υδροστρόβιλοι

Εκμεταλλεύονται την ενέργεια των υδατοπτώσεων για να δώσουν μηχανική ενέργεια. Αποτελούνται από δύο βασικά όργανα: τον διανομέα (σταθερό) και το στροφέα (κινητό). Οι υδροστρόβιλοι κατατάσσονται με διάφορα κριτήρια, από τα οποία το σημαντικότερο διακρίνει τους σ. «δράσης» (η ενέργεια του νερού στην έξοδο του διανομέα είναι ολοκληρωτικά κινητική) και τους σ. «αντίδρασης» (αυτό συμβαίνει μερικώς). Ο πρώτος ονομάζεται και σ. «ελεύθερης ροής» ή «με συμμετρικά πτερύγια» ή Πέλτον, από το όνομα του Αμερικανού Λέστερ Άλεν Πέλτον (1829-1908), ο οποίος τον επινόησε το 1880. Ο σ. αυτός χρησιμοποιείται ακόμα με διάφορες τελειοποιήσεις. Ο δεύτερος λέγεται «εξαναγκασμένης ροής» ή με «ασύμμετρα πτερύγια» και αντιστοιχεί στους τύπους «Φράνσις», από το όνομα του Άγγλου Τζέιμς Μπ. Φράνσις (1815-1892), που τον επινόησε το 1850, και «ελικοφόρο», μια παραλλαγή του «Φράνσις». Οι σ. διακρίνονται επίσης σε «αξονικούς» ή «ακτινωτούς», αν το νερό κινείται μέσα στο στροφέα κατά μήκος του άξονα περιστροφής ή κάθετα προς αυτόν, δηλαδή ακτινωτά. Άλλη κατάταξη διακρίνει σ. για χαμηλές υψομετρικές διαφορές (Φράνσις και ελικοφόρος), για μέσες διαφορές (Φράνσις), για υψηλές διαφορές (Πέλτον και σε μερικές περιπτώσεις Φράνσις), για υψηλότατες διαφορές (μόνο Πέλτον). Ως υψομετρική διαφορά εννοούμε το ύψος της στάθμης του νερού της λίμνης ή της διώρυγας τροφοδοσίας ως προς το σ. Οι ελικοφόροι σ. είναι κατάλληλοι για υψομετρικές διαφορές όχι μεγαλύτερες των 10 μ. και για μεγάλες παροχές, οι σ. Φράνσις για χαμηλές και μέσες διαφορές (ως 400 μ.) και μέσες παροχές, οι σ. Πέλτον για υψομετρικές διαφορές και πάνω των 2.000 μ. με πολύ μικρές παροχές (όχι μεγαλύτερες των 5 κ.μ. ανά δευτ.). Για κάθε σ. ισχύει ένας «ειδικός» αριθμός στροφών, δηλαδή ο αριθμός των στροφών που θα έκανε ο στροφέας με διαφορά 1 μ. για να δώσει ισχύ 1 ίππου. Ο αριθμός αυτός μεταβάλλεται από 1.000-1.500 στροφές στο λεπτό για τους ελικοφόρους, έως 15-60 για τους Πέλτον. Οι μέγιστες ισχείς των σ. αντίδρασης κυμαίνονται γύρω στους 150.000 ίππους, ενώ για τους Πέλτον περίπου στους 170.000 ίππους. Η ολική απόδοση των μηχανών αυτών κυμαίνεται μεταξύ 85% και 92%, ανάλογα με τον τύπο του στροβίλου και την ακρίβεια της κατασκευής του. Υδροστρόβιλοι αντίδρασης (Φράνσις και ελικοφόρος). Αποτελούνται από έναν πτερυγωτό τροχό (στροφέα), ο οποίος περιβάλλεται από μια στεφάνη με σταθερά πτερύγια (διανομέας)· ανάμεσα από τα δύο, οι αγωγοί που σχηματίζονται από δύο συνεχόμενα πτερύγια έχουν διατομή, που μειώνεται από τα έξω προς τα μέσα, έτσι ώστε επιταχύνεται η κίνηση του νερού, ενώ ελαττώνεται η πίεσή του. Προκύπτει έτσι, είτε στο διανομέα είτε στο στροφέα, η μετατροπή σε κινητική ενέργεια ενός μέρους της δυναμικής ενέργειας που αντιστοιχεί στην υψομετρική διαφορά. Η διαφορά με τον σ. δράσης είναι ότι στον τελευταίο όλη η ενέργεια της υψομετρικής διαφοράς μετατρέπεται σε κινητική στην έξοδο του διανομέα· στο σ. αντίδρασης, αυτό γίνεται κατά ένα μέρος στο διανομέα και το υπόλοιπο στο στροφέα. Ονομάζουμε «βαθμό αντίδρασης» το λόγο μεταξύ της ποσότητας ενέργειας που μετατρέπεται στο στροφέα και της ενέργειας που είναι ολικά διαθέσιμη στην υψομετρική διαφορά. Στους σ. δράσης ο βαθμός αντίδρασης είναι μηδενικός. Στους σ. αντίδρασης κυμαίνεται από 0,3 στους Φράνσις και για υψηλές υψομετρικές διαφορές σε 0,7 για τους υπερταχείς ελικοφόρους. Η μέγιστη θεωρητική απόδοση πετυχαίνεται σ’ ένα βαθμό αντίδρασης 0,5. Οι ελικοφόροι σ. είναι μια παραλλαγή των Φράνσις και λύνουν το πρόβλημα των μικρών υψομετρικών διαφορών: όταν η υψομετρική διαφορά είναι μικρή, για να πετύχουμε μια χρήσιμη ισχύ, πρέπει να αυξήσουμε πολύ την παροχή του νερού και συνεπώς τον αριθμό των στροφών. Με τις στροφές αυξάνεται και η σχετική ταχύτητα του νερού στο στροφέα και από εκεί αυξάνονται οι απώλειες από τριβή και τελικά ελαττώνεται η απόδοση. Ο ελικοφόρος σ. διορθώνει αυτό το μειονέκτημα με ελάττωση της επιφάνειας που βρέχεται από το νερό, περιορίζοντας, δηλαδή, τον αριθμό και το μήκος των πτερύγιων. Μεγάλο ελάττωμα των ελικοφόρων σ. είναι ότι έχουν μία καμπύλη απόδοσης πολύ αιχμηρή, όταν η παροχή είναι μεταβαλλόμενη, και συνεπώς είναι κατάλληλοι μόνο όπου η παροχή είναι σταθερή. Όπου η παροχή είναι μεταβλητή, χρησιμοποιείται ειδικός ελικωτός σ., ονομαζόμενος «Κάπλαν», ο οποίος μπορεί να ρυθμίσει ταυτόχρονα τα πτερύγια του διανομέα και του στροφέα. Προσανατολίζοντας κατάλληλα τα πτερύγια του στροφέα μπορούμε να προσαρμόσουμε τη διατομή των αγωγών στην παροχή του νερού την οποία θέλουμε να εκμεταλλευτούμε. Ο σ. Κάπλαν έχει το μειονέκτημα να είναι αρκετά ακριβός και γι’ αυτό χρησιμοποιείται μόνο όπου υπάρχουν συνθήκες ανταποκρινόμενες στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Στρόβιλοι δράσης (Πέλτον). Είναι κατάλληλοι για υψηλές υψομετρικές διαφορές και μικρές παροχές. Το νερό φτάνει στον τροχό από ένα αγωγό εξαναγκασμένης ροής και υποχρεώνεται να περάσει από έναν διανομέα με σχήμα φιάλης, από τον οποίο εξέρχεται ένας πίδακας νερού πολύ υψηλής ταχύτητας και μηδενικής πίεσης. Η ενέργεια πίεσης που αντιστοιχεί στην υψομετρική διαφορά μετατρέπεται έτσι σε κινητική ενέργεια στην έξοδο του στομίου, το οποίο έχει κωνική μορφή και ονομάζεται «ακροφύσιο». Τα ακροφύσια μπορεί να είναι περισσότερα από έναν, έως έξι ανά τροχό. Αν ο τροχός έχει οριζόντιο άξονα, τα ακροφύσια είναι το πολύ δύο. Τα πτερύγια είναι συμμετρικά, σε σχήμα διπλού κοχλιάριου. Ο πίδακας χτυπά την κεντρική ακμή της ένωσης και χωρίζεται σε δύο τμήματα. ατμοστρόβιλος. Ο πρώτος με κάποια οικονομική σημασία κατασκευάστηκε από τον Αμερικανό Ουίλιαμ Έιβερι, το 1831, και χρησιμοποιήθηκε κυρίως στην επεξεργασία του ξύλου. Στο τέλος του αιώνα ο Άγγλος Τσαρλς Πάρσονς πραγματοποίησε το σ. πολλαπλής εκτόνωσης με αντίδραση και ο Σουηδός Καρλ Ντε Λαβάλ σ. απλής εκτόνωσης με δράση. Οι αρχικές καταναλώσεις ατμού, περίπου 20 Kg ανά ωριαίο ίππο, έχουν περιοριστεί σε 2-3 Kg ατμού. Οι αναπτυσσόμενες ισχείς είναι σημαντικές και μπορούν να φτάσουν σε 240.000 KW σε μονοαξονικούς σ., και σε 360.000 KW σε πολυαξονικούς. Οι ατμοστρόβιλοι εφαρμόζονται κυρίως στους ηλεκτροπαραγωγούς σταθμούς. Τα κυριότερα μέρη που αποτελούν ένα σ., είναι: ο πτερυγωτός τροχός, το περίβλημα (ή κύλινδρος), στο εσωτερικό του οποίου περιστρέφεται ο τροχός και υπάρχουν τα σταθερά ακροφύσια, ο ρυθμιστής ταχύτητας και το σύστημα λίπανσης. Ο τροχός αποτελείται συνήθως από πολλές σειρές πτερύγιων και σε κάθε σειρά αντιστοιχεί μια σειρά ακροφύσιων. Ο ατμός διατρέχει αδιάκοπα το εσωτερικό του σ. από σταθερά διαδοχικά ακροφύσια και κινητά πτερύγια και έτσι η κινητήρια ροπή είναι σταθερή. Επειδή η μοναδική κινούμενη μάζα είναι ο τροχός, η μηχανή απαλλάσσεται από ταλαντώσεις και έχει τη δυνατότητα να εκμεταλλευτεί σημαντικές παροχές ατμού. Οι ατμοστρόβιλοι ταξινομούνται σε σ. δράσης, αντίδρασης και μεικτούς. Στους πρώτους, η εκτόνωση του ατμού, η μετατροπή δηλαδή της πίεσής του σε ταχύτητα, γίνεται τελείως στα ακροφύσια (λέγονται και «μερικής εισαγωγής», γιατί δεν είναι αναγκαίο ο πίδακας του ατμού να εισαχθεί στην εσωτερική στεφάνη των κινητών πτερύγιων). Στους σ. δια αντίδρασης, η εκτόνωση αρχίζει στα ακροφύσια και συνεχίζεται στα κινητά πτερύγια (γι’ αυτό λέγονται και σ. «ολικής εισαγωγής»), καθώς ο ατμός εισάγεται στην εσωτερική στεφάνη των κινητών πτερύγιων. Από άποψη θερμικής λειτουργίας, οι σ. διακρίνονται σε σ. ελεύθερης εκκένωσης, συμπύκνωσης και αντίθλιψης. Στους πρώτους ο ατμός εξάγεται στην ατμοσφαιρική πίεση· στους δεύτερους τοποθετείται στην εξαγωγή ένας συμπυκνωτής, με σκοπό να μειώσει την πίεση εξόδου κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση, προκαλώντας έτσι ένα κενό. Με τον τρόπο αυτό πετυχαίνεται ένα θερμικό πλεονέκτημα μεγαλύτερο από εκείνο που θα προέκυπτε αν αυξανόταν η αρχική πίεση. Στους σ. αντίθλιψης, ο ατμός εξάγεται μεγαλύτερος από την ατμοσφαιρική πίεση και αυτό κάνει τους συγκεκριμένους σ. κατάλληλους, όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ο ατμός, και για άλλους βιομηχανικούς σκοπούς. αεριοστρόβιλοι. Βασίζονται στην αρχή των ατμοστρόβιλων, αλλά στους αεριοστρόβιλους η σειρά των τροχών με τα πτερύγια θέτονται σε περιστροφή από θερμά αέρια που παράγονται από καύση σε κατάλληλους θαλάμους. Ο αέρας παρέχεται στο θάλαμο (ή στους θαλάμους) καύσης υπό πίεση και συμπιέζεται με κατάλληλους περιστροφικούς συμπιεστές, οι οποίοι είναι στερεωμένοι στον άξονα του ίδιου του σ. Ο αεριοστρόβιλος τείνει να αντικαταστήσει τους παλινδρομικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης, γιατί εξαλείφει τα μειονεκτήματα που προκύπτουν από την παλινδρομική κίνηση των μαζών. Ανάλογα με τον τύπο του κύκλου, οι σ. αυτοί διακρίνονται σε σ. «ανοιχτού κύκλου» και σε σ. «κλειστού κύκλου». Στους πρώτους, τα καπναέρια, αφού παραχωρήσουν την ωθητική ενέργεια τους στα πτερύγια του σ., εξάγονται στην ατμόσφαιρα και χάνονται. Στη δεύτερη περίπτωση δεν ωθούν τα πτερύγια του σ. τα καπναέρια της καύσης, αλλά η καύση γίνεται σ’ ένα ρεύμα αέρα και καύσιμου χωριστού από το ρεύμα του κινητήριου ρευστού, το οποίο δέχεται από το πρώτο τη θερμότητα μέσω ενός εναλλάκτη: το κινητήριο ρευστό δεν εξάγεται στην ατμόσφαιρα, αλλά, αφού ψυχθεί, επανακυκλοφορεί στη μηχανή. Τα πλεονεκτήματα του κλειστού κύκλου είναι: μπορούμε να φτάσουμε υψηλές πιέσεις σε όλο το κύκλωμα και συνεπώς να μειώσουμε το βάρος του σ. Μπορούμε να ρυθμίσουμε την ισχύ, ρυθμίζοντας την πίεση του κινητήριου ρευστού, χωρίς να μεταβάλουμε τον ρυθμό της καύσης. Οι σ. κλειστού κύκλου είναι κατάλληλοι για τη χρησιμοποίηση της πυρηνικής ενέργειας. Οι σ. ανοιχτού κύκλου διακρίνονται με τη σειρά τους σε σ. υπό «σταθερό όγκο» και σε σ. υπό «σταθερή πίεση». Οι πρώτοι δεν χρησιμοποιούνται πια. Στους δεύτερους η μηχανή διατρέχεται από μια συνεχή ροή ρευστού με σταθερή πίεση στα διάφορα σημεία του συστήματος του αεριοστροβίλου. Η απόδοση των αεριοστρόβιλων είναι χαμηλότερη από την απόδοση των κινητήρων Ντήζελ. Είναι δυνατό να αυξηθεί, αν επανακτήσουν τη θερμότητα των αερίων στην εξαγωγή μ’ έναν εναλλάκτη θερμότητας ή «αναγεννητή», με τον οποίο προθερμαίνεται ο αέρας πριν από την καύση, αλλά η προθέρμανση αυτή θα απαιτούσε πολλά επιπλέον καύσιμα. Οι αεριοστρόβιλοι εφαρμόζονται στην αεροναυτική και στη βιομηχανία, στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στην κίνηση συρμών, αυτοκίνητων και πλοίων. Οι δύο κυριότεροι τύποι των στροβιλοκινητήρων που εφαρμόζονται στα αεροσκάφη είναι ο στροβιλοαντιδραστήρας και ο στροβιλοκινητήρας.