עקרון פעולת הזרימה ומאפיינים מבניים של מימן תגובה

טורבינת תגובה היא סוג של מכונה הידראולית הממירה אנרגיה הידראולית לאנרגיה מכנית באמצעות לחץ זרימת המים.

(1) מבנה. הרכיבים המבניים העיקריים של טורבינת התגובה כוללים צינור זרימה, תא צינור ראש, מנגנון הובלת מים וצינור שאיפה.
1) רץ. רץ הוא רכיב של טורבינה הידראולית הממיר את אנרגיית זרימת המים לאנרגיה מכנית מסתובבת. בהתאם לכיווני המרת אנרגיית המים השונים, מבני הרץ של טורבינות תגובה שונות גם הם שונים. רץ טורבינת פרנסיס מורכב מלהבים מעוותים וזורמות, כתר גלגל וטבעת תחתונה; רץ טורבינת הזרימה הצירית מורכב מלהבים, גוף הרץ, חרוט פריקה ורכיבים עיקריים אחרים: מבנה רץ טורבינת הזרימה המשופעת מורכב. זווית מיקום הלהב יכולה להשתנות בהתאם לתנאי העבודה ולהתאים לפתיחת שבשבת ההנחיה. קו מרכז סיבוב הלהב יוצר זווית אלכסונית (45° ~ 60°) עם ציר הטורבינה.
2) תא צינור ראש. תפקידו לגרום למים לזרום באופן שווה למנגנון הובלת המים, להפחית אובדן אנרגיה ולשפר את יעילות הטורבינה ההידראולית. מארז ספירלי מתכתי בעל חתך עגול משמש לעתים קרובות עבור טורבינות הידראוליות גדולות ובינוניות עם ראש מים מעל 50 מטר, ומארז ספירלי מבטון בעל חתך טרפזי משמש לעתים קרובות עבור טורבינות עם ראש מים מתחת ל-50 מטר.
3) מנגנון הנחיית מים. הוא מורכב בדרך כלל ממספר מסוים של כנפי הנחיה יעילות ומנגנוני סיבוב שלהם המסודרים באופן אחיד על היקף המסלול. תפקידו הוא להנחות את זרימת המים למסלול באופן שווה, ולשנות את זרימת המים דרך הטורבינה ההידראולית על ידי כוונון פתיחת הכנף, כך שתעמוד בדרישות העומס של יחידת הגנרטור. הוא גם ממלא את תפקיד איטום המים כאשר הוא סגור לחלוטין.
4) צינור משיכה. חלק מהאנרגיה שנותרה בזרימת המים ביציאת הרץ לא נוצל. תפקידו של צינור המשיכה הוא להחזיר אנרגיה זו ולפלוט את המים במורד הזרם. ניתן לחלק את צינור המשיכה לצורת חרוט ישר וצורת מעוקלת. לראשון מקדם אנרגיה גדול והוא מתאים בדרך כלל לטורבינות אופקיות וצינוריות קטנות; למרות שהביצועים ההידראוליים של האחרונות אינם טובים כמו אלו של חרוט ישר, עומק החפירה קטן, והוא נמצא בשימוש נרחב בטורבינות תגובה גדולות ובינוניות.

,

(2) סיווג. טורבינת התגובה מחולקת לטורבינת פרנסיס, טורבינה אלכסונית, טורבינה צירית וטורבינה צינורית לפי כיוון זרימת המים העובר דרך משטח הציר של הצינור.
1) טורבינת פרנסיס. טורבינת פרנסיס (זרימה צירית רדיאלית או פרנסיס) היא סוג של טורבינת תגובה שבה מים זורמים בצורה רדיאלית סביב המסלול וזורמים בצורה צירית. לסוג זה של טורבינה יש טווח רחב של גובה גובה (30 ~ 700 מטר), מבנה פשוט, נפח קטן ועלות נמוכה. טורבינת הפרנסיס הגדולה ביותר שהופעלה בסין היא הטורבינה של תחנת הכוח ההידרואלקטרית ארטן, עם הספק תפוקה מדורג של 582 מגה-וואט והספק תפוקה מרבי של 621 מגה-וואט.
2) טורבינת זרימה צירית. טורבינת זרימה צירית היא סוג של טורבינת תגובה שבה מים זורמים אל תוך ומחוץ למסלול בצורה צירית. סוג טורבינה זה מחולק לסוג מדחף קבוע (סוג מדחף בורגי) וסוג מדחף סיבובי (סוג קפלן). להבי הראשונים קבועים ולהבי האחרונים יכולים להסתובב. קיבולת הפריקה של טורבינת זרימה צירית גדולה מזו של טורבינת פרנסיס. מכיוון שמיקום הלהב של טורבינת הרוטור יכול להשתנות עם שינוי העומס, יש לה יעילות גבוהה בטווח רחב של שינויי עומס. עמידות הקביטציה והחוזק המכני של טורבינת הזרימה הצירית גרועים מאלה של טורבינת פרנסיס, והמבנה גם מורכב יותר. נכון לעכשיו, גובה הנשימה של טורבינה מסוג זה הגיע ליותר מ-80 מטר.
3) טורבינה צינורית. זרימת המים של טורבינה מסוג זה זורמת בצורה צירית מהזרימה הצירית אל הרץ, ואין סיבוב לפני ואחרי הרץ. טווח גובה הניצול הוא 3 ~ 20. יש לה יתרונות של גובה גוף קטן, תנאי זרימת מים טובים, יעילות גבוהה, כמות הנדסה אזרחית נמוכה, עלות נמוכה, ללא צינור זריקה מעוקל וגלגלי, וככל שגובה המים נמוך יותר, כך יתרונותיה בולטים יותר.
לפי אופן החיבור והעברה של הגנרטור, טורבינות צינוריות מחולקות לסוגים צינוריים מלאים וסוגים חצי צינוריים. הסוגים החצי צינוריים מחולקים עוד לסוגים של נורה, סוג ציר וסוגים של הארכת ציר, כאשר סוגים של הארכת ציר מחולקים לסוגים של ציר משופע וסוגים של ציר אופקי. כיום, הנפוצים ביותר הם סוגים של נורה צינורית, סוגים של הארכת ציר וסוגים של ציר, המשמשים בעיקר עבור יחידות קטנות. בשנים האחרונות, סוג הציר משמש גם עבור יחידות גדולות ובינוניות.
הגנרטור של יחידת ההארכה הצינורית הצירית מותקן מחוץ לתעלת המים, והגנרטור מחובר לטורבינת המים באמצעות ציר ארוך נוטה או ציר אופקי. מבנה סוג הארכת ציר זה פשוט יותר מזה של סוג הנורה.
4) טורבינת זרימה אלכסונית. מבנה וגודל טורבינת הזרימה האלכסונית (הידועה גם כטורבינת זרימה אלכסונית) הם בין זרימה פרנסיסית לזרימה צירית. ההבדל העיקרי הוא שקו המרכז של להב הרץ נמצא בזווית מסוימת עם קו המרכז של הטורבינה. ​​בשל המאפיינים המבניים, היחידה אינה רשאית לשקוע במהלך הפעולה, ולכן התקן הגנה מפני תזוזה צירית מותקן במבנה השני כדי למנוע התנגשות בין הלהב לתא הרץ. טווח ניצול ראש הטורבינה האלכסונית הוא 25 ~ 200 מטר.

נכון לעכשיו, הספק המוצא המדורג הגדול ביותר של טורבינת ירידה משופעת ליחידה בודדת בעולם הוא 215 מגה-וואט (ברית המועצות לשעבר), וגובה הנשימה הגבוה ביותר הוא 136 מטר (יפן).