Основы гидроэнергетики. Ковшовые турбины
В завершение цикла рассказа о гидротурбинах, поговорим о тех из них, которые используются на самых больших напорах - о ковшовых турбинах. Имея ряд существенных отличий от ранее рассмотренных гидротурбин, они стоят несколько особняком, но имеют собственную «экологическую нишу», в которой их применение является зачастую безальтернативным.
Фото отсюда
Ковшовые турбины являются одним из самых старых типов гидротурбин, уступая в этом лишь радиально-осевым. Изобрел их в 1870-х годах американский инженер Аллан Пелтон, под именем которого они и известны во всем мире.
Аллан Пелтон. Фото отсюда
Первая турбина Пелтона была установлена в 1878 году и использовалась для прямого привода механизмов шахты. А в 1887 году на другой шахте к турбине приделали генератор - это и была первая ГЭС с ковшовыми турбинами.
Рисунок турбины Пелтона из патента 1880 года. Взято отсюда
Конструктивно, ковшовая турбина является т.н. активной турбиной. Ее рабочее колесо не находится в потоке воды, а приводиться в действие отдельными ее струями, ударяющими в закрепленные по ободу колеса ковши. Таким образом, рабочее колесо вращается в воздухе, при нормальном атмосферном давлении. Соответственно, у ковшовой турбины отсутствуют спиральная камера, отсасывающая труба, поворотные лопатки направляющего аппарата.
Конструктивная схема ковшовой турбины. Взято отсюда
Как уже было сказано, рабочее колесо турбины приводится в действие струями воды. Эти струи формируются специальными соплами, которых может быть от 1 до 6. Внутри сопла размещается специальная игла, перемещая которую можно регулировать количество проходящей воды, т.е. сопло выполняет функцию направляющего аппарата.
Сопла вокруг рабочего колеса. Фото отсюда
Рабочее колесо представляет собой диск, по ободу которого закреплены ковши, которых может быть более 20 штук.
Рабочее колесо. Фото отсюда
Внутри каждого ковша расположен нож, разделяющий поток воды на две части.
Ковшовые турбины могут быть выполнены как в вертикальном, так и в горизонтальном исполнении. Горизонтальные турбины обычно используются на малых и средних ГЭС, причем для увеличения мощности турбины иногда используется установка на одном валу двух, а то и трех рабочих колес.
Горизонтальная двухколесная ковшовая турбина. Фото отсюда
Наиболее эффективно ковшовые турбины работают на высоких (от 300 м) напорах и одновременно небольших или умеренных расходах воды (впрочем, на малых ГЭС установка таких турбин может оказаться эффективной и с напора 50 м). Напоры более 300 м можно получить лишь в горной местности и с использованием деривации, поэтому ГЭС с ковшовыми турбинами часто представляют собой сложные сооружения с протяженными каналами, тоннелями, трубопроводами.
Крупнейшие в мире ковшовые гидротурбины (максимальная мощность - 449 МВт) установлены на швейцарской ГЭС Бъедрон. Одновременно, это самая высоконапорная ГЭС в мире - 1883 м!.
Турбина ГЭС Бъедрон.
Устанавливают ковшовые турбины и на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), построенные по трех- или четырехмашинной схеме, т.е. имеющие отдельно работающие, а не совмещенные в одном агрегате, турбину и насос.
В России ковшовые турбины пока что не очень распространены. Они установлены на Гизельдонской ГЭС в Северной Осетии, введенной в эксплуатацию еще в 1934 году, и еще на паре-тройке малых ГЭС на Северном Кавказе.
Гизельдонская ГЭС. Фото отсюда
Впрочем, в скором будущем в России появится Весьма крупная ГЭС с турбинами этого типа - Зарамагская ГЭС-1, на которой будут установлены две ковшовые турбины мощностью по 171 МВт, рассчитанные на напор 619 м.