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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Wasserturbine. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Turbine – ein Rotationsmotor mit kontinuierlichem Arbeitsprozess und Rotationsbewegung des Arbeitskörpers (Rotor), der kinetische Energie und/oder innere Energie des Arbeitsmediums (Dampf, Gas, Wasser) in mechanische Arbeit umwandelt. Der Strahl des Arbeitsmediums wirkt auf die am Umfang des Rotors befestigten Schaufeln und versetzt diese in Bewegung. Es wird als Antrieb für einen Stromgenerator in Wärme-, Kern- und Wasserkraftwerken, als integraler Bestandteil von Antrieben für den See-, Land- und Lufttransport sowie für hydrodynamische Getriebe und Hydraulikpumpen eingesetzt.
In der Geschichte der Menschheit spielten Wassermaschinen schon immer eine besondere Rolle. Seit vielen Jahrhunderten sind verschiedene Wassermaschinen die Hauptenergiequelle in der Produktion. Dann hat die Entwicklung von thermischen (und später elektrischen) Motoren den Anwendungsbereich stark eingeengt. Wo jedoch billige Wasserressourcen verfügbar waren (ein schnell fließender Bach, ein Wasserfall oder ein reißender Fluss), könnte ein Wassermotor allen anderen vorzuziehen sein, da er sehr einfach im Aufbau war, keinen Kraftstoff benötigte und einen relativen Wirkungsgrad hatte hohe Effizienz. Nach der Erfindung der Wasserturbine mit sehr hohem Wirkungsgrad in der ersten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts erlebte die Wasserkraft eine Art Wiedergeburt. Mit Beginn der Elektrifizierung begann weltweit der Bau von Wasserkraftwerken, bei denen elektrische Generatoren ihren Antrieb von leistungsstarken Wasserturbinen unterschiedlicher Bauart erhielten. Und heute machen Wasserturbinen einen großen Teil der weltweiten Stromerzeugung aus. Daher ist dieses wunderbare Gerät zu Recht eine der größten Erfindungen. Die Wasserturbine hat sich aus dem Wasserrad entwickelt, und bevor wir über ihre Vorrichtung sprechen, sollten einige Worte über Wasserräder gesagt werden. Wie bereits erwähnt, wurden die ersten Wasserräder in der Antike verwendet. Sie wurden konstruktionsbedingt in Bottom-Hole (oder Soße) und Top-Hole (oder Bulk) unterteilt. Die unteren Räder waren die einfachste Art von Wassermotor. Sie benötigten für sich weder den Bau von Kanälen noch Staudämme, hatten aber gleichzeitig die geringste Effizienz, da ihre Arbeit auf einem eher nachteiligen Prinzip beruhte. Dieses Prinzip bestand darin, dass das unter den Rädern fließende Wasser auf die Schaufeln traf und diese in Rotation versetzte. Somit wurde in den Gießrädern nur die Kraft des Wasserdrucks genutzt. Aus energetischer Sicht rationeller waren Füllräder, bei denen auch das Gewicht des fallenden Wassers genutzt wurde.
Die Füllradvorrichtung war auch sehr einfach. Eine Reihe von Eimern wurde am Rand eines großen Rades oder einer Trommel befestigt. Wasser von der Oberseite der Rinne wurde in die obere Pfanne gegossen. Der mit Wasser gefüllte Eimer wurde schwerer, fiel herunter und zog den gesamten Rand mit sich. Das Rad begann sich zu drehen. Der nächste Eimer ersetzte das Senkrad. Auch er war mit ständig fließendem Wasser gefüllt und begann zu sinken. An seiner Stelle kam der dritte, dann der vierte und so weiter. Als die Eimer den Boden des Randes erreichten, floss das Wasser aus ihnen heraus. Ceteris paribus war die Leistung der oberen Durchstechräder höher als die der unteren Durchstechräder, aber diese Räder hatten große Abmessungen und eine niedrige Drehzahl. Darüber hinaus war es für ihren effizienten Betrieb erforderlich, einen erheblichen Wassertropfen zu erzeugen, dh Kanäle, Dämme und andere teure Bauwerke zu bauen.
Jedes Wasserrad war auf einer Welle montiert, die sich mit dem Rad drehte, und von dort wurde die Drehung auf die Maschine übertragen, die sie in Betrieb setzen wollten. In der Antike und im Mittelalter waren solche Motoren in verschiedenen Industrien weit verbreitet, wo sie Hämmer, Gebläsebälge, Pumpen, Webmaschinen und andere Mechanismen in Bewegung setzten. Es mag den Anschein haben, dass die Mechanik in der jahrhundertealten Geschichte der Existenz von Wasserrädern alles über sie gelernt hat. Und was könnte an dieser alten Konstruktion neu sein? Es stellte sich jedoch heraus, dass es möglich war. 1750 präsentierte der an der Universität Göttingen tätige Ungar Segner eine völlig neue Idee für eine Wassermaschine, die neben Druck und Gewicht auch die Reaktionskraft der Wasserströmung nutzte.
Wasser kam von oben in ein Gefäß, das mit einer Achse verbunden war, an deren Boden sich kreuzförmige Rohre mit zur Seite gebogenen Enden befanden. Durch sie strömte Wasser, und die entstehende Reaktionskraft wirkte in allen vier Rohren in die gleiche Richtung und versetzte das gesamte Rad in Rotation. Dies war eine äußerst geniale Entdeckung, die jedoch in dieser Form keine praktische Anwendung fand, aber bei einigen Mathematikern und Ingenieuren lebhaftes Interesse weckte. Der große deutsche Mathematiker Euler war einer der ersten, der auf diese Neuerung reagierte, indem er mehrere seiner Arbeiten dem Studium des Segner-Rades widmete. Zunächst wies Euler auf die Mängel in Segners Design hin, wobei er feststellte, dass der geringe Wirkungsgrad des Rads das Ergebnis irrationaler Energieverluste sei. Er schrieb weiter, dass diese Verluste erheblich reduziert werden könnten, wenn die Idee eines neuen Motors vollständiger verwirklicht würde. Erhebliche Verluste traten vor allem auf, wenn Wasser aufgrund einer starken Richtungs- und Geschwindigkeitsänderung des Wasserflusses in das Rad eindrang (hier wurde Energie beim Aufprall verbraucht). Sie könnten aber verringert werden, wenn Wasser in Drehrichtung mit der Geschwindigkeit dieser Drehung an das Rad herangeführt würde. Auch am Austritt kam es zu Verlusten, da ein Teil der Energie mit der Austrittsgeschwindigkeit des Wassers abgeführt wurde. Idealerweise sollte das Wasser dem Rad seine volle Geschwindigkeit geben. Zu diesem Zweck schlug Euler vor, die horizontalen Auslassrohre durch von oben nach unten verlaufende krummlinige Rohre zu ersetzen. Dann war es nicht mehr nötig, Löcher für den seitlichen Wasserabfluss zu bohren, da das untere Ende des geschlossenen Rohrs einfach offen gelassen werden konnte. Euler sagte voraus, dass hydraulische Maschinen dieses neuen Typs (tatsächlich war es eine hydraulische Turbine, aber dieser Name selbst war noch nicht gebräuchlich) in Zukunft zwei Teile haben würden: eine feststehende Leitschaufel, durch die Wasser in die untere fließen würde rotierendes Rad, das der Arbeitskörper der Maschine ist. Trotz der gemachten Bemerkungen schätzte Euler Segners Erfindung sehr und wies vorausschauend darauf hin, dass er einen neuen Weg für die Entwicklung von Hydromotoren eröffnete, die für eine große Zukunft bestimmt waren. Sowohl das Segner-Rad als auch Eulers Arbeit waren ihrer Zeit jedoch etwas voraus. In den nächsten siebzig Jahren versuchte niemand, das Segner-Rad in Übereinstimmung mit Eulers Ausführungen zu verbessern. Das Interesse an ihnen im ersten Viertel des 70. Jahrhunderts wurde durch die Arbeit des französischen Mathematikers Poncelet wiederbelebt, der einen speziellen Typ neu gestalteter Gießräder vorschlug. Der Wirkungsgrad des Poncelet-Rades erreichte XNUMX%, was für andere Arten von Wassermotoren völlig unerreichbar war.
Das Erfolgsgeheimnis bestand darin, dass die Schaufeln des Rades eine spezielle halbkreisförmige Form erhielten, sodass das zugeführte Wasser in Richtung ihrer Krümmung in sie eindrang, ein Stück die Schaufel hinaufströmte und dann absteigend wieder austrat. Unter solchen Bedingungen wurde der Aufprall von Wasser auf die Schaufeln am Eingang, an denen normalerweise ein erheblicher Teil der Energie des Wasserstrahls verloren ging, vollständig eliminiert. Poncelets Erfindung war ein wichtiger Schritt in Richtung Wasserturbine. Damit dieser Weg zu Ende geführt werden konnte, fehlte das zweite von Euler beschriebene Element der Turbine – die Leitschaufel. Professor Burden brachte 1827 zum ersten Mal eine Leitschaufel an einem Wasserrad an. Er war der Erste, der sein Auto als Turbine bezeichnete (von lateinisch turbo – schnelle Rotation), danach kam diese Definition zum Einsatz. 1832 wurde die erste praktische hydraulische Turbine vom französischen Ingenieur Fourneuron entwickelt.
Seine Turbine bestand aus zwei einander gegenüberliegenden konzentrischen Rädern: einem inneren, feststehenden K, das eine Leitschaufel war, und einem äußeren mit gekrümmten Schaufeln a, das das Arbeitsturbinenrad war. Wasser trat von oben durch ein Rohr, das sich um die Turbinenwelle wickelte, in die Turbine ein und fiel auf die Leitschaufeln. Diese Schaufeln zwangen das Wasser, sich entlang einer gekrümmten Linie zu bewegen, wodurch es ohne Aufprall entlang seines gesamten Innenumfangs in horizontaler Richtung in die Schaufeln des Turbinenrads floss, diesem seine ganze Energie gab und dann floss gleichmäßig entlang seines Innenumfangs. Das neu zulaufende Wasser und das Abwasser vermischten sich nie miteinander. Das Turbinenrad war fest mit der vertikalen Welle D verbunden, über die die Bewegung übertragen wurde. Der Wirkungsgrad der Furneuron-Turbine erreichte 80 %. Die von ihm geschaffene Konstruktion war von großer Bedeutung für die weitere Geschichte des Turbinenbaus. Die Nachricht von dieser erstaunlichen Erfindung verbreitete sich schnell in ganz Europa. Mehrere Jahre lang kamen Fachingenieure aus vielen Ländern an den abgelegenen Ort des Schwarzwalds, um die dort als große Attraktion funktionierende Furneuron-Turbine zu inspizieren. Bald wurden auf der ganzen Welt Turbinen gebaut. Der Übergang zu Turbinen war eine Revolution in der Geschichte der hydraulischen Motoren. Was war ihr Vorteil gegenüber dem alten Wasserrad? In der obigen kurzen Beschreibung der Furneuron-Turbine ist das Segner-Rad schwer zu erkennen. Mittlerweile basiert es auf dem gleichen Prinzip, die Strahlbewegung eines Wasserstrahls zu nutzen (weshalb dieser Turbinentyp später Jet genannt wurde). Es ist nur so, dass Furneuron alle Bemerkungen von Euler sorgfältig geprüft und seine eigene Erfahrung als Wasserbauingenieur genutzt hat. Die Furneuron-Turbine unterschied sich in einigen wesentlichen Punkten vom Wasserrad. Bei einem Wasserrad tritt Wasser an der gleichen Stelle ein und wieder aus. Aus diesem Grund waren sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung der Wasserbewegung im Radblatt zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedlich - das Rad verbrauchte sozusagen einen beträchtlichen Teil seiner nutzbaren Kraft, um den Widerstand des Strahls ständig zu überwinden. In der Furneuron-Turbine trat Wasser aus dem Leitapparat in eine Kante der Radschaufel ein, strömte an der Schaufel entlang und floss von der anderen Seite nach unten. Infolgedessen blieb das Wasser in der Turbine nicht stehen, änderte seine Strömungsrichtung nicht in die entgegengesetzte Richtung und floss kontinuierlich von den Einlass- zu den Auslasskanten. An jedem Punkt der Schaufeln war seine Geschwindigkeit in der Richtung gleich und unterschied sich nur in der Größe. Infolgedessen hing die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine theoretisch nur von der Geschwindigkeit des Wassers ab, und daher konnte sich die Turbine mehrere zehnmal schneller drehen als ein herkömmliches Wasserrad. Ein weiterer vorteilhafter Unterschied zwischen der Turbine bestand darin, dass Wasser gleichzeitig durch alle Schaufeln des Rades und im Wasserrad nur durch einige floss. Dadurch wurde die Energie des Wasserstrahls in der Turbine viel besser genutzt als im Wasserrad, und seine Abmessungen bei gleicher Leistung waren um ein Vielfaches kleiner. In den Folgejahren wurden mehrere Haupttypen von Wasserturbinen entwickelt. Ohne hier auf Details einzugehen, stellen wir fest, dass alle Turbinen des XNUMX. Jahrhunderts in zwei Haupttypen unterteilt werden können: Jet und Jet. Die Strahlturbine war, wie bereits erwähnt, ein verbessertes Segner-Rad. Sie hatte ein auf einer Welle montiertes Turbinenrad mit speziell gekrümmten Schaufeln.
Dieses Rad enthielt in sich oder war von einer Leitschaufel umgeben. Letzteres war ein Festrad mit Leitschaufeln. Wasser strömte durch den Leitapparat und das Turbinenrad nach unten, wobei die Schaufeln des ersten Wasser auf die Schaufeln des zweiten leiteten. Beim Gießen drückte das Wasser auf die Schaufeln und drehte das Rad. Von der Welle wurde die Drehung weiter auf ein Gerät (z. B. einen elektrischen Generator) übertragen. Strahlturbinen erwiesen sich als sehr praktisch, wo der Wasserdruck niedrig ist, aber es möglich ist, eine Fallhöhe von 10-15 m zu erzeugen, und sie wurden im XNUMX. Jahrhundert sehr verbreitet. Strahlturbinen waren ein weiterer häufiger Turbinentyp. Ihre grundlegende Vorrichtung bestand darin, dass ein Wasserstrahl unter starkem Druck auf die Radschaufeln traf und diese dadurch in Rotation versetzte. Die Ähnlichkeit der Strahlturbine mit dem Unterrad ist sehr groß. Die Prototypen solcher Turbinen tauchten im Mittelalter auf, wie einigen Bildern aus dieser Zeit zu entnehmen ist. 1884 verbesserte der amerikanische Ingenieur Pelton die Strahlturbine erheblich, indem er ein neues Laufraddesign entwickelte. Bei diesem Rad wurden die glatten Schaufeln der alten Strahlturbine durch spezielle, von ihm erfundene ersetzt, die die Form zweier miteinander verbundener Löffel haben. So erwiesen sich die Klingen als nicht flach, sondern konkav mit einer scharfen Rippe in der Mitte. Bei einer solchen Anordnung der Blätter ging die Arbeit des Wassers fast vollständig auf die Drehung des Rades und nur ein sehr kleiner Teil davon wurde nutzlos verschwendet.
Das Wasser zur Pelton-Turbine kam durch ein Rohr, das von einem Damm oder Wasserfall kam. Wo viel Wasser war, wurde das Rohr dick gemacht, und wo weniger Wasser war, war es dünner. Am Ende des Rohrs befand sich eine Spitze oder Düse, aus der Wasser in einem starken Strahl austrat. Der Strahl traf auf die löffelförmigen Schaufeln des Rades, die scharfe Kante der Schaufel schnitt sie in zwei Hälften, das Wasser drückte die Schaufeln nach vorne und das Turbinenrad begann sich zu drehen. Abwasser floss nach unten in das Auslassrohr. Ein Rad mit Schaufeln und einer Düse wurde von oben mit einem Gehäuse aus Gusseisen oder Eisen abgedeckt. Unter starkem Druck drehte sich das Peltonrad mit hoher Geschwindigkeit und machte bis zu 1000 Umdrehungen pro Minute. Es war praktisch, wo es möglich war, einen starken Wasserdruck zu erzeugen. Der Wirkungsgrad der Peltonturbine war sehr hoch und näherte sich 85 %, weshalb sie weit verbreitet war. Nachdem in den 80er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts ein System zur Übertragung von elektrischem Strom über große Entfernungen entwickelt und die Stromerzeugung auf „Elektrizitätsfabriken“ – Kraftwerke – konzentriert werden konnte, begann eine neue Ära in der Geschichte des Turbinenbaus. In Verbindung mit einem elektrischen Generator wurde die Turbine zu jenem mächtigen Werkzeug, mit dem der Mensch die enorme Kraft, die in Flüssen und Wasserfällen verborgen ist, in seinen Dienst stellte. Autor: Ryzhov K.V.
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