Водяная турбина — это турбомашина в гидравлических системах. Ещё около 100 года до нашей эры появился прототип водяной турбины — водяное колесо. В то время его основная функция заключалась в приводе механизмов для обработки зерна и орошения. Водяное колесо, как механическое устройство, использующее поток воды в качестве энергии, эволюционировало в современную водяную турбину, и сфера его применения также расширилась. Итак, где же в основном используются современные водяные турбины?
Турбины в основном используются в гидроаккумулирующих электростанциях. Когда нагрузка энергосистемы ниже базовой нагрузки, их можно использовать в качестве водяного насоса, используя избыточную мощность для перекачки воды из нижнего водохранилища в верхнее для хранения энергии в виде потенциальной энергии; когда нагрузка системы выше базовой нагрузки, их можно использовать в качестве гидравлической турбины, вырабатывающей электроэнергию для регулирования пиковых нагрузок. Таким образом, чисто гидроаккумулирующая электростанция не может увеличить мощность энергосистемы, но может улучшить экономичность работы тепловых электростанций и повысить общую эффективность энергосистемы. С 1950-х годов гидроаккумулирующие электростанции получили широкое признание и быстро развиваются в странах по всему миру.
Большинство гидроаккумулирующих электростанций, разработанных на ранних этапах или имеющих высокий напор воды, используют трехмашинную конструкцию, то есть состоят из генераторного двигателя, водяной турбины и водяного насоса, соединенных последовательно. Преимуществом является раздельная конструкция турбины и водяного насоса, что обеспечивает более высокую эффективность каждой из них, а также возможность вращения агрегата в одном направлении при выработке электроэнергии и перекачивании воды, что позволяет быстро переключаться с выработки электроэнергии на перекачку или наоборот. Кроме того, турбина может использоваться для запуска агрегата. Недостатком является высокая стоимость и большие инвестиции в электростанцию.
Лопасти рабочего колеса турбины с косым потоком могут вращаться, и она сохраняет хорошие рабочие характеристики при изменении напора и нагрузки. Однако из-за ограничений гидравлических характеристик и прочности материалов к началу 1980-х годов ее чистый напор составлял всего 136,2 метра (первая электростанция Такаген в Японии). Для более высоких напоров требуются турбины с насосами Фрэнсиса.
Гидроаккумулирующая электростанция имеет верхний и нижний водохранилища. При условии хранения одинакового объема энергии увеличение напора позволяет уменьшить емкость водохранилища, повысить скорость работы агрегата и снизить стоимость проекта. Поэтому быстро развивается строительство гидроаккумулирующих электростанций с высоким напором более 300 метров. На электростанции Байна-Баста в Югославии установлена гидротурбина Фрэнсиса с самым высоким в мире напором, которая уже год находится в эксплуатации. С начала XX века гидроэнергетические установки развиваются в направлении высоких параметров и большой мощности. С увеличением мощности тепловых электростанций в энергосистеме и развитием атомной энергетики, для решения проблемы рационального регулирования пиковых нагрузок, помимо активного развития и расширения крупных электростанций в основных водных системах, страны по всему миру активно строят гидроаккумулирующие электростанции, что приводит к быстрому развитию гидротурбин.
Гидротурбина, как силовая машина, преобразующая энергию потока воды во вращательную механическую энергию, является неотъемлемой частью гидрогенераторной установки. В настоящее время проблема охраны окружающей среды становится все более серьезной, и растет применение и продвижение гидроэнергетики, использующей чистую энергию. Для полного использования различных гидроресурсов, приливы, пойменные реки с очень малым перепадом высот и даже волны также привлекают широкое внимание, что приводит к быстрому развитию трубчатых турбин и других маломощных установок.
Дата публикации: 23 марта 2022 г.
