Úžasná parná turbína. História parnej turbíny

Dátum zverejnenia 07.02.2013 02:04

Dnes je „srdcom“, ktoré dáva život väčšine umelých strojov, spaľovací motor (ICE). Nebolo to však vždy tak.

Z minulosti do súčasnosti

Pred érou spaľovacieho motora bola parná turbína dlhý čas základným kameňom technologického pokroku. Toto je zriedkavý prípad, keď sú vynálezy také úspešné, že sa v našej dobe naďalej používajú, aj keď s množstvom vylepšení. Všimnite si, že by ste si nemali mýliť parné turbíny a klasické stroje jazdiace na paru (rovnaká parná lokomotíva). Majú iný princíp fungovania a účinnosť je neporovnateľná.

Parná turbína. Vynález

Predpokladá sa, že po prvýkrát takúto turbínu vyvinul a stelesnil do kovu Švéd P. Laval. Už v roku 1889 vznikla potreba účinného motora pre separátor mlieka, ktorý by sa mohol otáčať s frekvenciou najmenej 100 otáčok za sekundu. Princíp činnosti turbíny bol celkom jednoduchý: lopatky boli umiestnené na povrchu valca pripevneného k osi, do ktorého narážal prúd prehriatej pary z neďalekého kotla. Potenciálna energia pary sa premenila na kinetickú energiu, čím sa valec otáčal. Laval to empiricky určil najlepšie výsledky možno dosiahnuť, ak prúd pary bude vytiahnutý cez kužeľovité dýzy, a nie cez rovné rúrky.

Slávnejšia parná turbína Angličana Ch.A. Parsonsa. Vyvinul ho takmer paralelne s Lavalom, no nielen vylepšil, ale uhádol aj pripojenie k elektrickému generátoru (prototyp moderný systém D-D).

V roku 1894 vytvoril loď poháňanú parným turbínovým motorom (maximálna rýchlosť asi 60 km/h). Nápad bol taký úspešný, že po roku 1900 bola väčšina vojnových lodí vybavená podobnými motormi.

V dnešnej dobe

Samozrejme, od vynálezu a prvých modelov sa parná turbína modernizovala a konštrukčné chyby boli odstránené. Klasická jednotka parnej turbíny obsahuje dva komponenty: stacionárny stator s blokom trysiek a rotujúci rotor (valec) s lopatkami umiestnenými na jeho tele. V závislosti od smeru pohybu prúdu pary existujú dva typy konštrukcie rotora - radiálne a axiálne. Prvé sú ozvenou pôvodných riešení: v nich je vektor šírenia pary kolmý na os valca a lopatky sú s ním rovnobežné. V axiálnom smere sa pohyb pary zhoduje s osou a rotácia sa vytvára v dôsledku špeciálnej orientácie lopatiek.

Efektívnejšie využitie energie pary je možné v parné turbíny ah s viacerými valcami (viactelesové). Vzhľadom na objemnosť a zložitosť dizajnu sa však takéto riešenia používajú tam, kde je ich použitie ekonomicky opodstatnené. Valce karosérie môžu byť umiestnené ako na spoločnej osi, tak aj mechanicky nezávislé. Systém tesnení a membrán zabraňuje abnormálnej prevádzke celej inštalácie (nasávanie vonkajšieho vzduchu, únik pary, obtokové stupne atď.).

Vývoj technológie parných turbín

Pri nízkych hladinách tlaku pary a nízkom výkone nie sú klasické turbíny dostatočne účinné. Nahradil ich parný závitovkový stroj. Tento ruský vývoj je prirodzeným vývojom pôvodného modelu. Rotory so špirálovými lopatkami sú umiestnené vo vnútri krytu. Prichádzajúca para vyplní priestor medzi zubami najbližších skrutiek, dôjde k otáčke a ďalšie napájanie sa zastaví. Ďalej, v parnej dutine sa výsledná časť rozťahuje a vykonáva prácu na otáčaní skrutkového rotora. Táto konštrukcia umožňuje lepšie využiť energiu nahromadenú parou.

Do konca minulého storočia Priemyselná revolúcia dosiahol zlomový bod 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 dynamostroja, ktorý umožnil získavať elektrickú energiu v r. veľké množstvá... S rastúcimi požiadavkami človeka na energiu rástla aj veľkosť parných strojov, až kým ich veľkosť nebola obmedzená obmedzením mechanickej pevnosti. Pre ďalší rozvoj priemyslu to bolo potrebné Nová cesta získavanie mechanickej energie.

Táto metóda sa objavila v roku 1884, keď Angličan (1854-1931) vynašiel prvý turbínový generátor vhodný na priemyselné využitie. O desať rokov neskôr začal Parsons skúmať možnosť uplatnenia svojho vynálezu na vozidlách. Niekoľkoročná tvrdá práca bola korunovaná úspechom: turbínou vybavený parný čln „Turbinia“ vyvinul 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. Dnes sa parné turbíny používajú na celom svete v tepelných elektrárňach na pohon generátorov. elektrický prúd... Pokiaľ ide o využitie parných turbín ako motorov pre osobné lode, ich nedeliteľná nadvláda sa skončila v prvej polovici tohto storočia, keď sa rozšírili dieselové motory. Moderná parná turbína zdedila mnohé z vlastností prvého stroja, ktorý vynašiel Parsons.

Reaktívne a aktívne princípy fungovania parnej turbíny. Prvý z nich bol použitý v zariadení „eolipila“ (a), ktoré vynašiel Heron Alexandrijský: guľa, v ktorej sa nachádza para, sa otáča pôsobením reakčných síl vznikajúcich pri výstupe pary z dutých rúrok. 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; navyše, prechádzajúc medzi lopatkami, para expanduje a zrýchľuje a výsledné reakčné sily tlačia lopatky.

Činnosť parnej turbíny je založená na dvoch princípoch vytvárania obvodovej sily na rotor, ktoré sú známe už od staroveku - reaktívne a aktívne. Späť v roku 130 pred Kr. Heron Alexandrijský vynašiel zariadenie nazývané eolipil. 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 vznikajúcich reakčných síl sa guľa začala otáčať.

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

V parnej turbíne sa využívajú 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 energia tlaku 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 Severyho, Thomasa Newcomena a ďalších nepotrebovali vysokotlakovú paru. Nízkotlaková para vytlačila vzduch pod piest a kondenzáciou vytvorila vákuum. Piest v akcii atmosferický tlak klesol a robil užitočnú prácu. Skúsenosti s konštrukciou a používaním parných kotlov pre tieto takzvané atmosférické motory postupne podnietili inžinierov navrhnúť kotly schopné generovať a odolávať tlakom vysoko prevyšujúcim atmosférický tlak.

S príchodom možnosti výroby vysokotlakovej pary sa vynálezcovia opäť obrátili na turbínu. Boli vyskúšané rôzne možnosti dizajnu. V roku 1815 sa inžinier Richard Trevithick pokúsil nainštalovať dve dýzy na okraj motorového kolesa pre parnú lokomotívu a nechať nimi prechádzať parou z kotla. Trevithickov nápad 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 za dvadsaťročné obdobie - od roku 1864 do roku 1884.

Žiadny z týchto pokusov neskončil vytvorením priemyselne vhodného stroja. Čiastočne boli tieto poruchy spôsobené nedostatkom vedomostí o fyzikálnych zákonoch, ktorými sa riadi expanzia pár. Hustota pary je oveľa menšia ako hustota vody a jej „elasticita“ je oveľa vyššia, takže rýchlosť prúdu pary v parných turbínach je oveľa vyššia ako rýchlosť vody vo vodných turbínach, s ktorou sa vynálezcovia museli vysporiadať. . Zistilo sa, že účinnosť turbína dosiahne maximum, keď sa rýchlosť lopatiek rovná približne polovici rýchlosti pary; preto mali prvé turbíny veľmi vysoké otáčky.

Vysoký počet otáčok spôsoboval množstvo nežiaducich javov, medzi ktorými zohrávalo dôležitú úlohu nebezpečenstvo deštrukcie rotujúcich častí pôsobením odstredivých síl. Rýchlosť otáčania turbíny sa dala znížiť zväčšením priemeru disku, na ktorom boli pripevnené lopatky. To však nebolo možné. Spotreba pary v skorých zariadeniach nemohla byť veľká, 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 k pomeru vstupného tlaku k výstupnému tlaku. Maximálna hodnota rýchlosti v zbiehajúcej sa dýze sa však dosiahne pri tlakovom pomere približne dva; ďalšie zvýšenie poklesu tlaku už neovplyvňuje zvýšenie rýchlosti prúdu. Konštruktéri teda nemohli plne využiť schopnosti vysokotlakovej pary: existovalo obmedzenie množstva energie uloženej vysokotlakovou parou, ktorá sa mohla premeniť na kinetickú energiu a preniesť na lopatky. V roku 1889 švédsky inžinier Carl Gustav de Laval použil trysku, ktorá sa na výstupe rozšírila. 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 para v Parsonsovej turbíne expandovala postupne, keď prechádzala cez 15 stupňov, z ktorých každý bol párom lopatiek: jeden stacionárny (s vodiacimi lopatkami pripevnenými na skrini turbíny), druhý mobilný (s listy rotora na disku namontovanom na rotujúcom hriadeli). Čepele pevných a pohyblivých ráfikov boli orientované v opačných smeroch, t.j. takže ak by boli obe korunky mobilné, para by ich prinútila otáčať sa rôznymi smermi.

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

Striedavo sa pohybujúce a stacionárne okraje lopatiek (a) určujú smer pohybu pary. Para prechádzajúca medzi stacionárnymi lopatkami expandovala, zrýchľovala a smerovala k pohyblivým lopatkám. Tu sa para rozpínala a vytvárala silu, ktorá tlačila lopatky. Smer pohybu pary je znázornený na jednom z 15 párov krúžkov (b).

Para smerujúca k stacionárnym lopatkám expandovala v medzilopatkových kanáloch, jej rýchlosť sa zvýšila a vychýlila sa tak, že narážala na pohyblivé lopatky a roztáčala ich. V medzilopatkových kanáloch pohyblivých lopatiek sa para tiež rozpínala, na výstupe sa vytvoril zrýchlený prúd a výsledná reaktívna sila tlačila lopatky.

V prítomnosti mnohých pohyblivých a pevných ráfikov čepele sa vysoká rýchlosť otáčania stala zbytočnou. Na každej z 30 korún Parsonsovej viacstupňovej turbíny sa para mierne rozpínala a strácala časť svojej kinetickej energie. V každom stupni (pár ráfikov) klesol tlak iba o 10% a maximálna rýchlosť pary sa v dôsledku toho rovnala 1/5 rýchlosti prúdu v turbíne s jedným stupňom. Parsons veril, že pri takých malých poklesoch tlaku možno paru považovať za málo stlačiteľnú kvapalinu, ako je voda. Tento predpoklad mu umožnil robiť výpočty s vysokou mierou presnosti rýchlosti pary, účinnosti. 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. Parsonsovi sa síce podarilo znížiť rýchlosť turbíny, no stále zostala desaťkrát vyššia ako u iných motorov. Vynálezca sa preto musel vysporiadať s javom známym ako „ubíjanie hriadeľa“. 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 bočných vibrácií hriadeľa (pri tejto frekvencii hriadeľ začína rezonovať a kolabovať). Parsons a de Laval nezávisle zistili, že hriadeľ sa stabilne otáča pri rýchlostiach vyšších ako je kritická. Napriek tomu mierna nerovnováha stále viedla k vychýleniu hriadeľa z rovnovážnej polohy. Preto, aby nedošlo k poškodeniu hriadeľa, musel byť osadený v ložiskách, ktoré by umožňovali jeho mierny bočný posun.

Spočiatku sa Parsons pokúšal použiť konvenčné ložisko tak, že ho upevnil na pružiny, ale zistil, že takáto konštrukcia iba zvyšuje vibrácie. Nakoniec prišiel s ložiskom pozostávajúcim zo sady krúžkov. Parsons používal krúžky dvoch veľkostí: jeden tesne priliehal k vnútornému puzdru ložiska (cez ktoré prechádzal hriadeľ), ale nedotýkal sa puzdra; striedali sa s inými krúžkami, ktoré tesne priliehali k telu bez toho, aby sa dotýkali vložky. Celý systém prstencov v pozdĺžnom smere bol stlačený pružinou. Táto konštrukcia umožňovala malé bočné posuny hriadeľa a súčasne potláčala vibrácie spôsobené trením medzi oboma typmi podložiek.

Ložisko na hriadeli umožňovalo mierne 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 dotýkali vložky. Celá sada krúžkov bola odpružená. Skrutkové čerpadlo (vľavo) poháňalo olej ( žltá) do ložiska.

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

Parsonsov turbínový generátor, postavený v roku 1884, bol prvým komerčne využívaným parným potrubím. Vysokotlaková para vstupovala do turbíny cez obdĺžnikový otvor umiestnený v strede hriadeľa. Tu sa rozdelila a prešla na opačné konce hriadeľa, prechádzala cez koruny lopatiek. Expandujúca para otáčala pohyblivé (pracovné) krúžky, tesne usadené na centrálnom hriadeli. Medzi pohyblivými prstencami boli koruny 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 vysokotlakovej pary a vyhnúť sa vysokým otáčkam. 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: jedným vstupovala para do ľavého konca šachty a druhým do pravého.Objem pary v oboch kanáloch bol rovnaký. Každý prúd prechádzal cez okraje lopatiek v turbíne.

Jednou z výhod deleného prúdenia bolo, že pozdĺžne (axiálne) sily generované 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 prvá Parsonsova viacstupňová turbína vyvinula vysokú rýchlosť - 18 000 ot./min. Pri takýchto rýchlostiach bola odstredivá sila pôsobiaca na lopatky turbíny 13-tisíckrát väčšia ako sila gravitácie. Aby sa znížilo riziko zrútenia rotujúcich častí, Parsons vyvinul veľmi jednoduchý dizajn: každý disk bol vyrobený z pevného medeného prstenca; drážky, do ktorých čepele vstupovali, boli umiestnené pozdĺž obvodu disku a boli štrbiny orientované pod uhlom 45 °. Pohyblivé kotúče boli namontované na hriadeli a upevnené na jeho výstupku. Pevné korunky pozostávali z dvoch polkrúžkov, ktoré boli pripevnené k hornej a spodnej časti skrine turbíny. Zväčšovanie objemu pary pri jej postupnej expanzii si vyžiadalo, aby sa dĺžka lopatiek v prúde pary postupne zväčšovala trikrát - z 5 na 7 mm. Hrany čepele boli skosené, aby sa zlepšil výkon prúdu.

Problém zníženia rýchlosti otáčania hriadeľa dal vzniknúť ďalším vynálezom. Rýchlosti boli také vysoké, že nebolo možné tento problém vyriešiť pomocou vtedy existujúcich prevodových mechanizmov (napríklad ozubených kolies). Taktiež nebolo možné použiť jednoduchý odstredivý regulátor, ktorý našiel uplatnenie na parných strojoch skorších konštrukcií: guľôčky regulátora by sa jednoducho odtrhli odstredivou silou. Parsons vyvinul úplne nový typ regulátora. Na hriadeľ turbíny umiestnil odstredivý ventilátor napojený na sústavu potrubí, ktoré obsahovali vzduch. Rotujúci ventilátor nasával vzduch z trubíc a vytváral v nich vákuum. Na tento podtlak reagovala kožená membrána umiestnená na druhej strane hadicového systému a pripojená k riadiacemu ventilu, ktorý ovládal prívod pary do turbíny. Ak sa rýchlosť otáčania turbíny zvýšila, zvýšilo sa vákuum v rúrkach a membrána sa viac ohýbala; 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 uviedla do pohybu dynamo (elektrický generátor). V čase, keď Parsons postavil svoju turbínu, stála jedna žiarovka až štvrť tony uhlia. Aby lampy nevyhoreli 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 dolaďovacím mechanizmom, ktorý priamo reagoval na zmeny napätia na dynamostroji.

Napätie na vinutí dynama je úmerné napätiu magnetické pole vytvorené na póloch. Parsons vyrobil vahadlo z mäkkého železa a upevnil ho cez póly dynama tak, že naň pripevnil pružinu. Vahadlo, ktoré prekonalo odpor pružiny, sa pokúsilo otočiť v smere magnetického poľa; uhol natočenia závisel priamo od intenzity poľa, čo zase súviselo s napätím na vinutí dynama. Spolu s vahadlom sa otočil medený ventil. Podľa svojej polohy viac-menej zakrývala otvor rúrky zaradenej do systému regulátora s odstredivým ventilátorom,

Ak sa sila magnetického poľa zvýšila, ventil postupne začal blokovať otvorenie trubice. Tým sa znížil prístup vzduchu k systému regulátora a zvýšilo sa vákuum generované odstredivým ventilátorom. Zároveň sa ohla kožená membrána a regulačný ventil znížil prívod pary do turbíny. Rýchlosť otáčania turbíny teda závisela od napätia na vinutiach dynamostroja. Parsonsov mechanizmus jemného ladenia bol jedným z prvých servomotorov - spätnoväzbových zariadení, ktoré riadia tok veľkého množstva energie, pričom spotrebúvajú jej malú časť.

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

Spojky, ktoré sú tesne pritlačené k vnútornému povrchu skrine v dôsledku tlakového rozdielu medzi dutinami s výfukovou parou a čiastočným vákuom, neumožňujú výfukovej pare uniknúť cez medzery na povrchu rotujúceho hriadeľa . Mazivo je dodávané skrutkovým čerpadlom (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 používa odstredivý ventilátor (vľavo), ktorý vytvára vákuum (modrý) v hadicovom systéme. Kožená membrána spojená s ventilom, ktorý reguluje prívod pary do turbíny, sa k nim pritiahne, 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. Podtlak vytvorený vo vzduchových trubiciach nasáva olej z ložísk späť do vertikálneho zásobníka (vľavo).

Odstredivý ventilátor, ktorý je ústredným prvkom Parsonsovho regulátora, zohral dôležitú úlohu aj v systéme mazania. Vysoká rýchlosť otáčania hriadeľa turbíny vyžadovala absolútne spoľahlivé mazanie. Na koniec hriadeľa Parsons pripevnil špirálovitú špirálu, ktorá bola ponorená v nádrži oleja a poskytovala mazivo ložiskám na hriadeli. Rúry viedli olej na vzdialený koniec hriadeľa, kde sa nachádzalo dynamo, a cez kanál vo vnútri hriadeľa dynama sa olej privádzal do centrálnych ložísk a chladil vnútorné časti dynama. Vplyvom gravitácie sa olej vrátil do centrálneho uzla. Hlavný zásobník ropy bol prepojený vertikálnym potrubím so systémom vzduchových potrubí umiestnených priamo pri ventilátore. Podtlak generovaný ventilátorom nútil olej prúdiť zo strednej jednotky 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 vytvorenie spojky, ktorá by tesne priliehala k hriadeľu, by bol neúspešný, pretože pri kritickej rýchlosti otáčania počas akcelerácie by v dôsledku bitia vznikalo veľké trenie. Spojka, ktorú navrhol Parsons, tesne priliehala k hriadeľu a zároveň umožňovala mierny posun. Po dosiahnutí prevádzkovej rýchlosti fungovala spojka ako spoľahlivá uzávierka, ktorá udržiavala výfukovú paru vo vnútri skrine turbíny.

Hneď ako turbína dosiahla prevádzkové otáčky, spojka bola vplyvom tlakového rozdielu medzi výstupným potrubím a komorou tesne pritlačená k hriadeľu, kde sa udržiavalo čiastočné vákuum. Spotrebovaná para vychádzala z dvoch dutín (jedna na každom konci hriadeľa) cez výstupný kanál v spodnej časti skrine turbíny. Ďalšie dve dutiny boli umiestnené ďalej od stredu hriadeľa ako každá z výstupných dutín. Kanál v hornej časti tela spájal tieto extrémne dutiny. Do každej z dvoch vnútorných dutín umiestnil Parsons objímku, ktorá tesne obopína hriadeľ. Na udržanie čiastočného vákua v najvzdialenejších dutinách Parsons použil parné prúdové čerpadlo. Pri nízkych otáčkach turbíny sa spojky voľne otáčali s hriadeľom. Po dosiahnutí prevádzkových otáčok došlo k poklesu tlaku medzi vnútornými dutinami (kam sa dostávala výfuková para z turbíny) a vonkajšími dutinami (kde sa udržiavalo čiastočné vákuum). Pod vplyvom poklesu tlaku sa spojky tesne pritlačili k skrini turbíny a oddelili dutiny od seba.

V akých podmienkach sa objavil Parsonsov talent, vďaka ktorému sa mu podarilo prekonať ťažkosti na ceste vytvorenia turbíny? Parsons bol najmladším synom rodiny, ktorá sa zmocnila pôdy v Birr, grófstvo Offaly, Írsko. Jeho otec, 3. Earl Ross, 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 člen parlamentu si kúpil dom v Londýne, aby mohol navštevovať schôdze. 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 vedci učili deti. Všemožne boli podporované aj hodiny detí v domácich dielňach. Remeslo, ku ktorému bol Charles vedený od detstva, zohralo mimoriadne dôležitú úlohu v období, keď staval svoju turbínu.

Charles vstúpil na Trinity College v Dubline a potom sa presťahoval na St. John's College, Cambridge University, ktorú ukončil v roku 1877. Študoval matematiku pod vedením Edwarda E. Roota, ktorý v tom čase študoval podmienky pre udržanie rovnomerného pohybu, najmä použitie na tieto účely rôznych mechanických regulátorov.

Až do tohto času si Parsons užíval plody svojej privilegovanej výchovy. Jeho životný obrat nastal, keď sa stal žiakom Georgea Armstronga, renomovaného výrobcu námorných zbraní, a začal pracovať vo svojej továrni Elswick v Newcastle-upon-Tyne. Dôvody, ktoré viedli Parsonsa k tomuto rozhodnutiu, zostávajú neznáme: v tom čase si deti z bohatých rodín len zriedkavo vyberali kariéru inžiniera.

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. patentoval niekoľko svojich vynálezov. Ak si preštudujete tieto patenty, môžete zistiť, že myšlienku mazania pod tlakom 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 sprostredkúva slová jedného z Parsonsových známych z Cambridge, ktorému budúci vynálezca ukázal hračkársky papierový motor: keď Parsons zafúkal na kolesá hračky, otočili 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 na plyn. Armstrong bol do značnej miery spojený s výrobou námorných zbraní a pravdepodobne podporoval snahy o vývoj nového typu torpédového pohonu. Zvláštnosť tohto pohonného zariadenia spočívala v tom, že horiace palivo vytváralo vysokotlakový prúd plynu. Prúd zasiahol obežné koleso, čo spôsobilo jeho rotáciu. Obežné koleso zas poháňalo torpédovú vrtuľu do rotácie.

V notebooky Neexistuje žiadny jasný náznak dizajnu obežného kolesa od Parsonsa, 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 z dýzy prechádzal týmito štrbinami a vďaka sile vzniknutej pri vychyľovaní prúdu sa krúžok začal otáčať. Spolu s ním sa otáčala vrtuľa a tlačila loď dopredu.

Parsons teda uskutočnil svoje prvé experimenty s plynovými turbínami, nie s parnými turbínami. Prestal na nich pracovať v roku 1883, hoci jeho patent z roku 1884 opisuje moderný cyklus práce. plynová turbína... Následne k tomu podal vysvetlenie.

"Experimenty uskutočnené pred mnohými rokmi - napísal, - a čiastočne s cieľom overenia reality plynovej turbíny ma presvedčilo, že pri tých kovoch, ktoré sme mali k dispozícii...by bola chyba použiť na otáčanie lopatiek žeravý prúd plynov - či už v čistom forme alebo zmiešané s vodou alebo trajektom."

Bolo to múdre pozorovanie: len desať rokov po Parsonsovej smrti sa objavili kovy, ktoré boli vhodné na výrobu plynových turbín.

Začiatkom roku 1884 sa Parsons stal mladším spolupracovníkom Clarke Chapman and Company. Po usadení sa v Gateshead sa pustil do návrhu parnej turbíny. Jeho záznamy o experimentoch s vytvorením torpéda, ktoré sa datujú do augusta 1883, naznačujú, že v tom čase ešte neprišiel na myšlienku potreby prispôsobiť rýchlosť otáčania lopatiek rýchlosti plynu. prúdové lietadlo. Tiež nevenoval pozornosť problému vytvorenia trysky s veľkou hodnotou tlakového pomeru 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 stroj poháňaný turbínou pri vysokých rýchlostiach, ktoré sú dostupné len málokomu modernému elektromobily... Následne Parsons často opakoval, že tento vynález bol rovnako dôležitý ako vytvorenie samotnej turbíny. Predtým dnes Hlavnou aplikáciou parnej turbíny zostáva pohon elektrických generátorov.

PRVÉ parné turbíny neboli obzvlášť efektívne. Pokiaľ ich výkon nebol rovnaký ako účinnosť konvenčných parných strojov, museli byť pre kupujúcich atraktívne kvôli iným vlastnostiam. Takými atraktívnymi vlastnosťami sú ich malé rozmery, stabilita elektrického napätia, spoľahlivá prevádzka pri absencii dohľadu a nízke prevádzkové náklady. Prvá turbína mala všetky tieto vlastnosti.

V novembri 1884, keď bola postavená prvá turbína, mal ctihodný Charles A. Parsons iba 30 rokov. Len inžiniersky génius a cit pre potreby trhu nestačili na to, aby jeho duchovné dieťa bezpečne vstúpilo do života. Parsons musel v niekoľkých fázach investovať vlastné prostriedky, aby vykonaná práca nevyšla nazmar. Počas procesu v roku 1898 s cieľom obnoviť niektoré z jeho patentov sa zistilo, že Parsons minul 1 107 libier 13 šilingov a 10 centov osobných peňazí na stavbu turbíny.

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

História vynálezu parných turbín

Veľký význam pre energetiku a elektrifikáciu mal vynález a distribúcia parných turbín. Princíp ich činnosti bol podobný hydraulickému, s jediným rozdielom, že hydraulická turbína bola poháňaná do rotácie prúdom vody a para - prúdom ohriatej pary. Tak ako vodná turbína predstavovala nové slovo v histórii vodných motorov, aj parná turbína demonštrovala nové schopnosti parného stroja.

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 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 prenosov a premien veľká časť energie získanej zo spaľovania paliva v plnom zmysle slova odletela do potrubia bez akéhokoľvek úžitku. Vynálezcovia sa už viackrát pokúšali navrhnúť jednoduchší a úspornejší stroj – parnú turbínu, v ktorej by sa prúd pary priamo otáčal Pracovné koleso... Jednoduchý výpočet ukázal, že by mal mať účinnosť o niekoľko rádov vyššiu ako Wattov stroj. Strojárstvu však stálo v ceste veľa prekážok. Aby sa turbína skutočne stala vysoko účinným motorom, muselo sa obežné koleso otáčať veľmi vysokou rýchlosťou, stovky otáčok za minútu. Dlho to nebolo možné dosiahnuť, pretože nevedeli, ako oznámiť správnu rýchlosť prúdu pary.

Prvý dôležitý krok vo vývoji nového technického prostriedku, ktorý nahradil parný stroj, urobil švédsky inžinier Carl Gustav Patrick Laval v roku 1889. Lavalova parná turbína je koleso s lopatkami. Prúd vody vznikajúci v kotli vyráža z potrubia (trysky), tlačí na lopatky a roztočí koleso. Experimentovaním s rôznymi rúrkami dňa prívodu pary dizajnér dospel k záveru, že by mali mať tvar kužeľa. Takto sa objavila Lavalova tryska, ktorá sa používa dodnes.

Až v roku 1883 sa Švédovi Gustavovi Lavalovi podarilo prekonať mnohé ťažkosti a vytvoriť prvú funkčnú parnú turbínu. Laval získal patent na separátor mlieka pred niekoľkými rokmi. Na jeho pohon bol potrebný veľmi rýchly pohon. Žiadny z motorov, ktoré v tom čase existovali, túto úlohu nesplnil. Laval nadobudol presvedčenie, že iba parná turbína mu môže poskytnúť požadovanú rýchlosť otáčania. Začal pracovať na jeho dizajne a nakoniec dosiahol to, čo chcel. Lavalova turbína bola ľahké koleso, na lopatkách ktorého po niekoľkých ostrý uhol vznikla para. V roku 1889 Laval výrazne zlepšil svoj vynález doplnením trysiek o kužeľové expandéry. Tým sa výrazne zvýšila účinnosť turbíny a zmenila sa na univerzálny motor.

Princíp činnosti turbíny bol mimoriadne jednoduchý. Para zahriata na vysoká teplota, prišiel z kotla cez parné potrubie do trysiek a praskol. V dýzach para expandovala na atmosférický tlak. V dôsledku nárastu objemu sprevádzajúceho túto expanziu sa dosiahlo výrazné zvýšenie rýchlosti odtoku (pri expanzii z 5 na 1 atmosféru rýchlosť prúdu pary dosiahla 770 m / s). Týmto spôsobom sa energia obsiahnutá v pare prenášala na lopatky turbíny. Počet trysiek a tlak pary určovali výkon turbíny. Keď sa odpadová para nevypúšťala priamo do ovzdušia, ale smerovala ako pri parných strojoch do kondenzátora a za zníženého tlaku skvapalňovala, bol výkon turbíny najvyšší. Keď teda para expandovala z 5 atmosfér na 1/10 atmosféry, rýchlosť prúdu dosiahla nadzvukovú hodnotu.

Napriek svojej zjavnej jednoduchosti bola Lavalova turbína inžinierskym zázrakom. Stačí si predstaviť zaťaženie, ktoré v ňom obežné koleso zažilo, aby sme pochopili, aké ťažké bolo pre vynálezcu získať nepretržitú prevádzku od svojho duchovného dieťaťa. Pri vysokých otáčkach turbínového kolesa už aj nepatrné posunutie ťažiska spôsobilo veľké zaťaženie nápravy a preťaženie ložísk. Aby sa tomu zabránilo, Laval prišiel s myšlienkou umiestniť koleso na veľmi tenkú osku, ktorá by sa pri otáčaní mohla mierne ohýbať. Pri odvíjaní sa automaticky dostal do striktne stredovej polohy, ktorú potom držal pri akejkoľvek rýchlosti otáčania. Vďaka tomuto dômyselnému riešeniu bol deštruktívny vplyv na ložiská minimalizovaný.

Hneď ako sa objavila, Lavalova turbína získala všeobecné uznanie. Bol oveľa úspornejší ako staré parné stroje, veľmi ľahko sa používal, zaberal málo miesta a ľahko sa montoval a pripájal. Obzvlášť veľké výhody mala Lavalova turbína, keď bola napojená na vysokorýchlostné stroje: píly, separátory, odstredivé čerpadlá. S úspechom sa používal aj ako pohon elektrického generátora, no napriek tomu mal preňho príliš vysoké otáčky, a preto mohol pôsobiť len cez prevodovku (systém ozubených kolies, ktoré znižovali rýchlosť otáčania pri prenose pohybu z hriadeľa turbíny do hriadeľa generátora). parná turbína laval

V roku 1884 získal anglický inžinier Parson patent na viacstupňovú prúdovú turbínu, ktorú vynašiel špeciálne na pohon elektrického generátora. V roku 1885 skonštruoval viacstupňovú prúdovú turbínu, ktorá sa neskôr hojne využívala v tepelných elektrárňach. Mala nasledujúce zariadenie, pripomínajúce zariadenie s prúdovou turbínou. Na centrálnom hriadeli bol namontovaný rad otočných kolies s lopatkami. Medzi týmito kolesami boli stacionárne ráfiky (disky) s lopatkami v opačnom smere. Na jeden koniec turbíny bola privádzaná vysokotlaková para. Tlak na druhom konci bol nízky (nižší ako atmosférický). Preto sa para snažila prejsť cez turbínu. Najprv vošiel do medzier medzi lopatkami prvej koruny. Tieto lopatky to nasmerovali na lopatky prvého pohyblivého kolesa. Medzi nimi prechádzala para, ktorá nútila kolesá otáčať sa. Potom vstúpil do druhej koruny. Lopatky druhej korunky nasmerovali paru medzi lopatky druhého pohyblivého kolesa, ktoré sa tiež začalo otáčať. Z druhého pohyblivého kolesa vstupovala para medzi lopatky tretej koruny atď. Všetky lopatky boli tvarované tak, aby sa prierez medzilopatkových kanálov zmenšoval v smere výstupu pary. Lopatky akoby tvorili dýzy namontované na hriadeli, z ktorých pri expanzii unikala para. Tu bol použitý aktívny aj jalový výkon. Rotujúce, všetky kolesá otáčali hriadeľ turbíny. Vonku bolo zariadenie 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 Parsonovými parnými turbínami. Medzitým sa Parson pokúsil rozšíriť rozsah svojho vynálezu. V roku 1894 postavil experimentálnu loď „Turbinia“ poháňanú parnou turbínou. Pri testoch preukázal rekordnú rýchlosť 60 km/h. Potom sa na mnohých vysokorýchlostných lodiach začali inštalovať parné turbíny.

W. Garrett Scaife

W. Garrett Scaife, Trinity College, Dublin

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 úspech ako vynález dynamostroja, ktorý umožnil získavať elektrinu vo veľkých množstvách. S rastúcimi požiadavkami človeka na energiu rástla aj veľkosť parných strojov, až kým ich veľkosť nebola obmedzená obmedzením mechanickej pevnosti. Pre ďalší rozvoj priemyslu bol potrebný nový spôsob získavania mechanickej energie.

Táto metóda sa objavila v roku 1884, keď Angličan Charles Algernon Parsons (1854-1931) vynašiel prvý komerčný turbínový generátor. O desať rokov neskôr začal Parsons skúmať možnosť uplatnenia svojho vynálezu na vozidlách. Niekoľkoročná tvrdá práca bola korunovaná úspechom: turbínou vybavený parný čln „Turbinia“ vyvinul 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 turbín výrazne zvýši

líška, nahradili motory predchádzajúcich konštrukcií. V súčasnosti sa parné turbíny používajú na celom svete v tepelných elektrárňach ako pohony generátorov elektrického prúdu. Pokiaľ ide o využitie parných turbín ako motorov pre osobné lode, ich nedeliteľná nadvláda sa skončila v prvej polovici tohto storočia, keď sa rozšírili dieselové motory. Moderná parná turbína zdedila mnohé z vlastností prvého stroja, ktorý vynašiel Parsons.

Reaktívne a aktívne princípy fungovania parnej turbíny. Prvý z nich bol použitý v zariadení „eolipil“ ( a), vynájdený Heronom z Alexandrie: guľa, v ktorej sa nachádza para, sa otáča pôsobením reakčných síl vznikajúcich pri výstupe pary z dutých rúrok. V druhom prípade ( b) prúd pary smerujúci na lopatky je vychýlený a v dôsledku toho sa koleso otáča. lopatky turbíny ( s) tiež vychýliť prúd pary; navyše, prechádzajúc medzi lopatkami, para expanduje a zrýchľuje a výsledné reakčné sily tlačia lopatky.

Činnosť parnej turbíny je založená na dvoch princípoch vytvárania obvodovej sily na rotor, ktoré sú známe už od staroveku - reaktívne a aktívne. Späť v roku 130 pred Kr. Heron Alexandrijský vynašiel zariadenie s názvom eolipil. Bola to 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 vznikajúcich reakčných síl sa guľa začala otáčať.

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

V parnej turbíne sa využívajú 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 energia tlaku pary premieňa na kinetickú energiu.

Prvé turbíny, podobne ako Brancov stroj, nedokázali vyvinúť dostatočný výkon, keďže parné kotly neboli schopné vytvárať vysoký tlak. Prvé funkčné parné stroje Thomasa Severyho, Thomasa Newcomena a ďalších nepotrebovali vysokotlakovú paru. Nízkotlaková para vytlačila vzduch pod piest a kondenzáciou vytvorila vákuum. Piest bol znížený pod vplyvom atmosférického tlaku a vykonal užitočnú prácu. Skúsenosti s konštrukciou a používaním parných kotlov pre tieto takzvané atmosférické motory postupne podnietili inžinierov navrhnúť kotly schopné generovať a odolávať tlakom vysoko prevyšujúcim atmosférický tlak.

S príchodom možnosti výroby vysokotlakovej pary sa vynálezcovia opäť obrátili na turbínu. Boli vyskúšané rôzne možnosti dizajnu. V roku 1815 sa inžinier Richard Trevithick pokúsil nainštalovať dve dýzy na okraj motorového kolesa pre parnú lokomotívu a nechať nimi prechádzať parou z kotla. Trevithickov nápad 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 za dvadsaťročné obdobie - od roku 1864 do roku 1884.

Žiadny z týchto pokusov neskončil vytvorením priemyselne vhodného stroja. Čiastočne boli tieto poruchy spôsobené nedostatkom vedomostí o fyzikálnych zákonoch, ktorými sa riadi expanzia pár. Hustota pary je oveľa menšia ako hustota vody a jej „elasticita“ je oveľa vyššia, takže rýchlosť prúdu pary v parných turbínach je oveľa vyššia ako rýchlosť vody vo vodných turbínach, s ktorou sa vynálezcovia museli vysporiadať. . Zistilo sa, že účinnosť turbína dosiahne maximum, keď sa rýchlosť lopatiek rovná približne polovici rýchlosti pary; preto mali prvé turbíny veľmi vysoké otáčky.

Vysoký počet otáčok spôsoboval množstvo nežiaducich javov, medzi ktorými zohrávalo dôležitú úlohu nebezpečenstvo deštrukcie rotujúcich častí pôsobením odstredivých síl. Rýchlosť otáčania turbíny sa dala znížiť zväčšením priemeru disku, na ktorom boli pripevnené lopatky. To však nebolo možné. Spotreba pary v skorých zariadeniach nemohla byť veľká, 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 k pomeru vstupného tlaku k výstupnému tlaku. Maximálna hodnota rýchlosti v zbiehajúcej sa dýze sa však dosiahne pri tlakovom pomere približne dva; ďalšie zvýšenie poklesu tlaku už neovplyvňuje zvýšenie rýchlosti prúdu. Konštruktéri teda nemohli plne využiť schopnosti vysokotlakovej pary: existovalo obmedzenie množstva energie uloženej vysokotlakovou parou, ktorá sa mohla premeniť na kinetickú energiu a preniesť na lopatky. V roku 1889 švédsky inžinier Carl Gustav de Laval použil trysku, ktorá sa na výstupe rozšírila. 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 para v Parsonsovej turbíne expandovala postupne, keď prechádzala cez 15 stupňov, z ktorých každý bol párom lopatiek: jeden stacionárny (s vodiacimi lopatkami pripevnenými na skrini turbíny), druhý mobilný (s listy rotora na disku namontovanom na rotujúcom hriadeli). Čepele pevných a pohyblivých ráfikov boli orientované v opačných smeroch, t.j. takže ak by boli obe korunky mobilné, para by ich prinútila otáčať sa rôznymi smermi.

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

Striedavo pohyblivé a pevné ráfiky čepele ( a) nastavte smer pohybu pary. Para prechádzajúca medzi stacionárnymi lopatkami expandovala, zrýchľovala a smerovala k pohyblivým lopatkám. Tu sa para rozpínala a vytvárala silu, ktorá tlačila lopatky. Smer pohybu pary je znázornený na jednom z 15 párov ráfikov ( b).

Para smerujúca k stacionárnym lopatkám expandovala v medzilopatkových kanáloch, jej rýchlosť sa zvýšila a vychýlila sa tak, že narážala na pohyblivé lopatky a roztáčala ich. V medzilopatkových kanáloch pohyblivých lopatiek sa para tiež rozpínala, na výstupe sa vytvoril zrýchlený prúd a výsledná reaktívna sila tlačila lopatky.

V prítomnosti mnohých pohyblivých a pevných ráfikov čepele sa vysoká rýchlosť otáčania stala zbytočnou. Na každej z 30 korún Parsonsovej viacstupňovej turbíny sa para mierne rozpínala a strácala časť svojej kinetickej energie. V každom stupni (pár ráfikov) klesol tlak iba o 10% a maximálna rýchlosť pary sa v dôsledku toho rovnala 1/5 rýchlosti prúdu v turbíne s jedným stupňom. Parsons veril, že pri takých malých poklesoch tlaku možno paru považovať za málo stlačiteľnú kvapalinu, ako je voda. Tento predpoklad mu umožnil robiť výpočty s vysokou mierou presnosti rýchlosti pary, účinnosti. turbíny a tvary lopatiek. Myšlienka stupňovitej expanzie pary, ktorá je základom dizajnu moderných turbín, bola len jedným z mnohých originálnych nápadov, ktoré Parsons stelesnil.

Je tepelný motor, termálna energia para, v ktorej sa premieňa na mechanickú prácu. Spolu s vodnými turbínami mal pre rozvoj svetovej energetiky veľký význam vynález a široké využitie parných turbín, ktoré sú hlavným motorom tepelných (TPP) a jadrových elektrární (JE). Princíp činnosti parných turbín je podobný hydraulickým, jediný rozdiel je v tom, že v prvom prípade bola turbína poháňaná prúdom ohriatej pary, v druhom - prúdom vody. Parná turbína sa ukázala byť jednoduchšia, ekonomickejšia a pohodlnejšia ako Watt parný stroj. Vynálezcovia sa už dlho pokúšali vytvoriť stroj (parnú turbínu), kde by prúd pary priamo otáčal obežné koleso. V tomto prípade musí byť rýchlosť otáčania kolesa veľmi vysoká kvôli vysoká rýchlosť parné trysky.

V roku 1883 sa Lavalovi podarilo vytvoriť prvý parný stroj, ktorým bolo ľahké koleso s lopatkami. Para smerovala cez trysky nastavené pod uhlom k lopatkám, ktoré na ne tlačili a roztáčali koleso. V roku 1889 Laval zlepšil dizajn, pomocou trysky, ktorá expandovala na výstupe. V dôsledku toho sa rýchlosť pary zvýšila a tým aj rýchlosť rotora. Výsledný prúd smeroval na jeden rad lopatiek, ktoré boli namontované na disku. Tlak pary a počet trysiek určovali výkon aktívnej turbíny. Ak sa výfuková para nedostala do vzduchu, ale bola odoslaná do kondenzátora, kde bola skvapalnená pri zníženom tlaku, potom sa výkon turbíny ukázal ako najvyšší. Lavalova turbína bola všeobecne uznávaná, poskytovala veľké výhody pri pripojení k strojom s vysokou rýchlosťou (separátory, píly, odstredivé čerpadlá). Používali ho aj ako pohon elektrického generátora, avšak len cez prevodovku (kvôli vysokej rýchlosti).

V roku 1884 si anglický vynálezca Parsons patentoval viacstupňovú prúdovú turbínu, ktorú špeciálne navrhol na pohon činnosť elektrického generátora. Pri nižšej rýchlosti otáčania bola energia pary využitá na maximum, pretože para prechádzajúca 15 stupňami postupne expandovala. Každý stupeň mal pár čepelových korún. Jedna koruna s vodiacimi lopatkami, ktoré boli pripevnené na skrini turbíny, bola nehybná. Druhý je pohyblivý s listami rotora na disku, ktorý bol namontovaný na otočnom hriadeli. Čepele koruniek (pevné a pohyblivé) sú orientované v opačných smeroch. Bola to prvá parná turbína, ktorá sa úspešne uplatnila v priemysle.

V roku 1889 sa už na výrobu elektriny využívalo 300 turbín, v roku 1899 sa objavila prvá elektráreň s Parsonsovými turbínami. V roku 1894 bol spustený na vodu prvý parný čln „Turbinia“, poháňaný parnou turbínou. Čoskoro sa parné turbíny začali inštalovať na vysokorýchlostné lode. Francúzsky vedec Rato na základe svojich skúseností vypracoval komplexnú teóriu lopatkových strojov. Parsonsova turbína postupom času ustúpila kompaktným turbínam s aktívnym prúdom. Aj keď si dnes parné turbíny do značnej miery zachovali vlastnosti Parsonsovej turbíny.