4.3. Водяные или гидравлические турбины

В 1750 г. венгр Янош Сегнер (Segner), работавший с 1735 по 1755 г. профессором физики и математики Геттингенского университета предложил на суд общественности водяное колесо нового типа. Оно напоминало по принципу действия известный с античности эолипил Герона. Сегнерово колесо (это название сохранилось до наших дней) состоит из вертикальной подводящей трубы, к которой прикреплены свободно вращающиеся горизонтальные трубы с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами. Через отверстия вытекает жидкость, приводя во вращение колесо в соответствии с законом сохранения импульса. В настоящее время это устройство применяется как демонстрационная машина и для полива растений. В Европе изобретение Сегнера вызвало большой интерес, так как известные типы водяных колес уже не удовлетворяли растущих потребностей промышленности. Однако коэффициент полезного действия этой машины был лишь около 50 %.

Рис. 4.7. Сегнерово колесо

По всей вероятности поэтому член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер в 1751–1755 гг. провел анализ рабочего процесса колеса Сегнера, создав основы теории лопаточных или лопастных машин. Эйлер предложил также свою конструкцию гидравлического двигателя с неподвижным направляющим аппаратом и рабочим колесом с криволинейными лопатками. Он получил небольшое распространение, так как его энергетическая эффективность несущественно отличалась от эффективности известных ранее машин при большей сложности и дороговизне конструкции.

Следует отметить, что в 1745 г. в Лондоне была опубликована книга Дезагюлье, в которой дано детальное описание водяного двигателя изобретенного в Англии Баркерсом практически одинакового по конструкции с Сегнеровым колесом.

И колесо Сегнера, и колесо Баркерса устраняли главный недостаток старых конструкций: использование для подвода и отвода воды только части окружности рабочего колеса. Очевидно, верхнебойное или нижнебойное колеса не смогут работать при полном погружении в воду.

В 1823 г. Общество содействия национальной промышленности Франции объявило конкурс и назначило награду за усовершенствование водяного колеса. Это мероприятие умножило усилия изобретателей. Во Франции в это время сложилась инженерная школа с хорошей теоретической подготовкой и солидными практическими знаниями по созданию надежных быстроходных конструкций.

В 1826 г. французский профессор Бурден (Burdin), очевидно знакомый с работами Эйлера, предложил гидравлический или водяной двигатель, впервые названный им турбиной. Латинское слово turbo, turbinus означает волчок. С тех пор этот термин применяется во многих языках. В русском языке наряду с термином лопаточная машина используется эквивалентный термин турбомашина. В двигателе Бурдена имеются два основных рабочих органа, присущих всем современным турбинам (гидравлическим, паровым, газовым), – подвижное рабочее колесо (иногда называемый ротором турбины) и неподвижный направляющий аппарат. Вода подводится внутрь направляющего аппарата и направляется к периферии рабочего колеса, это – центробежная машина. Бурдену не удалось найти надлежащую форму лопаток турбины, поэтому коэффициент ее полезного действия был низок. Тем не менее, ему в 1827 г. вручили часть награды.

Рис. 4.8. Турбина Фурнейрона

Действительную заслугу по созданию первой водяной турбины, получившей промышленное значение, принадлежит ученику Бурдена Фурнейрону (Fourneyron), который построил в 1827 г. турбину мощностью 6 л.с. Коэффициент полезного действия этой турбины был таким же, как и у лучших водяных колес (около 70 %), но при значительно меньших габаритах. Расход воды через турбину легко регулировался при помощи цилиндрического щита, перемещающегося между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Турбина Фурнейрона, как и турбина Бурдена, является центробежной машиной с внутренним подводом воды, однако автору впервые удалось достаточно точно рассчитать форму лопаток в соответствии с параметрами потока. Более совершенную разновидность такой турбины мощностью 50 л.с. для привода кузнечного молота он построил в 1832 г. и получил за это вознаграждение в 6000 франков. Габариты водяных турбин стали быстро увеличиваться, их мощность к 1855 г. возросла до 800 л. с (усовершенствованная турбина Фурнейрона). В дальнейшем гидравлические турбины стали применяться главным образом для получения электроэнергии. Вертикальная турбина Фурнейрона строилась до начала XX в. с различными модификациями: подвод воды позже осуществлялся снизу, подводные опоры были заменены надводными, улучшалась система регулирования, применялась схема с двумя рабочими колесами и несколькими направляющими венцами. Турбина Фурнейрона применялась и для низких и для высоки напоров, недостижимых для прежних водяных колес (до 100 м.). Она хорошо работала и над и под водой при значительном превышении нижнего уровня над колесом, что не имело места у водяных колес традиционной конструкции.

Рис. 4.9. Турбина Сафронова

Первая водяная турбина в России была построена на Алапаевском чугуноплавильном и железоделательном заводе. Эта турбина, мощностью в 35 л.с. сконструирована и построена плотинным мастером И. Е. Сафоновым в 1837 г. Она представляла собой чисто радиальную турбину с внутренним подводом воды. По всей вероятности, это изобретение можно считать самостоятельным достижением уральского мастера, так как описание турбины Фурнейрона на русском языке появилось только в 1839 г. в Горном журнале.

На протяжении последующих пятидесяти лет в Европе и Северной Америке появилось много новых систем турбин. Больше всего на развитие гидротурбостроение оказали осевая турбина Жонваля (Jonvalle, 1843 г.), радиальная турбина Френсиса (Fransis, 1847 г.), активная тангенциальная турбина Пельтона (Pelton, Lester Allan).

Рис. 4.10. Турбина Жонваля

Турбина Жонваля кроме направляющего аппарата и рабочего колеса имела третий основной рабочий орган – отсасывающую трубу. Она нашла широкое применение, и строилось рядом заводов около 60 лет, постепенно вытесняя турбину Фурнейрона. Эти турбины строились одновенечными, двух- и трехвенечными. Они могли иметь либо вертикальную, либо горизонтальную ось. До 1890 г. максимальная единичная мощность турбин Жонваля не превышала 500 кВт при частоте вращения до 200 об. в мин., так как часто они отдавали свою механическую энергию через трансмиссии (зубчатые, ременные или канатные) к машинам-орудиям, которые располагались поблизости от турбин. После получения после 1891 г. возможности передачи электрической энергии на большие расстояния в связи с созданием трансформаторов, турбины стали напрямую соединяться с генераторами. Мощность турбин возросла за десятилетие в более чем в два раза, достигнув величины до 1200 кВт. В России осевые турбины Жонваля строились в Риге, Москве и на заводах Урала.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.