Развитие гидравлических турбин во 2 половине XIX в
Успех первых турбин Фурнейрона, разработка Понселе теоретических основ работы этой турбины, позволявшая с достаточной точностью рассчитывать гидравлические турбины, а также все возраставшее требование повысить скорость вращения и экономичность водяного двигателя были причиной того, что, начиная с 40-х годов XIX в., гидротурбостроение стало совершенствоваться, а водяные колеса начали все более и более вытесняться турбинами.
В это время было уже установлено, что существенное отличие турбины от водяного колеса заключается в том, что в турбине вода входит на одну кромку лопатки турбины; проходит по лопатке 'и сходит с другой кромки лопатки, не меняя направления своего движения по лопатке. В водяном же колесе вода входит и выходит в одном и том же месте, совершая перемещение по лопатке в обратную сторону; вследствие этого как скорость, так и направление движения воды в некоторой точке лопатки различны в разные моменты времени. В турбине вода не останавливается, не меняет направления своего течения на обратное, а от входных до выходных кромок течет непрерывно, и в каждой точке лопатки скорость ее одинакова по направлению и отличается только по величине. Так как вода имеет возможность вступать в рабочее колесо теоретически с любой скоростью, то турбина может, во-первых, применяться в широком диапазоне напоров и, во-вторых, развивать большее число оборотов, чем водяное колесо. Кроме того, в турбине вода проходит одновременно по всем лопаткам рабочего колеса, а в водяном колесе — лишь по небольшой их части; это приводит к уменьшению размеров турбины сравнению с водяным колесом. Из уравнения механики видно, что увеличение числа оборотов п при одной и той же мощности N позволяет получить меньший крутящий момент М на валу турбины. Поэтому размеры вала, зависшие от М, уменьшаются и вся конструкция становится значительно компактнее. Меньшие размеры и вес турбины облегчают конструкцию опор для вала, упрощают смазку облегчают пуск двигателя в ход. Наконец, при одной и той же окружной скорости на ободе двигателя, пропорциональной скорости подводимой воды, число оборотов турбины больше, чем водяного колеса, так как диаметр ее меньше.
Реактивные турбины способны работать при большом пропуске воды (расходе). Так как мощность гидравлической турбины пропорциональна напору Я и расходу воды Q, то реактивные турбины могут развивать значительную мощность JV при малых напорах Я за счет больших расходов Q и поэтому удобны для использования на равнинных реках.
Активные турбины обладают тем свойством, что вода проходит через турбину свободно, не заполняя всего рабочего колеса или действуя на часть его, причем давление среды, окружающей воду в турбине, всюду одинаково. В турбинах этого рода передача энергии, приносимой потоком воды в рабочее колесо, осуществляется в основном за счет изменения кинетической энергии воды. Эти турбины получили также название свободноструйных. Активные турбины пригодны в условиях переменного и, в частности, малого количества воды, но при больших напорах. Активные турбины могут действовать при одновременной Работе не всех, а только части рабочих лопаток. Такие турбины носят название парциальных; в этом случае направляюший аппарат Может строиться Ё виде неполного колеса или отдельных трубчатых сопел (насадок) с приспособлениями для регулирования пропуска воды.
Водяные турбины могут быть либо с горизонтальным валом, на который насажено рабочее колесо, либо с валом вертикальным. В соответствии с этим различают турбины горизонтальные и вертикальные.Наиболее естественным представляется размещение направляющего аппарата турбины над рабочим колесом. В таких турбинах движение воды будет происходить по цилиндрическим поверхностям, ось которые параллельна оси рабочего колеса; подвод воды также происходит в направлении, параллельном этой оси. Такие турбины получили название осевых или аксиальных реактивные турбин. Но такое размещение не является единственно возможным и не было исторически шервым в развитии водяной турбины. Первая турбина, построенная Фурнейроном, имела подвод воды к рабочему колесу из направляющего аппарата в радиальном направлении, причем рабочее колесо охватывало направляющий аппарат. Такого типа реактивные турбины носят название радиальных; исходя из того, что направление воды в турбине соответствует направлению центробежной силы, такие турбины иногда назывались центробежными; более правильное их наименование — турбины с внутренним радиальным подводом воды. В случае, если относительное расположение направляющего аппарата и рабочего колеса обратно предыдущему, как это показано на рис. 5-9, т. е. если приток воды происходит в радиальном направлении от периферии к центру то двигатель называется турбиной с наружным радиальным подводом воды (иногда их называли центростремительными). Этот второй тип оказался практически более удобным, так как размеры вращающегося рабочего колеса при этом получаются меньшими, более удобно применять.
Наконец, возможно такое устройство реактивной турбины, при котором вода претерпевает в лопатках рабочего колеса изменение радиального направления на осевое. Такие турбины называются радиально-осевыми турбинами. Радиально-осевые турбины позволили удобно сочетать рабочее колесо турбины с горизонтально расположенным направляющим аппаратом и вертикальной отсасывающей трубой и получили значительное распространение. Возможно также построение диагональных турбин, имеющих преимущество в быстроходности двигателя.