Ядерная физика

Радиоактивность
ДОЗЫ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
Естественные источники радиации
Земная радиация
Внутреннее облучение
Другие источники радиации
Источники, созданные человеком
Ядерные взрывы
Атомная энергетика
Профессиональное облучение
Действие радиации на человека
Острое поражение
Рак
Генетические последствия облучения
Понятие приемлемого риска
 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТУРБИНЫ

Гидротурбина преобразовывает кинетическую энергию воды в механическую энергию вращения. На современных гидроэлектростанциях (ГЭС) используются, главным образом, три типа гидротурбин:

радиально-осевые турбины (турбины Френсиса),

поворотно-лопастные турбины (турбины Каплана),

ковшовые турбины (турбины Пелтона).

Первые две относятся к реактивным, третья – к активным турбинам.

Радиально-осевую турбину (рис. 3.9.1) разработал в 1849 году, исходя из более раннего патента, выданного в 1838 году Семюэлю Хоуду (Samuel B. Howd), главный инженер Компании шлюзов и каналов Лоуэлла (Locks and Canal Company of Lowell) штата Массачусетс (Massachusetts) США Джеймс Бишено Френсис (James Bicheno Francis, 1815–1892). Вал турбины обычно вертикален, и рабочие лопасти (обычно в количестве от 9 до 19) жестко соединены с валом. У мелких турбин вал может быть и горизонтальным. Вода входит в турбину из водохранилища ГЭС через спиральный канал, обеспечивающий равномерное поступление воды по всему периметру рабочего колеса турбины. Вода проходит при этом через направляющий аппарат, состоящий из поворотных управляющих лопастей (их обычно от 16 до 32), позволяющих регулировать мощность турбины. Вода выходит из турбины в осевом направлении в отсасывающую трубу.

Рис. 3.9.1. Принцип устройства радиально-осевой турбины. 
1 спиральная камера, 2 направляющий аппарат, 3 рабочее колесо, 
4 вал, 5 отсасывающая труба

Устройство турбины весьма просто и надежно, и такие турбины находят применение при напоре от 30 до 650 m. Выпускаются, однако, турбины и для меньшего напора, даже для 3 м. Номинальная мощность радиально-осевых турбин может составлять от 1 до 800 MW, и применяются они, в первую очередь, на реках с большим уклоном (например, на горных реках), где могут быть сооружены высокие плотины. Частота вращения турбины зависит от высоты давления и составляет обычно от 80 r/min до 200 r/min.

Поворотно-лопастную турбину, работающую при более низком напоре (рис. 3.9.2), разработал для равнинных рек по примеру судовых винтов в 1912 году ассистент технического университета Брно (Brno) Виктор Каплан (Viktor Kaplan, 1876–1934). Устройство этой турбины не менее просто и надежно, и ее используют при напоре от 2 до 45 m. Такие турбины могут изготовляться в широком диапазоне номинальных мощностей – от 10 kW до 150 MW. Крупные турбины исполняются с вертикальной осью, малые турбины могут быть горизонтальными или наклонными. Число рабочих лопастей составляет обычно 4 или 6, диаметр рабочего колеса крупных турбин может доходить до 10 m. Частота их вращения обычно меньше, чем у радиально-осевых турбин той же мощности, и обычно не превышает 100 r/min.

Рис. 3.9.2. Принцип устройства поворотно-лопастной турбины. 
1 спиральная камера, 2 направляющий аппарат, 3 рабочее колесо, 
4 вал, 5 отсасывающая труба

Пропеллерная турбина относительно мало отличается от поворотно-лопастной турбины. Основное различие заключается в том, что лопасти этой турбины неподвижно связаны с валом, что существенно упрощает устройство турбины. Такие турбины выпускаются в том же диапазоне номинальных мощностей и частот вращения, что и поворотно-лопастные турбины.

На эстонских небольших гидроэлектростанциях используются почти без исключений поворотно-лопастные турбины. Турбины такого типа мощностью по 40 MW установлены и на Нарвской ГЭС России.

Ковшовая турбина (турбина Пельтона) представляет собой высокоэффективную разновидность водяного колеса, отличающуюся тем, что плоские лопасти обычного водяного колеса заменены двойными ковшовыми (рис. 3.9.3), на которые направляется свободная струя воды. Струя своей кинетической энергией приводит во вращение рабочее колесо турбины. Оптимальная линейная скорость ковша равна приблизительно половине скорости направленной на него воды.

Рис. 3.9.3. Принцип конструкции ковша ковшовой турбины (вид спереди и сбоку). 1 направление струи воды

Первую ковшовую турбину изготовил на основании своих наблюдений над водяными колесами плотник одного из золотых приисков в Калифорнии Лестер Аллен Пельтон (Lester Allan Pelton, 1829–1908), который получил на это в 1889 году патент США.

Рис. 3.9.4. Принцип устройства ковшовой турбины.  1 труба подведения воды, 2 устройство регулирования расхода воды, 3 струя воды, 
4 рабочее колесо, 5 вал

Вал ковшовой турбины чаще всего горизонтален, но изготовляются турбины и с вертикальным валом. На рабочее колесо может действовать одна струя, но используются и две струи или больше. Такие турбины применяются при высоком напоре воды (100…1800 m), и их номинальная мощность может доходить до 450 MW. Благодаря большему энергосодержанию воды они имеют меньшие размеры и бóльшую частоту вращения (обычно 500…1500 r/min), чем радиально-осевые и поворотно-лопастные турбины. Такие турбины используются прежде всего на горных реках, когда водохранилище гидростанции может располагаться намного выше ее машинного зала.

Гидравлические турбины характеризуются высоким кпд, который обычно находится в пределах от 90 % до 96 %. Мощность на валу турбины может выражаться через напор и расход воды простой формулой

Предшественником гидротурбины является водяное колесо, о котором имеются письменные сведения из греческих колоний Малой Азии с 230 года д. р. Х. Первые примитивные водяные колеса располагались над рекой и приводились в движение снизу естественным водным потоком, но вскоре для них стали прокладывать специальные каналы (рис. 3.9.5), обеспечивающие их кпд приблизительно до 30 %. Более совершенное водяное колесо, использующее как кинетическую энергию, так и тяжесть воды, поступающей на колесо сверху, появилось в Европе в средние века; кпд такого водяного колеса мог достигать уже приблизительно 70 %.

Рис. 3.9.5. Водяные колеса с нижним (слева) и верхним (справа) потоком воды

Мощнейшая в мире система водяных колес 17-го века была построена в 1685 году для привода насосов водоснабжения Версальского дворца (Versailles, Франция); система состояла из 14 водяных колес диаметром по 12 m, а ее общая мощность – приблизительно 80 л. с. Наиболее крупные в мире водяные колеса (каждое мощностью 500 л. с.) были установлены в 1858 году на Кренгольмской мануфактуре (Kreenholm) у Нарвского водопада в Эстонии.

Принцип гидравлической турбины изобразил на одном из своих эскизов приблизительно в 1500 году Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci), но первое подобие турбины – водяной сосуд с тангенциальными выходными трубками, который приводился во вращение реактивной силой вытекающей воды (рис. 3.9.6), – изготовил в 1750 году немецкий физик Йоганн Андреас фон Зегнер (Johann Andreas von Segner, 1707–1777).

Рис. 3.9.6. Колесо Зегнера. 1 приток воды, 2 направление вытекающей воды

В 1760 году колесо Зегнера нашло применение на одной из мукомольных мельниц, после чего швейцарский математик Леонард Эйлер (Leonhard Euler, 1707–1783), который в 1756 году математически исследовал ветряные турбины, счел необходимым разработать и математическую теорию реактивных гидротурбин. В начале 1820-х годов во Франции стали искать возможности более эффективного использования энергии воды, и в 1826 году была объявлена премия в сумме 6000 франков тому, кому удастся разработать более производительную, чем водяное колесо, и достаточно мощную энергетическую машину, пригодную для применения в промышленности. Аналогичные исследования в это время уже вели профессор Высшего горного училища в городе Сент-Этьен (École des Mines de Saint-Étienne) Клод Бурден (Claude Burdin, 1790–1873) и его ученик Бенуа Фурнейрон (Benoît Fourneyron, 1802–1867); причем, первая машина, которую Бурден назвал турбиной, была изготовлена в 1824 году. Однако эта машина еще не удовлетворяла условиям конкурса, и в 1827 году Фурнейрон представил ее усовершенствованный, пригодный для практического применения вариант мощностью 6 л. с. с весьма высоким для того времени кпд – 80…85 %. Фурнейрону и была выдана объявленная премия [1.16]. Турбина Бурдена и Фурнейрона (рис. 3.9.7) основана на таком же принципе, что и радиально-осевая турбина, но ее устройство противоположно: вода поступает в турбину в осевом направлении, а выходит радиально, через внешнее рабочее колесо.

Рис. 3.9.7. Принцип устройства турбины Бурдена и Фурнейрона. 1 поступление воды, 2 направляющий аппарат, 3 многолопастное рабочее колесо, 4 выход воды, 5 вал, 6 подпятник

В 1838 году французский математик и военный инженер Жан-Виктор Понселе (Jean Victor Poncelet, 1788–1867) разработал основы математического расчета гидротурбин; после этого стали появляться и другие различные их типы. Относительно быстро гидротурбины внедрялись и в Эстонии. Так, в 1860 году вышеупомянутые мощные водяные колеся Кренгольмской мануфактуры были заменены турбинами мощностью 500 л. с., а в 1868 там же была установлена самая мощная в мире турбина того времени – мощностью 1300 л. с. В 1890 году общая мощность кренгольмских турбин составляла 6880 л. с., и мануфактура в целом относилась к самым крупным по использованию гидроэнергии предприятиям мира [3.22].

Использование гидротурбин для получения электроэнергии началось в 1878 году (см. раздел 6.4).

Атомная энергетика, радиация. Решение задач по физике