Развитие водяных турбин
Водяное колесо могло работать только при малых напорах воды, которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водных потоках со средними (8-25 м) и высокими (более 25 м) напорами. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения энергии таких водных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса [3].
Водяные колеса приводились во вращение действием веса воды или ударом струи в лопасти. Но можно было использовать и другое физическое явление - силу реакции потока воды на лопастях рабочего колеса.
Толчком к развитию новых идей в области гидравлических двигателей явились труды Даниила Бернулли. В работе «Гидродинамика», опубликованной в 1738 г., Бернулли обобщил ряд своих исследований по вопросам гидравлики и гидродинамики и вывел уравнение, устанавливающее связь между давлением и скоростью в каждой точке потока несжимаемой капельной жидкости:
Уравнение Бернулли не только отражало закон сохранения и превращения энергии для частного случая гидравлической энергии, но и указывало на принципиальную возможность построения гидравлических двигателей двух разных классов: использующих либо кинетическую (u2/2g), либо потенциальную (z + р/у) составляющую полной энергии водного потока. Кроме того, Бернулли разработал теорию реактивного действия, возникающего при вытекании струи через отверстие, сделанное в стенке сосуда.
Практически сила реакции, создаваемая потоком воды на лопасти рабочего колеса, была использована впервые в 1745 г. английским механиком Д. Баркером, построившим реактивное колесо, а затем в 1747-1750 гг. - венгерским физиком Я. А. Сегнером, работавшим в Геттингенском университете. Сегнер создал прибор, который был назван сегнеровым колесом и явился прототипом реактивного гидравлического двигателя. Первоначально он построил цилиндр с двумя трубками для выпуска воды, а затем - с четырьмя (рис. 1.5). Последнюю из этих конструкций Сегнер пытался применить для вращения жернова, т. е. превратить этот прибор в двигатель, пригодный для энергоемкой работы. Однако недостаточное понимание сущности физических процессов, происходящих в таком двигателе, не позволило ученому рационально его усовершенствовать. Единичные экземпляры сегнеровых колес, простых и сдвоенных, применялись до середины XIX в.
Тем не менее в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л. Эйлер усмотрел большие практические возможности. Уже в первом докладе, сделанном в Берлинской академии наук (1750),
Эйлер дал анализ процессов в сегнеровом колесе и указал, что низкий КПД - это следствие потерь энергии при входе и выходе воды из колеса. Эйлер показал, что, усовершенствовав сегнерово колесо (в основном за счет более рационального подвода и отвода воды), можно использовать почти всю энергию воды, пропускаемой через колесо.
В последующих докладах ученого (17511754) были показаны преимущества сегнерова колеса перед другими гидравлическими машинами и изложена теория водяного реактивного двигателя.
На основе уравнений сохранения количества движения Эйлер вывел уравнение работы гидравлической турбины, которое нашло применение также в теории лопастных насосов, турбокомпрессоров и вентиляторов. Идея Эйлера о рациональной конструкции гидравлической турбины получила свое окончательное выражение в его предложении разделить гидравлическую машину нового типа на две части - неподвижную и вращающуюся. Через неподвижный направляющий аппарат вода поступает в нижнее вращающееся колесо, насаженное на вал и являющееся рабочим органом машины; рабочее колесо имело 20 коротких изогнутых труб для выхода воды. В таком виде гидравлический двигатель представлял собой переходную конструкцию от первоначальной формы сегнерова колеса к гидравлической турбине (рис. 1.6).
Несмотря на полную научную и техническую обоснованность конструкции водяной турбины, предложенной Эйлером, в XVIII в. по экономическим причинам она не нашла практического применения и, возможно, даже не была опробована на практике (точных сведений нет). Лишь в 40-х гг. XX в. в Швейцарии, на родине Эйлера, была построена действующая модель турбины с некоторыми конструктивными дополнениями, которые устраняли разбрызгивание воды при выходе из направляющего аппарата. Испытания показали, что эта турбина имеет наибольший КПД (71,2 %) при числе оборотов n = 180 об/мин. Оба эти показателя говорят о высоких качествах двига-теля. Так, скорость вращения турбины Эйлера в десятки раз превосходила скорость колес, применявшихся в XVIII в. невозможным.
В результате промышленного переворота в Европе появились разнообразные рабочие машины, скорость вращения которых превышала 100 об/мин, в то время как водяные колеса делали лишь 4-8 об/мин. Поэтому естественным было стремление использовать более быстроходные гидравлические двигатели в тех случаях, когда применение парового двигателя оказывалось
В это же время гидравлические турбины начали разрабатываться и внедряться в машинное производство во Франции. Одной из первых была турбина Б. Фурнейрона (1802-1867), которая представляла собой реактивный гидравлический двигатель радиального типа с движением воды через направляющий аппарат от центра к перифе-рии (рис. 1.7). Образец имел мощность 5070 л. с., скорость вращения более 60 об/мин, КПД 70-80 %. В начале 1836 г. турбину Фурнейрона установили на текстильной фабрике, оборудованной 450 станками.
В России, богатой реками и имевшей большое число предприятий, расположенных вблизи рек, проблема усовершенствования гидравлического двигателя была особенно актуальной. Не случайным поэтому является то обстоятельство, что уже в 1837 г. на Алапаевском металлургическом заводе плотинным мастером И. Е. Сафоновым была построена первая водяная турбина такого же типа, как турбина Фурнейрона. Через несколько лет такого рода водяные турбины были построены на Ирбитском и Нейво- Шайтанском заводах на Урале.
Сафонов и Фурнейрон создавали реактивные турбины приблизительно в одни и те же годы, но Сафонов работал совершенно самостоятельно, решая многие
Успех первых турбин Фурнейрона, разработка Ж. В. Понселе теоретических основ расчета гидравлических турбин, а также возраставшие требования промышленности к скорости вращения и экономичности водяного двигателя привели к интенсивному развитию гидротурбостроения, которое все более вытесняло водяное колесо (начиная с 40-х гг. XIX в.).
Существенное отличие турбин от водяного колеса заключается в следующем. В турбине вода входит на одну кромку лопатки, проходит по лопатке и сходит с другой кромки, не меняя направления своего движения. В водяном колесе вода входит и выходит в одном и том же месте, совершая перемещение на лопатке в обратную сторону; вследствие этого как скорость, так и направление движения воды в некоторой точке лопатки различны в разные моменты времени. В турбине вода от входных до выходных кромок течет непрерывно и в каждой точке лопатки скорость ее одинакова по направлению и отличается только по величине. Так как вода имеет возможность поступать в рабочее колесо теоретически с любой скоростью, то турбина может, во- первых, применяться в широком диапазоне напоров и, во-вторых, развивать большее число оборотов. Кроме того, в турбине вода проходит одновременно по всем лопаткам рабочего колеса, а в водяном колесе - лишь по небольшой их части, что приводит к уменьшению размеров турбины по сравнению с водяным колесом. Меньшие размеры и вес турбины при большей скорости позволяют сделать всю конструкцию более компактной и упрощают передаточные механизмы.
Хотя в XIX в. было построено довольно много водяных турбин разных конструкций, их можно классифицировать по отдельным признакам. Прежде всего водяные турбины делятся на два основных класса: реактивные и активные.
В реактивных турбинах вода заполняет все каналы между лопатками направляющего аппарата и рабочего колеса. Это так называемые полные или напорные турбины. Реактивные турбины способны работать при большем расходе воды. Так как мощность гидравлической турбины пропорциональна напору и расходу воды, такие турбины могут развивать значительную мощность при малых напорах за счет больших расходов и поэтому удобны для использования на равнинных реках.
В активных турбинах вода проходит через турбину свободно, не заполняя всего рабочего колеса или действуя на часть его, причем давление среды, окружающей воду в турбине, всюду одинаково. В турбинах этого класса передача энергии, приносимой потоком воды в рабочее колесо, осуществляется в основном за счет изменения кинетической энергии воды. Эти турбины называются также свободноструйными, они пригодны в условиях переменного и, в частности, малого количества воды, но при больших напорах. Активные турбины могут действовать при одновременной работе не всех, а только части рабочих лопаток.
Водяные турбины могут быть либо с горизонтальным валом, на который насажено рабочее колесо, либо с валом вертикальным. В соответствии с этим различают турбины горизонтальные и вертикальные.
Наиболее естественным представляется размещение направляющего аппарата турбины над рабочим колесом. В таких турбинах движение воды будет происходить по цилиндрическим поверхностям, ось которых параллельна оси рабочего колеса; подвод воды также происходит в направлении, параллельном этой оси. Такие турбины называют осевыми или аксиальными реактивными. Но, как указывалось выше, первая турбина Фурнейрона имела подвод воды к рабочему колесу из направляющего аппарата в радиальном направлении, причем рабочее колесо охватывало направляющий аппарат. Такого типа турбины носят название радиальных или, как их иногда называли, центробежных (так как направление воды в турбине соответствует направлению центробежной силы); более правильное их наименование - турбины с внутренним радиальным подводом воды.
Более практичным оказался тип турбин с наружным радиальным подводом воды, так как при этом размеры вращающегося рабочего колеса получаются меньшими, удобнее применять отсасывающую трубу, можно видоизменять конструкцию рабочего колеса применительно к разным числам оборотов.
Значительное распространение получили реактивные турбины, в лопатках рабочего колеса которых вода претерпевает изменение радиального направления на осевое. Такие турбины называются радиально-осевыми; в них рабочее колесо турбины удобно сочетается с горизонтально расположенным направляющим аппаратом и вертикальной отсасывающей трубой.
Вскоре после радиальной реактивной турбины Фурнейрона был предложен ряд других реактивных турбин, среди которых наибольшее распространение получили турбины К. А. Геншеля (Германия, 1837) и Н. Жонваля (Франция, 1843). Обе эти турбины осевого типа, они сходны по конструкции и вошли в практику под наименованием турбин Геншеля - Жонваля (рис. 1.8). Такие турбины строились как горизонтальными, так и вертикальными. В них лопатки направляющего и рабочего колес имели форму винтообразно искривленных поверхностей, причем направления кривизны лопаток направляющего и рабочего колес противоположны. Турбина Геншеля - Жонваля имела новый рабочий орган - отсасывающую (всасывающую) трубу, позволявшую использовать весь перепад уровней воды и повышавшую КПД.
Турбины Геншеля - Жонваля быстро вытеснили турбины Фурнейрона и строились разными заводами в течение всего XIX в. Наиболее распространены были турбины вертикального типа, наряду с одновенечными строились двух- и трехвенечные турбины. Были также сконструированы сдвоенные турбины этого же типа. После того как стала возможна передача электроэнергии на расстояние, были построены быстроходные турбины Геншеля - Жонваля, непосредственно соединявшиеся с электрическим генератором. В усовершенствовании этих турбин значительную роль сыграли русские маши- нострои-тели И. А. Тиме, В. И. Рожков, А. И. Пермяков и др.
В 1851 г. французским инженером П. Жираром была предложена конструкция активной осевой турбины. Наибольшее распространение во второй половине XIX в. получили радиально-осевые реактивные турбины. Американский конструктор Хауд в 1838 г. получил патент на радиальную турбину с внешним подводом воды (с центростремительным движением). Эта турбина была настолько существенно улучшена в 1849 г. американским инженером Д. Б. Френсисом, что стала называться турбиной Френсиса (рис. 1.9). В 1885 г. американский инженер Свейт придал этой турбине радиально-осевой характер
После разработки радиальноосевой турбины оказалось возможным усовершенствовать гидравлическую турбину, используя:
а) поворотные лопатки в направляющем колесе. Таким образом направляющему аппарату придавались функции регулирующего органа; с радиально-осевыми турбинами с поворотными лопатками не могли конкурировать многие другие типы турбин (например, Рис. ЫО. Турбина, Шлкшна, турбины Геншеля - Жонваля);
б) отсасывающую трубу, позволявшую отвести от рабочего колеса воду с наименьшими потерями;
в) спиральную камеру для подвода воды к направляющему аппарату, обеспечивавшую равномерный подвод воды ко всем точкам по окружности колеса с одинаковой скоростью и направлением.
Все это повышало КПД турбины.
Для использования энергии воды при больших напорах были разработаны конструкции активных турбин. Наибольшее распространение в конце XIX в. получила активная турбина А. Пельтона, отличавшаяся простотой конструкции и удобством применения. Турбина (рис. 1.10) не имела каналов. Струя воды воздействовала на ковшеобразные лопатки, укрепленные на рабочем колесе (поэтому турбину нередко называют ковшовой). Мощность струи регулировалась сначала язычковым затвором, а затем особым шпинделем, входившим в сопло («иглой»). Ковш с безударным входом струи, предложенный Пельтоном, стал основой конструкции современных ковшовых турбин.
