> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Турбины

Турбины

Турбины (реже — тюрбины), см. двигатели, XVIII, 30 сл.

I. Водяные Т. являются наиболее распространенным типом водяных двигателей (смотрите двигатели, XVIII, 31/32, прил. 55768). Извлечение из воды энергии основано в них на предварительном преобразовании последней в кинетическую с тем, чтобы затем—путем изменения величины и направления скорости воды—получать давление на специальные криволинейные поверхности и создавать этим момент (смотрите),

вращающий эти поверхности вокруг некоторой оси, и соответствующую этому моменту работу.

1. Прототипом этого рода двигателей необходимо считать известное в глубокой древности подливное колесо (смотрите XVIII, 61765, фигура 6, 7, 10, 11, 12). В отличие от водяных колес нормальных конструкций, в нем вода совершенно не работает своим весом, а только лишь давлением, производимым на лопатки путем изменения направления скорости входящей на них струи потока. К этому лее типу необходимо отнести и весьма древний тип колес, в которых большая скорость воды создается искусственно путем специального лотка с большим уклоном (тип весьма распространенный и поныне в гористых местностях Кавказа).

Первые попытки решить вопрос об использовании кинетической энергии воды более совершенным образом необходимо отнести к 1750 г., когда Сегпср (Segner) в Геттингене предложил конструкцию реактивного колеса, носящего его имя (фигура 1; см. сетерово колесо). Эта конструкция была подсказана незадолго до этого теоретическими исследованиями в области гидравлики математика Даниила Бернулли в 1730 г., в его труде «Hydrodynamica», но не получила, однако, практического применения, дав все же толчен для дальнейших теоретических исследований т. наз. реактивною действия воды. Они получили свое завершение в трудах Эйлера в 1751 и 1754 гг., который дал измененную и усовершенствованную конструкцию реактивного колеса (фт. 2), замечательную тем, что в пой вода перед входом па вращающиеся поверхности (ковши) проходит через неподвижные трубки, придающие ей теоретически паивыгоднейшее направленно и скорость; этим был создан имеющий весьма важное в конструкции Т. значение направляющий аппарат.

Истинпым творцом Т., напоминающей по конструкции современные ее типы, является французский инженер Фурнейрои (Fourney-ron). Его изобретение было подготовлено предшествующими теоретическими исследованиями и было премировано на конкурсе, объявленном Парижским обществом содействия народной промышленности на предмет постройки водяного двигателя, достаточно мощного и удовлетворительно работающего на практике. 1827 г., когда была установлена первая подобная Т. на металлургическом заводе в гор. Ду (франция), необходимо считать началом развития водяных Т. К тому же времени необходимо отнести и данное новому водяному двигателю название. Т. Фурнейрона принадлежит к типу т. наз. радиальных Т. с внутренним подводом воды (смотрите фигура 3), в которых вода проходит через рабочее колесо в плоскостиперпендикулярной к оси вращения, и выходит на наружном обводе колеса. Т. Фурнейрона впервые доказала возможность достаточно совершенной регулировки мощности при помощи осевого перемещения особых задвижек перед входом воды в рабочее колесо. Уже в 1837 г. такими Т. был использован напор до 110 м. при мощности в 60 лошадиных сил.

В 1837 г. появилась впервыо аксиальная Т., то есть Т. с движением воды в осевом направлении, изобретенная кассельским механиком Генелем (Нае-nel; фигура 4). Эта Т. больше известна под именем Т. Жонваля (Jonval), мюльгау-Фигура 1. венского механика,

введшего в ней некоторые усовершепствования.Гепелем впервые была применена всасывающая труба (фигура 4), благодаря которой без особых потерь напора рабочее колесо могло быть установлено выше пижного уровня. Это ценное качество, дславшоо работу Т. независимой от колебаний этого уровня, оказало значительное влияние па ее распространение, особенно при

малых напорах, несмотря на меньшее совершенство регулирования мощности, которое достигалось не плавно, но скачками, с помощью прикрывания большой или меньшей части каналов направляющего аппарата. Одновременно с этим, благодаря теоретическим исследованиям главпым образом IIапселе (Poncelet), было усовершенствовано подливноо колесо, и сделаны были попытки его устаиовки па вертикальном валу для работы под действиемгоризонтальной изолированной струи, чем была установлена возможность работы воды в радиальном направлении, по направлению от периферии к центру колеса; вскоре эта идея, была осуществлена на практике в 1841 г. Цуп-пингером (Zup-pinger) в Цюрихе в его тангенциальном геолесе (фигура б), имевшем некоторое распространение благодаря удобству регулирования. В 1851г.

Жирар (Girard) окончательно установил в своей Т. принцип активного действия, применявшийся и до него Попселе.Цуппин-гером и друг., то есть принцип конструирования лопаток рабочего колеса таким образом, чтобы в пих на всем пути воды давление оставалось одинаковым и равным атмосферному. Эго повело к бильшнм удоб«

ствам регулирования и возможности более свободного прикрывания отдельных каналов колеса. Принцип Жирара применен был как к аксиальным, так и к радиальным Т. Кроме перечисленных типов, в свое время было предложено и находилось в употреблении много аналогичных им, ныне совершенно

исчезнувших, как, ваир., Т. Кнаппа, шотландская, Швам-Kpyia и др.

В 1844 г. проф. в Карлсруэ Редтенба-хер (Redtenbacher) в своей книге «Тоорпя и устройство Т. и вентиляторов» свел в одиу теорию все исследования о Т., как свои соб

ственные, так и бывшие до пего, и создал научную классификацию появившихся типов; причем им было отведено место и для ра-шшлъиой Т. с внешним подводом води, осуществленной до этого лишь отчасти в колесе Ионселе и Цуппингера, и предложена идея ее конструкции. Это предложение в Европе осталось незамеченным, но было осуществлено

вполне независимо в Америке в 1838 г. Самуилом Гаудом (Samuel Howd) в штате Нью-Йорк и затем вскоре усовершенствовано френсисом (Francis; см. фи>. 6). Предложенная как

Фигура 7.

первым, так и вторым, Т. создавала движение воды исключительно в плоскости, перпендикулярной к осп, без изменения его в аксиальное перед выходом из колеса, что являетсяворшенного регулирования и большого числа оборотов, недостижимых в прочих тинах. В последние годы (примерно 1915 — 1920) стремление к большему числу оборотов привело

Рисунок 8.

столь характерным для современных типов. Подобное отклонение впервые было провожено такжо и Америке механиком Спайном (Swain). Несмотря иа это, за современной Т. укорспилось все же назвапис Т. Френсиса. Весьма важное усовершенствованно ее было внесено в Европе проф. Финком (Fink), предложившим производить регулирование мощности при носродстно поворота лопаток направляющего аппарата около оси, параллельной оси вращения Т. Преимущества Т. Френсиса с регулированием Финка было весьма быстро оценено как в Америко, так и в Европе, и этот тип в течение сравнительно немногих лет вытссппд окончательно все остальные

Типы при низких и средних напо- |__

рах; распространение Т., получившей название Френсиса, стало проявляться особенно сильно, когда электротехника перешла к соединению па одном палу с Т. генератора электрической энергии (смотрите гидротехнические сооружения, XIV, прил. к 519/20), потребовавшему особенно сок новым усовершенствованиям Т. Френсиса и к некоторым корепным в ней изменениям, приведшим в результате к новым тинам, на

Фигура 9.

званным по имени их изобретателей: Каплана (Kaplan, проф. в Брюпне1, Наглера (Nagler, Америка), Лавачека (Lawacek, Прага) и не к. других. Для больших напоров стало с успехомприменяться и вытеснять остальные типы колесо Пелътона, изобретенное в 1880 г. в С.-францпско инженером Ислътоном (Pelton); оно представляет собою видоизменение тангенциальной Т.; его преимущества выразились, подобно Т. Френсиса, в большей простоте и точности регулирования.

2. Современная Т. Френспса состоит из нижеследующих ос-повпых частей (фигура 7 и 8). Подводящие сооружения, открытый канал или закрытая труба, в зависимости от располагаемого напора, направляют воду в турбинную камеру, служащую для улучшения входа воды в собственно Т. Внимательное изучение — на практике и в теории — действия камер показало, что правильная их конструкция может оказать значительное влияние на действие самой Т., благодаря чему ее следует считать неотъемлемою ее частью; наилучшим очертанием турб. камеры необходимо признать спиральное (фигура 8 и 9) — благодаря чему в от

при сдвоенной установке в закрытой трубо (фигура 12). Из турб. камеры вода входит в папра-вляющгш аппарат, состоящий из ряда лопаток, поставленных под углом к ободу на осях, параллельных оси вращения Т.; путем поворота этих лопаток от специально регулирую-

щей механизма (фигура 7, 9) достигается больший или меньший их наклон к цилиндрической поверхности выхода воды из паправл. аппарата и соответственно большее или меньшее их раскрытие, имеющее следствием вступле-

Фигура 13.

ветствеппых случаях к нему и прибегают, конструируя камеру из бетона или из металла, в зависимости от тех давлений, с какими приходится иметь дело: при установках незначительной мощности, особенно при небольших напорах и соответственно малых скоростях, довольствуются выполнением турб. камеры в виде простого ящика, каменного, деревянного, бет.ого и тому подобное. (фигура 10, 11); спиральное очертание заменяется часто цилиндрическимнпе большего или меньшего секундного количества воды в Т. Из паправл. аппарата вода в надлежащем направлении и с надлежащею скоростью вступает в рабочее, колесо, состоящее из ряда лопаток (фигура 13); сложная форма поверхности последних дает возможность надлежащего отклонения струи и плавного ее перевода из направления, приданного ей при входе, в направление, параллельное оси в точках выхода; благодаря подобному отклонению,

струя оказывает давление на лопатки, развивая вращающий колесо момент, создающий соответственную работу. Из рабочего колеса вода вступаот во всасывающую трубу, отводящую воду ва нижний уровень и позволяющую устанавливать Т. на некоторой высоте над последним без потери энергии благодаря развивающемуся в трубе разрелсению; расши-

Фигура 14.

репие всас. трубы к выходу дает, кроме того, возможность уменьшать размеры рабочего колеса при большом выходпом саченип всас. трубы, а, следовательно, при малых потерях энергии в уходящей воде; малые размеры раб. колеса являются ценным качеством, широко используемым в случае необходимости развить большое число оборотов; практика и теория всас. трубы показали весьма большое значение ее для правильного действия Т.; всас. труба в зависимости от местных условий делается с прямою осью или с изогнутого, с переходом в горизонтальное направление, изготовляется из металла (литая чугунная, клепаная железная) или из бетопа, последнее чаще; в виду большого значения всас. трубы, не прекращаются попытки ее дальнейшего усовершенствования. В новейших Т. Каплан (1913) и друг, изобретатели стремились развить возможно большео число оборотов, ДЛЯ чего было подвергнуто теоретическому изучению — на основании новых предположений и математических приемов — движение воды в турб. камере, рабочем колесе и всас. трубе; в результате Т. Каплана и ее аналоги оставляют вход воды в рабочее колесо через направляющий аппарат, тождественный с направл. аппаратом Т. Френсиса, чом сохраняются все удобства регулирования; рабочее колесо имеет вход воды особой, в нек. типах—близкий к осевому (фигура 14); характерным для иовойших быстроходных типов является очень позпачительноо число лопаток и отсутствие связи между их концами в видеобычного наружного обода, — подобпый тип рабоч. колоса получил название пропеллерного. Каплан, кроме того, в своем типе предложил поворот лопаток рабоч. колеса от спец, автоматического приспособления, действующего в контакте с приспособлением поворота лопаток направл. аппарата,—этим достигается лучшее использование энергии воды при мощностях, отличающихся ог нормальной.

Т. в первых их установках имели вертикальный вал, что было необходимо для правильного действия всасывающей трубы; в Т. активных, в требовавших установки последней, вал мог быть горизонтальным, что создавало большую простоту и надежность действия его опорных приспособлений; вертикальный вал требовал устройства пят специальной конструкции (пята Фонтеня), которые располагались выше уровня воды и к которым подвешивался полый нал с падетым на нем рабочим колесом; недоступность подобной пяты во время действия Т. вызвала появленио кольцевой пяты, усовершенствование всасывающей трубы дало возможность искривления оо оси, что позволило вал Т. располагать горизонтально, направляя в то лее время конец всасыв. трубы вертикально (фигура 11, 12). Это дало возможность перейти к горизонтальным установкам почти повсеместно, как в единичных, так и в кратных Т., насаживаемых на один вал. Однако, практика выяснила, что при больших мощностях горизонтальные установки Т., особенно кратных, требуют значительно больше места, а

Фигура 15.

потому обходятся дороже вертикальных, благодаря чему вертикальные кратные (т. н. этажные) Т. больших мощностей долго не выходили из употребления, несмотря на сложность установки и ромонта. В послодиео время, когда наличие быстроходиых типов устранило почти совершенно необходимость прибегать к кратным Т., с одной стороны, и когда усовершенствование кольцевой пяты уничтожило сложность ухода и ненадежность ее действия, с другой, вертикальная Т. длябольших мощностей стала почти единственным применяемым типом, тем более, что и быстроходность лучше достигается, как показываот практика, при вертикальном направлении верхней входной части всасываю щей трубы.

Современное колесо Пелиона состоит из

Фигура 16.

рабочего колоса (фигура 15 и 16) с лопатками, имеющими подобие ковшей; на пих действует ударом струя, выходящая из сопла со скоростью, соответствующей всему располагаемому в напорной трубе давлению. Регулировка производится большим или меньшим нрикрываниом круглого отверстия сопла, для чего внутри последнего в осевом направлении движется игла с коноидальпым наконечником. Как форма ковшей, так и очертание поверхности сопла и его игла потребовали весьма сложных и продолжительных опытов; из пих особеппо известны опыты американского завода Эбнер Добль (Abner Doble).

Весьма ответственным дополнением к турбинному механизму Т. в узком смысле этого слова является автоматический регулятор числа оборотов, без которого немыслима ни одна более или менее серьезная установка; особеппо большие требования к регулированию ставит соединение ее с генератором электрического тока. Так как поворот лопаток Т. Френсиса, равно как и перемещение иглы колоса Педьтопа требует значительных усилий и соответственно значительных мощностей при быстром их передвижении из одного положения в другое, то делается необходимым применение вспомогательных двигателей, сервомоторов, приводимых в движение указателем числа оборотов, в большинстве случаев коническим маятником, всякий раз при изменении скорости. Обычно сервомотором слулсит поршень, передвигаемый давлением масла, нагнетаемого специальным насосом.

Общая схема раснололсения регулятора следующая (фигура 17). Конический маятник К в случае изменения числа оборотов действует на рычаг KOL при неподвижной точке О и этим выводит из среднего положения цилиндрический золотник сервомотора, вполпе уравновешенный и требующий для своего перемещения минимального усилия. Масло, подаваемое насосом Н и накопляющееся в воздушном колпаке, входит в цилиндр сервомотора и перемещает норшепь его в соответствующую сторону, увлекая шток Р, соединенный с регулирующими органами Т. Вместе с перемещением поршня сервомотора перемещается также и стерлшпъ DO, благодаря чему неиодвилшая точка О также перемещается, передвигая одновременно точку L в сторону возвращения золотника в среднее полоясепие и прекращения действия сервомотора. В результате остаются смещенными поршень сервомотора с регулирующими органами Т., течка О, диск D и конический маятвнк К; для возвращения его в прелшео положопие, для чео

го требуется также возвращение Т. до прежнего числа оборотов, горизонтальный диск D прпясат к вращающемуся постоянно вертикальному диску, который начинает увлекать трением и вращать диск D, коль скоро он вышел из своего нормальпого положения; при вращении диск D свинчивается иди навинчивается на свою ось, изменяя этим расстояния DO и смещая точки О и L с соответственным перемещением золотника; сервомотор вновь несколько передвигается, в результате чего точки О и L, диск D и маятник К возвращаются в прежнее положение, возвращая Так как прежней скорости вращения.

8. Теория Т. развивалась постепенно, парал. лельно с развитием ее конструкции и накопле-

нием опыта. Требования, предъявленные к водяным двигателям в последнее десятилетие прошлого века, заставили многие заводы Европы и Америки соорудить специальные испытательные лаборатории для изучения работы Т.; они быстро расширили кругозор в деле построения Т. и создали толчек к развитью и осуществлению повых идей; деятельность этих лабораторий приобрела особенно интенсивный и планомерный характер после установления применимости к турбинному механизму закона подобия, давшего возможность судить о действии больших Т. по работе им подобных небольших моделей, испытание которых могло быть произведено сравнительно легко и удобно при напорах и расходах, достижимых в лабораторной обета новке.