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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
수력 터빈. 발명과 생산의 역사
터빈 - 작동 유체(증기, 가스, 물)의 운동 에너지 및/또는 내부 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 작동 본체(로터)의 회전 운동과 연속 작업 프로세스가 있는 회전식 엔진. 작동 유체의 제트는 로터 둘레에 고정된 블레이드에 작용하여 블레이드를 움직입니다. 화력, 원자력 및 수력 발전소의 발전기 구동 장치로 사용되며 해상, 육상 및 항공 운송용 구동 장치와 유체 역학 변속기, 유압 펌프의 필수 부품으로 사용됩니다.
인류의 역사에서 물 엔진은 항상 특별한 역할을 해왔습니다. 수세기 동안 다양한 물 기계가 생산의 주요 에너지원이었습니다. 그런 다음 열(그리고 나중에는 전기) 엔진의 개발로 적용 범위가 크게 좁아졌습니다. 그러나 값싼 수력 자원(유속이 빠른 개울, 폭포 또는 급류)이 있는 곳이면 어디에서나 설계가 매우 간단하고 연료가 필요하지 않으며 상대적으로 높은 에너지 효율을 가진 수력 기관이 다른 모든 것보다 선호될 수 있었습니다. 능률. XNUMX세기 전반기에 고효율 수력 터빈이 발명된 후 수력 발전은 일종의 재탄생을 경험했습니다. 전기화가 시작되면서 전 세계적으로 수력 발전소 건설이 시작되었으며 발전기는 다양한 디자인의 강력한 수력 터빈에서 동력을 얻었습니다. 그리고 오늘날 수력 터빈은 세계 전력 생산의 많은 부분을 차지합니다. 따라서 이 놀라운 장치는 당연히 가장 위대한 발명품 중 하나입니다. 수차에서 발전된 수차로 그 장치에 대해 이야기하기 전에 수차에 대해 몇 마디 말해야 합니다. 이미 언급했듯이 최초의 물레방아는 고대에 사용되기 시작했습니다. 설계상 그들은 바닥 구멍(또는 그레이비)과 위쪽 구멍(또는 벌크)으로 나뉩니다. 아래쪽 바퀴는 가장 단순한 유형의 물 엔진이었습니다. 자체적으로 운하나 댐을 건설할 필요는 없었지만, 작업이 다소 불리한 원리에 기반을 두었기 때문에 효율성이 가장 낮았습니다. 이 원리는 바퀴 아래로 흐르는 물이 칼날을 치면서 회전하게 하는 것이었습니다. 따라서 물을 붓는 바퀴에는 수압의 힘만 사용되었습니다. 에너지 관점에서 물을 채우는 것이 더 합리적이었고 떨어지는 물의 무게도 사용되었습니다.
충전 휠 장치도 매우 간단했습니다. 큰 바퀴나 드럼의 테두리에 양동이 한 줄을 부착했습니다. 배수로 상단의 물을 상단 국자에 부었습니다. 물을 가득 채운 양동이가 무거워져 넘어져 함께 림 전체를 잡아당겼습니다. 바퀴가 돌아가기 시작했습니다. 다음 버킷이 하강 휠을 대신했습니다. 그 역시 끊임없이 흐르는 물로 채워져 가라앉기 시작했다. 그 자리에 세 번째가, 그 다음이 네 번째, 이런 식으로 나타났습니다. 양동이가 가장자리의 바닥에 닿았을 때 물이 쏟아졌습니다. Ceteris paribus, 위쪽 피어싱 바퀴의 위력은 아래쪽 피어싱 바퀴보다 높지만 이러한 바퀴는 크기가 크고 회전 속도가 낮습니다. 또한 효율적인 운영을 위해서는 운하, 댐 및 기타 값 비싼 구조물을 건설하기 위해 상당한 물방울을 만들어야했습니다.
모든 물레방아는 바퀴와 함께 회전하는 샤프트에 장착되었으며 회전은 작동하려는 기계로 더 전달되었습니다. 고대와 중세에 이러한 엔진은 모션 해머, 송풍기 벨로우즈, 펌프, 직조 기계 및 기타 메커니즘을 설정하는 다양한 산업에서 널리 사용되었습니다. 수세기에 걸친 물레방아의 존재 역사 동안 역학은 물레방아에 관한 모든 것을 배운 것처럼 보일 수 있습니다. 그리고 이 오래된 건축물에서 무엇이 새로울 수 있습니까? 그러나 그것이 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 1750년 괴팅겐 대학에서 일하던 헝가리의 세그너는 압력과 무게와 함께 물의 흐름에 의해 생성된 반력을 사용하는 물 엔진에 대한 완전히 새로운 아이디어를 내놓았습니다.
위에서 물이 차축에 연결된 용기로 들어왔고 그 바닥에는 끝이 한쪽으로 구부러진 십자형 튜브가 있었습니다. 그 사이로 물이 흘러나왔고 그 결과로 생긴 반력이 네 개의 튜브 모두에 같은 방향으로 작용하여 바퀴 전체가 회전하게 되었습니다. 이것은 매우 독창적인 발견이었지만 이 형태로 실제 적용되지는 않았지만 일부 수학자와 엔지니어의 가장 활발한 관심을 불러일으켰습니다. 위대한 독일 수학자 오일러(Euler)는 이 참신함에 처음으로 반응한 사람 중 한 사람으로, 그의 작품 중 몇 개를 세그너 수레(Segner wheel) 연구에 할애했습니다. 먼저 오일러는 세그너 설계의 단점을 지적하면서 바퀴의 낮은 효율은 비합리적인 에너지 손실의 결과라고 지적했다. 그는 또한 새로운 엔진에 대한 아이디어가 더 완전히 실현된다면 이러한 손실을 크게 줄일 수 있다고 썼습니다. 우선 물 흐름의 방향과 속도의 급격한 변화로 인해 물이 바퀴에 들어갔을 때 상당한 손실이 발생했습니다(여기서 충격에 에너지가 소비됨). 그러나 이 회전의 속도로 회전 방향으로 물이 바퀴로 옮겨지면 감소할 수 있습니다. 에너지의 일부가 물의 출구 속도로 옮겨졌기 때문에 출구에서도 손실이 있었습니다. 이상적으로는 물이 바퀴의 최대 속도를 제공해야 합니다. 이를 위해 오일러는 수평 출구 튜브를 위에서 아래로 가는 곡선 튜브로 교체할 것을 제안했습니다. 그러면 더 이상 측면에서 물을 빼내기 위한 구멍을 만들 필요가 없습니다. 닫힌 튜브의 하단을 열어두기만 하면 되었기 때문입니다. 오일러는 미래에 이 새로운 유형의 유압 기계(실제로는 유압 터빈이었지만 이름 자체는 아직 사용되지 않음)에는 두 부분이 있을 것이라고 예측했습니다. 기계의 작동 몸체인 바퀴. 이러한 발언에도 불구하고 오일러는 세그너의 발명을 높이 평가하고 자신이 유압 엔진 개발의 새로운 길을 열었다는 점을 선견지명으로 지적했으며, 이는 장차 큰 미래가 될 것입니다. 그러나 세그너 수레바퀴와 오일러의 작업은 모두 시대를 조금 앞서 있었습니다. 다음 70년 동안 아무도 오일러의 말에 따라 세그너 휠을 개선하려고 시도하지 않았습니다. XNUMX세기의 XNUMX/XNUMX분기에 그들에 대한 관심은 프랑스 수학자 Poncelet의 연구에 의해 되살아났습니다. 그는 새로 설계된 특별한 유형의 붓는 바퀴를 제안했습니다. Poncelet 휠의 효율성은 XNUMX%에 도달했으며, 이는 다른 유형의 수차에서는 완전히 달성할 수 없었습니다.
성공의 비결은 바퀴의 날개에 특별한 반원 모양이 주어졌기 때문에 공급된 물이 곡률 방향으로 들어가 날개 위로 일정 거리를 지나 하강하면서 빠져나갔습니다. 이러한 조건에서 일반적으로 워터 제트 에너지의 상당 부분이 손실되는 입구의 블레이드에 대한 물의 영향이 완전히 제거되었습니다. Poncelet의 발명은 수력 터빈을 향한 중요한 단계였습니다. 이 경로를 끝까지 완료하기 위해 Euler가 설명한 터빈의 두 번째 요소인 가이드 베인이 누락되었습니다. 처음으로 Burden 교수는 1827년에 물레방아에 가이드 베인을 적용했습니다. 그는 자신의 차를 터빈(라틴어 터보 - 빠른 회전에서)이라고 처음으로 불렀고, 그 후 이 정의가 사용되었습니다. 1832년, 최초의 실용적인 수력 터빈은 프랑스 엔지니어 Fourneuron에 의해 만들어졌습니다.
그의 터빈은 서로 마주보고 있는 두 개의 동심원 바퀴로 구성되어 있습니다. 내부의 고정된 K는 안내 날개이고, 외부는 날개가 휘어진 작동하는 터빈 바퀴였습니다. 물은 터빈 샤프트를 감싸고 가이드 베인에 떨어지는 파이프를 통해 위에서 터빈으로 들어갔습니다. 이 블레이드는 물이 곡선을 따라 움직이도록 강제하여 결과적으로 충격없이 전체 내부 둘레를 따라 터빈 휠의 블레이드로 수평 방향으로 흘러 후자에 모든 에너지를 제공한 다음 흐릅니다. 내부 둘레를 따라 고르게. 새로 들어오는 물과 폐수는 서로 섞이지 않습니다. 터빈 휠은 움직임이 전달되는 수직 샤프트 D에 단단히 연결되었습니다. Furneuron 터빈의 효율은 80%에 도달했습니다. 그가 만든 설계는 이후의 터빈 건설 역사에 매우 중요했습니다. 이 놀라운 발명품에 대한 소문은 유럽 전역에 빠르게 퍼졌습니다. 몇 년 동안 여러 나라의 전문가-엔지니어들이 블랙 포레스트의 외딴 곳에서 멋진 광경으로 작동하는 Furneuron 터빈을 검사하기 위해 왔습니다. 곧 터빈이 전 세계에 건설되고 있었습니다. 터빈으로의 전환은 유압 엔진의 역사에서 혁명적인 변화였습니다. 오래된 물레방아에 비해 그들의 장점은 무엇이었습니까? 위의 Furneuron 터빈에 대한 간략한 설명에서는 Segner 휠을 보기가 어렵습니다. 한편, 워터 제트의 제트 운동을 사용하는 것과 동일한 원리를 기반으로 합니다(이 유형의 터빈이 나중에 제트라고 불리는 이유). Furneuron이 Euler의 모든 발언을 신중하게 고려하고 유압 엔지니어로서의 자신의 경험을 사용했을 뿐입니다. Furneuron 터빈은 몇 가지 요점에서 물레방아와 다릅니다. 물레방아에서 물은 같은 곳으로 들어가고 나갔습니다. 이 때문에 휠 블레이드에서 물의 이동 속도와 방향은 서로 다른 시점에서 달랐습니다. 즉, 휠은 제트의 저항을 지속적으로 극복하기 위해 상당한 양의 유용한 힘을 소비했습니다. Furneuron 터빈에서 가이드 장치의 물은 휠 블레이드의 한쪽 가장자리로 들어가 블레이드를 따라 지나가고 다른 쪽에서 아래로 흐릅니다. 결과적으로 터빈의 물은 멈추지 않고 흐름 방향을 반대 방향으로 바꾸지 않고 입구에서 출구 가장자리까지 연속적으로 흐릅니다. 블레이드의 각 지점에서 속도는 방향이 동일하고 크기만 다릅니다. 그 결과 터빈의 회전속도는 이론적으로 물의 속도에만 의존하게 되어 기존의 물레방아보다 수십 배 빠르게 회전할 수 있었다. 터빈 사이의 또 다른 유리한 차이점은 물이 바퀴의 모든 블레이드를 동시에 통과하고 물레방아에서는 일부만 통과한다는 것입니다. 결과적으로 물 제트의 에너지는 물레방아에서보다 터빈에서 훨씬 더 많이 사용되었으며 동일한 출력에서 크기는 몇 배 작습니다. 그 후 몇 년 동안 몇 가지 주요 유형의 수력 터빈이 개발되었습니다. 여기에서 자세히 설명하지 않고 XNUMX세기의 모든 터빈은 제트와 제트의 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 이미 언급했듯이 제트 터빈은 개선된 Segner 휠이었습니다. 그녀는 특별히 구부러진 블레이드가 있는 샤프트에 터빈 휠을 장착했습니다.
이 바퀴는 그 안에 포함되어 있거나 안내 날개로 둘러싸여 있습니다. 후자는 안내 날개가 있는 고정 바퀴였습니다. 물은 가이드 장치와 터빈 휠을 통해 흘러내렸고, 첫 번째 블레이드는 물을 두 번째 블레이드로 향하게 했습니다. 물을 부을 때 물이 칼날을 누르고 바퀴가 회전했습니다. 샤프트에서 회전이 일부 장치(예: 발전기)로 더 전달되었습니다. 제트 터빈은 수압이 낮은 곳에서 매우 편리한 것으로 판명되었지만 10-15m의 방울을 만드는 것이 가능하며 XNUMX 세기에 매우 널리 보급되었습니다. 제트 터빈은 또 다른 일반적인 유형의 터빈이었습니다. 그들의 기본 장치는 강한 압력을 받는 물의 제트가 바퀴 날개를 치면서 회전하게 하는 것이었습니다. 제트 터빈과 하단 휠의 유사성은 매우 큽니다. 그러한 터빈의 프로토타입은 그 당시의 일부 이미지에서 추론할 수 있는 것처럼 중세 시대에 나타났습니다. 1884년 미국 엔지니어인 Pelton은 새로운 임펠러 디자인을 만들어 제트 터빈을 크게 개선했습니다. 이 바퀴에서 오래된 제트 터빈의 부드러운 블레이드는 함께 연결된 두 개의 숟가락 형태를 가진 그가 발명한 특별한 블레이드로 대체되었습니다. 따라서 블레이드는 평평하지 않고 오목하고 가운데에 날카로운 갈비뼈가 있습니다. 이러한 블레이드 배열로 물의 일은 거의 전적으로 바퀴의 회전에 갔고, 그 중 아주 작은 부분만 헛되이 낭비되었습니다.
Pelton 터빈에 물은 댐이나 폭포에서 나오는 파이프를 통해 들어왔습니다. 물이 많은 곳은 관이 굵고 물이 적은 곳은 가늘었다. 파이프 끝에는 물이 강한 물줄기로 빠져나가는 팁 또는 노즐이 있었습니다. 제트가 바퀴의 숟가락 모양의 날을 치고 날의 날카로운 모서리가 그것을 반으로 자르고 물이 날을 앞으로 밀고 터빈 바퀴가 회전하기 시작했습니다. 배수관으로 폐수가 흘러내렸습니다. 블레이드와 노즐이있는 휠은 주철 또는 철로 만든 케이싱으로 위에서 덮었습니다. 강한 압력으로 Pelton 휠은 분당 최대 1000회 회전하는 엄청난 속도로 회전했습니다. 강한 수압을 생성할 수 있는 곳에서 편리했습니다. Pelton 터빈의 효율은 매우 높아 85%에 육박하여 널리 사용되었습니다. 80세기의 XNUMX년대에 장거리 전류를 전송하는 시스템이 개발되고 전력 생산을 발전소인 "전기 공장"에 집중할 수 있게 된 후 터빈 건설의 역사에서 새로운 시대가 시작되었습니다. 발전기와 함께 터빈은 강과 폭포에 숨겨진 엄청난 힘을 인간이 사용하는 강력한 도구가 되었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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