Вестгейт-турбины: виды, устройство и применение¶

Вестгейт-турбина — разновидность осевой гидротурбины, рабочее колесо которой выполнено с неподвижными направляющими лопастями («вестгейт»), расположенными перед рабочим колесом. Название происходит от английского west gate — «западные ворота», что связано с историей первых гидроэлектростанций, где такие турбины устанавливались у западного впуска воды. Вестгейт-турбины занимают промежуточное положение между пропеллерными (осевыми) и радиально-осевыми (Френсиса) турбинами по характеристикам напора и расхода воды.

¶История

Разработка вестгейт-турбин связана с именем британского инженера Джеймса Бойля, который в начале XX века предложил конструкцию осевой турбины с неподвижными лопастями направляющего аппарата перед рабочим колесом. Первые образцы были изготовлены на заводе Gilkes в Кендале (Англия) в 1920-х годах. В СССР вестгейт-турбины начали производить в 1950-е годы на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ) и Харьковском заводе «Турбина». Наиболее известные отечественные модели — ВГК (вертикальная гидравлическая колонная) и ВО (вертикальная осевая) — широко применялись на малых и средних ГЭС.

¶Устройство и принцип работы

Вестгейт-турбина состоит из следующих основных элементов:

• Направляющий аппарат — кольцевой ряд неподвижных лопастей, закреплённых на корпусе. Лопасти задают воде закрутку перед входом на рабочее колесо.
• Рабочее колесо — диск с закреплёнными на нём лопастями, которые имеют форму, близкую к форме лопастей направляющего аппарата. Число лопастей рабочего колеса обычно равно числу лопастей направляющего аппарата.
• Диффузор (отводной конус) — расширяющаяся труба за рабочим колесом, преобразующая кинетическую энергию потока в давление.

Вода под напором поступает через направляющий аппарат, получает закрутку и попадает на лопасти рабочего колеса. Лопасти колеса имеют почти одинаковый профиль с лопастями направляющего аппарата, поэтому поток проходит через них без резких поворотов, что снижает гидравлические потери. Вращение рабочего колеса передаётся через вал на генератор.

¶Классификация

По расположению вала вестгейт-турбины делятся на:

• Вертикальные (с вертикальным валом) — наиболее распространённый тип для средних и больших ГЭС.
• Горизонтальные (с горизонтальным валом) — применяются на малых ГЭС и в передвижных энергоблоках.

По числу лопастей рабочего колеса различают:

• Многолопастные (12–24 лопасти) — для низких напоров (2–20 м).
• Малолопастные (4–8 лопастей) — для средних напоров (20–60 м).

По типу лопастей:

• С нерегулируемыми лопастями — простейшая конструкция, КПД снижается при отклонении от номинального режима.
• С регулируемыми лопастями — лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси, что расширяет диапазон эффективной работы.

¶Характеристики

Вестгейт-турбины характеризуются следующими параметрами:

Диапазон напоров, для которых оптимальны вестгейт-турбины, перекрывается с пропеллерными (до ~20 м) и радиально-осевыми турбинами (от ~20 м). Это делает вестгейт-турбины универсальным решением для ГЭС со средними напорами.

¶Применение

Вестгейт-турбины применяются на гидроэлектростанциях по всему миру. В России они установлены на рядах ГЭС, включая Волго-Камский каскад, Нижнекамскую ГЭС, Братскую ГЭС (частично), а также на множестве малых ГЭС. Завод «Турбина» (Харьков) и ЛМЗ (Санкт-Петербург) выпускали турбины серии ВГК и ВО для поставок в страны СНГ и за рубеж.

Вестгейт-турбины также применяются в качестве водяных турбин в малой энергетике, в системах водоснабжения с гидроэнерговосстановлением и в передвижных гидроэнергоблоках.

¶Достоинства и недостатки

К достоинствам вестгейт-турбин относятся:

• Простота конструкции и относительно низкая стоимость изготовления.
• Возможность работы при переменной нагрузке (при наличии регулируемых лопастей).
• Относительно высокий КПД в широком диапазоне напоров.
• Возможность вертикального и горизонтального исполнения.

К недостаткам относятся:

• Ограниченный диапазон напоров по сравнению с радиально-осевыми турбинами.
• Сложность изготовления при больших диаметрах рабочего колеса.
• Необходимость регулирования лопастей для поддержания высокого КПД при изменении нагрузки.

¶Сравнение с другими типами турбин

Вестгейт-турбины остаются востребованным типом гидротурбин для ГЭС со средними напорами, сочетая относительную простоту конструкции с высокой энергетической эффективностью.

¶Источники

• Буров В. А. «Гидравлические турбины». — Л.: Машиностроение, 1971.
• Патрушев И. И. «Расчёт гидравлических турбин». — Л.: Машиностроение, 1974.
• Копылов И. Ф. «Гидравлические машины». — М.: Высшая школа, 1971.
• «Справочник по гидротурбинам» / под ред. В. И. Степанова. — Л.: Энергия, 1984.