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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
水力タービン。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト タービン - 連続的な作業プロセスと作動体 (ローター) の回転運動を行うロータリー エンジンで、作動流体 (蒸気、ガス、水) の運動エネルギーおよび/または内部エネルギーを機械的仕事に変換します。 作動流体の噴流はローターの外周に固定されたブレードに作用し、ローターを動かします。 この製品は、火力発電所、原子力発電所、水力発電所の発電機の駆動装置として、海、陸、空の輸送用駆動装置、流体伝動装置、油圧ポンプの不可欠な部分として使用されます。
人類の歴史の中で、水上エンジンは常に特別な役割を果たしてきました。 何世紀にもわたって、さまざまなウォーターマシンが生産における主要なエネルギー源でした。 その後、熱（後に電気）エンジンが開発され、その適用範囲が大幅に狭められました。 ただし、安価な水力資源が利用できる場所 (流れの速い小川、滝、または急流の川) では、水力エンジンが他のすべてよりも好ましい可能性があります。これは、設計が非常に単純で、燃料を必要とせず、比較的高効率。 XNUMX世紀前半に非常に高効率の水車が発明された後、水力発電は一種の再生を経験しました。 電化が始まると、世界中で水力発電所の建設が始まり、そこで発電機はさまざまな設計の強力な水力タービンから駆動を受けました。 そして今日、水力タービンは世界の発電量の大部分を占めています。 したがって、この素晴らしいデバイスは当然のことながら最大の発明のXNUMXつです。 水車は水車から発展したもので、その装置について話す前に、水車について少し触れておく必要があります。 すでに述べたように、最初の水車は古代に使用され始めました。 設計上、それらはボトムホール（またはグレービー）とトップホール（またはバルク）に分けられました。 下の車輪は最も単純なタイプの水エンジンでした。 彼らは自分たちで運河やダムを建設する必要はありませんでしたが、同時に彼らの仕事はかなり不利な原則に基づいていたため、効率が最も低かったです。 この原理は、車輪の下を流れる水がブレードに当たって回転するというものでした。 したがって、水圧の力のみが注入ホイールで使用されました。 エネルギーの観点から、充填ホイールはより合理的であり、落下する水の重量も使用されました。
充填ホイール装置も非常にシンプルでした。 大きな車輪やドラム缶の縁にバケツの列が取り付けられていました。 樋の上から上杓に水を注ぎます。 水で満たされたバケツは重くなり、倒れて縁全体を引っ張った。 車輪が回り始めました。 次のバケットが下降ホイールの代わりになりました。 彼も絶え間なく流れる水で満たされ、沈み始めました。 その代わりに XNUMX 番目、次に XNUMX 番目、というように続きました。 バケツが縁の底に達すると、バケツから水があふれ出しました。 Ceteris paribus では、上部の穿孔ホイールのパワーは下部の穿孔ホイールのパワーよりも高かったが、これらのホイールは寸法が大きく、回転速度が低かった。 さらに、効率的な運用のためには、かなりの水滴を作成する必要がありました。つまり、運河、ダム、その他の高価な構造物を建設する必要がありました。
水車は、水車と一緒に回転するシャフトに取り付けられており、そこから回転がさらに作動させたい機械に伝達されました。 古代から中世にかけて、このようなエンジンはさまざまな産業で広く使用され、ハンマー、ブロワー ベローズ、ポンプ、織機、その他の機構を作動させました。 何世紀にもわたる水車の存在の歴史の中で、機械工は水車についてすべてを学んだと思われるかもしれません。 そして、この古い構造の何が新しいのでしょうか? しかし、それが可能であることが判明しました。 1750 年、ゲッティンゲン大学で働いていたハンガリー人のゼグナーは、圧力と重量に加えて、水の流れによって生じる反力も利用する、まったく新しい水力エンジンのアイデアを提唱しました。
水は上から車軸に接続された容器に入り、その底には端が片側に曲がった十字形のチューブがありました。 それらから水が流れ出し、結果として生じる反力がXNUMXつのチューブすべてに同じ方向に作用し、ホイール全体を回転させました。 これは非常に独創的な発見でしたが、この形で実際に適用されることはありませんでしたが、一部の数学者やエンジニアの最も活発な関心を呼び起こしました。 偉大なドイツの数学者オイラーは、この目新しさに最初に反応した人の XNUMX 人であり、彼の作品のいくつかをセグナー ホイールの研究に捧げました。 まず第一に、オイラーはセグナーの設計の欠点を指摘し、車輪の効率が低いのは不合理なエネルギー損失の結果であると指摘しました。 彼はさらに、新しいエンジンのアイデアがより完全に実現されれば、これらの損失を大幅に減らすことができると書いています. まず第一に、水流の方向と速度が急激に変化したために水がホイールに入ったときに、重大な損失が発生しました（ここでは衝撃にエネルギーが費やされました）。 しかし、水がこの回転速度で回転方向にホイールに運ばれると、それらを減らすことができます。 エネルギーの一部が水の出口速度で運び去られたため、出口にも損失がありました。 理想的には、水がホイールをフルスピードにする必要があります。 これを行うために、オイラーは、水平の出口管を上から下に向かう曲線管に置き換えることを提案しました。 次に、閉じたチューブの下端を開いたままにするだけでよいため、側面から水を放出するための穴を開ける必要がなくなりました。 オイラーは、将来、この新しいタイプの水力機械 (実際には水力タービンでしたが、この名前自体はまだ使用されていませんでした) には XNUMX つの部分があると予測しました。機械の作動体である回転ホイール。 発言にもかかわらず、オイラーはセグナーの発明を高く評価し、彼が油圧エンジンの開発に新しい道を開いたと先見の明を持って指摘しました。 しかし、セグナー ホイールとオイラーの作品はどちらも時代を先取りしていました。 次の 70 年間、誰もオイラーの発言に従ってセグナー ホイールを改良しようとはしませんでした。 XNUMX 世紀の第 XNUMX 四半期に、フランスの数学者 Poncelet が特別なタイプの新しく設計された注水車を提案したことで、それらへの関心が復活しました。 ポンスレット水車の効率は XNUMX% に達し、これは他のタイプの水上エンジンではまったく達成できませんでした。
成功の秘訣は、ホイールのブレードに特別な半円形の形状が与えられたため、供給された水がそれらの曲率の方向にそれらに入り、ブレードを少し上った後、下降して出て行った. このような条件下では、ウォータージェットのエネルギーの大部分が通常失われる入口のブレードへの水の影響は完全に排除されました。 ポンスレの発明は、水力タービンに向けた重要な一歩でした。 この経路を最後まで完成させるために、オイラーが説明したタービンのXNUMX番目の要素であるガイドベーンが欠落していました。 バーデン教授は 1827 年に水車にガイド ベーンを初めて適用した。 彼は自分の車をタービンと呼んだ最初の人物であり（ラテン語のターボ - 高速回転から）、その後この定義が使用されるようになりました。 1832 年、最初の実用的な水力タービンがフランスの技術者 Fourneuron によって作成されました。
彼のタービンは、互いに向かい合って配置された XNUMX つの同心ホイールで構成されていました。内側の静止した K はガイド ベーンで、外側は湾曲したブレード a を備えたタービン ホイールでした。 水は、タービン シャフトに巻き付いたパイプを通って上からタービンに入り、ガイド ベーンに落ちました。 これらのブレードは、水を曲線に沿って移動させ、その結果、タービンホイールのブレードに水平方向に流れ、内周全体に沿って影響を与えずに、後者にすべてのエネルギーを与え、次に流れましたその内周に沿って均等に。 流入水と排水が混ざることはありません。 タービンホイールは、動きが伝達される垂直シャフトDにしっかりと接続されていました。 Furneuron タービンの効率は 80% に達しました。 彼が作成した設計は、その後のタービン建設の歴史にとって非常に重要でした。 この驚くべき発明の噂は、ヨーロッパ中に急速に広まりました。 数年間、多くの国から専門技術者がシュヴァルツヴァルトの僻地にやって来て、そこで働くフルニューロン タービンを素晴らしい光景として視察しました。 すぐにタービンが世界中で建設されました。 タービンへの移行は、油圧エンジンの歴史における革命的な変化でした。 古い水車に勝る彼らの利点は何でしたか? 上記のフルニューロンタービンの簡単な説明では、セグナーホイールを見るのは困難です。 一方、ウォーター ジェットのジェット運動を利用するのと同じ原理に基づいています (これが、このタイプのタービンが後にジェットと呼ばれた理由です)。 フルニューロンがオイラーの発言をすべて慎重に検討し、油圧エンジニアとしての彼自身の経験を利用しただけです。 Furneuron タービンは、いくつかの重要な点で水車と異なっていました。 水車では、水は同じ場所に出入りしました。 このため、ホイール ブレード内の水の移動の速度と方向の両方が、異なる時点で異なっていました。ホイールは、いわば、ジェットの抵抗を常に克服するために、かなりの量の有効なパワーを消費していました。 Furneuronタービンでは、ガイド装置からの水がホイールブレードの一方のエッジに入り、ブレードに沿って通過し、反対側から流れ落ちました。 その結果、タービン内の水は止まらず、流れの方向を反対に変えず、入口から出口の端まで連続的に流れました。 ブレードの各ポイントで、その速度は方向が同じで、大きさだけが異なりました。 その結果、タービンの回転速度は理論的には水の速度のみに依存するため、タービンは従来の水車の数十倍の速さで回転することができました。 タービン間のもうXNUMXつの有利な違いは、水がホイールのすべてのブレードを同時に通過し、水車を通過したことです-一部のみを通過しました。 その結果、ウォータージェットのエネルギーは、水車よりもタービンでより完全に使用され、同じ出力での寸法は数倍小さくなりました。 その後、いくつかの主要なタイプの水力タービンが開発されました。 ここでは詳しく説明しませんが、XNUMX 世紀のすべてのタービンは、ジェットとジェットの XNUMX つの主なタイプに分けられることに注意してください。 ジェットタービンは、すでに述べたように、改良されたセグナーホイールでした。 彼女は、特別に湾曲したブレードを備えたシャフトに取り付けられたタービンホイールを持っていました。
このホイールは、それ自体に含まれているか、ガイド ベーンに囲まれていました。 後者はガイドベーン付きの固定ホイールでした。 水はガイド装置とタービン ホイールを通って流れ落ち、最初のブレードが 10 番目のブレードに水を向けました。 注ぐと、水がブレードに押し付けられ、ホイールを回転させました。 シャフトから、回転はさらにいくつかのデバイス（たとえば、発電機）に伝達されました。 ジェットタービンは、水圧が低い場所では非常に便利であることが判明しましたが、15 ～ XNUMX m の落差を作ることができ、XNUMX 世紀には非常に普及しました。 ジェット タービンは、もう XNUMX つの一般的なタイプのタービンでした。 彼らの基本的な装置は、強い圧力の下で水流がホイール ブレードに当たって回転するというものでした。 ジェットタービンとボトムホイールの類似性は非常に優れています。 当時のいくつかの画像から推測できるように、そのようなタービンのプロトタイプは中世に登場しました。 1884 年、アメリカ人エンジニアのペルトンは、新しいインペラーの設計を作成することにより、ジェット タービンを大幅に改良しました。 このホイールでは、古いジェット タービンの滑らかなブレードが、彼が発明した XNUMX つのスプーンを接続した形の特別なものに置き換えられました。 したがって、ブレードは平らではなく、中央に鋭いリブがある凹面であることが判明しました。 このようなブレードの配置では、水の仕事はほぼ完全にホイールの回転になり、そのごく一部だけが無駄になりました。
ペルトン タービンへの水は、ダムまたは滝からのパイプを通って来ました。 水の多いところは太く、少ないところは細くしました。 パイプの端には先端、つまりノズルがあり、そこから水が勢いよく流れ出しました。 ジェットがホイールのスプーン型のブレードに当たり、ブレードの鋭いエッジがブレードを半分に切り、水がブレードを前方に押し出し、タービンホイールが回転し始めました。 廃水は排水管に流れ落ちた。 ブレードとノズルを備えたホイールは、鋳鉄または鉄製のケーシングで上から覆われていました。 強い圧力で、ペルトン水車は高速で回転し、毎分最大1000回転しました。 強い水圧を出すことができると便利でした。 ペルトン水車の効率は非常に高く、85％に近づいたため、広く使用されていました。 80世紀のXNUMX年代に長距離電流を流すシステムが開発され、発電所である「発電所」に発電を集中させることが可能になった後、タービン建設の歴史に新しい時代が始まりました。 タービンは、発電機と組み合わせて、川や滝に隠された巨大な力を人が利用できる強力なツールになりました。 著者：Ryzhov K.V.
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