ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН Текст научной статьи по специальности «Транспорт»

Научная статья на тему 'ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН' по специальности 'Транспорт' Читать статью
Pdf 050593a462b40ee0e4d188c2020d7507a02ddcf6fa334815022e8cd6798305da скачать pdf Quote ad07ebeb265cda944545117e3cbfa229b3f01820d872e4ad4e4e15ea9035b2fd цитировать I author 56bac83f3e6eff18e0766ac560eb625c4270120563464c87fe23c01b35a101e9 я - автор! Review 588c83381d5cf379905a07fe3c97ab24f838e6636a73eaddff6d9f1851244fd1 рецензии ВАК
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 73.34 — Водный транспорт
  • ВАК РФ: 05.22.17; 05.22.19
  • УДK: 656.6
  • Указанные автором: УДК: 627.4

Статистика по статье
  • 0
    соц.сети
  • 0
    просмотры
  • 12
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0.00 (0)
    оценка

Ключевые слова
  • ВОДОПОДЪЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
  • ВОДЯНЫЕ КОЛЕСА
  • ВОДНАЯ ЭНЕРГИЯ
  • ГИДРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ
  • ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТУРБИНЫ
  • DEVICES
  • WATER-WHEELS
  • WATER POWER
  • HYDRO-POWER PLANTS
  • HYDRAULIC TURBINES

Аннотация
научной статьи
по транспорту, автор научной работы — Гапеев А. М., Кононов В. В.

Рассматривается история использования водной энергии в гидросиловых установках (водяных двигателях) с древних времен до изобретения гидравлических турбин в начале XIX в.The article considers the history of water power using in hydro-power plants (water-engines) from the ancient times till the invention of hydraulic turbines at the beginning of the XIX century.

Новости науки

Научная статья по специальности "Водный транспорт" из научного журнала "Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова", Гапеев А. М., Кононов В. В.

 
Читайте также
Рецензии [0]

Текст
научной работы
на тему "ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН". Научная статья по специальности "Водный транспорт"

— отложение наносов на нижележащих перекатах в результате потери транспортирующей способности потока.
Анализ перекатов Лодейное Поле и Свирские Мели показывает, что за последние 17 лет на перекатах произошли значительные изменения.
На перекате Лодейное Поле емкость русла увеличилась на 25 %, произошел повсеместный размыв берегов, а максимальный размыв ведущего берега составил 20-25 м, при высоте бровки 4-6 м.
На перекате Свирские Мели емкость русла увеличилась на 29 %, размыв берегов также произошел почти повсеместно и составил 25-30 м.
Увеличение емкости русла объясняется повышенной взвешивающей и транспортирующей способностью осветленной воды из водохранилища. Значительную часть в увеличении емкости русла составляет и проведение регулярного ежегодного дноуглубления на перекатах и повышение гарантированных габаритов пути. На долю этих факторов приходится порядка 10 % увеличения емкости русла.
Емкость русла на перекатах увеличивается в среднем на 1,5-1,7 % в год, из них 0,6 % приходится на дноуглубление. Размыв берегов составляет 0,5-1,0 м/год, доходя местами до 2 м/год.
Учитывая характер грунтов, слагающих
перекаты и берега, а это суглинки и супеси с включением валунов, необходимо сказать, что скорость деформаций русла выше ожидаемой. Значительное увеличение емкости русла и интенсивные русловые переформирования происходили в нижнем бьефе гидроузла только в первые годы после его возведения, а в дальнейшем этот процесс стабилизировался и русло с зарегулированным стоком отличалось большей устойчивостью, чем в бытовых условиях. Нижнесвирская ГЭС сдана в эксплуатацию в 1933 г. и за 74 года русло стабилизировалось.
Если не считать водохозяйственного воздействия человека, то собственные переформирования переката незначительны, перекаты устойчивы и на протяжении многих лет существуют на одних и тех же местах. Донные гряды на перекатах невысокие, перемещаются они со скоростью около 1 м/сут. На перекатах нет каких-либо резких отклонений в направлении и скорости течения.
Наряду с повышенной взвешивающей и транспортирующей способностью, поступающей из водохранилища воды и проводимыми землечерпательными работами должны существовать и другие факторы, обусловливающие значительную деформацию русла.
К этим факторам, вероятно, относятся повышенные скорости потока при волнах попуска ГЭС и судовых волнах.
УДК 627.4 А. М. Гапеев,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
В. В. Кононов],
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ДО ИЗОБРЕТЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТУРБИН USING OF WATER POWER BEFORE THE INVENTION OF HYDRAULIC TURBINES
Рассматривается история использования водной энергии в гидросиловых установках (водяных двигателях) с древних времен до изобретения гидравлических турбин в начале XIX в.
The article considers the history of water power using in hydro-power plants (water-engines) from the ancient times till the invention of hydraulic turbines at the beginning of the XIX century.
Ключевые слова: водоподъемные устройства, водяные колеса, водная энергия, гидросиловые установки, гидравлические турбины.
Key words: devices, water-wheels, water power, hydro-power plants, hydraulic turbines.
Водоподъемные устройства
С момента перехода к оседлому образу жизни человек стремился использовать энергию текущего, падающего водного потока и напора. В древних цивилизациях: египетской, шумерской, китайской, бенгальской (4-3 тыс. лет до н. э.), для подъема воды и подачи ее на поля использовались водоподъемные колеса1 (рис. 1). Они устраивались с черпаками или лопатками по ободу. У колеса с черпаками (рис. 1, а) вода поднималась до верхней точки колеса, изливалась из черпаков в приемный резервуар и поступала затем в оросительный канал. У колеса с лопатками (рис. 1, б) вода поднималась по желобу вверх на необходимую высоту и далее изливалась в канал. Водоподъемные колеса приводились во вращение рабами, верблюдами или волами. Рабы, находясь на колесе, шагали по специальным ступенькам и создавали вращательный момент.
Нории — водоподъемные устройства в виде бесконечной вертикальной цепи с черпаками или дисками (рис. 2). Принцип подъема и излива воды был тот же, что и у водоподъемных колес. Разница состояла лишь в том, что на цепь вместо черпаков надеты диски, часть которых при вращении цепи проходит через трубу, поднимая воду к отводящему лотку.
Для подъема воды на небольшую высоту использовались архимедов винт, вороты, четочные подъемники, противовесные системы в виде «журавля». Архимедов винт (рис. 3, а) состоит из цилиндра, соединенного с осью посредством винтовой поверхности. При вращении оси вода поднимается вверх, так как она стремится сохранить самое низкое место между поверхностью винта и поверхностью цилиндра. Четочный водоподъемник (рис. 3, б) состоит из трубы, поставленной в колодец с широким раструбом в
1 Водоподъемные колеса используются и в настоящее время для подъема питьевой воды из колодцев в оазисах.
б
Рис. 1. Водоподъемное колесо: а — с черпаками; б — с лопостями:
1 — колесо; 2 — черпак; 3 — лопасти;
4 — водоотводящий лоток
нижней части. Через ворот в трубу запускался запасованный на ворот канат с большим количеством грузиков размером, равным внутреннему диаметру трубы. При вращении ворота грузики-поршни входили в трубу и поднимали воду. С верхнего обреза трубы вода изливалась в емкости для дальнейшего использования. Противовесная система типа колодезного «журавля» (в некоторых странах имевшая название «шадуф») является одним из древнейших и простейших водоподъемных устройств. При необходимости поднять воду на большую высоту использовалась система шадуфов, в которой вода подавалась наверх в несколько приемов — со ступени на ступень.
Водяные колеса
Достоверно неизвестно, когда и где было изобретено водяное колесо — первый в
Выпуск 2
Выпуск 2
Рис. 2. Нории: а — с черпаками; б — с дисками:
1 — ведомый вал; 2 — цепь с черпаками (дисками); 3 — ведущий вал; 4 — лоток для отвода воды; 5 — труба
Рис. 3. Водоподъемные устройства:
182] а — архимедов винт; б — четочный подъемник: 1 — винтовая лестница; 2 — цилиндр;
3 — рукоятка вращения; 4 — отводящий лоток; 5 — регулирующее устройство;
6 — труба; 7 — колодец;
8 — канат с грузиками-поршнями; 9 — ворот
мире двигатель, преобразовавший энергию водного потока в механическую энергию. В I в. до н. э. римский архитектор, инженер и историк Витрувий в своем трактате «Десять книг об архитектуре» приводит описание нижнебойного (другое название — подливного) водяного колеса, которое приводилось во вращение действием водного потока на его нижние лопасти (рис. 4). Эти колеса устраивались на реках, имеющих большую скорость течения, и при подаче воды под напором. Использовалось несколько типов нижнебойных водяных колес. В одном из них, обыкновенном, вода подавалась под водяное колесо и действовала на его лопатки ударом (рис. 4, а), при этом происходила потеря воды между дном и краями лопаток, отчего происходила потеря части энергии.
Затем энергия затрачивалась на удар воды о лопатки. Вследствие указанных потерь коэффициент полезного действия (КПД) этого колеса был не более 30 %. Распространенным типом нижнебойных водяных колес было «висячее» колесо, которое устанавливалось на свободном течении реки и погружалось в воду своими нижними лопатками. Наиболее совершенным было нижнебойное водяное колесо конструкции Понселе1 (рис. 4, б). Оно изготавливалось с криволинейными лопатками такой формы, при которой вода входила почти без удара и выходила почти без начальной скорости. Вода подавалась на колесо под напором 1,5-2,0 м, двигалась по направлению криволинейных лопаток вверх и оказывала на них гидродинамическое давление. Дойдя до верхней части лопаток, вода начинала падать вниз, скользя по лопаткам и действуя на них своей
1 Понселе Жан Виктор (1788-1867) — член-корреспондент Петербургской академии наук, автор трудов по механике и гидравлике.
силой тяжести. В точке выхода воды с колеса она почти не имела скорости, так как, двигаясь по лопатке, имела скорость, обратную вращению колеса. Можно подобрать лопатки такой длины, при которой эти противоположные скорости будут равны. КПД колеса Понселе составлял 60-70 %.
Кроме нижнебойных колес, широко использовались также среднебойные и верхне-бойные водяные колеса.
Среднебойные водяные колеса были устроены так, что вода подавалась на них в середину колеса или несколько ниже (рис. 5, а). Эти колеса использовались при больших расходах воды и небольших напорах. Под колесом располагался кожух, препятствующий протечкам воды. Впуск воды на колеса устраивался перегородчатый, так что она подавалась на несколько лопаток. В колесе использовалась частично кинетическая, частично потенциальная энергия. КПД колеса составлял 50-60 %.
Верхнебойные водяные колеса (другое название — наливные) приводились в движе-
Рис. 4. Нижнебойное (подливное) колесо: а — обыкновенное; б — типа Понселе:
1 — впускная стенка; 2 — колесо;
3 — лопатки
ние потоком воды, падающим на верхние лопасти (рис. 5, б). Вода подводилась к колесу в лотке, расположенном на некоторой высоте h над верхними лопастями. В момент касания лопастей вода имела скорость 1) =ф ^/^Л, где ф — коэффициент скорости, зависящий от формы лотка. Лопасти верхнебойного колеса устраивались в виде ящиков без верха: деревянные лопасти имели форму ломаной линии, металлические — криволинейную с отверстием в нижней части для выхода воздуха при заполнении лопасти водой. Верхнебойные колеса использовались при небольшом расходе воды, но при значительном напоре (/ — до 10 м). КПД верхнебойного колеса составлял 75 %. Для получения большего крутящего момента диаметры водяных колес имели большие размеры — до 15-17 м.
Гидросиловые установки
Механическая энергия, создаваемая водяным колесом, была использована при уст-
Рис. 5. Водяное колесо: а — среднебойное; б — верхнебойное:
1 — перегородка; 2 — колесо; 3 — лопатки; 4 — кожух; 5 — ящики колеса;
6 — подводящий лоток
Выпуск 2
Выпуск 2
ройстве гидросиловых установок — машин и механизмов для работы в самых разных отраслях хозяйства. В сельском хозяйстве строились мельницы для помола зерна, крупы, изготовления масла (маслобойни), валяния сукна. В промышленности гидросиловые установки строились для распиловки леса («пильные мельницы»); производства бумаги («бумажные мельницы»); для кузнечных работ («молотовые кузницы»); для изготовления кож, пряжи, тканей; для откачки воды из шахт; для подъема руды и ее измельчения; для обработки металла и др.
Великий итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи в своих книгах эскизов привел несколько рисунков водяных колес и механизмов с их применением: гидравлическую пилу, в которой водяное колесо приводило в движение вертикальную пилу и тележку со стволом дерева; архимедов винт, приводимый в движение водяным колесом; водяное колесо с чашами, которые зачерпывали воду из нижней емкости и выливали ее в верхнюю.
При строительстве гидросиловых установок на реке возводился комплекс гидротехнических сооружений: плотина; мост; водоводы в
виде лотков к водяным колесам (в России они назывались «лари»); водяные колеса; гидросиловые установки; водоспуски; каналы для сброса отработавшей воды.
Гидросиловые установки получили широкое распространение в странах Европы: Франции, Германии, Швеции, Италии, Испании, Греции и др. Одним из выдающихся примеров гидросиловых установок была построенная на р. Сене в 1682 г. установка для подачи воды к дворцам и фонтанам пригородов Пари-жа-Версаля, Трианона, Марли. На участке от города Безона до Порт-Марли р. Сена разделена на два рукава. На одном из них была построена плотина, поддерживавшая напор 1,65 м. Из водохранилища перед плотиной вода подавалась на 14 нижнебойных колес диаметром по 12 м каждое. От них приводились в действие: в общей сложности 221 насос; приводы при помощи кривошипов малых тяг шатунов общим протяжением 1430 м; подъем воды через два промежуточных водохранилища на общую высоту 162,15 м. Здесь вода поступала в акведук, подававший воду к дворцам и фонтанам Версаля, Марли, Трианона. Установка давала в сутки около 5 тыс. м3 воды и развивала мощность 92 кВт.
Рис. 6. Гидротехнические сооружения Поротовского завода в XVII в.:
1 — плотина; 2 — водоспуск; 3 — быки; 4 — мост; 5 — лари; 6 — вертельная; 7 — домны; 8 — мост на домну; 9 — изба — «делают в ней ядерные фурмы»; 10 — мучная мельница; 11 — молотовая кузница; 12 — каналы для сброса отработавшей воды
В России в ранних памятниках русской письменности IX в. встречаются названия «мельница», «мельник». Упоминания о построенных водяных мельницах имеются в документах ХІІІ-ХУ вв. Например, великий князь Дмитрий Донской в 1389 г. по духовному завещанию отказал (подарил) своей жене село Семницкое с мельницей на р. Яузе. В духовной грамоте князя Владимира Андреевича от 1410 г. упоминаются села «...Поповское на Коломенке с мельницею, Колычево на Не-глимне мельница; Курьясов с Луги до на устьи Мьстицы мельница, Косино с тремя озера до мельница на усть Яузы».
Промышленные гидросиловые установки начали строить в России позже, чем в Европе. В 1630-е гг. в центральном промышленном районе были построены четыре металлургических завода на р. Тулице. Затем были построены: завод для производства пушечных ядер на р. Ваге; четыре Каширских завода на р. Скниге; Поротовский завод на р. Протве (рис. 6); Угодский завод на р. Угод-ке и др. В начале XVIII в. были построены гидросиловые установки: для Ижорского завода на р. Ижоре; для Сестрорецкого завода на р. Сестре; на Урале — для Нижнетагильского, Екатеринбургского, Златоустовского, Воткинского, Кизеловского, Бисерского и других заводов. Наряду с практическими работами по строительству гидросиловых установок инженеры и ученые вели теоретические разработки в области использования водной энергии, гидравлики и гидромеханики. Академики Петербургской академии наук Д. Бернулли (1700-1783), Л. Эйлер (1707-1783) заложили основы гидравлики и гидромеханики. М. В. Ломоносов (1711-1765) в работе «Первые основания металлургии» (1742) сделал раздел о гидросиловых установках на рудниках. В нем содержится детальное описание и чертежи: рудоподъемной машины, приводимой в дей-ствие водяным колесом; установки с ручными насосами; насосных поршневых и четковых установок, приводимых в действие водяными колесами; водоподъемной машины с приводом ее от водяного колеса, расположенного на значительном расстоянии. Свои теоретические работы М. В. Ломоносов реализовал на практике, построив в 1754 г. на
р. Рудице фабрику по производству цветного стекла. На ней работала гидросиловая установка с тремя водяными колесами: «. первое для двух рам пильных, чтобы пилить доски к фабричному строению и впредь для пристроек, починок и ящиков под материалы; второе колесо для машин, которыми толочь, молоть и мешать материалы, в стекло потребные, и шлифовать мозаику, для которых кругов в мельнице два покои особые; третьим колесом ходят жернова для молотья хлеба, на котором содержат фабричных людей».
Гидросиловые установки широко применялись при строительстве горнорудных заводов и рудников на Урале и Алтае. На одном из алтайских рудников — Змеиногорском — в начале 1650-х гг. XVII в. И. И. Ползуновым (изобретателем паровой машины) впервые в России была построена гидросиловая установка с деривационным (обходным) каналом для подвода воды к водяному колесу. На этом же руднике выдающимся русским гидротех-ником-самородком Кузьмой Дмитриевичем Фроловым (1726-1800) был построен в 1787 г. комплекс гидротехнических, горнозаводских сооружений, не имевший аналогов в мире. На р. Змеевке были построены: плотина, поддерживавшая напор 6,5 м; водозабор из водохранилища перед плотиной; деривационный канал длиной 535 м для подачи воды на первое верхнебойное водяное колесо пильной мельницы; отработавшая вода снова поступала в канал длиной 107 м, подводивший воду ко второму водяному колесу рудоподъемной машины на Екатерининский шахте; отработавшая вода поступала в канал длиной 62 м, подводивший воду к третьему водяному колесу диаметром 17 м Екатерининской водоподъемной машины с глубиной шахты 102,4 м; отработавшая вода поступала в канал длиной 320 м для подачи воды к четвертому водяному колесу диаметром 16 м Вознесенской водоподъемной машины с глубиной шахты 60 м и одновременно Вознесенской рудоподъемной машины; отработавшая вода стекала по водоотводу длиной 1050 м в р. Змеевку; в этот же водоотвод сливалась вода, откачиваемая насосами из шахт. Общая длина пути движения воды от водозабора до водосброса составляла 2200 м. Комплекс сооружений, построенный
Выпуск 2
Выпуск 2
К. Д. Фроловым исключительно из местных материалов: дерева, глины, камня, железа, проработал без существенных изменений около ста лет. Плотина Змеиногорского рудника высотой 18 м, длиной по гребню 128 м, шириной 12 м сохранилась до настоящего времени.
Предшественники современных гидротурбин
Гидравлические турбины являются более совершенными двигателями, чем водяные колеса: во-первых, потому что они легко могут быть применены при малых расходах и больших напорах, и, во-вторых, они дают больший КПД.
Первые гидротурбины были по существу усовершенствованными водяными колесами с добавлением следующих элементов:
— направляющего аппарата;
— создание осевого или радиального направления движения воды в турбине;
— использование реактивной и активной части энергии воды.
аппарата шотландского типа: 1 — труба; 2 — затвор; 3 — камера; 4 — подпятник; 5 — подшипник; 6 — колесо;
7 — отверстия для излива воды;
8 — вал; 9 — зубчатая передача
В качестве примеров рассмотрим несколько типов первых гидравлических турбин.
Турбина без направляющего аппарата шотландского типа (рис. 7). Вода при открытии затвора по трубе поступает в коробку (камеру). На коробку одевается колесо с подшипником, способное вращаться с легким трением. Колесо укрепляется на валу, который опирается на подпятник и проходит через
-------------
7 ^+і
Л-Л
Рис. 8. Схема турбины с направляющим аппаратом конструкции Фурнейрона:
1 — напорная труба; 2 — подводящий цилиндр; 3 — направляющий аппарат; 4 — днище колеса;
5 — средняя труба; 6 — колесо турбины;
7 — кольцевой цилиндр; 8 — верхнее очертание направляющего аппарата; 9 — тяги кольца;
10 — вал; 11 — зубчатая передача;
12 — лопатки турбины
подшипник. Вал передает вращение с помощью конических зубчатых колес на горизонтальный вал. Вода, изливаясь из отверстий, производит работу своей реакцией. КПД этой турбины не более 40 %.
Турбина радиальная с направляющим аппаратом конструкции Фурнейрона (рис. 8) состоит из подводящего цилиндра, в который вода поступает из напорной трубы. Далее вода поступает в направляющий аппарат, который, состоит из ряда искривленных лопаток (одни из них более длинные, другие — короткие). Все лопатки открыты сверху, а снизу укреплены на днище колеса. Днище соединяется посредством средней трубы с верхней крышкой турбины. В кольцеобразном зазоре между направляющим аппаратом и колесом турбины можно для регулирования расхода воды поднимать и опускать посредством тяг жестяной цилиндр (кольцевой щит). Внутри этого цилиндра укреплены куски дерева, входящие между каждыми двумя направляющими лопатками и дающие надежное направление кольцевому щиту. Они являются верхним очертанием направляющего аппарата, из которого вода выходит через отверстия в колесо турбины в горизонтальном направлении. Колесо турбины имеет лопатки, изогнутые в противоположную сторону изгиба лопаток направляющего аппарата.
Колесо турбины связывается посредством дна в одно целое с осью турбины. Эта ось опирается на подпятник и проходит сквозь среднюю трубу так, что вода не может из турбины вливаться в эту трубу и, следовательно, ось остается сухой. От оси движение передается посредством зубчатых колес на рабочий вал. Вода, изливаясь струями из направляющего аппарата, давит на вогнутые части лопаток турбины, вследствие чего колесо вращается в сторону, указанную стрелкой. Лопатки рассчитываются так, чтобы вода входила в колесо по направлению лопаток (в относительном движении), и скорость колеса берется такая, чтобы вода выходила из него почти без абсолютной скорости. Турбина работает хорошо и имеет высокий КПД только при том расходе, на который она рассчитана.
Турбина осевая с направляющим аппаратом конструкции Жонваля
Особенность устройства этой турбины — наличие всасывающей трубы, что позволяет расположить турбину над уровнем воды (рис. 9). Турбина имеет верхний резервуар, в который поступает вода из реки. К этому резервуару приделывается всасывающая труба, в верхней части которой укреплен всасывающий аппарат. Сквозь середину направляющего аппарата проходит вал колеса турбины, причем отверстия в колесе турбины располагаются напротив отверстий направляющего аппарата. Ось ставится на подпятник, который помещается или внизу трубы, или в самой трубе на особых опорах. Вверху ось сцепляется посредством конических зубчатых колес с горизонтальным валом. Расход воды, притекающий к колесу, регулируется щитом между трубой и отводным каналом. Вода, двигаясь по направлению оси между лопатками направляющего аппарата, ударяет
Рис. 9. Схема турбины с направляющим аппаратом конструкции Жонваля:
1 — верхний резервуар; 2 — всасывающая труба;
3 — подъемный щит; 4 — отводной канал;
5 — колесо турбины; 6 — всасывающий аппарат; 7 — вал; 8 — деревянный поплавок;
9 — зубчатая передача
Выпуск 2
Выпуск 2
в противоположные изогнутые лопатки колеса турбины и заставляет его вращаться справа налево. Для обеспечения спокойной поверхности воды в подводящем ларе над колесом опускается деревянный поплавок. Турбина Жонваля дает высокий КПД.
Турбина осевая с направляющим аппаратом без всасывающей трубы конструкции Фонтена применяется при небольшом напоре, но при большом расходе воды (рис. 10). Она состоит из направляющего аппарата, который размещается в нижней части турбины. Из него вода входит в колесо турбины. Лопатки направляющего аппарата и колеса турбины такие же, как и в турбине Жонваля. Колесо связано в одно целое с трубчатой осью, которая надевается на неподвижный костыль. Трубчатая ось оканчи-
Рис. 10. Схема турбины с направляющим аппаратом конструкции Фонтена:
1 — направляющий аппарат;
2 — колесо турбины; 3 — неподвижный костыль;
4 — трубчатая ось; 5 — конусы турбины;
6 — рукоятка конуса; 7 — подпятник; 8 — пята; 9 — зубчатая передача
вается в верхней части вертикальным кольцом, на котором укреплена пята. Она опирается на подпятник, устроенный на костыле, что удобно для подачи смазки сверху. Кольцеобразные кожаные ленты укрепляются одним своим концом на направляющем аппарате, а другим наматываются на конусы. Если двигать конусы по направлению, указанному стрелкой, то кожаные ленты развертываются и закрывают несколько отверстий в направляющем аппарате, чем и достигается регулирование расхода. Конус приводится в движение рукояткой.
Турбина Цуппингера относится к парциально-радиальным, в которых вода впускается не по всей окружности колеса, а только по некоторой ее части (рис. 11). Вода подается по напорной трубе и поступает в направляющий аппарат, который обычно имеет только три канала, ограниченные кривыми лопатками. Из направляющего аппара-
Рис. 11. Схема турбины Цуппингера:
1 — напорная труба;
2 — направляющий аппарат; 3 — подпятник; 4 — колесо турбины; 5 — вал;
6 — зубчатая передача;
7 — лопатки турбины
та вода поступает внутрь колеса турбины и, двигаясь между его лопатками, заставляет колесо вращаться в направлении, указанном стрелкой. При этом вода движется только в нескольких каналах колеса турбины. Части колеса, отходящие от направляющего аппарата, движутся без воды. Вода в этой турбине проливается внутри колеса; имеются варианты таких колес, в которых отработавшая вода отбрасывается назад к внешней части его окружности вследствие действия центробежной силы. Вертикальная ось колеса опирается на подпятник и имеет на верхнем конце коническое зубчатое колесо, передающее движение горизонтальному рабочему валу. Для регулирования расхода воды перед направляющим аппаратом устанавливается подвижный затвор.
Турбина Жерара относится к типу активных, так как вода движется в колесе в условиях действия атмосферного давления (рис. 12). Вода подается по напорной трубе в направляющий аппарат и поступает в нижнюю часть турбины с горизонтальной осью вращения. Особенность турбины состоит в устройстве лопаток колеса. Лопатки омываются водой, и к ним сбоку по направлению, параллельному колесу турбины, входит атмосферный воздух. Такое устройство обеспечивает хорошую работу турбины при разных расходах воды. Ось колеса турбины устанавливается на двух подшипниках, из которых один помещен перед колесом, а другой ставится на направляющем аппарате. Расход воды регулируется при помощи специальных клапанов, расположенных в верхней части колеса турбин.
В приведенных типах гидротурбин ставилась задача увеличения момента вращения на валу турбины и, следовательно, увеличе-
Рис. 12. Турбина Жерара: а — схема турбины; б — план лопаток:
1 — напорная труба; 2 — направляющий аппарат; 3 — колесо турбины; 4 — вал; 5 — лопатки
ния момента вращения на рабочем валу. После изобретения генератора электрической энергии гидротурбина явилась основой создания гидроэлектростанций (ГЭС). Генератор монтируется на валу турбины. Первая в России ГЭС была построена в 1892 г. на Зыряновском руднике на Алтае (р. Березовка). На ГЭС были установлены четыре гидротурбины общей мощностью 150 кВт.
Список литературы
1. Жуковский Н. Е. Полное собрание сочинений. Лекции. — М.; Л.: Гос. изд-во оборонной пром-сти, 1939. — Вып. 4. — 460 с.
2. Данилевский В. В. История гидросиловых установок России до XIX века. — М.; Л.: Гос-энергоиздат, 1940. — 208 с.
3. Использование водной энергии / под ред. Д. С. Щавелева. — Л.: Энергия, 1976. — 655 с.
Выпуск 2
4. Гидроэлектрические станции / под ред. В. Я. Карелина. — М.: Энергоатомиздат, 1987. —
464 с.
5. Гапеев А. М., Кононов В. В. История гидротехники и гидротехнического факультета СПГУВК: учеб. пособие. — СПб.: СПГУВК, 2006. — 213 с.
6. Боярский В. М. Строительное дело и гидротехника. История развития: учеб. пособие. — СПб.: СПГПУ, 2007. — 250 с.
УДК 627.7 В. М. Кириллов,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК; П. Л. Романов,
СПГУВК
СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЕВРОПЕЙСКИХ МЕТОДИК РАСЧЕТА БОЛЬВЕРКОВ
COMPARISON OF HOME AND EUROPEAN DESIGN PROCEDURES OF BULWARKS
Сопоставляются результаты расчетов напряженно-деформированного состояния лицевой стенки больверка по российским и европейским нормам. Показано заметное различие в расчетах.
The authors compare the results of deflected mode calculation for a bulwark wall in accordance with Russian and European standards. They show the evident difference in calculations.
Ключевые слова: больверк, грунты, сопротивления, надежность, изгибающий момент.
Key words: bulwark, soils, resistance, reliability, bending moment.
Введение
В странах ЕС окончательная редакция текста ЕК7 [1] принята в 2003 г., причем еврокоды приобретают статус национальных стандартов. Представляется целесообразным унифицировать отечественные документы с общеевропейскими аналогично тому, как это сделано применительно к расчету оснований и фундаментов мелкого заложения [2].
* Одной из актуальных задач портовой
| гидротехники является проектирование боль-
00 верков с заданной свободной высотой Н под
действием проектной эксплуатационной нагрузки. Как СНиП 2.06.07-87 [3], так и ЕК7 формулируют эту задачу одинаково: не допустить потери основанием несущей способности, а сооружением — устойчивости, и, кроме этого, горизонтальные перемещения лицевой
стенки не должны превышать заданной предельной величины.
1. Показатели грунтов
В отечественных расчетах оснований показатели грунтов определяются согласно СНиП 2.02.02-85 [4].
В ЕК7 [1] проектное значение ХЛ свойства грунта вычисляется через характеристическое значение X определяемое по результатам испытаний с доверительной вероятностью 0,95. Связь между Хй иХк имеет вид
(1.1)
где у. — частные коэффициенты надежности: ур — по нагрузкам; уд — по сопротивлению; ум — по грунту. Следовательно, требования к доверительной вероятности характеристи-

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх