У. Гаррет Скейф
W. Garrett Scaife, Trinity Colledge, Dublin
К концу прошлого столетия промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались - они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. Большое влияние на улучшение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии.
Такой способ появился в 1884 г., когда англичанин Чарлз Алджернон Парсонс (1854-1931) изобрел первый пригодный для промышленного применения турбогенератор. Десятью годами позже Парсонс занялся изучением возможности применения своего изобретения для средств передвижения. Несколько лет упорного труда увенчались успехом: оснащенный турбиной пароход "Turbinia" развивал скорость 35 узлов - больше, чем любой корабль Королевского флота. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. Поэтому со временем, когда мощность и к.п.д. турбин значительно увеличи
лись, они вытеснили двигатели прежних конструкций. В настоящее время во всем мире паровые турбины используются на тепловых электростанциях в качестве приводов генераторов электрического тока. Что же касается использования паровых турбин в качестве двигателей для пассажирских судов, то здесь безраздельному их господству был положен конец в первой половине нашего столетия, когда широкое распространение получили дизели. Современная паровая турбина унаследовала многие особенности первой машины, изобретенной Парсонсом.
Реактивныи и активный принципы, лежащие в основе действия паровой турбины. Первый из них был использован в устройстве "эолипила" (а) , придуманного Героном Александрийским: сфера, в которой находится пар, вращается за счет действия сил реакции, возникающих при выходе пара из пустотелых трубок. Во втором случае (b ) струя пара, направленная на лопатки, отклоняется и благодаря этому колесо вращается. Лопатки турбины (с ) также отклоняют струю пара; кроме того, проходя между лопатками, пар расширяется и ускоряется, и возникающие при этом силы реакции толкают лопатки.
В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.
Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.
В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки (подобные лопастям вентилятора), насаженные на диск. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Между лопатками пар расширяется и ускоряет свое движение: в результате энергия давления пара переходит в кинетическую энергию.
Первые турбины, подобные машине Бранки, не могли развивать достаточной мощности, поскольку паровые котлы не способны были создавать высокого давления. Первые действующие паровые машины Томаса Сейвери, Томаса Ньюкомена и других не нуждались в паре высокого давления. Пар низкого давления вытеснял воздух под поршнем и конденсировался, создавая разрежение. Поршень под действием атмосферного давления опускался, производя полезную работу. Опыт в постройке и использовании паровых котлов для этих так называемых атмосферных двигателей постепенно побудил инженеров сконструировать котлы, способные создавать и выдерживать давление, намного превосходящее атмосферное.
С появлением возможности получать пар высокого давления изобретатели вновь обратились к турбине. Были испробованы различные конструктивные варианты. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик попытался установить два сопла на ободе колеса двигателя для паровоза и пропускать через них пар из котла. Затея Тревитика провалилась. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. Уильямом Эйвери в Сиракьюсе (шт. Нью-Йорк). В одной лишь Англии за 100 лет, с 1784 по 1884 г., было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано в двадцатилетний период - с 1864 по 1884 г.
Ни одна из этих попыток не завершилась созданием промышленно пригодной машины. Частично эти неудачи объяснялись незнанием физических законов, описывающих расширение пара. Плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного больше, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах гораздо больше, чем скорость воды в водяных турбинах, с которыми приходилось иметь дело изобретателям. Было установлено, что к.п.д. турбины становится максимальным тогда, когда скорость лопаток примерно равна половине скорости пара; поэтому первые турбины имели очень высокие скорости вращения.
Большое число оборотов было причиной ряда нежелательных эффектов, среди которых не последнюю роль играла опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил. Скорость вращения турбины можно было бы уменьшить, увеличив диаметр диска, на котором крепились лопатки. Однако это было невозможно. Расход пара в ранних устройствах не мог быть большим, а значит, не могло быть велико и поперечное сечение выходного отверстия. Вследствие этой причины первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.
Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, проходящего через сопло, изменяется пропорционально отношению давления на входе к давлению на выходе. Максимальное значение скорости в суживающемся сопле достигается, однако, при отношении давлений, приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет на увеличение скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением: существовал предел для количества запасенной паром высокого давления энергии, которая могла быть превращена в кинетическую энергию и передана лопаткам. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большие скорости пара, и вследствие этого скорость вращения ротора в турбине Лаваля существенно увеличилась.
Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны.
Венцы лопаток турбины представляли собой медные кольца с лопатками, закрепленными в прорезях под углом 45°. Подвижные венцы закреплялись на валу, неподвижные состояли из двух половинок, жестко связанных с корпусом (верхняя половина корпуса снята).
Чередующиеся подвижные и неподвижные венцы лопаток (а ) задавали направление движения пара. Проходя между неподвижными лопатками, пар расширялся, ускорялся и направлялся на подвижные лопатки. Здесь пар также расширялся, создавая силу, которая толкала лопатки. Направление движения пара показано на одной из 15 пар венцов (b ).
Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он отклонялся так, что попадал на подвижные лопатки и заставлял их вращаться. В междулопаточных каналах подвижных лопаток пар также расширялся, на выходе создавалась ускоренная струя, и возникающая реактивная сила толкала лопатки.
При наличии многих подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из 30 венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10%, и максимальная скорость пара в результате оказывалась равной 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью. Парсонс полагал, что при столь малых перепадах давления пар можно рассматривать как малосжимаемую жидкость, подобную воде. Это предположение дало ему возможность с высокой степенью точности сделать расчеты скорости пара, к.п.д. турбины и формы лопаток. Идея поступенчатого расширения пара, которая лежит в основе конструкций современных турбин, была лишь одним из многих оригинальных замыслов, воплощенных Парсонсом.
Турбина представляет собой двигатель, в котором энергия воды, пара и газа преобразовывается в механическую работу посредством вращающего движения ротора. В турбине струя воды или пара воздействует на специальные элементы — лопатки, и приводит их в движение. Лопатки располагаются по всей длине окружности ротора.
В зависимости от направления потока воды, пара или газа через турбину они подразделяются на осевые — когда поток движется параллельно оси турбины, и радиальные — поток движется перпендикулярно оси.
Турбина используется на наземном, воздушном и морском транспорте в качестве составной части двигателя, которая увеличивает его мощность. Также турбина может применяться и на электростанциях, где она служит в качестве привода электрического генератора.
С давних пор проводились неоднократные попытки создания различных вариантов турбин. До наших дней даже дошло описание паровой турбины, сконструированной Героном Александрийским в 1 веке нашей эры. Но только в конце 19 века, когда уровень термодинамики, металлургии и машиностроения достиг необходимых высот, Чарлз Парсонс и Густаф Лаваль независимо друг от друга изобрели первые паровые турбины, пригодные для производства.
Ниже в хронологическом порядке представлена краткая история создания различных типов турбин.
I век нашей эры — самое раннее дошедшее до наших дней документальное свидетельство создания паровой турбины Героном Александрийским. К сожалению, данное изобретение долго рассматривалось в качестве игрушки и полный потенциал данной турбины так и не был изучен до конца.
1500 — Леонардо да Винчи рассматривал в своих чертежах так называемый «дымовой зонт», принцип работы которого заключался в следующем: огонь нагревал воздух, который затем поднимался через соединенные друг с другом лопасти. Эти лопасти вращали обычный вертел для жарки.
1551 — Таги-аль-Дин сконструировал паровую турбину, использовавшуюся в качестве источника питания самовращающегося вертела.
1629 — итальянский инженер Джованни Бранк создал мельницу, которая работала за счет того, что сильная струя пара вращала турбину и вращательное движение передавалось от турбины к шестеренке — ведомому механизму.
1678 — фламандский ученый Фердинанд Вербист разработал первое самоходное транспортное средство на основе паровой машины. Однако нет никаких доказательств, подтверждающих, что оно было построено на самом деле.
1791 — англичанин Джон Барбер разработал настоящую газовую турбину для приведения в движение безлошадной повозки и получил патент на свое изобретение.
1872 — венгерский изобретатель Франц Столц создал первый газотурбинный двигатель.
1890 — шведский инженер и изобретатель Густаф де Лаваль изобрёл сопло, которое предназначалось для подачи пара в турбину. Впоследствии оно получило его имя и используется по сей день в том же назначении.
1894 — англичанин Чарльз Парсонс получил патент на идею корабля — парохода, который приводится в движение паровой турбиной. Этот принцип тяги широко используется и в наши дни.
1895 — на электростанции в Кембридже были установлены три четырёхтонных генератора радиального потока Парсонса мощностью 100 кВт, которые использовались для электрического освещения городских улиц.
1903 — норвежец Эджидиус Эллинг построил первую газовую турбину, способную вырабатывать ещё больше энергии, чем было необходимо для её работы. В то время это рассматривалось как серьезное достижение, ведь о термодинамике тогда ещё не имели никакого представления. Такая газовая турбина вырабатывала 11 л.с. с использованием вращающихся компрессоров.
1913 — Никола Тесла получил патент на свою турбину Тесла, основанную на эффекте пограничного слоя.
1918 — компания General Electric, являющаяся в настоящее время одним из ведущих производителей турбин, запустила собственное производство для дальнейших продаж газовых турбин.
1920 — английский инженер Алан Арнольд Гриффит изменил теорию протекания газового потока в теорию течения газа по аэродинамической поверхности, которая была более формализована и применима к турбинам.
1930 — английский инженер-конструктор Фрэнк Уиттл получил патент на универсальную газовую турбину, предназначенную для реактивного движения. Двигатель с такой турбиной впервые был использован в апреле 1937 г.
1934 — аргентинский инженер Рауль Патерас Пескара запатентовал новое изобретение — поршневой двигатель, являющийся генератором для газовой турбины.
1936 — немецкие конструкторы Макс Хан и Ханс фон Охайн разработали и запатентовали в Германии собственный новый двигатель с реактивной турбиной. Они разрабатывали его в то же время, что и Фрэнк Уиттл в Великобритании.
Изобретение паровых турбин.
Наряду с гидротурбинами, описанными в одной из предыдущих глав, огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую – струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя.
Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономическую машину – паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.
Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль в 1889 г. .Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя воды, образующаяся в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками дня подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось, применяемое до нашего времени, сопло Лаваля.
Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД гидротурбины и превратило ее в универсальный двигатель.
Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и вырывался наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему это расширение, получалось значительное увеличение скорости вытекания (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом заключенная в паре энергия передавалась лопастям турбины. Число сопел и давление пара определяли мощность турбины. Когда отработанный пар не выпускали прямо в воздух, а направляли, как в паровых машинах, в конденсатор и сжижали при пониженном давлении, мощность турбины была наивысшей. Так, при расширении пара от 5 атмосфер до 1/10 атмосферы скорость струи достигала сверхзвуковой величины.
Несмотря на кажущуюся простоту, турбина Лаваля была настоящим чудом инженерной мысли. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться от своего детища бесперебойной работы. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную нагрузку на ось и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль придумал насадить колесо на очень тонкую ось, которая при вращении могла бы слегка прогибаться. При раскручивании она сама собой приходила в строго центральное положение, удерживаемое затем при любой скорости вращения. Благодаря этому остроумному решению разрушающее действие на подшипники было сведено до минимума.
Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами: пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли также как привод электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и поэтому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).
В 1884 году английский инженер Парсон получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. Она имела следующее устройство, напоминающее устройство реактивной гидротурбины. На центральный вал был насажен ряд вращающихся колес с лопатками. Между этими колесами находились неподвижные венцы (диски) с лопатками, имевшими обратное направление. Пар под большим давлением подводился к одному из концов турбины. Давление на другом конце было небольшое (меньше атмосферного). Поэтому пар стремился пройти сквозь турбину. Сначала он поступал в промежутки между лопатками первого венца. Эти лопатки направляли его на лопатки первого подвижного колеса. Пар проходил между ними, заставляя колеса вращаться. Дальше он поступал во второй венец. Лопатки второго венца направляли пар между лопатками второго подвижного колеса, которое тоже приходило во вращение. Из второго подвижного колеса пар поступал между лопатками третьего венца и так далее. Всем лопаткам была придана такая форма, что сечение междулопаточных каналов уменьшалось по направлению истечения пара. Лопатки как бы образовывали насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар. Здесь использовалась как активная, так и реактивная его сила. Вращаясь, все колеса вращали вал турбины. Снаружи устройство было заключено в крепкий кожух. В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 году в Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами Парсона. Между тем Парсон старался расширить сферу применения своего изобретения. В 1894 году он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость – 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.
Паротурбинная установка - это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паровая турбина является силовым двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве и т.д. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование.
История создания паровой турбины
В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известные с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". В соответствии с рисунком 2.1 оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась.
Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г и изображенной на рисунке 2.2. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.
В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки, закрепленные на дисках. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Двигаясь между лопатками в расширяющемся канале (ведь толщина лопаток по мере приближения к хвостовику уменьшается), пар расширяется и ускоряется. В соответствии с законами сохранения энергии и импульса на колесо турбины действует сила, раскручивающая его. В результате энергия давления (потенциальная энергия) пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины.
Первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. Как только появилась возможность получать пар высокого давления, изобретатели вновь обратились к турбине. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машины.
Частично эти неудачи объяснялись непониманием физики расширения пара. Дело в том, что плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного превосходит упругость жидкости, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах получается гораздо большей, чем скорость воды в водяных турбинах. Экспериментально было установлено, что к.п.д. турбины достигает максимума тогда, когда окружная скорость лопаток равна приблизительно половине скорости струи пара. Именно по этой причине первые турбины имели очень высокие скорости вращения.
Но большая частота вращения нередко приводила к разрушению вращающихся частей турбины из-за действия центробежных сил. Уменьшения угловой скорости при сохранении окружной скорости можно было бы добиться путем увеличения диаметра диска, на котором крепились лопатки. Однако реализовать эту идею было затруднительно, так как количества вырабатываемого пара высокого давления недоставало для машины большого размера. В связи с этим первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.
Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, вырывающегося из сопла, пропорциональна отношению давлений на входе и выходе сопла и достигает максимального значения при отношении давлений, приблизительно равном двум. Дальнейшее повышение перепада давления уже не ведет к увеличению скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением при использовании сопла с постоянным или суживающимся каналом.
В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась.
На рисунке 2.4 изображена паровая турбина Лаваля. В ней пар поступает к соплу, приобретает в нем значительную скорость и направляется в рабочие лопатки, расположенные на ободе диска турбины. При повороте струи пара в каналах рабочих лопаток возникают силы, раскручивающие диск и связанный с ним вал турбины. Для получения необходимой мощности на одноступенчатой турбине необходимы очень высокие скорости потока пара. Меняя конфигурацию расширяющегося сопла, удалось получить значительную степень расширения пара и, соответственно, высокую скорость (1200…1500 м/с) истечения пара.
Для лучшего использования больших скоростей пара Лаваль разработал такую конструкцию диска, которая выдерживала окружные скорости до 350 м/с, а частота вращения у некоторых турбин достигала 32000 мин-1.
Турбины, у которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в соплах, получили название активных. К таким устройствам, в частности, можно отнести и турбину Бранки.
В дальнейшем совершенствование активных паровых турбин пошло по пути использования последовательного расширения пара в нескольких ступенях, расположенных друг за другом. В таких турбинах, разработанных в конце прошлого столетия французским ученым Рато и усовершенствованных конструктором Целли, ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками. В этих перегородках устраивались профилированные отверстия - сопла. На каждой из построенных таким образом ступеней срабатывается часть энергии пара. Преобразование кинетической энергии парового потока происходит без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, а также в качестве судовых двигателей.
Наряду с турбинами, в которых поток пара движется приблизительно параллельно оси вала турбины и которые называются аксиальными турбинами, были созданы так называемые радиальные турбины, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Среди этого типа турбин наибольший интерес представляет турбина братьев Юнгстрем, предложенная в 1912 г.
На боковых поверхностях дисков кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Из нее пар течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на дисках. В отличие от обычной турбины, в конструкции братьев Юнгстрем нет неподвижных сопел или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, поэтому мощность, развиваемая турбиной, передается на два вала. Турбина описанной конструкции получилась весьма компактной.
И все же, несмотря на ряд новых конструктивных решений, примененных в одноступенчатых активных турбинах, их экономичность была невысока. Кроме того, необходимость редукторной передачи для уменьшения частоты вращения ведущего вала электрогенератора тормозила распространение одноступенчатых турбин. Поэтому турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.
Парсонс создал турбину принципиально новой конструкции. Она отличалась меньшей частотой вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Дело в том, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой два венца лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, закрепленном на вращающемся валу). Плоскости лопаток неподвижных и подвижных венцов были взаимно перпендикулярны.
Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он, попадая на подвижные лопатки, заставлял их вращаться. В межлопаточных каналах подвижных лопаток пар дополнительно расширялся, скорость струи возрастала, и возникавшая реактивная сила толкала лопатки.
Благодаря внедрению подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из тридцати венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10 %. Ступенчатое расширение пара, лежащее в основе конструкций современных турбин, было лишь одной из многих оригинальных идей, воплощенных Парсонсом.
Другой плодотворной идеей была организация подвода пара к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум направлениям к левому и правому концу вала. Расход пара в обоих направлениях был одинаковым. Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникавшие из-за давления пара на лопатки турбины, уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.
И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса имела слишком большую частоту вращения - 18000 мин-1. Центробежная сила, действовавшая на лопатки турбины, в 13 тысяч раз превышала силу тяжести. Для того, чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс предложил простое решение. Каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца, а пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Лопатки турбины Парсонса были плоскими. Для компенсации уменьшения скорости потока пара по мере его движения к последним ступеням в первой машине Парсонса были реализованы два технических решения: ступенчато наращивался диаметр диска и увеличивалась длина лопаток от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить условия обтекания струей.
Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Ирландии. Его отец, граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов.
Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских.
Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс - колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г.
Поворот в судьбе Парсонса произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкаслапон-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера. Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке - паровой машине с вращающимися цилиндрами - и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений.
Первые опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Особенность движителя торпеды состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка, в свою очередь, приводила во вращение гребной винт торпеды.
Работы над газовыми турбинами Парсонс прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы такой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение. "Опыты, проводимые много лет назад, - писал он, - и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении... было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов - в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром". Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерти Парсонса появились металлы, обладавшие необходимыми качествами.
В апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения. Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Он решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.
В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец турбины, достопочтенному Чарлзу А. Парсонсу было всего 30 лет. Инженерный гений и чутье на потребности рынка сами по себе были недостаточным условием для того, чтобы его детище благополучно вступило в жизнь. На ряде этапов Парсонс должен был вкладывать свои собственные средства, для того чтобы проделанная работа не пропала даром. Во время судебного разбирательства в 1898 г., затеянного с целью продлить срок действия некоторых его патентов, было установлено, что на создание турбины Парсонс израсходовал личных денег в сумме 1107 фунтов 13 шиллингов и 10 пенсов.
Турбиной называют вращающееся устройство, которое приводится в действие потоком жидкости или газа.
Самый простой пример турбины – водяное колесо.
Представим себе вертикально поставленное колесо, на ободе которого закреплены черпаки или лопасти. На эти лопасти сверху льётся поток воды. Под действием воды колесо вращается. А вращением колеса можно приводить в действие другие механизмы. Так, в водяной мельнице колесо вращало жернова. А они мололи муку. На гидроэлектростанциях турбины вращают генераторы, которые вырабатывают электрическую энергию. На тепловых электростанциях лопасти турбин приводятся в движение тепловой энергией, которая освобождается при сжигании топлива (газа, угля и т.п.). Ветровые генераторы заставляет вращаться энергия ветра.
С точки зрения физики турбины – это устройства, которые преобразовывают энергию пара, ветра, воды в полезную работу.
В зависимости от того, какой вид энергии преобразуется в турбинах, различают паровые турбины и газовые.
Паровая турбина
Эолипил Герона
В паровой турбине тепловая энергия пара преобразовывается в механическую работу.
Ещё в 130 г. до нашей эры греческий математик и механик Герон Александрийский изобрёл примитивную паровую турбину, которую назвали «эолипил». Прибор представлял собой наглухо запаянный котёл, из которого были выведены две трубки. На эти трубки установили полый шар с двумя соплами Г-образной формы. В котёл заливалась вода, и он ставился на огонь. Пар поступал по трубкам в шар и под давлением вырывался из сопел. Шар начинал вращаться. Это был прообраз реактивного двигателя, в котором реактивная сила, которая вращала шар, создавалась паром.
Во времена Герона к его изобретению отнеслись, как к игрушке. Практического применения оно не нашло.
В 1629 г. итальянский инженер и архитектор Джованни Бранки создал паровую турбину, в которой колесо с лопатками приводилось в движение струёй пара.
Английский инженер Ричард Трейсвик в 1815 г. на ободе паровозного колеса установил два сопла и пустил по ним пар.
С 1864 г. по 1884 г. инженерами были запатентованы сотни изобретений, относящихся к турбинам.
И только в 1889г. шведский инженер Густаф Лаваль создал паровую турбину, которую можно было использовать в промышленности. В турбине Лаваля струя пара, выходящая из сопел неподвижного статора, давила на лопатки, закреплённые на ободе колеса. Колесо под давлением пара вращалось. Такая турбина называлась активной.
В турбине Лаваля сопло расширялось на выходе. Это увеличивало скорость выходящего пара и, как следствие скорость вращения турбины. Сопло Лаваля стало прообразом современных ракетных сопел.
Немного раньше, независимо от Лаваля, в 1884 г. английский инженер и промышленник Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл многоступенчатую реактивную паровую турбину. В такой турбине имелось несколько рядов рабочих лопаток, которые назывались ступенями. Парсон запатентовал идею корабля, который приводился в действие этой турбиной.
Газовая турбина
Джон Барбер
Газовая турбина отличается от паровой тем, что в движение её приводит не пар из котла, а газ, который образуется при сгорании топлива. А все основные принципы устройства паровых и газовых турбин одинаковы.
Первый патент на газовую турбину был получен в 1791 г. англичанином Джоном Барбером. Барбер разработал свою турбину для движения безлошадной повозки. А элементы турбины Барбера присутствуют в современных газовых турбинах.
В 1903 г. норвежец Эджидиус Эллинг изобрёл газовую турбину, производящую больше энергии, чем затрачивалось на её работу. Принцип её работы был использован английским инженером-конструктором сэром Фрэнком Уиттлом, который в 1930 г. запатентовал газовую турбину для реактивного движения.
Турбина Тесла
Турбина Тесла
В 1913 г. инженер, физик и изобретатель Никола Тесла запатентовал турбину, устройство которой принципиально отличалось от устройства традиционной турбины. В турбине Тесла не было лопастей, которые приводились в движение энергией пара или газа.
Вращающаяся часть турбины - ротор, представляла собой набор тонких металлических дисков, закреплённых на валу и разделённых шайбами. Поток газа или рабочей жидкости поступал с внешнего края дисков и проходил к центру по зазорам, закручиваясь. Известно, что если поток жидкости или газа направить по плоской поверхности, то поток начинает увлекать за собой эту поверхность. Диски в турбине Паскаля увлекались потоком газа, вызывая вращение.