Проточные турбины для микрогидроэлектростанций всегда индивидуально приспосабливаются к рабочим условиям на месте их эксплуатации – перепад (напор)/расход. Из ограниченной номенклатуры этих турбин нужно особо отметить гидротурбину Оссбергера[1-3]. Простота конструкции был использован при разработке проточной турбины, рассчитанной для ее надежной постоянной работы в течение нескольких десятилетий, и поэтому она может эксплуатироваться без специальных средств и инструментов, предназначенных для технического обслуживания.
Рабочий диапазон турбины Оссбергера:
- Высота перепада: H = 3… 200 м;
- Расход воды: Q = 0,03… 13 м³/сек;
- Мощность: N = 5… 3 000 кВт.
Принцип проточной турбины Оссбергер. Проточная турбина – это радиальная, напорноструйная турбина со средним напором, с тангенциальной подачей воды на лопатки рабочего колеса, с горизонтальным валом. По своим специфическим оборотам она относится к тихоходным турбинам. Поток воды регулируют направляющие устройства таким образом, что вода поступает по лопаточному венцу во внутреннее пространство рабочего колеса, затем проходит по второму лопаточному венцу из внутреннего пространства колеса наружу, в пространство корпуса турбины(рис.1 и рис.2). Из корпуса турбины вода вытекает свободно или же при помощи всасывающей трубы, в водобойный колодец под турбиной.
Рисунок.1. Горизонтальная подача потока-напуск
Рисунок 2. Вертикальная подача потока- напуск
На практике данное течение воды в рабочем колесе обеспечивает эффект самоочистки. Те частички грязи, которые при входе воды на рабочее колесо вдавливаются между лопатками, после половины оборота колеса вытягиваются центробежной силой и протекающей водой опять наружу из пространства рабочего колеса, а затем смываются в водобойный колодец.
Если объем воды в водном потоке переменный, то проточная турбина устанавливается как двухкамерная. Стандартное разделение напускных камер находится в соотношении 1:2. Более узкая камера обрабатывает небольшой, а более широкая камера – средний расход воды. Совместно обе камеры обработают полный расход воды. Благодаря данному разделению используется объем воды в пределах полного расхода воды до 1/6 от оптимального КПД. Проточные турбины, таким образом, очень эффективно, т.е. с КПД более 80%, используют также сильно изменяющийся расход воды в реках. Уровень эффективности турбины. Общий КПД проточных турбин для небольших перепадов (напоров) и мощностей во всем диапазоне расхода воды достигает 84%. Для средних и больших турбин для более высоких перепадов (напоров) достигается КПД 87%[4-6].
На рисунке 3 показаны преимущества проточных турбин в режиме частичной нагрузки. Речной сток часто несколько месяцев в году имеет очень небольшой расход воды. В эти месяцы возможность выработки электроэнергии зависит от графика КПД соответствующей турбины. Турбины с высоким пиковым КПД, но недостаточным КПД при низком расходе воды, достигают в местах с изменяющимся расходом воды более низкую годовую выработку, чем турбины с плоской кривой КПД. Система направляющего аппарата. В разделенной проточной турбине рабочая вода направляется двумя сбалансированными силовыми профильными регулирующими заслонками.
Рисунок 3. График КПД проточной турбины, состоящий из 3-х кривых КПД при регулировании разделенным регулировочным клапаном в соотношении 1:2, по сравнению с КПД турбины Френсиса.
Они разделяют струю воды, компенсируют ее и обеспечивают поступление воды на рабочее колесо без удара – независимо от ширины камер. Обе поворотные регулирующие заслонки точно установлены в корпусе турбины и при небольших перепадах (напорах) могут служить в качестве устройства закрытия турбины. Поэтому нет необходимости использовать запорную арматуру между напорным трубопроводом и турбиной. Обе регулирующие заслонки независимо друг от друга оснащены удлиненными плечами, к которым подключено автоматическое или ручное регулирование. Регулирующие заслонки установлены в самостоятельных втулках и не требуют проведение какого-либо технического обслуживания. Подсоединением противовеса на концах плеч достигается способность гравитационного, аварийного закрытия турбины в случае ее остановки.
Корпус проточных турбин (рис.4) изготовлен из конструкционной стали, он очень массивен, устойчив к ударам и морозу. Самой важной частью турбины является рабочее колесо. Оно оснащено лопатками, изготовленными согласно проверенным методам из чисто обработанной, тянутой, профильной стали.
Рисунок 4. Конструкция двухкамерной проточной турбины
Лопатки с обеих сторон вставлены в концевые диски и сварены согласно специальным методам с внутренними дисками рабочего колеса. В зависимости от размера рабочее колесо имеет до 37 лопаток. Линейно скошенные лопатки создают только небольшое осевое усилие, поэтому нет необходимости в усилении аксиальных/осевых подшипников с их сложным закреплением и смазкой. У рабочих колес большой ширины лопатки многократно поддерживаются вложенными дисками. Рабочие колеса перед окончательной сборкой турбины тщательно балансируются и проходят дефектоскопический контроль.
Подшипники проточные турбины оснащены стандартными, самоустанавли- вающимися, роликовыми подшипниками, имеющими в водяной турбине несомненные преимущества, такие как небольшое сопротивление, качению и простое техническое обслуживание.
Эксплуатационные свойства
У проточных турбин практически отсутствует кавитация, то есть отпадают необходимость расположения рабочего колеса под уровнем нижней воды, и связанные с этим расходы на строительство, и исчезают эксплуатационные недостатки.
Обычное число оборотов проточных турбин, в основном, в 2–3 раза больше номинальных оборотов. Это позволяет использовать генераторы серийного производства.
Экономические преимущества. Использование гидроэлектростанций ограничивается важным фактором: высокими инвестиционными затратами, связанными с проектированием и планированием, расчетом, конструкцией, а также оснащением строительства машинами и механизмами.
Поэтому инженеры – консультанты и конструкторы турбин пытаются снизить общие расходы путем стандартизации водяных турбин. Этот путь подходит для больших турбин, но для небольших водяных турбин это приводит к проблемам при расчетах, относящихся к предлагаемому перепаду (напору) и диапазону изменения расхода воды в течение года.
Проточные турбины конструкции можно выполнить из стандартизированных отдельных комплектующих элементов, которые в зависимости от требования – т.е. в зависимости от объема воды и высоты перепада каждого места – составляются в зависимости от пожелания заказчика, как полный комплекс оборудования. Такая модульная система позволяет реализовывать выгодное ценовое решение, при одновременном обеспечении всех функций, определенных в проекте. Проточные турбины отличаются многолетним сроком службы, и не требуют технического обслуживания. Во время эксплуатации они не нуждаются в каких-либо дорогих и сложных запчастях, их возможный ремонт в большинстве случаев можно провести прямо на месте установки. Специфическим преимуществом проточных турбин является возможность их использования в гравитационных системах питьевой воды, при этом и на очень длинных трубчатых подводящих деривационных водоводах, которые при эксплуатации не вызывают нежелательных гидравлических ударов, и таким образом не вызывают опасности ухудшения качества питьевой воды. Основным недостатком этих турбин является их ограниченные возможности при использовании гидроэнергетического потенциала равнинных участков малых рек.
Литература
- Волошаник В.В., Зубарев В.В., Франкфудт М.О. Использование энергии ветра, океанских волн, течений. Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии, 1983. —100 с.
- Гужулев Э.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии . 2004, Омск Изд- во ОмГТУ.
- Кузьмин В.М., Кузьмин Р.В. Исследование системы стабилизации выходных электрических параметров в децентрализованных системах энергообеспечения. Вестник КнАГТУ, -Комсомольск-на-Амуре, 1999г. 2425с.
- Кузьмин В.М., Кузьмин Р.В. МикроГЭС на основе дугостаторного генератора с автобалластной нагрузкой. Материалы 28-ой НТК аспирантов и студентов КнАГТУ, -Комсомольск-на-Амуре, 1999г. 47с.
- Кузнецова О.Р., Кузьмин Р.В., Размыслов В.А. Перспективы и особенности применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Материалы 29- ой НТК аспирантов и студентов КнАГТУ, -Комсомольск-на-Амуре, 2000г. 24с.
- Кузьмин Р.В., Размыслов В.А., Разработка модели системы децентрализованного энергообеспечения с автономным источником электропитания на базе микроГЭС. Вестник КнАГТУ, -Комсомольск-наАмуре, 2001г. 43с.