Гидроэнергетика
В течение XVIII – первой половины XIX веков водная энергия использовалась так же, как и в предыдущие столетья – с помощью водяных колес. Они являлись основой работы мельниц, заводов, рудников – везде, где требовалась механическая энергия для замены мускульной силы. Однако в XIX веке они уже не отвечали возросшим требованиям производства. Их усовершенствования уже не приводили к увеличению мощности и повышению эффективности. Водяные колеса повсеместно стали вытесняться другими двигателями, в частности паровыми машинами. Тем не менее, возможности водяного колеса оказались далеко не исчерпаны, позволив превратить его в новый совершенный гидравлический двигатель – гидравлическую турбину. С изобретением в первой половине XIX века водяной турбины с высоким КПД гидроэнергетика пережила второе рождение. А с началом использования электроэнергии в мире развернулось строительство электростанций, на которых электрогенераторы получают привод от гидравлических турбин различной конструкции. Кроме того, в небольших населенных пунктах, где имеются дешевые гидроресурсы: ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река, зачастую и до сих пор используются простейшие водяные двигатели – они просты по конструкции, не требуют топлива и имеют сравнительно высокий КПД.
Как известно, водяное колесо насаживалось на вал, который вращался вместе с колесом, а от него движение (либо вращение, либо преобразованное в возвратно-поступательное движение) передавалось тем машинам и механизмам, которые необходимо было привести в действие. Механическая энергия водяных колес использовалась на месте ее производства или в непосредственной близости к нему. Серьезной проблемой использования энергии движущейся воды был невысокий КПД водяных колес, обусловленный большими потерями энергии при ударе воды о лопатки колеса. Эту проблему на примере сегнерова колеса исследовал Л. Эйлер, указавший на то, что потери энергии можно уменьшить, если избежать удара, то есть резкого изменения направления скорости движущейся воды. Эйлер предложил устраивать для подачи воды на колесо направляющий аппарат, который бы подводил воду в направлении вращения и со скоростью вращения. В этом случае в идеале вода будет отдавать колесу всю свою скорость, то есть всю энергию. Научные изыскания Л. Эйлера в этой области были не востребованы более семидесяти лет.
Французский ученый-математик Ж. В. Понселе предложил подливные колеса новой конструкции. Он придал лопаткам изогнутую форму (такие лопатки было нетрудно сделать из металла). Вода поступала на лопатки в направлении их кривизны, проходила некоторое расстояние, а затем, возвращаясь, выходила наружу. При таком течении устранялся удар воды о поверхность лопаток. КПД колеса Понселе достигал 70 %.
Колесо Понселе
Подливные колеса Ж. В. Понселе
Впервые направляющий аппарат к водяному колесу применил профессор Бюрден в 1827 году. Он же первый назвал свою машину «турбиной» (от turbo – быстрое вращение). Первую практически применимую турбину создал в 1832 году французский инженер Бенуа Фурнейрон.
Его турбина состояла из двух концентрических колес: внутреннего неподвижного (1 или К на рис), представляющего из себя направляющий аппарат, и внешнего с изогнутыми лопатками (2 или а на рис), которое и было рабочим турбинным колесом. Вода поступала сверху через трубу, охватывающую вал турбины, и попадала на лопатки направляющего аппарата. Эти лопатки изменяли направление движения воды, и она вытекала горизонтально на лопатки турбинного колеса без удара одновременно по всей окружности, отдавая ему энергию. Поступающая и стекающая (удаляемая) вода нигде не смешивались. Турбинное колесо (2 или а на рис) было жестко соединено с валом 3, приводя его во вращение.
Турбина Фурнейрона
Турбина Фурнейрона (вид сверху)
КПД турбины Фурнейрона достигал 80 %. Эта конструкция имела громадное значение для дальнейшей истории турбиностроения. Основное преимущество турбины Фурнейрона перед водяным колесом заключалось в следующем. В водяном колесе вода входила и выходила в одном и том же месте. Поэтому скорость и направление движения воды при ее прохождении через колесо в разные моменты времени были разными, колесо затрачивало часть энергии на преодоление сопротивления струи. В турбине Фурнейрона вода входила на лопатку, протекала по ней и выходила с другой кромки. То есть, вода не меняла своего направления, не останавливалась, не меняла направление движения на обратное, а от входных до выходных кромок текла непрерывно. В результате скорость вращения турбины теоретически зависела только от скорости поступающей воды, поэтому турбина могла вращаться в несколько раз быстрее водяного колеса. Другое отличие – вода в турбине поступала на все лопатки сразу, а не на некоторые, как в водяном колесе. Поэтому энергия воды в турбине использовалась гораздо полнее, и при одинаковой мощности с водяным колесом размеры турбин можно было сделать гораздо меньшими.
На промышленной выставке 1839 году в Париже Фурнейрон демонстрировал свою гидравлическую турбину и был удостоен большой золотой медали.
Гидравлическая турбина И. Е. Сафонова, установленная
на Нейво-Шайтанском заводе
В России, богатой реками и имевшей к началу XIX века значительное количество предприятий, на которых использовались водяные колеса, проблема их усовершенствования тоже была актуальной. И в 1837 году в России была построена водяная турбина того же типа, что и турбина Фурнейрона. Ее конструктор, плотинный мастер И. Е. Сафонов, установил ее на Алапаевском металлургическом заводе.
Игнатий Сафонов создал и установил в 1837 году водяную турбину, расходовавшую воды не больше, чем верхнебойное колесо, и развивавшую вдвое большую мощность. Первая русская водяная турбина превзошла все ожидания. «Горизонтальное водяное колесо», как назвал Сафонов свою гидротурбину, приводила в движение прокатный стан.
Современников Игнатия Сафонова поразило то, что новый водяной двигатель при большой мощности был сравнительно невелик. Диаметр турбины Сафонова был немногим более двух метров – в несколько раз меньше диаметра водяного колеса, а работу она выполняла такую же, как и водяное колесо. Кроме того, турбина позволяла точнее регулировать мощность и число оборотов вала и расходовала гораздо меньше воды.
Первая турбина Сафонова полезно использовала примерно такую же часть энергии воды, как и хорошее колесо – коэффициент её полезного действия был равен 53 %. В машинах, построенных Сафоновым позже, коэффициент полезного действия достигает уже 70 – 75 %.
Сафонов не ограничился первым успехом. Вслед за Алапаевским заводом он установил еще более совершенные водяные турбины: в 1839 году на Ирбитском заводе и в 1841 году на Нейво-Шайтанском заводе, которая приводила в действие листопрокатный, плющильный и резной станы.
В то время на Урале считали, что наиболее совершенные водяные колеса действуют на Нижне-Исетском заводе под Екатеринбургом, где три верхнебойных колеса, работавших при напоре 6,4 метра, требовали для своей работы в общей сложности 800 литров воды в секунду. Нейво-Шайтанская турбина Сафонова работала при напоре порядка 3,5 метра и расходовала около 240 литров воды в секунду, выполняя большую работу, чем все три нижне-исетских колеса. Это был отнюдь не единичный опыт, а большое практическое дело. Турбины Сафонова были успешно применены для привода важнейших горнозаводских механических агрегатов. Нейво-шайтанская турбина приводила в действие плющильный, листокатальный и резной станы.
Турбины Сафонова действовали так хорошо, что в 1849 году все хвостовые молоты Алапаевских заводов перевели на привод от турбин. Перевод полностью оправдал себя.
Игнатий Сафонов не только создал, но и уверенно ввел в практику водяные турбины в России. При этом каждую новую турбину он выполнял более совершенной, чем предшествующая.
Работы И. Е. Сафонова 1835 – 1837 годов хронологически следовали за работами Фурнейрона, однако он вел их самостоятельно, многие отдельные вопросы он решал, исходя из собственного опыта, и по-другому, чем Фурнейрон.
В последующие годы выработалось несколько основных видов гидравлических турбин. Турбины XIX века условно можно разделить на два основных типа: реактивные и струйные (активные).
Схема реактивной гидравлической турбины:
а – рабочее колесо; б – направляющий аппарат
Реактивная (работающая за счет реакции на давление воды) – ее прототипом и является турбина Фурнейрона – имела колесо, жестко соединенное с валом. На колесе имелись особым образом искривленные лопатки. У турбины был направляющий аппарат, который располагался либо внутри турбинного колеса, либо снаружи. Направляющий аппарат представлял собой неподвижное колесо с направляющими лопатками. Вода через направляющий аппарат устремлялась на турбинное колесо и вращала его. Реактивные турбины называли еще полными или напорными, потому что вода заполняла все каналы между лопатками направляющего аппарата и рабочего колеса. Такие турбины оказались очень удобны там, где напор воды невелик, порядка 10 – 15 м. Они способны работать при больших расходах воды, поэтому они способны развивать большие мощности при небольших напорах и больших расходах.
Другим типом турбин были струйные (активные).
Схема активной гидравлической турбины:
а – рабочее колесо; б – сопла
Принцип их действия заключался в том, что струя воды под сильным напором ударяла в лопатки колеса, заставляя его вращаться. Этим они были схожи с нижнебойными колесами. Вода проходит через турбину свободно, не заполняя всего рабочего колеса, действуя только на часть его лопаток. Поэтому направляющий аппарат может быть устроен в виде отдельных сопел с регулированием подачи воды. Струйные (активные) турбины могут действовать в условиях малого количества воды, но при больших напорах.
Простейшая струйная турбина
В 1884 году американский инженер А. Пельтон значительно усовершенствовал струйную турбину, создав новую конструкцию рабочего колеса. В этом колесе гладкие лопатки были заменены особенными вогнутыми, имеющими вид двух соединенных вместе ложек. При таком устройстве лопаток вода практически вся работала на вращение колеса, только малая ее часть терялась. Колесо Пельтона может приводиться во вращение несколькими струями, выходящими из соответственно расположенных сопел.
Колесо Пельтона может вращаться с большими скоростями – до 1000 об/мин. КПД турбины Пельтона приближался к 85 %, поэтому она получила широкое распространение.
