Гидравлические двигатели


Активная гидравлическая турбина.
Активная гидравлическая турбина. Вода под большим давлением поступает в мундштук 1 - отверстие его регулируется иглой от маховичка 2 - мундштук направляет воду на лопатки рабочего колеса

Гидравлический двигатель — древнейший механический двигатель, известный человечеству. История его возникновения и развития насчитывает более 2 тыс. лет. Водяное колесо было известно еще жителям древнего Египта, Вавилона, Индии. Уже тогда они пользовались им для орошения полей. Позднее, в XVIII в., водяные колеса приводили в движение мельничные жернова, насосы, откачивавшие воду из рудников и шахт, поднимали руду и уголь на поверхность земли. А в XIX в. водяное колесо послужило основой для создания более совершенной конструкции — гидравлической турбины.

По принципу действия гидравлические турбины сходны с паровыми; их также разделяют на активные и реактивные.

В активной турбине энергия воды, зависящая от высоты ее положения или напора, превращается в скоростную энергию движения ее струи. Вода выливается на рабочее колесо 3 через отверстие трубы. Чтобы вода не двигалась по всей трубе с большой скоростью (это вызвало бы потери энергии от трения), давление превращается в скорость на коротком ее участке— на выходе, называемом насадкой, или мундштуком 1. Вышедшая из насадки водяная струя подобна струе пара и действует по тому же принципу.

Для безударного входа и поворота струи на 180° ковшу турбины придают форму двух полуокружностей с ножом между ними, на который вода входит с большой скоростью. Если скорость ковша будет вдвое меньше скорости струи, то вода, обогнув ковш, сойдет с лопатки со скоростью, равной скорости самой лопатки. А так как они движутся в разные стороны, действительная скорость сходящей струи будет равна нулю. Всю скорость вода передаст ковшу.

Поворотно-лопастная турбина и гидрогенератор.
Поворотно-лопастная турбина и гидрогенератор.

Таким образом, у активной гидравлической турбины, как и у паровой, все давление превращается в скорость в насадке (на лопатках происходит только изменение скорости). А давление перед лопаткой и за ней одно и то же и равно атмосферному.

В реактивной гидравлической турбине вода также подходит по трубе. Суживающийся конец этой трубы представляет собой направляющий аппарат. В нем только часть давления воды превращается в скорость, с которой вода подходит к лопаткам рабочего колеса. Лопатки устроены так, что проход для воды в них сужается.

Таким образом, между лопатками, как и в направляющем аппарате, давление преобразуется в скорость. Поэтому перед лопатками рабочего колеса оно больше, чем за ними.

Так как давление на выходе обычно ниже атмосферного, то воду можно удерживать на некоторой высоте, в так называемой всасывающей трубе. Это позволяет располагать турбину выше нижнего уровня воды.

Широкое распространение получили радиально-осевые турбины. В них струя воды направляется сначала к центру (радиальное направление), а затем вдоль оси турбины (осевое направление). В горизонтальной реактивной радиально-осевой турбине направляющий аппарат имеет поворачивающиеся лопатки. Вода проходит в каналах между ними и попадает на рабочие лопатки. Поворот лопаток этого направляющего аппарата позволяет увеличивать или уменьшать проход воды между ними. Это дает возможность регулировать мощность турбины. Вода к направляющему аппарату подводится по спиральной камере.

В зависимости от назначения турбины можно получать различное число ее оборотов путем подбора надлежащей формы лопаток.

Радиально-осевые турбины применяют на больших реках с огромным расходом воды и сравнительно небольшим напором. Такие турбины установлены на Волховской ГЭС и на Днепровской ГЭС им. В. И. Ленина.

Прямоточная гидравлическая турбина укреплена на двух подшипниках, поддерживаемых стойками 1 и 2, расположенными наподобие колесных спиц. Перед турбиной находятся лопатки направляющего аппарата 3,а лопасти рабочего колеса 4 соединены ободом, на котором в виде кольца помещен электрогенератор 5. На маленьком рисунке дано общее расположение такой прямоточной турбины непосредственно в теле плотины
Прямоточная гидравлическая турбина укреплена на двух подшипниках, поддерживаемых стойками 1 и 2, расположенными наподобие колесных спиц. Перед турбиной находятся лопатки направляющего аппарата 3,а лопасти рабочего колеса 4 соединены ободом, на котором в виде кольца помещен электрогенератор 5. На маленьком рисунке дано общее расположение такой прямоточной турбины непосредственно в теле плотины

В начале XX в. был создан новый тип реактивной гидравлической турбины — пропеллерная турбина. Дальнейшее конструктивное усовершенствование привело к тому, что стало возможным регулировать ее работу путем автоматического поворота лопастей винта — пропеллера. Такие турбины называют поворотно-лопастными. В вертикальной трубе у них расположен винт с поворачивающимися лопастями. Вода попадает на него через лопатки направляющего аппарата.

Поворотно-лопастные турбины стали основным видом гидравлических двигателей на наших гидроэлектростанциях. Самые мощные в мире гидротурбины такого типа построены нашими заводами для Волжской и Сталинградской гидроэлектростанций. Диаметр рабочего колеса таких турбин — 9,3 м, а верхнего кольца — 14 м. Весит турбина 1460 Т.

Интересны новые прямоточные турбины, устанавливаемые непосредственно в теле плотины. Для этого в ней делается горизонтальный канал круглого сечения, в котором помещается вся турбогенераторная установка. Перед колесом турбины расположены лопатки направляющего аппарата 3. Лопасти 4 рабочего колеса имеют вращающийся вместе с ними обод, на котором расположен генератор тока 5.

Гидравлическая турбина — основной двигатель электростанций. Она одинаково успешно применяется как на гигантских ГЭС Волжского и Ангарского каскадов, так и на небольших реках, на районных и межколхозных гидроэлектростанциях.