水轮机。发明和生产的历史

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涡轮机——具有连续工作过程和工作体（转子）旋转运动的旋转发动机，它将工作流体（蒸汽、气体、水）的动能和/或内能转化为机械功。工作流体的射流作用在固定在转子圆周上的叶片上，并使它们运动。

它被用作火力发电厂、核电厂和水力发电厂的发电机的驱动装置，作为海上、陆地和空中运输的驱动装置以及液力传动装置、液压泵的组成部分。

现代水轮机

在人类历史上，水机一直扮演着特殊的角色。许多世纪以来，各种水机一直是生产中的主要能源。然后热力（以及后来的电动）发动机的发展大大缩小了它们的应用范围。然而，只要有廉价的水力资源（湍急的溪流、瀑布或湍急的河流），水力引擎可能比其他所有引擎更可取，因为它的设计非常简单，不需要燃料，并且相对高效率。

在 XNUMX 世纪上半叶发明了超高效水轮机之后，水力发电经历了一种重生。随着电气化的开始，世界各地开始建造水力发电站，发电机由各种设计的强大水轮机驱动。今天，水轮机占世界电力生产的很大一部分。因此，这个奇妙的装置理所当然地是最伟大的发明之一。

水轮机是从水车发展而来的，在说它的装置之前，先说一下水车。如前所述，第一个水车在古代开始使用。根据设计，它们分为井底（或肉汁）和顶孔（或散装）。

底轮是最简单的水力发动机。他们不需要自己建造运河或水坝，但同时他们的效率最低，因为他们的工作是基于一个相当不利的原则。这个原理是在轮子下面流动的水撞击叶片，使它们旋转。因此，浇注轮仅使用水压。从能量的角度来看，填充轮更合理，其中也使用了落水的重量。

水轮机
底部水车

灌装轮装置也很简单。一排水桶连接到一个大轮子或鼓的边缘。将水槽顶部的水倒入上部钢包中。装满水的桶越来越重，掉下来，把整个轮辋都拉了起来。车轮开始转动。下一个铲斗代替了下降轮。他也充满了不断流动的水，开始下沉。取而代之的是第三个，然后是第四个，以此类推。当水桶到达边缘的底部时，水从桶里倒了出来。在其他条件不变的情况下，上穿孔车轮的功率高于下穿孔车轮，但这些车轮尺寸大，转速低。此外，为了使其高效运行，有必要制造大量水滴，即建造运河、水坝和其他昂贵的结构。

水轮机
加注水车

任何水轮都安装在与轮子一起旋转的轴上，并从轮子进一步将旋转传递到他们想要投入运行的机器上。在古代和中世纪，这种发动机被广泛用于各个行业，它们安装在运动锤、鼓风机、泵、织布机和其他机构中。

似乎在水车存在的数百年历史中，机械师已经了解了有关它们的一切。这个旧建筑有什么新东西？然而，事实证明这是可能的。 1750 年，在哥廷根大学工作的匈牙利人 Segner 提出了一种全新的水力发动机构想，它与压力和重量一起，还利用了水流产生的反作用力。

水轮机
带四个引流管的 Segner 轮

水从上面流入一个与轴相连的容器，在其底部有两端弯曲到一侧的十字形管。水从它们中流出，由此产生的反作用力以相同的方向作用在所有四个管子中，使整个轮子旋转。这是一个极其巧妙的发现，然而并没有以这种形式得到任何实际应用，却引起了一些数学家和工程师的最热烈的兴趣。

伟大的德国数学家欧拉是最早回应这一新奇事物的人之一，他将他的几部作品都用于研究赛格纳轮。首先，欧拉指出了赛格纳设计中的不足，同时指出轮子的低效率是不合理的能量损失的结果。他进一步写道，如果更充分地实现新发动机的想法，这些损失可能会大大减少。首先，由于水流方向和速度的急剧变化（能量被消耗在冲击上）而进入车轮时，首先发生了重大损失。但是，如果水以这种旋转的速度沿旋转方向被带到轮子上，它们可能会减少。出口处也有损失，因为部分能量被水的出口速度带走。

理想情况下，水应该让车轮全速运转。为此，欧拉提出用自上而下的曲线管代替水平出口管。然后不再需要为从侧面释放水开孔，因为可以简单地将封闭管的下端打开。欧拉预测，未来这种新型的水力机器（实际上是水轮机，但这个名字本身还没有使用）将有两个部分：一个固定的导向叶片，水通过它流入下部旋转轮，是机器的工作体。尽管发表了上述言论，但欧拉对赛格纳的发明给予了高度评价，并有先见之明地指出，他为液压发动机的发展开辟了新的道路，注定了美好的未来。

然而，赛格纳轮和欧拉的工作都有些超前。在接下来的七十年里，没有人试图按照欧拉的说法改进赛格纳轮。 70 世纪上半叶对它们的兴趣因法国数学家庞塞莱特的工作而重新燃起，他提出了一种特殊类型的新型浇注轮。 Poncelet轮的效率达到了XNUMX%，这是其他类型的水机完全无法达到的。

水轮机
弹簧轮

成功的秘诀在于，轮子的叶片被赋予了特殊的半圆形形状，因此供应的水沿着它们的曲率方向进入，通过叶片上方一段距离，然后下降，流出。在这种情况下，水对入口处叶片的影响，通常会损失大部分水射流的能量，完全消除了。 Poncelet 的发明是迈向水轮机的重要一步。为了使这条路径完成到尽头，欧拉描述的涡轮机的第二个元件丢失了——导向叶片。

1827 年，伯登教授第一次将导向叶片应用于水车。他是第一个将他的汽车称为涡轮机（来自拉丁语turbo - 快速旋转）的人，之后这个定义开始使用。 1832 年，法国工程师 Fourneuron 发明了第一台实用的水轮机。

水轮机
Furneuron 涡轮机的垂直剖面： 1 - 导叶； 2——叶轮； 3 - 涡轮轴

水轮机
Furneuron 涡轮机的水平截面

他的涡轮由两个彼此相对的同心轮组成：一个内部的静止 K，它是一个导向叶片，一个带有弯曲叶片 a 的外部，它是工作涡轮。水通过缠绕在涡轮轴上并落在导叶上的管道从上方进入涡轮机。这些叶片迫使水沿曲线移动，结果水以水平方向流入涡轮叶轮的叶片，没有冲击，沿其整个内圆周，为后者提供全部能量，然后流动沿其内圆周均匀分布。新进水和废水从未相互混合。涡轮与垂直轴 D 牢固连接，通过该轴传递运动。

Furneuron 涡轮机的效率达到 80%。他创建的设计对随后的涡轮机制造历史具有重要意义。这一惊人发明的消息迅速传遍了整个欧洲。几年来，来自许多国家的专业工程师来到黑森林偏远的地方，检查在那里工作的Furneuron涡轮机，这是一个巨大的吸引力。很快，世界各地都在建造涡轮机。

向涡轮机的过渡是液压发动机历史上的革命性变化。他们比旧水车有什么优势？在上面对 Furneuron 涡轮机的简要描述中，很难看到 Segner 轮。同时，它基于利用水射流的射流运动的相同原理（这就是这种涡轮机后来被称为射流的原因）。只是Furneuron仔细考虑了欧拉的所有言论，并利用了自己作为液压工程师的经验。

Furneuron 涡轮机在几个关键点上与水轮不同。在水车中，水在同一个地方进出。正因为如此，轮叶中水运动的速度和方向在不同的时间点都是不同的——轮子可以说是消耗了相当多的有用动力来不断克服射流的阻力。在 Furneuron 涡轮机中，来自导向装置的水进入轮叶的一个边缘，沿着叶轮流过，从另一侧流下。结果，涡轮机中的水没有停止，也没有改变其流动方向，而是从入口边缘不断地流向出口边缘。在叶片的每一点，它的速度方向相同，只是大小不同。因此，涡轮机的转速理论上只取决于水的速度，因此涡轮机的旋转速度是传统水轮的数十倍。

涡轮机之间的另一个有利区别是水同时通过轮的所有叶片，而在水轮中 - 仅通过一些。因此，水射流的能量在涡轮机中的使用比在水轮中更充分，并且在相同功率下其尺寸要小几倍。

在随后的几年中，开发了几种主要类型的水轮机。这里不赘述，我们注意到 XNUMX 世纪的所有涡轮机都可以分为两种主要类型：喷气式和喷气式。如前所述，喷气涡轮机是改进的 Segner 轮。她有一个安装在轴上的涡轮，带有特别弯曲的叶片。

水轮机
最简单的喷气涡轮

这个轮子包含在自身内部或被导向叶片包围。后者是带有导向叶片的固定轮。水流通过导向装置和涡轮叶轮，第一个叶片将水引导到第二个叶片上。倒水时，水压在叶片上并转动轮子。旋转从轴进一步传递到某些设备（例如，发电机）。事实证明，喷射涡轮机在水压低的地方非常方便，但可以产生 10-15 m 的压降。它们在 XNUMX 世纪变得非常普遍。

喷气涡轮机是另一种常见的涡轮机类型。他们的基本装置是一股强大压力下的水射流撞击轮叶，使其旋转。喷射涡轮与底轮的相似度非常大。这种涡轮机的原型出现在中世纪，从当时的一些图像可以推断出来。

1884 年，美国工程师佩尔顿通过创造新的叶轮设计显着改进了喷气涡轮机。在这个轮子中，旧喷气涡轮机的光滑叶片被他发明的特殊叶片取代，具有两个连接在一起的勺子的形式。因此，刀片原来不是平的，而是凹的，中间有一条锋利的肋。有了这样的叶片布置，水的工作几乎全部用于轮子的旋转，只有很小的一部分被无用地浪费了。

水轮机
佩尔顿轮。左角显示刀片接收射流

水轮机
佩尔顿轮（切割）

Pelton 涡轮机的水通过来自大坝或瀑布的管道流出。水多的地方管子粗，水少的地方管子细。在管道的末端有一个尖端或喷嘴，水以强劲的水流从中逸出。射流撞击轮子的勺状叶片，锋利的刀刃将其切成两半，水推动叶片向前，涡轮开始转动。废水向下流入出水管。带有叶片和喷嘴的轮子从上方覆盖有铸铁或铁制成的外壳。

在强大的压力下，佩尔顿轮以极快的速度旋转，每分钟可达 1000 转。在可以产生强大水压的地方很方便。佩尔顿水轮机的效率非常高，接近 85%，这就是它被广泛使用的原因。

在 80 世纪 XNUMX 年代开发了一种远距离传输电流的系统并且可以将电力生产集中在“发电厂” - 发电厂上之后，涡轮机建设史上开始了一个新纪元。与发电机一起使用，涡轮机成为强大的工具，人类可以利用它来发挥隐藏在河流和瀑布中的巨大能量。

作者：Ryzhov K.V.

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