Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

 По такому принципу работает колесо реактивной гидротурбины. 
 По такому принципу работает колесо активной гидротурбины. 
С тех пор прошло более ста лет.
За это время инженеры всех стран много поработали над водяной турбиной.
Особенное значение водяная турбина получила тогда, когда наука открыла способы использования электрической энергии превращением ее в энергию механическую. Оказалось, что водяную турбину можно применить для вращения машин, вырабатывающих электрический ток. Так появились первые гидроэлектростанции.
Современная водяная турбина, конечно, не похожа на «сегнерово колесо», и работает она тоже не совсем так.
Современные гидротурбины строятся двух типов. Первый тип турбин — активные.
Вернемся несколько назад и посмотрим на рисунок верхнебойного водяного колеса. Почему оно вращается? Потому, что вода своей тяжестью опускает одну лопасть за другой. Вода сливается с той же стороны колеса, с которой к нему подводится.
Но попробуем теперь создать колесо с лопастями, встречающими как бы в лоб струю воды.
Эта струя образуется оттого, что перед колесом вода пропускается через специальную направляющую трубу. Струя воды попадает на вогнутые лопасти, скользит вдоль них и сливается в центральную часть колеса. Такое колесо уже будет вращаться не потому, что падающая вода своей тяжестью (верхнебойное колесо) или текущая вода силой течения (нижнебойное колесо) увлекает за собой лопасти.
Здесь на вогнутых лопастях происходит замедление скорости вытекающей струи, меняется ее направление и струя отдает свою энергию колесу, давя на лопасти, толкая их. Такое колесо целиком не заполнено водой, вращается в воздухе.
Один из распространенных типов активной турбины — «ковшовая турбина». Вода по направляющей трубе подводится к колесу, лопасти которого выполнены в виде ковшиков, и заставляет колесо вращаться. Силу давления струи, а значит, и мощность турбины, можно регулировать «иглой», то есть большой пробкой. Этой пробкой-иглой прикрывают или открывают отверстие, через которое бьет струя. Чем отверстие будет больше, тем и количество протекающей воды окажется больше, а значит, — и струя сильнее.
 «Ковшовая» активная турбина. 
Такие турбины строятся сейчас на большие мощности и устанавливаются там, где вода на турбину падает с большой высоты. Так, сейчас на Металлическом заводе в Ленинграде строится ковшовая турбина мощностью в 65 тысяч киловатт для напора в 680 метров. С высоты в 2/3 километра будет падать вода на лопасти этой турбины.
Весьма распространенными водяными двигателями являются гидротурбины другого типа — реактивные. Принцип работы этих современных гидротурбин имеет много общего с принципом «сегнерова колеса». Их устройство, однако, не напоминает сосуда с отогнутыми трубками.
 Реактивная гидротурбина с вертикальным валом. Вода поступает вначале в спиральную камеру, окружающую направляющий аппарат, и затем — через каналы между неподвижными лопатками направляющего аппарата на рабочее колесо турбины. Лопасти колеса имеют специальную форму, вода проходит по суживающимся каналам и сливается вдоль вертикальной оси вниз, во всасывающую трубу. Лопатки направляющего аппарата можно поворачивать с помощью специального механизма, который называется сервомотором. Этим суживаются или расширяются каналы направляющего аппарата и меняется количество воды, пропускаемое на рабочее колесо, а значит — и мощность турбины. 
На рисунке показана схема лопастной реактивной турбины. Ее колесо имеет так же, как и колесо активной турбины, множество лопастей специальной формы. Вокруг колеса помещается неподвижный металлический пояс, направляющий аппарат, разделенный перегородками на каналы особой формы. Вода поступает сразу во все каналы кожуха (как показано стрелками) и движется вдоль каналов сразу на все лопасти колеса.
Обратите внимание, как эти лопасти устроены: они выгнуты так, что проход между ними суживается к центру колеса. Кроме того, «узкие горлышки» оказываются направленными не по радиусу, а как бы отогнутыми в сторону от него. Вот и получается, что вода, попадая на колесо, проходит но суживающимся каналам между лопастями, постепенно ускоряясь, а выходит она с лопастей под некоторым углом к радиусу, вызывая тот же эффект, что и в «сегнеровом колесе»: как бы отталкиваясь от лопастей, вода их вращает. И чем больше вода «разгоняется» в суживающихся каналах лопастей, тем больше та реактивная сила, которая отталкивает колесо, вращает его. Так как поступление и истечение воды идет непрерывно, — колесо непрерывно вращается. При этом всё колесо всегда залито водой.
Можно подводить воду и так, что ось колеса будет вертикальной, как это делается, например, в турбине Днепровской гидроэлектростанции.
Весьма большое распространение получил еще один вид реактивных гидротурбин — пропеллерные, и прежде всего с поворачивающимися лопастями.
Такими турбинами оборудуется сейчас Куйбышевская и другие гидроэлектростанции.
Пропеллерная турбина имеет вертикальный вал, заканчивающийся втулкой, напоминающей головку снаряда. Ко втулке прикрепляется несколько пропеллерных лопастей (крыльев), причем с помощью специального механизма допускается поворот лопастей вокруг своей оси, так что они могут принимать разный угол наклона. Вода на такое колесо падает сверху, проходя через каналы направляющего аппарата. Когда вода скользит по винтовым поверхностям лопастей, она их отталкивает и тем самым вращает вал гидротурбины.
Поворотное устройство для лопастей сделано потому, что для получения разных мощностей требуется разное количество воды, а при этом и разный угол наклона лопастей, при котором данное количество лучше всего используется турбиной. Тогда вода будет экономно расходоваться, а турбина всегда будет работать с высоким коэффициентом полезного действия.
Поворотное устройство усложняет и удорожает турбину, поэтому его делают только для мощных турбин. Для турбин малых, которые ставят, например, на колхозных электростанциях, используют пропеллерные турбины без поворотного устройства лопастей.
Коэффициент полезного действия лучших современных гидравлических турбин доходит до 94 %, то есть почти вся энергия падающей воды используется для получения механической работы вращения. Размеры крупных современных гидротурбин очень велики. Так, например, диаметр рабочего колеса поворотно-лопастной турбины мощностью в 100 тысяч киловатт равен 9 метрам.
Современные гидротурбины — это сложные металлические сооружения. В Советском Союзе производство гидротурбин было начато в 1924 году.
Первые турбины обладали мощностью в 50—100 киловатт (68—136 лошадиных сил). Их мощность была в 10–20 раз выше мощности обычного водяного колеса.
 Рабочее колесо с поворачивающимися лопастями пропеллерной гидротурбины Куйбышевской ГЭС. 
Но наша промышленность недолго задерживалась на таких турбинах. Уже в 1927 году гидротурбины стали выпускать мощностью в 3700 киловатт (5032 лошадиных силы), а в 1930–1933 годах до 15 000 киловатт (20 400 лошадиных сил).
Казалось бы, если один водяной двигатель — турбина — дает свыше 20 000 лошадиных сил в то время, как простое водяное колесо дает всего 5–6 лошадиных сил, — это ли не вершина техники?
Нет, это еще была далеко не вершина.
К 1941 году наша советская промышленность уже освоила по тому времени самые мощные в мире поворотно-лопастные турбины по 70 000 киловатт (95 200 лошадиных сил).