|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Turbina wodna. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Turbina jest silnikiem obrotowym o ciągłym procesie pracy i ruchu obrotowym korpusu roboczego (wirnika), przetwarzającym energię kinetyczną i/lub energię wewnętrzną płynu roboczego (pary, gazu, wody) na pracę mechaniczną. Strumień cieczy roboczej działa na łopatki zamocowane na obwodzie wirnika i wprawia je w ruch. Znajduje zastosowanie jako napęd generatorów elektrycznych w elektrowniach cieplnych, jądrowych i wodnych, jako integralna część napędów w transporcie morskim, lądowym i powietrznym, a także w przekładniach hydrodynamicznych, pompach hydraulicznych.
W historii ludzkości silniki wodne zawsze odgrywały szczególną rolę. Od wieków głównym źródłem energii w produkcji są różne maszyny wodne. Później rozwój silników termicznych (a później elektrycznych) znacznie zawęził zakres ich zastosowania. Jednak wszędzie tam, gdzie były tanie zasoby wodne (szybko płynący strumień, wodospad lub rwąca rzeka), silnik wodny mógł być lepszy od wszystkich innych, ponieważ był bardzo prosty w konstrukcji, nie wymagał paliwa i miał stosunkowo wysoki efektywność. Po wynalezieniu w pierwszej połowie XIX wieku turbiny wodnej o bardzo wysokiej sprawności, elektrownia wodna przeżyła swego rodzaju odrodzenie. Wraz z początkiem elektryfikacji na całym świecie rozpoczęto budowę elektrowni wodnych, w których generatory elektryczne otrzymywały napęd z potężnych turbin hydraulicznych o różnej konstrukcji. A dzisiaj turbiny wodne odpowiadają za dużą część światowej produkcji energii elektrycznej. Dlatego to wspaniałe urządzenie jest słusznie jednym z największych wynalazków. Turbina wodna powstała z koła wodnego, a zanim zaczniemy mówić o jej urządzeniu, należy powiedzieć kilka słów o kołach wodnych. Jak już wspomniano, pierwsze koła wodne zaczęto stosować już w starożytności. Z założenia podzielono je na otwór dolny (lub sos) i otwór górny (lub luzem). Dolne koła były najprostszym typem silnika wodnego. Nie wymagały budowy dla siebie kanałów czy tam, ale jednocześnie miały najniższą wydajność, gdyż ich praca opierała się na dość niekorzystnej zasadzie. Zasada ta polegała na tym, że woda płynąca pod kołami uderzała w łopatki, powodując ich obrót. Tak więc w kołach zalewowych wykorzystywana była tylko siła naporu wody. Z energetycznego punktu widzenia bardziej racjonalne były koła napełniające, w których wykorzystano również ciężar spadającej wody.
Urządzenie do napełniania koła było również bardzo proste. Rząd wiader był przymocowany do obręczy dużego koła lub bębna. Do górnej kadzi wlewano wodę z góry rynny. Wiadro wypełnione wodą stało się cięższe, spadło i pociągnęło za sobą cały brzeg. Koło zaczęło się obracać. Następne wiadro zajęło miejsce opuszczanego koła. On również został napełniony stale płynącą wodą i zaczął tonąć. Na jego miejsce pojawiła się trzecia, potem czwarta i tak dalej. Gdy wiadra dotarły do dna krawędzi, wylała się z nich woda. Ceteris paribus, moc górnych kół przebijających była wyższa niż dolnych kół przebijających, ale koła te miały duże wymiary i niską prędkość obrotową. Ponadto dla ich sprawnego działania konieczne było stworzenie znacznego spadku wody, czyli budowanie kanałów, zapór i innych kosztownych konstrukcji.
Każde koło wodne było montowane na wale, który obracał się wraz z kołem, az niego obrót był przekazywany dalej do maszyny, którą chcieli uruchomić. W starożytności i średniowieczu takie silniki były szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, gdzie wprawiały w ruch młoty, mieszki dmuchaw, pompy, maszyny tkackie i inne mechanizmy. Mogłoby się wydawać, że w wielowiekowej historii istnienia kół wodnych mechanicy dowiedzieli się o nich wszystkiego. A co może być nowego w tym starym projekcie? Okazało się jednak, że było to możliwe. W 1750 roku węgierski Segner, który pracował na Uniwersytecie w Getyndze, przedstawił zupełnie nowy pomysł na silnik wodny, który oprócz ciśnienia i masy wykorzystywał również siłę reakcji wytworzoną przez przepływ wody.
Woda spływała z góry do naczynia połączonego z osią, na dnie której znajdowały się rurki w kształcie krzyża z zagiętymi na bok końcami. Przepłynęła przez nie woda, a powstała siła reakcji zadziałała we wszystkich czterech rurkach w tym samym kierunku, wprawiając w ruch cały koł. Było to niezwykle pomysłowe odkrycie, które jednak nie znalazło praktycznego zastosowania w tej formie, ale wzbudziło żywe zainteresowanie niektórych matematyków i inżynierów. Wielki niemiecki matematyk Euler był jednym z pierwszych, który zareagował na tę nowość, poświęcając kilka swoich prac na badanie koła Segnera. Przede wszystkim Euler zwrócił uwagę na niedociągnięcia w konstrukcji Segnera, jednocześnie zwracając uwagę, że niska sprawność koła jest wynikiem nieracjonalnych strat energii. Napisał dalej, że straty te można by znacznie zmniejszyć, gdyby idea nowego silnika została w pełni wdrożona. Znaczące straty następowały przede wszystkim, gdy woda wnikała do koła na skutek gwałtownej zmiany kierunku i prędkości przepływu wody (energia była tu wydatkowana na uderzenie). Ale można by je zmniejszyć, gdyby woda była doprowadzana do koła w kierunku obrotu z prędkością tego obrotu. Były też straty na wyjściu, ponieważ część energii była odprowadzana z prędkością wody na wyjściu. Idealnie woda powinna nadawać kołu pełną prędkość. W tym celu Euler zaproponował zastąpienie poziomych rur wylotowych rurami krzywoliniowymi biegnącymi od góry do dołu. Wtedy nie było już potrzeby robienia otworów do odprowadzania wody z boku, ponieważ można było po prostu pozostawić dolny koniec zamkniętej rury otwarty. Euler przewidział, że w przyszłości maszyny hydrauliczne tego nowego typu (w rzeczywistości była to turbina hydrauliczna, ale sama ta nazwa nie była jeszcze używana) będą miały dwie części: stałą łopatkę kierującą, przez którą woda będzie spływać do dolnego koło obrotowe, które jest korpusem roboczym maszyny. Mimo zgłoszonych uwag Euler wysoko ocenił wynalazek Segnera i proroczo zaznaczył, że otworzył on nową drogę dla rozwoju silników hydraulicznych, który był skazany na wielką przyszłość. Jednak zarówno koło Segnera, jak i praca Eulera nieco wyprzedziły swój czas. Przez następne siedemdziesiąt lat nikt nie próbował ulepszyć koła Segner zgodnie z uwagami Eulera. Zainteresowanie nimi w pierwszej ćwierci XIX wieku ożywiło dzieło francuskiego matematyka Ponceleta, który zaproponował specjalny rodzaj nowo zaprojektowanych kół wylewowych. Sprawność koła Poncelet sięgała 70%, co było zupełnie nieosiągalne dla innych typów silników wodnych.
Sekret sukcesu polegał na tym, że łopatki koła otrzymały specjalny półokrągły kształt, tak że dostarczona woda wpadała w nie w kierunku ich krzywizny, przeszła pewną odległość w górę ostrza, a następnie schodząc, wychodziła. W takich warunkach całkowicie wyeliminowany został wpływ wody na łopatki na wejściu, na którym zwykle tracono znaczną część energii strumienia wody. Wynalazek Ponceleta był ważnym krokiem w kierunku turbiny wodnej. Aby ta ścieżka została ukończona do końca, brakowało drugiego elementu turbiny, opisanego przez Eulera - łopatki kierującej. Po raz pierwszy profesor Burden zastosował łopatkę kierującą do koła wodnego w 1827 roku. Jako pierwszy nazwał swój samochód turbiną (z łac. turbo - szybki obrót), po czym ta definicja weszła do użytku. W 1832 roku francuski inżynier Fourneuron stworzył pierwszą praktyczną turbinę hydrauliczną.
Jego turbina składała się z dwóch koncentrycznych kół leżących naprzeciw siebie: wewnętrznego, nieruchomego K, będącego kierownicą, oraz zewnętrznego z zakrzywionymi łopatkami a, będącego pracującym wirnikiem turbiny. Woda wchodziła do turbiny z góry przez rurę owiniętą wokół wału turbiny i spadała na łopatki kierujące. Łopatki te wymuszały ruch wody po linii zakrzywionej, w wyniku czego wpadała w kierunku poziomym w łopatki wirnika turbiny bez uderzenia, po całym jego wewnętrznym obwodzie, oddając temu ostatniemu całą swoją energię, a następnie płynęła równomiernie na jej wewnętrznym obwodzie. Nowo napływające i ścieki nigdy nie mieszały się ze sobą. Koło turbiny było mocno połączone z pionowym wałem D, przez który przenoszony był ruch. Sprawność turbiny Furneurona osiągnęła 80%. Stworzony przez niego projekt miał ogromne znaczenie dla dalszej historii budowy turbin. Wieść o tym niesamowitym wynalazku szybko rozeszła się po całej Europie. Specjaliści-inżynierowie z wielu krajów przez kilka lat przyjeżdżali do odległego miejsca w Schwarzwaldzie, aby obejrzeć działającą tam turbinę Furneurona, która była tam wielką atrakcją. Wkrótce na całym świecie budowano turbiny. Przejście na turbiny było rewolucyjną zmianą w historii silników hydraulicznych. Jaka była ich przewaga nad starym kołem wodnym? W powyższym krótkim opisie turbiny Furneurona trudno dostrzec koło Segnera. Tymczasem opiera się na tej samej zasadzie wykorzystania ruchu strumienia wody (dlatego ten typ turbiny został później nazwany strumieniem). Tyle, że Furneuron dokładnie rozważył wszystkie uwagi Eulera i wykorzystał własne doświadczenie jako inżyniera hydraulika. Turbina Furneurona różniła się od koła wodnego w kilku kluczowych punktach. W kole wodnym woda wchodziła i wychodziła w tym samym miejscu. Z tego powodu zarówno prędkość, jak i kierunek ruchu wody w łopacie koła były różne w różnych momentach - koło niejako zużywało znaczną część swojej użytecznej mocy, aby stale pokonywać opór strumienia. W turbinie Furneurona woda z aparatu prowadzącego wchodziła na jedną krawędź łopatki koła, przechodziła wzdłuż łopatki i spływała z jej drugiej strony. Dzięki temu woda w turbinie nie zatrzymywała się, nie zmieniała kierunku swojego przepływu na przeciwny, a płynęła nieprzerwanie od wlotu do krawędzi wylotowych. W każdym punkcie ostrzy jego prędkość była taka sama w kierunku i różniła się jedynie wielkością. W rezultacie prędkość obrotowa turbiny teoretycznie zależała tylko od prędkości wody, a zatem turbina mogła obracać się kilkadziesiąt razy szybciej niż konwencjonalne koło wodne. Kolejną korzystną różnicą między turbiną było to, że woda przepływała jednocześnie przez wszystkie łopatki koła, aw kole wodnym tylko przez niektóre. W efekcie energia strumienia wody została wykorzystana w turbinie znacznie pełniej niż w kole wodnym, a jej wymiary przy tej samej mocy były kilkukrotnie mniejsze. W kolejnych latach opracowano kilka głównych typów hydroturbin. Nie wchodząc tutaj w szczegóły, zauważamy, że wszystkie turbiny XIX wieku można podzielić na dwa główne typy: odrzutowe i odrzutowe. Turbina odrzutowa, jak już wspomniano, była ulepszonym kołem Segnera. Miała koło turbiny zamontowane na wale, ze specjalnie zakrzywionymi łopatkami.
Koło to zawierało się w sobie lub było otoczone łopatką kierującą. Ten ostatni był stałym kołem z łopatkami kierującymi. Woda spływała w dół przez aparat prowadzący i koło turbiny, przy czym łopatki pierwszego kierowały wodę na łopatki drugiego. Po nalaniu woda naciskała na ostrza i obracała koło. Z wału obrót był przekazywany dalej do jakiegoś urządzenia (na przykład generatora elektrycznego). Turbiny odrzutowe okazały się bardzo wygodne tam, gdzie ciśnienie wody jest niskie, ale możliwe jest wytworzenie spadku o 10-15 m. Stały się bardzo rozpowszechnione w XX wieku. Innym popularnym typem turbin były turbiny odrzutowe. Ich podstawowym urządzeniem było to, że strumień wody pod silnym ciśnieniem uderzał w łopatki koła, co powodowało jego obrót. Podobieństwo turbiny odrzutowej z dolnym kołem jest bardzo duże. Prototypy takich turbin pojawiły się już w średniowieczu, jak można wywnioskować z niektórych ówczesnych obrazów. W 1884 roku amerykański inżynier Pelton znacznie ulepszył turbinę odrzutową, tworząc nowy projekt wirnika. W tym kole gładkie łopatki starej turbiny odrzutowej zostały zastąpione specjalnymi wymyślonymi przez niego, mającymi postać dwóch połączonych ze sobą łyżek. W ten sposób ostrza okazały się nie płaskie, ale wklęsłe, z ostrym żebrem pośrodku. Przy takim ustawieniu ostrzy praca wody prawie w całości szła na obrót koła, a tylko niewielka jej część marnowała się bezużytecznie.
Woda do turbiny Peltona płynęła rurą pochodzącą z tamy lub wodospadu. Tam, gdzie było dużo wody, rura była gruba, a tam, gdzie wody było mniej, była cieńsza. Na końcu rury znajdowała się końcówka, czyli dysza, z której woda wypływała silnym strumieniem. Strumień uderzył w łopatki koła w kształcie łyżki, ostra krawędź ostrza przecięła je na pół, woda popchnęła ostrza do przodu, a koło turbiny zaczęło się obracać. Ścieki spływały do rury wylotowej. Koło z ostrzami i dyszą zostało pokryte od góry obudową wykonaną z żeliwa lub żelaza. Przy silnym nacisku koło Peltona obracało się z dużą prędkością, wykonując do 1000 obrotów na minutę. Było to wygodne tam, gdzie można było wytworzyć silne ciśnienie wody. Sprawność turbiny Peltona była bardzo wysoka i zbliżała się do 85%, dlatego znalazła szerokie zastosowanie. Po opracowaniu w latach 80. XIX wieku systemu przesyłu prądu elektrycznego na duże odległości i umożliwieniu skoncentrowania produkcji energii elektrycznej na „fabrykach elektrycznych” – elektrowniach, w historii budowy turbin rozpoczęła się nowa era. W połączeniu z prądnicą turbina stała się potężnym narzędziem, za pomocą którego człowiek oddał na służbę ogromną moc ukrytą w rzekach i wodospadach. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Dźwignia
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Skaner płaski Xerox DocuMate 4700 dla małych i średnich firm ▪ Smartfon Microsoft Lumia 430
▪ sekcja serwisu Baterie, ładowarki. Wybór artykułów ▪ artykuł Dom z kontenerów. Wskazówki dla mistrza domu ▪ artykuł Irga zwyczajna. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Ładowarka samochodowa odsiarczania. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Efektywne UHF dla odbiornika. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony