> Техника, страница 41 > Двигатели гидравлические

Двигатели гидравлические

Двигатели гидравлические, машины-двигатели, преобразующие энергию капельной жидкости, обычно воды, в механич. энергию движущихся твердых тел, обычно вращающихся валов. Т. к. капельная жидкость может иметь запас энергии в трех формах: энергии положения, энергии давления и энергии скоростной (смотрите Бернулли уравнение), то Д. г. делятся на три вида: действующие преимущественно весом—водяные колеса, давлением—водостолбоиые машины, скоростной энергией—водяные турбины. Мощность Д. г. в IP выражается ф-лой

_v _ QyHi

~ 75 ’

где Q—расход жидкости в м^г/ск, у—вес жидкости в килограммах/м³, Н—напор в м и у—кпд двигателя. Выражение мощности одно и то нее для двигателей всех трех видов, т. к. и энергия давления и энергия скоростная м. б. выражены линейной величиной—напором. Для воды и при г?=0,~5 это выражение переходит в упрощенное N=U)Qll. Так как потери энергии в двигателе происходят от трепня жидкости при протекании и от остальных потерь (преимущественно иа трение твердых тел—в подшипниках и прочие), то различают два кпд; гидравлический >,_h и механический у,„ ; полный кпд ?/= % у,„.

I. Водяные турбины. Если вода протекает по неподвижному сосуду (каналу) А (фигура1), причем при входе и выходе она соответственно имеет скорости ν_ι и ν₂, отличные друг от друга по величине или направлению, то вода действует на стенки канала с силою Г,

называемой реакцией струи. Если капал составляет часть рабочего колеса, посаженного на вращающийся вал (фигура 2, В), то каждый кг протекшей 7юды отдаст валу энергию в количестве щН к гм. Теоретически доказано, что

η 1,11 «* ир)_г COS α, — U₂V, COS о, (основное уравнение турбин), где и_х и и_г— окружные скорости (обычно в м/ск) точек

Фигура 1.

канала 1 и 2, г, и ν₂—абсолютные скорости воды в этих точках, и, и а₂—углы ме-жду соответствующими скоростями и и v. Так как часто турбина конструируется так, чтобы при нормальной работе а₂ — 90°, то обычно второй член в уравнении выпадает. Если в точках 1 и 2 одно и то лее давление (например, атмосферное), то в относительном движении вода не ускоряется, скорость воды относительно канала на его протяжении постоянна (и=и>_г) и давление воды в канале тоже постоянно (р, р₂^атмосферному р₀); вода м. б. подведена к такой турбине открытий, движущейся в воздухе струей; турбина с таким течением называется а к т и в и о и (акционной, свободоструйной). При постоянном давлении нет надобности во второй стенке канала, и она м. б. отнесена на большое расстояние (фигура 2, С). Если же к каналу подводится столько воды, что он при входе заполняется по всему его сечению, а сечение канала к выходу суживается (фигура 3), то w_t > w_x, и р 1>р₂. Тогда необходимо: 1) воду к колесу подводить закрытыми каналами (т. к. ριфρΐ), 2) вход в колесо изолировать от атмосферн. давления. Такая турбина называется р е а к т и в н о и (реакционной, с избыточным давлением). Названия активная и реактивная турбина общеприняты, но неправильны, т. к. оба типа работают реакцией струи. Реактивная турбина должен быть полной (фигура 3), то есть впуск в колесо должен происходить одновременно и одинаково по всей его окружности (в противном случае в канале, вышедшем из-под натекающей струи, вода должна была бы остановиться, и получались бы лишние потери); протекшая через колесо турбины вода отводится в бок, параллельно валу. Активная же турбина обычно бывает неполной. Для подвода воды к рабочему колесу в нуж

Фигура з. ном направлении, она пропускается через направляющий аппарат с одним или многими отверстиями. При одном и том же напоре Я, вода в область с давлением Ρι=ρ„ будет вытекать из направляющего аппарата с большей абсолютной скоростью (активные турбины), чем в область с давлением Pi>Pu (реактивные). Из основного уравнения η^Η-UiVx cos а₁ видно, что (при равных в обоих случаях >j_h и а,) у реактивной турбины г<! будет больше, чем у активной; при равных диаметрах колес число об/м. вала та у реактивной турбины будет больше, чем у активной, то есть первая будет быстроходнее’. Итак, чем меньше II, тем (при том лее типе турбины) меньше та, и_х и та; с другой стороны, чем больше N и, следовательно, Q, тем больше диам. колеса и меньше та. Поэтому, чтобы дать валу подходящее та (не слишком малое или большое) при больших мощностях и малых напорах применяют турбины реактивные, и притом с большим отношением Я=(степень реакции); при обратном соотношении мощностей и напоров— турбины реактивные с малым Я или активные (Я=0).

Подобие и пересчет. Если турбину, работавшую при пек-ром Я, и имевшую при этом нек-рые N_x, Q_u та, и η, переставить под другой напор 11, то она сохранит (приблизительно) прежний η, если ей позволить (подбором нагрузки) делать новое число оборотов п~п_х у Чу, при этом она будет иметь

Q-QVh ^{и Ν}-Νι |/ΐ·

Если у одной турбины все размеры в одно и то нее число а раз больше иди меньше соответственных размеров другой турбины

ФИГ. 4.

(фигура 4), то любые площади в этих турбинах относятся как <РЛ; углы между соответственными линиями и поверхностями равны: г.i кие турбины наз. подобными. Обычно за 17 принимается отношение диам. рабочих κοκ,

лес обеих турбин: <т=. Две турбины, по-

^νιι

ставленные под один напор Я, будут иметь (приблизительно) один и тот же кпд, если

D л второй турбине дать число об/м. та_п=та, _υι

*?n «и ~ .,

тогдα==„. Этими двумя своиства-

Qi "ι и-

ми турбин (пересчетом на иные II и D) пользуются: 1) при перестановке старой турбины на другую установку с иным Н или при изготовлении турбины для нового II по старым чертежам; 2) при пересчете испытаний,

произведенных над опытно]! малой турбиной, на данные потребной большой турбины. Итак, турбина характеризуется размером (обычно одним из диаметров) и типом; ряд подобных друг другу турбин принадлежит к одному типу или серии.

Удельное число оборотов. Тип турбины характеризуется различными удельными величинами, то есть значениями некоторых функций при нек-рых аргументах, равных 1 [*]. Чаще всего употребляется число оборотов п„ удельное по напору и мощности. Если данную турбину поставить под Η — 1 м, а затем пропорционально изменить все ее размеры так, чтобы она давала (в предположении того же η) 1 IP, то она даст п—п, об/.ч. Вычислением по данным п, II и У первоначальной турбины получается

v_s=^1 у ^. Нижний предел для построенных турбин есть п,= 3; верхним пределом в начале 20 века было ~ 400; усиленное использование водяной силы при малых II и больших Q потребовало от турбиностроения выработки новых типов с бблыним п„, по без снижения η. Такие типы были сконструированы, и теперь п, свободно доводится до 800—1 000.

Колесо П ельтона (тангенциальная или ковшевая турбина)—единственный распространенный теперь тип активных турбин—состоит из колеса (фигура 5) с насаженными на его окружности лопатками. В эти лопатки касательно к окружности бьет струя воды круглого сечения, вытекающая под напором из трубы через особый суженный патрубок, называемый соплом. Каждая лопатка (фигура G) имеет форму двух яичных полускорлуп, открытых навстречу струе и соприкасающихся боками; эти бока вместе образуют лезвие лопатки, на которое и натекает струя, т. к. ее абсолютная скорость ν_χбольше окружной скорости лопатки и. Рас сеченная лезвием на две части, струя растекается по вогнутой (лицевой) стороне лопатки во все стороны от лезвия. Вода движется по лопатке почти с одной и той же относительной скоростью w, по эта скорость, складываясь при выходе геометрически с и, дает абсолютную скорость выхода ν₂, очень небольшую по величине и направлен, приблизительно параллельно оси колеса. Отойдя в воздухе несколько прочь, вода падает дождем вниз в начало отводящего канала. Форма лопатки (в виде буквы си), в разрезе плоскостью, параллельной оси, и характер течения видны на фигуре 6. Скорость воды по выходе из сопла v₁=V₁]/ZgII ; здесь II—напор в трубе перед соплом, равный р, ^vmp.,

_у + - v,„_p.— скорость в трубе перед соп лом), коэффициент Fj= 0,95-у0,98 (в зависимости от сопла). Для наилучшего η колесо пускается с окружной скоростью и= IIJ/2д11. где U =0,434-0,47. Величина У2дН называется напорной скоростью, а коэфф-ты Г, U и т. д.—скоростными коэфф-тами, или быстротами. Диам. колеса 1) по известному п определяется из и ~- *®^п, а диам. струн d—

из _i Vi, диам. сопла несколько больше

Л. У колеса Пельтона в таком исполнении п, может доходить до ~ 26; для дальнейшего повышения n_s надо было бы уменьшать I) и увеличивать d, а значит и размеры лопаток; но крупные лопатки не умещаются на малом колесе; ® должен быть >8 или даже 10. Если на колесо направить не одну, а т одинаковых струй (па фигура δ—два сопла) из т сопел или на один вал посадить т одинаковых колес, каждое с одним соплом, то в выражении для п, в т раз увеличивается N и в |/т раз растет п. Для повышения п, число колос на одном валу делают 2, редко 3, а число сопел у одного колеса 2, редко 3—4. Тогда верхним пределом для п, получается: при двух соплах—37, при трех—45, четырех — 52. При недогрузке турбины, ее крутящий момент будет меньше нормального момента сопротивления, и ее п будет расти.

Чтобы сохранить прежнее п, надо уменьшать подводим, к турбине энергию, то есть уменьшать Q. Это делается у колес Пельтона уменьшением отверстия сопла помощью языка (иглы), находящегося внутри колена трубы и вдвигаемого в отверстие сопла изнутри (фигура 5); струя в сопле имеет, т. о., кольцевое сечение и лишь по сходе с языка принимает сечение круга. Язык устанавливается у мелких турбин вручную, а у крупных—особым автоматич. регулятором. Колеса Пельтона обычно насаживаются на горизонтальный вал и редко па вертикальный. Полный а т г г· т т Р i ^ fltj)

напор II_hr больше напора 7 ·.= -f, по

к-рому ведется расчет колеса, на величину Сопротивлений в трубе и высоту подвеса колеса (точнее—сопла) над нижним уровнем. Поэтому следует колесо и сопло ставить возможно ниже. Наиболее употребительные напоры у колес Пельтона ioO-MOO -и; наибольшая построенная мощность в одной турбине

•10 ООП ИР. наибольший D =3,7jh, наибольший rfs0,25 метров Потери энергии внутри турбины слагаются: 1) из потерь на трение в сопле, в зазоре между соплом и колесом, при входе на лопатку и протекании по ней; 2) из энер-

,

гии „у кгм на каждый кг расхода, уносимой водой, отходящей со скоростью v₂ (потеря выхода); эти две потери влияют на %; 3) из потерь на трение в подшипниках вала и колеса о воздух; эта потеря равна 2—4% (меньше у мощных турбин) и определяет >/_т. Кпд колес Пельтона наилучший у типов с 10 (у односопловых колес); при больших мощностях его можно считать »?=0,85, хотя известны машины и с *7Ό,90. При прикрывании сопла кпд уменьшается, но медленно (смотрите ниже). Новая турбина Бан-к и (1917 год) принадлежит также к активным турбинам; она должна заполнить промежуток между колесами Пельтона и тихоходными турбинами Френсиса с п, =5(Н-70; распространения она пока не получила.

Т у р б и на Френсиса за последние 30 лет вытеснила реактивн. турбины употреблявшихся ранее типов (Фуриейрона, Жон-валя). Колесо этой турбины состоит из двух ободьев (фигура 7), соединенных между собою рабочими лопатками. Верхний обод, в виде искривленного диска а, укреплен при помощи втулки и шпонки на валу Ь; нижний,или наружный, обод выполняется в виде кольца с; ободья соединены между собою рабочими лопатками е. Между лопатками по искривленным каналам, к выходу суживающимся, протекает вода, сплошь их заполняя, изменяя при этом направление относительной скорости, увеличивая ее и уменьшая свое давление. Для впуска воды служит направляющий аппарат, окружающий все рабочее колесо. Он состоит из ряда направляющих лопаток с суживающимися между ними каналами д. Эти лопатки укреплены между двумя плоскими, расставленными на расстояние В кольцами h и /с, которые называются верхним и нижним ободьями направляющего аппарата. Т. к. у реактивных турбин давление в зазоре между направляющим аппаратом и рабочим колесом не равно атмосферному, то зазор должен быть изолирован от внешнего давления. Уплотнение сверху достигается крышкой т с сальником п, а снизу опорным кольцом р, соединенным с так паз. всасывающей трубой q, отводящей воду от турбины и погруженной нижним отверстием в нижний горизонт. При таком распо-ложеиин реактивная турбина, в отличие от активной, использует не только верхний напор (от верхнего уровня до турбины) h_d>но и нижний (от турбины до нижнего уровня) h_s (фигура 8): если всасывающая труба сплошь заполнена водой, то вверху ее получается разрежение соответственно высоте всасывания; используемая турбиной разница давлений (перед входом в турбину и за ней) соответствует уже не верхнему напору h_d, а полному Н. Это позволяет располагать колеса реактивной турбины, не боясь потерь, довольно высоко над нижним уровнем, что представляет практич. удобства. Произвол в этом отношении ограничивается: 1) необходимостью иметь над направляющим аппаратом до верхнего уровня слой воды примерно не менее * (во избежание засасывания воздуха в турбину водяной воронкой) и 2) невозможностью иметь высоту всасывания h_a

более 10 метров теоретически, а практически до -^6 м, во избежание разрыва струи под турбиной. Второе назначение всасывающей трубы — изменять направление воды по выходе из рабочего колеса. Скорость воды при выходе обычно направлена вдоль оси турбины; чтобы направить воду вдоль отводного канала, надо ее направление изменить на один или два прямых угла, что и достигается в коленах всасывающей трубы. Третье назначение всасывающей трубы— уменьшать скорость, с которой вода оставляет турбину; как выше сказано, соответствующий скоростной напор есть потеря энергии, и чем он меньше, тем больше коэфф. полезного действия. С этой целью всасывающая

Фигура 8.

труба делается расширяющейся к выходу. Формы ее довольно разнообразны: прямая коническая (железная, фигура 8, 13, 14), кривая (фигура 15) и колоколообразная.

Регулирование турбины Френсиса производится обычно по способу Финка. С этой целью направляющие лопатки делаются поворотными вокруг осей, параллельных валу (фигура 7). Поворот всех лопаток сразу на небольшой угол изменяет ширину нрозора между ними, а значит изменяет Q и N. Особые короткие тяги (поводки) связывают па шарнирах хвосты направляющих лопаток с регулировоч. кольцом. Поворот кольца (тоже на малый угол) производится регулировочным валом, который с одной стороны связан рычагами и тягами с кольцом, а с другой (уже в машинном помещении) соединен или с ручным воротом или со скй сервомотора авто-матиче кого регулятора. Такое регулирование называется в н у-тренним. Сервомотор представляет собою цилиндр с поршнем, шток которого связан шатуном с кривошипом регулировочного вала. При пуске масла под давлением в 10—20 atm в ту или другую сторону

Фигура 9.

цилиндра, поршень поворачивает в нужном направлении регулировочп.вал. Масло накачивается особым насосом. Впуском масла заведует распределительный золотник, приводимый в движение от центробежного регулятора. Последний,а также обычно и насос вращаются ремнями от вала турбины. При разгрузке турбины и повышении ее числа оборотов сервомотор прикрывает направляющий аппарат, а при уменьшении числа оборотов— открывает. Важны: 1) быстрое действие сервомотора (для чего нужен сильный сервомо тор и чувствительный центробежный регулятор); 2) возможно медленное возрастание или падение числа оборотов турбины до того времени, пока сервомотор передвинет направляющий аппарат (для чего нужен большой маховой момент на турбинном валу, увеличиваемый часто постановкой маховика); 3) быстрое затухание колебаний числа оборотов (для чего регулятор снабжается особыми приспособлениями—выключателями, пружинами и прочие). Автоматический регулятор—сложная и дорогая машина; при малых турбинах его стоимость близка к стоимости самой турбины, и здесь часто обходятся без него, довольствуясь ручным регулированием. У турбин закрытых или полузакрытых обычно применяется вне ш-н e е регулирование (фигура 9), где направляющие лопатки из стального литья составляют одно целое с осями, выходящими через сальники в воздух, где эти оси рычагами и поми присоединяются к регулировочному кольцу, окружающему вал турбины. У очень крупных турбин избегают регулировочного вала, двигая кольцо прямо от поршней сервомоторов (одного или двух) посредством шатунов.

Характер ным и величинами для реактивных турбин являются: входный диаметр рабочего колеса Ю, высота направляющего аппарата h, диаметр всасывающей трубы при входе в нее Б₃ (фигура 10) и наружный диаметр направляющего аппарата 1)₀(фигура 7). Удельное число оборотов турбины Френсиса значительно выше, чем у колес Пельто-на; наименьшее M,as70. Увеличения п, достигают: 1) увеличением отношений ! и ? и 2) увеличением окружной скорости и — — UVZgH, то есть быстроты U. При этом характерно изменяется форма колеса, но которой и можно судить об его п, (фигура 10 и 11).

При п, s 200 отношение //sal, а //=0,25;

такие турбины называются нормальными, а с меньшим или большим м_ч—соответственно тихоходными или быстроходными. При n_s s 350 и выше входная кромка рабочей лопатки располагается не на поверхности цилиндра, а на коноидальиой поверхности со значительным приближением верхнего конца кромки к оси. Такие турбины, называемые сверхбыстроходными Френсиса, или диагональными, имеют до G00; у них за характерный диаметр удобнее принимать не П, а диаметр выхода П₂, очень близкий по величине к Ώ₃.

Число лопаток у колес всех этих типов—между 10 и 30. При желании иметь еще большее п, применяют турбины винтовые, или пропеллерные. У этих турбин наружный обод отсутствует, число лопаток уменьшается до 6—2, сами лопатки не из штампованной стали, а массивные литые; их входные и выходные кромки располагаются в плоскостях, почти перпендикулярных к валу. Такое колесо сходно с пароходным винтом или даже пропеллером аэроплана. У таких турбин п, повышается до 800—1 000, но есть попытки повысить его до 2 000. Турбина Л а в ά ч е к а, обладающая нек-рыми особенностями, может

считаться промежуточной между диагональными и винтовыми турбинами.

Направляющий аппарат у всех этих типов турбин сохраняет ту же конструкцию. Чем быстроходнее турбина, чем больше напор и высота всасывания, тем меньше давление вверху всасывающей трубы и тем вероятнее кавитация, при которой нарушается удобства привода считалось наиболее целесообразным горизонтальное расположение вала (фигура 12 и 13), по затем было выяснено, что потери во всасывающей трубе у вертикаль и ы х т у р б и н (фигура 7, 15) значительно меньше, чем у горизонтальных. Применение вертикальных турбин облегчилось разработкой вертикальных типов электрич. генераторов и новых типов подпятников (Митчеля или Кингсбе-ри, или сегментных), так что теперь реактивные турбины с горизонтальным валом

Фигура 12.

применяются лишь при небольшой мощности и большом напоре. Изредка, для повышения числа оборотов генератора и удешевления его, вводят между вертикальными валами турбины и генератора цилиндрическую зубчатую передачу, которая теперь с большим совершенством изготовляется на большие мощности и на передаточн. числа. При напорах до 10—15 .и мелкие и средние турбины ставят в открытые камеры (фигура 14). Если на вал турбины не посажен генератор, то передача на горизонтальный привод с горизонтального вала берется ремнем или канатами, а с вертикального—зубчатым колесом; последи, надо стараться избегать из-за сотрясений и износа. При больших напорах турбины ставят в металлическ. закрытые камеры в виде цилиндрических или конических кожухов (фигура 12). Для уменьшения потерь от беспорядочного

Фигура 13.

течения в кожухе и экономии места часто применяется спиральный кожух в виде раковины улитки (фигура 8 и 13). К открытым турбинам вода обычно подводится каналами, к закрытым—трубопроводами (см.; также см. Гидроэлектрические станции). Крупные турбины, хотя бы под напором менее 10 м, теперь обычно делают тоже закрытыми,

п,~т г.^гоэ-хо плавность работы, понижается кпд турбины и разъедаются ее лопатки. Во избежание этого быстроходные турбины не могут ставиться под высокие маноры и высоко подвешиваться над нижней водой. Прежде для увеличения п_я аггрегата сажали на один вал несколько колес (кратные турбины); число их а доходило до 5. Тогда я, аггрегата в ) и раз больше п_а колеса. При вертикальных турбинах кратные турбины конструктивно неудобны; теперь только некрупные горизонтальные турбины строятся иногда с <1=2 (сдвоенные турбины).

Кпд крупных турбин больше мелких; при расчетах можно принимать» =0,77 для турбин до 100 1Р; 0,80—до 1 000 IP; 0,83-до 10 000 IP и 0,86—для более мощных. Реактивные турбины разных типов теперь имеют примерно одинаковый у, только у тихоходных Френсиса у немного снижается. При испытаниях турбин часто получаются и большие цифры кпд, у наиболее мощных— до 0,95, но на них неосмотрительно основывать расчеты. Из 14—23% потерь ок.2—4% падает па механические потери, а остальное на гидравлические в направляющем колесе, зазоре и рабочем колесе, а также в подводящей камере (смотрите ниже) и во всасывающей трубе, но не в подводящих или отводящих каналах или трубах, потери в которых не относятся на счет турбины. Прежде для хотя трубопровод при этом имеет ничтожную длину; спиральные бетонные или железобетонные камеры образуют особыми пустотами в фундаменте станции, так лее как и изогнутые всасывающие трубы; такие турбины иногда называют п о л у з а-к р ы т ы м и (фигура 15). Влияниеформ всасывающей трубы и подводящей камеры на кпд турбины велико; поэтому они теперь особенно подробно изучаются.

Функциональная зависимость разных Фигура и. величин в турбине,

характерная для данной турбины и ее типа и нанесенная на график, называется характеристикой турбины [В- При прикрывании турбины (и поддержании постоянного п посредством подбора нагрузки) Q и N падают, но не в одинаковой степени; поэтому меняется и η. Эта зависимость изображается на т. н. рабочей характеристике. Фигура 16 дает такие характеристики для турбин разных типов, по при одних и тех же напорах и наибольших расходах. Почти у всех турбин (кроме тихоходных) η,ηαχ получается не при Qrnax, то есть не при полном открытии, а при частичном — примерно, при Q=0,7—0,9 от Qmax;

больше η при полном открытии на 2—5%; (открытием называется отношение площади выхода из направляющего аппарата к наибольшей возможной площади выхода в данной турбине). При дальнейшем закрывании турбины и уменьшении расхода η понижается, и тем быстрее, чем быстроходнее турбина. Приведенные выше значения η относятся не к полному открытию, а к jimax- Значения n_s, указываемые в таблице 1, относятся к наибольшему N, к-рое способна дать турбина при полном открытии; некоторые авторы вычисляют однако n_s но N при η_тах.

Слева от пересечения кривых η с осью абсцисс турбина не только вполне разгружена, но даже не дает прежнего п, _ХОтя и Q и открытие не равны 0.

Из рабочих характеристик видно, что при сильно переменной нагрузке или переменном расходе невыгодно ставить быстроходные, особенно винтовые турбины. Турбина Каплана (1913 год), принадлежащая к типу винтовых, не имеет этого недостатка; она даже лучше нормальных турбин Френсиса в этом отношении. В турбинах Каплана (фигура 9 и 15), при регулировании, одновременно с поворотом направляющих лопаток меняют свое положение относительно втулки и рабочие лопатки. С этою целью они прикреплены ко втулке на шипах, погруженных во втулку; гидравлич. передача или особый механизм, введенный внутрь полых вала и втулки и вращающийся с ними, связывает эти шипы с регулятором, к-рый при прикрывании турбины ставит лопатки более полого. Лучшая характеристика достигается путем усложнения конструкции и ухода. Турбины Каплана предположены к установке на Свирской гидроэлектрич. станции.

На каждой турбинной установке напор колеблется во времени, число же оборотов, по условиям нагрузки станции, обычно не должно меняться. Поэтому нельзя сохранить кпд постоянным. Связь II, Q, N и > (при некотором постоянном открытии) изображается напорной характеристикой, где независимым переменным является II. На фигуре 17 даны примерные рабочие характеристики турбин разных типов, имеющих, однако, при одном и том же нормальном напоре одинаковые Q, η и Ν. Кпд падает при .любом изменении II Q и N

растут и падают с 11. Падение N с падением 11 является существенным недостатком всех турбин: в половодье падает П и с ним мощность турбины, хотя избыток воды идет мимо· турбины. И этом отношении быстроходные турбины выгоднее тихоходных, так как они медленнее сдают N при падении И. Это особенно важно в низконапорных установках;

13 высоконапорных Н меняется относительно мало. Пользование характеристиками необходимо при проектировании станций, т. к. они позволяют вычислить наперед ход изменении вырабатываемой энергии в зависимости от предположенных изменений Я и Q.

						—	—
						—		__ t		____
				- · "И		„ - -
		,	л			у				"V
		1
	/|		4	t $		4»!	$
	-1	7				i j #.
	I	1	*		к	« ;
	1	1	1			V
	I 1		τ- Ι
	-i 7 а J_L		i _i_	_-L

0,1 Ο,ί 43 44 0,3 0,6 47 о,в as t,o

Рослод Q

Фигура 1 G.

При этом приходится пользоваться характеристиками более полными, чем указанные, дающими связь одновременно и с открытием и с напором,—т. и. универсальными, или общими, характеристиками водяных турбин.

Расчет реактивных турбин вообще довольно сложен; он проще для турбин Френсиса (и диагональных), так как исходит из так называемой струйной теории, то есть гидродинамической теории, разработанной. главным образом, в применении к авиации (смотрите Аэродинамика, Вихревая теория, Воздушный вант). Гораздо проще и вполне достаточен для строителей станций

							IQO^.	-1-Г.-·	77J!
Tj	---						TTpW
1									1
								фу оу У	у/у
		«i?					A	У	9
	(
	:	t	-ZZ	Ψ	5		/Jpun	остоя	ΉΟΜ
1 ; U- i i > -У ;;г“Цу			yw				открытии и постоянном числе оборотов

гр

В

v>

las

0.75

05

ass

о op 0,4 ас ав io в (4 1,6 is г,о напор π

Фигура 17.

подбор турбин, то есть определение подходящего типа их и главных размеров l²J. Для станции обычно известны ее напор Н и расход; из разных соображений задаются числом турбин па станции; это определяет расход Q одной турбины; берут подходящий кпд η и получают мощность турбины дг_ ¹ «ooQHj jp. jjp_{H 1Ю}д5₀р_е особенно надо считаться с потребным числом оборотов. Теперь сколько-нибудь значительная турбина работает всегда на электрич. генератор, и только меньшие турбины—на привод или непосредственно на машину-орудие (мельничный постав, прокатный стан, дре-вотерка и т. д.). Генераторы строятся с

800 10 000

числом оооротовпв пределах от —— до —

ΫΝ f N

(предпочтительнее—ближе к верхнему), где N—число IP, отдаваемых турбиной генератору; однако и в этих пределах для трехфазного тока с 50 периодами в секунду употребительны только следующие n: 1 500, 1 000, 750, 500, 375, 300, 250, 214, 187, 107, 150, 125,107,94,83, 75,62. По известной N и этим данным получают ряд вариантов для генераторов и соответственный ряд вариантов для п.=^п л Откидывая те п„ при ^β а У ун которых, судя по Н, возможна кавитация, из оставшихся (обычно немногих) вариантов выбирают один, для которого теперь известны: Q, В, у, N, n_s и п. Если щ оказывается за верхними пределами возможного, значит такой турбины построит!, нельзя; тогда следует увеличить число турбин на станции, то есть уменьшить N и n_s. Для колеса Пельто-на D и (I определяют вышеуказанным способом; основные размеры реактивной турбины определяются по табл. 1.

Таблица 1, — Основные размеры реактив-и υ ii турбины.

Виды турбин		Щ	и,	B/D i	D»Di	D,	H max В M
J о Θ	тихоходные	100	0.62	0,09	0.75	1 P? о +	200
	нормальные	200	0.72	0.23	1.00		70
	быстроходи.	300 0.81		0.37	1.25		25
Виды турбин		,	в.	BD,	D„D.	Do	H max В .и
		300	1.0	0,30	I		25
Диагональные		450	1.4	0.35	1	Q	15
						<N
		6.0 1.8		0.40	1		10
						О
		600	1.8	0.35	1	«1 Q	10
Винтовые
		800 2,0		0.45	1		7

По известному и, берут из таблицы L или Uо (для любого промежуточного n_s—интерполяцией) и определяют характерный диаметр из выражения:

Dj (или D,)=«в?·»™ Ч*> »**».

^{Л 4} * -ΤΎΙ

По следующим трем столбцам находят значения В, 1>₃, D„. Диаметр вала d берут равным

6-if, где <5 равно от 10,5 (у самых крупных турбин С большим —j ДО 13 (при * "V 1) и 16

(при _7j ~ 0,1). При длине всасывающей тру бы, равной от 3 до 8 1)₃, площадь ее сечения при выходе из нее м. б. в 3—5 раз больше площади сечения при входе в нее. Площадь сечения при входе в спиральную камеру бе-Q

рется около.

(0,1 ДО 0,3)1 29 Н

Приблизительный вес турбин в килограммах (под напоры до 8 м, открытых, с железной всасывающей трубой и ручным регулированием, но без маховика и привода, при диаметре от 0,3 до 2,5 м, =200-^300) равен АБ_г Укг, где А для вертикальных—3 700, для горизонтальн.—5 500, для горизонтальных сдвоенных—10 200, а выражено в метров.

Предельные размеры: существуют турбины в 70 000 1-Р (в постройке находятся в 90 000 HP, Волховстрой 11 500 HP) [V]; наибольший диаметр 5,8 метров (в постройке для Свирекой станции 7,62 м). Расчеты и практика показывают, что в горных местностях (большие напоры и малые расходы) наиболее пригодны тихоходные турбины (колеса Пелъ-тона и Френсиса с малым n_s); напротив, в равнинных странах, чем положе уклоны рек (малые напоры) и чем они полноводнее (большие расходы), тем более необходимы быстроходные турбины.

Арматура мелких турбин сводится лишь к масленкам и к клапанам для спуска воды из подводящих камер. У закрытых турбин имеются затворы на подводящих трубах и краны для выпуска воздуха из кожухов при пуске турбины в ход. На крупных турбинах часто устраиваются водопроводы для охлаждения подпятников и тормозы для останова турбины. В состав измерительной арматуры входят: водомерные рейки у верхового и низового горизонтов воды (для наблюдения за напором), указатель открытия у регулятора, вакууметр на всасывающей трубе, тахометр (для указания числа оборотов вала); у закрытых турбин—манометр на кожухе и иногда гидрометрии, вертушка (или другой соответствующий прибор) в трубопроводе для определения скорости и расхода воды. Мощность и работа определяются па станциях по ваттметру и счетчику киловатт-часов.

Уход за турбинами очень прост: только подпятники требуют тщательного присмотра за собой, за чистотой и охлаждением работающего в них масла; надо также следить за исправностью смазки подводных подшипников и за плотностью сальников у всасывающих труб, иначе незаметно падает кпд. В вертикальных турбинах зыбкость верхней опоры ведет к неровному ходу зубчатой передачи, износу ее и подшипников, к задеванию неподвижных частей рабочим колесом и поломке последнего. Вода со взвешенными наносами истирает более или менее быстро детали там, где скорость воды наибольшая, то есть в конце направляющего аппарата и в зазоре; нужны хорошая очистка такой воды до впуска в подводящие каналы и сменная облицовка ободьев направляющего аппарата, а отчасти и рабочего колеса; колеса для таких установок отливаются из бронзы или стали. Лопатки рабочего колеса, разъеденные кавитацией, чинятся наваркой металла электрическ. способом. Засорение крупными наносами (кусками дерева) мало вероятно, т. к. этому мешают решетки и забрала перед входом в каналы и камеры; все же изредка осматривают колеса с низовой стороныче-рез лазы и очищают их узкие выходные отверстия от засевших предметов (иногда и от рыбы). В крупных турбинах, во избежание поломки направляющих лопаток при их закрывании сильным регулятором в случае застревания твердого тела, делают одно из звеньев (например, болт) между регулировочным кольцом п лопаткой намеренно слабым, чтобы поломка происходила в этой легко заменяемой детали, а не в других, более дорогих. Донный лед опасен медля самой турбины, а для всей гидростанции, т. к. он может забить решетку и канал; через турбину же он проходит обычно свободно; в крайнем случае впускают в камеру струйку ключевой или слегка подогретой воды. Турбины принадлежат к наиболее долговечным машинам и обычно выбрасываются не вследствие износа, а с целью замены старого типа более новым, то есть более мощным, быстроходным или экономичным. Срок погашения стоимости турбин принимается в 20—30 лет. Расходы но уходу и текущему ремонту, как видно из предыдущего, невелики. В отношении безопасности и гигиены турбины стоят выше всех других двигателей. Тщательного ограждения требует лишь зубчатая передача вертикальных турбин. За последнее время обращено внимание на опасность осмотра крупных турбин изнутри с переносными лампочками, вследствие возможности короткого замыкания; здесь уже ток в 50 V при коротком замыкании смертелен; поэтому разрешается применение тока не выше 24 V. Т. к. осмотр турбин и опорожненных камер в местностях с густым населением подвергает осмотрщиков опасности заразы, то рекомендуется пустые турбины в таких случаях перед осмотром дезинфицировать длительным пропуском пара. О монтаже см. (“,“]. об испытаниях—[’,*], историю Д. г. см. I⁹,¹⁰].

Испытания водяных турбин производятся в особых лабораториях и на работающих установках. Такие лаборатории существуют и в СССР при ряде высших тех-иическ. учебных заведений и в нек-рых научных институтах (Центр, аэрогидродинамич. ин-т и Лаборатория гидравлич. установок в Москве). Целью лабораторных испытаний является научное изучение рабочего процесса для дальнейшего усовершенствования конструкций, испытания же па установках служат главн. образом для проверки соответствия турбины условиям поставки. Испытания первого рода производятся очень подробно, но для удобства и сокращения расходов лишь над малыми моделями; испытания второго рода по необходимости должен быть более простыми и обычно сводятся: 1) к проверке заданной пропускной способности Q и мощности N при наибольшем открытии; 2) к опрс-

делению коэфф. полезного действия турбины η при нормальном числе оборотов, разных открытиях и возможных напорах; 3) к проверке надежности работы турбины (умеренное нагревание подшипников при длительной работе полной мощностыо);4) к проверке исправности регулирования колебаний числа оборотов при внезапных разгрузках и нагрузках турбины; 5) к испытанию прочности турбины при ее разгонном числе оборотов. Если автоматический регулятор испорчен, а вполне открытая турбина совершенно разгружается (наир., при коротком замыкании тока генератора), то турбина повышает число оборотов и доходит до нек-рого максимального, называемого разгонным. Это число оборотов приблизительно на 60% больше нормального (то есть дающего утах) у тихоходных реактивных турбин и на 160%— у самых быстроходных. Если турбина или другие части аггрегата (маховик, генератор) непрочны, то при повышении числа оборотов они м. б. разрушены центробежной силой. В различных странах существуют обязательные правила для испытания турбин; зти правила для СССР, а равно правила для международного признания, пока разрабатываются. При Государственном ин-те сооружений в Москве организуется особое Бюро для испытания гидроэлсктрич. станций.

Производство турбин требует хорошего конструкторского бюро с очень сведущими и научно образованными работниками, а для достижения высоких кпд турбн-ностроительному заводу необходимо производить испытание моделей в лаборатории. I [зготовление же турбин в мастерских достаточно просто, т. к. не требует обычно каких-либо особых сортов материалов ни особо точной обработки (за исключением автоматич. регуляторов и сильно нагруженных подпятников). Для деталей крупных турбин нужны, конечно, и крупные станки, а для ускорения и удешевления обработки целесообразно оборудование мастерских крупными карусельными станками, позволяющими при одной установке тяжелой детали на планшайбе производить разнообразные операции. Некоторые особенности представляет изготовление рабочего колеса турбины Френсиса. По ряду данных на чертеже сечений лопатки изготовляется штамп; лопатки штампуются в горячем состоянии; боковые кромки лудятся; при формовке колеса в литейной эти лопатки закладываются в шишку так, что кромки выходят в пустоты формы, назначенные для ободьев, и т. о. кромки лопаток оказываются залитыми в них. Формовка колеса по хорошо продуманной системе не представляет больших затруднений; литература по этим системам очень скудна)¹⁰]. Изредка (особенно для тихоходных турбин) лопатки колеса отливаются как одно целое с обоими его ободьями из чугуна, бронзы или стали. Для крупных винтовых турбин лопатки отливаются каждая отдельно и затем привертываются ко втулке. Для колеса Мельтона при огромных скоростях воды требуется особая гладкость лопаток и особая крепость укреплений их на диске. В настоящее время мировой известностью пользуются турбиностроительные заводы Швейцарии,

С. III. А., Германии, а в последнее время и Швеции. До 1914 года Россия снабжалась турбинами главным образом из Германии и С. 111. А., хотя были и свои заводы (крупнейший—Пирвиц и К" в Риге, эвакуированный впоследствии в Москву), выпускавшие вполне удовлетворительные турбины. В 1910 11 г. анкетным порядком число турбин в России (кроме Финляндии) было определено в 3688 с общей мощностью в 123 441 1Р [“]. В настоящее время турбины выпускают [¹²]: завод в Кургане (б. Балакшина), Московский машиностроительный трест [¹³] и Лепингр. машиностроительный трест. Для испытания моделей Моек, трест оборудовал специальную станцию при гидравлич. лаборатории Моек, высшего технич. училища; за 1924— 28 гг. им выпущено свыше НЮ турбин, мощностью около 18 000ΙΡ, стоимостью 80 к.~ 1 р. 30 к. за кг. Ленингр. трест также строит собственную лабораторию; за 1923—28 гг. он выпустил 45 турбин на 33 000 №. Исполненные турбины (типов до п,=800) обоих з-дов имеют достаточно высокий кпд и по качеству равняются с заграничными; из числа исполненных ими можно назвать турбины станций: Волховской (вспомогательные, Д=10,5 м, Ν=1 600 №, п=150), Сызран-ской (Я=13 м, N=1 180 №, п=300), Земо-Авчальской (Н=19,8 м, N =4 500 №, п=214), Джарахорской (в работе, Ы=127 м, Ν== 1 400 №, п=1 000).

II. Водостолбовые машины состоят из цилиндра и движущегося в нем поршня, который связан кривошипным механизмом с валом. Вода, подводимая по трубопроводу к золотниковой коробке, давит то на одну, то на другую сторону поршня и, двигая его взад и вперед, вращает вал всегда в одном направлении, пока не перекинут золотник. Отработавшая вода стекает в водосток. Во избежание остановки машины в мертвых точках, необходимо иметь на валу маховик или работать на один вал 2,

3 цилиндрами при сдвинутых кривошипах. Конструкция и процесс работы сходны с таковыми у паровой машины; существенное отличие их — постоянство объёма воды при разных давлениях; это является слабой стороной машины: из-за быстрого или не вполне своевременного закрытия или открытия золотниковых окон получаются в трубопроводе и цилиндре гидравлические удары (внезапные и сильные изменения давления), расстраивающие машину. Водостолбовые машины в настоящее время употребляются редко и применяются только в судовых и портовых устройствах в теплом климате. Одна из конструкций, а именно машина Брезергуда (для привода лебедок), изображена на фигуре 18: она состоит из 3 цилиндров с поршнями и шатунами, работающими на одну шейку коленчатого вала; распределение воды производится золотником, вращаемым одним из концов вала; кпд~-0,7.

III. Водяные колеса, старейшие из гидрав-лич. двигателей, работают преимущественно весом воды, заключенной в ковшах или между лопатками одной стороны колеса; другая сторона, с пустыми ковшами, легче первой, и благодаря разности весов получается вращение. Т. к. существуют водяные колеса, действующие скоростной энергией воды (подливные, пловучие), то существенным различием между турбинами и колесами является:

у турбин — прохождение водой каналов между лопатками насквозь, а у колес—выход воды из ковшей через те же отверстия,через которые вода поступила в ковши. Одним из древнейших типов колес надо считать употребительное до сих пор на е и в Туркестане восточное колесо, состоящее из вала с укрепленными на нем перьями, в которые бьет струя, стекающая по очень крутому жолобу или деревянной трубе—прообраз турбины Пельтона. Машина-орудие (постав, обдирка, толчея) сидит на валу такого колеса. Среди главнейших европейских конструкций (всегда горизонтальных) различают колеса: наливное (верхнебойное), ереднебойное, подливное (нижнебойиое, или пошвенное) и пловучее. В и а л и в н о м колесе (фигура 19) подведенная жолобом вода падает струей в ковши верхней части колеса и выливается из них внизу. В средне-бойном вода подводится около середины задней половины колеса, вытекая из жолоба через водослив или отверстие в щите. Низ такого колеса окружается при небольшом зазоре круглым кожухом. II о д л и в н ы е колеса имеют выпуск из-под щита почти наравне с низом колеса; вода при выпуске из жолоба имеет значительную скорость, и колесо использует гл. обр. ее живую силу. Все эти колеса, по сравнению с их мощностью, очень громоздки и тихоходны; их п,=0,4-УЗО; обычные мощности—до 61) Н хотя бывают и больше; наиболее мощными в мире были колеса в Нарве на реке Нарове с 450 IP и «_s=l,15; около 1870 года они были заменены турбинами Жоиваля в 1 200 IP при и₃=165, и, наконец, в последние годы—турбинами Френсиса. Колеса сами по себе обладают неплохими кпд, по много энергии теряется в сложных передачах (обычно посредством зубчатых колес) к белее быстроходным машинам. Они хорошо регулируются, но очень чутки к переменам горизонтов верхней и нижней воды; при падении верхнего горизонта (в пруде) вода оказывается ниже дна жолоба и не поступает в колесо; при поднятии нижнего—колесо тормозится, ударяя лопатками по воде. Наконец, зимой колеса часто обмерзают. Все это привело к вытеснению колес турбинами. Названные типы колес годны для разных напоров Н (табл. 2).

П д о в у ч е е колесо, являясь разновидностью подливного, устанавливается в быстрых реках на двух барках (реже—между

Т а б л. 2.— Основ н ы е данные дли во д я-н ы х коле с.

Вид колеса	Н в м	Q в м“/сп	ε (коэфф. напол нения)
Наливное.	2.5—12	0.1—1.0	0.25—0.5	0.5—0.75
ереднебойное.	1.7—9	0.1—3.0	0.5	0.4—0.75
Подливное.	ДО 1.8	1.0—5.0	0.5	0.3—0,5

козлами); нижние лопасти колеса увлекаются водой н вращают колесо; плотина отсутствует. Такие колеса дают ничтожную мощность, т. к. текущая вода без напора песет мало энергии. За границей до распространения турбин находили пек-рое применение усовершенствованные системы колес средие-бойных (Саясебьена, Цуппингера), подливных (Ионсле) п пловучих (Коллядона). В СССР огромное большинство колес (а также и зубчатые передачи к жерновам) изготовлены из дерева; это представляет главное достоинство колес: они дешевы, так как изготовляются плотниками из местного материала. Железные колеса на крупных заводах заменены турбинами. Количество колес в СССР огромно; по анкете 1910/11 года насчитано было в России (кроме Финляндии) 45 092 колесных установок с 467 066 JP. Замена этих колес турбинами, хотя бы частичная (использование самых мелких мощностей теперь не окупается), была бы выгодна, так как имеются готовые плотины и пруды. При определении мощности существующих колес можно исходить из напора Н, расхода Q и кпд η. Для определения расхода Q (смотрите также Гидрометрия)мож-ио воспользоваться размерами колеса (в м), длиной ковшей Ь, а также их глубиной а (считая по радиусу); тогда, при окружной скорости на наибольшем радиусе колеса, и м/ск, колесо пропускает воды () =

=hi bu м ³/пк, где е— коэффициент наполнения (смотрите табл. 2); этот способ можно применить при заказе турбины взамен колеса. Фигура 20 дает пример такой замены трех нали- ф_Иг. 20.

впых колес (диам.

2,4 м, α=0,22 м, b -1,1 м, η=12—15 об/м. n„s8, мощность каждого—около 3 IP) одной горизонтальной водяной турбиной (D,-0,6 м, п 175, n,=222, N - -22 №); напор 11=2,85 метров Передача от каждого колеса и каждый постав мельницы цевочными колесами заменена ременной передачей па приводный вал и от него—коническими шестернями на три веретена поставов.

Лит.· ·) Щапов Η. М., Характеристики води-пых турбин. «ΒΤΊ». 1925, стр. 165; *) его же, Подбор водяных турбин, там же, стр. 324; *) «Бюллетени Волховской гидр о электр им. силовой установки», Л.,

1924, .3; *) там же, 1926, 7: *) там же, в; *) Жданко А., Описание и хроника установки турбины «А» на Вол-ховск. гндроэлентрич.станции, «Техника и производство“, Л., 1928, 2—3; ’) М а л ы Ш е В U. В., ОПЫТ проекта русских правил испытания пироэлектрик, станций, там же, 1927, Л; *) е г о ж е, Испытания оборудования гидроэлектрических станций, гам же, 1926, 11—12; ’) С a m е г е г К., Vorlesumien ilber Wasscr-kraftmaschinen, 2 Aufl. Lpz. 1924; “) G r ii и K., Das Kinfornien v. Francisturbinen-RaUcni. «.Maschinen-Kon-strukteur», Leipzig, 1927, p. 60: ") M о с к в и т и-н о в И. И. и 1’ о м а в с к и ή Э. И., Вода как источник энергии, Поверхность и недра“, П., 1917, т. 2,

2 в;¹*) В и н д 0 л а т А. 10., ТурСиносгроение,*ВИ». 1927, 12, стр. 539: *) Московск. машиностроительный трест, Годовой обзор за 1923/24 онер, год и перспективы развитии машиностроения, М., 1924.

Тиме А. II., Курс гидравлики, т. 2—Гидравлик, двигатели, (ΊΙΗ. 1891; А с т р о в А. II. Водяные турбины, Атлас конструкт, чертежей. М. 1905; его ж е. Водяные турбины, 2 изд., М., 1907; Проскура Г. Ф., Водяные турбины, 2 издание, Харьков, 1913; К с ь м a ii 11. Г. Водяные двигатели. Курс лекций, И., 1917; К в а и ц Л. Гидравлик, двигатели, пер. с нем., М.·—Л., 1926: II и и е г и и В. И. Гидравлик, двигатели, Одесса, 1928 (лучшее руководство на русск. из. с указ, литер.); К о в и и В. Т., Новейшие быстроходные турбины и установки с ними, М., 1925: К а м у с ь А. М., Альбом примерных установок ко-дяных двигателей, СПБ, 1903; Ботовы Н. К. и А. К., Общедоступные водяные двигатели в сельском хозяйстве. Деревин, водяные колеса, М. 1926; Зотов Л. К., Сельские водяные мельницы, М., 1927; «Электричество“, М.; «Б11»; «Техника и производство», Л.; «Американская техника», Нью Порк; В Га гг A. Die Torbinen fur Wusserkralthctrieb, 2 Auflage, В. 1912; Т h о m а н n U. Die Wasserturbinen, Пне Berecli-nung und Konstruktion. Stg. 1908; E seller H. u. Dubs R., Die Theorie d. Wasserturbinen, В., 1924; R a t e a u A., li у d о u x I). e t G a r i e 1 M., Turbines hydrauliques, Г. 1925 (литер.); D a u g li e r-i у It. L., Hydraulic Turbines, 2 ed., N. V. 1914; Gibson A. II. Hydraulics and Jts Applications,

3 ed. London, 1917; Lo Ir e s t i .M. Le turbine

Idraiiliclie. Milano. 1922: К η о k e J. 0. Die Kraft-maschlnen des Kleingewerbes. 2 AuHage. Berlin. 1899: «Z. d. VDI»; «Wasserkraft u. Wasserwirtschaft», Mch.; «Schweizerische Bau-Ztg». Zilrich: «GC»; «La houllle blanche», Grenoble; Power». New York: «Engineering N,-w—Record», New York: «Electrical World“. N. Y.: «Engineering». London; «Teknisk Tidskrift», Stockholm; «L’elettrotecnica», Milano. H. Щапов.

Техника безопасности. Наиболее неблагополучными с точки зрения безопасности являются водяные колеса, выполняемые, как общее правило, кустарным способом. При неплотности щита (затвора) колесо может неожиданно прийти в движение и причинить увечье. В виду этого плотность щитов является первым условием безопасности. На случай же нарушения плотности необходимо иметь устройство, которое отводит просачивающуюся воду мимо колеса. Пол около колеса, равно как и ведущая на него лестница, должен быть очищаемы зимой от льда. Последняя, так же как и лестницы в камерах водяных турбин, должны иметь перила высотой не менее 1 .и со сплошной зашивкой внизу на 18 см. Водоподводящая труба турбины должна иметь регулятор, но допускающий повышения скорости воды выше предельной, или же надежное задерживающее приспособление, рассчитанное на полную

МОЩНОСТЬ турбины. П. Синев.