Развитие турбин в первой половине XIX в
К началу XX в. в практике закрепились в основном два типа турбин: радиально-осевая реактивная турбина и колесо Пельтона. Глубокие изменения во' взглядах на возможности гидроэнергетики произошли в связи с опытами, поставленными во время Лауффен-Франкфуртской выставки 1891 г. С этого момента началась новая эра в области генерирования электрической энергии на гидравлических электростанциях. Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, который означал число оборотов данного типа турбины при напоре 1 м и мощности 1 л. с. В первых радиально-осевых турбинах этот коэффициент равнялся 60—70, а к концу XIX в. он возрос До 320. Некоторые инженеры пытались доказать, что коэффициент быстроходности ни при каких условиях не может быть больше 350, но практика опрокинула эти предположения. В целях повышения коэффициента быстроходности стали стремиться распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и Вертикальные турбины сдвоенного типа. Но это был не единственный путь к повышению коэффициента быстроходности, в 1914 г. проф. Дубе (Швейцария) доказал, что значительном увеличении зазора между направляющем аппаратом и рабочим колесом и одновременном Уменьшении длины лопаток рабочего колеса можно довести коэффициент быстроходности до 500 в обыкновенной (несдвоенной) турбине. Но при рабочем колесе с неподвижными лопатками при такой реконструкции нельзя было сохранить высокий к. п. д. Решительный прогресс в отношении коэффициента быстроходности был достигнут в 1914—1 1916 гг., когда проф. В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.
Гидравлические турбины, предложенные Капланом для низконапорных установок, в процессе своего развития прошли две формы. Вначале согласно патенту 1913 г. эта турбина имела устройство, показанное на. В этом оформлении между выходными ребрами направляющего аппарата и входными ребрами рабочего колеса имелось большое незанятое пространство; лопатки (416 шт.) были очень короткими в направлении движения воды; водному потоку в турбине предоставлялась гораздо большая свобода, чем в других турбинах, и уменьшались гидравлические потери, что приводило к повышению коэффициента быстроходности. Концы лопаток в этом типе турбины Кап-лана были связаны общим ободом, как это имело место и в турбинах предшествующих типов. Стремясь устранить всякие детали, могущие усложнить прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в патенте 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1 ООО, к. п. д. имел значение 0,8—0,82 при полном открытии турбины, которое регулировалось поворотными лопатками направляющего аппарата. Однако испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу к. п. д. Pe3J ко падает. Вследствие этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. Изменение поворота лопаток вначале производилось от руки, а затем было автоматизировано и связано с работой поворотных лопаток направляющего аппарата, которые регулировались также автоматически. В окончательном виде турбина перестала снижать к. п. д. при неполном подводе и стала получать все более широкое применение на практике. В настоящее время турбины этого типа носят общее название поворотнолопастных и строятся крупнейшими заводами гидроэнергомашиностроительной промышленности.
В связи с переходом к быстроходным типам водяных турбин пришлось столкнуться с явлением вибраций, происходящих от нарушения работы рабочего колеса вследствие кавитации. Так назвали появление в некоторых местах на поверхности лопаток пустот, заполненных водяным испарением; эти испарения происходили при низкой температуре и низких давлениях, а особенно сильная кавита-Пия наблюдалась именно в лопастях поворотнолопастной турбины. Изучение этой проблемы привело к построению Лопаток такой формы, что кавитация была устранена, и в турбинах с высоким коэффициентом быстроходности вибраций не наблюдалось.