Гідротурбіна , гідравлічна турбіна, водяна турбіна, ротаційний двигун, що перетворює механічну енергію води (її енергію положення, тиск і швидкісну) в енергію валу, що обертається. За принципом дії Р. діляться на активних і реактивних. Основним робочим органом Р., в якому відбувається перетворення енергії, є робоче колесо. Вода підводиться до робочого колеса в активних Р. через сопла, в реактивних — через той, що направляє апарат. У активній Р. ( мал. 1 ) вода перед робочим колесом і за ним має тиск, рівний атмосферному. У реактивній Р. ( мал. 2 ) тиск, води перед робочим колесом більше атмосферного, а за ним може бути як більше, так і менше атмосферного тиску.
Перша реактивна Р. була винайдена в 1827 французьким інженером Би. Фурнероном; ця Р. мала на робочому колесі потужність 6 л. с. , але із-за поганих енергетичних властивостей подібні. Р. вже не застосовуються. У 1855 американський інженер Дж. Френсис винайшов радіально-осьове робоче колесо Р. з неповоротними лопатями, а в 1887 німецький інженер Фінк запропонував направляючий апарат з поворотними лопатками (див. Радіально-осьова гідротурбіна .). У 1889 американський інженер А. Пелтон запатентував активну — ковшову гідротурбіну, в 1920 австрійський інженер В. Каплан отримав патент на поворотнолопастную гідротурбіну . Радіально-осьові, поворотнолопастниє і ковшові Р. широко застосовуються для вироблення електричної енергії (див. Гідроенергетика ).
Для розрахунку профілю лопаті робочого колеса Р., що обертається з постійною кутовою швидкістю, використовується рівняння ( мал. 3 ):
де Н — робочий натиск Р., тобто запас енергії 1 кг води (різниця відміток горизонтів води перед входом в спорудження гідравлічної силової установки і після виходу з них за вирахуванням втрат на опір у всіх спорудах, але без вирахування втрат в самій Г.); U 1 і U 2 — окружні швидкості лопатей на вході води в робоче колесо і на виході з нього, м/сек ; V 1 і V 2 — абсолютні швидкості води на вході і виході, м/сек ; ( а 1 і a 2 — кути між напрямами окружних і абсолютних швидкостей в крапках, відповідних осередненной по енергії поверхні струму, град ; g — прискорення вільного падіння, м/сек 2 .
В ліву частину рівняння вводиться множник hr , що є гідравлічним ккд(коефіцієнт корисної дії) гідротурбіни. Частина потужності, отримана колесом, витрачається на подолання механічних опорів, ці втрати враховуються механічний ккд(коефіцієнт корисної дії) гідротурбін h 0 . Витік води в обхід робочого колеса враховується об'ємним ккд(коефіцієнт корисної дії) гідротурбіни.
Повний ккд(коефіцієнт корисної дії) гідротурбіни h = h г · h m · h 0 — відношення корисної потужності, що віддається турбінним валом, до потужності води, що пропускається через Р.. У сучасній Р. повний ккд(коефіцієнт корисної дії) рівний 0,85—0,92; за сприятливих умов роботи кращих зразків Р. він досягає 0,94—0,95.
Геометричні розміри Р. характеризуються номінальним діаметром Д, робочого колеса. Р. різних розмірів утворюють турбінну серію, якщо володіють однотипними робочими колесами і геометричними подібними елементами проточної частини. Визначивши необхідні параметри однієї з Р. даної серії, можна підрахувати, користуючись формулами подібності, ті ж параметри для будь-якої гідравлічної турбіни цієї серії (див. Моделювання гідродинамічне і аеродинамічне). Кожну турбінну серію характеризує коефіцієнт швидкохідності, чисельно рівний частоті обертання валу Р., що розвиває при натиску 1 м-коду потужність 0,7355 квт (1 л. с. ). Чим більше цей коефіцієнт, тим більше частота обертання валу при заданому натиску і потужності. Р. і електричний генератор обходяться дешевшим при збільшенні частоти їх обертання, тому прагнуть будувати Р. можливо великим коефіцієнтом швидкохідності. Проте в реактивних Р. цьому перешкоджає явище кавітації, що викликає вібрацію агрегату, зниження ккд(коефіцієнт корисної дії) і руйнування матеріалу Р.
Графіки, що виражають залежності величин, що характеризують Р., називаються турбінними характеристиками. На мал. 4 представлені характеристики Р. при постійному натиску і частоті обертання колеса, але при різних навантаженнях і витраті води. У реальних умовах Р. працюють при змінному натиску; їх поведінка в цьому випадку зображається універсальними характеристиками для моделі і експлуатаційними характеристиками — для натурної характеристики Г. Універсальниє будуються на підставі лабораторних досліджень моделі, проточна частина якої геометрично подібна натурною.
Характеристики поворотнолопастних і радіально-осьових гідротурбін, що випускаються в СРСР
Марка пово-ротнолопаст-ній гідротурбіни
Натиск, м-код
Число лопа-стей
Потужність, Mвт
Марка радіально-осьової гідротурбіни
Натиск, м-код
Потужність, Мвт
ПЛ-10
3-10
4
0,6-49
РО-45
30-45
6,5-265
ПЛ-15
5-15
4
1.3-88
PО–7 5
40-75
9,7-515
ПЛ-20
10-20
4
3.3-115
Po-115
70-115
21.5-810*
ПЛ-ЗО
15-30
5
6-180
Po-170
110-170
34-900*
ПЛ-40
20-40
6
8,2-245
Po-230
160-230
29.5-920*
ПЛ-50
30-50
7
13-280
Po-310
220-310
31-485
ПЛ-60
40-60
8
15-315
Po-400
290-400
31-280
ПЛ-70
45-70
8
15.8-350
Po-500
380-500
33-195
ПЛ-80
50-80
8
17-385
* Верхня межа показує потужності, технічно можливі. До 1970 максимальна одинична потужність працюючих гідроагрегатів досягла 500 Мвт .
На універсальних характеристиках ( мал. 5 ), виходячи з умов моделювання, в координатах приведених величин витрати Q'' 1 л/сек і частоти обертання h'' 1 об/мін (характерних для Р. даної серії діаметром робочого колеса 1 м-коду , що працюють при натиску 1 м-коду ) наносяться ізолінії рівних ккд(коефіцієнт корисної дії) h %, коефіцієнт кавітації s і відкриття направляючого апарату a 0 . Експлуатаційні характеристики ( мал. 6 ) будуються на підставі універсальних і показують залежність ккд(коефіцієнт корисної дії) натурної турбіни h % від навантаження N Мвм і натиску Нм при номінальній частоті обертання турбіни n = const. Тут же зазвичай наносять лінію обмеження потужності, що виражає залежність гарантованої потужності від натиску. На цих же характеристиках змальовують лінії рівних допустимих висот відсмоктування H S м-коди , що показують заглиблення робочого колеса Р. під рівень води в нижньому б'єфі (різниця відміток розташування робочого колеса і рівня нижнього б'єфу).
Проточна частина реактивних Р. складається з наступних основних елементів ( мал. 7 ): спіральної камери гідротурбіни 1 ; направляючого апарату 2 , регулюючого витрату води; робочого колеса 3 і відсисаючої труби 4, що відводить воду від Г. Реактівниє Р. по напряму потоку в робочому колесі діляться на осьових і радіально-осьових. За способом регулювання потужності реактивні Р. бувають одинарного і подвійного регулювання. До Р. одинарного регулювання відносяться Р., що містять направляючий апарат з поворотними лопатками, через який вода підводиться до робочого колеса (регулювання в цих Р. виробляється зміною кута повороту лопаток направляючого апарату), і лопастнорегуліруємиє Р., в яких лопаті робочого колеса можуть повертатися довкола своїх осей (регулювання в цих Р. виробляється зміною кута повороту лопатей робочого колеса). Р. подвійного регулювання містять направляючий апарат з поворотними лопатками і робоче колесо з поворотними лопатями. Поворотнолопастниє Р., вживані на натиски до 150 м-код , можуть бути осьовими і діагональними гідротурбінами . Різновидом осьових є двохперові, в яких на кожному фланці розміщуються по дві лопаті замість однієї. Радіально-осьові Р. одиночного регулювання застосовують на натиски до 500—600 м-код . Активні Р. будують переважно у вигляді ковшових Р. і застосовують на натиски вище за 500—600 м-код ; їх ділять на парціальних і непарціальних. У парціальних Р. вода до робочого колеса підводиться у вигляді струменів через одне або декілька сопів і тому одночасно працює одна або декілька лопатей робочого колеса. У непарціальних Р. вода підводиться одним кільцевим струменем і тому одночасно працюють всі лопаті робочого колеса. У активних Р. відсисаючі труби і спіральні камери відсутні, роль регулювальника витрати виконують соплові пристрої з голками, що переміщаються усередині сопів і що змінюють площу вихідного перетину. Великі Р. забезпечуються автоматичними регулювальниками швидкості.
По розташуванню валу робочого колеса Р. діляться на вертикальних, горизонтальних і похилих. Поєднання. Р. з гідрогенератором називають гідроагрегатом . Горизонтальні гідроагрегати з поворотно-лопатевими або пропелерними Р. можуть виконуватися у вигляді капсульного гідроагрегату .
Широкого поширення набули оборотні гідроагрегати для гідроакумулюючих і приливних електростанцій, що складаються з насосо-турбіні (гидромашини здатною працювати як в насосному, так і в турбінному режимах) і двигуна-генератора (електромашини, що працює як в руховому, так і в генераторному режимах). У оборотних гідроагрегатах застосовуються лише реактивні Г. Для приливних електростанцій використовуються капсульні гідроагрегати.
В 1962 в СРСР розроблена номенклатура поворотнолопастних і радіально-осьових Р., в якій даються система типів і розмірів Р. і їх основні гідравлічні і конструктивні характеристики (таблиця.). Ця номенклатура заснована на закономірній зміні залежностей геометричних і гідравлічних параметрів робочих коліс від натиску.
Основними тенденціями в розвитку Р. є: збільшення одиничної потужності, просування кожного типа Р. в область підвищених натисків, вдосконалення і створення нових типів Р., поліпшення якості, підвищення надійності і довговічності устаткування. У СРСР створені і успішно працюють Р. радіально-осьового типа потужністю 508 Мвт на розрахунковий натиск 93 м-коду з діаметром робочого колеса 7,5 м-коду для Красноярської ГЕС(гідроелектростанція), розробляються Р. такого ж типа для Саянськой ГЕС(гідроелектростанція) (одинична потужність 650 Мвт , розрахунковий натиск 194 м-коду , діаметр робочого колеса 6,5 м-коду ).
Великих успіхів в створенні Р. досягли фірми; «Хитаті», «Міцубіси», «Тосиба» (Японія), «Нохаб» (Швеція), «Нейрпік» (Франція), «Інгліш електрик» (Великобританія), «Фойт» (ФРН) і ін. Наприклад, японською фірмою «Тосиба» проектуються Р. для ГЕС(гідроелектростанція) Гранд-Кулі-iii одиничною потужністю 600 Мвт на натиск 87 м-коду з діаметром робочого колеса 9,7 м-коду .
Літ.: Шпанхаке Ст, Робочі колеса насосів і турбін, пер.(переведення) з йому.(німецький), ч. 1, М-код.—Л., 1934; Турбінне устаткування гідроелектростанцій, під ред. А. А. Морозова. 2 видавництва, М. — Л., 1958; Ковальов Н. Н., Гідротурбіни, М. — Л., 1961; Крівченко Р. І., Автоматичне регулювання гідротурбін, М. — Л., 1964; Tenot А., Turbines hydrauliques et régulateurs automatiques de vitesse, v. 1—4, P., 1930—35.
