, они должны обладать высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Наиболее распространенным материалом для наплавки на рабочие колеса из углеродистой стали в водяных турбинах являются аустенитные стали, содержащие от 17% до 20% хрома для повышения стабильности защитной пленки и улучшения устойчивости к водной коррозии. Содержание хрома в этих сталях превышает минимальные 12%, необходимые для обеспечения некоторой устойчивости к атмосферной коррозии. Более высокая концентрация хрома в сталях обеспечивает значительно больший срок службы лопастей турбины. В настоящее время лопасти изготавливаются из мартенситных нержавеющих сталей, которые обладают в два раза большей прочностью по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями. Помимо коррозионной стойкости и прочности, важными критериями при выборе материала для лопастей турбины являются свариваемость и плотность. Высокая свариваемость облегчает и повышает качество ремонта. Низкая плотность способствует повышению эффективности за счет облегчения вращения. Наиболее распространенным материалом для лопастей турбин Каплана являются нержавеющие стали (SS). Мартенситные нержавеющие стали обладают высокой прочностью, что позволяет использовать более тонкие сечения по сравнению со стандартной углеродистой сталью; снижение массы улучшает гидродинамические условия потока и эффективность водяной турбины. Важно минимизировать эрозию для поддержания высокой эффективности, поскольку эрозия негативно влияет на гидравлический профиль лопасти, что затрудняет вращение.

Содержание

Турбина Франсиса в конце срока службы, демонстрирующая точечную коррозию, усталостные трещины и катастрофический отказ. Видны следы более ранних ремонтных работ, в которых использовались сварочные прутки из нержавеющей стали. Турбины рассчитаны на десятилетия работы с минимальным обслуживанием основных элементов; интервалы между капитальными ремонтами составляют несколько лет. Обслуживание рабочих колёс и деталей, контактирующих с водой, включает в себя демонтаж, осмотр и ремонт изношенных частей. Нормальный износ включает в себя точечную коррозию, вызванную кавитацией, усталостные трещины и абразивный износ от взвешенных частиц в воде. Стальные элементы ремонтируются сваркой, как правило, с использованием прутков из нержавеющей стали. Поврежденные участки вырезаются или зачищаются, а затем завариваются до первоначального или улучшенного профиля. За время эксплуатации старые рабочие колёса турбин могут получить значительное количество добавленной нержавеющей стали таким образом. Для достижения ремонта высочайшего качества могут применяться сложные сварочные процедуры. Другие элементы, требующие осмотра и ремонта во время капитального ремонта, включают подшипники, сальниковые коробки и втулки вала, сервомоторы, системы охлаждения подшипников и обмоток генератора, уплотнительные кольца, элементы управления направляющими лопатками и все поверхности.