Водяная турбина, наиболее распространенными из которых являются турбины Каплана, Пелтона и Фрэнсиса, представляет собой крупную вращающуюся машину, которая преобразует кинетическую и потенциальную энергию в гидроэлектроэнергию. Эти современные аналоги водяного колеса используются уже более 135 лет для выработки электроэнергии в промышленности, а в последнее время и для гидроэнергетики.
Для чего сегодня используются водяные турбины?
Сегодня гидроэнергетика обеспечивает 16% мирового производства электроэнергии. В XIX веке, до широкого распространения электросетей, водяные турбины преимущественно использовались для выработки электроэнергии в промышленности. В настоящее время они применяются для производства электроэнергии и могут быть установлены на плотинах или в районах с интенсивным течением.
В условиях быстрого роста мирового спроса на энергию и таких факторов, как изменение климата и истощение запасов ископаемого топлива, гидроэнергетика имеет потенциал оказать значительное влияние как вид экологически чистой энергии в глобальном масштабе. Поскольку поиски экологически чистых и безопасных источников энергии продолжаются, турбины Фрэнсиса могут стать очень популярным и все более распространенным решением в ближайшие годы.
Как водяные турбины вырабатывают электроэнергию?
Давление воды, создаваемое естественным или искусственным потоком, служит источником энергии для водяных турбин. Эта энергия улавливается и преобразуется в гидроэлектроэнергию. Гидроэлектростанция обычно использует плотину на действующей реке для хранения воды. Затем вода сбрасывается порциями, протекая через турбину, вращая ее и приводя в действие генератор, который затем вырабатывает электроэнергию.
Каковы размеры водяных турбин?
В зависимости от напора, при котором они работают, водяные турбины можно классифицировать на высоконапорные, средненапорные и низконапорные. Низконапорные гидроэнергетические системы больше по размеру, поскольку для достижения высокого расхода воды при низком давлении на лопасти турбина должна быть большой. В свою очередь, высоконапорные гидроэнергетические системы не нуждаются в такой большой окружности поверхности, поскольку они используются для получения энергии из быстротекущих источников воды.
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 при разном давлении воды.
Турбина Каплана (напор 0-60 м)
Эти турбины известны как осевые реактивные турбины, поскольку они изменяют давление воды, протекающей через них. Турбина Каплана напоминает пропеллер и имеет регулируемые лопасти для максимальной эффективности в широком 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 применений с высоким напором, поскольку для приложения силы к лопатообразным лопастям, вращения диска и выработки электроэнергии требуется высокое давление воды.
Турбина Пелтона
Турбина Фрэнсиса (напор 60-300 м)
Последняя и самая известная гидротурбина, турбина Фрэнсиса, обеспечивает 60% мировой гидроэнергетики. Работая как ударная и реактивная турбина при среднем напоре, турбина Фрэнсиса сочетает в себе концепции осевого и радиального потока. Благодаря этому турбина заполняет пробел между турбинами для высокого и низкого напора, создавая более эффективную конструкцию и ставя перед инженерами задачу дальнейшего ее усовершенствования.
В частности, турбина Фрэнсиса работает за счет потока воды, протекающего через спиральный корпус в (статические) направляющие лопатки, которые регулируют поток воды к (подвижным) лопаткам рабочего колеса. Вода заставляет рабочее колесо вращаться за счет совокупного воздействия и противодействия сил, и, наконец, выходит из него через отводную трубу, которая сбрасывает поток воды во внешнюю среду.
Как выбрать конструкцию водометной турбины?
Выбор оптимальной конструкции турбины часто сводится к одному фактору: доступному напору и расходу воды. После того, как вы определили, какое давление воды вы можете использовать, вы можете решить, какая конструкция турбины — закрытая «реактивная турбина», например, турбина Фрэнсиса, или открытая «импульсная турбина», например, турбина Пелтона — лучше подойдет.
Схема водяной турбины
Наконец, вы можете определить необходимую скорость вращения предлагаемого вами электрогенератора.
Дата публикации: 15 июля 2022 г.
