energie. Úžasná parná turbína

Koncom minulého storočia dosiahla priemyselná revolúcia zlom vo svojom vývoji. O storočie a pol skôr sa parné stroje výrazne zlepšili - mohli bežať na akýkoľvek druh paliva a uviesť do pohybu širokú škálu mechanizmov. Veľký vplyv na zlepšenie konštrukcie parných strojov mal taký technický výdobytok ako vynález dynama, ktoré umožnilo získavať elektrickú energiu v r. veľké množstvá. S rastúcou ľudskou potrebou energie rástla aj veľkosť parných strojov, až kým ich rozmery neboli obmedzené mechanickou pevnosťou. Pre ďalší rozvoj priemyslu bol potrebný nový spôsob získavania mechanickej energie.

Táto metóda sa objavila v roku 1884, keď Angličan (1854-1931) vynašiel prvý turbogenerátor vhodný na priemyselné využitie. O desať rokov neskôr začal Parsons skúmať možnosť uplatnenia svojho vynálezu na vozidlách. Niekoľkoročná tvrdá práca sa vyplatila: parník Turbinia vybavený turbínou dosiahol rýchlosť 35 uzlov – viac ako ktorákoľvek loď kráľovského námorníctva. Turbíny sú v porovnaní s piestovými parnými strojmi kompaktnejšie a jednoduchšie. Preto v priebehu času, keď výkon a účinnosť turbíny výrazne vzrástli, nahradili motory predchádzajúcich konštrukcií. V súčasnosti sa parné turbíny používajú na celom svete v tepelných elektrárňach ako pohony generátorov elektrického prúdu. Čo sa týka využitia parných turbín ako motorov pre osobné lode, ich nesporná dominancia bola ukončená v prvej polovici nášho storočia, keď sa rozšírili dieselové motory. Moderné parná turbína zdedil mnohé vlastnosti prvého stroja, ktorý vynašiel Parsons.

Reaktívne a aktívne princípy fungovania parnej turbíny. Prvý z nich bol použitý v zariadení „eolipil“ (a), ktoré vynašiel Heron z Alexandrie: guľa, v ktorej sa nachádza para, sa otáča pôsobením reakčných síl, ktoré vznikajú, keď para opúšťa duté rúrky. V druhom prípade (b) je prúd pary smerovaný na lopatky vychýlený a v dôsledku toho sa koleso otáča. Lopatky turbíny (c) tiež vychyľujú prúd pary; para sa pri prechode medzi lopatkami navyše rozširuje a zrýchľuje a výsledné reakčné sily tlačia lopatky.

Prevádzka parnej turbíny je založená na dvoch princípoch vytvárania obvodovej sily na rotor, známych už od staroveku - reaktívnej a aktívnej. Späť v roku 130 pred Kr. Hrdina Alexandrie vynašiel zariadenie nazývané aeolipil. Bola to dutá guľa naplnená parou s dvoma dýzami v tvare písmena L umiestnenými na opačných stranách a nasmerovanými smerom k sebe rôzne strany. Z trysiek prúdila para veľkou rýchlosťou a vplyvom vzniknutých reakčných síl sa guľa začala otáčať.

Druhý princíp je založený na premene potenciálnej energie pary na kinetickú energiu, ktorá koná užitočnú prácu. Možno to ilustrovať na príklade stroja Giovanniho Branchiho zostrojeného v roku 1629. V tomto stroji prúd pary uviedol do pohybu koleso s lopatkami, ktoré pripomínalo koleso vodného mlyna.

Parná turbína využíva oba tieto princípy. Prúd vysokotlakovej pary smeruje na zakrivené lopatky (podobné lopatkám ventilátora) namontované na kotúči. Pri obtekaní lopatiek sa prúd vychýli a disk s lopatkami sa začne otáčať. Medzi lopatkami sa para rozširuje a urýchľuje svoj pohyb: v dôsledku toho sa tlaková energia pary premieňa na kinetickú energiu.

Prvé turbíny, podobne ako Brancov stroj, nedokázali vyvinúť dostatočný výkon, pretože parné kotly neboli schopné vytvoriť vysoký tlak. Prvé funkčné parné stroje Thomasa Saveryho, Thomasa Newcomena a ďalších nepotrebovali vysokotlakovú paru. Nízkotlaková para vytlačila vzduch pod piest a kondenzovala, čím sa vytvorilo vákuum. Piest v akcii atmosferický tlak robiť užitočnú prácu. Skúsenosti s konštrukciou a používaním parných kotlov pre tieto takzvané atmosférické motory postupne viedli inžinierov k návrhu kotlov schopných vytvárať a udržiavať tlaky oveľa vyššie ako atmosférický tlak.

S príchodom možnosti získavania vysokotlakovej pary sa vynálezcovia opäť obrátili na turbínu. Boli vyskúšané rôzne možnosti dizajnu. V roku 1815 sa inžinier Richard Trevithick pokúsil namontovať dve dýzy na obruč kolesa parného rušňa a prepúšťať cez ne paru z kotla. Trevithickov plán zlyhal. Na podobnom princípe bola založená aj píla, ktorú v roku 1837 postavil William Avery v Syrakúzach v štáte New York. Len v Anglicku bolo za viac ako 100 rokov, od roku 1784 do roku 1884, patentovaných 200 vynálezov, tak či onak súvisiacich s turbínami, a viac ako polovica z týchto vynálezov bola zaregistrovaná v dvadsaťročnom období - od roku 1864 do roku 1884.

Žiadny z týchto pokusov nepriniesol priemyselne využiteľný stroj. Čiastočne boli tieto poruchy spôsobené neznalosťou fyzikálnych zákonov, ktoré popisujú expanziu pary. Hustota pary je oveľa menšia ako hustota vody a jej „elasticita“ je oveľa väčšia, takže rýchlosť prúdu pary v parných turbínach je oveľa väčšia ako rýchlosť vody vo vodných turbínach, ktorú museli vynálezcovia zaoberať sa. Zistilo sa, že účinnosť turbína dosiahne maximum, keď sa rýchlosť lopatiek rovná približne polovici rýchlosti pary; preto mali prvé turbíny veľmi vysoké otáčky.

Veľký počet otáčok bol príčinou množstva nežiaducich javov, medzi ktorými zohrávalo významnú úlohu nebezpečenstvo deštrukcie rotujúcich častí vplyvom odstredivých síl. Rýchlosť otáčania turbíny sa dala znížiť zväčšením priemeru disku, na ktorom boli pripevnené lopatky. To však nebolo možné. Prúd pary v skorých zariadeniach nemohol byť veľký, čo znamená, že ani prierez výstupu nemohol byť veľký. Z tohto dôvodu mali prvé experimentálne turbíny malý priemer a krátke lopatky.

Ďalší problém súvisiaci s vlastnosťami pary bol ešte ťažší. Rýchlosť pary prechádzajúcej dýzou sa mení úmerne s pomerom vstupného tlaku k výstupnému tlaku. Maximálna rýchlosť v zbiehajúcej sa dýze sa však dosiahne pri tlakovom pomere približne dva; ďalšie zvýšenie poklesu tlaku už neovplyvňuje zvýšenie rýchlosti prúdu. Konštruktéri teda nemohli naplno využiť možnosti vysokotlakovej pary: existovalo obmedzenie množstva energie uloženej vysokotlakovou parou, ktorú bolo možné premeniť na kinetickú energiu a preniesť na lopatky. V roku 1889 švédsky inžinier Carl Gustav de Laval použil trysku, ktorá sa na výstupe rozširuje. Takáto tryska umožnila získať oveľa vyššie rýchlosti pary a v dôsledku toho sa výrazne zvýšila rýchlosť rotora v Lavalovej turbíne.

Parsons vytvoril zásadne nový dizajn turbíny. Vyznačoval sa nižšou rýchlosťou otáčania a zároveň maximálne využíval energiu pary. Dosiahlo sa to vďaka skutočnosti, že v Parsonsovej turbíne sa para expandovala postupne, keď prechádzala cez 15 stupňov, z ktorých každý bol párom korún lopatiek: jeden bol pevný (s vodiacimi lopatkami pripevnenými k skrini turbíny), druhý bol pohyblivý (s listami rotora).na disku namontovanom na otočnom hriadeli). Čepele pevných a pohyblivých ráfikov boli orientované v opačných smeroch, t.j. takže ak by boli obe korunky pohyblivé, para by ich prinútila otáčať sa rôznymi smermi.

Koruny lopatiek turbíny boli medené prstence s lopatkami upevnenými v štrbinách pod uhlom 45°. Pohyblivé korunky boli upevnené na hriadeli, pevné pozostávali z dvoch polovíc pevne spojených s telom (horná polovica tela bola odstránená).

Striedavé pohyblivé a pevné okraje lopatiek (a) nastavujú smer pohybu pary. Para prechádzajúca medzi pevnými lopatkami expandovala, zrýchľovala a smerovala k pohybujúcim sa lopatkám. Aj tu sa para rozpínala a vytvárala silu, ktorá tlačila lopatky. Smer pohybu pary je znázornený na jednom z 15 párov koruniek (b).

Para smerujúca k pevným lopatkám expandovala v medzilopatkových kanáloch, zvýšila sa jej rýchlosť a bola vychýlená tak, že padala na pohyblivé lopatky a nútila ich otáčať sa. V medzilopatkových kanáloch pohyblivých lopatiek sa para tiež rozpínala, na výstupe sa vytvoril zrýchlený prúd a výsledná reaktívna sila tlačila lopatky.

S mnohými pohyblivými a pevnými ráfikmi čepele sa vysoká rýchlosť otáčania stala zbytočnou. Na každom z 30 vencov Parsonsovej viacstupňovej turbíny sa para mierne rozpínala a strácala časť svojej kinetickej energie. Na každom stupni (pár koruniek) klesol tlak len o 10% a v dôsledku toho sa ukázalo, že maximálna rýchlosť pary je rovná 1/5 rýchlosti prúdu v turbíne s jedným stupňom. Parsons veril, že s takými malými poklesmi tlaku možno paru považovať za mierne stlačiteľnú kvapalinu, podobnú vode. Tento predpoklad mu umožnil robiť výpočty rýchlosti pary, účinnosti s vysokou presnosťou. turbíny a tvary lopatiek. Myšlienka stupňovitej expanzie pary, ktorá je základom dizajnu moderných turbín, bola len jedným z mnohých originálnych nápadov, ktoré Parsons stelesnil.

Ďalším vynálezom bol nový typ ložiska navrhnutý špeciálne pre rýchlo sa otáčajúci hriadeľ. Hoci sa Parsonsovi podarilo znížiť rýchlosť otáčania turbíny, stále zostala desaťkrát vyššia ako rýchlosť iných motorov. Preto sa vynálezca musel vysporiadať s javom známym ako „saft beat“. Už vtedy bolo známe, že každý hriadeľ má svoju charakteristickú kritickú rýchlosť otáčania, pri ktorej aj malá nevyváženosť vytvára značnú ohybovú silu. Ukázalo sa, že kritická rýchlosť otáčania súvisí s prirodzenou frekvenciou priečnych vibrácií hriadeľa (pri tejto frekvencii hriadeľ začína rezonovať a kolabovať). Parsons a de Laval nezávisle zistili, že pri rýchlostiach vyšších ako kritických sa hriadeľ otáča stabilne. Napriek tomu malá nerovnováha stále viedla k vychýleniu hriadeľa z rovnovážnej polohy. Preto, aby nedošlo k poškodeniu hriadeľa, mal by byť inštalovaný v ložiskách, ktoré by umožnili jeho malé bočné posuny.

Spočiatku sa Parsons snažil použiť konvenčné ložisko namontované na pružinách, ale zistil, že táto konštrukcia iba zvyšuje vibrácie. Nakoniec prišiel s ložiskom, ktoré pozostávalo zo sady krúžkov. Parsons používal dve veľkosti krúžkov: jeden tesne priliehal k vnútornej panve ložiska (cez ktorú prechádzal hriadeľ), ale nedotýkal sa puzdra; striedali sa s inými krúžkami, ktoré tesne priliehali k puzdru bez toho, aby sa dotýkali vložky. Celý systém prstencov v pozdĺžnom smere bol stlačený pružinou. Táto konštrukcia umožňovala malé bočné posuny hriadeľa a zároveň potláčala vibrácie v dôsledku trenia medzi oboma typmi podložiek.

Ložisko na hriadeli umožňovalo malé bočné posuny hriadeľa, ale tlmilo vibrácie. Pozostával zo striedajúcich sa krúžkov: niektoré tesne zakrývali vložku (vnútri ktorej prechádzal hriadeľ), bez toho, aby sa dotýkali skrine turbíny, iné boli tesne pritlačené k skrini bez toho, aby sa dotkli vložky. Celá sada krúžkov bola stlačená pružinou. Skrutkové čerpadlo (vľavo) poháňalo olej ( žltá) do ložiska.

Tento dizajn fungoval úspešne a tí, ktorí videli prototyp turbíny predstavený na výstave vynálezcov v Londýne v roku 1885, si všimli, ako hladko bežala v porovnaní s inými parnými strojmi tej doby. Ten otriasol základmi natoľko, že vibrácie bolo cítiť aj v značnej vzdialenosti od stroja.

Parsons turbínový generátor, postavený v roku 1884, bol prvou parnou rúrou, ktorá bola uvedená do priemyselného využitia. Para pod vysokým tlakom vstupovala do turbíny cez obdĺžnikový otvor umiestnený blízko stredu hriadeľa. Tu sa rozdelila a nasmerovala na opačné konce drieku, prechádzajúceho cez koruny lopatiek. Expandujúca para roztáčala pohyblivé (pracovné) krúžky, tesne usadené na centrálnom hriadeli. Medzi pohyblivými prstencami boli lemy pevných lopatiek upevnených na vnútornom povrchu skrine turbíny. Pevné lopatky smerovali paru na lopatky pohyblivých kolies.
V medzilopatkovom priestore každého kolesa sa para expandovala. Princíp viacstupňovej expanzie pary umožnil Parsonsovi naplno využiť energiu pary pod vysokým tlakom a vyhnúť sa vysokým rýchlostiam. Hriadeľom sa otáčalo dynamo alebo elektrický generátor (vpravo).

V Parsonsovej turbíne bola para privádzaná cez regulačný ventil do strednej časti hriadeľa. Tu sa prúd pary rozdelil a prechádzal dvoma kanálmi: jedna para smerovala na ľavý koniec šachty, druhá na pravý, objem pary v oboch kanáloch bol rovnaký. Každý prúd prechádzal korunami lopatiek v turbíne.

Jednou z výhod rozdelenia prúdu bolo, že pozdĺžne (axiálne) sily vytvárané tlakom pary na lopatky turbíny boli presne vyvážené. Nebolo teda potrebné axiálne (axiálne) ložisko. Opísaná konštrukcia sa používa v mnohých moderných parných turbínach.

A predsa, Parsonsova prvá viacstupňová turbína vyvinula vysokú rýchlosť - 18 000 otáčok za minútu. Pri takýchto rýchlostiach bola odstredivá sila pôsobiaca na lopatky turbíny 13-tisíckrát väčšia ako sila gravitácie. Aby sa znížilo nebezpečenstvo rozbitia rotujúcich častí, Parsons vyvinul veľmi jednoduchý dizajn: každý disk bol vyrobený z pevného medeného prstenca; štrbiny, ktoré obsahovali lopatky, boli umiestnené po obvode disku a boli štrbiny orientované pod uhlom 45°. Pohyblivé disky boli namontované na hriadeli a pripevnené na jeho rímsu. Pevné korunky pozostávali z dvoch polkrúžkov, ktoré boli pripevnené zhora a zdola na skriňu turbíny. Zväčšovanie objemu pary pri jej postupnej expanzii si vyžiadalo, aby sa dĺžka lopatiek pozdĺž toku pary zväčšila trikrát za sebou - z 5 na 7 mm. Okraje lopatiek boli skosené, aby sa zlepšili vlastnosti prúdu.

Problém zníženia rýchlosti otáčania hriadeľa dal vzniknúť ďalším vynálezom. Rýchlosti boli také vysoké, že nebolo možné vyriešiť tento problém pomocou vtedy existujúcich prevodových mechanizmov (napríklad ozubených kolies). Nebolo tiež možné použiť jednoduchý odstredivý regulátor, ktorý sa nachádzal v skorších konštrukciách parných strojov: guľôčky regulátora by sa jednoducho odtrhli odstredivou silou. Parsons vyvinul úplne nový typ regulátora. Na hriadeľ turbíny umiestnil odstredivý ventilátor napojený na sústavu rúrok obsahujúcich vzduch. Rotujúci ventilátor odsával vzduch z trubíc a vytváral v nich vákuum. Na tento podtlak reagovala kožená membrána umiestnená na druhej strane trubicového systému a pripojená k riadiacemu ventilu, ktorý ovládal prívod pary do turbíny. Ak sa rýchlosť otáčania turbíny zvýšila, riedenie vzduchu v rúrach sa zvýšilo a membrána sa viac vyklenula; v dôsledku toho ventil pripojený k membráne znížil prívod pary do turbíny a jej rotácia sa spomalila.

Regulátor fungoval dobre, ale nebol veľmi citlivý. Parsonsova turbína poháňala dynamo (elektrický generátor). V čase, keď Parsons postavil svoju turbínu, stála jedna žiarovka až štvrť tony uhlia. Aby nedochádzalo k vyhoreniu lámp pri náhlych zmenách elektrického prúdu (čo sa často stávalo pri použití parných strojov), muselo dynamo poskytovať konštantné napätie s presnosťou 1-2%. Na tento účel Parsons vybavil svoju turbínu špeciálnym mechanizmom jemného nastavenia, ktorý priamo reagoval na zmeny napätia na dyname.

Napätie na vinutí dynama je úmerné intenzite magnetické pole vytvorené na póloch. Parsons vyrobil jarmo z mäkkého železa a pripevnil ho na tyče dynama pripevnením pružiny. Vahadlo, ktoré prekonalo odpor pružiny, sa snažilo otočiť v smere magnetického poľa; uhol natočenia závisel priamo od intenzity poľa, čo zase súviselo s napätím na vinutiach dynama. Spolu s vahadlom sa otočil medený ventil. Podľa svojej polohy vo väčšej alebo menšej miere zakrýval otvor rúrky zaradenej do systému regulátora s odstredivým ventilátorom,

Ak sila magnetického poľa rástla, ventil začal postupne blokovať otvorenie trubice. Tým sa znížil prístup vzduchu k systému regulátora a zvýšilo sa vákuum vytvárané odstredivým ventilátorom. Zároveň sa ohla kožená membrána a regulačný ventil znížil prívod pary do turbíny. Rýchlosť otáčania turbíny teda závisela od napätia na vinutiach dynama. Parsonov mechanizmus jemného nastavenia bol jedným z prvých servomotorov, spätnoväzbových zariadení, ktoré riadia výdaj veľkého množstva energie pri spotrebe jej malej časti.

Vysokotlaková para (tmavo červená) vstupuje cez otvor v strede hriadeľa a prechádza cez koruny čepele na oba konce hriadeľa. Odpadová para (svetlo červená) vstupuje do dvoch dutín spojených výstupným kanálom v spodnej časti krytu. Ešte ďalej od stredu pozdĺž osi hriadeľa sú dve ďalšie dutiny spojené kanálom v hornej časti puzdra; sú udržiavané v čiastočnom vákuu (modré).

Spojky, tesne pritlačené k vnútornému povrchu krytu v dôsledku tlakového rozdielu medzi dutinami s výfukovou parou a čiastočným vákuom, neumožňujú únik výfukovej pary cez medzery v blízkosti povrchu rotujúceho hriadeľa. Mazanie zabezpečuje skrutkové čerpadlo (vľavo), ktoré pumpuje olej (žltý) do ložiska na hriadeli a do ostatných ložísk. Olej sa dostáva k centrálnym ložiskám cez kanál vo vnútri hriadeľa dynama (v strede a vpravo). Regulátor využíva odstredivý ventilátor (vľavo), ktorý vytvára podtlak (modrý) v potrubnom systéme. Kožená membrána spojená s ventilom, ktorý reguluje prívod pary do turbíny, je k nim priťahovaná, keď je v trubiciach vákuum.

Mechanizmus jemného nastavenia je umiestnený v hornej časti dynama. Tento mechanizmus mení prúdenie vzduchu do trubicového systému v závislosti od napätia na vinutiach dynama. Pôsobením podtlaku vytvoreného vo vzduchových trubiciach prúdi olej z ložísk späť do vertikálneho zásobníka (vľavo).

Dôležitú úlohu v systéme mazania zohral aj odstredivý ventilátor, ktorý dominoval Parsonsovmu regulátoru. Vysoká rýchlosť otáčania hriadeľa turbíny vyžadovala absolútne spoľahlivé mazanie. Na konci hriadeľa Parsons vystužil špirálovú špirálu, ktorá bola ponorená do zásobníka oleja a poskytovala mazivo ložiskám na hriadeli. Potrubie smerovalo olej na vzdialený koniec hriadeľa, kde bolo umiestnené dynamo, a kanál vo vnútri hriadeľa dynama privádzal olej do centrálnych ložísk a chladil vnútro dynama. Vplyvom gravitácie sa olej vrátil do centrálneho uzla. Hlavný zásobník oleja bol prepojený vertikálnou rúrou so systémom vzduchových rúrok umiestnených priamo pri ventilátore. Podtlak vytvorený ventilátorom nútil olej stekať z centrálnej zostavy späť do olejovej nádrže, takže hladina oleja bola dostatočná na prevádzku skrutkového čerpadla.

Ďalším Parsonsovým vynálezom, používaným aj v moderných turbínach, bola metóda na elimináciu úniku pary cez medzery medzi hriadeľom a skriňou turbíny. Akýkoľvek pokus o utiahnutie spojky k hriadeľu by bol neúspešný, pretože pri kritických rýchlostiach by v dôsledku úderov počas akcelerácie vznikalo veľké trenie. Spojka, ktorú navrhol Parsons, tesne lícovala s hriadeľom a zároveň umožňovala malé posuny. Po dosiahnutí prevádzkových otáčok fungovala spojka ako spoľahlivá uzávierka, ktorá udržovala výfukovú paru vo vnútri skrine turbíny.

Len čo turbína dosiahla prevádzkové otáčky, vplyvom tlakového rozdielu medzi výstupným potrubím a komorou sa spojka tesne pritlačila na hriadeľ, kde sa udržal čiastočný podtlak. Odpadová para prúdila z dvoch dutín (jedna na každom konci hriadeľa) cez výstupný kanál v spodnej časti skrine turbíny. Dve ďalšie dutiny boli umiestnené ďalej od stredu hriadeľa ako každá z výstupných dutín. Kanál v hornej časti tela spájal tieto extrémne dutiny. Vnútri každej z dvoch vnútorných dutín umiestnil Parsons puzdro tesne obopínajúce hriadeľ. Na udržanie čiastočného vákua v extrémnych dutinách Parsons použil parné prúdové čerpadlo. Pri malom počte otáčok turbíny sa spojky voľne otáčali spolu s hriadeľom. Po dosiahnutí prevádzkových otáčok vznikol tlakový rozdiel medzi vnútornými dutinami (kam vstupovala výfuková para z turbíny) a vonkajšími dutinami (kde sa udržiavalo čiastočné vákuum). Pôsobením poklesu tlaku sa spojky tesne pritlačili na skriňu turbíny a oddelili dutiny od seba.

Za akých podmienok sa formoval Parsonsov talent, vďaka ktorému sa mu podarilo prekonať ťažkosti na ceste k vytvoreniu turbíny? Parsons bol najmladším synom pozemkovej rodiny v Birr v grófstve Offaly v Írsku. Jeho otec, tretí gróf z Rossu, bol talentovaný vedec. Veľkou mierou prispel k technológii odlievania a brúsenia veľké zrkadlá pre teleskopy. V roku 1845 v dielni na svojom panstve zostrojil zrkadlový ďalekohľad, ktorý zostal niekoľko desaťročí najväčším ďalekohľadom na svete. S týmto ďalekohľadom objavil Parsons starší množstvo špirálových hmlovín. V rokoch 1849 až 1854 bol prezidentom Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Ako poslanec parlamentu si kúpil dom v Londýne, aby sa mohol zúčastňovať schôdzí. Časť roka tu žila celá rodina a organizovala recepcie, na ktoré boli pozvaní zástupcovia vedeckej obce.

Parsonovci neposlali svoje deti do školy. Ich učiteľmi boli astronómovia, ktorých gróf pozval na nočné pozorovania ďalekohľadmi; počas dňa títo učenci učili deti. Všemožnými spôsobmi boli deti povzbudzované k účasti na domácich dielňach. Remeslo, ku ktorému sa Charles pripojil od detstva, zohralo mimoriadne dôležitú úlohu v období, keď zostrojil svoju turbínu.

Charles nastúpil na Trinity College v Dubline a potom prestúpil na St. John's College, Cambridge University, ktorú ukončil v roku 1877. Matematiku študoval u Edwarda E. Roota, ktorý v tom čase študoval podmienky zachovania rovnomerného pohybu, najmä využitie rôznych mechanických regulátorov na tieto účely.

Až do tohto času si Parsons užíval plody svojej privilegovanej výchovy. Obrat v jeho osudoch nastal, keď sa stal učňom Georga Armstronga, známeho výrobcu námorných zbraní, a začal pracovať vo svojej továrni Elswick v Newcastle upon Tyne. Dôvody, ktoré viedli Parsonsa k takémuto rozhodnutiu, zostali neznáme: v tom čase si deti z bohatých rodín len zriedkavo vybrali kariéru v inžinierstve.

Parsons si získal povesť Armstrongovho najpracovitejšieho študenta. Počas učňovskej doby dostal v rokoch 1877 až 1882 povolenie pracovať na najnovšej inovácii – parnom stroji s rotujúcimi valcami. Nechal si patentovať niekoľko svojich vynálezov. Ak si preštudujete tieto patenty, zistíte, že myšlienku tlakového mazania použil o desaťročie skôr ako A. Payne, ktorý je známy svojimi vynálezmi v tejto oblasti. Pred Parsonsom sa na mazanie ložísk používali kvapkadlá, takže ložiská vyžadovali neustále sledovanie. Myšlienka núteného mazania zohrala výnimočnú úlohu pri vytváraní vysokorýchlostných strojov, najmä turbín.

Myšlienka vytvorenia turbíny prišla k Parsonsovi, zjavne, keď bol ešte študent. Lord Rayleigh uvádza slová jedného z Parsonsových známych z Cambridge, ktorému budúci vynálezca ukázal papierový hračkársky motor: keď Parsons fúkal na kolesá hračky, otáčali sa. Parsons povedal, že rýchlosť otáčania tohto stroja bude "desaťkrát viac ako ktorýkoľvek iný."

Parsons začal svoje prvé skutočné experimenty s turbínami počas práce pre Armstronga. Od roku 1881 do roku 1883, t.j. hneď po stáži spolupracoval s Jamesom Kilsonom na vývoji torpéda poháňaného plynom. Armstrong bol do značnej miery spojený s výrobou námorných zbraní a pravdepodobne podporoval snahy o vývoj nového druhu torpédového pohonu. Zvláštnosťou tohto premiestňovača bolo, že horiace palivo vytváralo prúd vysokotlakového plynu. Prúd zasiahol obežné koleso, čo spôsobilo jeho rotáciu. Obežné koleso zase otáčalo vrtuľou torpéda.

Parsonsove notebooky výslovne neuvádzajú dizajn obežného kolesa, ale určitú predstavu o ňom možno získať preskúmaním malého člna vyrobeného Parsonsom z medeného plechu. Čln bol poháňaný trojlistou vrtuľou umiestnenou pod trupom. Skrutka bola umiestnená vo vnútri veľkého prstenca so 44 špirálovými drážkami. Plyn unikajúci v prúde prechádzal týmito štrbinami a v dôsledku sily spôsobenej vychýlením prúdu sa krúžok začal otáčať. Spolu s ním sa otáčala aj vrtuľa, ktorá tlačila čln dopredu.

Parsons teda uskutočnil svoje prvé experimenty s plynovými turbínami a nie s parnými turbínami. Prestal na nich pracovať v roku 1883, hoci jeho patent z roku 1884 popisuje moderný cyklus plynovej turbíny. Neskôr k tomu podal vysvetlenie.

"Experimenty uskutočnené pred mnohými rokmi - napísal, - a čiastočne zamerané na overenie reality plynovej turbíny, ma presvedčilo, že s kovmi, ktoré sme mali k dispozícii...by bola chyba použiť na uvedenie lopatiek do rotácie žeravý prúd plynov - či už v čistom forme alebo zmiešané s vodou alebo trajektom."

Bola to prezieravá poznámka: až desať rokov po Parsonsovej smrti sa objavili kovy, ktoré boli vhodné na výrobu plynových turbín.

Začiatkom roku 1884 sa Parsons stal juniorským partnerom v Clarke Chapman and Company. Po usadení sa v Gateshead sa pustil do návrhu parnej turbíny. Jeho záznamy o experimentoch s vytvorením torpéda, ktoré sa týkajú augusta 1883, naznačujú, že v tom čase ešte neprišiel na myšlienku potreby prispôsobiť rýchlosť otáčania lopatiek rýchlosti plynového prúdu. . Nezaujímal ho ani problém vytvorenia trysky s veľkým pomerom tlakov na vstupe a výstupe. Ale už v apríli 1884 vydal dva dočasné patenty a v októbri a novembri toho istého roku dal Celý popis vynálezov.

Pre Parsonsa to bolo neuveriteľne produktívne obdobie. Musel nielen experimentovať s vysokorýchlostnými hriadeľmi a inými časťami turbíny, ale aj premýšľať o možných spôsoboch využitia energie svojho stroja. S rýchlosťou otáčania 18 000 otáčok za minútu sa nedal použiť na bežné účely. Parsons sa tiež rozhodol vytvoriť dynamo, poháňané turbínou pri vysokých otáčkach, ktoré má len málokto z moderných elektrické stroje. Následne Parsons často opakoval, že tento vynález bol rovnako dôležitý ako vytvorenie samotnej turbíny. Dodnes bolo hlavnou aplikáciou parnej turbíny pohon elektrických generátorov.

PRVÉ parné turbíny neboli obzvlášť efektívne. Kým ich výkon nezodpovedal hospodárnosti konvenčných parných strojov, bolo potrebné ich zatraktívniť pre kupujúcich na úkor iných vlastností. Takými atraktívnymi vlastnosťami sú ich malé rozmery, stabilita elektrického napätia, spoľahlivá prevádzka pri absencii riadenia a nízke prevádzkové náklady. Všetky tieto vlastnosti mala prvá turbína.

V novembri 1884, keď vznikol prvý prototyp turbíny, mal ctihodný Charles A. Parsons iba 30 rokov. Inžiniersky génius a cit pre potreby trhu neboli samy o sebe dostatočnými podmienkami pre úspešný vstup jeho potomka do života. V niekoľkých fázach musel Parsons investovať svoje vlastné prostriedky, aby vykonaná práca nebola márna. Počas súdneho procesu v roku 1898 na predĺženie platnosti niektorých jeho patentov sa zistilo, že Parsons minul 1 107,13 10 d. £ osobných peňazí na turbínu.

Turbinia je prvý parník s turbínovým motorom. Bola spustená v roku 1894.
Parník vyvinul rekordnú rýchlosť - až 35 uzlov.
Následne sa turbíny začali používať na veľkých lodiach.

Zariadenie parnej turbíny je nepretržite pracujúci tepelný celok, ktorého pracovným médiom je voda a para. Parná turbína je motor, v ktorom sa potenciálna energia pary premieňa na kinetickú energiu a kinetická energia sa zase premieňa na mechanickú energiu otáčania rotora. Rotor turbíny je pripojený priamo alebo pomocou prevodu k pracovnému stroju. V závislosti od účelu pracovného stroja môže byť parná turbína použitá v najrôznejších priemyselných odvetviach: v energetike, v doprave, v námornej a riečnej plavbe atď. Zahŕňa parnú turbínu a pomocné vybavenie.

História parnej turbíny

Prevádzka parnej turbíny je založená na dvoch princípoch vytvárania obvodovej sily na rotor, známych už od staroveku - reaktívnej a aktívnej. Späť v roku 130 pred Kr. Hrdina Alexandrie vynašiel zariadenie nazývané aeolipil. V súlade s obrázkom 2.1 to bola dutá guľa naplnená parou s dvoma dýzami v tvare L umiestnenými na opačných stranách a nasmerovanými rôznymi smermi. Z trysiek prúdila para veľkou rýchlosťou a vplyvom výsledných reakčných síl sa guľa otáčala.

Druhý princíp je založený na premene potenciálnej energie pary na kinetickú energiu. Možno to ilustrovať na príklade stroja Giovanniho Brancu, postaveného v roku 1629 a znázornenom na obrázku 2.2. V tomto stroji dal prúd pary do pohybu koleso s lopatkami, ktoré pripomínalo koleso vodného mlyna.

Parná turbína využíva oba tieto princípy. Prúd pary pod vysokým tlakom smeruje na zakrivené čepele namontované na kotúčoch. Pri obtekaní lopatiek sa prúd vychýli a disk s lopatkami sa začne otáčať. Pohybom medzi lopatkami v rozpínacom kanáli (koniec koncov, hrúbka lopatiek sa pri približovaní sa k drieku zmenšuje), para expanduje a zrýchľuje. V súlade so zákonmi zachovania energie a hybnosti pôsobí na turbínové koleso sila, ktorá ho roztáča. V dôsledku toho sa tlaková energia (potenciálna energia) pary premieňa na kinetickú energiu rotácie turbíny.

Prvé turbíny, podobne ako Brancov stroj, mali obmedzený výkon, pretože parné kotly neboli schopné vytvárať vysoký tlak. Hneď ako bolo možné získať vysokotlakovú paru, vynálezcovia sa opäť obrátili na turbínu. V roku 1815 inžinier Richard Trevithick nainštaloval dve dýzy na obruč kolesa parnej lokomotívy a tlačil cez ne paru. Na podobnom princípe bolo založené aj zariadenie píly, ktorú v roku 1837 postavil Američan William Avery. Len v Anglicku bolo za 20 rokov, od roku 1864 do roku 1884, patentovaných viac ako sto vynálezov, tak či onak súvisiacich s turbínami. Žiadny z týchto pokusov však neviedol k vytvoreniu stroja vhodného pre priemysel.

Čiastočne boli tieto poruchy spôsobené nesprávnym pochopením fyziky expanzie pary. Faktom je, že hustota pary je oveľa menšia ako hustota vody a jej „elasticita“ je oveľa väčšia ako elasticita kvapaliny, takže rýchlosť prúdu pary v parných turbínach je oveľa väčšia ako rýchlosť vody. vo vodných turbínach. Experimentálne sa zistilo, že účinnosť Turbína dosiahne maximum, keď je obvodová rýchlosť lopatiek približne polovičná oproti rýchlosti prúdu pary. Z tohto dôvodu mali prvé turbíny veľmi vysoké otáčky.

Ale vysoká rýchlosť otáčania často viedla k zničeniu rotujúcich častí turbíny v dôsledku pôsobenia odstredivých síl. Zníženie uhlovej rýchlosti pri zachovaní obvodovej rýchlosti bolo možné dosiahnuť zväčšením priemeru kotúča, na ktorom boli lopatky pripevnené. Realizovať túto myšlienku však bolo náročné, keďže množstvo vyrobenej vysokotlakovej pary pre stroj nestačilo. veľká veľkosť. V tomto ohľade mali prvé experimentálne turbíny malý priemer a krátke lopatky.

Ďalší problém súvisiaci s vlastnosťami pary bol ešte ťažší. Rýchlosť pary unikajúcej z dýzy je úmerná pomeru tlakov na vstupe a výstupe z dýzy a svoju maximálnu hodnotu dosahuje pri tlakovom pomere približne dva. Ďalšie zvýšenie poklesu tlaku už nevedie k zvýšeniu rýchlosti prúdu. Konštruktéri teda nemohli plne využiť výhody vysokotlakovej pary pri použití trysky s konštantným alebo kužeľovým otvorom.

V roku 1889 švédsky inžinier Carl Gustav de Laval použil trysku, ktorá sa na výstupe rozširuje. Takáto tryska umožnila získať oveľa vyššiu rýchlosť pary a v dôsledku toho sa výrazne zvýšila aj rýchlosť otáčania rotora turbíny.

Obrázok 2.4 znázorňuje Lavalovu parnú turbínu. V ňom para vstupuje do dýzy, získava v nej značnú rýchlosť a smeruje k pracovným lopatkám umiestneným na okraji kotúča turbíny. Keď sa prúd pary otáča v kanáloch pracovných lopatiek, vznikajú sily, ktoré roztáčajú disk a s ním spojený hriadeľ turbíny. Obdržať požadovaný výkon na jednostupňovej turbíne sú potrebné veľmi vysoké prietoky pary. Zmenou konfigurácie expanznej dýzy bolo možné dosiahnuť významný stupeň expanzie pary a tým aj vysokú rýchlosť (1200 ... 1500 m / s) odtoku pary.

Pre najlepšie využitie vysoké rýchlosti pary, Laval vyvinul dizajn disku, ktorý dokázal vydržať obvodovú rýchlosť až 350 m/s a rýchlosť otáčania niektorých turbín dosahovala 32 000 min-1.

Turbíny, v ktorých celý proces expanzie pary a s tým spojeného zrýchlenia prúdu pary prebieha v dýzach, sa nazývajú aktívne. Medzi takéto zariadenia patrí najmä turbína Branca.

Následne sa zdokonaľovanie aktívnych parných turbín uberalo cestou využitia sekvenčnej expanzie pary v niekoľkých stupňoch umiestnených za sebou. V takýchto turbínach, ktoré na konci minulého storočia vyvinul francúzsky vedec Rato a zdokonalil konštruktér Celli, je množstvo diskov namontovaných na spoločnom hriadeli oddelených priečkami. V týchto priečkach boli usporiadané profilované otvory - dýzy. Na každom z takto vybudovaných stupňov sa spotrebuje časť energie pary. Transformácia kinetickej energie prúdu pary prebieha bez dodatočné rozšírenie para v kanáloch pracovných lopatiek. Aktívne viacstupňové turbíny sú široko používané v stacionárnych zariadeniach, ako aj v lodných motoroch.

Spolu s turbínami, v ktorých sa prúd pary pohybuje približne rovnobežne s osou hriadeľa turbíny a ktoré sa nazývajú axiálne turbíny, vznikli takzvané radiálne turbíny, v ktorých para prúdi v rovine kolmej na os turbíny. Medzi týmto typom turbín je najväčší záujem o turbínu bratov Jungströmovcov navrhnutá v roku 1912.

Na bočných plochách kotúčov sú lopatky prúdových stupňov usporiadané do prstencov s postupne sa zväčšujúcim priemerom. Para je privádzaná do turbíny potrubím a potom cez otvory v kotúčoch smeruje do centrálnej komory. Para z neho prúdi na okraj cez kanály lopatiek namontovaných na diskoch. Na rozdiel od bežnej turbíny nie sú v konštrukcii bratov Jungströmových žiadne pevné trysky ani vodiace lopatky. Oba kotúče sa otáčajú v opačných smeroch, takže sila vyvíjaná turbínou sa prenáša na dva hriadele. Turbína opísaného dizajnu sa ukázala ako veľmi kompaktná.

A napriek tomu, napriek množstvu nových konštrukčných riešení používaných v jednostupňových aktívnych turbínach, bola ich účinnosť nízka. Okrem toho potreba redukčného prevodu na zníženie rýchlosti otáčania hnacieho hriadeľa elektrického generátora brzdila šírenie jednostupňových turbín. Preto Lavalove turbíny, ktoré boli v ranom štádiu výstavby turbín široko používané ako jednotky malého výkonu (do 500 kW), neskôr ustúpili turbínam iných typov.

Parsons vytvoril turbínu zásadne nového dizajnu. Vyznačoval sa nižšou rýchlosťou otáčania a zároveň v ňom bola maximálne využitá energia pary. Faktom je, že v Parsonsovej turbíne sa para expandovala postupne, keď prechádzala cez 15 stupňov, z ktorých každý pozostával z dvoch vencov lopatiek: jeden bol pevný (s vodiacimi lopatkami upevnenými na skrini turbíny), druhý bol pohyblivý (s lopatky rotora na disku).upevnený na rotujúcom hriadeli). Roviny lopatiek pevných a pohyblivých vencov boli navzájom kolmé.

Para smerujúca k pevným lopatkám expandovala v medzilopatkových kanáloch, zvýšila sa jej rýchlosť a keď dopadla na pohyblivé lopatky, roztočila ich. V medzilopatkových kanáloch pohyblivých lopatiek sa para ďalej rozširovala, rýchlosť prúdu sa zvýšila a vznikajúca reaktívna sila tlačila lopatky.

Vďaka zavedeniu pohyblivých a pevných okrajov lopatiek sa vysoká rýchlosť otáčania stala zbytočnou. Na každom z tridsiatich vencov Parsonsovej viacstupňovej turbíny sa para mierne rozpínala a strácala časť svojej kinetickej energie. V každom štádiu (pár koruniek) tlak klesol len o 10 %. Parný postup, ktorý je základom moderného dizajnu turbín, bol len jedným z mnohých. originálne nápady stelesnený Parsonsom.

Ďalšou plodnou myšlienkou bola organizácia prívodu pary do strednej časti šachty. Tu sa prúd pary rozdelil a išiel dvoma smermi na ľavý a pravý koniec šachty. Prúdenie pary v oboch smeroch bolo rovnaké. Jednou z výhod rozdelenia prúdu bolo, že pozdĺžne (axiálne) sily spôsobené tlakom pary na lopatky turbíny boli vyvážené. Nebolo teda potrebné axiálne ložisko. Opísaná konštrukcia sa používa v mnohých moderných parných turbínach.

A predsa, prvá Parsonsova viacstupňová turbína mala príliš vysokú rýchlosť 18 000 min-1. Odstredivá sila pôsobiaca na lopatky turbíny bola 13 000-krát väčšia ako gravitácia. Aby sa znížilo riziko rozbitia rotujúcich častí, Parsons prišiel s jednoduchým riešením. Každý disk bol vyrobený z pevného medeného prstenca a štrbiny, do ktorých čepele vstupovali, boli umiestnené po obvode disku a boli orientované pod uhlom 45°. Pohyblivé disky boli namontované na hriadeli a pripevnené na jeho rímsu. Pevné korunky pozostávali z dvoch polkrúžkov, ktoré boli pripevnené zhora a zdola na skriňu turbíny. Lopatky Parsonsovej turbíny boli ploché. Na kompenzáciu poklesu rýchlosti prúdenia pary pri jej prechode do posledných stupňov boli v prvom Parsonsovom stroji implementované dve technické riešenia: priemer kotúča sa zväčšoval v krokoch a dĺžka lopatiek sa zväčšovala z 5 na 7 mm. Okraje lopatiek boli skosené, aby sa zlepšili podmienky prúdenia prúdu.

Parsons bol najmladším synom rodiny, ktorá dostala pôdu v Írsku. Jeho otec, gróf Ross, bol talentovaný vedec. Veľkou mierou prispel k technológii odlievania a leštenia veľkých zrkadiel pre teleskopy.

Parsonovci neposlali svoje deti do školy. Ich učiteľmi boli astronómovia, ktorých gróf pozval na nočné pozorovania ďalekohľadmi; počas dňa títo učenci učili deti. Všemožnými spôsobmi boli deti povzbudzované k účasti na domácich dielňach.

Charles vstúpil na Trinity College v Dubline a potom sa presťahoval na St. John's College, Cambridge University, ktorú ukončil v roku 1877.

Zlom v Parsonsovom bohatstve nastal, keď sa stal učňom Georgea Armstronga, známeho výrobcu námorných zbraní, a začal pracovať v jeho továrni Elswick v Newcastlepon Tyne. Dôvody, ktoré viedli Parsonsa k takémuto rozhodnutiu, zostali neznáme: v tom čase si deti z bohatých rodín len zriedkavo vybrali kariéru v inžinierstve. Parsons si získal povesť Armstrongovho najpracovitejšieho študenta. Počas stáže dostal v rokoch 1877 až 1882 povolenie pracovať na najnovšej novinke – parnom stroji s rotujúcimi valcami. Nechal si patentovať niekoľko svojich vynálezov.

Parsons začal svoje prvé experimenty s turbínami počas práce pre Armstronga. Od roku 1881 do roku 1883, t.j. hneď po stáži pracoval na vytvorení torpéda poháňaného plynom. Zvláštnosťou torpédového pohonu bolo, že horiace palivo vytváralo vysokotlakový prúd plynu. Prúd zasiahol obežné koleso, čo spôsobilo jeho rotáciu. Obežné koleso zase poháňalo vrtuľu torpéda do rotácie.

Funguje na plynové turbíny Parsons sa zastavil v roku 1883, hoci jeho patent z roku 1884 popisuje moderný cyklus takejto turbíny. Neskôr k tomu podal vysvetlenie. "Experimenty vykonané pred mnohými rokmi," napísal, "a čiastočne zamerané na overenie reality plynovej turbíny, ma presvedčili, že s kovmi, ktoré sme mali k dispozícii... by bolo chybou použiť žeravý prúd plyny – či už v čistej forme, alebo zmiešané s vodou či parou. Bola to prezieravá poznámka: až desať rokov po Parsonsovej smrti sa objavili kovy, ktoré mali potrebné vlastnosti.

V apríli 1884 podal dva dočasné patenty a v októbri a novembri toho roku podal úplný popis vynálezu. Pre Parsonsa to bolo neuveriteľne produktívne obdobie. Rozhodol sa vytvoriť dynamo poháňané turbínou pri vysokých rýchlostiach, ktoré má k dispozícii len málo moderných elektrických strojov. Následne Parsons často opakoval, že tento vynález bol rovnako dôležitý ako vytvorenie samotnej turbíny. Dodnes bolo hlavnou aplikáciou parnej turbíny pohon elektrických generátorov.

V novembri 1884, keď vznikol prvý prototyp turbíny, mal ctihodný Charles A. Parsons iba 30 rokov. Inžiniersky génius a cit pre potreby trhu neboli samy o sebe dostatočnými podmienkami pre úspešný vstup jeho potomka do života. V niekoľkých fázach musel Parsons investovať svoje vlastné prostriedky, aby vykonaná práca nebola márna. Počas súdneho procesu v roku 1898 na predĺženie platnosti niektorých jeho patentov sa zistilo, že Parsons minul 1 107,13 10 d. £ osobných peňazí na turbínu.

Veľký význam pre energetiku a elektrifikáciu mal vynález a rozvod parných turbín. Princíp ich činnosti bol podobný ako u hydraulických, s tým rozdielom, že hydraulická turbína bola poháňaná prúdom vody a parná turbína bola poháňaná prúdom ohriatej pary.

Tak ako vodná turbína predstavovala nové slovo v histórii, parná turbína ukázala nové možnosti. Starý Watt stroj, ktorý oslávil storočnicu v tretej štvrtine 19. storočia, mal nízku účinnosť, keďže rotačný pohyb sa v ňom získaval zložitým a iracionálnym spôsobom.

V skutočnosti, ako si pamätáme, para tu nehýbala samotným rotujúcim kolesom, ale vyvíjala tlak na piest, z piestu cez ojnicu, ojnicu a kľuku sa pohyb prenášal na hlavný hriadeľ. V dôsledku početných presunov a premien veľká časť energie prijatej zo spaľovania paliva v plnom zmysle slova odletela do potrubia bez akéhokoľvek úžitku.

Vynálezcovia sa viackrát pokúšali navrhnúť jednoduchší a ekonomickejší stroj - parnú turbínu, v ktorej by prúd pary priamo otáčal obežné koleso. Jednoduchý výpočet ukázal, že by mal mať účinnosť o niekoľko rádov vyššiu ako Wattov stroj. V ceste inžinierskeho myslenia však bolo veľa prekážok.

Aby bola turbína skutočne vysoko efektívna, obežné koleso sa muselo točiť veľmi vysokou rýchlosťou, čo znamenalo stovky otáčok za minútu. Dlho sa to nedalo dosiahnuť, pretože nevedeli dať parnému prúdu správnu rýchlosť.

To Až v roku 1883 sa podarilo švédskemu Gustavovi Lavalovi prekonať mnohé ťažkosti a vytvoriť prvú funkčnú parnú turbínu. O niekoľko rokov skôr Laval získal patent na separátor mlieka. Na jeho uvedenie do činnosti bol potrebný veľmi rýchly pohon. Žiadny z vtedy existujúcich motorov túto úlohu nesplnil.

Laval bol presvedčený, že iba parná turbína mu môže poskytnúť potrebnú rýchlosť otáčania. Začal na tom pracovať navrhnúť a nakoniec dosiahnuť želané. Lavalova turbína bola ľahké koleso, na ktorom bolo cez niekoľko umiestnených pod ostrý uhol z trysiek sa parilo. V roku 1889 Laval výrazne zlepšil svoj vynález pridaním kónických expandérov do trysiek. Tým sa výrazne zvýšila účinnosť turbíny a zmenila sa na univerzálny motor.

Princíp fungovania turbíny bol mimoriadne jednoduchý. Para, ohriata na vysokú teplotu, prichádzala z kotla cez parné potrubie do trysiek a vyrážala. V dýzach para expandovala na atmosférický tlak. V dôsledku nárastu objemu sprevádzajúceho túto expanziu bolo dosiahnuté výrazné zvýšenie rýchlosti odtoku (pri expanzii z 5 na 1 atmosféru rýchlosť prúdu pary dosiahla 770 m/s).

Energia obsiahnutá v pare sa teda prenášala na lopatky turbíny. Počet trysiek a tlak pary určovali výkon turbíny. Keď sa výfuková para nevypúšťala priamo do ovzdušia, ale posielala sa, ako pri parných strojoch, do kondenzátora a pri zníženom tlaku skvapalňovala, bol výkon turbíny najvyšší. Takže s expanziou pary od 5 atm. až 1/10 atm. rýchlosť prúdu dosiahla nadzvukové hodnoty.

Napriek svojej zjavnej jednoduchosti bola Lavalova turbína skutočným zázrakom techniky. Stačí si predstaviť stres, ktorý v ňom robotník prežíval, aby sme pochopili, aké ťažké bolo pre vynálezcu dosiahnuť od svojho potomka neprerušovanú prácu. Pri obrovských otáčkach turbínového kolesa aj mierny posun ťažiska spôsobil silné zaťaženie nápravy a preťaženie ložísk. Aby sa tomu zabránilo, Laval prišiel s nápadom umiestniť koleso na veľmi tenkú osku, ktorá sa pri otáčaní mohla mierne ohýbať. Po rozkrútení sa sám dostal do striktne centrálnej polohy, ktorá sa potom držala pri akejkoľvek rýchlosti otáčania. Vďaka tomuto dômyselnému riešeniu má deštruktívny účinok na ložiská bola znížená na minimum.

Hneď ako sa objavila, Lavalova turbína získala všeobecné uznanie. Bol oveľa ekonomickejší ako staré parné stroje, veľmi ľahko sa s ním manipulovalo, zaberalo málo miesta a ľahko sa montovalo a pripájalo. Obzvlášť veľké výhody mala Lavalova turbína, keď bola pripojená k vysokorýchlostným strojom s pílami, separátormi a odstredivými čerpadlami.

Úspešne sa používal aj ako pohon elektrického generátora, no napriek tomu mal príliš vysoké otáčky, a preto mohol pôsobiť iba cez prevodovku (systém ozubených kolies, ktoré spúšťali rýchlosť otáčania pri prenose pohybu z hriadeľa turbíny na hriadeľ generátora).

V roku 1884 získal anglický inžinier Charles Parsons patent na viacstupňovú prúdovú turbínu, ktorú vynašiel špeciálne na pohon elektrického generátora. V roku 1885 skonštruoval viacstupňovú prúdovú turbínu, ktorá sa neskôr začala hojne využívať v tepelných elektrárňach.

Mala nasledujúce zariadenie, ktoré pripomínalo zariadenie s prúdovou turbínou. Na centrálnom hriadeli bol namontovaný rad otočných kolies s lopatkami. Medzi týmito kolesami boli pevné ráfiky (disky) s lopatkami, ktoré mali opačný smer. Para pod vysokým tlakom bola privádzaná na jeden z koncov turbíny.

Tlak na druhom konci bol malý (nižší ako atmosférický). Preto sa para snažila prejsť turbína. Najprv pôsobil v medzerách medzi lopatkami prvej koruny. Tieto lopatky to nasmerovali na lopatky prvého pohyblivého kolesa. Medzi nimi prechádzala para, čo spôsobilo, že sa kolesá otáčali. Potom vstúpil do druhej koruny.

Lopatky druhej koruny smerovali paru medzi lopatky druhého pohyblivého kolesa, ktoré sa tiež dostalo do rotácie. Z druhého pohyblivého kolesa prúdila para medzi lopatkami tretej koruny atď. Všetky lopatky dostali taký tvar, že prierez medzilopatkových kanálov sa v smere prúdenia pary zmenšoval.

Lopatky tvorili dýzy namontované na hriadeli, z ktorých pri expanzii prúdila para. Využíval sa tu aktívny aj jalový výkon. Pri otáčaní sa všetky kolesá otáčali hriadeľom turbíny. Vonku zariadenie bolo uzavreté v pevnom obale. V roku 1889 sa už asi tristo týchto turbín využívalo na výrobu elektriny a v roku 1899 bola v Elberfelde postavená prvá elektráreň s Parsonsovými parnými turbínami.

Medzitým sa Parsons pokúsil rozšíriť rozsah svojho vynálezu. V roku 1894 zostrojil experimentálne plavidlo „Turbinia“ poháňané parnou turbínou. V testoch predviedol rekordnú rýchlosť 60 km/h. Potom sa na mnohých začali inštalovať parné turbíny.

Nikolaj Alexandrov

Nie nadarmo sa devätnáste storočie nazývalo storočím pary.S vynálezom parného stroja nastala skutočná revolúcia v priemysle, energetike a doprave. Bolo možné mechanizovať prácu, ktorá predtým vyžadovala príliš veľa ľudských rúk. železnice dramaticky rozšíril možnosti prepravy tovaru po súši. Na more sa vydávajú obrovské plavidlá, schopné pohybu proti vetru a zaručujúce včasné doručenie tovaru. Rozmach priemyselnej výroby postavil pred energetiku úlohu všemožne zvyšovať výkon motorov. Spočiatku to však nebol vysoký výkon, ktorý priviedol parnú turbínu k životu ...

Hydraulická turbína ako zariadenie na premenu potenciálnej energie vody na kinetickú energiu rotujúceho hriadeľa je známa už od staroveku. Parná turbína má podobne dlhú históriu, pričom jedna z prvých konštrukcií známa ako „Heronova turbína“ sa datuje do prvého storočia pred naším letopočtom. Hneď však podotýkame, že až do 19. storočia boli turbíny poháňané parou skôr technickými zaujímavosťami, hračkami, než skutočnými priemyselne použiteľnými zariadeniami.

A až so začiatkom priemyselnej revolúcie v Európe, po rozšírenom praktickom zavedení parného stroja D. Watt, sa vynálezcovia začali parnej turbíne takpovediac „zblízka“ venovať. Vytvorenie parnej turbíny si vyžadovalo hlboké znalosti fyzikálne vlastnosti para a zákony jej expirácie. Jeho výroba bola možná len s dostatočne vysokou úrovňou technológie na prácu s kovmi, pretože požadovaná presnosť pri výrobe jednotlivých častí a pevnosť prvkov boli výrazne vyššie ako v prípade parného stroja.

Na rozdiel od parného stroja, ktorý vykonáva prácu s využitím potenciálnej energie pary a najmä jej pružnosti, parná turbína využíva kinetickú energiu prúdu pary a premieňa ju na rotačnú energiu hriadeľa. Najdôležitejšou vlastnosťou vodnej pary je jej vysoká rýchlosť prúdenia z jedného média do druhého, a to aj pri relatívne malom poklese tlaku. Pri tlaku 5 kgf/m2 má prúd pary vytekajúci z nádoby do atmosféry rýchlosť asi 450 m/s. V 50. rokoch minulého storočia sa zistilo, že pre efektívne využitie kinetickej energie pary musí byť obvodová rýchlosť lopatiek turbíny na obvode aspoň polovičná oproti rýchlosti dúchacieho prúdu, teda s polomerom lopatiek turbíny 1 m je potrebné udržiavať otáčky okolo 4300 ot./min. Najskôr technika polovice XIX storočia nepoznali ložiská schopné dlhodobo udržať také rýchlosti. D. Watt na základe vlastných praktických skúseností považoval takéto vysoké rýchlosti pohybu prvkov stroja za principiálne nedosiahnuteľné a na varovanie pred hrozbou, ktorú by mohla turbína vytvoriť pre ním vynájdený parný stroj, odpovedal takto: : „O akej konkurencii môžeme hovoriť, ak bez Božej pomoci nedokážete rozhýbať pracovné časti rýchlosťou 1000 stôp za sekundu?

Čas však plynul, technika sa zlepšovala a odbila hodina praktického využitia parnej turbíny. Primitívne parné turbíny boli prvýkrát použité na pílach vo východných Spojených štátoch v rokoch 1883-1885. na pohon kotúčových píl. Para bola privádzaná cez os a potom, expandujúca, bola smerovaná cez potrubia v radiálnom smere. Každá z rúr bola zakončená zakrivenou špičkou. Konštrukčne sa teda popisované zariadenie veľmi približovalo Heronovej turbíne, malo extrémne nízku účinnosť, ale bolo vhodnejšie na pohon vysokootáčkových píl ako parný stroj s vratným pohybom piestu. Okrem toho sa na ohrev pary podľa vtedajších koncepcií využívalo odpadové palivo – odpad z píly.

Tieto prvé americké parné turbíny sa však veľmi nepoužívali. Ich vplyv na ďalšiu históriu techniky prakticky chýba. Čo sa nedá povedať o vynálezoch Švéda francúzskeho pôvodu de Laval, ktorého meno dnes pozná každý motorový inžinier.

Carl Gustav Patrick de Laval

De Lavalovi predkovia boli hugenoti, ktorí boli nútení emigrovať do Švédska v r koniec XVI storočia v dôsledku domáceho prenasledovania. Carl-Gustav-Patrick („Gustav“ bol stále považovaný za hlavného) sa narodil v roku 1845 a získal vynikajúce vzdelanie, vyštudoval od r. technologický inštitút a University of Uppsala. V roku 1872 začal de Laval pracovať ako inžinier pre chemická technológia a hutníctvo, ale čoskoro sa začal zaujímať o problém vytvorenia efektívneho separátora mlieka. V roku 1878 sa mu podarilo rozvinúť dobrá možnosť dizajn separátora, ktorý je široko používaný; Gustáv použil výťažok na začatie prác na parnej turbíne. Bol to separátor, ktorý dal impulz na obsadenie nového zariadenia, pretože potreboval mechanický pohon schopný poskytnúť rýchlosť otáčania najmenej 6000 ot / min.

Aby sa predišlo použitiu akéhokoľvek druhu multiplikátorov, de Laval navrhol umiestniť separačný bubon na rovnaký hriadeľ s najjednoduchšou prúdovou turbínou. V roku 1883 bol na tento dizajn prijatý anglický patent. Potom de Laval prešiel k vývoju jednostupňovej turbíny aktívneho typu a už v roku 1889 získal patent na rozpínaciu trysku (a dnes sa bežne používa termín „Lavalova tryska“), ktorá umožňuje znížiť tlak pary a zvýšiť jej rýchlosť na nadzvukovú. Krátko nato bol Gustav schopný prekonať ďalšie problémy, ktoré vznikli pri výrobe prevádzkyschopnej aktívnej turbíny. Preto navrhol použitie ohybného hriadeľa, disku s rovnakým odporom a vyvinul metódu na upevnenie lopatiek v disku.

Na medzinárodnej výstave v Chicagu, ktorá sa konala v roku 1893, bola predstavená malá de Lavalova turbína s výkonom 5 hp. s rýchlosťou otáčania 30 000 ot./min! Obrovská rýchlosť otáčania bola dôležitým technickým výdobytkom, no zároveň sa stala Achillovou pätou takejto turbíny, keďže už v r. praktické uplatnenie predpokladala zaradenie redukčného prevodu do elektrárne. Prevodovky sa vtedy vyrábali prevažne ako jednostupňové, takže často bol priemer veľkého ozubeného kolesa niekoľkonásobne väčší ako veľkosť samotnej turbíny. Potreba použiť objemné redukčné prevody zabránila rozsiahlemu zavedeniu de Lavalových turbín. Najväčšia jednostupňová turbína s výkonom 500 hp. mal spotrebu pary 6 ... 7 kg / hp h.

Zaujímavá funkcia Lavalovo dielo možno považovať za jeho „nahý empirizmus“: vytvoril celkom funkčné konštrukcie, ktorých teóriu neskôr rozvinuli iní. Takže český vedec A. Stodola následne hlboko študoval teóriu ohybného hriadeľa, systematizoval aj hlavné otázky výpočtu pevnosti turbínových kotúčov rovnakého odporu. Práve nedostatok dobrej teórie neumožnil de Lavalovi dosiahnuť veľký úspech, okrem toho to bol človek, ktorý sa nechal uniesť a ľahko prešiel z jednej témy na druhú. Zanedbajúc finančnú stránku veci, tento talentovaný experimentátor, ktorý nemal čas realizovať ďalší vynález, o neho rýchlo stratil záujem, unesený novým nápadom. Iný typ človeka bol Angličan Charles Parsons, syn lorda Rossa.

Charles Algernon Parsons

Charles Parsons sa narodil v roku 1854 a dostal klasiku Anglické vzdelanie po absolvovaní University of Cambridge. Za zamestnanie si zvolil strojárstvo a od roku 1976 začal pracovať v závode Armstrong v Newcastli. Talent a vynaliezavosť dizajnéra v kombinácii s finančné možnosti rodičia dovolili Parsonsovi rýchlo prevziať kontrolu nad vlastným podnikaním. Už v roku 1883 bol spolumajiteľom Clark, Chapman, Parsons and Co. av roku 1889 bol majiteľom vlastného závodu na výrobu turbostavieb a dynama v Gitone.

Parsons zostrojil prvú viacstupňovú parnú turbínu prúdového typu v roku 1884. Vôbec nebola určená na pohon odlučovačov s relatívne malým výkonom, ale na prácu v spojení s elektrickým generátorom. Parsons tak už od prvého kroku správne predvídal jednu z najperspektívnejších oblastí použitia parných turbín a v budúcnosti nemusel pre svoj vynález hľadať spotrebiteľov. Aby sa vyrovnala axiálna sila, para sa privádzala do stredu hriadeľa turbíny a potom prúdila na jeho konce. Parsonsova prvá parná turbína mala iba 6 koní. a bol podrobený rôznym testom. Hlavnými ťažkosťami bol vývoj racionálneho dizajnu lopatiek a spôsobov ich upevnenia v disku, ako aj zabezpečenie tesnení. Už v návrhu z roku 1887 Parsons použil labyrintové tesnenia, ktoré umožnili prejsť na turbíny s jednosmerným prúdením pary. Do roku 1889 počet vyrobených turbín presiahol 300 jednotiek, ich výkon ešte nedosiahol 100 koní. rýchlosťou okolo 5000 ot./min. Takéto turbíny sa používali najmä na pohon elektrických generátorov.

Vzťah medzi partnermi vo filme "Clark, Chapman, Parsons and Co." nebol ani zďaleka bez mráčika a Parsons bol nútený odísť, pričom zanechal bývalých kolegov a časť autorských práv, ktoré formálne vlastnila firma. V tomto smere na dlhší čas upustil od tvorby aktívnych turbín (chránených patentom) a prešiel na vývoj radiálnych viacstupňových turbín. Vylepšením tohto typu sa dizajnérovi podarilo dosiahnuť pôsobivé výsledky. Znížil teda mernú spotrebu pary zo 44 na 12,7 kg/kWh, no zároveň si uvedomil, že predchádzajúci axiálny typ turbíny bol predsa len perspektívnejší. Od roku 1894, po obnovení práv na patent, sa Parsons opäť začal zaoberať práve takýmito turbínami.

Vo svojej továrni toho otestoval najviac rôznych materiálov pre lopatky turbíny, ale ustálil sa na bronze pre nasýtenú a mierne prehriatu paru, čistej medi pre vysokotlakovú časť a niklovom bronze pre silne prehriatu paru. Okrem toho bol vykonaný hlboký výskum na vytvorenie racionálneho návrhu regulátora pary. Na zlepšenie presnosti Parsons použil princíp prerušovaného podávacieho relé na zníženie trenia. Paralelne boli zavedené ďalšie vylepšenia, ktoré spolu viedli k zníženiu mernej spotreby pary na 9,2 kg / kWh pre 400 kW turbínu vyrobenú v roku 1896.