От водяных колес до турбин реферат
Обновлено: 05.07.2024
Водяное колесо или турбина преобразуют энергию потока воды во вращательное движение. Первые водяные колеса были подливными, Нижняя половина колеса просто погружалась в поток. Кпд таких колес составлял только 30%. Наливные колеса, в которых поток воды натекает на верхнюю часть колеса, имеют кпд 70−90%, что близко к кпд современных турбин.
Во второй половине 19 века водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают:
Гидроэлектрические схемы и энергия приливов.
Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды прикрытой плотинами рек, протекающей по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока. В гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду. В США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество энергии только на севере Шотландии.
Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а Брахмапутра в Индии — 20 000 МВт. Система Енисей-Ангара в настоящее время вырабатывает 11 000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 53 000 МВт.
Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом. Единственная промышленная приливная станция работает в устье Ранс на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно.
Необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней.
Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы. В этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища, в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастет, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной электростанции. В такой схеме, помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах.
Водяное колесо или турбина преобразуют энергию потока воды во вращательное движение. Первые водяные колеса были подливными, т. е. Нижняя половина колеса просто погружалась в поток. Кпд таких колес составлял только 30%. Наливные колеса, в которых поток воды натекает на верхнюю часть колеса, имеют кпд 70-90%, что близко к кпд современных турбин.
Во второй половине 19 века водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают:
Гидроэлектрические схемы и энергия приливов.
Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды прикрытой плотинами рек, протекающей по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока. В гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду. В США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество энергии только на севере Шотландии.
Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а Брахмапутра в Индии – 20000 МВт. Система Енисей-Ангара в настоящее время вырабатывает 11000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 53000 МВт.
Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом. Единственная промышленная приливная станция работает в устье Ранс на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно.
Необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней.
Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы. В этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища, в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастет, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной электростанции. В такой схеме, помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах.
Использование энергии ветра
Использование ветра для производства энергии пока малоэффективно. Несмотря на огромные ресурсы такой энергии, проблема экономичного ее использования еще не решена.
Энергия, поступающая на ветряные мельницы, пропорциональна кубу скорости ветра и площади, ометаемой крыльями мельницы. Предельный кпд составляет 59%, на практике же он достигает лишь 45%. Подсчитано, что производство электроэнергии с использованием энергии ветра может конкурировать с ядерной энергией только в том случае, если средняя скорость ветра будет выше 32км/ч. но на Земле не много мест с такими ветрами, поэтому, преобразуя энергию ветра, можно удовлетворить не более 1% потребности в электрической энергии.
В этой связи предпочтительнее, как показывает практика, использовать энергию морских волн, образуемых ветром. Ветры, дующие на пространствах океана, вызывают волны, обладающие большим запасом энергии. Волны могут служить источником энергии. Перспективная конструкция с поплавками разработана Солтером в Эдинбургском университете. Поплавки, двигаясь вверх-вниз при прохождении волны, приводят в движение насосы, которые нагнетают воду, а та поступает в турбину, вырабатывающую электроэнергию.
Виды турбин
Турбина 16 века использовавшая энергию движущейся воды, применялась для привода ирригационных насосов. Вращение турбины передавалось колесу с зубьями только на половине длины окружности. Цевочные колеса, вращаясь поочередно в противоположных направлениях, приводили в возвратно-поступательное движение колесо насоса. Автоматические клапаны позволяли всасывать воду в один цилиндр и выпускать ее из другого.
Турбины гидроаккумулирующих электростанций производят электроэнергию только в часы пиковых нагрузок, а остальное время служат гидроприводами насосов, перекачивающих воду в водохранилище перед плотиной. Реактивная водяная турбина вращает электрогенератор. Когда центробежные насосы отключены, гидроагрегат работает как обычный генератор. Если ввести в действие соединительную зубчатую муфту, водяная турбина выведет насос на рабочие обороты. Генератор подключится к сетевому питанию и начнет работать, как электродвигатель. Клапан турбины закроется, а клапан насоса откроется. Вода начнет перекачиваться в водохранилище, увеличивая запас, необходимый для последующей работы гидроагрегата в режиме производства электроэнергии.
Существуют три типа гидротурбин:
1. Неподвижные лопатки реактивной турбины Френсиса устанавливаются так, чтобы струи воды ударяли лопатки ротора по касательной, вода из турбины вытекает вниз.
2. В колесе Пелтона, или активной турбине, вода истекает из сопла и ударяет по ковшеобразным лопастям колеса, при этом она отбрасывается назад.
3. Лопасти осевой турбины Каплана напоминают лопасти судового гребного винта.
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
От водного колеса до турбины
Водяное колесо или турбина преобразуют энергию потока воды во вращательное движение. Первые водяные колеса были подливными, т. е. Нижняя половина колеса просто погружалась в поток. Кпд таких колес составлял только 30%. Наливные колеса, в которых поток воды натекает на верхнюю часть колеса, имеют кпд 70-90%, что близко к кпд современных турбин.
Во второй половине 19 века водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают:
Гидроэлектрические схемы и энергия приливов.
Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды прикрытой плотинами рек, протекающей по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока. В гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду. В США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество энергии только на севере Шотландии.
Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а Брахмапутра в Индии – 20000 МВт. Система Енисей-Ангара в настоящее время вырабатывает 11000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 53000 МВт.
Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом. Единственная промышленная приливная станция работает в устье Ранс на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно.
Необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней.
Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы. В этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища, в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастет, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной электростанции. В такой схеме, помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах.
Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.
Светлане Плачковой посвящается
Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.
Книга 1. От огня и воды к электричеству
3.3. От водяного колеса к гидротурбине – развитие теории, создание и применение гидротурбин
Уже в древности закономерности использования водной энергии интересовали ученых и философов, что нашло отражение в трудах древнегреческого мыслителя Аристотеля (384–322 до н.э.), великого математика и механика Архимеда (287–212 до н.э.).
Инженерная деятельность Архимеда ярко отразилась в его математических работах, в которых он остроумно решал задачи на вычисление длин кривых, площадей и объемов, дал формулы для определения длины окружности, объема и поверхности шара и его частей, пло3 щади сегмента параболы и другие.
Архимед был автором очень многих практических изобретений. Некоторые из них хорошо известны нам. Например, его идея винта используется ныне в насосах, шнеках и простых мясорубках. А применялся ли архимедов винт в древности? Ответ на этот вопрос находим в одном из трудов древнегреческого путешественника, историка и географа Страбона (63 до н.э. – 24 н.э.).
В 25 г. до н.э. он посетил Египет в составе экспедиции, искавшей путь в Индию. В его описании содержится рассказ о том, как подавали воду из Нила в одно военное укрепление. Был прорыт канал, конец которого упирался в возвышение. Там поставили деревянные винты Архимеда, которые вручную вращались 50 рабами. Тем самым вода попадала в другой канал, который был прорыт на возвышенной части.
Развитие промышленности, накопление новых практических знаний в XV–XVI вв. в эпоху Возрождения привели к неслыханным взлетам человеческой мысли. В этот период заложены основы современной науки. Важнейшую роль в совершенствовании водяных двигателей, создании гидравлических турбин сыграли научные исследования в области гидравлики и теории гидравлических двигателей.
Неоценимый вклад в развитие гидравлики, гидротехники и гидравлических двигателей внес Леонардо да Винчи (1452–1519) – гениальный итальянский художник, ученый и инженер, один из виднейших представителей искусства и науки эпохи Возрождения. Он сформулировал гидродинамический принцип неразрывности, описал равновесие жидкости в сообщающихся сосудах, приблизился к открытию основного закона гидростатики – закона Паскаля. Свои исследования по гидравлике и гидравлическим машинам Леонардо да Винчи собирался обобщить в трактате о воде, состоящем из ряда книг, в том числе о водоводах, каналах, о самой воде, о машинах, приводимых в движение водой. В его рукописях множество заметок, зарисовок (рис. 3.15) и конспектов разделов этой работы, которую он не завершил. Леонардо да Винчи считал, что практика невозможна без теории:
Рис. 3.15. Леонардо да Винчи. Рисунки гидравлических машин. Милан
Первая гидравлическая турбина была построена в 1750 г. венгерским ученым Я. Сегнером. В первой половине XIX в. появляются гидравлические турбины, примененные на практике. Так, в 1827 г. французский инженер Б. Фурнейрон построил радиальную центробежную реактивную турбину, которая в 1834 г. была использована на производстве. Результатом длительных совместных усилий инженеров и ученых многих стран стало создание первой пригодной для практики гидравлической турбины.
В России изобретатель И. Сафронов в 1837 г. создал и установил гидравлическую турбину на Алапаевском металлургическом заводе на Урале, а через 25 лет только в металлургической промышленности России уже работало 58 гидравлических турбин. Коэффициент полезного действия гидравлической турбины на Нейво-Шайтанском заводе составлял уже 70%.
В 1837–1841 гг. французским инженером Жонвалем и немецким инженером Хентелем практически одновременно была разработана осевая реактивная турбина, в 1849 г. появилась радиально-осевая реактивная турбина американского инженера Д. Френсиса, в 1880 г. – ковшовая активная турбина Пельтона, в 1912 г. – поворотно-лопастная реактивная турбина В. Каплана. Эти конструкции турбин легли в основу современных гидравлических турбин.
Первая в мире промышленная ГЭС мощностью 220 кВт была построена в Германии в Лауфене на р. Неккар в 1891 г. под руководством русского инженера М.О. Доливо-Добровольского. Там же в Германии в Рейнфельде в 1898 г. была построена крупная ГЭС мощностью 16,8 МВт с напором 3,2 м. В России в 1892 г. под руководством инженера Кокшарова была построена гидроэлектрическая установка мощностью 150 кВт на р. Березовке на Алтае, в США в 1900 г. – Ниагарская ГЭС Адамс мощностью 500 тыс. л.с. с напором 41,2 м.
В начале XX в. ГЭС строятся в странах Западной Европы, в России, США, Бразилии, Японии и других странах. Широкое строительство ГЭС, использующих возобновляемые гидроэнергоресурсы, ведется во многих странах мира. Если к началу XX в. суммарная мощность ГЭС в мире составляла около 1 млн. кВт, то к началу XXI в. – 670 млн. кВт с выработкой электроэнергии 2650 млрд. кВт·ч., что составляет около 32% экономически эффективного гидроэнергетического потенциала. Мощность крупных гидротурбин достигает 0,8 млн. кВт, а диаметр рабочего колеса – 10 м.
Медаль в честь Л. Эйлера
Даниил Иоганнович Бернулли (1700–1782)
На смену водяному колесу – самому древнему двигателю, в течение многих тысячелетий верой и правдой служившему людям, – пришла гидравлическая турбина.
Внешне от водяного колеса гидравлическая турбина отличается тем, что вода проходит через ее колесо (между лопастями) насквозь, а с водяного колеса вода сходит в той же его части, где она на него поступает. При этом гидравлическая турбина по сравнению с водяным колесом имеет значительные преимущества, включая компактность, быстроходность, высокий КПД и большую мощность.
Принципиально новый этап использования гидроэнергетических ресурсов связан с развитием электроэнергетики, которая обеспечила резкий рывок в развитии цивилизации, улучшении условий жизни людей.
Гидроэнергетика – отрасль электроэнергетики, относящаяся к использованию энергии воды главным образом для производства электроэнергии на ГЭС.
В последней четверти XIX в. были обеспечены необходимые условия для развития гидроэнергетики: созданы эффективные гидравлические турбины, характеризующиеся высоким КПД и относительно большой мощностью; разработаны электрические генераторы переменного тока; осуществлена на практике передача электроэнергии на значительное расстояние.
Читайте также: