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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Hidroturbina. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Turbina é um motor rotativo com processo de trabalho contínuo e movimento rotacional do corpo de trabalho (rotor), convertendo energia cinética e/ou energia interna do fluido de trabalho (vapor, gás, água) em trabalho mecânico. O jato do fluido de trabalho atua sobre as pás fixadas ao redor da circunferência do rotor e as coloca em movimento. É utilizado como acionamento de geradores elétricos em usinas térmicas, nucleares e hidrelétricas, como parte integrante de acionamentos de transporte marítimo, terrestre e aéreo, bem como transmissão hidrodinâmica, bombas hidráulicas.
Na história da humanidade, os motores aquáticos sempre desempenharam um papel especial. Por muitos séculos, várias máquinas de água têm sido a principal fonte de energia na produção. Então, o desenvolvimento de motores térmicos (e mais tarde elétricos) estreitou bastante o escopo de sua aplicação. No entanto, onde quer que houvesse recursos hídricos baratos (um riacho de fluxo rápido, uma cachoeira ou um rio rápido), um motor hidráulico poderia ser preferível a todos os outros, pois era muito simples em design, não requeria combustível e tinha um consumo relativamente alto. eficiência. Depois que a turbina hidráulica de alta eficiência foi inventada na primeira metade do século XNUMX, a energia hidrelétrica experimentou uma espécie de renascimento. Com o início da eletrificação, iniciou-se a construção de usinas hidrelétricas em todo o mundo, nas quais os geradores elétricos eram acionados por potentes hidroturbinas de diversos desenhos. E hoje, as hidroturbinas respondem por grande parte da produção mundial de eletricidade. Portanto, este maravilhoso dispositivo é justamente uma das maiores invenções. A turbina d'água se desenvolveu a partir da roda d'água, e antes de falar sobre seu dispositivo, algumas palavras devem ser ditas sobre as rodas d'água. Como já observado, as primeiras rodas d'água começaram a ser usadas na antiguidade. Por design, eles foram divididos em furo inferior (ou molho) e furo superior (ou volume). As rodas inferiores eram o tipo mais simples de motor de água. Eles não exigiam a construção de canais ou barragens para si mesmos, mas ao mesmo tempo tinham a menor eficiência, pois seu trabalho era baseado em um princípio bastante desvantajoso. Esse princípio era que a água que fluía sob as rodas atingia as lâminas, fazendo com que elas girassem. Assim, apenas a força da pressão da água foi utilizada nas rodas de vazamento. Do ponto de vista energético, as rodas de enchimento eram mais racionais, em que também se utilizava o peso da queda de água.
O dispositivo da roda de enchimento também era muito simples. Uma fileira de baldes estava presa à borda de uma grande roda ou tambor. A água do topo da calha foi despejada na concha superior. O balde cheio de água ficou mais pesado, caiu e puxou toda a borda junto com ele. A roda começou a girar. O balde seguinte tomou o lugar da roda de descida. Ele também se encheu de água que flui continuamente e começou a afundar. Em seu lugar veio o terceiro, depois o quarto, e assim por diante. Quando os baldes chegaram ao fundo da borda, a água escorria deles. Ceteris paribus, a potência das rodas perfurantes superiores era maior que a das perfurantes inferiores, mas essas rodas tinham grandes dimensões e baixa velocidade de rotação. Além disso, para sua operação eficiente, foi necessário criar uma queda d'água significativa, ou seja, construir canais, barragens e outras estruturas caras.
Qualquer roda d'água era montada em um eixo que girava junto com a roda, e a partir dele a rotação era transmitida ainda mais para a máquina que eles queriam colocar em ação. Na antiguidade e na Idade Média, tais motores eram amplamente utilizados em diversas indústrias, onde acionavam martelos, foles sopradores, bombas, máquinas de tecelagem e outros mecanismos. Pode parecer que durante a história secular da existência das rodas d'água, os mecânicos aprenderam tudo sobre elas. E o que poderia haver de novo nesse design antigo? No entanto, descobriu-se que era possível. Em 1750, o húngaro Segner, que trabalhava na Universidade de Göttingen, apresentou uma ideia completamente nova para um motor a água, que, juntamente com pressão e peso, também usava a força de reação criada pelo fluxo de água.
A água vinha de cima para um vaso conectado a um eixo, no fundo do qual havia tubos em forma de cruz com as extremidades dobradas para um lado. A água fluiu através deles, e a força de reação resultante agiu em todos os quatro tubos na mesma direção, colocando toda a roda em rotação. Esta foi uma descoberta extremamente engenhosa, que, no entanto, não recebeu nenhuma aplicação prática nesta forma, mas despertou o mais vivo interesse de alguns matemáticos e engenheiros. O grande matemático alemão Euler foi um dos primeiros a responder a essa novidade, dedicando vários de seus trabalhos ao estudo da roda de Segner. Em primeiro lugar, Euler apontou as deficiências no projeto de Segner, observando que a baixa eficiência da roda era resultado de perdas irracionais de energia. Ele escreveu ainda que essas perdas poderiam ser significativamente reduzidas se a ideia de um novo motor fosse mais plenamente realizada. Perdas significativas ocorreram, em primeiro lugar, quando a água entrou na roda devido a uma mudança brusca na direção e velocidade do fluxo de água (a energia foi gasta aqui no impacto). Mas eles poderiam ser reduzidos se a água fosse trazida para a roda na direção de rotação na velocidade dessa rotação. Também houve perdas na saída, pois parte da energia foi levada com a velocidade de saída da água. Idealmente, a água deve dar à roda sua velocidade máxima. Para fazer isso, Euler propôs substituir os tubos de saída horizontais por tubos curvilíneos indo de cima para baixo. Então não havia mais necessidade de fazer furos para a saída de água pela lateral, pois era possível simplesmente deixar aberta a extremidade inferior do tubo fechado. Euler previu que no futuro as máquinas hidráulicas desse novo tipo (na verdade, era uma turbina hidráulica, mas esse nome em si ainda não estava em uso) teriam duas partes: uma palheta guia fixa, através da qual a água fluiria para o roda giratória, que é o corpo de trabalho da máquina. Apesar das observações feitas, Euler apreciou muito a invenção de Segner e apontou com presciência que ele abriu um novo caminho para o desenvolvimento de motores hidráulicos, que estava destinado a um grande futuro. No entanto, tanto a roda de Segner quanto o trabalho de Euler estavam um pouco à frente de seu tempo. Nos setenta anos seguintes, ninguém tentou melhorar a roda de Segner de acordo com as observações de Euler. O interesse por eles no primeiro quartel do século 70 foi revivido pelo trabalho do matemático francês Poncelet, que propôs um tipo especial de rodas de derramamento de novo design. A eficiência da roda Poncelet atingiu XNUMX%, o que era completamente inatingível para outros tipos de motores a água.
O segredo do sucesso foi que as lâminas da roda receberam uma forma semicircular especial, para que a água fornecida entrasse nelas na direção de sua curvatura, passasse alguma distância pela lâmina e depois, descendo, saísse. Nessas condições, o impacto da água nas lâminas de entrada, que normalmente perdia parte significativa da energia do jato d'água, foi completamente eliminado. A invenção de Poncelet foi um passo importante para a turbina de água. Para que esse trajeto fosse concluído, faltava o segundo elemento da turbina descrita por Euler, a palheta guia. Pela primeira vez, o professor Burden aplicou uma palheta guia a uma roda d'água em 1827. Ele foi o primeiro a chamar seu carro de turbina (do latim turbo - rotação rápida), após o que essa definição entrou em uso. Em 1832, a primeira turbina hidráulica prática foi criada pelo engenheiro francês Fourneuron.
Sua turbina consistia em duas rodas concêntricas opostas uma à outra: uma interna, estacionária K, que era uma palheta guia, e uma externa com lâminas curvas a, que era a roda da turbina de trabalho. A água entrava na turbina por cima através de um tubo que envolvia o eixo da turbina e caía nas palhetas-guia. Essas lâminas forçavam a água a se mover ao longo de uma linha curva, de modo que ela fluía horizontalmente nas lâminas da roda da turbina, sem impacto, ao longo de toda a sua circunferência interna, dando a esta toda a sua energia, e depois fluía uniformemente ao longo de sua circunferência interna. A água recém-entrada e a água residual nunca se misturaram. A roda da turbina estava firmemente conectada ao eixo vertical D, através do qual o movimento era transmitido. A eficiência da turbina Furneuron atingiu 80%. O projeto que ele criou foi de grande importância para a história posterior da construção de turbinas. A notícia desta incrível invenção rapidamente se espalhou por toda a Europa. Especialistas-engenheiros de vários países por vários anos foram a um lugar remoto na Floresta Negra para inspecionar a turbina Furneuron que funcionava lá como uma grande atração. Logo turbinas estavam sendo construídas em todo o mundo. A transição para turbinas foi uma revolução na história dos motores hidráulicos. Qual era a vantagem deles sobre a velha roda d'água? Na breve descrição acima da turbina Furneuron, é difícil ver a roda de Segner. Enquanto isso, baseia-se no mesmo princípio de usar o movimento do jato de um jato de água (por isso esse tipo de turbina foi posteriormente chamado de jato). É só que Furneuron considerou cuidadosamente todas as observações de Euler e usou sua própria experiência como engenheiro hidráulico. A turbina Furneuron diferia da roda d'água em vários pontos-chave. Em uma roda d'água, a água entrava e saía no mesmo lugar. Por causa disso, tanto a velocidade quanto a direção do movimento da água na lâmina da roda eram diferentes em diferentes momentos - a roda, por assim dizer, gastava uma boa quantidade de sua energia útil para superar constantemente a resistência do jato. Na turbina Furneuron, a água do aparelho guia entrava em uma borda da lâmina da roda, passava ao longo da lâmina e descia do outro lado. Como resultado, a água na turbina não parou, não mudou a direção de seu fluxo para o oposto e fluiu continuamente da entrada para as bordas de saída. Em cada ponto das pás, sua velocidade era a mesma em direção e diferia apenas em magnitude. Como resultado, a velocidade de rotação da turbina teoricamente dependia apenas da velocidade da água e, portanto, a turbina poderia girar várias dezenas de vezes mais rápido do que uma roda d'água convencional. Outra diferença vantajosa entre a turbina era que a água passava simultaneamente por todas as pás da roda, e na roda d'água - apenas por algumas. Como resultado, a energia do jato d'água foi utilizada na turbina de forma muito mais completa do que na roda d'água, e suas dimensões na mesma potência foram várias vezes menores. Nos anos seguintes, vários tipos principais de hidroturbinas foram desenvolvidos. Sem entrar em detalhes aqui, notamos que todas as turbinas do século XIX podem ser divididas em dois tipos principais: jato e jato. A turbina a jato, como já mencionado, era uma roda Segner melhorada. Ela tinha uma roda de turbina montada em um eixo, com lâminas especialmente curvas.
Esta roda continha dentro de si mesma ou era cercada por uma palheta guia. Este último era uma roda fixa com palhetas guia. A água descia através do aparelho guia e da roda da turbina, com as lâminas do primeiro direcionando a água para as lâminas do segundo. Quando derramada, a água pressionava as lâminas e girava a roda. Do eixo, a rotação foi transmitida ainda para algum dispositivo (por exemplo, um gerador elétrico). As turbinas a jato se mostraram muito convenientes onde a pressão da água é baixa, mas é possível criar uma queda de 10 a 15 m. Elas se tornaram muito difundidas no século XNUMX. As turbinas a jato eram outro tipo comum de turbina. Seu dispositivo fundamental era que um jato de água sob forte pressão atingia as pás da roda e isso a fazia girar. A semelhança da turbina a jato com a roda inferior é muito grande. Os protótipos dessas turbinas surgiram na Idade Média, como se pode inferir de algumas imagens da época. Em 1884, o engenheiro americano Pelton melhorou significativamente a turbina a jato criando um novo projeto de rotor. Nesta roda, as lâminas lisas da antiga turbina a jato foram substituídas por outras especiais inventadas por ele, tendo a forma de duas colheres conectadas entre si. Assim, as lâminas acabaram não sendo planas, mas côncavas, com uma nervura afiada no meio. Com tal disposição das lâminas, o trabalho da água foi quase inteiramente para a rotação da roda, e apenas uma pequena parte dela foi desperdiçada inutilmente.
A água para a turbina Pelton vinha por uma tubulação vinda de uma represa ou cachoeira. Onde havia muita água, o cano era grosso, e onde havia menos água, era mais fino. No final do tubo havia uma ponta, ou bocal, de onde a água escapava em um fluxo forte. O jato atingiu as lâminas em forma de colher da roda, a ponta afiada da lâmina a cortou ao meio, a água empurrou as lâminas para frente e a roda da turbina começou a girar. As águas residuais desciam para o tubo de saída. Uma roda com lâminas e um bocal foi coberta por cima com uma carcaça feita de ferro fundido ou ferro. Com forte pressão, a roda Pelton girava em grande velocidade, fazendo até 1000 rotações por minuto. Era conveniente onde era possível criar uma forte pressão de água. A eficiência da turbina Pelton foi muito alta e se aproximou de 85%, razão pela qual foi amplamente utilizada. Depois que um sistema de transmissão de corrente elétrica a longas distâncias foi desenvolvido na década de 80 do século XIX e tornou-se possível concentrar a produção de eletricidade em "fábricas de eletricidade" - usinas, uma nova era começou na história da construção de turbinas. Em conjunto com um gerador elétrico, a turbina tornou-se aquela poderosa ferramenta com a qual o homem colocou a seu serviço o enorme poder escondido em rios e cachoeiras. Autor: Ryzhov K.V.
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