Двукратни турбини за малки ВЕЦ

Сп. Енерджи ревю - брой 4, 2011, Септември

Двукратни турбини за малки ВЕЦ

Двукратните водни турбини са подходящо решение при изграждането на малки водноелектрически централи в България. Приложението им се обуславя от особеностите на географските условия, характеризиращи се с голям диапазон на изменение на геодезичните напори и на водните количества, както и от спецификите на местния енергиен пазар. От инвестиционна гледна точка, инсталациите с двукратни турбини се характеризират със сравнително ниски капиталовложения (до три пъти по-ниски в сравнение с алтернативните решения) и ниски експлоатационни разходи. Високата степен на оползотворяване на разполагаемия хидроенергиен потенциал и възможността за доставка от местни производители допълват основните им предимства.
Двукpaтните турбини се използват за напори от 2 до 200 м, нo мoщнocттa им e oгpaничeнa oбикнoвeнo дo 1000 kW, пopaди cpaвнитeлнo ниcките cтoйнocти нa к.п.д. (мaкcимaлнa cтoйнocт дo 85%). В отделни случаи мощността на турбините от този тип може да достигне до 3000 kW. Отличават се с изключително проста и технологична конструкция и възможности за ръчно и автоматично регулиране. Освен това, двукратните турбини осигуряват работа на централата в широк диапазон от режими и се характеризират с висока степен на унификация на възлите и детайлите, което е съществено предимство за хидроенергийното оборудване на малките ВЕЦ.

Конструктивни особености
Проточната част на двукратната турбина се състои от няколко елемента: направляващо устройство; работно колело; работна камера и изпускателна тръба. Ha фиг. 1 e пoкaзaнa типична схема на двукpaтнa туpбинa зa ниcки нaпopи и елементите на проточната й част: нaпpaвлявaщo уcтpoйcтвo (дюзa 1 и peгулиpaщa лoпaткa 2), paбoтнo кoлeлo 3 и paбoтнa кaмepa (кoжуx) 4. Зa предотвратяване понижаването на налягането в paбoтнaтa кaмepa под допустимата стойност, към нея e мoнтиpaн въздушен клaпaн 5. Направляващото устройство представлява дюза с правоъгълно сечение, към която обикновено е интегриран регулиращият орган. За да се свърже с напорния тръбопровод, между него и входа на дюзата се монтира преход. Подвеждането на водата към дюзата може да бъде хоризонтално (фиг. 1), вертикално или под наклон. Направляващото устройство има за задача да преобразува енергията на водата изцяло в кинетична и да осигурява равномерно разпределение на дебита в границите на активния ъгъл (в който водата атакува лопатките на работното колело при първото преминаване). Освен това, трябва да осигурява постоянен ъгъл на атака на работните лопатки и да регулира дебита, респ. мощността на турбината. Срещат се различни конструкции на регулиращия орган, като най-често използваните са показани на фиг. 2. Класическото решение е лопатка (фиг. 2а), профилирана с оглед осигуряването на желаното направление на течението на входа на работното колело. В първите конструкции на двукратни турбини се среща и плоският регулиращ орган – фиг. 2б. Много често в конструкциите се използва и секторният (цилиндричен) регулиращ орган, показан на фиг. 2в и сравнително рядко – клапата от фиг. 2г. Работното колело се състои от два диска, между които са разположени работните лопатки – фиг. 3а. В съвременните конструкции, особено когато работното колело е с по-голяма широчина, се използват междинни дискове (фиг. 3б).
Основно изискване при проектирането на проточната част на турбината е осигуряването на съгласуваност в кинематичните характеристики на течението на изхода на направляващото устройство и входа на работното колело. Направляващото устройство формира струя с правоъгълно сечение, която атакува лопатките на работното колело в сектор, определен от стойността на активния ъгъл (той се променя при различните режими на работа). Водата атакува лопатките на работното колело два пъти, откъдето произлиза и наименованието на турбината - двукратна.
Работната камера на двукратната турбина трябва да има такива размери и форма, които да осигурят ефективно отвеждане на водата от работното колело към шахтата.
Използването на изпускателна тръба се налага при нисконапорните двукратни турбини и в случаите, когато отвеждането на водата след работното колело е на по-голямо разстояние (например, когато турбината е в системата на питеен водопровод).
В случаите, когато изискванията към енергийните характеристики на турбината не са високи (например при по-малка мощност), често работните лопатки се изпълняват като част от цилиндрична повърхнина (т. нар. цилиндрични лопатки) и с постоянна дебелина. Те се изработват лесно (може да бъде използвана дори тръба с подходящ диаметър и дебелина). В този случай профилът на лопатката представлява дъга от окръжност.
Ако изискванията към енергийните характеристики на турбината са по-високи, за пресмятането средната линия на лопатките се използват други методи. Например, може да се зададе начинът на трансформация на енергията или известният от теорията на лопатъчните хидравлични машини метод за пресмятане "по точки". При по-големи мощности лопатките се профилират (дебелината им е променлива). За пресмятането на работните лопатки на двукратни турбини някои специалисти прилагат оптимизационна изчислителна схема, подобна на тази, използвана при Францисовите, осовите и Пелтоновите турбини, чрез последователно прилагане на задачите за синтез на работните лопатки и анализ на обтичането им. В качеството на управляващи параметри тук могат да бъдат използвани ъгълът на входа на лопатките, броят им, диаметровото отношение и др. Резултати от пресмятането на работна лопатка за двукратна турбина (за средната й линия) чрез използването на различни методи и изчислителни схеми е показан на фиг. 4: цилиндрична, по точки, по метода на ВИГМ (Русия) и чрез прилагане на оптимизационна процедура (optima). Пресмятането е извършено с помощта на специализиран софтуер.
Броят на работните лопатки зависи от външните параметри на турбината и габаритите на работното колело и се изменя в широки граници. Той може да бъде определен, например, чрез гъстотата на лопатъчната решетка:

където l е дължината на лопатката, а е стъпката на решетката. Следователно, броят на лопатките може да бъде определен по формулата:

За стойността на гъстотата t в специализираната литература се препоръчва t=1,923.
Характерна особеност на двукратните турбини за големи дебити и сравнително ниски стойности на напора е разделянето на работното колело и направляващото устройство на две части в съотношение 1:2. Задвижването на двете направляващи лопатки е независимо. Това дава възможност на турбината да работи ефективно в много широк диапазон от режими - например при много малък дебит по-голямата от двете части е затворена и работи само 1/3 от широчината на работното колело (респ. регулирането се извършва в рамките на тази третина). На фиг. 5 са показани работни характеристики при работа с 1/3, с 2/3 и с цялата широчина на работното колело. Направено е сравнение с аналогична характеристика на Францисова турбина със същата бързоходност, което показва сериозното предимство на двукратната турбина при по-малки товари.

Двукратни турбини, произвеждани в България
В България системните изследвания за създаване на проточна част и конструкции на съвременни двукратни турбини започват през 80-те години на миналия век. Първите турбини с много малка мощност са произведени по това време, а нови конструкции се появяват на пазара в началото на 21 век. Досега български двукратни турбини са инсталирани в над 20 малки ВЕЦ у нас. На фиг. 6 е показан компютърен модел на българска двукратна турбина. Тя е с хоризонтален вал (1), който посредством еластичен съединител се свързва с вала на генератора. Дюзата (2) и корпусът (3) на турбината са обединени конструктивно и са изработени от листова конструкционна стомана. Регулиращият орган е цилиндричен (фиг. 2в) и е лагеруван в корпуса на турбината с плъзгащи лагери. Задвижването на регулиращия орган се извършва посредством електродвигателя (4) и тристъпален редуктор. Ходът на регулиращия орган е осигурен механично чрез ограничители и електрически – чрез крайни изключватели. В корпуса е предвиден ревизионен люк.
Работното колело може да бъде заварено към вала или да се монтира подвижно към него (в този случай предаването на въртящия момент се осъществява чрез шпонково съединение). То се изработва изцяло от Cr-Ni стомана. Работните лопатки са щамповани и са запънати в носещите дискове, което изключва възможността за откъсване под действието на центробежните сили при нормален или авариен режим на работа. Опитните изследвания показват, че междинните дискове подобряват както якостните, така и енергийните характеристики на колелото. Валът на турбината 1 (фиг. 6) е лагеруван с търкалящи двуредни ролкови лагери, разположени в лагерните тела (6) от двете страни на корпуса. В конструкцията на турбината са предвидени термометри за измерване на температурата на лагерните възли (температурни сонди). Лагерите са защитени с маншетни гумени и полиуретанови уплътнения и са изолирани чрез дистанционни камери от уплътненията на вала в корпуса на турбината. Уплътненията на вала са активни лабиринтни от двете страни на корпуса. Пропуските през тези уплътнения се отвеждат в дренажната система чрез оформени камери в лагерните тела и дренажни тръби. Роторът на турбината (вал, работно колело, съединител) се балансира динамично. Изпускателната тръба се монтира към изходящия фланец (7) на турбината. Освен това, тя се укрепва към стените на шахтата чрез твърди щанги. Тръбата се изработва от стоманена ламарина и има антикорозионно покритие. Турбината се монтира заедно с генератора върху рама, която се бетонира във фундамента на централата. Съединителят е осигурен с предпазител. Монтажът на турбината и генератора върху рамата се извършва в заводски условия. В сглобен вид хидроагрегатът се транспортира до централата. Към работната камера на турбината се присъединява автоматичен въздушен клапан, който поддържа постоянно налягане в нея. Това дава възможност за по-ефективно оползотворяване на разполагаемия напор, което е важно при нисконапорните хидроагрегати.
Работният процес в турбината осигурява интензивно аериране на водното течение през работното колело. Това е сериозно предимство, особено когато турбината се използва във водоснабдителни системи.

По материали на В. С. Обретенов, Ц. И. Цалов