ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, машина, преобразующая энергию воды в механическую энергию. На гидроэлектростанциях (см. Гидростанция) механическая энергия Г. д. в дальнейшем преобразуется электрическим генератором (см.) в электрическую энергию. Г. д. по способу действия воды разделяются на 2 основных класса: водяные колёса и водяные турбины.

Водяные колёса приводятся во вращение либо, гл. обр., от веса воды, падающей на ковши колеса с одной стороны его, либо за счёт скоростной энергии воды, подводимой к колесу с большой скоростью.

Отличительным признаком водяных колёс является выход воды из ковшей (или лопаток) через те же отверстия, через к-рые она поступает в ковши (лопатки).

По способу подвода воды водяные колёса разделяются на верхнебойные (наливные), среднебойные и нижнебойные. К верхнебойному колесу (рис. 1) вода подводится к самому верху его, падает с одной стороны колеса на ковши его и своим весом заставляет колесо вращаться. К среднебойным и нижнебойным колёсам вода подводится, соответственно, либо неск. ниже центра колеса, либо внизу его; вода вытекает под напором со значительной скоростью из отверстия в подводящем лотке и, ударяясь о лопатки колеса, приводит его во вращение.

Водяные колёса имеют б. ч. невысокий к. п. д., небольшое число оборотов (табл. 1) и громоздкую конструкцию. Они находят в с. х-ве применение, вследствие простого устройства, в таких установках, где требуется лишь привод небольшой мощности и с небольшим числом оборотов.

Водяная турбина - более совершенный вид Г. д., применяемый на гидроэлектростанциях. Водяная турбина работает за счёт скоростной энергии воды, к-рая подводится под напором через 1 отверстие направляющего аппарата или неск. отверстий его, расположенных вокруг основной части турбины - рабочего колеса. Рабочее колесо турбины состоит из неск. лопаток криволинейной формы. Протекая по каналам между этими лопатками, вода, вследствие разности скоростей входа и выхода её, давит на лопатки, заставляя рабочее колесо вращаться; скоростная энергия воды, протекающей через турбину, преобразуется, т. о., в механическую энергию рабочего колеса турбины. Вместе с рабочим колесом приводится во вращение вал турбины, на к-рый насажен шкив или зубчатое колесо для передачи вращения к электрическому генератору или др. рабочей машине. При достаточно большом числе оборотов турбины, совпадающем с оборотами электрического генератора, последний может иметь общий вал с турбиной.

Табл. 1. Основные показатели водяных колёс

Рис. 1. Верхнебойное водяное колесо

Водяные турбины имеют ряд существенных преимуществ перед водяными колёсами: 1) турбины могут применяться при любых напорах и расходах воды; 2) турбины дают более высокое число оборотов, что упрощает передачу к электрическому генератору; 3) валы турбин м. б. как вертикальными, так и горизонтальными, в зависимости от условий; 4) турбины имеют высокий к. п. д. (до 0,9) и допускают хорошее регулирование числа оборотов.

Рис. 2. Открытая вертикальная реактивная турбина (в разобранном виде): 1 - рабочее колесо; 2 - вал рабочего колеса; 3 - направляющий аппарат; 4 - лопатки направляющего аппарата; 5 - крышка; 6 - всасывающая труба

На рис. 2 приведена (в разобранном виде) вертикальная турбина. Вокруг рабочего колеса 1, насаженного на вал 2, расположен направляющий аппарат 3 с поворотными лопатками 4, закрытый сверху водонепроницаемой крышкой 5. Назначение направляющего аппарата: 1) придать потоку воды требуемое направление при входе в рабочее колесо; 2) регулировать подачу воды, что необходимо для поддержания постоянного числа оборотов при переменных нагрузках. Регулирование осуществляется изменением свободного сечения подводящих отверстий путём поворота направляющих лопаток.

Турбины м. б. открытыми или закрытыми. Открытая турбина располагается в камере, из к-рой вода через отверстия направляющего аппарата поступает в рабочее колесо и далее во всасывающую трубу и нижний бьеф водотока. Закрытые турбины имеют различные формы кожухов, зависящие от способа подвода воды - по спирали, фронтально, радиально. Всасывающие трубы, по к-рым вода отсасывается от турбины, разделяют по конструкции на прямососные и коленчатые (рис. 3).

Рис. 3. Типы всасывающих труб гидравлических турбин: а - прямососная труба, б - коленчатая

Водяные турбины по принципу действия делятся на активные и реактивные.

Активные турбины характеризуются одинаковым давлением воды на различные точки лопаток рабочего колеса. Вода подводится по закрытому трубопроводу к направляющему аппарату турбины, а из него - открытой, движущейся в воздухе струёй, к рабочему колесу, проходит через лопатки колеса и падает свободно в нижний бьеф водотока.

Активная турбина обычно заполняется водой не полностью и использует не весь напор воды, а лишь ту его часть, к-рая расположена между уровнем верхнего бьефа и уровнем выхода воды из рабочего колеса.

Из активных турбин наиболее распространены турбины двух типов: 1) для напора воды от 6 до 40 м; 2) для напора воды от 40 м и выше.

Рис. 4. Активная турбина с двойной 'сработкой' воды в колесе: 2 - направляющий аппарат; 2 - рабочее колесо; 3 - механизм для регулирования подачи воды к рабочему колесу

На рис. 4 приведена схема установки турбины. Установка турбины с подводящим соплом показана схематически на рис. 5. Вода подводится к турбине спец. наконечником - соплом на подводящем трубопроводе. Регулирование подачи воды производится иглой, при помощи к-рой м. б. уменьшено выходное отверстие сопла. По окружности обода рабочего колеса расположены лопатки в виде двойных ковшей, в к-рые с большой скоростью ударяет струя воды, вращающая колесо.

Реактивные турбины характеризуются разным давлением воды на различные точки лопаток: давление при входе больше, чем при выходе. У этих турбин рабочее колесо помещается в спец. камере, целиком заполняемой водой без доступа воздуха. После "сработки" в рабочем колесе вода выпускается в непроницаемую для воздуха всасывающую трубу, погружённую своим выходным отверстием в нижний" бьеф водотока.

Рис. 5. Активная турбина с подводящим соплом: 2 - рабочее колесо, 2 - подводящий трубопровод; 3 - игла для регулирования подачи воды к рабочему колесу; 4 - сопло; 5 - кожух турбины

Реактивные турбины наиболее распространены на гидростанциях, т. к. имеют ряд преимуществ перед активными турбинами: 1) более быстроходны; 2) м. б. расположены на выс. до 3 м и выше над уровнем нижнего бьефа; 3) м. б. как с горизонтальным, так и вертикальным валом, в зависимости от условий работы на гидростанциях и мельничных установках. Наиболее распространены турбины с вертикальным валом, т. к. при этом упрощается передача энергии от рабочего колеса турбины, затопленной в камере, к валу рабочей машины. Устройство реактивной турбины показано на рис. 6.

Рис. 6. Реактивная турбина (схема): 1 - направляющий аппарат; 2 - лопатки направляющего аппарата; 3 - рабочее колесо; 4 - вал рабочего колеса; 5 - механизм регулирования подачи воды поворотом лопаток направляющего аппарата; 6 - всасывающая труба

В реактивных турбинах применяются 2 основные системы рабочих колёс: двоякоизогнутые и пропеллерные.

Двоякоизогнутое рабочее колесо турбины (рис. 7, а) состоит из 2 ободьев, соединённых между собой изогнутыми рабочими лопатками. Один из ободьев, меньшего диам., насаживается жёстко на рабочий вал турбины. Рабочее колесо помещается внутри направляющего аппарата. Вода протекает между лопатками по искривлённым, суживающимся к выходу каналам и, изменяя направление и величину относительной скорости движения, уменьшает постепенно давление на лопатки.

Пропеллерная турбина отличается от турбины с двоякоизогнутым колесом, в основном, лишь формой рабочего колеса (рис. 7, б), состоящего из 2 - 4 рабочих лопаток, располагаемых в плоскости, нормальной к валу турбины.

Рис. 7. Рабочие колёса реактивных турбин: а - двоякоизогнутое; б - пропеллерное

Тип рабочего колеса водяной турбины характеризуется его быстроходностью, определителем чего является коэф-т быстроходности n_s, т. е. число оборотов в 1 мин. турбины, подобной данной, но таких размеров, что она при напоре в 1 м развивает мощность в 1 л. с. Этот коэф-т вычисляется по формуле:

где: n - число оборотов турбины в 1 мин.; Н - напор воды (в м); N - мощность турбины (в л. е.).

В табл. 2 приведены значения коэф-тов быстроходности разных типов турбин.

Табл. 2. Коэфициенты быстроходности водяных турбин

При больших напорах применяются турбины с малым n_s, а при малых - с большим n_s. Обратное применение даёт чрезмерно большое число оборотов при больших напорах и очень малое - при малых напорах.

где: N - мощность на валу турбины (в л. с); Q - расход воды в ^м³ /_сек; Н - напор воды в м. Если известна мощность, отдаваемая генератором, в квт N'), то мощность на валу турбины в л. с. определяется по формуле:

где: η' - к. п. д. генератора; η" - к. п. д. привода от турбины к генератору.

При больших расходах воды (от 75% до полного расхода) к. п. д. разных типов современных турбин заводского изготовления почти постоянны и близки к максимальному значению (0,9). При малых расходах у реактивных турбин, особенно пропеллерных, к. п. д. резко падает, вследствие чего эти турбины следует применять на водотоках с б. или м. равномерным расходом воды. Исключение составляет пропеллерная турбина Каплана, у к-рой применяется спец. устройство, позволяющее при малых расходах воды на ходу изменять угол наклона рабочих лопаток одновременно с поворотом лопаток направляющего аппарата. В нек-рых пропеллерных турбинах применяется упрощённая система регулирования поворотом только рабочих лопаток, при неподвижных лопатках направляющего аппарата.

Рис. 8. Сравнительные характеристики различных типов гидравлических турбин: 1 - активная для напора воды 40 м и выше; 2 - двойного регулирования; 3 - реактивная с двоякоизогнутым колесом; 4 - пропеллерная

На рис. 8 приведены характеристики (кривые к. п. д.) разных типов водяных турбин.

Кроме турбин заводского изготовления, существует много типов упрощённых турбин, доступных к изготовлению на местах - в мастерских. К числу таких турбин относится вертикальная пропеллерная турбина инж. Котенева (рис. 9) и турбина проф. Соколова с деревянным пропеллерным рабочим колесом (рис. 10), деревянной всасывающей трубой и упрощённым направляющим аппаратом. Турбина малых размеров имеет 4-лопастное рабочее колесо; турбина больших размеров - 2-лопастное колесо.

Рис 9. Вертикальная пропеллерная турбина инж. Котенева; 1 - рабочее колесо; 2 - направляющий аппарат; 3 - вал рабочего колеса; 4 - всасывающая труба; б - механизм для регулирования подачи воды к рабочему колесу; 6 - привод к электрическому генератору с использованием заднего моста автомашины ЗИС-5; 7 - электрический генератор

Рис. 10. Рабочее колесо (деревянное) турбины проф. Соколова: а - 4-лопастное; 6 - 2-лопастное

Литература: Бойченко М. [и др.], Турбины для Уральских ГЭС малой мощности, [Свердловск], 1945; Есьман И., Водяные двигатели, 3 изд., Тифлис, 1928; Зубов И., Козловская В., Гидроэлектрические станции малой мощности (популярный справочник по организации проектирования, строительства и эксплоатации), М.-Л., 1941; Кузнецов Н. и Златковский А., Сельскохозяйственные гидроэлектростанции, 2 изд." М., 1948; Соколов Д., Литвинцев А., Деревянная пропеллерная турбина для малых гидроустановок, М., 1943; Щапов Н., Турбинное оборудование гидростанций, M.-Л., 1941; его же, Упрощённая водяная турбина (Руководство для колхозных мастеров по её подбору, изготовлению, установке и эксплоатации), М., 1943.