Турбина представляет собой двигатель, в котором энергия воды, пара и газа преобразовывается в механическую работу посредством вращающего движения ротора. В турбине струя воды или пара воздействует на специальные элементы — лопатки, и приводит их в движение. Лопатки располагаются по всей длине окружности ротора.

В зависимости от направления потока воды, пара или газа через турбину они подразделяются на осевые — когда поток движется параллельно оси турбины, и радиальные — поток движется перпендикулярно оси.

Турбина используется на наземном, воздушном и морском транспорте в качестве составной части двигателя, которая увеличивает его мощность. Также турбина может применяться и на электростанциях, где она служит в качестве привода электрического генератора.

С давних пор проводились неоднократные попытки создания различных вариантов турбин. До наших дней даже дошло описание паровой турбины, сконструированной Героном Александрийским в 1 веке нашей эры. Но только в конце 19 века, когда уровень термодинамики, металлургии и машиностроения достиг необходимых высот, Чарлз Парсонс и Густаф Лаваль независимо друг от друга изобрели первые паровые турбины, пригодные для производства.

Ниже в хронологическом порядке представлена краткая история создания различных типов турбин.

I век нашей эры — самое раннее дошедшее до наших дней документальное свидетельство создания паровой турбины Героном Александрийским. К сожалению, данное изобретение долго рассматривалось в качестве игрушки и полный потенциал данной турбины так и не был изучен до конца.

1500 — Леонардо да Винчи рассматривал в своих чертежах так называемый «дымовой зонт», принцип работы которого заключался в следующем: огонь нагревал воздух, который затем поднимался через соединенные друг с другом лопасти. Эти лопасти вращали обычный вертел для жарки.

1551 — Таги-аль-Дин сконструировал паровую турбину, использовавшуюся в качестве источника питания самовращающегося вертела.

1629 — итальянский инженер Джованни Бранк создал мельницу, которая работала за счет того, что сильная струя пара вращала турбину и вращательное движение передавалось от турбины к шестеренке — ведомому механизму.

1678 — фламандский ученый Фердинанд Вербист разработал первое самоходное транспортное средство на основе паровой машины. Однако нет никаких доказательств, подтверждающих, что оно было построено на самом деле.

1791 — англичанин Джон Барбер разработал настоящую газовую турбину для приведения в движение безлошадной повозки и получил патент на свое изобретение.

1872 — венгерский изобретатель Франц Столц создал первый газотурбинный двигатель.

1890 — шведский инженер и изобретатель Густаф де Лаваль изобрёл сопло, которое предназначалось для подачи пара в турбину. Впоследствии оно получило его имя и используется по сей день в том же назначении.

1894 — англичанин Чарльз Парсонс получил патент на идею корабля — парохода, который приводится в движение паровой турбиной. Этот принцип тяги широко используется и в наши дни.

1895 — на электростанции в Кембридже были установлены три четырёхтонных генератора радиального потока Парсонса мощностью 100 кВт, которые использовались для электрического освещения городских улиц.

1903 — норвежец Эджидиус Эллинг построил первую газовую турбину, способную вырабатывать ещё больше энергии, чем было необходимо для её работы. В то время это рассматривалось как серьезное достижение, ведь о термодинамике тогда ещё не имели никакого представления. Такая газовая турбина вырабатывала 11 л.с. с использованием вращающихся компрессоров.

1913 — Никола Тесла получил патент на свою турбину Тесла, основанную на эффекте пограничного слоя.

1918 — компания General Electric, являющаяся в настоящее время одним из ведущих производителей турбин, запустила собственное производство для дальнейших продаж газовых турбин.

1920 — английский инженер Алан Арнольд Гриффит изменил теорию протекания газового потока в теорию течения газа по аэродинамической поверхности, которая была более формализована и применима к турбинам.

1930 — английский инженер-конструктор Фрэнк Уиттл получил патент на универсальную газовую турбину, предназначенную для реактивного движения. Двигатель с такой турбиной впервые был использован в апреле 1937 г.

1934 — аргентинский инженер Рауль Патерас Пескара запатентовал новое изобретение — поршневой двигатель, являющийся генератором для газовой турбины.

1936 — немецкие конструкторы Макс Хан и Ханс фон Охайн разработали и запатентовали в Германии собственный новый двигатель с реактивной турбиной. Они разрабатывали его в то же время, что и Фрэнк Уиттл в Великобритании.

История развития автомобильных турбин берёт своё начало примерно в то же время, что и постройка первых двигателей внутреннего сгорания. Однако попытки создать механизм, похожий на турбину, были отмечены задолго до этого. На заре нового тысечилетия около 2000 лет назад появились предки всех известных ныне турбин, их по сей день можно встретить во многих уголках нашей не объяной планеты - это водяное колесо или мельница. Принцип заложеный в них стал основовологающий для будущего развития всех турбокомпрессоров и паровых турбин пременяемых для получения электроэнергии. Они буквально находились у истоков промышленной революции.

Первым, кто создал конструкцию по типу паровой турбины, был Герон Александрийский . Она представляла собой шар, который вращался под действием пара.

Паровая турбина в виде колеса с лопатками была сделана итальянским учёным Джованни Бранки в 1629 г.

Но только в конце XIX века, когда технологии достигли достаточного уровня, Чарлз Парсонс и Густаф Лаваль (1884 - 1889) независимо друг от друга сконструировали первые пригодные для промышленности устройства.

Особое внимание следует уделить работам Готлиба Даймлера и Рудольфа Дизеля. Эти учёные проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности путём сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. Их наработки сделали большой прорыв в области технологий ещё в 1885-1896 годах.

В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал своё изобретение, которое позволяло увеличить мощность двигателя на 120%. Ему удалось создать механизм, в котором нагнетание воздуха происходило с помощью выхлопных газов. Принято считать, что именно это устройство положило начало развития и внедрения турботехнологий.

В 19-м веке сфера использования турбин ограничивалась корабельной и авиа индустриями. Это связано с тем, что тогда увеличение мощности практиковалось только с крупными двигателями.

Во времена Первой мировой войны турбины использовались на истребителях с двигателями Рено.

Во второй половине 30-х годов технологии пришли к тому, что инженерам удалось создать действительно удачные модели турбин, которые позволяли увеличить максимальный предел высоты.

Наибольшего успеха в развитии авиации достигли американцы, которые разработали уникальный вариант турбонагнеталей. В 1938 году они устанавливали их на истребители Р-38 и бомбардировщики В-17. Через несколько лет инженерами был создан истребитель Р-47, который изначально выпускался с турбиной. Благодаря этому крылатая машина имела выдающиеся характеристики и преимущества перед остальными.

Что касается автомобильной сферы, то тут первыми испытателями благ турбонаддува стали грузовики. Создать турбодвигатель для них в 1938 году взялся завод «Swiss Machine Works Sauer». Такую новинку общество восприняло довольно хорошо.

Легковые автомобили получили турбированные двигатели гораздо позже. Только в 1962 году на рынок вышел Chevrolet Corvair Monza, а через год после него Oldsmobile Jetfire . Несмотря на очевидные преимущества, из-за низкого уровня надёжности модели не были востребованы.

Использование турбин для увеличения мощности спортивных автомобилей привело их ко всеобщему признанию в 70-х годах. В частности, они нашли своё применение у Formula 1. Через время инженеры пришли к выводу, что расход топлива слишком велик для получаемого результата и стали искать альтернативу.

Переломным моментом в развитии турбокомпрессоров стал 1978 год, когда компания Mercedes-Benz выпустила первую в мире модель с дизельным двигателем - 300 SD. Позже за ним последовал VWTurbodiesel. Преимущество таких автомобилей было значительным. Производителям удалось добиться необходимой мощности, дойдя до уровня бензинового, при этом уменьшить уровень вредных выхлопов в атмосферу.

Дизельная турбина имеет более низкие требования к жаропрочности, что позволяет делать её более дешёвой и изощрённой. Именно поэтому турбины чаще всего встречаются на дизельных автомобилях, а все турбоновинки изначально создают под дизельный вариант.

Время паровых машин было недолгим. Но еще в древней Греции было известно, как использовать перегретую жидкость в военных действиях. Несколько столетий назад наши предки потратили немало сил и времени для покорения пара, эта тема интересна и сейчас.

Героновский эолипил

История изобретения турбин берет свое начало в античных временах, но использовать пар на благо человечества люди смогли лишь к концу XVII века. Еще в самом начале нашей эры греческий ученый Герон Александрийский показал наглядно, что пар может быть полезным. Его изобретение, называемое по имени изобретателя "Героновский эолипил", представлял собой шар, который вращался силой струи пара. Так появился первый прототип паровой турбины.

Шар Соломона

Далее история изобретения турбин развивалась не так стремительно. К сожалению, большинство изобретений древних греков осталось позабытым и не нашло дальнейшего применения. Лишь в начале XVII столетия описывается нечто похожее на паровую машину, хотя и очень примитивную. Французский ученый-изобретатель Соломон де Ко в своих трудах описывает пустотелый металлический шар с двумя трубками, одна из которых служит для подведения, а другая - для отведения воды. И если нагреть шар, то вода по трубке начнет движение вверх.

Турбина Бранки

В начале 1629 года изобретателем и механиком Джованни Бранки была собрана первая паровая турбина. Принцип действия базируется на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую и совершении ею полезной работы. Сущность его изобретения заключалась в том, что струя пара своим давлением приводила в движение колесо с лопастями, подобно колесу водяной мельницы. Но такого рода турбины были очень ограничены в мощностях, поскольку невозможно было создать высокое давление струи. Таким образом, история изобретения паровой турбины приобретает новый виток после длительного перерыва.

Паровой бум

В 1825 году инженер-изобретатель Ричард Трейвисик предпринял попытку установить два сопла на колесе паровоза и пропустить через них пар высокого давления. На тех же принципах базировалась и работа лесопилки, сооруженной американским механиком У.Эйвери. Многие авторы хотели, чтобы история изобретения турбины запечатлела и их имена. Только в Англии за 20 лет было выдано патентов более чем на 100 изобретений, связанных с паровыми турбинами или принципами их работы.

Турбина в промышленности

На протяжении 5 лет, начиная с 1884 года, независимо друг от друга швед Карл Густав де Лаваль и ирландец Чарлз Парсонс работали над созданием промышленно пригодной паровой турбины. Лаваль изобрел расширяющееся сопло, которое позволило значительно увеличить скорость выходящего пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины тоже возросла.

Но благодаря изобретению Лаваля возможно было получить только небольшую мощность на выходе, порядка 500 кВт. Его паровые турбины нашли широкое применение на начальном этапе, но вскоре были заменены более мощными агрегатами других типов.

Реактивная турбина

История изобретения паровых турбин включает в себя также изобретение многоступенчатой реактивной турбины Парсонса. Отличием этого изобретения была меньшая скорость вращения и максимальное использование энергии пара. Такие значительные изменения достигались за счет того, что пар расширялся постепенно, проходя через 15 ступеней в системе турбины. Таким образом, труды ученого нашли практическое применение в промышленности. На этом заканчивается история изобретения турбин, кратко описывая основных деятелей прошлого, занятых в решении этого важного вопроса. С тех пор турбина Парсонса претерпела огромное количество модификаций и усовершенствований, но тем не менее основные принципы остались неизменными.

Изобретение турбин в России

История изобретения паровых турбин писалась и в России. Известный в профессиональных кругах алтайский мастер Залесов трудился на Сузунском заводе. С 1803 по 1813 год из-под его рук вышло большое количество моделей турбин. Ему, как практику с большим опытом, были видны недостатки в конструкциях паровых турбин, что позволяло вносить изменения на начальных этапах конструирования. Его коллегой по цеху был изобретатель Кузьминский. Он трудился в области судостроительной и воздухоплавательной техники и пришел к выводу, что нецелесообразно использовать паровой двигатель поршневого типа в судостроительстве. Кузьминский изобрел и испытал паровую реверсивную турбину судовую своей конструкции.

Она имела маленький вес в 15 кг на одну лошадиную силу мощности. Российская история изобретения турбин, кратко описанная Кузьминским, характеризуется как время, когда отечественные открытия предавались забвению. Безусловно, изобретение паровой турбины дало начало новой эпохе в развитии промышленности и всего общества, послужило толчком к ряду открытий и достижений в других областях науки. Изобретения тех далеких времен находят применение и по сей день, хотя и в значительно модифицированном состоянии. Несмотря на то что наука шагнула далеко вперед, она в большой мере основана на принципах, заложенных в далеком прошлом.

В конце 19 столетия промышленность развивалась быстрыми темпами. На смену ручному труду приходили машины, объемы производства увеличивались, нужно было делать все быстрее, быстрее, быстрее... Прогрессу требовалось все больше энергии, пропорционально увеличивались и размеры паровых машин. Паровые машины становились мощнее и больше, пока их габариты не стали угрожать механической прочности. Необходимо было как-то усовершенствовать технологию, чтобы промышленность могла развиваться дальше.

Кстати говоря, в Англии с 1784 по 1884 год было зарегистрировано более двухсот изобретений, так или иначе связанных с паровыми турбинами. Но ни одно из них не оказало на промышленность сильного влияния. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа Густава де Лаваля.

Де Лаваль создал эффективный сепаратор для молока, который пользовался большим спросом. Вырученные деньги инженер решил потратить на конструирование паровой турбины: сепаратор нуждался в механическом приводе. В ходе работы им было изобретено расширяющееся сопло, которое позволяло снизить давление пара и разогнать его частицы до сверхзвуковой скорости. Сейчас это изобретение известно как «сопло Лаваля» и используется в современных ракетных и реактивных авиационных двигателях, а также в паровых турбинах.

Сопло Лаваля

На выставке в Чикаго в 1893 году Лаваль представил небольшую паровую турбину мощностью 5 л.с. И частотой вращения 30 тыс. об/мин. Правда, для того, чтобы как-то использовать эту турбину, необходима была силовая установка понижающего редуктора, а на тот момент такая установка в несколько раз превышала размеры самой турбины.

Примерно в это же время над идеей паровой турбины работал англичанин Чарльз Парсонс. Свою первую многоступенчатую турбину парового типа он сконструировал в 1884 году для использования ее совместно с электрогенератором. Турбина Парсонса имела совершенно новую конструкцию, благодаря которой энергия пара использовалась максимально эффективно. Пар расширялся поэтапно, проходя через 15 ступеней, отделенных друг от друга специальными перегородками (диафрагмы паровой турбины). Эта идея постепенного расширения пара применяется и в современных паровых турбинах. Кроме того, Пасонсом был внедрен новый тип подшипника, который состоял из набора колец разных диаметров: одни кольца прилегали к внутренней стороне, не касаясь корпуса, другие прилегали к корпусу, но не касались внутренней стороны. Таким образом допускались незначительные смещения вала и уменьшались вибрации. По словам очевидцев, которые видели турбину Парсонса, ход был ровнее и тише, чем у паровых машин того времени, от работы которых сотрясался фундамент.

С каждым годом Парсонс внедрял все новые и новые усовершенсовования, большая часть из которых находит применения и по сей день.

Турбогенератор Парсонса, 1884 г.

— 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.

Доверенности