Устройство и принцип работы турбин основных типов

Основным признаком, характеризующим тип турбины, является конструкция ее проточной части, которая состоит из трех основных конструктивных элементов: устройства, подводящего воду к рабочему органу; непосредственно рабочего органа или рабочего колеса; устройства, отводящего воду от рабочего колеса.

Конструкции турбин должны удовлетворять следующим требованиям: должна быть исключена возможность удара потока жидкости о подвижные и неподвижные, твердые и жидкие поверхности; потери на трение о твердые поверхности должны быть минимальными; отработанная жидкость должна выходить из турбины с возможно меньшим запасом энергии.

Главным конструктивным элементом турбины является рабочее колесо. В зависимости от конструкции колеса и принципа взаимодействия его с потоком жидкости различают четыре вида турбин: ковшовые, осевые, диагональные и радиально-осевые.

Рассмотрим устройство и принцип работы турбин основных типов.

Рис. 7. Ковшовая турбина

Турбина представляет собой рабочее колесо 7, укрепленное на валу 8 выше уровня воды. Колесо вращается в воздухе, и только часть лопаток взаимодействует с водой. Вода подаётся на рабочие лопасти 6 по трубопроводу 2 через сопло. Рабочее колесо состоит из диска, по окружности которого укреплены рабочие лопасти, по форме похожие на ковши (отсюда название ковшовая). Каждая лопасть выполнена в виде двух полусфер, разделенных ножом 5. Рабочее колесо установлено в корпусе таким образом, чтобы ножи совпадали с осью струи. При натекании на лопасти струи делятся ножом на две части. Каждая из частей обтекает свою полусферу, воздействуя на лопасти с силой.

Чтобы приблизить струю к центру ковша и устранить удар тыльной стороны лопасти о струю, в лопасти сделана специальная прорезь 4 шириной не менее диаметра d струи. Размеры лопастей также устанавливаются в зависимости от диаметра струи: ширина — (2,8−3,6) d, длина — (2,5−2,8) d, толщина — (0,9- 1,0) d. Число лопастей на рабочем колесе подбирается таким образом, чтобы, во-первых, струя не могла проскочить мимо ковша, т. е. при отходе одной лопасти следующая сразу попадала под струю, и, во-вторых, чтобы каждый последующий ковш не мешал сходу воды с предыдущего. В зависимости от диаметра рабочего колеса общее количество лопастей колеблется от 12 до 40.

Так как скорость обтекания лопастей потоком жидкости очень велика, чтобы уменьшить потери мощности, ковши должны быть изготовлены с большой точностью и качественно обработаны. Кроме того, лопасти турбины работают в условиях переменной нагрузки: она максимальна тогда, когда лопасть проходит через струю, а в другое время отсутствует. Это вызывает усталость металла, способствует расшатыванию и ослаблению крепления ковшей. Конструкции крепления лопастей к диску постоянно совершенствуются. В последние десятилетия стали применять неразъемные цельнолитые и сварно-литые рабочие колеса.

Мощность, развиваемую турбиной, регулируют изменением подачи воды через сопло. Для этих целей служит игла 2, которая позволяет изменять или полностью перекрывать выходное сечение сопла. Временно снизить мощность турбины можно и без уменьшения подачи воды через сопло. Для этих целей служит дефлектор, который либо отклоняет, либо отсекает струю.

Рабочее колесо вращается в подшипниках, смонтированных в корпусе турбины, защищенном от разбрызгивания воды кожухом (корпус и кожух на рисунке не показаны). Увеличивая число сопл, подводящих воду к рабочему колесу, можно получить две, четыре или шесть струй; при этом соответственно увеличивается и мощность турбины.

По расположению вала ковшовые турбины делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные турбины могут иметь одно или два рабочих колеса на одном валу. В вертикальных турбинах, как правило, устанавливается одно рабочее колесо.