Водяные колеса, являвшиеся основными двигателями в промышленности на протяжении нескольких веков, в XIX веке 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. Значило ли это, что водяное колесо полностью прекратило свое существование? Отнюдь нет! Оно превратилось в новый совершенный гидравлический двигатель – гидравлическую турбину.
Смотрите также: ремонт гидронасоса экскаватора
Турбина в наше время является одной из наиболее мощных энергетических машин. Так, мощность турбин Саяно-Шушенской гидроэлектростанции (ГЭС) составляет 6,6 млн кВт, мощность же одного современного гидравлического двигателя доходит до 1 млн кВт! Кроме этого, электрификация всей страны и питание потребителей от единой системы сделали гидротурбину по-своему универсальным двигателем. Действительно, она может посредством электричества приводить механизмы в любом хозяйстве, на любом предприятии,в любой шахте.
Прообразом гидротурбины послужило мутовчатое колесо с вертикальным расположением вала, широко распространенное в России еще в XVI веке. В нем свободная струя воды падала на изогнутые лопасти. Впоследствии гидравлические машины, использующие кинетическую энергию потока, назвали активными гидротурбинами.
Первую гидравлическую турбину в России создал в 1837 г. русский изобретатель И.Е. Сафонов. Его турбина мощностью около 25 кВт была вдвое мощнее верхние наливного колеса с тем же расходом воды. Позже появился целый ряд турбин различных систем.
Большой вклад в развитие турбиностроения внесли отечественные ученые и специалисты. Н.Е. Жуковский впервые объяснил природу возникновения подъемной силы, действующей на самолет в воздухе. Одновременно он указал и наиболее совершенные профили крыльев. При движении крыла в воздухе и в жидкости справедливы одни и те же законы. Каждая лопатка или лопасть водяной турбины активного типа — своеобразное крыло. При обтекании водой она создает свою “подъемную” силу. При этом лопатки установлены по окружности ротора так, что сила, развиваемая всеми лопатками, не поднимает его, а приводит во вращение.
С развитием гидравлических турбин выделяется самостоятельный раздел гидромеханики – **гидродинамика**. Огромную роль в создании отечественной гидродинамики сыграли труды академика С.А. Чаплыгина.
Реактивная турбина работает по другому принципу. В рабочем колесе выполняют криволинейные каналы, внутри которых потенциальная энергия воды переходит в кинетическую энергию колеса. Сила давления воды на стенку каждого канала по величине равна силе реакции его, но направлена в противоположную сторону.
Допустим, что жидкость подводится к рабочему колесу турбины активного типа свободным потоком. Колесо вращается, окружная скорость жидкости равна нулю.
Что будет происходить? Жидкость, ударяясь о детали колеса, тормозит ротор. На удар будет затрачиваться ровно четверть подводимой энергии! При этом еще четверть энергии сохранится в уходящей из турбины жидкости. В самом лучшем случае с вала турбины можно будет снять лишь 50 % подводимой энергии водяного потока. Что же делать? Надо исключить удар: предварительно, до входа в колесо, “закрутить” поток жидкости. Ведь если окружная скорость жидкости на входе в колесо будет равна окружной скорости его каналов, то и удара, а следовательно, и потерь на входе почти не будет. Так и делают. На статоре турбины, вокруг ротора, устанавливают подвижные лопатки, кинематически связанные между собой и с приводом. Они образуют так называемый направляющий аппарат, цель которого — создать нужную окружную скорость воды на входе в колесо. Поворотом лопаток направляющего аппарата регулируют и режим работы турбины, вплоть до останова ее колеса.
Древнее водяное колесо было нижнебойного типа. Эта конструкция жива и в наше время! Только теперь она перевоплотилась в ковшовую гидротурбину. Рабочее колесо такой турбины состоит из вала со ступицей, к которой вместо лопаток прикреплены ковши. Вода поступает в сопло, направленное на ковшы, а затем — на рабочее колесо, где вода отдает энергию и сливается в канал. Турбина выполнена так, что вода бьет в нижние ковшы колеса. Иногда размещают несколько сопел по окружности.
Для увеличения мощности гидравлические турбины делают двух- или трехколесными с вертикальным или горизонтальным валом. Горизонтальные гидравлические турбины обладают на 20—25 % большей пропускной способностью, а следовательно, и большей мощностью. А как раположить генератор гидроагрегата? Тоже горизонтально. Его можно отделить от турбины стенкой, обеспечивая надежную герметизацию вала. Однако лучше генератор вместе с турбиной поместить непосредственно в поток жидкости. Но ведь его надо тогда изолировать?
Естественно. Генератор заключают в герметичный кожух, который называют капсулой. Гидротехническое сооружение капсульного гидроагрегата упрощается благодаря тому, что жидкость подходит к нему и уходит на слив, практически не меняя своего направления.
Широко применяются турбины пропеллерного типа, движущая сила которых создается давлением воды на лопасти ротора, выполненного в виде пропеллера.
Такие турбины особенно удобно устанавливать в капсулы.
Для того чтобы обеспечить необходимое давление воды на лопасти турбин, строят плотины. Обычно это грандиозные и очень дорогостоящие сооружения. А как же иначе? Оказывается, можно и иначе! Например, используя переносную гидроэлектростанцию. Такая гидроэлектростанция РП ГЭС-1,5 демонстрировалась на выставке НТП-85 ВДНХ СССР. Правда мощность ее невелика: всего 1,5 кВт, но перспективы — большие. Что же это за ГЭС? ГЭС-1,5 — родная сестра любого турбогенератора электрического тока. Она содержит водяное колесо — турбину, генератор электрического тока, систему контроля и регулирования. КПД ее завидный — 50 %. А как же с плотиной, она тоже переносная? Да, переносная.
Собственно, это и не плотина, а устройство, позволяющее получить давление водяного столба (ведь это главное!) — брезентовый составной рукав. Если входное отверстие рукава расположить вверху по течению реки, то на выходе получим давление воды, пропорциональное высоте водяного столба, заключенного в рукаве. Рукав можно отвести от верхнего уровня вниз на большое расстояние.
ГЭС отлично работает при длине рукава 30 м, если уклон реки около 10°, и при длине рукава 100 м, если уклон реки 3-4°. Масса гидроагрегата всего 85 кг.