От водяного колеса, построенного две тысячи лет назад, — к мощным турбинам, которые вращают воды Днепра и Риона
Родина современного гидравлического двигателя — турбины — Франция. В 1832 г. французский горный инженер Фурнейрон построил и пустил в ход первую практически целесообразную вододействующую турбину. Ее конструктивные принципы, разработанные последующим поколением инженеров-гидротехников, лежат в основе и современного искусства проектирования и сооружения гидротурбин.
Римские колеса устанавливались вертикально, следовательно ось, на которой они вращались, находилась в горизонтальном положении. На окружности обода колеса, по линиям радиусов, укреплялись прямые лопатки. Поток воды, проходящий под колесом, увлекал за собой погруженные в него лопатки; двигаясь вперед, они двигали вместе с собой и колесо. Употреблялись эти громоздкие деревянные сооружения прежде всего для целей водоснабжения и ирригации в обширных имениях римской знати. Затейливые фонтаны роскошных загородных императорских вилл часто снабжались водой тоже при помощи этих машин.
Когда, где и при каких обстоятельствах было придумано горизонтальное водяное колесо, установить точно не представляется возможным. Наиболее старое изображение этого двигателя относится к XV веку. На одной гравюре (1430 г.) показана мукомольная мельница, приводимая в действие таким колесом. Оно укреплено на нижнем конце жернового вала и погружено в ручей, текущий с холма. На широком деревянном ободе колеса, по внешней его окружности, укреплены лопатки, направленные своими внешними ребрами в одну сторону, т. е. поставлены не по линиям радиусов колеса, а вкось, по некоторым касательным к его окружности. Вода, обтекающая его со всех сторон, толкала лопатки, что и заставляло его вращаться. Через вал движение передавалось на верхний жернов, растирающий хлебные зерна.
 |
| Пятьсот лет назад уже применялось горизонтальное водяное колесо — предок современной гидротурбины. Колесо укреплялось на конце жернового вала. Применялись такие колеса обычно на мельницах |
Такого было устройство «турбин» первоначального типа, употреблявшихся на мукомольных мельницах европейской феодальной деревни. Но даже и в этой своей примитивной форме оно имело уже некоторые существенные преимущества перед тяжелыми римскими колесами, которые едва ли использовали треть полезной энергии течения воды. Надо думать однако, что и это колесо по коэффициенту полезного действия мало чем отличалось от римского, так как при несовершенстве его конструкции обратное противодействие потока в значительной мере парализовало поступательную силу его движения. Возвращаясь в исходную позицию, лопатки колеса хотя и обращались тыльной стороной, скошенной под большим углом относительно направления течения воды, все же испытывали довольно значительное сопротивление со стороны жидкой массы. Несомненные его преимущества заключались прежде всего в чрезвычайной простоте и надежности действия передачи движения с колеса на мельничный постав. Колесо-двигатель находилось прямо на валу жернова.
*
Гораздо сложнее было римское колесо с его горизонтальным положением вращающейся оси. Для перевода вращения с горизонтального вала на вертикальный были необходимы промежуточные устройства — колеса с зацеплениями (гребенчатые или цевочные).
 |
| Наливное водяное колесо. На его широком деревянном ободе укреплялись лопатки, направленные внешними ребрами в одну сторону |
Цевочные колеса и сейчас можно встретить на наших деревенских мельницах. Это два деревянных диска, насаженные на одну ось в некотором расстоянии друг от друга и скрепленные по внешним краям круглыми палками так, что все сооружение в целом представляет род барабана, но не глухого, а с просветами. Такое колесо, будучи присоединено к зубчатому, при вращении захватывает зубцы последнего своими палками или, наоборот, само будет вращать, если движение исходит от зубчатого колеса.
Усложнение трансмиссии, увеличивая вредные сопротивления (трения), влекло за собой снижение первоначальной мощи колеса, замедляя его движение. Установка обычно требовала целой системы дополнительных подсобных сооружений для подвода воды и регулирования ее количества: искусственных водоемов, плотин, запорных щитов и т. п. Наконец они были больших размеров, достигая 8—12 м в диаметре.
В средневековой технике производства эти колеса были универсальными и единственными механическими двигателями, способными создавать равномерно-непрерывное движение.
Горизонтальное вододействующее колесо, помимо указанного удобства, отличалось от римского своими небольшими размерами (1—1½ м в поперечнике), было просто по конструкции, его мог сделать любой деревенский бочар или плотник. Все эти положительные качества содействовали его жизнеспособности, но в феодальной деревне за 150—200 лет оно не подвергается каким-либо изменениям или усовершенствованиям. Подобно рабским орудиям труда этот остроумный плод крестьянского гения на многие годы застывает в форме, созданной еще прадедами.
По своим техническим возможностям это был двигатель для мелкого индивидуального хозяйства. При условии личной свободы владельца и наличии рынка сбыта он мог стать основой хозяйственного благополучия богатого крестьянина, а следовательно, давал ему и некоторую экономическую самостоятельность. Господин из замка, которому принадлежали крестьянские «животы» и земли, вовсе не был в этом заинтересован. Наоборот, он хотел, чтобы его крестьяне мололи хлеб только на господской мельнице, и мельница сюзерена была одним из многочисленных средств экономического господства замка над курной избой виллана (крестьянина).
В более благоприятной обстановке развивался в средние века гидравлический двигатель на мельницах близ городских стен и в черте города на его водокачках, сукновальнях, кузницах и других производственных мастерских. Хозяйство городов было хозяйством свободных ремесленных корпораций, производивших изделия на продажу. Рабочие руки здесь уже покупались. Здесь существовал емкий хлебный рынок.
Техника мукомольного дела, обслуживаемого мастерами-механиками, была выше деревенской. Мы уже говорили, что горизонтальное водяное колесо было двигателем преимущественно мельничным. В сочинении, напечатанном в 1578 г., имеется изображение весьма любопытной его конструкции, установленной на одной из мельниц города Тулузы. На вертикальном стержне при помощи крестовин держится деревянный конус, вершина которого обращена вниз и яйцеобразно закруглена. На его окружности укреплены 18 длинных узких лопаток, огибающих кожух по винтовым линиям. Все приспособление целиком помещается в воронкообразном углублении, сделанном в каменной кладке. Вода пускается на колесо из наклонной прямоугольной трубы. Попадая на лопатки, вода действует на них не только силою удара, но, стекая вниз по спиральным плоскостям, работает еще некоторое время своим весом. Здесь горизонтальное гидравлическое колесо уже приобрело некоторую специфическую форму, резко отличающую его от вертикальных водяных колес. Это было значительно более совершенное устройство, так как удачно найденная форма лопаток позволяла с большим полезным эффектом и гораздо полнее использовать динамическую силу водяной струи.
 |
| В книгах XVI в. описывается любопытное мельничное колесо города Тулузы. На стержне держится деревянный конус с 18 лопатками. Это колесо уже лучше использовало водяную струю, чем прежние типы |
*
На поиски наивыгоднейшего профиля и конфигурации лопаток первое время и была направлена изобретательность механиков. Особенно необходимой идеальная форма лопаток была в первоначальных типах колес, работавших погруженными в свободном потоке. Задача заключалась в том, чтобы преодолеть вредные, противодействующие свободной обратимости колеса явления, возникающие при возвращении лопаток в исходное положение. Результатом поисков явилось большое разнообразие в формах лопаток и способах их присоединения к колесу. Устраивались даже подвижные лопатки вроде ставней, захлопывающихся только в одну сторону.
Но все эти конструкции не выходили за рамки уже достигнутого; в основном была та же элементарная форма, улучшались и разрабатывались лишь ее детали. Консерватизм ремесленной техники производства, косность цеховых традиций тяготели над изобретательской мыслью, делая ее неспособной принципиально по-новому поставить и решить техническую задачу. Кроме того цеховым механикам нехватало теоретических знаний о законах движения воды и ее физических свойствах.
Попытки использовать кинетическую энергию воды более совершенным образом исходили уже от людей науки. Конечно и они делали свои обобщения на основе громадного практического опыта, накопленного в течение многих столетий строителями гидравлических машин, фонтанных дел мастерами и другими гидротехниками.
В 1741 г. англичанин Баркер сконструировал прибор, действовавший силою отдачи (реакции) водяной струи, вытекающей из отверстия в нижнем конце цилиндрического сосуда, укрепленного на подвижном вертикальном стержне. Принципиально новым в изобретении Баркера было то, что движение здесь возникало не от удара водяной струи о твердую поверхность (лопатку), а вследствие отдачи, т. е. обратного толчка, который получала выводящая трубка. Иначе говоря, здесь действует та же сила, которая заставляет взлетать вверх ракету фейерверка. Струя горячего газа, с силой выходящая из трубки, выполняет ту же функцию, что и струя воды, выходящая из выводного сопла (особая насадка, придающая выходной струе нужное направление). Реактивная турбина была более совершенным двигателем, движущая энергия воды использовалась со значительно более высоким эффектом, так как в ударных турбинах большая часть силы распылялась в момент удара.
 |
| Англичанин Баркер в 1741 г. строит прибор, действующий силой отдачи (реакции) водяной струи. Здесь движение возникало не от удара воды о лопатки. Действовала обратным толчком (отдачей) вода, вытекавшая из прибора |
Находка Баркера еще не означала полного переворота в методах постройки гидравлических двигателей. И до Баркера некоторые ученые-механики проектировали приборы реактивного действия. Например в 1629 г. итальянец Бранка сделал железное ведро, вращавшееся силою истечения воды из трубки, обернутой вокруг наружной поверхности ведра.
На практике продолжали строить все те же лопаточные колеса.
К наиболее совершенной форме колес, которую удалось найти практическим путем, нужно отнести колеса мукомольной мельницы в Базакле. Они были описаны первый раз в 1737 г. французским инженером Белидором. Лопасти этих колес находились внутри широкого цилиндра, стянутого железными обручами, и расположены наподобие крыльев вентилятора. Установленные на дне цилиндрического колодца, они почти вплотную прилегали к его внутренним стенкам. Вода, протекавшая сверху по трубе колодца, проходила через колесо и силою давления своей массы на его крутые лопатки заставляла колесо вращаться. Отработавшая вода стекала по особой трубе. Равномерное давление и свободный сток использованной воды обеспечивали плавный и сильный ход рабочего колеса, вертевшего укрепленный вертикально жерновой вал. Эти колеса были первым объектом изучения теории их действия со стороны французских ученых — Борда и Навье, опубликовавших результаты своих наблюдений в 1767 г.
 |
| Наиболее совершенное колесо, построенное на мельнице в Базакле в начале XVIII в. Это колесо было первым объектов изучения французских ученых Борда и Навье |
*
Однако не оставалась бесплодной и мысль использовать силу реакции водяной струи. Научные знания уже давно стали сильным оружием в руках выросшей буржуазии. В недрах мануфактуры рождались новые орудия труда — машины, вместе с ними росла и развивалась механика. Гидравлика — наука о механических свойствах жидких тел, к этому времени уже формулирует свои важнейшие законы. Работы Галилея, Торичелли, Паскаля, Бернулли и других выдающихся ученых были уже известны многим образованным людям XVIII в. Выводы науки, исходившей из практики, все чаще применяются к разрешению задач той же практики.
В 1772—1755 гг. аббаты (священники) Валернод и Пюпиль оборудовали несколько мельниц в Бур-Аржантале двигателями на манер реактивной вертушки Баркера. Многими реактивными двигателями для мельниц Прованса и Бретани прославился в конце века французский дворянин, маркиз Манури д'Экто. Его двигатели были сконструированы по тому же образцу, но отличались формой подвижной трубы в виде буквы S, выбрасывающей воду из отверстий, расположенных на противоположных ее концах.
После Великой французской революции, закрепившей политическое господство буржуазии, начинается быстрый подъем промышленности и оживление во всех отраслях народного хозяйства. В 1789 г. было основано Общество поощрения национальной промышленности — корпорация мануфактуристов-предпринимателей, в состав которого входили и правительственные чиновники. Поставив своей целью форсирование развития отечественной промышленности, оно привлекает к своим работам ученых и инженеров, популяризирует важнейшие изобретения в области промышленности и сельского хозяйства. Беспрерывные войны наполеоновской эпохи нанесли большой ущерб некоторой части французского народного хозяйства, и только со второй четверти XIX в. французская промышленность начинает медленно оправляться. Отсталость ее техники начинает давать себя чувствовать и со стороны энергетической базы.
 |
| Реактивная турбина — потомок прибора Баркера Реактивная турбина гораздо рациональнее использует движущую энергии воды, чем ударные турбины, в которых большая часть силы распылялась в момент удара |
*
Изолированная в течение нескольких лет «Континентальной блокадой» почти ото всех европейских государств она не имела возможности приобретать паровые машины, родиной и монополистом которых была Англия. Кроме того и самый характер французской промышленности — мелкой, полукустарной, изготовлявшей преимущественно предметы роскоши и искусства, препятствовал применению парового двигателя в широком масштабе. Ища выхода из положения, Общество поощрения национальной промышленности в 1824 г. объявило конкурс на изобретение двигателя, действующего водой, но свободного от недостатков прежних водяных колес. В качестве исходного образца указывались колеса мельницы в Базакле. Премия назначалась в размере 6 тыс. франков. Проекты и модели должны были быть представлены к 1 мая 1827 г.
Ко дню конкурса были представлены работы двух конкурентов: голландского механика Иоахима Мари и французского ученого, профессора Горной школы Бюрдена. Работы последнего обратили на себя особое внимание технической комиссии.
Бюрден представил несколько чертежей турбин (им же впервые был придуман этот термин от латинского turbo-волчок), построенных и испытанных им на разных мельницах за несколько лет до этого. Он разработал два типа турбин. Первый, названный им «попеременное опоражнивание», состоял из двух частей: резервуара, принимавшего воду, и находящегося под ним подвижного колеса с выпускными трубками. Резервуар, через который вода попадала на колесо, имел на дне три отверстия, снабженные соплами (трубки с насадками, регулирующими струю). Колесо представляло плоский диск, прорезанный по краю окружности многочисленными отверстиями, снизу к которым припаяны изогнутые трубки. Струя воды, бившая из трех сопел верхнего водовместилища, с силой входила в трубки подвижного диска и с силой же выбрасывалась из них наружу. Для того чтобы струйки, бьющие из трубок, не ударялись в тыл соседних, выходные отверстия трубок были изогнуты в трех различных направлениях поочередно: изнутри колеса к наружной его стороне и обратно, а часть — в направлении окружности колеса. Самым удачным в этой конструкции колеса была идея разделить прибор на две части: направляющий аппарат и рабочее колесо. Хотя эта мысль и принадлежала целиком Бюрдену, справедливость требует заметить, что до него в 1754 г. знаменитый немецкий математик Эйлер предложил в чертежах с пояснениями подобное устройство.
 |
| Французский профессор Бюрден дал в начале XIX в. новые типы турбин. В одной из них он использует идею знаменитого математика Эйлера. В этой турбине особенно удачно разделение прибора на направляющий аппарат и рабочее колесо |
Вторая турбина была задумана еще интереснее. Здесь эти два элемента — направляющий аппарат и рабочее колесо — находятся в одной плоскости, причем направляющий аппарат помещен внутри рабочего колеса. Полый диск, находящийся внутри рабочего колеса, разделен по радиусам кривыми вертикальными перегородками. На наружном кольце перпендикулярно установлены лопатки, изогнутые в обратную сторону (к направляющим перегородкам внутреннего диска). Наружное кольцо укреплено кронштейнами на стержне, проходящем сквозь полую трубу, установленную в центре диска с направляющими перегородками. Вода поступает сверху из цилиндрического резервуара сначала на внутренний диск и, разбегаясь между его перегородками, устремляется на лопатки наружного подвижного кольца. В этом проекте были уже найдены все самые существенные конструктивные элементы современной турбины, именно того типа, который называется радиальным (или центробежной турбиной). Но изобретатель еще не сумел найти нужного соотношения частей и не предусмотрел некоторых других условий работы двигателя. Испытания не дали вполне удовлетворительных результатов. Бюрден, как наиболее близко подошедший к решению задачи, поставленной конкурсом, был награжден, частью премии, 2 тыс. франков. Конкурс был продлен до 1832 г.
 |
| Вторая турбина Бюрдена, в которой направляющий аппарат и рабочее колесо находятся в одной плоскости. Направляющий аппарат помещен внутри рабочего колеса |
 |
| Колесо Сегнера — прибор на которой ясно видно, как действует сила реакции воды. Вытекая, она вращает прибор |
*
В этом году среди многочисленных соревнователей выступил молодой горный инженер Бенуа Фурнейрон. Ученик Бюрдена, он оказался удачливее своего учителя. Его двигатель был признан вполне отвечающим всем условиям конкурса, и изобретатель был награжден полной суммой — 6 тыс. франков. Машина, построенная Фурнейроном в основе своей воспроизводила машину Бюрдена, но Фурнейрон нашел наивыгоднейшее расположение, форму и соотношение размеров частей турбины. Новыми и весьма существенными деталями были здесь приспособления, позволяющие регулировать мощность работы механизма. Это осуществлялось при помощи особых задвижек. При перемещении их в осевом направлении увеличивалось или уменьшалось выходное отверстие для воды, идущей на рабочие лопатки. Турбины могли работать при самых незначительных (до 8½ дюймов) и весьма высоких напорах (до 110) с большой мощностью (50—70 л. с.). Коэффициент полезного действия достигал 0,8.
 |
| Горный инженер Фурнейрон на конкурсе турбин в XIX в. получил первую премию. В этой турбине была осуществлена регулировка мощности работы механизма |
Правильное решение задачи оказалось чрезвычайно плодотворным. Кроме того начавшееся использование электрической энергии для промышленных целей дало новый толчок изобретательской мысли. Дороговизна применения паровых машин для этой цели заставила обратить внимание на водяной двигатель, который потреблял в сущности даровую силу течения воды, пропорционально этому снижая и стоимость электроэнергии. Многочисленные инженеры всех стран и национальностей на протяжении десятилетий совершенствуют фурнейроновский двигатель. Два механика — Генель из Касаля и Жонваль из Мюльгауза — построили первые аксиальные турбины, в которых вода движется в направлении оси (в радиальных вода идет перпендикулярно к оси). Генелем была впервые применена всасывающая труба, благодаря которой без особых потерь напора рабочее колесо могло быть установлено выше нижнего уровня. В эти же годы были сделаны попытки направлять струю воды на колеса от его периферии к центру. Швейцарский механик Цюпингер практически осуществил это в своем тангенциальном колесе.
Через 10 лет Жирар окончательно установил в своей турбине принцип активного действия, т. е. сконструировал лопатки рабочего колеса таким образом, что давление в них на всем пути воды оставалось одинаковым и равным атмосферному. Вскоре принцип Жирара был применен уже и к аксиальным и к радиальным турбинам. В 1844 г. немецким ученым Редтенбахером была сделана сводка всех исследований о действии турбины и создана научная классификация их типов. Особо им была разработана теория действия для радиальной турбины с внешним подводом. Не замеченная в Европе эта идея была уже осуществлена в 1838 г. в Америке Самуилом Гудом, а в 1849 г. блестяще разработана Френсисом, построившим целую серию таких турбин. Предложенные этим изобретателем турбины создавали движение воды исключительно в плоскости, перпендикулярной к оси, без изменения его в аксиальное (см. выше) перед выходом из колеса. Весьма важное усовершенствование в турбину Френсиса было внесено в Европе проф. Финком, предложившим производить регулирование скорости хода рабочего колеса турбины поворотом перегородок направляющего аппарата, что увеличивало или уменьшало толщину водяной струи, попадающей на лопатки, следовательно, и ее поступательную силу. В течение последних лет этот тип вытеснил все остальные при низких и средних напорах. Когда электротехника пришла к соединению на одном валу турбины с генератором электрического тока, турбины Френсиса начали быстро распространяться. С этих пор гидравлическая турбина прочно укореняется на всех гидроэлектростанциях.
 |
| В середине XIX в. серию радиальных турбин разрабатывает американец Френсис. В этих турбинах вода движется в плоскости, перпендикулярной оси. На рисунке — рабочее колесо турбины Френсиса |
В последние годы (1915—1920 гг.) турбина Френсиса подверглась значительной переработке, результатом чего было появление новых типов, названных по имени их изобретателей или машиностроительных фирм. Так, появились пропеллерные турбины и винтовые, сконструированные Капланом, Наглером, Лавачеком. Эти турбины обязаны своим успехом большой простоте и портативности устройства рабочего колеса. Для очень больших напоров с успехом стали применяться турбины Пельтона («колесо Пельтона»), отличающееся от предыдущих типов вертикальным расположением колеса и ложкообразной формой лопаток.
 |
| За последние годы турбина Френсиса претерпела существенные изменения. Среди новых конструкций широкое распространение получили винтовая и пропеллерная турбина Каплана, Начлера и Лавачека. На рисунке — рабочее колесо турбины Каплана |
Гидравлический двигатель, некогда сыгравший огромную роль в культурном развитии человеческого общества, вновь занимает одно из важнейших мест в энергетике народного хозяйства. Его история еще не закончилась. Грандиозные масштабы электрификации советской страны развертывают широкую перспективу для дальнейшей эволюции этого замечательного изобретения.
 |
| Энергия Днепровской станции обслуживает алюминиевые заводы города, теплицы электрифицированных совхозов. На Днепрогэс бесперебойно работают турбины, на которых стоит марка советских предприятий |
Комментариев нет:
Отправить комментарий