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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Hidroturbina. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Turbina: un motor rotativo con un proceso de trabajo continuo y movimiento de rotación del cuerpo de trabajo (rotor), que convierte la energía cinética y / o la energía interna del fluido de trabajo (vapor, gas, agua) en trabajo mecánico. El chorro del fluido de trabajo actúa sobre las palas fijadas alrededor de la circunferencia del rotor y las pone en movimiento. Se utiliza como accionamiento para un generador eléctrico en centrales térmicas, nucleares e hidroeléctricas, como parte integral de accionamientos para transporte marítimo, terrestre y aéreo, así como transmisión hidrodinámica, bombas hidráulicas.
En la historia de la humanidad, los motores de agua siempre han jugado un papel especial. Durante muchos siglos, varias máquinas de agua han sido la principal fuente de energía en la producción. Luego, el desarrollo de motores térmicos (y luego eléctricos) redujo en gran medida el alcance de su aplicación. Sin embargo, siempre que se dispusiera de recursos hídricos baratos (una corriente rápida, una cascada o un río rápido), un motor de agua podría ser preferible a todos los demás, ya que su diseño era muy simple, no requería combustible y tenía un rendimiento relativamente alto. alta eficiencia. Después de que se inventara la turbina de agua de muy alta eficiencia en la primera mitad del siglo XIX, la energía hidroeléctrica experimentó una especie de renacimiento. Con el comienzo de la electrificación, comenzó la construcción de centrales hidroeléctricas en todo el mundo, en las que los generadores eléctricos recibían su impulso de potentes turbinas hidráulicas de varios diseños. Y hoy, las turbinas hidráulicas representan una gran parte de la producción mundial de electricidad. Por lo tanto, este maravilloso dispositivo es, con razón, uno de los mejores inventos. La turbina hidráulica se desarrolló a partir de la rueda hidráulica, y antes de hablar sobre su dispositivo, se deben decir algunas palabras sobre las ruedas hidráulicas. Como ya se ha señalado, las primeras ruedas hidráulicas comenzaron a utilizarse en la antigüedad. Por diseño, se dividieron en orificio inferior (o salsa) y orificio superior (o a granel). Las ruedas inferiores eran el tipo más simple de motor de agua. No requerían la construcción de canales o presas por sí mismos, pero al mismo tiempo tenían la eficiencia más baja, ya que su trabajo se basaba en un principio bastante desventajoso. Este principio era que el agua que fluía debajo de las ruedas golpeaba las aspas, haciéndolas girar. Por lo tanto, solo se utilizó la fuerza de la presión del agua en las ruedas de vertido. Desde el punto de vista energético, eran más racionales las ruedas de llenado, en las que además se aprovechaba el peso del agua que caía.
El dispositivo de la rueda de llenado también era muy simple. Una fila de baldes estaba unida al borde de una gran rueda o tambor. El agua de la parte superior de la canaleta se vertió en el cucharón superior. El cubo lleno de agua se hizo más pesado, se cayó y arrastró todo el borde con él. La rueda comenzó a girar. El siguiente cubo ocupó el lugar de la rueda de descenso. Él también se llenó de agua que fluía continuamente y comenzó a hundirse. En su lugar vino el tercero, luego el cuarto, y así sucesivamente. Cuando los baldes llegaron al fondo del borde, el agua se derramó de ellos. Ceteris paribus, la potencia de las ruedas perforantes superiores era superior a la de las perforantes inferiores, pero estas ruedas tenían grandes dimensiones y baja velocidad de rotación. Además, para su funcionamiento eficiente, fue necesario crear una caída de agua importante, es decir, construir canales, presas y otras estructuras costosas.
Cualquier rueda de agua estaba montada sobre un eje que giraba junto con la rueda, y desde allí se transmitía la rotación a la máquina que querían poner en marcha. En la antigüedad y la Edad Media, tales motores fueron ampliamente utilizados en diversas industrias, donde pusieron en movimiento martillos, sopladores de fuelle, bombas, telares y otros mecanismos. Puede parecer que durante la historia centenaria de la existencia de las ruedas hidráulicas, los mecánicos han aprendido todo sobre ellas. ¿Y qué podría haber de nuevo en esta vieja construcción? Sin embargo, resultó que era posible. En 1750, el húngaro Segner, que trabajaba en la Universidad de Göttingen, presentó una idea completamente nueva para un motor de agua que, junto con la presión y el peso, también utilizaba la fuerza de reacción creada por el flujo de agua.
El agua entraba desde arriba en un recipiente conectado a un eje, en el fondo del cual había tubos en forma de cruz con los extremos doblados hacia un lado. El agua fluyó a través de ellos y la fuerza de reacción resultante actuó en los cuatro tubos en la misma dirección, poniendo en rotación toda la rueda. Este fue un descubrimiento extremadamente ingenioso que, sin embargo, no recibió ninguna aplicación práctica de esta forma, pero despertó el interés más vivo de algunos matemáticos e ingenieros. El gran matemático alemán Euler fue uno de los primeros en responder a esta novedad, dedicando varios de sus trabajos al estudio de la rueda de Segner. En primer lugar, Euler señaló las deficiencias del diseño de Segner, al tiempo que señaló que la baja eficiencia de la rueda era el resultado de pérdidas irracionales de energía. Además, escribió que estas pérdidas podrían reducirse significativamente si la idea de un nuevo motor se implementara más completamente. Se produjeron pérdidas significativas, en primer lugar, cuando el agua entró en la rueda debido a un cambio brusco en la dirección y la velocidad del flujo de agua (aquí se gastó energía en el impacto). Pero podrían reducirse si se llevara agua a la rueda en la dirección de rotación a la velocidad de esta rotación. También hubo pérdidas en la salida, ya que parte de la energía se la llevó la velocidad de salida del agua. Idealmente, el agua debería dar a la rueda su máxima velocidad. Para ello, Euler propuso sustituir los tubos de salida horizontales por tubos curvilíneos que iban de arriba a abajo. Entonces ya no había necesidad de hacer agujeros para la salida de agua desde el lateral, ya que era posible simplemente dejar abierto el extremo inferior del tubo cerrado. Euler predijo que en el futuro las máquinas hidráulicas de este nuevo tipo (de hecho, era una turbina hidráulica, pero este nombre aún no se usaba) tendrían dos partes: una paleta guía fija, a través de la cual fluiría el agua hacia la parte inferior rueda giratoria, que es el cuerpo de trabajo de la máquina. A pesar de las observaciones realizadas, Euler valoró mucho el invento de Segner y señaló proféticamente que abría un nuevo camino para el desarrollo de los motores hidráulicos, que estaba destinado a un gran futuro. Sin embargo, tanto la rueda de Segner como la obra de Euler se adelantaron un poco a su tiempo. Durante los siguientes setenta años, nadie trató de mejorar la rueda de Segner de acuerdo con las observaciones de Euler. El interés en ellos en el primer cuarto del siglo XIX fue revivido por el trabajo del matemático francés Poncelet, quien propuso un tipo especial de ruedas vertedoras de nuevo diseño. La eficiencia de la rueda de Poncelet alcanzaba el 70%, lo que era completamente inalcanzable para otro tipo de motores de agua.
El secreto del éxito fue que a las palas de la rueda se les dio una forma semicircular especial, de modo que el agua suministrada entrara en ellas en la dirección de su curvatura, pasara una cierta distancia por la pala y luego, descendiendo, saliera. En tales condiciones, se eliminó por completo el impacto del agua sobre las palas en la entrada, en las que habitualmente se perdía una parte importante de la energía del chorro de agua. El invento de Poncelet supuso un paso importante hacia la turbina hidráulica. Para que este camino se completara hasta el final, faltaba el segundo elemento de la turbina, descrito por Euler: la paleta guía. Por primera vez, el profesor Burden aplicó una paleta guía a una rueda hidráulica en 1827. Fue el primero en llamar a su automóvil turbina (del latín turbo - rotación rápida), después de lo cual esta definición entró en uso. En 1832, el ingeniero francés Fourneuron creó la primera turbina hidráulica práctica.
Su turbina constaba de dos ruedas concéntricas situadas una frente a la otra: una interna K estacionaria, que era un álabe guía, y una externa con álabes curvos a, que era la rueda de la turbina de trabajo. El agua ingresaba a la turbina desde arriba a través de una tubería que envolvía el eje de la turbina y caía sobre las paletas guía. Estas palas obligaron al agua a moverse a lo largo de una línea curva, por lo que fluyó en dirección horizontal hacia las palas de la rueda de la turbina, sin impacto, en toda su circunferencia interior, dando a esta última toda su energía, y luego fluyó uniformemente a lo largo de su circunferencia interior. El agua nueva entrante y residual nunca se mezcló entre sí. La rueda de la turbina estaba firmemente conectada al eje vertical D, a través del cual se transmitía el movimiento. La eficiencia de la turbina Furneuron alcanzó el 80%. El diseño que creó fue de gran importancia para la historia posterior de la construcción de turbinas. La noticia de este increíble invento se extendió rápidamente por toda Europa. Durante varios años, ingenieros especialistas de muchos países llegaron al lugar remoto de la Selva Negra para inspeccionar la turbina Furneuron que allí funcionaba como una gran atracción. Pronto se estaban construyendo turbinas en todo el mundo. La transición a las turbinas fue un cambio revolucionario en la historia de los motores hidráulicos. ¿Cuál era su ventaja sobre la vieja rueda hidráulica? En la breve descripción anterior de la turbina Furneuron, es difícil ver la rueda de Segner. Mientras tanto, se basa en el mismo principio de utilizar el movimiento de chorro de un chorro de agua (por lo que este tipo de turbina se denominó más tarde chorro). Es solo que Furneuron consideró cuidadosamente todos los comentarios de Euler y usó su propia experiencia como ingeniero hidráulico. La turbina Furneuron difería de la rueda hidráulica en varios puntos clave. En una rueda de agua, el agua entraba y salía por el mismo lugar. Debido a esto, tanto la velocidad como la dirección del movimiento del agua en la pala de la rueda eran diferentes en diferentes momentos: la rueda, por así decirlo, gastó una buena cantidad de su poder útil para superar constantemente la resistencia del chorro. En la turbina Furneuron, el agua del aparato guía entraba por un borde de la pala de la rueda, pasaba a lo largo de la pala y fluía hacia abajo desde el otro lado. Como resultado, el agua en la turbina no se detuvo, no cambió la dirección de su flujo a la opuesta y fluyó continuamente desde la entrada hasta los bordes de salida. En cada punto de las palas, su velocidad era la misma en dirección y difería solo en magnitud. Como resultado, la velocidad de rotación de la turbina teóricamente dependía solo de la velocidad del agua y, por lo tanto, la turbina podría girar varias decenas de veces más rápido que una rueda hidráulica convencional. Otra diferencia ventajosa entre la turbina era que el agua pasaba simultáneamente a través de todas las palas de la rueda, y en la rueda hidráulica, solo a través de algunas. Como resultado, la energía del chorro de agua se utilizó mucho más en la turbina que en la rueda hidráulica, y sus dimensiones a la misma potencia eran varias veces menores. En los años siguientes, se desarrollaron varios tipos principales de turbinas hidráulicas. Sin entrar en detalles aquí, notamos que todas las turbinas del siglo XIX se pueden dividir en dos tipos principales: chorro y chorro. La turbina de chorro, como ya se mencionó, era una rueda Segner mejorada. Tenía una rueda de turbina montada en un eje, con palas especialmente curvadas.
Esta rueda contenía dentro de sí misma o estaba rodeada por una paleta guía. Este último era una rueda fija con paletas guía. El agua se precipitó a través del aparato guía y la rueda de la turbina, con las palas del primero dirigiendo el agua hacia las palas del segundo. Cuando se vierte, el agua presiona las cuchillas y hace girar la rueda. Desde el eje, la rotación se transmitía a algún dispositivo (por ejemplo, un generador eléctrico). Las turbinas de chorro resultaron ser muy convenientes donde la presión del agua es baja, pero es posible crear una caída de 10 a 15 m Se generalizaron mucho en el siglo XX. Las turbinas de chorro eran otro tipo común de turbina. Su dispositivo fundamental consistía en que un chorro de agua a fuerte presión golpeaba las palas de la rueda y ésta la hacía girar. La similitud de la turbina de chorro con la rueda inferior es muy grande. Los prototipos de tales turbinas aparecieron en la Edad Media, como se puede deducir de algunas imágenes de la época. En 1884, el ingeniero estadounidense Pelton mejoró significativamente la turbina a reacción al crear un nuevo diseño de impulsor. En esta rueda, las palas lisas de la antigua turbina de chorro fueron reemplazadas por unas especiales inventadas por él, que tenían la forma de dos cucharas conectadas entre sí. Por lo tanto, las cuchillas resultaron no ser planas, sino cóncavas, con una nervadura afilada en el medio. Con tal disposición de las palas, el trabajo del agua se destinaba casi por completo a la rotación de la rueda, y solo una parte muy pequeña se desperdiciaba inútilmente.
El agua a la turbina Pelton llegaba a través de una tubería proveniente de una represa o cascada. Donde había mucha agua, la tubería se hizo gruesa, y donde había menos agua, se hizo más delgada. Al final de la tubería había una punta, o boquilla, de la que escapaba el agua en un chorro fuerte. El chorro golpeó las aspas en forma de cuchara de la rueda, el borde afilado de la aspa la cortó por la mitad, el agua empujó las aspas hacia adelante y la rueda de la turbina comenzó a girar. El agua residual fluyó hacia la tubería de salida. Una rueda con cuchillas y una boquilla se cubrió desde arriba con una carcasa de hierro fundido o hierro. Con una fuerte presión, la rueda Pelton giraba a gran velocidad, alcanzando las 1000 revoluciones por minuto. Era conveniente donde era posible crear una fuerte presión de agua. La eficiencia de la turbina Pelton era muy alta y se acercaba al 85%, razón por la cual fue muy utilizada. Después de que se desarrolló un sistema para transmitir corriente eléctrica a largas distancias en los años 80 del siglo XIX y fue posible concentrar la producción de electricidad en "fábricas de electricidad": centrales eléctricas, comenzó una nueva era en la historia de la construcción de turbinas. En conjunto con un generador eléctrico, la turbina se convirtió en esa poderosa herramienta con la que el hombre puso a su servicio el enorme poder escondido en ríos y cascadas. Autor: Ryzhov K.V.
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