Водяные турбины

Водяное колесо - одно из древнейших устройств, производящих энергию. Оно широко использовалось вплоть до XIX в., но потом было вытеснено паровой машиной. Другое приспособление, использующее гидроэнергию, - водяная турбина - до сих пор применяется на современных гидроэлектростанциях.

Лопастное колесо - не очень эффективное устройство для производства энергии, потому что много воды стекает с концов лопастей без толку. В водяной турбине лопасти, или лопатки, сконструированы таким образом, что вода не стекает с их концов, поэтому энергия зря не пропадает. Разработкой первых водяных турбин занимались главным образом во Франции. Слово «турбина» ввел в оборот в 1824 г. французский инженер Клод Бурден. Ученик Бурде-на Бенуа Фурнерон, приняв участие в конкурсе на лучший проект водяной турбины, в 1833 г. получил премию в 6000 франков, создав машину мощностью 50 л. с. Диаметр колеса диагональной реактивной турбины составлял 30 см, а скорость вращения - более 2000 оборотов в минуту. К 1855 г. мощность больших турбин Фурнерона достигла 800 л. с.

Около 1820 г. французский математик и инженер Жан Виктор Понселе спроектировал радиально-осевую турбину с лопатками особой полукруглой формы. В 1838 г. Сэмюэл Хауд получил патент США на так называемое «вихревое колесо». В 1840 г. английский инженер ирландского происхождения Джеймс Томсон придумал, как управлять потоком воды, падающим на лопатки, с помощью внутреннего устройства. Американский инженер Юрайа Бойден в 1844 г. усовершенствовал этот проект. В 1850 г. Томсон запатентовал свое изобретение в Белфасте. Горизонтальную турбину Томсона вскоре построили в Англии братья Уильямсон.

Существуют три вида современных турбин, названные в честь изобретателей. Англо-американский инженер Джеймс Френсис в 1849 г. изобрел реактивную турбину с лопатками, заключенными в корпус. К ее утопленному горизонтальному колесу прикреплены 24 изогнутые лопатки, на которые направляют воду внешние приспособления. Турбина хорошо работает при среднем напоре воды. В 1833 г. Френсис эмигрировал из Англии в США и занялся строительством железных дорог, каналов и других сооружений. В 1837 г. он стал главным инженером шлюзов и каналов реки Мерримак и спроектировал свою турбину, стремясь использовать энергию реки.

Около 1870 г. американский инженер Лестер Пелтон, желая усовершенствовать водяные колеса на золотых рудниках Калифорнии, изобрел импульсную турбину, названную колесом Пел-тона. Струя воды из сопла ударяет в лопатки колеса, имеющие форму ковша, и заставляет турбину вращаться. Вертикальное колесо крепится на горизонтальной оси и эффективно работает при сильном напоре воды. В 1880 г. Пелтон запатентовал изобретение и продал его «Пелтон Уотер Уил компани» из Сан-Франциско. Коэффициент полезного действия современных турбин этого типа приближается к 90 %.

Реактивная турбина, изобретенная в 1913 г. австрийским инженером Виктором Капланом, лучше всего работает при слабом напоре воды. Она напоминает пароходный гребной винт, у нее 8 регулируемых рабочих лопастей. Турбина Каплана чаще всего используется в современной гидроэнергетике.