Бенуа Фурнейрон

Бенуа Фурнейрон (фр. Benoît Fourneyron; 31 октября 1802, Сент-Этьен — 8 апреля 1867, Париж) — французский инженер-гидротехник, изобретатель первой практически применимой радиально-осевой гидротурбины (турбины Фурнейрона). Его работы заложили основы современной гидроэнергетики и позволили значительно повысить коэффициент полезного действия водяных двигателей по сравнению с традиционными водяными колёсами.

История

Предпосылки изобретения

К началу XIX века водяные колёса оставались основным источником механической энергии для промышленности, однако их эффективность была ограничена. Верхнебойные колёса имели КПД до 60–70 %, но требовали значительного перепада высот. Нижнебойные колёса, работавшие на потоке воды, были менее эффективны (КПД около 20–30 %). Развитие текстильной и металлургической промышленности во Франции требовало более компактных и мощных двигателей, способных работать при различных гидрологических условиях.

Разработка турбины

В 1820-х годах французский инженер Клод Бурден (Claude Burdin) ввёл термин «турбина» (от лат. turbo — вихрь) и предложил теоретическую концепцию устройства, преобразующего энергию потока воды во вращательное движение. Бенуа Фурнейрон, будучи учеником Бурдена в Горной школе Сент-Этьена, занялся практической реализацией этой идеи.

В 1827 году Фурнейрон построил первую действующую модель турбины. Она представляла собой радиально-осевую машину: вода поступала через направляющий аппарат с неподвижными лопатками на рабочее колесо, закручивая его за счёт реакции струи. В 1832 году он установил более мощную турбину на металлургическом заводе в Пон-сюр-л’Оньон (департамент Верхняя Сона). Эта турбина развивала мощность около 50 лошадиных сил при КПД до 80 %, что вдвое превосходило показатели лучших водяных колёс того времени.

В 1834 году Фурнейрон запатентовал свою конструкцию. В последующие годы он усовершенствовал турбину, увеличив число лопаток и оптимизировав профиль направляющего аппарата. К 1837 году он создал турбину мощностью 150 л.с. для завода в Сент-Этьене.

Признание и распространение

Изобретение Фурнейрона получило широкое признание во Франции и за её пределами. В 1833 году он был награждён золотой медалью Французского общества поощрения промышленности. Турбины его конструкции начали применяться на текстильных фабриках, мукомольных мельницах и металлургических заводах в Европе и Северной Америке. Однако конструкция имела недостатки: она была сложна в изготовлении, требовала точной подгонки деталей и была чувствительна к загрязнению воды.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Турбина Фурнейрона относится к типу радиально-осевых (реактивных) турбин. Её ключевые компоненты:

• Направляющий аппарат: кольцо с неподвижными изогнутыми лопатками, которые закручивают поток воды и направляют его на рабочее колесо.
• Рабочее колесо: вращающаяся часть с лопатками, установленными радиально. Вода, проходя между лопатками, меняет направление движения с радиального на осевое (вниз), создавая реактивную силу, которая вращает колесо.
• Вал: передаёт вращение от рабочего колеса к механизмам (например, к генератору или станку).
• Отводящий патрубок: отводит отработанную воду в нижний бьеф.

Принцип работы

Вода под напором поступает в направляющий аппарат, где её скорость увеличивается, а поток закручивается. Затем вода попадает на лопатки рабочего колеса. За счёт изменения направления скорости (с радиального на осевое) возникает реактивная сила, вращающая колесо. Энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения вала. КПД турбины Фурнейрона достигал 75–80 %, что было значительным достижением для своего времени.

Сравнение с водяными колёсами

Турбина Фурнейрона позволяла получать большую мощность при меньших размерах и более высоких оборотах, что делало её удобной для привода машин и электрогенераторов.

Применение

Промышленность

Турбины Фурнейрона использовались на текстильных фабриках (например, в Мюлузе), металлургических заводах (в Сент-Этьене и Ле-Крёзо), а также на мукомольных мельницах. Они обеспечивали механическую энергию для станков, молотов и насосов.

Гидроэлектростанции

Хотя в первой половине XIX века электричество ещё не было широко распространено, турбины Фурнейрона стали прототипом для последующих гидротурбин, используемых на ГЭС. В 1880-х годах, с развитием электрогенераторов, именно реактивные турбины легли в основу первых гидроэлектростанций.

Влияние на развитие гидроэнергетики

Последователи

Конструкция Фурнейрона была усовершенствована другими инженерами. В 1840-х годах американец Джеймс Фрэнсис (James B. Francis) создал радиально-осевую турбину с улучшенной геометрией лопаток, которая стала известна как турбина Фрэнсиса. Она до сих пор является одним из самых распространённых типов гидротурбин в мире. В 1850-х годах француз Жан-Виктор Понселе (Jean-Victor Poncelet) разработал свою версию турбины, но именно работа Фурнейрона считается отправной точкой.

Наследие

Изобретение Фурнейрона позволило эффективно использовать энергию воды в местах, где водяные колёса были неприменимы. Это способствовало индустриализации Франции и других стран. В честь инженера назван кратер на Луне (Fourneyron) и турбинный завод в его родном Сент-Этьене.

Интересные факты

• Фурнейрон не только изобрёл турбину, но и занимался проектированием железных дорог. В 1840-х годах он участвовал в строительстве линии Париж — Лион — Средиземное море.
• Первая турбина Фурнейрона имела диаметр рабочего колеса всего 30 см, но при напоре 4,5 м развивала мощность 6 л.с.
• В 1837 году турбина Фурнейрона была установлена на заводе в Швейцарии, что стало одним из первых примеров экспорта французской гидротехнологии.

Источники

• Fourneyron, Benoît // Encyclopædia Britannica, 11th edition, 1911.
• Benoît Fourneyron // Dictionnaire des inventeurs français, 1996.
• Hydraulic Turbines // A History of Technology, Vol. IV, Oxford University Press, 1958.
• La turbine hydraulique de Benoît Fourneyron // Musée des Arts et Métiers, Paris.
• Benoît Fourneyron (1802–1867) // Annales des Mines, 1867.