W. Garret Skeife
W. Garrett Scaife, Trinity College, Δουβλίνο
Μέχρι τα τέλη του περασμένου αιώνα, η βιομηχανική επανάσταση είχε φτάσει σε ένα σημείο καμπής στην ανάπτυξή της. Ενάμιση αιώνα νωρίτερα, οι ατμομηχανές είχαν βελτιωθεί σημαντικά - μπορούσαν να λειτουργούν με οποιοδήποτε τύπο καυσίμου και να θέσουν σε κίνηση μια μεγάλη ποικιλία μηχανισμών. Μεγάλη επιρροή στη βελτίωση του σχεδιασμού των ατμομηχανών είχε ένα τέτοιο τεχνικό επίτευγμα όπως η εφεύρεση του δυναμό, που κατέστησε δυνατή την απόκτηση ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες ποσότητες. Καθώς αυξανόταν η ανθρώπινη ζήτηση για ενέργεια, αυξανόταν και το μέγεθος των ατμομηχανών, έως ότου οι διαστάσεις τους περιορίστηκαν από περιορισμούς στη μηχανική αντοχή. Για περαιτέρω ανάπτυξηχρειάζεται βιομηχανία νέος τρόποςαπόκτηση μηχανικής ενέργειας.
Αυτή η μέθοδος εμφανίστηκε το 1884, όταν ο Άγγλος Charles Algernon Parsons (1854-1931) εφηύρε την πρώτη στροβιλογεννήτρια κατάλληλη για βιομηχανική χρήση. Δέκα χρόνια αργότερα, ο Πάρσονς άρχισε να μελετά τη δυνατότητα εφαρμογής της εφεύρεσής του στα οχήματα. Αρκετά χρόνια σκληρής δουλειάς απέδωσαν καρπούς: το στροβιλοκίνητο ατμόπλοιο «Turbinia» έφτασε σε ταχύτητα 35 κόμβων - περισσότερο από οποιοδήποτε πλοίο του Βασιλικού Ναυτικού. Σε σύγκριση με τις παλινδρομικές ατμομηχανές, οι τουρμπίνες είναι πιο συμπαγείς και απλούστερες. Ως εκ τούτου, με την πάροδο του χρόνου, όταν η ισχύς και η απόδοση τουρμπίνες να αυξηθούν σημαντικά
lis, αντικατέστησαν τους κινητήρες προηγούμενων σχεδίων. Επί του παρόντος, οι ατμοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς ως ηλεκτροκινητήρες. ηλεκτρικό ρεύμα. Όσο για τη χρήση ατμοστροβίλων ως κινητήρων για επιβατηγά πλοία, τότε η αδιαίρετη κυριαρχία τους τερματίστηκε στο πρώτο μισό του αιώνα μας, όταν οι πετρελαιοκινητήρες διαδόθηκαν. Ο σύγχρονος ατμοστρόβιλος κληρονόμησε πολλά από τα χαρακτηριστικά της πρώτης μηχανής που εφευρέθηκε από τον Parsons.
Αντιδραστικό και ενεργών αρχώνκάτω από τη λειτουργία ενός ατμοστρόβιλου. Το πρώτο από αυτά χρησιμοποιήθηκε στη συσκευή "eolipila" ( ΕΝΑ), που εφευρέθηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας: η σφαίρα στην οποία βρίσκεται ο ατμός περιστρέφεται λόγω της δράσης των δυνάμεων αντίδρασης που προκύπτουν όταν ο ατμός φεύγει από τους κοίλους σωλήνες. Στη δεύτερη περίπτωση ( σι) ο πίδακας ατμού που κατευθύνεται προς τις λεπίδες εκτρέπεται και λόγω αυτού ο τροχός περιστρέφεται. πτερύγια στροβίλου ( Με) εκτρέπει επίσης τον πίδακα ατμού. Επιπλέον, περνώντας μεταξύ των λεπίδων, ο ατμός διαστέλλεται και επιταχύνεται και οι δυνάμεις αντίδρασης που προκύπτουν σπρώχνουν τις λεπίδες.
Η λειτουργία ενός ατμοστρόβιλου βασίζεται σε δύο αρχές δημιουργίας μιας περιφερειακής δύναμης στον ρότορα, γνωστή από την αρχαιότητα - αντιδραστική και ενεργή. Πίσω στο 130 π.Χ. Ο Ήρωας της Αλεξάνδρειας εφηύρε μια συσκευή που ονομάζεται αιολιπίλη. Ήταν μια κούφια σφαίρα γεμάτη με ατμό με δύο ακροφύσια σχήματος L που βρίσκονται αντίθετες πλευρέςκαι εστάλη σε διαφορετικές πλευρές. Ο ατμός έρεε έξω από τα ακροφύσια με υψηλή ταχύτητα και λόγω των δυνάμεων αντίδρασης που προέκυψαν, η σφαίρα άρχισε να περιστρέφεται.
Η δεύτερη αρχή βασίζεται στη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του ατμού σε κινητική ενέργεια, η οποία κάνει χρήσιμη εργασία. Μπορεί να απεικονιστεί με το παράδειγμα της μηχανής του Giovanni Branchi, που κατασκευάστηκε το 1629. Σε αυτό το μηχάνημα, ένας πίδακας ατμού έθεσε σε κίνηση έναν τροχό με κουπιά, που θυμίζει τροχό νερόμυλου.
Ο ατμοστρόβιλος χρησιμοποιεί και τις δύο αυτές αρχές. Ένας πίδακας ατμού υψηλής πίεσης κατευθύνεται σε κυρτά πτερύγια (παρόμοια με τα πτερύγια ανεμιστήρα) που είναι τοποθετημένα σε δίσκο. Όταν ρέει γύρω από τις λεπίδες, ο πίδακας εκτρέπεται και ο δίσκος με τις λεπίδες αρχίζει να περιστρέφεται. Μεταξύ των λεπίδων, ο ατμός διαστέλλεται και επιταχύνει την κίνησή του: ως αποτέλεσμα, η ενέργεια πίεσης του ατμού μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια.
Οι πρώτοι στρόβιλοι, όπως το μηχάνημα του Branca, δεν μπορούσαν να αναπτύξουν επαρκή ισχύ, καθώς οι λέβητες ατμού δεν μπορούσαν να δημιουργήσουν υψηλή πίεση. Οι πρώτες ατμομηχανές που λειτουργούσαν των Thomas Savery, Thomas Newcomen και άλλων δεν χρειάζονταν ατμό υψηλής πίεσης. Ατμός χαμηλή πίεσημετατόπισε τον αέρα κάτω από το έμβολο και συμπυκνώθηκε, δημιουργώντας ένα κενό. Έμβολο υπό δράση ατμοσφαιρική πίεσηκάτω για να κάνει χρήσιμη δουλειά. Η εμπειρία στην κατασκευή και χρήση ατμολεβήτων για αυτές τις λεγόμενες ατμοσφαιρικές μηχανές οδήγησε σταδιακά τους μηχανικούς να σχεδιάσουν λέβητες ικανούς να δημιουργούν και να διατηρούν πιέσεις πολύ μεγαλύτερες από την ατμοσφαιρική πίεση.
Με την εμφάνιση της δυνατότητας απόκτησης ατμού υψηλής πίεσης, οι εφευρέτες στράφηκαν και πάλι στον στρόβιλο. Έχουν δοκιμαστεί διάφορες σχεδιαστικές επιλογές. Το 1815, ο μηχανικός Richard Trevithick προσπάθησε να εγκαταστήσει δύο ακροφύσια στο χείλος του τροχού μιας μηχανής ατμομηχανής και να περάσει μέσα από αυτά τον ατμό από έναν λέβητα. Το σχέδιο του Trevithick απέτυχε. Ένα πριονιστήριο που κατασκευάστηκε το 1837 από τον William Avery στις Συρακούσες της Νέας Υόρκης, βασίστηκε σε μια παρόμοια αρχή. Μόνο στην Αγγλία για 100 χρόνια, από το 1784 έως το 1884, κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας 200 εφευρέσεις, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο που σχετίζονται με τουρμπίνες, και περισσότερες από τις μισές από αυτές τις εφευρέσεις καταχωρήθηκαν σε μια εικοσαετία - από το 1864 έως το 1884.
Καμία από αυτές τις προσπάθειες δεν οδήγησε σε βιομηχανικά χρησιμοποιήσιμο μηχάνημα. Εν μέρει, αυτές οι αστοχίες οφείλονταν σε άγνοια των φυσικών νόμων που περιγράφουν τη διαστολή του ατμού. Η πυκνότητα του ατμού είναι πολύ μικρότερη από την πυκνότητα του νερού και η «ελαστικότητά» του είναι πολύ μεγαλύτερη, επομένως η ταχύτητα του πίδακα ατμού στους ατμοστρόβιλους είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του νερού στους υδροστρόβιλους, την οποία έπρεπε να κάνουν οι εφευρέτες. ασχολούμαι με. Διαπιστώθηκε ότι η αποτελεσματικότητα ο στρόβιλος γίνεται μέγιστη όταν η ταχύτητα των πτερυγίων είναι περίπου ίση με τη μισή ταχύτητα του ατμού. Ως εκ τούτου, οι πρώτοι στρόβιλοι είχαν πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής.
Μεγάλος αριθμόςο τζίρος ήταν η αιτία ενός αριθμού ανεπιθύμητες επιπτώσεις, μεταξύ των οποίων σημαντικό ρόλο έπαιξε ο κίνδυνος καταστροφής περιστρεφόμενων τμημάτων υπό τη δράση φυγόκεντρων δυνάμεων. Η ταχύτητα περιστροφής του στροβίλου θα μπορούσε να μειωθεί αυξάνοντας τη διάμετρο του δίσκου στον οποίο ήταν στερεωμένα τα πτερύγια. Ωστόσο, αυτό δεν κατέστη δυνατό. Η ροή ατμού στις πρώιμες συσκευές δεν θα μπορούσε να είναι μεγάλη, πράγμα που σημαίνει ότι η διατομή της εξόδου δεν μπορούσε να είναι μεγάλη. Για το λόγο αυτό, οι πρώτοι πειραματικοί στρόβιλοι είχαν μικρή διάμετρο και κοντά πτερύγια.
Ένα άλλο πρόβλημα που σχετίζεται με τις ιδιότητες του ατμού ήταν ακόμη πιο δύσκολο. Η ταχύτητα του ατμού που διέρχεται από το ακροφύσιο αλλάζει ανάλογα με την αναλογία της πίεσης εισόδου προς την πίεση εξόδου. Η μέγιστη ταχύτητα στο συγκλίνον ακροφύσιο επιτυγχάνεται, ωστόσο, σε λόγο πίεσης περίπου δύο. μια περαιτέρω αύξηση της πτώσης πίεσης δεν επηρεάζει πλέον την αύξηση της ταχύτητας του πίδακα. Έτσι, οι σχεδιαστές δεν μπορούσαν να εκμεταλλευτούν πλήρως τις δυνατότητες του ατμού υψηλής πίεσης: υπήρχε ένα όριο στην ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύτηκε στον ατμό υψηλής πίεσης που μπορούσε να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια και να μεταφερθεί στις λεπίδες. Το 1889, ο Σουηδός μηχανικός Carl Gustav de Laval χρησιμοποίησε ένα ακροφύσιο που διαστέλλεται στην έξοδο. Ένα τέτοιο ακροφύσιο κατέστησε δυνατή την απόκτηση πολύ υψηλότερων ταχυτήτων ατμού και ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα του ρότορα στον στρόβιλο Laval αυξήθηκε σημαντικά.
Ο Parsons δημιούργησε ένα θεμελιωδώς νέο σχέδιο τουρμπίνας. Διακρίνονταν από χαμηλότερη ταχύτητα περιστροφής και ταυτόχρονα αξιοποιούσε στο έπακρο την ενέργεια του ατμού. Αυτό επιτεύχθηκε λόγω του γεγονότος ότι στον στρόβιλο Parsons, ο ατμός επεκτεινόταν σταδιακά καθώς περνούσε από 15 στάδια, καθένα από τα οποία ήταν ένα ζευγάρι κορώνες λεπίδων: το ένα ήταν στερεωμένο (με πτερύγια οδηγούς στερεωμένα στο περίβλημα του στροβίλου), το άλλο ήταν κινητό (με πτερύγια ρότορα).σε δίσκο τοποθετημένο σε περιστρεφόμενο άξονα). Οι λεπίδες των σταθερών και κινητών στεφάνων ήταν προσανατολισμένες σε αντίθετες κατευθύνσεις, δηλ. έτσι ώστε αν και οι δύο κορώνες ήταν κινητές, τότε ο ατμός θα τις έκανε να περιστρέφονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
Οι κορώνες των πτερυγίων του στροβίλου ήταν χάλκινοι δακτύλιοι με πτερύγια στερεωμένα σε σχισμές υπό γωνία 45°. Οι κινητές κορώνες στερεώνονταν στον άξονα, οι σταθερές αποτελούνταν από δύο μισά άκαμπτα συνδεδεμένα με το σώμα (το πάνω μισό του σώματος αφαιρέθηκε).
Εναλλασσόμενα κινητά και σταθερά χείλη των λεπίδων ( ΕΝΑ) ρυθμίστε την κατεύθυνση κίνησης του ατμού. Περνώντας ανάμεσα στις σταθερές λεπίδες, ο ατμός επεκτάθηκε, επιταχύνθηκε και κατευθύνθηκε προς τις κινούμενες λεπίδες. Και εδώ, ο ατμός επεκτάθηκε, δημιουργώντας μια δύναμη που ώθησε τις λεπίδες. Η κατεύθυνση της κίνησης του ατμού φαίνεται σε ένα από τα 15 ζεύγη κορώνων ( σι).
Ο ατμός που κατευθύνεται προς τις σταθερές λεπίδες επεκτεινόταν στα κανάλια των ενδιάμεσων λεπίδων, η ταχύτητά του αυξήθηκε και εκτρέπεται έτσι ώστε να πέφτει πάνω στις κινητές λεπίδες και να τις αναγκάζει να περιστρέφονται. Στα ενδιάμεσα κανάλια των κινητών λεπίδων, ο ατμός επεκτάθηκε επίσης, ένας επιταχυνόμενος πίδακας δημιουργήθηκε στην έξοδο και η προκύπτουσα αντιδραστική δύναμη ώθησε τις λεπίδες.
Με πολλές κινητές και σταθερές ζάντες λεπίδας, η υψηλή ταχύτητα περιστροφής έγινε περιττή. Σε καθεμία από τις 30 ζάντες του στροβίλου πολλαπλών σταδίων Parsons, ο ατμός επεκτάθηκε ελαφρά, χάνοντας μέρος της κινητικής του ενέργειας. Σε κάθε στάδιο (ζεύγος κορώνων), η πίεση έπεσε μόνο κατά 10% και μέγιστη ταχύτηταο ατμός ως αποτέλεσμα αποδείχθηκε ίσος με το 1/5 της ταχύτητας του πίδακα σε έναν στρόβιλο με ένα στάδιο. Ο Πάρσονς πίστευε ότι με τέτοιες μικρές πτώσεις πίεσης, ο ατμός μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ελαφρώς συμπιεστό υγρό, παρόμοιο με το νερό. Αυτή η υπόθεση του έδωσε τη δυνατότητα υψηλό βαθμόακρίβεια για υπολογισμούς ταχύτητας ατμού, απόδοση. τουρμπίνες και σχήματα πτερυγίων. Η ιδέα της σταδιακής διαστολής του ατμού, η οποία στηρίζει το σχεδιασμό των σύγχρονων στροβίλων, ήταν μόνο μία από τις πολλές πρωτότυπες ιδέες που ενσάρκωσε ο Parsons.
Ο στρόβιλος είναι ένας κινητήρας στον οποίο η ενέργεια του νερού, του ατμού και του αερίου μετατρέπεται σε μηχανική εργασίαμέσω της περιστροφικής κίνησης του ρότορα. Στον στρόβιλο, ένας πίδακας νερού ή ατμού δρα σε ειδικά στοιχεία - τα πτερύγια, και τα θέτει σε κίνηση. Τα πτερύγια βρίσκονται σε όλη την περιφέρεια του ρότορα.
Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής νερού, ατμού ή αερίου μέσω του στροβίλου, χωρίζονται σε αξονικές - όταν η ροή κινείται παράλληλα με τον άξονα του στροβίλου και ακτινικά - η ροή κινείται κάθετα προς τον άξονα.
Ο στρόβιλος χρησιμοποιείται σε έδαφος, αέρα και θαλάσσιες μεταφορέςως αναπόσπαστο μέρος του κινητήρα, που αυξάνει την ισχύ του. Ο στρόβιλος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας, όπου χρησιμεύει ως κίνηση για μια ηλεκτρική γεννήτρια.
Από την αρχαιότητα έχουν γίνει επανειλημμένες προσπάθειες δημιουργίας διάφορες επιλογέςτουρμπίνες. Η περιγραφή μιας τουρμπίνας ατμού, που σχεδιάστηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας τον 1ο αιώνα μ.Χ., έφτασε μέχρι τις μέρες μας. Αλλά μόνο στα τέλη του 19ου αιώνα, όταν το επίπεδο της θερμοδυναμικής, της μεταλλουργίας και της μηχανολογίας έφτασε στα απαιτούμενα ύψη, ο Charles Parsons και ο Gustaf Laval εφηύραν ανεξάρτητα τους πρώτους ατμοστρόβιλους κατάλληλους για παραγωγή.
Παρακάτω, με χρονολογική σειρά, ακολουθεί μια σύντομη ιστορία της δημιουργίας διαφόρων τύπων στροβίλων.
Ο 1ος αιώνας μ.Χ. είναι η παλαιότερη σωζόμενη τεκμηριωμένη μαρτυρία της δημιουργίας ατμοστρόβιλου από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας. Δυστυχώς, αυτή η εφεύρεση θεωρείται από καιρό ως παιχνίδι και το πλήρες δυναμικό αυτής της τουρμπίνας δεν έχει διερευνηθεί πλήρως.
1500 - Ο Λεονάρντο ντα Βίντσι θεωρούσε στα σχέδιά του τη λεγόμενη "ομπρέλα καπνού", η αρχή της οποίας ήταν η εξής: η φωτιά ζέστανε τον αέρα, ο οποίος στη συνέχεια ανέβαινε μέσα από τις λεπίδες που συνδέονται μεταξύ τους. Αυτές οι λεπίδες περιστρέφουν μια συμβατική σούβλα ψησίματος.
1551 - Ο Tagi-al-Din κατασκεύασε έναν ατμοστρόβιλο που χρησιμοποιήθηκε ως πηγή ενέργειας για μια αυτοπεριστρεφόμενη σούβλα.
1629 - Ο Ιταλός μηχανικός Giovanni Branca δημιούργησε έναν μύλο που δούλευε λόγω του γεγονότος ότι ένας ισχυρός πίδακας ατμού περιστράφηκε έναν στρόβιλο και η περιστροφική κίνηση μεταδόθηκε από τον στρόβιλο στο γρανάζι - τον κινούμενο μηχανισμό.
1678 - Ο Φλαμανδός επιστήμονας Ferdinand Verbiest ανέπτυξε το πρώτο αυτοκινούμενο όχημαβασίζεται σε ατμομηχανή. Ωστόσο, δεν υπάρχουν στοιχεία που να υποστηρίζουν ότι κατασκευάστηκε πραγματικά.
1791 - Ο Άγγλος John Barber ανέπτυξε έναν πραγματικό αεριοστρόβιλο για να οδηγεί ένα αμαξίδιο χωρίς άλογα και έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την εφεύρεσή του.
1872 - Ο Ούγγρος εφευρέτης Franz Stoltz δημιούργησε τον πρώτο κινητήρα αεριοστροβίλου.
1890 - Ο Σουηδός μηχανικός και εφευρέτης Gustaf de Laval εφηύρε ένα ακροφύσιο που είχε σχεδιαστεί για να παρέχει ατμό σε μια τουρμπίνα. Στη συνέχεια, έλαβε το όνομά του και χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα για τον ίδιο σκοπό.
1894 - Ο Άγγλος Τσαρλς Πάρσονς έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την ιδέα ενός πλοίου - ενός ατμόπλοιου, το οποίο κινείται από έναν ατμοστρόβιλο. Αυτή η αρχή έλξης χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα.
1895 - Τρεις γεννήτριες ακτινικής ροής Parsons τεσσάρων τόνων με χωρητικότητα 100 kW εγκαταστάθηκαν στον ηλεκτρικό σταθμό του Cambridge, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τον ηλεκτρικό φωτισμό των δρόμων της πόλης.
1903 - Ο Νορβηγός Edgidius Elling κατασκεύασε τον πρώτο αεριοστρόβιλο ικανό να παράγει ακόμη περισσότερη ενέργεια από αυτή που χρειαζόταν για τη λειτουργία του. Εκείνη την εποχή, αυτό θεωρήθηκε ως ένα σοβαρό επίτευγμα, γιατί τότε δεν είχαν ιδέα για τη θερμοδυναμική. Ένας τέτοιος αεριοστρόβιλος παρήγαγε 11 ίππους. χρησιμοποιώντας περιστροφικούς συμπιεστές.
1913 - Ο Νίκολα Τέσλα έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τον στρόβιλο Tesla του με βάση το φαινόμενο του οριακού στρώματος.
1918 - Η General Electric, τώρα ένας από τους κορυφαίους κατασκευαστές στροβίλων, ξεκίνησε τη δική της παραγωγή για περαιτέρω πωλήσεις αεριοστροβίλων.
1920 - Ο Άγγλος μηχανικός Άλαν Άρνολντ Γκρίφιθ άλλαξε τη θεωρία της ροής αερίου στη θεωρία της ροής αερίου σε μια αεροδυναμική επιφάνεια, η οποία ήταν πιο επισημοποιημένη και εφαρμόσιμη στις τουρμπίνες.
1930 - Ο Άγγλος σχεδιαστής μηχανικός Frank Whittle έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν γενικό αεριοστρόβιλο σχεδιασμένο για αεριωθούμενη πρόωση. Ένας κινητήρας με τέτοιο στρόβιλο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά τον Απρίλιο του 1937.
1934 - Ο Αργεντινός μηχανικός Raul Pateras Pescara κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια νέα εφεύρεση - έναν εμβολοφόρο κινητήρα που είναι μια γεννήτρια για έναν αεριοστρόβιλο.
1936 - Οι Γερμανοί σχεδιαστές Max Hahn και Hans von Ohain ανέπτυξαν και κατοχύρωσαν το δικό τους νέο κινητήρα αεριοστροβίλου στη Γερμανία. Το ανέπτυξαν ταυτόχρονα με τον Frank Whittle στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Η εφεύρεση των ατμοστρόβιλων.
Μαζί με τους υδραυλικούς στρόβιλους που περιγράφηκαν σε ένα από τα προηγούμενα κεφάλαια, μεγάλη αξίαγια την ενέργεια και τον ηλεκτρισμό είχε η εφεύρεση και η διανομή των ατμοστροβίλων. Η αρχή της λειτουργίας τους ήταν παρόμοια με τα υδραυλικά, με τη διαφορά, ωστόσο, ότι ο υδραυλικός στρόβιλος κινούνταν από πίδακα νερού και ο ατμοστρόβιλος κινούνταν από πίδακα θερμαινόμενου ατμού. Με τον ίδιο τρόπο που ο υδροστρόβιλος αντιπροσώπευε μια νέα λέξη στην ιστορία των μηχανών νερού, η ατμομηχανή έδειξε τις νέες δυνατότητες της ατμομηχανής.
Η παλιά μηχανή Watt, η οποία γιόρτασε τα εκατό χρόνια της στο τρίτο τέταρτο του 19ου αιώνα, είχε χαμηλή απόδοση, αφού η περιστροφική κίνηση αποκτήθηκε σε αυτήν με πολύπλοκο και παράλογο τρόπο. Στην πραγματικότητα, όπως θυμόμαστε, ο ατμός δεν κινούσε τον ίδιο τον περιστρεφόμενο τροχό εδώ, αλλά πίεσε το έμβολο, από το έμβολο μέσω της ράβδου, της μπιέλας και του στρόφαλου, η κίνηση μεταδόθηκε στον κύριο άξονα. Ως αποτέλεσμα πολυάριθμων μεταφορών και μετασχηματισμών, ένα τεράστιο μέρος της ενέργειας που λαμβάνεται από την καύση του καυσίμου, με την πλήρη έννοια της λέξης, πέταξε έξω στον σωλήνα χωρίς κανένα όφελος. Πάνω από μία φορά, οι εφευρέτες προσπάθησαν να σχεδιάσουν μια απλούστερη και πιο οικονομική μηχανή - έναν ατμοστρόβιλο, στον οποίο ένας πίδακας ατμού θα περιστρέφει απευθείας την πτερωτή. Ένας απλός υπολογισμός έδειξε ότι θα έπρεπε να έχει απόδοση αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τη μηχανή του Watt. Ωστόσο, υπήρχαν πολλά εμπόδια στον δρόμο της μηχανικής σκέψης. Για να γίνει ένας στρόβιλος πραγματικά ένας κινητήρας υψηλής απόδοσης, η πτερωτή έπρεπε να περιστρέφεται με πολύ υψηλή ταχύτητα, κάνοντας εκατοντάδες στροφές ανά λεπτό. Για πολύ καιρόδεν μπορούσαν να το πετύχουν αυτό, αφού δεν ήξεραν πώς να μεταδώσουν την κατάλληλη ταχύτητα στον πίδακα ατμού.
Το πρώτο σημαντικό βήμα για την ανάπτυξη ενός νέου τεχνικά μέσα, που εκτόπισε την ατμομηχανή, κατασκευάστηκε από τον Σουηδό μηχανικό Carl Gustav Patrick Laval το 1889. Ο ατμοστρόβιλος Laval είναι ένας τροχός με πτερύγια. Ένας πίδακας νερού που σχηματίζεται στο λέβητα ξεσπά από τον σωλήνα (στόμιο), πιέζει τις λεπίδες και περιστρέφει τον τροχό. Πειραματιζόμενος με διαφορετικούς σωλήνες ημέρας ατμού, ο σχεδιαστής κατέληξε στο συμπέρασμα ότι θα έπρεπε να έχουν σχήμα κώνου. Έτσι εμφανίστηκε το ακροφύσιο Laval, το οποίο χρησιμοποιήθηκε μέχρι την εποχή μας.
Μόλις το 1883 ο Σουηδός Gustav Laval κατάφερε να ξεπεράσει πολλές δυσκολίες και να δημιουργήσει τον πρώτο ατμοστρόβιλο που λειτουργεί. Λίγα χρόνια νωρίτερα, η Laval είχε αποκτήσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για διαχωριστή γάλακτος. Για να γίνει πράξη, χρειαζόταν μια πολύ γρήγορη κίνηση. Κανένας από τους τότε υπάρχοντες κινητήρες δεν ικανοποίησε το έργο. Ο Λαβάλ ήταν πεπεισμένος ότι μόνο μια τουρμπίνα ατμού θα μπορούσε να του δώσει απαιτούμενη ταχύτηταπεριστροφή. Άρχισε να εργάζεται για τον σχεδιασμό του και τελικά πέτυχε αυτό που ήθελε. Ο στρόβιλος Laval ήταν ένας ελαφρύς τροχός, στα πτερύγια του οποίου, μέσω αρκετών τοποθετήθηκαν κάτω οξεία γωνίατα ακροφύσια έβγαζαν ατμό. Το 1889, ο Laval βελτίωσε σημαντικά την εφεύρεσή του προσθέτοντας κωνικούς διαστολείς στα ακροφύσια. Αυτό αύξησε σημαντικά την απόδοση του υδροστρόβιλου και τον μετέτρεψε σε κινητήρα γενικής χρήσης.
Η αρχή λειτουργίας της τουρμπίνας ήταν εξαιρετικά απλή. Ο ατμός θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, ήρθε από το λέβητα μέσω του σωλήνα ατμού στα ακροφύσια και έσκασε. Στα ακροφύσια, ο ατμός επεκτάθηκε στην ατμοσφαιρική πίεση. Λόγω της αύξησης του όγκου που συνοδεύει αυτήν την επέκταση, σημειώθηκε σημαντική αύξηση του ρυθμού εκροής (κατά την επέκταση από 5 σε 1 ατμόσφαιρα, η ταχύτητα του πίδακα ατμού έφτασε τα 770 m/s). Έτσι, η ενέργεια που περιείχε ο ατμός μεταφέρθηκε στα πτερύγια του στροβίλου. Ο αριθμός των ακροφυσίων και η πίεση του ατμού καθόρισαν την ισχύ του στροβίλου. Όταν ο ατμός της εξάτμισης δεν απελευθερωνόταν απευθείας στον αέρα, αλλά στάλθηκε, όπως στις ατμομηχανές, σε συμπυκνωτή και υγροποιήθηκε σε μειωμένη πίεση, η ισχύς του στροβίλου ήταν η υψηλότερη. Έτσι, όταν ο ατμός διαστέλλεται από 5 ατμόσφαιρες στο 1/10 της ατμόσφαιρας, η ταχύτητα του πίδακα φτάνει σε μια υπερηχητική τιμή.
Παρά την φαινομενική απλότητά του, ο στρόβιλος Laval ήταν ένα πραγματικό θαύμα της μηχανικής. Αρκεί να φανταστεί κανείς τα φορτία που βίωσε η φτερωτή σε αυτό για να καταλάβει πόσο δύσκολο ήταν για τον εφευρέτη να επιτύχει αδιάκοπη λειτουργία από τους απογόνους του. Σε τεράστιες ταχύτητες του τροχού της τουρμπίνας, ακόμη και μια μικρή μετατόπιση στο κέντρο βάρους προκάλεσε ισχυρό φορτίο στον άξονα και υπερφόρτωση των ρουλεμάν. Για να αποφευχθεί αυτό, η Laval σκέφτηκε να βάλει τον τροχό σε έναν πολύ λεπτό άξονα, ο οποίος, όταν περιστραφεί, θα μπορούσε να λυγίσει ελαφρά. Όταν δεν έστριψε, έφτασε σε μια αυστηρά κεντρική θέση, η οποία στη συνέχεια συγκρατήθηκε με οποιαδήποτε ταχύτητα περιστροφής. Χάρη σε αυτή την έξυπνη λύση, η καταστροφική επίδραση στα ρουλεμάν μειώθηκε στο ελάχιστο.
Μόλις εμφανίστηκε, ο στρόβιλος Laval κέρδισε την παγκόσμια αναγνώριση. Ήταν πολύ πιο οικονομικό από τις παλιές ατμομηχανές, πολύ εύκολο στο χειρισμό, καταλάμβανε λίγο χώρο και ήταν εύκολο στην εγκατάσταση και τη σύνδεση. Ο στρόβιλος Laval έδωσε ιδιαίτερα μεγάλα οφέλη όταν συνδέθηκε με μηχανήματα υψηλής ταχύτητας: πριόνια, διαχωριστές, φυγοκεντρικές αντλίες. Χρησιμοποιήθηκε επίσης με επιτυχία ως κίνηση για μια ηλεκτρική γεννήτρια, αλλά παρόλα αυτά, γι 'αυτό, είχε υπερβολικά υψηλή ταχύτητα και επομένως μπορούσε να ενεργήσει μόνο μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων (σύστημα γραναζωτοί τροχοί, το οποίο μείωσε την ταχύτητα περιστροφής όταν η κίνηση μεταφέρθηκε από τον άξονα του στροβίλου στον άξονα της γεννήτριας).
Το 1884, ο Άγγλος μηχανικός Parson έλαβε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν αεριοστρόβιλο πολλαπλών σταδίων, τον οποίο εφηύρε ειδικά για να οδηγεί μια ηλεκτρική γεννήτρια. Το 1885, σχεδίασε έναν αεριοστρόβιλο πολλαπλών σταδίων, ο οποίος αργότερα χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Είχε την παρακάτω συσκευή, που θύμιζε συσκευή αεριοστροβίλου. Μια σειρά περιστρεφόμενων τροχών με λεπίδες ήταν τοποθετημένη στον κεντρικό άξονα. Ανάμεσα σε αυτούς τους τροχούς βρίσκονταν σταθερές ζάντες (δίσκοι) με λεπίδες που είχαν αντίθετη φορά. ατμός κάτω μεγάλη πίεσησυνδέεται στο ένα άκρο του στροβίλου. Η πίεση στο άλλο άκρο ήταν μικρή (λιγότερη από την ατμοσφαιρική). Ως εκ τούτου, ο ατμός επεδίωξε να περάσει μέσα από τον στρόβιλο. Πρώτα, έδρασε στα κενά μεταξύ των ωμοπλάτων του πρώτου στέμματος. Αυτές οι λεπίδες το κατεύθυναν προς τις λεπίδες του πρώτου κινητού τροχού. Ανάμεσά τους πέρασε ατμός με αποτέλεσμα οι τροχοί να γυρίσουν. Μετά μπήκε στο δεύτερο στέμμα. Οι λεπίδες της δεύτερης κορώνας κατεύθυναν τον ατμό μεταξύ των λεπίδων του δεύτερου κινητού τροχού, ο οποίος επίσης περιστρεφόταν. Από τον δεύτερο κινητό τροχό έρεε ατμός ανάμεσα στις λεπίδες της τρίτης κορώνας κ.ο.κ. Σε όλα τα πτερύγια δόθηκε ένα τέτοιο σχήμα ώστε η διατομή των διαύλων μεταξύ των πτερυγίων μειώθηκε προς την κατεύθυνση της ροής του ατμού. Οι λεπίδες, όπως ήταν, σχημάτισαν ακροφύσια τοποθετημένα στον άξονα, από τα οποία, διαστέλλοντας, έρεε ο ατμός. Εδώ χρησιμοποιήθηκε τόσο ενεργός όσο και άεργος ισχύς. Περιστρέφοντας, όλοι οι τροχοί περιέστρεψαν τον άξονα του στροβίλου. Εξωτερικά, η συσκευή ήταν κλεισμένη σε ένα ισχυρό περίβλημα. Το 1889, περίπου τριακόσιες από αυτές τις τουρμπίνες χρησιμοποιήθηκαν ήδη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το 1899 κατασκευάστηκε η πρώτη μονάδα παραγωγής ενέργειας με ατμοστρόβιλους Parson στο Elberfeld. Εν τω μεταξύ, ο Πάρσον προσπάθησε να επεκτείνει το εύρος της εφεύρεσής του. Το 1894, κατασκεύασε ένα πειραματικό σκάφος "Turbinia" που κινούνταν από ατμοστρόβιλο. Στις δοκιμές, έδειξε ταχύτητα ρεκόρ 60 km/h. Μετά από αυτό, άρχισαν να εγκαθίστανται ατμοστρόβιλοι σε πολλά πλοία υψηλής ταχύτητας.
Μια μονάδα ατμοστροβίλου είναι μια θερμική μονάδα συνεχούς λειτουργίας, της οποίας το μέσο εργασίας είναι το νερό και ο ατμός. Ένας ατμοστρόβιλος είναι μια μηχανή ισχύος στην οποία η δυναμική ενέργεια του ατμού μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια και η κινητική ενέργεια, με τη σειρά της, μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια της περιστροφής του ρότορα. Ρότορας στροβίλου απευθείας ή μέσω τρένο εργαλείωνσυνδεδεμένο με τη μηχανή εργασίας. Ανάλογα με τον σκοπό της μηχανής εργασίας, ένας ατμοστρόβιλος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών: στην ενέργεια, στις μεταφορές, στη ναυσιπλοΐα στη θάλασσα και στο ποτάμι κ.λπ. Περιλαμβάνει ατμοστρόβιλο και βοηθητικό εξοπλισμό.
Ιστορία της τουρμπίνας ατμού
Η λειτουργία ενός ατμοστρόβιλου βασίζεται σε δύο αρχές δημιουργίας μιας περιφερειακής δύναμης στον ρότορα, γνωστή από την αρχαιότητα - αντιδραστική και ενεργή. Πίσω στο 130 π.Χ. Ο Ήρωας της Αλεξάνδρειας εφηύρε μια συσκευή που ονομάζεται αιολιπίλη. Σύμφωνα με το σχήμα 2.1, ήταν μια κούφια σφαίρα γεμάτη ατμό με δύο ακροφύσια σχήματος L που βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές και κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ο ατμός έρεε έξω από τα ακροφύσια με υψηλή ταχύτητα και λόγω των δυνάμεων αντίδρασης που προέκυψαν, η σφαίρα περιστράφηκε.
Η δεύτερη αρχή βασίζεται στη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του ατμού σε κινητική ενέργεια. Μπορεί να απεικονιστεί με το παράδειγμα της μηχανής του Giovanni Branca, που κατασκευάστηκε το 1629 και φαίνεται στο σχήμα 2.2. Σε αυτό το μηχάνημα, ένας πίδακας ατμού έβαλε σε κίνηση έναν τροχό με κουπιά, που θυμίζει τον τροχό ενός νερόμυλου.
Ο ατμοστρόβιλος χρησιμοποιεί και τις δύο αυτές αρχές. Ένας πίδακας ατμού υπό υψηλή πίεση κατευθύνεται σε καμπύλες λεπίδες που είναι τοποθετημένες σε δίσκους. Όταν ρέει γύρω από τις λεπίδες, ο πίδακας εκτρέπεται και ο δίσκος με τις λεπίδες αρχίζει να περιστρέφεται. Κινούμενος μεταξύ των λεπίδων σε ένα διαστελλόμενο κανάλι (άλλωστε το πάχος των λεπίδων μειώνεται καθώς πλησιάζει το στέλεχος), ο ατμός διαστέλλεται και επιταχύνεται. Σύμφωνα με τους νόμους της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής, μια δύναμη δρα στον τροχό του στροβίλου, περιστρέφοντάς τον. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια πίεσης (δυναμική ενέργεια) του ατμού μετατρέπεται στην κινητική ενέργεια της περιστροφής του στροβίλου.
Οι πρώτοι στρόβιλοι, όπως και το μηχάνημα του Branca, είχαν περιορισμένη ισχύ, επειδή οι λέβητες ατμού δεν μπορούσαν να δημιουργήσουν υψηλή πίεση. Μόλις κατέστη δυνατή η απόκτηση ατμού υψηλής πίεσης, οι εφευρέτες στράφηκαν ξανά στον στρόβιλο. Το 1815, ο μηχανικός Ρίτσαρντ Τρέβιθικ τοποθέτησε δύο ακροφύσια στο χείλος του τροχού μιας ατμομηχανής και διέσχισε τον ατμό μέσω αυτών. Σε παρόμοια αρχή βασίστηκε και το πριονιστήριο που κατασκευάστηκε το 1837 από τον Αμερικανό William Avery. Μόνο στην Αγγλία για 20 χρόνια, από το 1864 έως το 1884, κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας περισσότερες από εκατό εφευρέσεις, με τον έναν ή τον άλλον τρόπο που σχετίζονται με τουρμπίνες. Καμία όμως από αυτές τις προσπάθειες δεν είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας μηχανής κατάλληλης για τη βιομηχανία.
Εν μέρει, αυτές οι αποτυχίες οφείλονταν σε παρανόηση της φυσικής της διαστολής ατμού. Το γεγονός είναι ότι η πυκνότητα του ατμού είναι πολύ μικρότερη από την πυκνότητα του νερού και η "ελαστικότητα" του είναι πολύ μεγαλύτερη από την ελαστικότητα του υγρού, επομένως η ταχύτητα του πίδακα ατμού σε τουρμπίνες ατμού είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του νερού σε υδροστρόβιλους. Πειραματικά διαπιστώθηκε ότι η αποτελεσματικότητα Ο στρόβιλος φτάνει στο μέγιστο όταν η περιφερειακή ταχύτητα των πτερυγίων είναι περίπου η μισή από την ταχύτητα του πίδακα ατμού. Αυτός είναι ο λόγος που οι πρώτες τουρμπίνες είχαν πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής.
Αλλά μια υψηλή ταχύτητα περιστροφής συχνά οδηγούσε στην καταστροφή των περιστρεφόμενων τμημάτων του στροβίλου λόγω της δράσης των φυγόκεντρων δυνάμεων. Μια μείωση της γωνιακής ταχύτητας διατηρώντας την περιφερειακή ταχύτητα θα μπορούσε να επιτευχθεί αυξάνοντας τη διάμετρο του δίσκου στον οποίο είχαν προσαρτηθεί οι λεπίδες. Ωστόσο, ήταν δύσκολο να υλοποιηθεί αυτή η ιδέα, καθώς η ποσότητα του ατμού υψηλής πίεσης που παρήχθη δεν ήταν αρκετή για το μηχάνημα. μεγάλο μέγεθος. Από αυτή την άποψη, οι πρώτοι πειραματικοί στρόβιλοι είχαν μικρή διάμετρο και κοντά πτερύγια.
Ένα άλλο πρόβλημα που σχετίζεται με τις ιδιότητες του ατμού ήταν ακόμη πιο δύσκολο. Η ταχύτητα του ατμού που διαφεύγει από το ακροφύσιο είναι ανάλογη με την αναλογία των πιέσεων στην είσοδο και την έξοδο του ακροφυσίου και φθάνει στη μέγιστη τιμή του σε αναλογία πίεσης περίπου δύο. Μια περαιτέρω αύξηση της πτώσης πίεσης δεν οδηγεί πλέον σε αύξηση της ταχύτητας του πίδακα. Έτσι, οι σχεδιαστές δεν μπορούσαν να εκμεταλλευτούν πλήρως τον ατμό υψηλής πίεσης όταν χρησιμοποιούν ακροφύσιο σταθερής ή κωνικής οπής.
Το 1889, ο Σουηδός μηχανικός Carl Gustav de Laval χρησιμοποίησε ένα ακροφύσιο που διαστέλλεται στην έξοδο. Ένα τέτοιο ακροφύσιο κατέστησε δυνατή την απόκτηση πολύ μεγαλύτερης ταχύτητας ατμού και ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα του στροβίλου αυξήθηκε επίσης σημαντικά.
Το σχήμα 2.4 δείχνει έναν ατμοστρόβιλο Laval. Σε αυτό, ο ατμός εισέρχεται στο ακροφύσιο, αποκτά σημαντική ταχύτητα σε αυτό και κατευθύνεται προς τα πτερύγια εργασίας που βρίσκονται στο χείλος του δίσκου του στροβίλου. Όταν ο πίδακας ατμού περιστρέφεται στα κανάλια των πτερυγίων εργασίας, προκύπτουν δυνάμεις που περιστρέφουν τον δίσκο και τον άξονα του στροβίλου που σχετίζεται με αυτόν. Απαιτούνται πολύ υψηλοί ρυθμοί ροής ατμού για την παραγωγή της απαιτούμενης ισχύος σε έναν στρόβιλο ενός σταδίου. Με την αλλαγή της διαμόρφωσης του διογκούμενου ακροφυσίου, ήταν δυνατό να επιτευχθεί σημαντικός βαθμός διαστολής ατμού και, κατά συνέπεια, υψηλή ταχύτητα (1200 ... 1500 m / s) εκροής ατμού.
Για να αξιοποιήσει καλύτερα τις υψηλές ταχύτητες ατμού, η Laval ανέπτυξε ένα σχέδιο δίσκου που μπορούσε να αντέξει περιφερειακές ταχύτητες έως και 350 m/s και η ταχύτητα ορισμένων στροβίλων έφτασε τα 32.000 min-1.
Οι στρόβιλοι στους οποίους ολόκληρη η διαδικασία διαστολής του ατμού και η σχετική επιτάχυνση της ροής του ατμού συμβαίνουν στα ακροφύσια ονομάζονται ενεργοί. Τέτοιες συσκευές, ειδικότερα, περιλαμβάνουν τον στρόβιλο Branca.
Στη συνέχεια, η βελτίωση των ενεργών ατμοστροβίλων ακολούθησε την πορεία της χρήσης διαδοχικής διαστολής ατμού σε διάφορα στάδια που βρίσκονται το ένα μετά το άλλο. Σε τέτοιους στρόβιλους, που αναπτύχθηκαν στα τέλη του περασμένου αιώνα από τον Γάλλο επιστήμονα Rato και βελτιώθηκαν από τον σχεδιαστή Celli, ένας αριθμός δίσκων που είναι τοποθετημένοι σε έναν κοινό άξονα χωρίζονται με χωρίσματα. Σε αυτά τα χωρίσματα, τοποθετήθηκαν οπές με προφίλ - ακροφύσια. Σε κάθε ένα από τα στάδια που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο, χρησιμοποιείται ένα μέρος της ενέργειας ατμού. Ο μετασχηματισμός της κινητικής ενέργειας της ροής ατμών συμβαίνει χωρίς πρόσθετη επέκτασηατμός στα κανάλια των λεπίδων εργασίας. Οι ενεργοί πολυβάθμιοι στρόβιλοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε σταθερές εγκαταστάσεις, καθώς και σε κινητήρες πλοίων.
Μαζί με τους στρόβιλους στους οποίους η ροή του ατμού κινείται περίπου παράλληλα με τον άξονα του άξονα του στροβίλου και που ονομάζονται αξονικοί στρόβιλοι, έχουν δημιουργηθεί οι λεγόμενοι ακτινικοί στρόβιλοι στους οποίους ο ατμός ρέει σε επίπεδο κάθετο στον άξονα του στροβίλου. Μεταξύ αυτού του τύπου στροβίλων, το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τουρμπίνα των αδελφών Jungström, που προτάθηκε το 1912.
Στις πλευρικές επιφάνειες των δίσκων, τα πτερύγια των σταδίων εκτόξευσης είναι διατεταγμένα σε δακτυλίους σταδιακά αυξανόμενης διαμέτρου. Ο ατμός τροφοδοτείται στον στρόβιλο μέσω σωλήνων και στη συνέχεια μέσω οπών στους δίσκους κατευθύνεται στον κεντρικό θάλαμο. Ο ατμός ρέει από αυτό προς την περιφέρεια μέσω των καναλιών των λεπίδων που είναι τοποθετημένες στους δίσκους. Σε αντίθεση με έναν συμβατικό στρόβιλο, δεν υπάρχουν σταθερά ακροφύσια ή πτερύγια οδήγησης στο σχέδιο των αδελφών Jungström. Και οι δύο δίσκοι περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις, έτσι η ισχύς που αναπτύσσεται από τον στρόβιλο μεταδίδεται σε δύο άξονες. Ο στρόβιλος του περιγραφόμενου σχεδίου αποδείχθηκε πολύ συμπαγής.
Και όμως, παρά μια σειρά νέων σχεδιαστικών λύσεων που χρησιμοποιούνται σε μονοβάθμιες ενεργές τουρμπίνες, η απόδοσή τους ήταν χαμηλή. Επιπλέον, η ανάγκη για μειωτικό γρανάζι για τη μείωση της ταχύτητας περιστροφής του άξονα μετάδοσης κίνησης της ηλεκτρικής γεννήτριας εμπόδισε την εξάπλωση των στροβίλων μίας σταδίου. Επομένως, οι τουρμπίνες Laval, στις πρώιμο στάδιοΗ κατασκευή στροβίλων, που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως ως μονάδες μικρής ισχύος (μέχρι 500 kW), έδωσε αργότερα τη θέση τους σε τουρμπίνες άλλων τύπων.
Ο Parsons δημιούργησε έναν στρόβιλο θεμελιωδώς νέου σχεδιασμού. Διακρίθηκε από χαμηλότερη ταχύτητα περιστροφής και ταυτόχρονα, η ενέργεια του ατμού χρησιμοποιήθηκε στο μέγιστο σε αυτό. Το γεγονός είναι ότι στον στρόβιλο Parsons, ο ατμός επεκτάθηκε σταδιακά καθώς περνούσε από 15 στάδια, καθένα από τα οποία αποτελούνταν από δύο κορώνες πτερυγίων: το ένα ήταν ακίνητο (με πτερύγια οδηγούς στερεωμένα στο περίβλημα του στροβίλου), το άλλο ήταν κινητό (με πτερύγια του ρότορα στο δίσκο). προσαρμοσμένα σε έναν περιστρεφόμενο άξονα). Τα επίπεδα των λεπίδων των σταθερών και κινητών στεφάνων ήταν αμοιβαία κάθετα.
Ο ατμός που κατευθυνόταν προς τις σταθερές λεπίδες επεκτεινόταν στα μεσοπλάτια κανάλια, η ταχύτητά του αυξήθηκε και όταν έπεφτε πάνω στις κινητές λεπίδες, τις έκανε να περιστρέφονται. Στα ενδιάμεσα κανάλια των κινητών λεπίδων, ο ατμός επεκτάθηκε περαιτέρω, η ταχύτητα του πίδακα αυξήθηκε και η αναδυόμενη αντιδραστική δύναμη ώθησε τις λεπίδες.
Χάρη στην εισαγωγή κινητών και σταθερών ζαντών λεπίδας, η υψηλή ταχύτητα περιστροφής έχει καταστεί περιττή. Σε καθεμία από τις τριάντα ζάντες του στροβίλου πολλαπλών σταδίων του Parsons, ο ατμός επεκτάθηκε ελαφρά, χάνοντας μέρος της κινητικής του ενέργειας. Σε κάθε στάδιο (ζεύγος κορώνων), η πίεση έπεσε μόνο κατά 10%. Η εγκατάσταση ατμού, η οποία στηρίζει τα σύγχρονα σχέδια στροβίλων, ήταν μόνο ένα από τα πολλά. πρωτότυπες ιδέεςπου ενσαρκώνει ο Πάρσονς.
Μια άλλη γόνιμη ιδέα ήταν η οργάνωση της παροχής ατμού στο μεσαίο τμήμα του άξονα. Εδώ η ροή του ατμού χωριζόταν και πήγαινε προς δύο κατευθύνσεις στο αριστερό και το δεξί άκρο του άξονα. Η ροή του ατμού και προς τις δύο κατευθύνσεις ήταν η ίδια. Ένα από τα οφέλη της διάσπασης της ροής ήταν ότι οι διαμήκεις (αξονικές) δυνάμεις λόγω της πίεσης του ατμού στα πτερύγια του στροβίλου ήταν εξισορροπημένες. Έτσι, δεν υπήρχε ανάγκη για ωστικό ρουλεμάν. Ο περιγραφόμενος σχεδιασμός χρησιμοποιείται σε πολλούς σύγχρονους ατμοστρόβιλους.
Και όμως, η πρώτη πολυβάθμια τουρμπίνα του Parsons είχε πολύ υψηλή ταχύτητα 18.000 min-1. Η φυγόκεντρος δύναμη που επενεργούσε στα πτερύγια του στροβίλου ήταν 13.000 φορές μεγαλύτερη από τη βαρύτητα. Για να μειώσει τον κίνδυνο θραύσης περιστρεφόμενων εξαρτημάτων, η Parsons βρήκε μια απλή λύση. Κάθε δίσκος ήταν κατασκευασμένος από έναν συμπαγή χάλκινο δακτύλιο και οι υποδοχές στις οποίες εισέρχονταν οι λεπίδες βρίσκονταν γύρω από την περιφέρεια του δίσκου και ήταν προσανατολισμένες σε γωνία 45°. Κινητοί δίσκοι τοποθετήθηκαν στον άξονα και στερεώθηκαν στην προεξοχή του. Οι σταθερές κορώνες αποτελούνταν από δύο ημιδακτυλίους, οι οποίοι ήταν στερεωμένοι από πάνω και κάτω στο περίβλημα του στροβίλου. Τα πτερύγια της τουρμπίνας Parsons ήταν επίπεδα. Για να αντισταθμιστεί η μείωση του ρυθμού ροής ατμού καθώς προχωρά στα τελευταία στάδια, εφαρμόστηκαν δύο τεχνικές λύσεις στην πρώτη μηχανή Parsons: η διάμετρος του δίσκου αυξήθηκε σταδιακά και το μήκος των λεπίδων αυξήθηκε από 5 σε 7 mm. Οι άκρες των λεπίδων λοξοτομήθηκαν για να βελτιωθούν οι συνθήκες της ροής πίδακα.
Ο Πάρσονς ήταν μικρότερος γιοςσε μια οικογένεια που έλαβε γη στην Ιρλανδία. Ο πατέρας του, Κόμης Ρος, ήταν ένας ταλαντούχος επιστήμονας. Συνέβαλε πολύ στην τεχνολογία χύτευσης και στίλβωσης μεγάλων κατόπτρων για τηλεσκόπια.
Οι Πάρσονς δεν έστελναν τα παιδιά τους στο σχολείο. Οι δάσκαλοί τους ήταν αστρονόμοι, τους οποίους ο κόμης προσκάλεσε για νυχτερινές παρατηρήσεις με τηλεσκόπια. κατά τη διάρκεια της ημέρας, αυτοί οι μελετητές δίδασκαν στα παιδιά. Με κάθε δυνατό τρόπο, τα παιδιά ενθαρρύνονταν να λάβουν μέρος σε εργαστήρια στο σπίτι.
Ο Κάρολος μπήκε στο Trinity College στο Δουβλίνο και στη συνέχεια μετακόμισε στο St. John's College του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ, από το οποίο αποφοίτησε το 1877.
Σημείο καμπής στην τύχη του Πάρσονς ήρθε όταν έγινε μαθητευόμενος στον Τζορτζ Άρμστρονγκ, γνωστό κατασκευαστή ναυτικών όπλων, και άρχισε να εργάζεται στο εργοστάσιό του στο Έλσγουικ στο Νιούκαστλεπον Τάιν. Οι λόγοι που ώθησαν τον Πάρσονς να λάβει μια τέτοια απόφαση παρέμειναν άγνωστοι: εκείνη την εποχή, τα παιδιά από πλούσιες οικογένειες σπάνια επέλεγαν μια καριέρα στη μηχανική. Ο Πάρσονς απέκτησε τη φήμη του πιο εργατικού μαθητή του Άρμστρονγκ. Κατά τη διάρκεια της πρακτικής του, έλαβε άδεια να εργαστεί στην τελευταία καινοτομία - μια ατμομηχανή με περιστρεφόμενους κυλίνδρους - και μεταξύ 1877 και 1882. Κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αρκετές από τις εφευρέσεις του.
Ο Πάρσονς ξεκίνησε τα πρώτα του πειράματα με τουρμπίνες ενώ εργαζόταν για την Άρμστρονγκ. Από το 1881 έως το 1883, δηλ. αμέσως μετά την πρακτική του, εργάστηκε στη δημιουργία μιας τορπίλης με αέριο. Η ιδιαιτερότητα του προωθητή τορπιλών ήταν ότι το καύσιμο που καίγονταν δημιουργούσε έναν πίδακα αερίου υψηλής πίεσης. Ο πίδακας χτύπησε την πτερωτή, προκαλώντας την περιστροφή της. Η πτερωτή, με τη σειρά της, ώθησε την προπέλα της τορπίλης σε περιστροφή.
Ο Πάρσονς σταμάτησε να εργάζεται σε αεριοστρόβιλους το 1883, αν και το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του του 1884 περιγράφει τον σύγχρονο κύκλο μιας τέτοιας τουρμπίνας. Αργότερα έδωσε μια εξήγηση για αυτό. «Πειράματα που έγιναν πριν από πολλά χρόνια», έγραψε, «και εν μέρει στόχευαν στην επαλήθευση της πραγματικότητας ενός αεριοστρόβιλου, με έπεισαν ότι με τα μέταλλα που είχαμε στη διάθεσή μας... θα ήταν λάθος να χρησιμοποιήσουμε έναν πυρακτωμένο πίδακα αέρια - είτε σε καθαρή μορφή είτε αναμεμειγμένα με νερό ή ατμό. Ήταν μια προειδοποιητική παρατήρηση: μόλις δέκα χρόνια μετά τον θάνατο του Πάρσονς εμφανίστηκαν μέταλλα που είχαν τις απαραίτητες ιδιότητες.
Τον Απρίλιο του 1884 έβγαλε δύο προσωρινά διπλώματα ευρεσιτεχνίας και τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο του ίδιου έτους εξέδωσε Πλήρης περιγραφήεφευρέσεις. Ήταν μια απίστευτα παραγωγική περίοδος για τον Πάρσονς. Αποφάσισε να δημιουργήσει ένα δυναμό, τροφοδοτούμενο από έναν στρόβιλο σε υψηλές ταχύτητες, το οποίο είναι διαθέσιμο σε λίγες από τις σύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές. Στη συνέχεια, ο Πάρσονς επανέλαβε συχνά ότι αυτή η εφεύρεση ήταν εξίσου σημαντική με τη δημιουργία του ίδιου του στροβίλου. Μέχρι σήμερα, η κύρια εφαρμογή του ατμοστρόβιλου ήταν η κίνηση ηλεκτρικών γεννητριών.
Τον Νοέμβριο του 1884, όταν δημιουργήθηκε το πρώτο πρωτότυπο της τουρμπίνας, ο αξιότιμος Charles A. Parsons ήταν μόλις 30 ετών. Η μηχανική ιδιοφυΐα και το ταλέντο για τις ανάγκες της αγοράς δεν ήταν από μόνες τους επαρκείς προϋποθέσεις για να μπουν επιτυχώς οι απόγονοί του στη ζωή. Σε διάφορα στάδια, ο Πάρσονς έπρεπε να επενδύσει δικά του κεφάλαια, έτσι ώστε η δουλειά που έγινε να μην ήταν μάταιη. Κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής το 1898 για την παράταση της ισχύος ορισμένων από τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας του, διαπιστώθηκε ότι ο Πάρσονς είχε ξοδέψει 1.107 £ 13 και 10 δισ. προσωπικών χρημάτων για την κατασκευή του στροβίλου.
Ο στρόβιλος είναι μια περιστρεφόμενη συσκευή που κινείται από τη ροή ενός υγρού ή αερίου.
Το απλούστερο παράδειγμα τουρμπίνας είναι ένας τροχός νερού.
Φανταστείτε έναν κάθετα τοποθετημένο τροχό, στο χείλος του οποίου είναι στερεωμένες σέσουλες ή λεπίδες. Ένα ρεύμα νερού χύνεται πάνω σε αυτές τις λεπίδες από πάνω. Υπό την επίδραση του νερού, ο τροχός περιστρέφεται. Και περιστρέφοντας τον τροχό μπορούν να ενεργοποιηθούν και άλλοι μηχανισμοί. Έτσι, σε έναν νερόμυλο, ο τροχός γύριζε τις μυλόπετρες. Και άλεθαν αλεύρι. Στους υδροηλεκτρικούς σταθμούς, οι τουρμπίνες κινούν γεννήτριες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Στα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια, τα πτερύγια των στροβίλων τίθενται σε κίνηση από θερμική ενέργεια, η οποία απελευθερώνεται όταν καίγεται καύσιμο (αέριο, άνθρακας κ.λπ.). Οι ανεμογεννήτριες οδηγούνται από την αιολική ενέργεια.
Από τη σκοπιά της φυσικής, οι τουρμπίνες είναι συσκευές που μετατρέπουν την ενέργεια του ατμού, του ανέμου, του νερού σε χρήσιμο έργο.
Ανάλογα με το είδος της ενέργειας που μετατρέπεται στους στρόβιλους, διακρίνονται οι ατμοστρόβιλοι και οι αεριοστρόβιλοι.
Ατμοστρόβιλος
Αιολίπη του Ήρωνα
σε ατμοστρόβιλο θερμική ενέργειαο ατμός μετατρέπεται σε μηχανικό έργο.
Το 130 π.Χ., ο Έλληνας μαθηματικός και μηχανικός Ήρων της Αλεξάνδρειας εφηύρε έναν πρωτόγονο ατμοστρόβιλο, ο οποίος ονομαζόταν «αιολίπιλ». Η συσκευή ήταν ένας καλά σφραγισμένος λέβητας, από τον οποίο αφαιρέθηκαν δύο σωλήνες. Σε αυτούς τους σωλήνες τοποθετήθηκε μια κούφια μπάλα με δύο ακροφύσια σε σχήμα L. Έριχναν νερό στο καζάνι και το έβαζαν στη φωτιά. Ο ατμός μπήκε στη μπάλα μέσω των σωλήνων και ξέφυγε από τα ακροφύσια υπό πίεση. Η μπάλα άρχισε να γυρίζει. Ήταν ένα πρωτότυπο κινητήρα τζετ, στον οποίο η αντιδραστική δύναμη που περιστρεφόταν την μπάλα δημιουργήθηκε από τον ατμό.
Την εποχή του Ήρωνα, η εφεύρεσή του αντιμετωπιζόταν σαν παιχνίδι. Πρακτική εφαρμογηδεν το βρήκε.
Το 1629, ο Ιταλός μηχανικός και αρχιτέκτονας Giovanni Branchi δημιούργησε έναν ατμοστρόβιλο στον οποίο ένας τροχός με πτερύγια τέθηκε σε κίνηση από ένα ρεύμα ατμού.
Το 1815, ο Άγγλος μηχανικός Richard Treiswick τοποθέτησε δύο ακροφύσια στο χείλος ενός τροχού ατμομηχανής και άφησε τον ατμό να τα διαπεράσει.
Μεταξύ 1864 και 1884, εκατοντάδες εφευρέσεις στροβίλων κατοχυρώθηκαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από μηχανικούς.
Και μόνο το 1889. Ο Σουηδός μηχανικός Gustaf Laval δημιούργησε έναν ατμοστρόβιλο που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία. Στον στρόβιλο Laval, ένας πίδακας ατμού που βγαίνει από τα ακροφύσια ενός σταθερού στάτορα πιέζεται στα πτερύγια που είναι στερεωμένα στο χείλος του τροχού. Ο τροχός πίεσης ατμού περιστράφηκε. Ένας τέτοιος στρόβιλος ονομάστηκε ενεργός.
Στον στρόβιλο Laval, το ακροφύσιο επεκτάθηκε στην έξοδο. Αυτό αύξησε την ταχύτητα του ατμού που διαφεύγει και, κατά συνέπεια, την ταχύτητα περιστροφής του στροβίλου. Το ακροφύσιο Laval έγινε το πρωτότυπο των σύγχρονων ακροφυσίων πυραύλων.
Λίγο νωρίτερα, ανεξάρτητα από το Laval, το 1884, ο Άγγλος μηχανικός και βιομήχανος Charles Algernon Parsons εφηύρε έναν ατμοστρόβιλο πολλαπλών σταδίων. Σε μια τέτοια τουρμπίνα υπήρχαν πολλές σειρές πτερυγίων ρότορα, οι οποίες ονομάζονταν στάδια. Ο Parson κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ιδέα ενός πλοίου που τροφοδοτείται από αυτόν τον στρόβιλο.
τουρμπίνα αερίου
Τζον Μπάρμπερ
Ένας αεριοστρόβιλος διαφέρει από έναν ατμοστρόβιλο στο ότι δεν κινείται από ατμό από λέβητα, αλλά από αέριο που σχηματίζεται κατά την καύση του καυσίμου. Και όλες οι βασικές αρχές της κατασκευής ατμοστρόβιλων και αεριοστροβίλων είναι οι ίδιες.
Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν αεριοστρόβιλο αποκτήθηκε το 1791 από τον Άγγλο John Barber. Ο Μπάρμπερ σχεδίασε την τουρμπίνα του για να κινεί ένα κάρο χωρίς άλογα. Και στοιχεία της τουρμπίνας Barber υπάρχουν σε σύγχρονους αεριοστρόβιλους.
Το 1903, ο Νορβηγός Edgidius Elling εφηύρε έναν αεριοστρόβιλο που παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που ξοδεύτηκε για τη δουλειά του. Η αρχή της λειτουργίας του χρησιμοποιήθηκε από τον Άγγλο σχεδιαστή μηχανικό Sir Frank Whittle, ο οποίος το 1930 κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έναν αεριοστρόβιλο για αεριωθούμενη πρόωση.
Στρόβιλος Tesla
Στρόβιλος Tesla
Το 1913, ο μηχανικός, φυσικός και εφευρέτης Νίκολα Τέσλα κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έναν στρόβιλο, ο σχεδιασμός του οποίου ήταν θεμελιωδώς διαφορετικός από αυτόν μιας παραδοσιακής τουρμπίνας. Ο στρόβιλος Tesla δεν είχε πτερύγια που κινούνταν από την ενέργεια του ατμού ή του αερίου.
Το περιστρεφόμενο τμήμα της τουρμπίνας - ο ρότορας - ήταν ένα σύνολο λεπτών μεταλλικών δίσκων τοποθετημένων σε έναν άξονα και διαχωρισμένων με ροδέλες. Η ροή του αερίου ή του ρευστού εργασίας ερχόταν από την εξωτερική άκρη των δίσκων και περνούσε στο κέντρο κατά μήκος των κενών, στρίβοντας. Είναι γνωστό ότι εάν η ροή ενός υγρού ή αερίου κατευθύνεται κατά μήκος μιας επίπεδης επιφάνειας, τότε η ροή αρχίζει να σύρει αυτήν την επιφάνεια μαζί της. Οι δίσκοι στον στρόβιλο του Pascal μεταφέρθηκαν από τη ροή του αερίου, προκαλώντας περιστροφή.