Любой гидроэнергетический объект создается благодаря мощной инженерной базе, требуя детального проектирования. Ключевым компонентом современной гидротурбины, проектированию которого следует уделять повышенное внимание, выступает отсасывающая труба. Данное устройство лишено движущихся частей и является коническим диффузором, устанавливаемым на выходе из блока рабочих колес турбины, повышая общую эффективность механизма.
Отсасывающие трубы можно рассматривать в качестве аналога спиралей центробежных насосов. Современные гидроэлектрические турбины реактивного типа обычно комплектуются подобными устройствами. Тестировать отсасывающие трубы гидротурбин помогают релевантные стандарты Международной электротехнической комиссии (International Electrical Commission; IEC; МЭК) и Американского общества инженеров-механиков (American Society of Mechanical Engineers; ASME).
Первые гидравлические турбины и отсасывающие трубы
Первую экспериментальную машину, обладающую чертами современных гидротурбин, в 1824 году изобрел профессор Горной школы во французском городе Сент-Этьене. Изобретатель Клод Бурдин назвал устройство "turbine", отталкиваясь от латинского слова "turben", которое на русский переводится как "волчок". Однако построить коммерческую модель Бурдину так и не удалось.Идею впоследствии подхватил один из учеников Бурдина по имени Бенуа Фурнейрон, разработавший коммерческий образец. Фурнейрон построил более 1 сотни турбин. По мере совершенствования конструкции инженер осознал возможные преимущества использования диффузора на выходе из рабочей камеры турбины. В 1855 году Фурнейрон запатентовал диффузор, который чем-то напоминал современную спиральную камеру.
Устройство максимально снижало скорость воды на выходе, сохраняя давление внутри рабочей камеры. Итоговой скорости жидкости было достаточно лишь для того, чтобы вода свободно вытекала из турбины. Иными словами, создавался искусственный напор, превышающий естественный, что позволяло максимизировать КПД.
Сегодня отсасывающие трубы современной конструкции работают по аналогичному принципу, обеспечивая больший напор и, следовательно, большую мощность и эффективность. При этом конструкторы стремятся к недопущению слишком сильного снижения давления под рабочим колесом относительно атмосферного, чтобы избежать возникновения деструктивного эффекта под названием кавитация.
Реактивная (напорно-струйная) турбина и активная (свободно-струйная / импульсная) турбина
Существует два основных типа гидравлических турбин: активные и реактивные. Первые работают в диапазоне наивысшего напора (удельной энергии) и преобразуют энергию столба жидкости в механическую энергию исключительно за счет изменения скорости в рабочем блоке.Реактивные турбины используются при минимальном и среднем напоре, преобразуя энергию путем изменения скорости и давления в рабочем блоке. Следовательно, производительность реактивных турбин повышается за счет отсасывающих труб.
В случае гидравлических турбин наличия какого-либо изменения давления в рабочем колесе достаточно для отнесения устройства к реактивному типу. Однако паровые и газовые турбины классифицируются как реактивные машины только в том случае, если 50% или более преобразования энергии происходит вследствие изменений давления.
Конструкция отсасывающей трубы
Отсасывающие трубы – дорогостоящие и сложные устройства, для изготовления которых, как правило, требуется значительное количество бетона и иных материалов. Первоначально гидравлические турбины были небольшими машинами, а оригинальные отсасывающие трубы являлись коническими диффузорами, направленными вниз.Однако по мере увеличения размера и мощности турбин такая конфигурация отсасывающей трубы требовала постоянного наращивания объема земляных и иных подготовительных работ. Впоследствии распространение получили конструкции, в которых отсасывающие трубы выполнены с использованием круговых изгибов, позволяющих минимизировать дополнительные работы. Но главная особенность конструкции отсасывающих труб остается неизменной, даже с учетом вышеупомянутых закругленных переходов.
Методы испытаний и релевантные стандарты
Более семи десятилетий существуют два документа, регламентирующие процесс испытаний гидравлических турбин. Каждый из них описывает эффективные процедуры измерения и расчета эффективности прототипов гидротурбин.Первым является кодекс испытаний эффективности № 18, подготовленный специалистами Американского общества инженеров-механиков. Официальное название документа звучит следующим образом: ASME PTC 18 "Гидравлические турбины и насос-турбины".
Второй документ называется Публикация МЭК 41 "Полевые приемочные испытания для определения пропускной способности гидравлических турбин, накопительных насосов и насосов-турбин". Данный документ подготовили специалисты Международной электротехнической комиссии.
Кодекс ASME также применяется к испытаниям моделей турбин, в то время как организация МЭК ранее подготовила и опубликовала отдельный документ, охватывающий процесс комплексных испытаний моделей турбин.
Первоначально Публикация МЭК 41 и кодекс ASME PTC 18 обладали рядом существенных различий. Например, Публикация МЭК 41 содержала сложные процедуры для расчета неопределенностей или неточностей в ходе испытаний и применения диапазона этих значений к результатам испытаний. В кодексе Американского общества инженеров-механиков не было положений для расчета неопределенностей, возникающих в процессе испытаний. Сегодня оба документа обладают соответствующими положениями.
