Водяная турбина, наиболее распространенными из которых являются турбины Каплана, Пелтона и Фрэнсиса, представляет собой большую роторную машину, которая преобразует кинетическую и потенциальную энергию в гидроэлектроэнергию. Эти современные эквиваленты водяного колеса используются уже более 135 лет для промышленной выработки электроэнергии, а в последнее время и для выработки гидроэнергии.
Для чего сегодня используются водяные турбины?
Сегодня гидроэнергетика составляет 16% от мирового производства электроэнергии. В 19 веке водяные турбины в основном использовались для промышленной энергетики, прежде чем электрические сети стали широко распространенными. В настоящее время они используются для производства электроэнергии и могут быть найдены на плотинах или в районах с сильным потоком воды.
С учетом быстрого роста мирового спроса на энергию и таких факторов, как изменение климата и истощение ископаемого топлива, гидроэлектроэнергия имеет потенциал оказать большое влияние как форма зеленой энергии в мировом масштабе. Поскольку поиск экологически чистых и безопасных источников энергии продолжается, турбины Фрэнсиса могут оказаться очень популярным и все более распространенным решением в ближайшие годы.
Как водяные турбины генерируют электроэнергию?
Давление воды, создаваемое естественным или искусственным течением воды, существует как источник энергии для водяных турбин. Эта энергия улавливается и преобразуется в гидроэлектроэнергию. Гидроэлектростанция обычно использует плотину на активной реке для хранения воды. Затем вода высвобождается по частям, протекая через турбину, вращая ее и активируя генератор, который затем вырабатывает электроэнергию.
Насколько велики водяные турбины?
В зависимости от напора, при котором они работают, гидротурбины можно классифицировать на высоконапорные, средненапорные и низконапорные. Низконапорные гидроэнергетические системы больше, так как гидротурбина должна быть большой, чтобы достичь высокой скорости потока, в то время как низкое давление воды прикладывается к лопастям. В свою очередь, высоконапорные гидроэнергетические системы не нуждаются в такой большой окружности поверхности, так как они используются для получения энергии из более быстро движущихся водных источников.
Диаграмма, поясняющая размеры различных частей гидроэнергетической системы, включая водяную турбину
Диаграмма, поясняющая размеры различных частей гидроэнергетической системы, включая водяную турбину.
Ниже мы приведем несколько примеров различных типов водяных турбин, используемых для разных целей и давления воды.
Турбина Каплана (напор 0-60 м)
Эти турбины известны как турбины с реакцией осевого потока, поскольку они изменяют давление воды, протекающей через них. Турбина Каплана напоминает пропеллер и имеет регулируемые лопасти для максимальной эффективности в диапазоне уровней воды и давления.
Диаграмма турбины Каплана
Турбина Пелтона (напор 300-1600 м)
Турбина Пелтона — или колесо Пелтона — известна как импульсная турбина, поскольку она извлекает энергию из движущейся воды. Эта турбина подходит для приложений с высоким напором, поскольку для приложения силы к ковшам в форме ложки и вращения диска и выработки энергии требуется большое давление воды.
турбина Пелтона
Турбина Фрэнсиса (напор 60-300 м)
Последняя и самая известная водяная турбина, турбина Фрэнсиса, составляет 60% мировой гидроэнергетики. Работая как турбина удара и реакции, которая работает при среднем напоре, турбина Фрэнсиса объединяет концепции осевого и радиального потока. Благодаря этому турбина заполняет пробел между турбинами с высоким и низким напором, создавая более эффективную конструкцию и бросая вызов инженерам сегодня для ее дальнейшего усовершенствования.
Более конкретно, турбина Фрэнсиса работает за счет воды, протекающей через спиральный корпус в (статичные) направляющие лопатки, которые управляют потоком воды к (движущимся) лопастям рабочего колеса. Вода заставляет рабочее колесо вращаться посредством комбинированного воздействия и реакции сил, в конечном итоге выходя из рабочего колеса через отсасывающую трубу, которая выбрасывает поток воды во внешнюю среду.
Как выбрать конструкцию водяной турбины?
Выбор оптимальной конструкции турбины часто сводится к одному: величине напора и расхода, доступным вам. Как только вы определите, какое давление воды вы можете использовать, вы можете решить, подойдет ли вам лучше закрытая «конструкция реактивной турбины», например турбина Фрэнсиса, или открытая «конструкция импульсной турбины», например турбина Пелтона.
Схема гидротурбины
Наконец, вы можете установить необходимую скорость вращения вашего предполагаемого электрогенератора.
Время публикации: 15 июля 2022 г.
