Удивительная паровая турбина. История паровой турбины

Дата публикации 07.02.2013 02:04

Сейчас «сердцем», дающим жизнь большинству созданных человеком машин, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Однако так было не всегда.

От прошлого к настоящему

До эры ДВС долгое время краеугольным камнем технического прогресса была паровая турбина. Это тот редкий случай, когда изобретения оказываются настолько удачными, что продолжают использоваться и в наше время, правда, с рядом усовершенствований. Отметим, что не следует путать паровые турбины и классические машины, работающие на пару (тот же паровоз). У них отличен принцип работы, а КПД несравнимо.

Паровая турбина. Изобретение

Считается, что впервые подобную турбину разработал и воплотил в металле швед П. Лаваль. В далеком 1889 году возникла необходимость в эффективном двигателе для молочного сепаратора, способном создавать вращение с частотой не менее 100 оборотов в секунду. Принцип работы турбины был довольно прост: на поверхности закрепленного на оси цилиндра размещались лопатки, в которые ударяла струя перегретого пара из находящегося рядом котла. Потенциальная энергия пара преобразовывалась в кинетическую, приводя цилиндр во вращение. Лаваль опытным путем определил, что наилучших результатов удается добиться, если поток пара будет вырываться через конусообразные насадки, а не прямые трубки.

Однако более известна паровая турбина англичанина Ч. А. Парсонса. Он разработал ее практически параллельно с Лавалем, но не только усовершенствовал, но и догадался соединить с электрическим генератором (прообраз современной системы Г-Д).

В 1894 году он создал корабль, приводимый в движение двигателем на основе паровой турбины (максимальная скорость около 60 км/ч). Идея оказалась настолько успешной, что после 1900 года большинство военных кораблей были оборудованы подобными моторами.

Наше время

Разумеется, с момента изобретения и первых моделей паровая турбина была модернизирована, а недостатки конструкции устранены. Классическая паротурбинная установка включает в себя две составные части: неподвижный статор с блоком сопел и вращающийся ротор (цилиндр) с размещенными на его корпусе лопатками. В зависимости от направления движения струи пара, различают две разновидности конструкции ротора – радиальные и аксиальные. Первые представляют собой отголоски первоначальных решений: в них вектор распространения пара перпендикулярен оси цилиндра, а лопатки параллельны ей. В аксиальных же направление движения пара совпадает с осью, а вращение создается благодаря особой ориентации лопаток.

Более эффективно использовать энергию пара возможно в паровых турбинах с несколькими цилиндрами (многокорпусные). Однако из-за громоздкости и усложнения конструкции подобные решения применяются там, где их использование экономически оправдано. Цилиндры корпусов могут размещаться как на общей оси, так и быть механически независимыми. Система уплотнений и диафрагм предотвращает ненормальную работу всей установки (забор внешнего воздуха, утечка пара, обход степеней и пр.).

Развитие технологии паровых турбин

При малых уровнях давления пара и низких мощностях классические турбины недостаточно эффективны. Им на смену пришла паровая винтовая машина. Эта российская разработка представляет собой естественную эволюцию первоначальной модели. Внутри корпуса располагаются роторы с винтообразными лопастями. Поступающий пар заполняет пространство между зубьями ближайших винтов, происходит оборот и дальнейшая подача прекращается. Далее в полости для пара полученная порция расширяется и совершает работу по вращению винтового ротора. Такая конструкция позволяет более полно использовать накопленную паром энергию.

К концу прошлого столетия промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались — они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. Большое влияние на улучшение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии.

Такой способ появился в 1884 г., когда англичанин (1854-1931) изобрел первый пригодный для промышленного применения турбогенератор. Десятью годами позже Парсонс занялся изучением возможности применения своего изобретения для средств передвижения. Несколько лет упорного труда увенчались успехом: оснащенный турбиной пароход «Turbinia» развивал скорость 35 узлов — больше, чем любой корабль Королевского флота. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. Поэтому со временем, когда мощность и к.п.д. турбин значительно увеличились, они вытеснили двигатели прежних конструкций. В настоящее время во всем мире паровые турбины используются на тепловых электростанциях в качестве приводов генераторов электрического тока. Что же касается использования паровых турбин в качестве двигателей для пассажирских судов, то здесь безраздельному их господству был положен конец в первой половине нашего столетия, когда широкое распространение получили дизели. Современная паровая турбина унаследовала многие особенности первой машины, изобретенной Парсонсом.

Реактивныи и активный принципы, лежащие в основе действия паровой турбины. Первый из них был использован в устройстве «эолипила» (а), придуманного Героном Александрийским: сфера, в которой находится пар, вращается за счет действия сил реакции, возникающих при выходе пара из пустотелых трубок. Во втором случае (b) струя пара, направленная на лопатки, отклоняется и благодаря этому колесо вращается. Лопатки турбины (с) также отклоняют струю пара; кроме того, проходя между лопатками, пар расширяется и ускоряется, и возникающие при этом силы реакции толкают лопатки.

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен, — реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием «эолипил». Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки (подобные лопастям вентилятора), насаженные на диск. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Между лопатками пар расширяется и ускоряет свое движение: в результате энергия давления пара переходит в кинетическую энергию.

Первые турбины, подобные машине Бранки, не могли развивать достаточной мощности, поскольку паровые котлы не способны были создавать высокого давления. Первые действующие паровые машины Томаса Сейвери, Томаса Ньюкомена и других не нуждались в паре высокого давления. Пар низкого давления вытеснял воздух под поршнем и конденсировался, создавая разрежение. Поршень под действием атмосферного давления опускался, производя полезную работу. Опыт в постройке и использовании паровых котлов для этих так называемых атмосферных двигателей постепенно побудил инженеров сконструировать котлы, способные создавать и выдерживать давление, намного превосходящее атмосферное.

С появлением возможности получать пар высокого давления изобретатели вновь обратились к турбине. Были испробованы различные конструктивные варианты. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик попытался установить два сопла на ободе колеса двигателя для паровоза и пропускать через них пар из котла. Затея Тревитика провалилась. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. Уильямом Эйвери в Сиракьюсе (шт. Нью-Йорк). В одной лишь Англии за 100 лет, с 1784 по 1884 г., было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано в двадцатилетний период — с 1864 по 1884 г.

Ни одна из этих попыток не завершилась созданием промышленно пригодной машины. Частично эти неудачи объяснялись незнанием физических законов, описывающих расширение пара. Плотность пара намного меньше плотности воды, а его «упругость» намного больше, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах гораздо больше, чем скорость воды в водяных турбинах, с которыми приходилось иметь дело изобретателям. Было установлено, что к.п.д. турбины становится максимальным тогда, когда скорость лопаток примерно равна половине скорости пара; поэтому первые турбины имели очень высокие скорости вращения.

Большое число оборотов было причиной ряда нежелательных эффектов, среди которых не последнюю роль играла опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил. Скорость вращения турбины можно было бы уменьшить, увеличив диаметр диска, на котором крепились лопатки. Однако это было невозможно. Расход пара в ранних устройствах не мог быть большим, а значит, не могло быть велико и поперечное сечение выходного отверстия. Вследствие этой причины первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, проходящего через сопло, изменяется пропорционально отношению давления на входе к давлению на выходе. Максимальное значение скорости в суживающемся сопле достигается, однако, при отношении давлений, приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет на увеличение скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением: существовал предел для количества запасенной паром высокого давления энергии, которая могла быть превращена в кинетическую энергию и передана лопаткам. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большие скорости пара, и вследствие этого скорость вращения ротора в турбине Лаваля существенно увеличилась.

Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один — неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой — подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны.

Венцы лопаток турбины представляли собой медные кольца с лопатками, закрепленными в прорезях под углом 45°. Подвижные венцы закреплялись на валу, неподвижные состояли из двух половинок, жестко связанных с корпусом (верхняя половина корпуса снята).

Чередующиеся подвижные и неподвижные венцы лопаток (а) задавали направление движения пара. Проходя между неподвижными лопатками, пар расширялся, ускорялся и направлялся на подвижные лопатки. Здесь пар также расширялся, создавая силу, которая толкала лопатки. Направление движения пара показано на одной из 15 пар венцов (b).

Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он отклонялся так, что попадал на подвижные лопатки и заставлял их вращаться. В междулопаточных каналах подвижных лопаток пар также расширялся, на выходе создавалась ускоренная струя, и возникающая реактивная сила толкала лопатки.

При наличии многих подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из 30 венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10%, и максимальная скорость пара в результате оказывалась равной 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью. Парсонс полагал, что при столь малых перепадах давления пар можно рассматривать как малосжимаемую жидкость, подобную воде. Это предположение дало ему возможность с высокой степенью точности сделать расчеты скорости пара, к.п.д. турбины и формы лопаток. Идея поступенчатого расширения пара, которая лежит в основе конструкций современных турбин, была лишь одним из многих оригинальных замыслов, воплощенных Парсонсом.

Другим изобретением стал новый тип подшипника, предназначенного специально для быстро вращающегося вала. Хотя Парсонсу и удалось снизить скорость вращения турбины, она все же оставалась раз в десять выше, чем у других двигателей. Поэтому изобретателю пришлось столкнуться с явлением, известным как «биение вала». Уже в ту пору было известно, что каждый вал имеет свою характерную критическую скорость вращения, при которой даже небольшой разбаланс создает значительное изгибающее усилие. Выяснилось, что критическая скорость вращения связана с собственной частотой поперечных вибраций вала (на этой частоте вал начинает резонировать и разрушаться). Парсонс и де Лаваль независимо друг от друга обнаружили, что на скоростях, больших критической, вал вращается устойчиво. Несмотря на это, небольшой разбаланс все-таки приводил к отклонению вала от положения равновесия. Поэтому для того, чтобы избежать повреждения вала, его следовало устанавливать в подшипниках, которые допускали бы его небольшие боковые смещения.

Вначале Парсонс попытался использовать обычный подшипник, закрепив его на пружинах, но обнаружил, что такая конструкция только усиливает вибрацию. В конце концов он придумал подшипник, состоящий из набора колец. Парсонс использовал кольца двух размеров: одни плотно прилегали к внутреннему вкладышу подшипника (через который проходил вал), но не касались корпуса; они чередовались с другими кольцами, которые плотно прилегали к корпусу, не касаясь вкладыша. Вся система колец в продольном направлении сжималась пружиной. Такая конструкция допускала небольшие боковые смещения вала и в то же время подавляла вибрации за счет трения между шайбами двух типов.

Подшипник на валу допускал небольшие боковые смещения вала, но гасил вибрации. Он состоял из чередующихся колец: одни плотно охватывали вкладыш (внутри которого проходил вал), не касаясь корпуса турбины, другие плотно прижимались к корпусу, не касаясь вкладыша. Весь набор колец поджимался пружиной. Винтовой насос (слева) гнал масло (желтый цвет) в подшипник.

Эта конструкция успешно работала, и те, кто видел образец турбины, представленный на выставке изобретателей в Лондоне в 1885 г., отмечали, насколько ровным был ее ход по сравнению с другими паровыми машинами того времени. Последние так сотрясали фундамент, что вибрация ощущалась даже на значительном удалении от машины.

Турбогенератор Парсонса, построенный в 1884 г., стал первой паровой трубиной, получившей промышленное применение. Пар под высоким давлением поступал в турбину через прямоугольное отверстие, расположенное у середины вала. Здесь он разделялся и направлялся к противоположным концам вала, проходя через венцы лопаток. Расширяющийся пар вращал подвижные (рабочие) кольца, плотно сидящие на центральном валу. Между подвижными кольцами располагались венцы неподвижных лопаток, закрепленных на внутренней поверхности корпуса турбины. Неподвижные лопатки направляли пар на лопатки подвижных колес.
В межлопаточном пространстве каждого колеса пар расширялся. Принцип многоступенчатого расширения пара позволял Парсонсу в полной мере использовать энергию пара, находящегося под высоким давлением, и избежать большого числа оборотов. Вал вращал динамо-машину, или электрогенератор (справа).

В турбине Парсонса пар подводился через управляющий клапан к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум каналам: по одному пар поступал к левому концу вала, по другому — к правому, Объем пара в том и другом канале был одинаковым. Каждая струя проходила через венцы лопаток в турбине.

Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникающие за счет давления пара на лопатки турбины, в точности уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном (осевом) подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.

И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса развивала большую скорость — 18000 об/мин. При таких оборотах центробежная сила, действующая на лопатки турбины, в 13 тыс. раз превышала силу тяжести. Для того чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс разработал очень простую конструкцию: каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца; пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Увеличение объема пара при его поступенчатом расширении потребовало, чтобы длина лопаток по ходу пара последовательно трижды увеличивалась — от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить характеристики струи.

Проблема снижения скорости вращения вала вызвала к жизни и другие изобретения. Скорости были настолько высоки, что решить эту проблему с помощью существовавших тогда передаточных механизмов (как, например, зубчатых) было нельзя. Невозможно было использовать и простой центробежный регулятор, нашедший применение на паровых машинах более ранних конструкций: шары регулятора были бы просто оторваны центробежной силой. Парсонс разработал совершенно новый тип регулятора. На валу турбины он поместил центробежный вентилятор, соединенный с системой трубок, в которых находился воздух. Вращающийся вентилятор отсасывал воздух из трубок, создавая в них разрежение. На это разрежение реагировала кожаная диафрагма, расположенная с другой стороны системы трубок и соединенная с управляющим клапаном, который контролировал подачу пара в турбину. Если скорость вращения турбины увеличивалась, разрежение воздуха в трубках росло и диафрагма выгибалась сильнее; в результате клапан, соединенный с диафрагмой, уменьшал подачу пара в турбину и ее вращение замедлялось.

Регулятор работал неплохо, но был не очень чувствительным. Турбина Парсонса приводила в движение динамо-машину (электрический генератор). В то время когда Парсонс построил свою турбину, одна лампа накаливания стоила столько же, сколько четверть тонны угля. Для того чтобы лампы не перегорали при резких изменениях электрического тока (что часто случалось, если использовались паровые машины), динамо-машина должна была обеспечивать постоянство напряжения с точностью 1-2%. Для этой цели Парсонс снабдил свою турбину специальным механизмом точной регулировки, реагировавшим непосредственно на изменение напряжения на динамо-машине.

Напряжение на обмотке динамо-машины пропорционально напряженности магнитного поля, создающегося у полюсов. Парсонс изготовил из мягкого железа коромысло и укрепил его над полюсами динамо-машины, прикрепив к нему пружину. Коромысло, преодолевая сопротивление пружины, стремилось повернуться по направлению магнитного поля; угол поворота зависел непосредственно от напряженности поля, которая в свою очередь была связана с напряжением на обмотках динамо-машины. Вместе с коромыслом поворачивалась медная задвижка. В зависимости от своего положения она в большей или меньшей степени прикрывала отверстие трубки, входящей в систему регулятора с центробежным вентилятором,

Если напряженность магнитного поля росла, задвижка начинала постепенно перекрывать отверстие трубки. Тем самым уменьшался доступ воздуха в систему регулятора и увеличивалось разрежение, создаваемое центробежным вентилятором. Кожаная диафрагма при этом выгибалась и управляющий клапан уменьшал подачу пара в турбину. Таким образом, скорость вращения турбины зависела от напряжения на обмотках динамо-машины. Механизм точной регулировки Парсонса был одним из первых сервомоторов — устройств с обратной связью, которые управляют расходом большого количества энергии, потребляя незначительную ее часть.

Пар под высоким давлением (темно-красный цвет) вводится через отверстие у средней точки вала и проходит через венцы лопаток, направляясь к обоим концам вала. Отработанный пар (светло-красный) поступает в две полости, соединенные выходным каналом в нижней части корпуса. Еще дальше от центра по оси вала располагаются две другие полости, соединенные каналом в верхней части корпуса; в них поддерживается частичный вакуум (голубой).

Муфты, плотно прижимающиеся к внутренней поверхности корпуса за счет перепада давлений между полостями с отработанным паром и с частичным вакуумом, не позволяют отработанному пару выйти наружу через зазоры у поверхности вращающегося вала. Смазка подается винтовым насосом (слева), который нагнетает масло (желтый) в подшипник на валу и к другим подшипникам. Центральных подшипников масло достигает по каналу внутри вала динамо-машины (в центре и справа). В регуляторе используется центробежный вентилятор (слева), который создает разрежение (голубой) в системе трубок. Кожаная мембрана соединенная с клапаном, который регулирует подачу пара в турбину, при разрежении в трубках притягивается к ним.

Механизм точной регулировки расположен наверху динамо-машины. Этот механизм изменяет приток воздуха в систему трубок в зависимости от напряжения на обмотках динамо-машины. Под действием разрежения, создаваемого в воздушных трубках, масло от подшипников поступает обратно в вертикальный резервуар (слева).

Центробежный вентилятор, занимающий главное место в регуляторе Парсонса, играл важную роль и в системе смазки. Высокая скорость вращения вала турбины требовала абсолютно надежной смазки. На конце вала Парсонс укрепил винтовую спираль, которая была погружена в резервуар с маслом и обеспечивала подачу смазки в подшипники на валу. По трубкам масло направлялось к дальнему концу вала, где находилась динамо-машина, а по каналу внутри вала динамо-машины масло подавалось к центральным подшипникам и охлаждало внутренние части динамо-машины. Под действием силы тяжести масло возвращалось к центральному узлу. Главный масляный резервуар соединялся вертикальной трубкой с системой воздушных трубок, расположенных непосредственно у вентилятора. Разрежение, создаваемое вентилятором, заставляло масло перетекать из центрального узла обратно в масляный резервуар, так что уровень масла оказывался достаточным для работы винтового насоса.

Еще одним изобретением Парсонса, также применяемым в современных турбинах, был способ, позволяющий устранить утечку пара через зазоры между валом и корпусом турбины. Всякая попытка сделать муфту, плотно прилегающую к валу, была бы неудачной, так как при критической скорости вращения во время набора оборотов в результате биений создавалось бы большое трение. Муфта, сконструированная Парсонсом, плотно облегала вал и в то же время допускала небольшие его смещения. По достижении рабочей скорости муфта действовала как надежный затвор, удерживающий отработанный пар внутри корпуса турбины.

Как только турбина достигала рабочих скоростей, муфта плотно прижималась к валу под действием разности давлений между выходным патрубком и камерой, где поддерживался частичный вакуум. Отработанный пар шел из двух полостей (по одной на каждом конце вала) через выходной канал в нижней части корпуса турбины. Две другие полости располагались дальше от средней точки вала, чем каждая из выходных полостей. Канал в верхней части корпуса соединял эти крайние полости. Внутри каждой из двух внутренних полостей Парсонс поместил муфту, плотно охватывающую вал. Для поддержания частичного вакуума в крайних полостях Парсонс применил паровой струйный насос. При небольшом числе оборотов турбины муфты свободно вращались вместе с валом. По достижении рабочей скорости возникал перепад давления между внутренними полостями (куда поступал отработанный пар из турбины) и крайними полостями (где поддерживался частичный вакуум). Под действием перепада давления муфты плотно прижимались к корпусу турбины и отделяли полости друг от друга.

В каких же условиях сформировался талант Парсонса, благодаря которому ему удалось преодолеть трудности на пути создания турбины? Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Бирре, в графстве Оффали, в Ирландии. Его отец, третий граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов. В 1845 г. в мастерской в своем поместье он построил зеркальный телескоп, который в течение нескольких десятилетий оставался самым большим телескопом в мире. С помощью этого телескопа Парсонс-старший открыл ряд спиральных туманностей. С 1849 по 1854 г. он был президентом Лондонского королевского общества. Будучи членом парламента, он, для того чтобы присутствовать на заседаниях, купил в Лондоне дом. Часть года здесь жила вся семья, устраивая приемы, на которые приглашались представители научных кругов.

Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских. Ремесло, к которому Чарлз приобщился с детства, сыграло исключительно важную роль в тот период, когда он строил свою турбину.

Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс-колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г. Математику он изучал под руководством Эдварда Е. Рута, который в ту пору занимался исследованием условий сохранения равномерного движения, в частности использования для этих целей различных механических регуляторов.

Вплоть до этого времени Парсонс вкушал плоды своего привилегированного воспитания. Поворот в его судьбе произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкасл-на-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера.

Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке — паровой машине с вращающимися цилиндрами — и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений. Если изучить эти патенты, можно установить, что он использовал идею смазки под давлением десятилетием раньше А.Пэйна, который знаменит своими изобретениями в этой области. До Парсонса для смазки подшипников применялись капельницы, поэтому подшипники требовали постоянного контроля. Идея о принудительной смазке сыграла исключительную роль в создании высокоскоростных машин, в частности турбины

Мысль о создании турбины пришла Парсонсу, по-видимому, когда он еще был студентом. Лорд Рэлей передает слова одного из знакомых Парсонса по Кембриджу, которому будущий изобретатель показывал игрушечный бумажный двигатель: когда Парсонс дул на колеса игрушки, они вращались. Парсонс сказал, что скорость вращения у этой машины будет «в десять раз больше, чем у любой другой».

Первые настоящие опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он в сотрудничестве с Джеймсом Килсоном работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Армстронг в значительной мере был связан с производством морского оружия и, вероятно, поддерживал усилия по разработке нового вида движителя торпеды. Особенность этого движителя состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка в свою очередь приводила во вращение гребной винт торпеды.

В записных книжках Парсонса нет явных указаний на конструкцию крыльчатки, однако некоторое представление о ней можно получить, изучив небольшую лодку, сделанную Парсонсом из листовой меди. Лодка приводилась в движение трехлопастным винтом, находящимся под корпусом. Винт располагался внутри большого кольца с 44 спиральными прорезями. Газ, вырывавшийся струей, проходил по этим прорезям, и за счет усилия, создаваемого при отклонении потока, кольцо начинало вращаться. Вместе с ним вращался и винт, толкающий лодку вперед.

Итак, свои ранние опыты Парсонс проводил с газовыми, а не с паровыми турбинами. Работы над ними он прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы газовой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение.

«Опыты, проводимые много лет назад, — писал он, — и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении… было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов — в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром».

Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерит Парсонса появились металлы, которые были пригодны для изготовления газовых турбин.

В начале 1884 г. Парсонс стал младшим компаньоном в фирме Clarke Chapman and Company. Обосновавшись в Гейтсхеде, он приступил к проектированию паровой турбины. Его записи опытов по созданию торпеды, относящиеся к августу 1883 г., свидетельствуют о том, что в ту пору он еще не пришел к мысли о необходимости довести скорость вращения лопаток до скорости газовой струи. Не занимала его внимания и проблема создания сопла с большим значением отношения давлений на входе и выходе. Но уже в апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения.

Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Ему приходилось не только экспериментировать с высокоскоростными валами и другими деталями турбины, но и думать о возможных путях использования энергии его машины. Обладая скоростью вращения 18000 об/мин, она не могла быть применена для обычных целей. Парсонс решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.

ПЕРВЫЕ паровые турбины были не особенно эффективны. До тех пор пока их выходная мощность не позволяла сравняться по экономичности с обычными паровыми машинами, их следовало сделать привлекательными для покупателей за счет других характеристик. Такими привлекательными чертами стали их небольшие размеры, стабильность электрического напряжения, надежность работы в отсутствие контроля и небольшие эксплуатационные расходы. Всеми этими особенностями и обладала первая турбина.

В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец турбины, достопочтенному Чарлзу А. Парсонсу было всего 30 лет. Инженерный гений и чутье на потребности рынка сами по себе были недостаточным условием для того, чтобы его детище благополучно вступило в жизнь. На ряде этапов Парсонс должен был вкладывать свои собственные средства, для того чтобы проделанная работа не пропала даром. Во время судебного разбирательства в 1898 г., затеянного с целью продлить срок действия некоторых его патентов, было установлено, что на создание турбины Парсонс израсходовал личных денег в сумме 1107 фунтов 13 шиллингов и 10 пенсов.

«Turbinia» — первый пароход с турбинным двигателем. Он был спущен на воду в 1894 г.
Пароход развивал рекордную скорость — до 35 узлов.
Впоследствии турбины стали использоваться и на крупных судах.

История изобретения паровых турбин

Огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую - струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя.

Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономическую машину - паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.

Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль в 1889 г. .Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя воды, образующаяся в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками дня подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось, применяемое до нашего времени, сопло Лаваля.

Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД гидротурбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и вырывался наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему это расширение, получалось значительное увеличение скорости вытекания (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом заключенная в паре энергия передавалась лопастям турбины. Число сопел и давление пара определяли мощность турбины. Когда отработанный пар не выпускали прямо в воздух, а направляли, как в паровых машинах, в конденсатор и сжижали при пониженном давлении, мощность турбины была наивысшей. Так, при расширении пара от 5 атмосфер до 1/10 атмосферы скорость струи достигала сверхзвуковой величины.

Несмотря на кажущуюся простоту, турбина Лаваля была настоящим чудом инженерной мысли. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться от своего детища бесперебойной работы. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную нагрузку на ось и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль придумал насадить колесо на очень тонкую ось, которая при вращении могла бы слегка прогибаться. При раскручивании она сама собой приходила в строго центральное положение, удерживаемое затем при любой скорости вращения. Благодаря этому остроумному решению разрушающее действие на подшипники было сведено до минимума.

Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами: пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли также как привод электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и поэтому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора). паровой турбина лаваль

В 1884 году английский инженер Парсон получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. Она имела следующее устройство, напоминающее устройство реактивной гидротурбины. На центральный вал был насажен ряд вращающихся колес с лопатками. Между этими колесами находились неподвижные венцы (диски) с лопатками, имевшими обратное направление. Пар под большим давлением подводился к одному из концов турбины. Давление на другом конце было небольшое (меньше атмосферного). Поэтому пар стремился пройти сквозь турбину. Сначала он поступал в промежутки между лопатками первого венца. Эти лопатки направляли его на лопатки первого подвижного колеса. Пар проходил между ними, заставляя колеса вращаться. Дальше он поступал во второй венец. Лопатки второго венца направляли пар между лопатками второго подвижного колеса, которое тоже приходило во вращение. Из второго подвижного колеса пар поступал между лопатками третьего венца и так далее. Всем лопаткам была придана такая форма, что сечение междулопаточных каналов уменьшалось по направлению истечения пара. Лопатки как бы образовывали насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар. Здесь использовалась как активная, так и реактивная его сила. Вращаясь, все колеса вращали вал турбины. Снаружи устройство было заключено в крепкий кожух. В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 году в Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами Парсона. Между тем Парсон старался расширить сферу применения своего изобретения. В 1894 году он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость - 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.

У. Гаррет Скейф

W. Garrett Scaife, Trinity Colledge, Dublin

К концу прошлого столетия промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались - они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. Большое влияние на улучшение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии.

Такой способ появился в 1884 г., когда англичанин Чарлз Алджернон Парсонс (1854-1931) изобрел первый пригодный для промышленного применения турбогенератор. Десятью годами позже Парсонс занялся изучением возможности применения своего изобретения для средств передвижения. Несколько лет упорного труда увенчались успехом: оснащенный турбиной пароход "Turbinia" развивал скорость 35 узлов - больше, чем любой корабль Королевского флота. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. Поэтому со временем, когда мощность и к.п.д. турбин значительно увеличи

лись, они вытеснили двигатели прежних конструкций. В настоящее время во всем мире паровые турбины используются на тепловых электростанциях в качестве приводов генераторов электрического тока. Что же касается использования паровых турбин в качестве двигателей для пассажирских судов, то здесь безраздельному их господству был положен конец в первой половине нашего столетия, когда широкое распространение получили дизели. Современная паровая турбина унаследовала многие особенности первой машины, изобретенной Парсонсом.

Реактивныи и активный принципы, лежащие в основе действия паровой турбины. Первый из них был использован в устройстве "эолипила" (а) , придуманного Героном Александрийским: сфера, в которой находится пар, вращается за счет действия сил реакции, возникающих при выходе пара из пустотелых трубок. Во втором случае (b ) струя пара, направленная на лопатки, отклоняется и благодаря этому колесо вращается. Лопатки турбины (с ) также отклоняют струю пара; кроме того, проходя между лопатками, пар расширяется и ускоряется, и возникающие при этом силы реакции толкают лопатки.

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки (подобные лопастям вентилятора), насаженные на диск. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Между лопатками пар расширяется и ускоряет свое движение: в результате энергия давления пара переходит в кинетическую энергию.

Первые турбины, подобные машине Бранки, не могли развивать достаточной мощности, поскольку паровые котлы не способны были создавать высокого давления. Первые действующие паровые машины Томаса Сейвери, Томаса Ньюкомена и других не нуждались в паре высокого давления. Пар низкого давления вытеснял воздух под поршнем и конденсировался, создавая разрежение. Поршень под действием атмосферного давления опускался, производя полезную работу. Опыт в постройке и использовании паровых котлов для этих так называемых атмосферных двигателей постепенно побудил инженеров сконструировать котлы, способные создавать и выдерживать давление, намного превосходящее атмосферное.

С появлением возможности получать пар высокого давления изобретатели вновь обратились к турбине. Были испробованы различные конструктивные варианты. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик попытался установить два сопла на ободе колеса двигателя для паровоза и пропускать через них пар из котла. Затея Тревитика провалилась. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. Уильямом Эйвери в Сиракьюсе (шт. Нью-Йорк). В одной лишь Англии за 100 лет, с 1784 по 1884 г., было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано в двадцатилетний период - с 1864 по 1884 г.

Ни одна из этих попыток не завершилась созданием промышленно пригодной машины. Частично эти неудачи объяснялись незнанием физических законов, описывающих расширение пара. Плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного больше, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах гораздо больше, чем скорость воды в водяных турбинах, с которыми приходилось иметь дело изобретателям. Было установлено, что к.п.д. турбины становится максимальным тогда, когда скорость лопаток примерно равна половине скорости пара; поэтому первые турбины имели очень высокие скорости вращения.

Большое число оборотов было причиной ряда нежелательных эффектов, среди которых не последнюю роль играла опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил. Скорость вращения турбины можно было бы уменьшить, увеличив диаметр диска, на котором крепились лопатки. Однако это было невозможно. Расход пара в ранних устройствах не мог быть большим, а значит, не могло быть велико и поперечное сечение выходного отверстия. Вследствие этой причины первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, проходящего через сопло, изменяется пропорционально отношению давления на входе к давлению на выходе. Максимальное значение скорости в суживающемся сопле достигается, однако, при отношении давлений, приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет на увеличение скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением: существовал предел для количества запасенной паром высокого давления энергии, которая могла быть превращена в кинетическую энергию и передана лопаткам. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большие скорости пара, и вследствие этого скорость вращения ротора в турбине Лаваля существенно увеличилась.

Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны.

Венцы лопаток турбины представляли собой медные кольца с лопатками, закрепленными в прорезях под углом 45°. Подвижные венцы закреплялись на валу, неподвижные состояли из двух половинок, жестко связанных с корпусом (верхняя половина корпуса снята).

Чередующиеся подвижные и неподвижные венцы лопаток (а ) задавали направление движения пара. Проходя между неподвижными лопатками, пар расширялся, ускорялся и направлялся на подвижные лопатки. Здесь пар также расширялся, создавая силу, которая толкала лопатки. Направление движения пара показано на одной из 15 пар венцов (b ).

Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он отклонялся так, что попадал на подвижные лопатки и заставлял их вращаться. В междулопаточных каналах подвижных лопаток пар также расширялся, на выходе создавалась ускоренная струя, и возникающая реактивная сила толкала лопатки.

При наличии многих подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из 30 венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10%, и максимальная скорость пара в результате оказывалась равной 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью. Парсонс полагал, что при столь малых перепадах давления пар можно рассматривать как малосжимаемую жидкость, подобную воде. Это предположение дало ему возможность с высокой степенью точности сделать расчеты скорости пара, к.п.д. турбины и формы лопаток. Идея поступенчатого расширения пара, которая лежит в основе конструкций современных турбин, была лишь одним из многих оригинальных замыслов, воплощенных Парсонсом.

— это тепловой двигатель, тепловая энергия пара в котором преобразуется в механическую работу. Вместе с гидротурбинами огромное значение для развития мировой энергетики имело изобретение и широкое применение паровых турбин, которые являются основным двигателем тепловых (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС). Принцип действия паровых турбин схож с гидравлическими, разница лишь в том, что в первом случае турбину приводила в действие струя разогретого пара, во втором — струя воды. Паровая турбина оказалась проще, экономичнее и удобнее, чем паровая машина Уатта. Изобретатели давно пытались создать машину (паровую турбину), где струя пара напрямую бы вращала рабочее колесо. При этом, скорость вращения колеса должна быть очень высокой за счет большой скорости струи пара.

В 1883 году Лавалю удалось создать первую паровую машину, которая представляла легкое колесо с лопатками. Через поставленные под углом сопла на лопатки направляли пар, который давил на них и раскручивал колесо. В 1889 году Лаваль усовершенствовал конструкцию, применив сопло, которое расширялось на выходе. Благодаря этому увеличилась скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора. Полученная струя направлялась на один ряд лопаток, которые были насажены на диск. Давление пара и число сопел определяли мощность турбины, работающей по активному принципу. Если отработанный пар не попадал в воздух, а направлялся в конденсатор, где при пониженном давлении сжижался, то мощность турбины оказывалась наивысшей. Турбина Лаваля получила всеобщее признание, она давала большие выгоды при соединении с машинами, имеющими высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы). Использовали ее и в качестве привода для электрогенератора, правда, только через редуктор (из-за ее высокой скорости).

В 1884 году английский изобретатель Парсонс запатентовал многоступенчатую реактивную турбину, специально созданную им для приведения в действие электрогенератора. При меньшей скорости вращения энергия пара здесь использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. Каждая ступень имела пару венцов лопаток. Неподвижным был один венец с направляющими лопатками, которые крепились на корпусе турбины. Второй — подвижный с рабочими лопатками на диске, который был насажен на вращающийся вал. Лопатки венцов (неподвижных и подвижных) сориентированы в противоположных направлениях. Это была первая паровая турбина, которая начала с успехом применяться в промышленности.

В 1889 году уже 300 турбин применяли для получения электроэнергии, в 1899 году появилась первая электростанция с турбинами Парсонса. В 1894 году был спущен на воду первый пароход «Turbinia» с приводом от паровой турбины. Вскоре паровые турбины начали устанавливать на быстроходных судах. Французский ученый Рато вывел комплексную теорию турбомашин на основе имевшегося опыта. Со временем турбина Парсонса уступила место компактным активно-реактивным турбинам. Хотя и сегодня паровые турбины в основном сохранили черты турбины Парсонса.