Высоконапорные ковшовые турбины гидроэлектростанции

ковшовая турбина Пелтон

При напорах потока воды более 20 м на ГЭС различной мощности используется активная гидравлическая турбина. Ковшовая турбина (зарубежное название – Pelton Turbines, турбина Пелтона) по своей конструкции существенно отличается от устройства реактивных гидротурбин, поскольку вода через специальные сопла подается в виде быстро летящей струи на лопатки турбины. Лопатки турбины Пелтон имеют особенную форму двояковогнутого ковша– лезвие посередине разделяет струю воды на два потока, что значительно улучшает эффективность работы ковша и замедляет износ лопаток. Так как струя направлена по касательной, ударяясь о лопатку, вода легко проворачивает колесо турбины. После проворота колеса, струя ударяет по следующей лопатке. Работа совершается при атмосферном давлении за счет преобразования кинетической энергии струи воды.

Как правило, ковшовая турбина состоит из 40 лопаток. При высоком напоре, скорость потока достаточно низкая – от 5л/с на малых ГЭС и до 1 куб.м/с на больших. Поскольку расходы воды невелики и подводящие трубопроводы изготовляются небольшого диаметра, струйно-ковшовые гидроэлектростанции имеют относительно компактные размеры. Высокий напор достигается в гористой или холмистой местности путем использования напорного трубопровода. Управление работой ковшовой турбины осуществляется регулированием соплом. Перемещая сопло ближе-дальше к лопаткам турбины или изменяя его проходное сечение можно регулировать скорость потока воды, соответственно изменять скорость вращения турбины и выходную мощность гидроэлектростанции.

Поскольку на лопатки турбины постоянно подается поток воды под большим давлением, ковши со временем изнашиваются. Это особенно заметно, если в воде имеется высокая концентрация абразивных частиц. Чтобы противостоять эрозии, ковши обычно изготавливаются из карбида вольфрама или высоколегированных сплавов. В последнее время в малой гидроэнергетике практикуется использование более доступных лопаток, изготовленных из пластика или композитных материалов. Не смотря на то, что они имеют более низкий ресурс, конструкция турбины позволяет легко поменять быстро изношенные, но при этом более дешевые ковши на новые во время остановки ГЭС на техническое обслуживание за минимальный промежуток времени.

Чтобы избежать ударных нагрузок и осевых перекосов в турбине Pelton обычно устанавливается не одно сопло, а несколько, равномерно размещенных на корпусе ковшевой турбины. Классическая конструкция – два сопла на горизонтально установленной турбине, шесть на вертикальной. Практические исследования показали, что использование более шести форсунок вызывает чрезмерное сопротивление и становится критичным при запуске турбины.

Главное достоинство ковшовой турбины Пелтон ее высокая эффективность – до 95%. Даже при использовании в малой гидроэнергетике можно легко достичь КПД 90%. При использовании нескольких сопел, эффективность турбины остается на высоком уровне даже при неполной скорости потока. Еще одним достоинством такой гидроэлектростанции является возможность упрощенной конструкции ГЭС, когда турбина и генератор устанавливаются на одном валу либо сочленяются непосредственно между собой гибким соединением без коробки передач или системы приводов. Высокая скорость струи до 600 км/ч позволяют раскручивать турбину до 3000 оборотов в минуту. Кроме удешевления стоимости оборудования и обслуживания гидроэлектростанции, за счет исключения промежуточных приводов удается сохранить порядка 2%-7% невосполнимых потерь энергии.

Недостатки ковшовой турбины Пелтон – неэффективная работа при малых напорах, высокая стоимость лопаток турбины, повышенные требования к отсутствию в воде абразивных включений.