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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Turbine hydraulique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Turbine - un moteur rotatif avec un processus de travail continu et un mouvement de rotation du corps de travail (rotor), qui convertit l'énergie cinétique et/ou l'énergie interne du fluide de travail (vapeur, gaz, eau) en travail mécanique. Le jet du fluide de travail agit sur les pales fixées sur la circonférence du rotor et les met en mouvement. Il est utilisé comme entraînement pour un générateur électrique dans les centrales thermiques, nucléaires et hydroélectriques, comme partie intégrante des entraînements pour les transports maritimes, terrestres et aériens, ainsi que comme transmission hydrodynamique et pompes hydrauliques.
Dans l'histoire de l'humanité, les moteurs à eau ont toujours joué un rôle particulier. Pendant de nombreux siècles, diverses machines à eau ont été la principale source d'énergie dans la production. Ensuite, le développement des moteurs thermiques (et plus tard électriques) a considérablement réduit leur portée. Cependant, partout où des ressources hydrauliques bon marché étaient disponibles (un cours d'eau rapide, une chute d'eau ou une rivière rapide), un moteur à eau pouvait être préférable à tous les autres, car il était de conception très simple, ne nécessitait pas de carburant et avait une puissance relativement élevée. haute efficacité. Après l'invention de la turbine hydraulique à très haut rendement dans la première moitié du XIXe siècle, l'hydroélectricité a connu une sorte de renaissance. Avec le début de l'électrification, la construction de centrales hydroélectriques a commencé dans le monde entier, où les générateurs électriques ont été entraînés par de puissantes turbines hydrauliques de différentes conceptions. Et aujourd'hui, les hydroturbines représentent une grande partie de la production mondiale d'électricité. Par conséquent, ce merveilleux appareil est à juste titre l'une des plus grandes inventions. La turbine hydraulique s'est développée à partir de la roue hydraulique, et avant de parler de son dispositif, il convient de dire quelques mots sur les roues hydrauliques. Comme déjà noté, les premières roues hydrauliques ont commencé à être utilisées dans l'Antiquité. De par leur conception, ils étaient divisés en fond de trou (ou sauce) et en haut de trou (ou en vrac). Les roues inférieures étaient le type le plus simple de moteur à eau. Ils n'exigeaient pas la construction de canaux ou de barrages pour eux-mêmes, mais en même temps ils avaient l'efficacité la plus faible, car leur travail était basé sur un principe plutôt désavantageux. Ce principe était que l'eau qui coulait sous les roues frappait les pales, les faisant tourner. Ainsi, seule la force de la pression de l'eau était utilisée dans les roues de coulée. D'un point de vue énergétique, les roues de remplissage étaient plus rationnelles, dans lesquelles le poids de l'eau qui tombait était également utilisé.
Le dispositif de roue de remplissage était également très simple. Une rangée de seaux était fixée au bord d'une grande roue ou d'un tambour. L'eau du haut de la gouttière était versée dans la louche supérieure. Le seau rempli d'eau est devenu plus lourd, est tombé et a entraîné tout le bord avec lui. La roue a commencé à tourner. Le godet suivant a pris la place de la roue d'abaissement. Lui aussi était rempli d'eau qui coulait continuellement et a commencé à couler. A sa place vint le troisième, puis le quatrième, et ainsi de suite. Lorsque les seaux atteignaient le bas du rebord, l'eau s'en écoulait. Ceteris paribus, la puissance des roues de perçage supérieur était supérieure à celle des roues de perçage inférieur, mais ces roues avaient de grandes dimensions et une faible vitesse de rotation. De plus, pour leur fonctionnement efficace, il était nécessaire de créer une chute d'eau importante, c'est-à-dire de construire des canaux, des barrages et d'autres structures coûteuses.
Toute roue hydraulique était montée sur un arbre qui tournait avec la roue, et à partir de là, la rotation était transmise à la machine qu'ils voulaient mettre en action. Dans l'Antiquité et au Moyen Âge, ces moteurs étaient largement utilisés dans diverses industries, où ils mettaient en mouvement des marteaux, des soufflets de soufflante, des pompes, des machines à tisser et d'autres mécanismes. Il peut sembler qu'au cours de l'histoire séculaire de l'existence des roues hydrauliques, les mécaniciens aient tout appris à leur sujet. Et quoi de neuf dans cette ancienne construction ? Cependant, il s'est avéré que c'était possible. En 1750, le Hongrois Segner, qui travaillait à l'Université de Göttingen, a proposé une idée complètement nouvelle pour un moteur à eau qui, avec la pression et le poids, utilisait également la force de réaction créée par le flux d'eau.
L'eau arrivait d'en haut dans un récipient relié à un axe, au fond duquel se trouvaient des tubes en forme de croix aux extrémités recourbées d'un côté. L'eau coulait à travers eux et la force de réaction résultante agissait dans les quatre tubes dans la même direction, mettant la roue entière en rotation. Ce fut une découverte extrêmement ingénieuse, qui, cependant, n'a reçu aucune application pratique sous cette forme, mais a suscité le plus vif intérêt de certains mathématiciens et ingénieurs. Le grand mathématicien allemand Euler fut l'un des premiers à réagir à cette nouveauté, consacrant plusieurs de ses travaux à l'étude de la roue de Segner. Tout d'abord, Euler a souligné les lacunes de la conception de Segner, tout en notant que le faible rendement de la roue était le résultat de pertes d'énergie irrationnelles. Il a en outre écrit que ces pertes pourraient être considérablement réduites si l'idée d'un nouveau moteur était plus pleinement réalisée. Des pertes importantes se sont produites, tout d'abord, lorsque l'eau est entrée dans la roue en raison d'un changement brusque de la direction et de la vitesse du flux d'eau (l'énergie a été dépensée ici lors de l'impact). Mais ils pourraient être réduits si de l'eau était amenée à la roue dans le sens de rotation à la vitesse de cette rotation. Il y avait aussi des pertes à la sortie, puisqu'une partie de l'énergie était emportée avec la vitesse de sortie de l'eau. Idéalement, l'eau devrait donner à la roue sa pleine vitesse. Pour ce faire, Euler propose de remplacer les tubes de sortie horizontaux par des tubes curvilignes allant de haut en bas. Il n'était alors plus nécessaire de faire des trous pour l'évacuation latérale de l'eau, puisqu'il était possible de laisser simplement ouverte l'extrémité inférieure du tube fermé. Euler a prédit qu'à l'avenir, les machines hydrauliques de ce nouveau type (en fait, il s'agissait d'une turbine hydraulique, mais ce nom lui-même n'était pas encore utilisé) auraient deux parties : une aube directrice fixe, à travers laquelle l'eau s'écoulerait dans la partie inférieure roue tournante, qui est le corps de travail de la machine. Malgré les remarques faites, Euler a hautement apprécié l'invention de Segner et a souligné avec prévoyance qu'il ouvrait une nouvelle voie pour le développement des moteurs hydrauliques, destinée à un grand avenir. Cependant, la roue de Segner et le travail d'Euler étaient quelque peu en avance sur leur temps. Pendant les soixante-dix années suivantes, personne n'a essayé d'améliorer la roue de Segner conformément aux remarques d'Euler. L'intérêt pour eux dans le premier quart du XIXe siècle a été ravivé par les travaux du mathématicien français Poncelet, qui a proposé un type spécial de roues de coulée de conception nouvelle. Le rendement de la roue Poncelet atteint 70%, ce qui était totalement inaccessible pour les autres types de moteurs à eau.
Le secret du succès était que les pales de la roue avaient une forme semi-circulaire spéciale, de sorte que l'eau fournie les pénétrait dans le sens de leur courbure, passait à une certaine distance de la pale, puis, en descendant, sortait. Dans de telles conditions, l'impact de l'eau sur les aubes à l'entrée, sur lesquelles une partie importante de l'énergie du jet d'eau était généralement perdue, était complètement éliminé. L'invention de Poncelet a été une étape importante vers la turbine à eau. Pour que ce chemin soit complété jusqu'au bout, il manquait le deuxième élément de la turbine, décrit par Euler - l'aube directrice. Pour la première fois, le professeur Burden a appliqué une aube directrice à une roue hydraulique en 1827. Il a été le premier à appeler sa voiture une turbine (du latin turbo - rotation rapide), après quoi cette définition est entrée en vigueur. En 1832, la première turbine hydraulique pratique est créée par l'ingénieur français Fourneuron.
Sa turbine se composait de deux roues concentriques se faisant face : une K interne, fixe, qui était une aube directrice, et une externe avec des aubes courbes a, qui était la roue de turbine de travail. L'eau est entrée dans la turbine par le haut à travers un tuyau qui s'est enroulé autour de l'arbre de la turbine et est tombé sur les aubes directrices. Ces aubes forçaient l'eau à se déplacer selon une ligne courbe, à la suite de quoi elle s'écoulait horizontalement dans les aubes de la roue de turbine, sans choc, sur toute sa circonférence intérieure, donnant à cette dernière toute son énergie, puis s'écoulait uniformément le long de sa circonférence intérieure. Les eaux nouvellement entrantes et usées ne se sont jamais mélangées. La roue de turbine était fermement reliée à l'arbre vertical D, à travers lequel le mouvement était transmis. Le rendement de la turbine Furneuron a atteint 80 %. La conception qu'il a créée était d'une grande importance pour la suite de l'histoire de la construction de turbines. La nouvelle de cette invention étonnante s'est rapidement répandue dans toute l'Europe. Pendant plusieurs années, des ingénieurs spécialisés de nombreux pays sont venus dans l'endroit reculé de la Forêt-Noire pour inspecter la turbine Furneuron qui y fonctionnait comme une grande attraction. Bientôt, des éoliennes ont été construites partout dans le monde. Le passage aux turbines a été un changement révolutionnaire dans l'histoire des moteurs hydrauliques. Quel était leur avantage sur l'ancienne roue hydraulique ? Dans la brève description ci-dessus de la turbine Furneuron, il est difficile de voir la roue Segner. Pendant ce temps, il est basé sur le même principe d'utilisation du mouvement de jet d'un jet d'eau (c'est pourquoi ce type de turbine a été appelé plus tard jet). C'est juste que Furneuron a soigneusement examiné toutes les remarques d'Euler et a utilisé sa propre expérience en tant qu'ingénieur hydraulique. La turbine Furneuron différait de la roue hydraulique sur plusieurs points clés. Dans une roue hydraulique, l'eau entre et sort au même endroit. Pour cette raison, la vitesse et la direction du mouvement de l'eau dans la pale de la roue étaient différentes à différents moments - la roue, pour ainsi dire, a dépensé une bonne partie de sa puissance utile pour surmonter constamment la résistance du jet. Dans la turbine Furneuron, l'eau de l'appareil de guidage pénétrait par un bord de la pale de la roue, passait le long de la pale et coulait de l'autre côté. En conséquence, l'eau dans la turbine ne s'est pas arrêtée, n'a pas changé le sens de son écoulement dans le sens opposé et a coulé en continu de l'entrée vers les bords de sortie. À chaque point des pales, sa vitesse était la même en direction et ne différait qu'en amplitude. De ce fait, la vitesse de rotation de la turbine ne dépendait théoriquement que de la vitesse de l'eau, et donc la turbine pouvait tourner plusieurs dizaines de fois plus vite qu'une roue hydraulique classique. Une autre différence avantageuse entre la turbine était que l'eau passait simultanément à travers toutes les pales de la roue et dans la roue à eau - seulement à travers certaines. En conséquence, l'énergie du jet d'eau était beaucoup plus utilisée dans la turbine que dans la roue hydraulique, et ses dimensions à la même puissance étaient plusieurs fois plus petites. Au cours des années suivantes, plusieurs types principaux d'hydroturbines ont été développés. Sans entrer ici dans les détails, notons que toutes les turbines du XIXe siècle peuvent être divisées en deux types principaux : le jet et le jet. La turbine à réaction, comme déjà mentionné, était une roue Segner améliorée. Elle avait une roue de turbine montée sur un arbre, avec des pales spécialement incurvées.
Cette roue contenait en elle-même ou était entourée d'une aube directrice. Ce dernier était une roue fixe avec des aubes directrices. L'eau se précipitait à travers l'appareil de guidage et la roue de turbine, les aubes du premier dirigeant l'eau sur les aubes du second. Lorsqu'elle est versée, l'eau appuie sur les lames et fait tourner la roue. De l'arbre, la rotation était transmise à un appareil (par exemple, un générateur électrique). Les turbines à jet se sont avérées très pratiques là où la pression de l'eau est faible, mais il est possible de créer une chute de 10 à 15 m, elles se sont très répandues au XXe siècle. Les turbines à réaction étaient un autre type courant de turbine. Leur dispositif fondamental était qu'un jet d'eau sous forte pression frappait les pales de la roue et cela la faisait tourner. La similitude de la turbine à réaction avec la roue inférieure est très grande. Les prototypes de telles turbines sont apparus au Moyen Âge, comme on peut le déduire de certaines images de cette époque. En 1884, l'ingénieur américain Pelton a considérablement amélioré la turbine à réaction en créant une nouvelle conception de roue. Dans cette roue, les pales lisses de l'ancienne turbine à réaction ont été remplacées par des pales spéciales inventées par lui, ayant la forme de deux cuillères reliées entre elles. Ainsi, les lames se sont avérées non pas plates, mais concaves, avec une nervure pointue au milieu. Avec une telle disposition des pales, le travail de l'eau allait presque entièrement à la rotation de la roue, et seule une très petite partie en était gaspillée inutilement.
L'eau de la turbine Pelton provenait d'un tuyau provenant d'un barrage ou d'une cascade. Là où il y avait beaucoup d'eau, le tuyau était épais, et là où il y avait moins d'eau, il était plus mince. Au bout du tuyau se trouvait une pointe, ou buse, d'où l'eau s'échappait en un fort courant. Le jet a heurté les pales en forme de cuillère de la roue, le bord tranchant de la pale l'a coupée en deux, l'eau a poussé les pales vers l'avant et la roue de la turbine a commencé à tourner. Les eaux usées s'écoulaient dans le tuyau de sortie. Une roue avec des aubes et une buse était recouverte par le haut d'un boîtier en fonte ou en fer. Avec une forte pression, la roue Pelton tournait à grande vitesse, faisant jusqu'à 1000 tours par minute. C'était pratique là où il était possible de créer une forte pression d'eau. L'efficacité de la turbine Pelton était très élevée et approchait les 85%, c'est pourquoi elle a été largement utilisée. Après qu'un système de transmission de courant électrique sur de longues distances a été développé dans les années 80 du XNUMXème siècle et qu'il est devenu possible de concentrer la production d'électricité sur des "usines électriques" - des centrales électriques, une nouvelle ère a commencé dans l'histoire de la construction de turbines. Associée à un générateur électrique, la turbine est devenue cet outil puissant avec lequel l'homme a mis à son service l'énorme puissance cachée dans les rivières et les cascades. Auteur : Ryzhov K.V.
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