Эйлер является — наряду с Д. Бернулли и Ж. Л. Лагранжем — одним из основоположников аналитической гидродинамики; здесь ему принадлежит заслуга создания теории движения идеальной жидкости (то есть жидкости, не обладающей вязкостью) и решения ряда конкретных задач гидромеханики. В работе «Принципы движения жидкостей»(1752; опубликована девятью годами позже) он, применяя свои уравнения динамики элементарного материального объёма сплошной среды к модели несжимаемой идеальной жидкости, впервые получил для такой жидкости уравнения движения, а также уравнение неразрывности. Изучая безвихревое движение несжимаемой жидкости, Эйлер ввёл функцию S (позже названную Г. Гельмгольцем потенциалом скоростей) и показал, что она удовлетворяет дифференциальному уравнению в частных производных — так в науку вошло уравнение, ныне известное как уравнение Лапласа.
Результаты данной работы Эйлер существенно обобщил в трактате «Общие принципы движения жидкостей» (1755). Здесь он — уже для случая сжимаемой идеальной жидкости — представил (практически в современных обозначениях) уравнение неразрывности и уравнения движения (три скалярных дифференциальных уравнения, которым в векторной записи соответствует уравнение Эйлера — основное уравнение гидродинамики идеальной жидкости). Эйлер отметил, что для замыкания данной системы из четырёх уравнений нужно определяющее соотношение, позволяющее выразить давление p (его Эйлер называл «упругостью») как функцию плотности q и «другого свойства r, которое влияет на упругость» (фактически имелась в виду температура). Обсуждая возможность существования не потенциальных движений несжимаемой жидкости, Эйлер привёл первый конкретный пример вихревого её течения, а для потенциальных движений такой жидкости получил первый интеграл — частный случай известного ныне интеграла Лагранжа — Коши.
К тому же году относится и мемуар Эйлера «Общие принципы состояния равновесия жидкостей», в котором содержалось систематическое изложение гидростатики идеальной жидкости (включая вывод общего уравнения равновесия жидкостей и газов) и была выведена барометрическая формула для изотермической атмосферы.
В перечисленных работах Эйлер, записывая уравнения движения и равновесия жидкости, принимал за независимые пространственные переменные декартовы координаты текущего положения материальной частицы — переменные Эйлера (впервые такие переменные в гидродинамике использовал Даламбер). Позднее, в работе «О принципах движения жидкостей. Раздел второй» (1770) Эйлер ввёл и вторую форму уравнений гидродинамики, в которой за независимые пространственные переменные принимались декартовы координаты положения материальной частицы в начальный момент времени (известные сейчас как переменные Лагранжа).
Дальним родственником радиально-осевых турбин считается турбина Фурнерона изобретенная в 1826 году. и в последствии усовершенствованная Бойденом в 1844 г. Ее коэффициент полезного действия (КПД) достигал 80 процентов, что в то время считалось большим прорывом и привело к массовому использованию гидротурбин этого типа (В оригинале, это была первая промышленная турбина в мире). Особенностью турбины Фурнерона было расположение устройства направляющего поток воды – внутри рабочего колеса, а не снаружи как у остальных собратьев.
Радиально-осевую турбину изобрел Американец Джеймс Френсис (отсюда и название: Турбина Френсиса, Рисунок 1). При всём при этом, он не только предложил турбину, но и разработал целую систему расчетов, а так-же провел целый ряд гидравлических испытаний. Гидротурбина Френсиса многократно совершенствовалась и свой настоящий вид приобрела в конце 19 века, после того как немецким инженером Финком были доработаны поворотные лопатки управляющего потоком аппарата.
Гидротурбины Френсиса почти моментально получили распространение во всём мире; причем, они использовались как на больших так и при небольших напорах (что сейчас не практикуется). К примеру, гидротурбины такого типа установлены и на Волховской ГЭС, приблизительный напор которой составляет около 11 метров. В наше время при таких напорах воды ставят как правило поворотно-лопастные турбины.
Радиально-осевые турбины название своё заимели от направления струи воды в ней. Колесо гидротурбины состоит из опорной ступицы, верхнего и нижнего обода, и лопаток, неподвижно закреплённых к ободам. Рабочие колеса изготавливаются сварными (Что чаще всего) либо цельно отлитыми. Рабочее колесо, не содержащее движущихся деталей, имеемт очень высокую прочность, что даёт возможность использовать гидротурбину при высоких напорах. Однако, неподвижно зафиксированные лопатки приводят к возникновению зон с достаточно низким КПД.
Джеймс также стал очарованным и переделал турбинные проекты, после того, как Юрайа А. Бойден сначала продемонстрировал свою турбину Бойдена в Лоуэлле. Эти два инженера работали над улучшением турбины. И в 1848, Фрэнсис и Бойден успешно улучшили турбину с тем, что теперь известно как турбина Фрэнсиса. Турбина Фрэнсиса затмила турбину Бойдена во власти на 90%. В 1855 Фрэнсис издал эти результаты в «Лоуэлле Гидравлические Эксперименты».
Рисунок 1 Гидротурбина Френсиса
Ковшовая турбина (струйно-ковшовая турбина, Рисунок 2) — активная гидравлическая турбина, используемая при очень больших напорах. Широко известна также как «турбина Пелтона» в честь американского изобретателя Лестера А. Пелтона.
Рисунок 2 Гидротурбина Пельтона
Ковшовые турбины конструктивно сильно отличаются от наиболее распространённых реактивных гидротурбин (радиально-осевых, поворотно-лопастных), у которых рабочее колесо находится в потоке воды. В ковшовых турбинах вода подаётся через сопла по касательной к окружности, проходящей через середину ковша. При этом вода, проходя через сопло, формирует струю, летящую с большой скоростью и ударяющую о лопатку турбины, после чего колесо проворачивается, совершая работу. После отклонения одной лопатки под струю подставляется другая. Процесс использования энергии струи происходит при атмосферном давлении, а производство энергии осуществляется только за счёт кинетической энергии воды. Лопатки турбины имеют двояковогнутую форму с острым лезвием посередине; задача лезвия — разделять струю воды с целью лучшего использования энергии и предотвращения быстрого разрушения лопаток. На рабочем колесе может быть установлено до 40 лопаток.
Рабочее колесо с лопатками может быть установлено как на горизонтальном, так и на вертикальном валу. При горизонтальном расположении вала, к каждому рабочему колесу может подводиться до двух форсунок; поскольку пропускная способность каждой форсунки ограничена, при больших расходах воды применяют установку на одном валу двух рабочих колёс либо используют вертикальную турбину. К последней может подводиться до шести форсунок. Скорость потока воды из форсунок зависит от напора и может достигать значительных величин, порядка 500—600 км/ч. Скорость вращения турбины также весьма велика, до 3000 об.мин.
Патент на ковшовую турбину был выдан американскому инженеру А. Пелтону в 1889 году.
Ковшовые гидротурбины применяются при напорах более 200 метров (чаще всего 300—500 метров и более), при расходах до 100 м³/с. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200—250 МВт и более. При напорах до 700 метров ковшовые турбины конкурируют с радиально-осевыми, при больших напорах их использование безальтернативно. Как правило, ГЭС с ковшовыми турбинами построены по деривационной схеме, поскольку получить столь значительные напоры при помощи плотины проблематично.
Ковшовые турбины очень часто применяются на малых ГЭС, сооружаемых на небольших реках с большими падениями в горных районах.
Преимуществами ковшовых турбин является возможность использования очень больших напоров, а также небольших расходов воды. Недостатки турбины — неэффективность при небольших напорах, невозможность использования как насоса, высокие требования.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему