Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
К началу XIX в. в связи с успехами в области паровых двигателей применение водяных колес сократилось.
Исследования ученых, в частности Ж. В. Понселе, показали, что изогнутые лопатки водяных колес более эффективны, чем плоские, так как позволяют осуществить безударный вход воды на лопатки, что повышало КПД. Из металла можно было изготовлять изогнутые лопатки любого вида. Поэтому в этот период металлические водяные колеса стали преобладать над водяными колесами с плоскими лопатками.
Понселе предложил особый род подливных колес, в которых благодаря специальной форме лопаток можно было получить высокий КПД (до 0,7). Лопаткам в них придавалась такая кривизна, что подводимая вода поступала на лопатки в направлении их кривизны, проходила на некоторое расстояние вверх по лопатке и затем, опускаясь, выводилась наружу. Это совершенно устраняло удар воды о лопатки при входе и сопутствующие ему потери энергии. При металлических водяных колесах устраивались особые щитки для рационального направления воды к лопаткам колеса. Наиболее распространенными типами водяных колес, изготовлявшихся в XIX в., были применявшиеся при малых напорах (не более 1,5 м). Такими являлись, например, среднебойные водяные колеса Сажбьена и водяные колеса Цуппингера. У них была небольшая окружная скорость и малое число оборотов, что требовало большого диаметра, значительной ширины обода колеса и большого числа лопаток. В водяном колесе Сажбьена ширина обода была еще больше, лопатки имели криволинейную форму по всей поверхности так, что лопатки выходили из нижнего канала нормально к поверхности воды.
В 1832 г. на конкурсе, который проводило французское «Общество для поощрения национальной промышленности», свой гидравлический двигатель представил Б. Фурнейрон.
Турбина Фурнейрона являлась реактивным гидравлическим двигателем радиального типа с движением воды через направляющий аппарат от центра к периферии. Представленный на конкурс образец имел мощность 50–70 л. с., число оборотов более 60 в минуту, КПД – 0,7–0,8. В отчете Парижской академии наук о работе этой установки указывалось, что, применив особые внутренние ободья при лопатках рабочего колеса и соответствующие опускные затворы, удалось добиться такой регулировки турбины, что она работала с одинаковым КПД как в половодье, так и при низком уровне воды. В последнем случае понижалась лишь мощность.
Существенное отличие турбины от водяного колеса состоит в том, что в турбине вода входит на одну кромку лопатки турбины, проходит по лопатке и сходит с другой кромки, не меняя направления движения по лопатке. В водяном колесе вода входит и выходит в одном и том же месте, совершая перемещение по лопатке в обратную сторону. Вследствие этого скорость и направление движения воды в лопатке колеса изменяются по времени. В турбине вода не останавливается, не меняет направления течения на обратное, а течет непрерывно. Поэтому турбина может применяться в широком диапазоне напоров и развивать большее число оборотов, чем водяное колесо. 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. При одинаковой окружной скорости на ободе двигателя, пропорциональной скорости подводимой воды, число оборотов турбины больше, чем водяного колеса, так как диаметр ее меньше. Это обстоятельство упрощает передаточные механизмы или даже делает их ненужными.
Водяные турбины разных конструкций можно классифицировать по отдельным признакам. Прежде всего, они 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. Энергетический процесс в них протекает в основном за счет изменения суммы энергии давления и частично кинетической энергии.
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 них передача энергии потока воды в рабочее колесо осуществляется в основном за счет изменения кинетической энергии воды. Эти турбины получили также название свободноструйных. Активные турбины пригодны в условиях переменного или малого количества воды, но при больших напорах. Активные турбины могут действовать при одновременной работе не всех, а только части рабочих лопаток. Такие турбины носят название парциальных.
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 получили название осевых, или аксиальных, реактивных турбин.
В турбине Фурнейрона осуществлялся подвод воды к рабочему колесу из направляющего аппарата в радиальном направлении, причем рабочее колесо охватывало направляющий аппарат. Такие реактивные турбины называют радиальными или центробежными. Если относительное расположение направляющего аппарата и рабочего колеса обратно предыдущему, т. е. приток воды происходит в радиальном направлении от периферии к центру, то двигатель называется турбиной с наружным радиальным подводом воды (иногда их называли центростремительными). Этот тип оказался более удобным, так как размеры вращающегося рабочего колеса при этом получаются меньшими, можно видоизменять конструкцию рабочего колеса в зависимости от числа оборотов.
Реактивные турбины строились как горизонтальными, так и вертикальными. В них лопатки направляющего колеса и рабочего колеса имели форму винтообразно искривленных поверхностей, причем направление кривизны лопаток направляющего колеса противоположно направлению кривизны лопаток рабочего колеса. Турбины Геншеля – Жонваля стали строиться с новым основным рабочим органом – отсасывающей трубой, позволявшей использовать весь располагаемый перепад, размещая турбину настолько выше нижнего уровня воды, насколько это удобно при компоновке всей установки (в пределах Юм). Турбина Геншеля – Жонваля быстро вытеснила турбины Фурнейрона и использовалась в течение всего XIX в. После начала передачи электроэнергии на расстояние были построены быстроходные турбины Геншеля – Жонваля для непосредственного соединения с электрическим генератором.
Наибольший успех в XIX в. выпал на долю радиально-осевых реактивных турбин. Американский конструктор Хауд в 1838 г. получил патент на радиальную турбину с внешним подводом воды с центростремительным движением. Ее подробно изучил и испытал в 1849 г. американский инженер Д. Б. Френсис, улучшивший ее, после чего она стала называться турбиной Френсиса. В 1855 г. американский инженер Свейт сделал эту турбину радиально-осевой, заставив поток менять направление в рабочих лопатках с радиального на осевое, что позволило объединить турбину со всасывающей трубой.
В 1877 г. Финк предложил конструкцию поворотных лопаток в направляющем колесе радиально-осевых турбин, при которой их вращение осуществлялось поворотом общего соединительного кольца, связанного с регулятором турбины. Эта схема регулирования расхода воды и мощности обеспечила лучшую маневренность двигателя.
Уменьшение габаритов рабочего колеса в радиально-осевых турбинах позволило обеспечить рациональный отвод отработавшей воды от рабочего колеса. Этому способствовало применение отсасывающей трубы, которой стали снабжаться все реактивные водяные турбины с наружным подводом воды. Ее назначение – отвести от рабочего колеса воду с наименьшими потерями. Действие трубы основано на том, что протекающая по ней вода создает под рабочим колесом разрежение и тем компенсирует уменьшение напора от расположения рабочего колеса турбины выше нижнего уровня.
Для подвода воды к турбине была применена камера, имевшая в плане форму спирали. Она обеспечивала равномерность питания турбины, подводя воду во всех точках по окружности колеса с одинаковой скоростью и по одинаковому направлению. Применение спиральной камеры улучшило работу направляющего аппарата и повысило КПД турбины.
Для использования энергии воды при больших напорах были разработаны активные водяные турбины. Среди них были парциальная турбина Швамкруга и тангенциальное колесо А. Пельтона.
В турбине Швамкруга рабочее колесо большого диаметра (5 м и более) имело направляющие лопатки, расположенные внутри обода. Подводящая труба входила внутрь рабочего колеса и имела несколько сопел, отверстия которых регулировались задвижками. Движение воды в этих турбинах происходило по касательной к рабочему колесу, лопатки которого расширялись снаружи.
