Марк Левин - Машина-двигатель

Запас энергии воды огромен.

Разве мыслимо, чтобы такие силы природы пропадали бесцельно?

Недаром наш великий учитель, основатель советского государства, Владимир Ильич Ленин уже в апреле 1918 года, когда страна стала восстанавливать свое хозяйство, намечая пути технического развития, обращал внимание инженеров и ученых на необходимость максимального использования водных сил природы.

Но как же современная техника использует водную энергию? Не с помощью же водяных колес — таких громоздких и маломощных двигателей, обладающих к тому же и низким коэффициентом полезного действия?

Нет. Современная техника ушла очень далеко от водяных колес, создав мощные водяные двигатели. Эти двигатели называются гидротурбинами («гидро» — по-гречески означает «вода», «турбо» — по-латыни означает «вихрь», «вращение»).

В 1750 году венгерский ученый Сегнер изобрел интересный прибор, который и сейчас еще вы можете увидеть в школьном кабинете физики. Этот прибор состоит из резервуара, штатива и двух отогнутых под прямым углом трубок. Когда вода, заливаемая сверху через горловину, будет вытекать из отогнутых трубок, резервуар начнет вращаться, как показано стрелкой. Это происходит потому, что, вытекая, вода как бы отталкивается от трубок, отчего трубки отходят в противоположную сторону. Прибор этот получил название: «сегнерово колесо».

Сегнерово колесо.

Этим прибором заинтересовался русский академик, знаменитый математик, Эйлер. Он понял, что на принципе «сегнерова колеса» могут работать водяные двигатели, и дал очень точный расчет таких машин.

В 1834 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчетами Эйлера, построил первую водяную турбину, еще далеко несовершенную.

Почти в то же время — в 1837 году — уральский мастер Игнатий Сафонов, сооружавший ранее плотины для водяных колес, построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину.

Первая турбина, построенная Игнатием Сафоновым, работала еще не так, как хотелось мастеру. Ее коэффициент полезного действия был равен только 53 % — меньше, чем у хорошего водяного колеса. И вот, через два года Игнатий Сафонов построил и установил новую турбину на Ирбитском заводе, КПД которой уже равнялся 70 %.

По такому принципу работает колесо реактивной гидротурбины.

По такому принципу работает колесо активной гидротурбины.

С тех пор прошло более ста лет.

За это время инженеры всех стран много поработали над водяной турбиной.

Особенное значение водяная турбина получила тогда, когда наука открыла способы использования электрической энергии превращением ее в энергию механическую. Оказалось, что водяную турбину можно применить для вращения машин, вырабатывающих электрический ток. Так появились первые гидроэлектростанции.

Современная водяная турбина, конечно, не похожа на «сегнерово колесо», и работает она тоже не совсем так.

Современные гидротурбины строятся двух типов. Первый тип турбин — активные.

Вернемся несколько назад и посмотрим на рисунок верхнебойного водяного колеса. Почему оно вращается? Потому, что вода своей тяжестью опускает одну лопасть за другой. Вода сливается с той же стороны колеса, с которой к нему подводится.

Но попробуем теперь создать колесо с лопастями, встречающими как бы в лоб струю воды.

Эта струя образуется оттого, что перед колесом вода пропускается через специальную направляющую трубу. Струя воды попадает на вогнутые лопасти, скользит вдоль них и сливается в центральную часть колеса. Такое колесо уже будет вращаться не потому, что падающая вода своей тяжестью (верхнебойное колесо) или текущая вода силой течения (нижнебойное колесо) увлекает за собой лопасти.

Здесь на вогнутых лопастях происходит замедление скорости вытекающей струи, меняется ее направление и струя отдает свою энергию колесу, давя на лопасти, толкая их. Такое колесо целиком не заполнено водой, вращается в воздухе.

Один из распространенных типов активной турбины — «ковшовая турбина». Вода по направляющей трубе подводится к колесу, лопасти которого выполнены в виде ковшиков, и заставляет колесо вращаться. Силу давления струи, а значит, и мощность турбины, можно регулировать «иглой», то есть большой пробкой. Этой пробкой-иглой прикрывают или открывают отверстие, через которое бьет струя. Чем отверстие будет больше, тем и количество протекающей воды окажется больше, а значит, — и струя сильнее.

«Ковшовая» активная турбина.

Такие турбины строятся сейчас на большие мощности и устанавливаются там, где вода на турбину падает с большой высоты. Так, сейчас на Металлическом заводе в Ленинграде строится ковшовая турбина мощностью в 65 тысяч киловатт для напора в 680 метров. С высоты в 2/3 километра будет падать вода на лопасти этой турбины.

Весьма распространенными водяными двигателями являются гидротурбины другого типа — реактивные. Принцип работы этих современных гидротурбин имеет много общего с принципом «сегнерова колеса». Их устройство, однако, не напоминает сосуда с отогнутыми трубками.

Реактивная гидротурбина с вертикальным валом. Вода поступает вначале в спиральную камеру, окружающую направляющий аппарат, и затем — через каналы между неподвижными лопатками направляющего аппарата на рабочее колесо турбины. Лопасти колеса имеют специальную форму, вода проходит по суживающимся каналам и сливается вдоль вертикальной оси вниз, во всасывающую трубу. Лопатки направляющего аппарата можно поворачивать с помощью специального механизма, который называется сервомотором. Этим суживаются или расширяются каналы направляющего аппарата и меняется количество воды, пропускаемое на рабочее колесо, а значит — и мощность турбины.

На рисунке показана схема лопастной реактивной турбины. Ее колесо имеет так же, как и колесо активной турбины, множество лопастей специальной формы. Вокруг колеса помещается неподвижный металлический пояс, направляющий аппарат, разделенный перегородками на каналы особой формы. Вода поступает сразу во все каналы кожуха (как показано стрелками) и движется вдоль каналов сразу на все лопасти колеса.