|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Гідротурбіни. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Турбіна - ротаційний двигун з безперервним робочим процесом і обертальним рухом робочого органу (ротора), що перетворює кінетичну енергію та/або внутрішню енергію робочого тіла (пара, газу, води) на механічну роботу. Струмінь робочого тіла впливає на лопатки, закріплені по колу ротора, і приводить їх у рух. Застосовується як привод електричного генератора на теплових, атомних і гідро електростанціях, як складова частина приводів на морському, наземному та повітряному транспорті, а також гідродинамічної передачі, гідронасосах.
В історії людства водяні двигуни завжди відігравали особливу роль. Протягом багатьох століть різні водяні машини були основним джерелом енергії у виробництві. Потім розвиток теплових (а пізніше електричних) двигунів сильно звузило сферу їх застосування. Однак скрізь, де були дешеві гідроресурси (струм зі швидким плином, водоспад або порожиста річка), водяний двигун міг виявитися кращим за всіх інших, оскільки був дуже простий за своєю конструкцією, не вимагав палива і мав порівняно високий ККД. Після того як у першій половині XIX століття була винайдена водяна турбіна з дуже високим ККД, гідроенергетика пережила друге народження. З початком електрифікації по всьому світу розгорнулося будівництво гідроелектростанцій, на яких електрогенератори отримували свій привід від потужних гідротурбін різних конструкцій. І в наш час на частку гідротурбіну припадає чимала частина світового виробництва електроенергії. Тому цей чудовий пристрій по праву входить до найбільших винаходів. Водяна турбіна розвинулася з водяного колеса, і перш ніж говорити про її пристрій, слід сказати кілька слів про водяні колеса. Як зазначалося, перші водяні колеса почали використовувати у давнину. За конструкцією вони ділилися на нижньобійні (або підливні) та верхньобійні (або наливні). Нижньобійні колеса були найпростішим типом водяного двигуна. Вони не вимагали для себе будівництва каналів або гребель, але в той же час мали найнижчий ККД, оскільки їхня робота ґрунтувалася на досить невигідному принципі. Цей принцип полягав у тому, що вода, що підтікає під колеса, ударяла в лопатки, змушуючи їх обертатися. Таким чином, у підливних колесах використовувалася лише сила напору води. p align="justify"> Більш раціональні з енергетичної точки зору були наливні колеса, в яких використовувався ще й вага падаючої води.
Влаштування наливного колеса також було дуже просто. По обіду великого колеса чи барабана прилаштовувався ряд ковшів. Вода зверху з ринви наливалася у верхній ківш. Наповнений водою ківш ставав важчим, опускався вниз і тяг за собою весь обід. Колесо починало обертатися. На місце колеса, що опускається, ставав наступний ківш. Він теж наповнювався безперервно течією і починав опускатися. На його місце приходив третій, потім четвертий і таке інше. Коли ковші доходили до нижньої точки обода, вода їх виливалась. За інших рівних умов потужність верхньобійних коліс була вищою, ніж у нижньобійних, але ці колеса мали великі габарити і невисоку швидкість обертання. Крім того, для їх ефективної роботи потрібно створювати значний перепад води, тобто будувати канали, греблі та інші дорогі споруди.
Будь-яке водяне колесо насаджувалося на вал, що обертався разом із колесом, а від нього обертання передавалося далі до тієї машини, яку хотіли привести в дію. У давнину та середньовіччя такі двигуни широко використовували в різних галузях виробництва, де з їх допомогою надавали руху молоти, повітродувні хутра, насоси, ткацькі машини та інші механізми. Може здатися, що за багатовікову історію існування водяних коліс механіки довідалися про них усі. Та й що можна було придумати нового у цій старій як світ конструкції? Однак виявилось, що можна. У 1750 році угорець Сегнер, який працював у Геттінгенському університеті, висунув зовсім нову ідею водяного двигуна, в якому поряд з напором і вагою використовувалася ще й сила реакції, створювана потоком води.
Вода надходила зверху в посудину, з'єднану з віссю, внизу якої розташовувалися хрестоподібні трубки із загнутими в один бік кінцями. Вода випливала через них, і сила реакції, що виходила при цьому, діяла у всіх чотирьох трубках в одну і ту ж сторону, приводячи в обертання все колесо. Це була надзвичайно дотепна знахідка, що не отримала, втім, у цьому виді ніякого практичного застосування, але збудила до себе найжвавіший інтерес деяких математиків та інженерів. Великий німецький математик Ейлер одним із перших відгукнувся на цю новинку, присвятивши дослідженню Сегнера колеса кілька своїх робіт. Насамперед, Ейлер вказав на недоліки у конструкції Сегнера, зазначивши при цьому, що невисокий ККД колеса був наслідком нераціональних втрат енергії. Далі він писав, що ці втрати можуть бути значно знижені, якщо ідея нового двигуна отримає повніше втілення. Значні втрати відбувалися насамперед при вході води в колесо через різку зміну напрямку та швидкість течії води (енергія тут витрачалася на удар). Але їх можна було зменшити, якщо підводити воду до колеса у напрямку обертання зі швидкістю обертання. На виході також були втрати, оскільки частина енергії неслася з вихідною швидкістю води. В ідеалі вода має віддавати колесу всю свою швидкість. Для цього Ейлер пропонував замінити горизонтальні водовипускні трубки трубками криволінійної форми, що йдуть зверху донизу. Тоді вже не було потреби робити отвори для випуску води збоку, тому що можна було просто залишати відкритим нижній кінець замкнутої трубки. Ейлер передбачив, що в майбутньому гідравлічні машини цього нового типу (власне, мова тут йшла про гідравлічну турбіну, але самої цієї назви ще не було у вжитку) матимуть дві частини: нерухомий напрямний апарат, по проходженню через який вода надходитиме до нижнього обертового колесо є робочим органом машини. Незважаючи на висловлені зауваження, Ейлер дуже високо оцінив винахід Сегнера і прозорливо вказав, що той відкрив новий шлях розвитку гідравлічних двигунів, якому судилося велике майбутнє. Однак і колесо Сегнера, і роботи Ейлера дещо випередили свій час. Наступні сімдесят років ніхто не намагався вдосконалити колесо Сегнера відповідно до зауважень Ейлера. Інтерес до них у першій чверті ХІХ століття відродили роботи французького математика Понселе, який запропонував особливий вид підливних коліс нової конструкції. ККД колеса Понселе досягало 70%, що було зовсім недосяжно для інших типів водяних двигунів.
Секрет успіху полягав у тому, що лопаткам колеса була надана особлива напівкругла форма, так що вода, що підводилася, надходила на них у напрямку їхньої кривизни, проходила деяку відстань вгору по лопатці, а потім, опускаючись, виходила назовні. За таких умов зовсім усувався удар води об лопатки при вході, на який зазвичай губилася значна частина енергії водяного струменя. Винахід Понселе став важливим кроком на шляху до водяної турбіни. Щоб цей шлях пройдено остаточно, бракувало другого елемента турбіни, описаного Эйлером - направляючого апарату. Вперше направляючий апарат до водяного колеса застосував професор Бюрден у 1827 році. Він же перший назвав свою машину турбіною (від латинського turbo - швидке обертання), після чого це визначення узвичаїлося. У 1832 році першу практично застосовну гідротурбіну створив французький інженер Фурнейрон.
Його турбіна складалася з двох концентричних коліс, що лежали один проти одного: внутрішнього, нерухомого K, що представляв із себе напрямний апарат, і зовнішнього з вигнутими лопатками a, яке і було робочим турбінним колесом. Вода надходила в турбіну зверху через трубу, що охоплювала вал турбіни, і потрапляла на лопатки направляючого апарату. Ці лопатки змушували воду рухатися по кривій лінії, внаслідок чого вона втікала в горизонтальному напрямку в лопатки турбінного колеса, без удару, по всьому його внутрішньому колу, віддаючи останньому всю свою енергію, а потім поступово стікала по його внутрішньому колу. Знову надходить і відпрацьована вода ніде не змішувалися між собою. Турбінне колесо було міцно з'єднане з вертикальним валом D, через який передавався рух. ККД турбіни Фурнейрона сягав 80%. Створена ним конструкція мала величезне значення для подальшої історії турбобудування. Чутка про цей дивовижний винахід швидко поширилася по всій Європі. Фахівці-інженери з багатьох країн протягом кількох років приїжджали в глухе містечко Шварцвальда, щоб оглядати турбіну Фурнейрона, що працювала там, як велику пам'ятку. Незабаром турбіни почали будувати у всьому світі. Перехід до турбін став революційним переворотом історія гідравлічних двигунів. У чому полягала їх перевага перед старим водяним колесом? У наведеному вище стислому описі турбіни Фурнейрона важко побачити колесо Сегнера. Тим часом вона заснована на тому ж принципі використання реактивного руху водяного струменя (чому цей тип турбін і отримав пізніше назву реактивних). Просто Фурнейрон уважно врахував усі зауваження Ейлера та використав свій власний досвід інженера-гідравліка. Турбіна Фурнейрона відрізнялася від водяного колеса кількома важливими моментами. У водяному колесі вода входила і виходила в тому самому місці. Через це як швидкість, так і напрямок руху води в лопатці колеса були різні в різні моменти часу - колесо ніби витрачало неабияку частину своєї корисної потужності на постійне подолання опору струменя. У турбіні Фурнейрона вода з направляючого апарату входила однією кромку лопатки колеса, проходила лопаткою і стікала з іншого боку. Внаслідок цього в турбіні вода не зупинялася, не змінювала напрями своєї течії на зворотне, а від вхідних до вихідних країв текла безперервно. У кожній точці лопаток її швидкість була однакова за напрямом і відрізнялася тільки за величиною. В результаті швидкість обертання турбіни теоретично залежала тільки від швидкості води, і тому турбіна могла обертатися в кілька десятків разів швидше за звичайне водяне колесо. Інша вигідна відмінність турбіни полягала в тому, що вода одночасно проходила по всіх лопатках колеса, а у водяному колесі – лише через деякі. В результаті, енергія водяного струменя використовувалася в турбіні набагато повніше, ніж у водяному колесі, а її габарити за тієї ж потужності були в кілька разів меншими. У наступні роки виробилося кілька основних видів гідротурбіну. Не вдаючись тут у подробиці, відзначимо, що всі турбіни XIX століття можна умовно поділити на два основні типи: реактивні та струменеві. Реактивна турбіна, як уже говорилося, була удосконаленим колесом Сегнера. Вона мала турбінне колесо, насаджене на вал, з особливим чином викривленими лопатками.
Це колесо укладало в собі або було оточене направляючим апаратом. Останній уявляв собою нерухоме колесо з напрямними лопатками. Вода прямувала вниз через направляючий апарат та турбінне колесо, причому лопатки першого спрямовували воду на лопатки другого. При виливанні вода давила на лопатки та обертала колесо. Від валу обертання передавалося далі до якогось пристрою (наприклад, електрогенератора). Реактивні турбіни виявилися дуже зручними там, де напір води невеликий, але є можливість створити перепад у 10-15 м. Вони набули у XX столітті дуже широкого поширення. Іншим поширеним типом турбін були струйні. Їх важливий пристрій полягала в тому, що струмінь води під сильним натиском ударяла в лопатки колеса і цим змушувала його обертатися. Подібність струминної турбіни з нижньобійним колесом дуже велика. Прообрази таких турбін з'явилися ще в середні віки, як це можна зробити з деяких зображень того часу. У 1884 році американський інженер Пельтон значно удосконалив струминну турбіну, створивши нову конструкцію робочого колеса. У цьому колесі гладкі лопатки колишньої струминної турбіни були замінені особливими ним винайденими, що мають вигляд двох з'єднаних разом ложок. Таким чином, лопатки вийшли не плоскими, а увігнутими, з гострим ребром посередині. При такому пристрої лопаток робота води майже повністю йшла на обертання колеса і тільки дуже мала її частина губилася марно.
Вода до турбіни Пельтона надходила трубою, що йде від запруди або водоспаду. Там, де води було багато, труба робилася товстою, а де води було менше, вона була тонша. На кінці труби був наконечник, або сопло, з якого вода виривалася сильним струменем. Струмінь потрапляла в ложкоподібні лопатки колеса, гостре ребро лопатки різало її навпіл, вода штовхала лопатки вперед, і турбінне колесо починало обертатися. Відпрацьована вода стікала вниз у відвідну трубу. Колесо з лопатками та соплом прикривалося зверху кожухом із чавуну чи заліза. При сильному тиску колесо Пельтона оберталося з величезною швидкістю, роблячи до 1000 обертів на хвилину. Воно було зручно там, де була можливість створити сильний тиск води. ККД турбіни Пельтона був дуже високий і наближався до 85%, тому вона й набула найширшого поширення. Після того, як у 80-ті роки XIX століття була розроблена система передачі електричного струму на великі відстані та з'явилася можливість зосередити виробництво електроенергії на "фабриках електрики" - електростанціях, почалася нова епоха в історії турбобудування. У поєднанні з електрогенератором турбіна стала тим могутнім інструментом, за допомогою якого людина поставила собі на службу величезну силу, приховану в річках та водоспадах. Автор: Рижов К.В.
▪ Глибоководний живий підводний апарат ▪ телескоп
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Простий спосіб видобутку урану з морської води ▪ Сімейство 75 і 100 у MOSFET-транзисторів поповнилося ▪ Окситоцин у боротьбі з аутизмом ▪ Технологія Qi для бездротового заряджання акумуляторів
▪ розділ сайту Побутові електроприлади. Добірка статей ▪ стаття Краса врятує світ. Крилатий вислів ▪ стаття Чому ми сприймаємо свій голос у записі інакше, ніж коли говоримо? Детальна відповідь ▪ стаття Оператор гофролінії. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Термостабілізатор із широким інтервалом. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Незвичайне запалювання свічки. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page