Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений

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.

Колесо Пельтона применялось при очень больших напорах и малых количеств воды, когда другие турбины работают с низким КПД. В нем нет каналов, по которым протекает вода, а имеются лишь ковшеобразные лопатки на рабочем колесе, подвергающиеся непосредственному действию воды. Колесо Пельтона является свободноструйной, или ковшовой, турбиной. Она является парциальной, так как вода в любой момент времени действует на небольшое число лопаток. На самые нижние точки колеса бьет струя воды из сопла. Мощность струи регулировалась сначала язычковым затвором, а затем особым шпинделем, входящим в сопло. Колесо Пельтона может приводиться во вращение действием нескольких струй, выходящих из сопел, расположенных особым образом.

К началу XX в. в основном применялись два типа турбин: радиально-осевая реактивная турбина и колесо Пельтона. После опытов, поставленных во время Лауффен-Франкфуртской выставки 1891 г. началась новая эра в производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях. Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, равный числу оборотов данной турбины при напоре 1 м и мощности 1 л. с. В первых радиально-осевых турбинах он равнялся 60–70, а к концу XIX в. возрос до 320. Для повышения коэффициента быстроходности стремились распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и вертикальные турбины сдвоенного типа. В 1914 г. Дубе доказал, что при значительном увеличении зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом и одновременном уменьшении длины лопаток рабочего колеса можно довести этот коэффициент до 500 в несдвоенной турбине. Но при рабочем колесе с неподвижными лопатками при этом снижался КПД.

Решительный прогресс в отношении коэффициента быстроходности был достигнут в 1914–1916 гг., когда В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.

Гидравлические турбины, предложенные Капланом для низконапорных установок, в процессе своего развития прошли две формы. Вначале в этой турбине между выходными ребрами направляющего аппарата и входными ребрами рабочего колеса имелось большое незанятое пространство, лопатки были очень короткими в направлении движения воды, водный поток в турбине имел большую свободу, чем в других турбинах, и уменьшались гидравлические потери, что приводило к повышению коэффициента быстроходности. Стремясь устранить детали, усложняющие прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1000, КПД при полном подводе воды к турбине равнялся 0,8–0,82. Но испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу КПД резко падает. После этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. Поворот лопаток вначале регулировался вручную, а затем был автоматизирован. Турбины этого типа называются поворотнолопастными. Поворотнолопастные турбины, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными.

Радиально-осевые гидротурбины применяют на напоры до 500–600 м. Из активных гидротурбин чаще всего используют ковшовые и применяют на напоры выше 500–600 м.

Паровую турбину впервые создал Герон Александрийский. Устройство, названное им «эолипил», действовало на реактивном принципе. Реактивная сила пара, вытекавшего из согнутых трубок (сопел), приводила во вращение шар, закрепленный на оси.