Создатели гидротурбин

Как выглядели новые технологии после водяных колёс
14.05.2023
Мария Суханова

Когда появились первые турбины? Ответ на этот вопрос зависит от того, что к ним относить, но по поводу самого слова «турбина» разногласий нет - его двести лет назад придумал французский физик и инженер Клод Бюрден, произведя название своего усовершенствованного водяного колеса от латинского turbo - вращение, вихрь, волчок. При этом слава создателя гидротурбины закрепилась не за ним самим, а за его учеником Бенуа Фурнейроном.

Бюрден

Первая заметная научная работа Бюрдена, изданная в 1815 году под заголовком «Общие соображения о машинах в процессе движения», была посвящена расчёту производительности машин и факторам, влияющим на КПД. Сформулированные в ней теоретические принципы Бюрден в дальнейшем постарался воплотить в жизнь.

В 1822-м он представил в Парижскую Академию наук работу «О гидравлических турбинах, или высокоскоростных ротационных машинах», где, собственно, и ввёл термин «турбина». Основная идея заключалась в том, чтобы повысить эффективность водяного колеса, правильным образом регулируя подачу воды. Для этого колесо предлагалось дополнить направляющим аппаратом - неподвижной системой узких каналов. Проходя по ним и вырываясь из концевых отверстий, водяные струи с силой бьют по лопастям строго под нужным углом. Бюрден приводит формулы для расчёта характеристик направляющего аппарата в зависимости от напора, диаметра колеса и скорости его вращения.

У него уже был готов и опытный образец, который он надеялся продемонстрировать представителям Парижской академии. Турбина стояла на оружейной фабрике в Сент-Этьене и приводила в движение точильный круг; за её работой наблюдала комиссия, назначенная местным обществом содействия сельскому хозяйству и торговле, в которую входил, в частности, Луи-Антуан Бонье, главный инженер завода и директор Горной школы Сент-Этьена. Подробности не сохранились, но впечатления комиссии в целом были хорошими, а из столицы смотреть турбину так никто и не приехал.

Ответ из академии пришел лишь в 1824 году. Академики работали неспешно или, может быть, тема, поднятая Бюрденом, не казалась им достаточно актуальной; параллельно делала первые шаги электродинамика, которая была намного интереснее, а гидравлические турбины могли и подождать - никто ещё не предполагал, что они будут вращать электрические генераторы. Но как бы то ни было, в итоге академическая комиссия рассмотрела рукопись и дала ей высокую оценку, а академия утвердила представленный отчёт и рекомендовала автору не оставлять исследования, что тот и делал.

В 1825 году Бюрден переехал в Овернь, в департамент Пюи-де-Дом, где продолжил эксперименты. Он установил на мельнице в деревне Понжибо турбину небольшой высоты с вертикальной осью, которую можно было адаптировать к разнообразным колебаниям напора. Чтобы обеспечить равномерное вращение рабочего колеса, Бюрден расположил выходные отверстия трёх каналов для подачи воды в три кольца со сдвигом относительно друг друга (см. рис. 1). В 1826-м комиссия, назначенная префектом департамента, зафиксировала полученный благодаря турбине экономический эффект; согласно произведённым позже измерениям самого Бюрдена, КПД турбины составлял 67%. Ещё одна экспериментальная турбина, установленная в деревне Ард, имела КПД от 65 до 75%.

Третья турбина какое-то время проработала в Авезском лесу неподалеку от деревни Бур-Ластик; все турбины Бюрдена были экспериментальными, ради экономии изготавливались из недорогих материалов и быстро разрушались.

Фурнейрон

Вслед за Академией наук турбинами заинтересовалось Общество поощрения национальной промышленности, которое в 1826 году внесло в свою повестку вопрос об усовершенствовании водяного колеса и объявило конкурс проектов. Бюрден представил на него новую работу, в которой развивал свои идеи и рассматривал разные конструкции турбин. При подведении итогов конкурса в 1827 году он получил премию в размере 2000 франков. А его 25-летнему бывшему ученику Бенуа Фурнейрону досталась премия в 6000 франков за прототип промышленной турбины.

Фурнейрон получил образование в Горной школе в Сент-Этьене, блестяще окончив её в 1819 году, а в процессе учёбы, как пишут биографы, проявил выдающиеся способности к точным наукам и в пятнадцатилетнем возрасте пользовался таким доверием Бюрдена, преподававшего математику, что при необходимости мог подменять его на уроках. После выпуска он работал на рудниках Франции, осваивая профессию горного инженера. Для выполнения различных механических работ там широко использовались маломощные водяные колёса, и Фурнейрон, зная о разработках Бюрдена, понимал, что переход к турбинам может стать хорошим решением проблем горной добычи.

Турбина, которую Фурнейрон представил на конкурс, как и та, что была установлена Бюрденом в Понжибо, имела вертикальную ось. Вода поступала сверху в расположенный в середине направляющий аппарат из изогнутых лопаток; протекая по ним, она отклонялась от радиального направления, получала завихрение и через отверстия, снабжённые регулирующими заслонками, выбрасывалась на лопатки рабочего колеса, изогнутые в противоположную сторону, и они полностью гасили завихрение (см. рис. 2).

В общем и целом всё было очень похоже на то, что предлагал и пробовал реализовать Бюрден, однако Фурнейрон внёс в конструкцию направляющего аппарата ключевое, как оказалось в дальнейшем, усовершенствование - добавил заслонки, позволяющие регулировать подачу воды.

Получив премию, Фурнейрон открыл собственное конструкторское бюро в Безансоне на востоке Франции (позднее он перебрался в Нидербронн, а затем - в Париж) и занялся доведением прототипа до промышленного образца. Первые две турбины ему заказал для кузнечных мастерских в коммуне Фрезан их владелец Ф. Карон. В 1832 году турбина была запатентована, стали приходить заказы и из-за рубежа - сначала из Европы, а затем и из Америки. На оружейном заводе в Санкт-Блазье в Германии турбина Фурнейрона использовалась с 1832 по 1864 год и выдавала мощность 40 л. с. при 2300 оборотах в минуту. Впоследствии она послужила прототипом при создании трёх крупных турбоагрегатов мощностью 3700 кВт каждый для ГЭС на американской стороне Ниагарского водопада.

В 1834 году Фурнейрона чествовала Парижская Академия наук, в 1839-м он получил золотую медаль Всемирной Парижской выставки и орден Почётного Легиона, в 1846-м стал членом-корреспондентом Бостонской Академии наук, в 1850-м основал небольшое экспериментальное производство. На выставке 1855 года он представил усовершенствованную турбину и вновь получил медаль. В 1867 году его пригласили в жюри выставки (так что в конкурсе он участвовать не мог), но из-за болезни ему пришлось сложить с себя обязанности, и вскоре он скончался. Бюрден пережил Фурнейрона на шесть лет, но не удостоился и десятой доли той славы, которая досталась его ученику.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы