История науки и техники. Энергомашиностроение
Шрифт:
Постепенно приложения гидроэнергетики расширялись: в сукновальном деле, для обработки конопли, дубления кожи, в пивоварении, для заточки инструментов. Эти процессы шли не синхронно, иногда наблюдался регресс. Англия переживала подлинный расцвет лишь с конца XIII в., и в этом видят самую настоящую «промышленную революцию». Железоделательная мельница знаменует подъем кузнечного дела в XIII в., хотя первое упоминание о ней датируется 1197 г. для одного монастыря в Швеции. Первая бумажная мельница существовала с 1238 г. в Ятове (Испания), в Италии она появилась в 1268 г. (Фабриано), во Франции – в 1338 г. (Труа), а в Германии – в 1390 (Нюренберг). Гидравлическая пила в 1240 г. была еще диковиной. Соединение водяного колеса с кулачковыми или с кривошипными механизмами позволило значительно расширить сферу его применения. К XVI столетию энергия воды использовалась не менее чем в 40 различных производственных процессах. К 1750 году тенденция продолжала сохраняться. Для увеличения мощности стали применяться групповое размещение колес. Поэтому начавшаяся в конце XIX в. замена водяных колес на паровые машины не принесла существенных изменений в промышленности, так как мощность первых паровых машин была не свыше 20
Рис. 4.3. Колесо Понселе
Рис. 4.4. Водяное колесо Смитона
4.2. Наиболее интересные сооружения с водяными колесами
В XVI–XVII вв. в Европе для водоснабжения городов часто применялся привод поршневых насосов от водяных турбин, установленных под арками моста. Впервые такой комплекс был сделан в 1570 г. в Данциге, а в 1582 году голландский инженер Петер Морис (Peter Morice) предложил эту систему лорду-мэру и олдерменам Лондона. Воду получали верхние этажи самых высоких зданий, а при первых испытаниях струя воды поднялась выше шпиля церкви святого Магнуса, находившейся поблизости. Водоподающая станция у Лондонского моста произвела такое впечатление на современников изо всех слоев общества, что изобретателю и его наследникам было дано право на аренду моста сроком на 500 лет. В дальнейшем для подачи воды стали использовать насосы конструкции Сэмюэля Морленда – дипломата и изобретателя эпохи Английской буржуазной революции. Они отличались большим ходом, поршень был выполнен из меди, а чугунный цилиндр снабжен кожаной манжетой.
В XVII в. по приказу короля Людовика XIV грандиозный комплекс был построен вблизи Версаля в Марли на реке Сене. Проект был представлен в октябре 1678 двадцатилетним офицером Арнольдом де Вилье (Arnold D’villier), затем была построена модель. Строительство под руководством фламандского инженера Р. Суаля (Soulle) продолжалось с 1679 по 1686 г. Плотина отводила воду к 14 подливным (нижнебойным) колесам. Каждое колесо имело диаметр 11 м. и ширину 2,3 м. С помощью системы коромысел и кривошипных механизмов колеса приводили в движение 259 поршневых насосов, разбитых на три группы и установленных на трех уровнях. Первая группа подавала воду на высоту 50 м., вторая – еще на 75 м, наконец, третья группа перекачивала воду в акведук, находившийся в километре от реки, на высоту 152 м. Затем вода самотекам поступала к знаменитым фонтанам Версаля.
«Машина Марли» была самой мощной установкой своего времени, однако при мощности на валу в 500 л.с. к насосам поступало только 150. Остальное терялось в громоздком передаточном механизме.
Рис. 4.5. Гидротехнический комплекс в Марли
В 20-х годах XVIII в. на Урале в Екатеринбурге была построена громадная дамба, обеспечивающая работу 50 верхнебойных колес. Индустриальный комплекс на базе этой энергетической установки обеспечивал работу 22 молотов, 107 мехов и 10 волочильных станов. Большой вклад в дело строительства гидроустановок на Урале внес выдающийся горный инженер В. И. Рожков. Водяные колеса уральских заводов обычно размещались внутри производственных мастерских для обеспечения эксплуатации во время суровых русских зим.
Венцом русской и мировой энергетики на базе верхнебойных водяных колес являются знаменитые установки русского инженера К. Д. Фролова на Алтае. Для получения предельной мощности Фролов построил самые большие в мире водяные колеса с наружным диаметром до 19 метров (так называемое «слоновое колесо»). В России плотницкое дело всегда было развито, но деревянное колесо таких размеров нельзя было построить без основательных знаний, полученных в горнозаводской школе и на опыте прежних созданий на Урале, в Петербурге и на ставшем родном Алтае. Поражали современников и остальные части сооружения в Змеиногорских рудниках: насосы, приводы к ним, плотины и пруды с запасом воды. Некоторые насосы подавали воду на большое расстояние к другим водяным колесам меньшего размера и мощности. Таким образом, К. Д. Фролов создал одну из первых гидропередач. На руднике энергия воды обеспечивала откачку воды, подъем руды и ее промывку, перемещение вагонеток. Приведем описание восхищенного современника: «Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы,
Рис. 4.6. Гидротехнический комплекс К. Фролова
4.3. Водяные или гидравлические турбины
В 1750 г. венгр Янош Сегнер (Segner), работавший с 1735 по 1755 г. профессором физики и математики Геттингенского университета предложил на суд общественности водяное колесо нового типа. Оно напоминало по принципу действия известный с античности эолипил Герона. Сегнерово колесо (это название сохранилось до наших дней) состоит из вертикальной подводящей трубы, к которой прикреплены свободно вращающиеся горизонтальные трубы с горизонтальными же отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами. Через отверстия вытекает жидкость, приводя во вращение колесо в соответствии с законом сохранения импульса. В настоящее время это устройство применяется как демонстрационная машина и для полива растений. В Европе изобретение Сегнера вызвало большой интерес, так как известные типы водяных колес уже не удовлетворяли растущих потребностей промышленности. Однако коэффициент полезного действия этой машины был лишь около 50 %.
Рис. 4.7. Сегнерово колесо
По всей вероятности поэтому член Петербургской Академии наук Леонард Эйлер в 1751–1755 гг. провел анализ рабочего процесса колеса Сегнера, создав основы теории лопаточных или лопастных машин. Эйлер предложил также свою конструкцию гидравлического двигателя с неподвижным направляющим аппаратом и рабочим колесом с криволинейными лопатками. Он получил небольшое распространение, так как его энергетическая эффективность несущественно отличалась от эффективности известных ранее машин при большей сложности и дороговизне конструкции.
Следует отметить, что в 1745 г. в Лондоне была опубликована книга Дезагюлье, в которой дано детальное описание водяного двигателя изобретенного в Англии Баркерсом практически одинакового по конструкции с Сегнеровым колесом.
И колесо Сегнера, и колесо Баркерса устраняли главный недостаток старых конструкций: использование для подвода и отвода воды только части окружности рабочего колеса. Очевидно, верхнебойное или нижнебойное колеса не смогут работать при полном погружении в воду.
В 1823 г. Общество содействия национальной промышленности Франции объявило конкурс и назначило награду за усовершенствование водяного колеса. Это мероприятие умножило усилия изобретателей. Во Франции в это время сложилась инженерная школа с хорошей теоретической подготовкой и солидными практическими знаниями по созданию надежных быстроходных конструкций.
В 1826 г. французский профессор Бурден (Burdin), очевидно знакомый с работами Эйлера, предложил гидравлический или водяной двигатель, впервые названный им турбиной. Латинское слово turbo, turbinus означает волчок. С тех пор этот термин применяется во многих языках. В русском языке наряду с термином лопаточная машина используется эквивалентный термин турбомашина. В двигателе Бурдена имеются два основных рабочих органа, присущих всем современным турбинам (гидравлическим, паровым, газовым), – подвижное рабочее колесо (иногда называемый ротором турбины) и неподвижный направляющий аппарат. Вода подводится внутрь направляющего аппарата и направляется к периферии рабочего колеса, это – центробежная машина. Бурдену не удалось найти надлежащую форму лопаток турбины, поэтому коэффициент ее полезного действия был низок. Тем не менее, ему в 1827 г. вручили часть награды.
Рис. 4.8. Турбина Фурнейрона
Действительную заслугу по созданию первой водяной турбины, получившей промышленное значение, принадлежит ученику Бурдена Фурнейрону (Fourneyron), который построил в 1827 г. турбину мощностью 6 л.с. Коэффициент полезного действия этой турбины был таким же, как и у лучших водяных колес (около 70 %), но при значительно меньших габаритах. Расход воды через турбину легко регулировался при помощи цилиндрического щита, перемещающегося между рабочим колесом и направляющим аппаратом. Турбина Фурнейрона, как и турбина Бурдена, является центробежной машиной с внутренним подводом воды, однако автору впервые удалось достаточно точно рассчитать форму лопаток в соответствии с параметрами потока. Более совершенную разновидность такой турбины мощностью 50 л.с. для привода кузнечного молота он построил в 1832 г. и получил за это вознаграждение в 6000 франков. Габариты водяных турбин стали быстро увеличиваться, их мощность к 1855 г. возросла до 800 л. с (усовершенствованная турбина Фурнейрона). В дальнейшем гидравлические турбины стали применяться главным образом для получения электроэнергии. Вертикальная турбина Фурнейрона строилась до начала XX в. с различными модификациями: подвод воды позже осуществлялся снизу, подводные опоры были заменены надводными, улучшалась система регулирования, применялась схема с двумя рабочими колесами и несколькими направляющими венцами. Турбина Фурнейрона применялась и для низких и для высоки напоров, недостижимых для прежних водяных колес (до 100 м.). Она хорошо работала и над и под водой при значительном превышении нижнего уровня над колесом, что не имело места у водяных колес традиционной конструкции.