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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Turbina idro. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano La turbina è un motore rotativo con un processo di lavoro continuo e movimento rotatorio del corpo di lavoro (rotore), che converte l'energia cinetica e/o l'energia interna del fluido di lavoro (vapore, gas, acqua) in lavoro meccanico. Il getto del fluido di lavoro agisce sulle pale fissate attorno alla circonferenza del rotore e le mette in movimento. Viene utilizzato come azionamento del generatore elettrico nelle centrali termiche, nucleari e idroelettriche, come parte integrante degli azionamenti nel trasporto marittimo, terrestre e aereo, nonché nella trasmissione idrodinamica, nelle pompe idrauliche.
Nella storia dell'umanità, i motori ad acqua hanno sempre svolto un ruolo speciale. Per molti secoli, varie macchine per l'acqua sono state la principale fonte di energia nella produzione. Quindi lo sviluppo di motori termici (e successivamente elettrici) ha notevolmente ristretto l'ambito della loro applicazione. Tuttavia, ovunque ci fossero risorse idriche a basso costo (un ruscello a flusso rapido, una cascata o un fiume rapido), un motore ad acqua poteva essere preferibile a tutti gli altri, poiché era molto semplice nella progettazione, non richiedeva carburante e aveva una potenza efficienza. Dopo l'invenzione della turbina ad acqua ad altissima efficienza nella prima metà del XIX secolo, l'energia idroelettrica conobbe una sorta di rinascita. Con l'inizio dell'elettrificazione, iniziò la costruzione di centrali idroelettriche in tutto il mondo, in cui i generatori elettrici ricevevano la loro spinta da potenti turbine idrauliche di vario design. E oggi le idroturbine rappresentano gran parte della produzione mondiale di elettricità. Pertanto, questo meraviglioso dispositivo è giustamente una delle più grandi invenzioni. La turbina ad acqua si è sviluppata dalla ruota idraulica e, prima di parlare del suo dispositivo, è opportuno dire alcune parole sulle ruote idrauliche. Come già notato, le prime ruote idrauliche iniziarono ad essere utilizzate nell'antichità. In base alla progettazione, erano divisi in foro inferiore (o sugo) e foro superiore (o sfuso). Le ruote inferiori erano il tipo più semplice di motore ad acqua. Non richiedevano la costruzione di canali o dighe per se stessi, ma allo stesso tempo avevano l'efficienza più bassa, poiché il loro lavoro era basato su un principio piuttosto svantaggioso. Questo principio era che l'acqua che scorre sotto le ruote colpiva le lame, facendole ruotare. Pertanto, nelle ruote di colata veniva utilizzata solo la forza della pressione dell'acqua. Dal punto di vista energetico erano più razionali le ruote di riempimento, in cui veniva utilizzato anche il peso dell'acqua in caduta.
Anche il dispositivo della ruota di riempimento era molto semplice. Una fila di secchi era attaccata al bordo di una grande ruota o tamburo. L'acqua dalla parte superiore della grondaia è stata versata nel mestolo superiore. Il secchio pieno d'acqua divenne più pesante, cadde e tirò con sé l'intero bordo. La ruota iniziò a girare. Il secchio successivo ha preso il posto della ruota di abbassamento. Anche lui si riempì di acqua che scorreva continuamente e cominciò ad affondare. Al suo posto venne il terzo, poi il quarto e così via. Quando i secchi raggiunsero il fondo del bordo, l'acqua ne uscì. Ceteris paribus, la potenza delle ruote a perforazione superiore era superiore a quella di quelle a perforazione inferiore, ma queste ruote avevano grandi dimensioni e una bassa velocità di rotazione. Inoltre, per il loro efficiente funzionamento, è stato necessario creare una notevole goccia d'acqua, cioè costruire canali, dighe e altre strutture costose.
Qualsiasi ruota idraulica era montata su un albero che ruotava insieme alla ruota, e da esso la rotazione veniva trasmessa ulteriormente alla macchina che volevano azionare. Nell'antichità e nel Medioevo, tali motori erano ampiamente utilizzati in varie industrie, dove mettevano in moto martelli, soffietti, pompe, macchine per tessere e altri meccanismi. Può sembrare che nel corso dei secoli dell'esistenza delle ruote idrauliche, i meccanici abbiano imparato tutto su di loro. E cosa potrebbe esserci di nuovo in questo vecchio design? Tuttavia, si è scoperto che era possibile. Nel 1750, l'ungherese Segner, che lavorava all'Università di Gottinga, avanzò un'idea completamente nuova per un motore ad acqua, che, insieme alla pressione e al peso, utilizzava anche la forza di reazione creata dal flusso dell'acqua.
L'acqua proveniva dall'alto in un recipiente collegato ad un asse, in fondo al quale c'erano tubi a forma di croce con le estremità piegate da un lato. L'acqua scorreva attraverso di loro e la forza di reazione risultante agiva in tutti e quattro i tubi nella stessa direzione, mettendo in rotazione l'intera ruota. Questa fu una scoperta estremamente ingegnosa, che però non trovò alcuna applicazione pratica in questa forma, ma suscitò il più vivo interesse di alcuni matematici e ingegneri. Il grande matematico tedesco Eulero fu uno dei primi a rispondere a questa novità, dedicando diverse sue opere allo studio della ruota di Segner. Prima di tutto, Euler ha evidenziato le carenze nel design di Segner, pur rilevando che la bassa efficienza della ruota era il risultato di perdite di energia irrazionali. Ha inoltre scritto che queste perdite potrebbero essere notevolmente ridotte se l'idea di un nuovo motore fosse implementata in modo più completo. Perdite significative si sono verificate, prima di tutto, quando l'acqua è entrata nella ruota a causa di un brusco cambiamento nella direzione e nella velocità del flusso d'acqua (l'energia è stata spesa qui per l'impatto). Ma potrebbero essere ridotti se l'acqua fosse portata alla ruota nel senso di rotazione alla velocità di questa rotazione. Ci sono state anche perdite in uscita, poiché parte dell'energia è stata portata via con la velocità di uscita dell'acqua. Idealmente, l'acqua dovrebbe dare alla ruota la sua piena velocità. Per fare ciò, Eulero propose di sostituire i tubi di uscita orizzontali con tubi curvilinei dall'alto verso il basso. Quindi non c'era più bisogno di praticare fori per lo sfiato dell'acqua lateralmente, poiché era possibile semplicemente lasciare aperta l'estremità inferiore del tubo chiuso. Eulero predisse che in futuro le macchine idrauliche di questo nuovo tipo (in effetti era una turbina idraulica, ma questo nome stesso non era ancora in uso) avrebbero avuto due parti: una pala di guida fissa, attraverso la quale l'acqua sarebbe defluita nella parte inferiore ruota rotante, che è il corpo di lavoro della macchina. Nonostante le osservazioni fatte, Eulero apprezzò molto l'invenzione di Segner e fece preveggentemente notare che egli aprì una nuova strada per lo sviluppo dei motori idraulici, destinata a un grande futuro. Tuttavia, sia la ruota di Segner che il lavoro di Eulero erano in qualche modo in anticipo sui tempi. Per i successivi settant'anni, nessuno ha cercato di migliorare la ruota Segner secondo le osservazioni di Eulero. L'interesse per loro nel primo quarto del XIX secolo fu ravvivato dal lavoro del matematico francese Poncelet, che propose un tipo speciale di ruote colate di nuova concezione. L'efficienza della ruota Poncelet ha raggiunto il 70%, che era completamente irraggiungibile per altri tipi di motori ad acqua.
Il segreto del successo era che alle pale della ruota veniva data una speciale forma semicircolare, in modo che l'acqua fornita vi entrasse nella direzione della loro curvatura, passasse una certa distanza lungo la lama e poi, discendendo, uscisse. In tali condizioni, l'impatto dell'acqua sulle pale in ingresso, che di solito perdeva una parte significativa dell'energia del getto d'acqua, è stato completamente eliminato. L'invenzione di Poncelet è stato un passo importante verso la turbina ad acqua. Per completare questo percorso, mancava il secondo elemento della turbina, descritto da Eulero: la pala di guida. Per la prima volta, il professor Burden applicò una pala di guida a una ruota idraulica nel 1827. Fu il primo a chiamare la sua auto una turbina (dal latino turbo - rotazione veloce), dopodiché entrò in uso questa definizione. Nel 1832, l'ingegnere francese Fourneuron creò la prima turbina idraulica pratica.
La sua turbina era costituita da due ruote concentriche disposte l'una di fronte all'altra: una K interna, fissa, che era una paletta di guida, e una esterna con pale curve a, che era la ruota della turbina funzionante. L'acqua entrava nella turbina dall'alto attraverso un tubo che avvolgeva l'albero della turbina e cadeva sulle alette di guida. Queste pale costringevano l'acqua a muoversi lungo una linea curva, per cui scorreva in direzione orizzontale nelle pale della ruota della turbina, senza urto, lungo tutta la sua circonferenza interna, dando a quest'ultima tutta la sua energia, e quindi scorreva uniformemente lungo la sua circonferenza interna. L'acqua di nuova entrata e quella di scarico non si sono mai mescolate tra loro. La ruota della turbina era saldamente collegata all'albero verticale D, attraverso il quale veniva trasmesso il movimento. L'efficienza della turbina Furneuron ha raggiunto l'80%. Il progetto che creò fu di grande importanza per la storia successiva della costruzione di turbine. La voce di questa straordinaria invenzione si diffuse rapidamente in tutta Europa. Specialisti-ingegneri provenienti da molti paesi per diversi anni sono venuti in un luogo remoto della Foresta Nera per ispezionare la turbina Furneuron che ha funzionato lì come una grande attrazione. Presto furono costruite turbine in tutto il mondo. Il passaggio alle turbine è stato un cambiamento rivoluzionario nella storia dei motori idraulici. Qual era il loro vantaggio rispetto alla vecchia ruota idraulica? Nella breve descrizione sopra della turbina Furneuron, è difficile vedere la ruota Segner. Nel frattempo, si basa sullo stesso principio di utilizzare il movimento del getto di un getto d'acqua (motivo per cui questo tipo di turbina è stato successivamente chiamato jet). È solo che Furneuron ha considerato attentamente tutte le osservazioni di Eulero e ha utilizzato la propria esperienza come ingegnere idraulico. La turbina Furneuron differiva dalla ruota idraulica in diversi punti chiave. In una ruota idraulica, l'acqua entrava ed usciva nello stesso punto. Per questo motivo, sia la velocità che la direzione del movimento dell'acqua nella pala della ruota erano diverse in momenti diversi: la ruota, per così dire, consumava una buona parte della sua potenza utile per superare costantemente la resistenza del getto. Nella turbina Furneuron, l'acqua dell'apparato di guida è entrata in un bordo della pala della ruota, è passata lungo la pala e scorreva dall'altro lato. Di conseguenza, l'acqua nella turbina non si è fermata, non ha cambiato la direzione del suo flusso nell'opposto e scorreva continuamente dall'ingresso ai bordi di uscita. In ogni punto delle lame, la sua velocità era la stessa nella direzione e differiva solo in grandezza. Di conseguenza, la velocità di rotazione della turbina dipendeva teoricamente solo dalla velocità dell'acqua, e quindi la turbina poteva ruotare parecchie decine di volte più velocemente di una ruota idraulica convenzionale. Un'altra vantaggiosa differenza tra la turbina era che l'acqua passava simultaneamente attraverso tutte le pale della ruota e nella ruota idraulica - solo attraverso alcune. Di conseguenza, l'energia del getto d'acqua è stata utilizzata nella turbina in modo molto più completo rispetto alla ruota idraulica e le sue dimensioni a parità di potenza erano molte volte inferiori. Negli anni successivi furono sviluppati diversi tipi principali di idroturbine. Senza entrare nei dettagli qui, notiamo che tutte le turbine del XIX secolo possono essere suddivise in due tipi principali: jet e jet. La turbina a getto, come già accennato, era una ruota Segner migliorata. Aveva una ruota di turbina montata su un albero, con pale appositamente curve.
Questa ruota contenuta al suo interno o era circondata da una pala di guida. Quest'ultima era una ruota fissa con palette di guida. L'acqua scorreva attraverso l'apparato di guida e la ruota della turbina, con le pale della prima che dirigevano l'acqua sulle pale della seconda. Quando veniva versata, l'acqua premeva sulle lame e faceva ruotare la ruota. Dall'albero, la rotazione è stata trasmessa ulteriormente a qualche dispositivo (ad esempio un generatore elettrico). Le turbine a getto si sono rivelate molto convenienti dove la pressione dell'acqua è bassa, ma è possibile creare un dislivello di 10-15 m e sono diventate molto diffuse nel XX secolo. Le turbine a reazione erano un altro tipo comune di turbina. Il loro accorgimento fondamentale era che un getto d'acqua sotto forte pressione colpisse le pale della ruota e questo le facesse ruotare. La somiglianza della turbina a getto con la ruota inferiore è molto grande. I prototipi di tali turbine apparvero nel medioevo, come si evince da alcune immagini dell'epoca. Nel 1884, l'ingegnere americano Pelton migliorò notevolmente la turbina a getto creando un nuovo design della girante. In questa ruota, le pale lisce della vecchia turbina a getto sono state sostituite da quelle speciali da lui inventate, a forma di due cucchiai collegati tra loro. Pertanto, le lame si sono rivelate non piatte, ma concave, con una nervatura affilata nel mezzo. Con una tale disposizione delle pale, il lavoro dell'acqua andava quasi interamente alla rotazione della ruota, e solo una piccolissima parte di essa veniva sprecata inutilmente.
L'acqua alla turbina Pelton arrivava attraverso un tubo proveniente da una diga o da una cascata. Dove c'era molta acqua, il tubo era spesso e dove c'era meno acqua era più sottile. Alla fine del tubo c'era una punta, o ugello, da cui l'acqua fuoriusciva in un forte ruscello. Il getto colpì le pale a cucchiaio della ruota, il bordo affilato della lama la tagliò a metà, l'acqua spinse le pale in avanti e la ruota della turbina iniziò a ruotare. L'acqua di scarico scorreva nel tubo di scarico. Una ruota con lame e un ugello era coperta dall'alto con un involucro in ghisa o ferro. Con una forte pressione, la ruota Pelton ruotava a grande velocità, compiendo fino a 1000 giri al minuto. Era conveniente dove era possibile creare una forte pressione dell'acqua. L'efficienza della turbina Pelton era molto alta e si avvicinava all'85%, motivo per cui era ampiamente utilizzata. Dopo che negli anni '80 del XIX secolo fu sviluppato un sistema per la trasmissione di corrente elettrica su lunghe distanze e divenne possibile concentrare la produzione di elettricità nelle "fabbriche elettriche" - centrali elettriche, iniziò una nuova era nella storia della costruzione di turbine. Unitamente a un generatore elettrico, la turbina divenne quel potente strumento con cui l'uomo metteva al suo servizio l'enorme potenza nascosta nei fiumi e nelle cascate. Autore: Ryzhov KV
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