Паротурбинная установка - это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паровая турбина является силовым двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве и т.д. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование.
История создания паровой турбины
В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известные с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". В соответствии с рисунком 2.1 оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась.
Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г и изображенной на рисунке 2.2. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.
В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки, закрепленные на дисках. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Двигаясь между лопатками в расширяющемся канале (ведь толщина лопаток по мере приближения к хвостовику уменьшается), пар расширяется и ускоряется. В соответствии с законами сохранения энергии и импульса на колесо турбины действует сила, раскручивающая его. В результате энергия давления (потенциальная энергия) пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины.
Первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. Как только появилась возможность получать пар высокого давления, изобретатели вновь обратились к турбине. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машины.
Частично эти неудачи объяснялись непониманием физики расширения пара. Дело в том, что плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного превосходит упругость жидкости, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах получается гораздо большей, чем скорость воды в водяных турбинах. Экспериментально было установлено, что к.п.д. турбины достигает максимума тогда, когда окружная скорость лопаток равна приблизительно половине скорости струи пара. Именно по этой причине первые турбины имели очень высокие скорости вращения.
Но большая частота вращения нередко приводила к разрушению вращающихся частей турбины из-за действия центробежных сил. Уменьшения угловой скорости при сохранении окружной скорости можно было бы добиться путем увеличения диаметра диска, на котором крепились лопатки. Однако реализовать эту идею было затруднительно, так как количества вырабатываемого пара высокого давления недоставало для машины большого размера. В связи с этим первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.
Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, вырывающегося из сопла, пропорциональна отношению давлений на входе и выходе сопла и достигает максимального значения при отношении давлений, приблизительно равном двум. Дальнейшее повышение перепада давления уже не ведет к увеличению скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением при использовании сопла с постоянным или суживающимся каналом.
В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась.
На рисунке 2.4 изображена паровая турбина Лаваля. В ней пар поступает к соплу, приобретает в нем значительную скорость и направляется в рабочие лопатки, расположенные на ободе диска турбины. При повороте струи пара в каналах рабочих лопаток возникают силы, раскручивающие диск и связанный с ним вал турбины. Для получения необходимой мощности на одноступенчатой турбине необходимы очень высокие скорости потока пара. Меняя конфигурацию расширяющегося сопла, удалось получить значительную степень расширения пара и, соответственно, высокую скорость (1200…1500 м/с) истечения пара.
Для лучшего использования больших скоростей пара Лаваль разработал такую конструкцию диска, которая выдерживала окружные скорости до 350 м/с, а частота вращения у некоторых турбин достигала 32000 мин-1.
Турбины, у которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в соплах, получили название активных. К таким устройствам, в частности, можно отнести и турбину Бранки.
В дальнейшем совершенствование активных паровых турбин пошло по пути использования последовательного расширения пара в нескольких ступенях, расположенных друг за другом. В таких турбинах, разработанных в конце прошлого столетия французским ученым Рато и усовершенствованных конструктором Целли, ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками. В этих перегородках устраивались профилированные отверстия - сопла. На каждой из построенных таким образом ступеней срабатывается часть энергии пара. Преобразование кинетической энергии парового потока происходит без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, а также в качестве судовых двигателей.
Наряду с турбинами, в которых поток пара движется приблизительно параллельно оси вала турбины и которые называются аксиальными турбинами, были созданы так называемые радиальные турбины, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Среди этого типа турбин наибольший интерес представляет турбина братьев Юнгстрем, предложенная в 1912 г.
На боковых поверхностях дисков кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Из нее пар течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на дисках. В отличие от обычной турбины, в конструкции братьев Юнгстрем нет неподвижных сопел или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, поэтому мощность, развиваемая турбиной, передается на два вала. Турбина описанной конструкции получилась весьма компактной.
И все же, несмотря на ряд новых конструктивных решений, примененных в одноступенчатых активных турбинах, их экономичность была невысока. Кроме того, необходимость редукторной передачи для уменьшения частоты вращения ведущего вала электрогенератора тормозила распространение одноступенчатых турбин. Поэтому турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.
Парсонс создал турбину принципиально новой конструкции. Она отличалась меньшей частотой вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Дело в том, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой два венца лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, закрепленном на вращающемся валу). Плоскости лопаток неподвижных и подвижных венцов были взаимно перпендикулярны.
Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он, попадая на подвижные лопатки, заставлял их вращаться. В межлопаточных каналах подвижных лопаток пар дополнительно расширялся, скорость струи возрастала, и возникавшая реактивная сила толкала лопатки.
Благодаря внедрению подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из тридцати венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10 %. Ступенчатое расширение пара, лежащее в основе конструкций современных турбин, было лишь одной из многих оригинальных идей, воплощенных Парсонсом.
Другой плодотворной идеей была организация подвода пара к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум направлениям к левому и правому концу вала. Расход пара в обоих направлениях был одинаковым. Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникавшие из-за давления пара на лопатки турбины, уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.
И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса имела слишком большую частоту вращения - 18000 мин-1. Центробежная сила, действовавшая на лопатки турбины, в 13 тысяч раз превышала силу тяжести. Для того, чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс предложил простое решение. Каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца, а пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Лопатки турбины Парсонса были плоскими. Для компенсации уменьшения скорости потока пара по мере его движения к последним ступеням в первой машине Парсонса были реализованы два технических решения: ступенчато наращивался диаметр диска и увеличивалась длина лопаток от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить условия обтекания струей.
Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Ирландии. Его отец, граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов.
Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских.
Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс - колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г.
Поворот в судьбе Парсонса произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкаслапон-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера. Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке - паровой машине с вращающимися цилиндрами - и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений.
Первые опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Особенность движителя торпеды состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка, в свою очередь, приводила во вращение гребной винт торпеды.
Работы над газовыми турбинами Парсонс прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы такой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение. "Опыты, проводимые много лет назад, - писал он, - и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении... было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов - в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром". Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерти Парсонса появились металлы, обладавшие необходимыми качествами.
В апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения. Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Он решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.
В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец турбины, достопочтенному Чарлзу А. Парсонсу было всего 30 лет. Инженерный гений и чутье на потребности рынка сами по себе были недостаточным условием для того, чтобы его детище благополучно вступило в жизнь. На ряде этапов Парсонс должен был вкладывать свои собственные средства, для того чтобы проделанная работа не пропала даром. Во время судебного разбирательства в 1898 г., затеянного с целью продлить срок действия некоторых его патентов, было установлено, что на создание турбины Парсонс израсходовал личных денег в сумме 1107 фунтов 13 шиллингов и 10 пенсов.
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.
— 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.
Турбина Лаваля
Впоследствии, вспоминая о клостерском периоде своей жизни и преследовавших его в это время идеях, Лаваль писал в одной из своих записных книжек:
«Я был всецело проникнут истиной: большие скорости - вот истинный дар богов! Я уже в 1876 году мечтал об успешном применении пара, направленного непосредственно на колесо для получения механической работы. Это было смелое предприятие. В те времена употреблялись лишь малые скорости. Скорости, позднее достигнутые в сепараторе, в то время казались невероятными, а в современных учебниках писалось о паре: жаль, что плотность пара так мала, что не допускает даже мысли о применении его на колесе для создания энергии… И все-таки мне удалось осуществить мои смелые мечты».
В этом признании, свидетельствующем, что Лаваль отдавал себе полный отчет в том, какое значение может иметь смутная идея, родившаяся в его сознании в Клостере во время неудачного опыта с пескоструйным аппаратом, нет ничего преувеличенного.
Следует напомнить, что в то время, когда идея паровой турбины впервые возникла у Лаваля, не было еще произведено достаточной подготовительной работы. Правда, паровая турбина, как мы уже видели, являлась древнейшим тепловым двигателем, существовавшим еще задолго до появления паровой машины, но, несмотря на массу проектов, возникавших в течение многих лет, никому еще не удавалось эту паровую турбину превратить в практически применяемый двигатель.
Только большая научная подготовка, настойчивость и неоспоримый изобретательский талант могли помочь Лавалю поставить на службу человечеству неслыханные дотоле большие скорости, даваемые паровой турбиной.
Первые работы Лаваля в области паровой турбины имели своей непосредственной целью создать простой и дешевый двигатель для сепаратора.
Для приведения во вращательное движение оси сепаратора с большим числом оборотов требовались специальные механизмы или же специальные двигатели. В ручном сепараторе Лаваля применялась зубчатая и червячная передача от рукоятки, делающей 40 оборотов в минуту, к шпинделю, делавшему 7 тысяч оборотов за то же время. В механических сепараторах, работавших от конного привода или от паровой машины, эта передача делалась ременной к промежуточному шкиву на горизонтальной оси, а от него уже шла канатная передача к шкиву на шпинделе.
Лаваль очень хорошо помнил, какую мускульную силу нужно было затрачивать ему и Зундбергу для приведения в действие сепаратора в те времена, когда на Регеринсгатане толпились любопытные, которым Лаваль должен был, обливаясь потом, демонстрировать свою машину.
Чтобы избавиться от сложной и неудобной передачи, требовавшей дополнительной механической энергии, Лаваль с самого начала пришел к мысли вращать шпиндель сепаратора с помощью реактивного турбинного колеса, являющегося не чем иным, как «эолипилом» Герона Александрийского.
Передачи Лаваля для увеличения числа оборотов сепаратора
В самом начале 1883 года Лаваль построил такой первый турбинный сепаратор. Английский патент, взятый им 2 апреля 1883 года, означенный № 1622, на турбину, «работающую паром или водой», и был первым патентом Лаваля в той области техники, которая принесла ему мировую известность.
Эта турбина представляла собой С-образное колесо, состоящее из двух изогнутых труб. Колесо было насажено непосредственно на оси сепаратора. Свежий пар, давлением не менее четырех атмосфер, выходил из этих изогнутых трубок и реактивным действием выходящей струи приводил в движение колесо.
Лаваль не придавал слишком большого значения этой своей работе и, демонстрируя турбинный сепаратор друзьям, заметил:
Достоинство этой турбины - ее простота… Я думаю, что она поможет распространению наших машин, так как установка парового котла для нее легко может быть осуществлена даже в небольшом хозяйстве.
Вслед затем на рынок было выпущено несколько подобных турбинных сепараторов, однако они не получили распространения. Вопреки предположениям изобретателя, сепараторы эти оказались совсем неэкономичными: турбина расходовала слишком много пара. В то же время изготовление турбинных колес при тогдашнем состоянии машиностроительной техники обходилось очень дорого, и они были далеки от совершенства.
Турбинный сепаратор Лаваля и турбинное колесо
Впрочем, впоследствии подобные турбинные сепараторы в несколько усовершенствованном виде вновь начали строиться и получили распространение, так как удалось значительно понизить расход пара их турбинами.
Но кроме сепаратора, во всяком случае, эта первая турбина Лаваля нигде не применялась.
Раз занявшись турбиной, Лаваль все-таки хотел довести конструкцию турбинного сепаратора до совершенства, обеспечивающего таким сепараторам практическое применение. Неудача с первой турбиной к тому же затрагивала его самолюбие, и ему хотелось оправдать веру друзей в его конструкторский талант.
Продолжая разрабатывать конструкцию, он в 1886 году построил второй турбинный сепаратор с тем же реактивным колесом. Колесо состояло на этот раз из прямых каналов, снабженных конусообразными выходными насадками, с подводом пара через полую ось. Но и эта турбина, в принципе ничем не отличавшаяся от первой, также не помогла распространению турбинных сепараторов.
Однако в дальнейшем эти конические насадки сыграли решительную роль в истории создания турбины.
Дело в том, что эти насадки, как это заметил Лаваль при первых же опытах с ними, представляли собой замечательный аппарат для более совершенного использования кинетической энергии пара. Пар, под влиянием разности давлений в начале и конце этих насадок, проходя через них, получал ускорение вследствие перехода потенциальной энергии пара в его кинетическую энергию, живую «ветровую» силу.
Изобретательному уму Лаваля, сделав это наблюдение, легко было заключить, что если этот пар с полученной скоростью его истечения направить этим же самым аппаратом на лопатки рабочего колеса, то он произведет давление на лопатки, оказывающие ему сопротивление, и, отдавая им часть своей энергии, заставит колесо вращаться.
Таким образом, напав на мысль - это было в 1886 году, десять лет спустя после случая в Клостере - применить коническую насадку как аппарат для преобразования потенциальной энергии пара и поместить эту насадку как направляющий аппарат перед лопатками рабочего колеса, - Лаваль перешел от опытов с чисто реактивной турбиной к турбине чисто активной. Иными словами, мысль изобретателя от эолипила обратилась к другой готовой технической форме, к знаменитой машине Джиованни Бранка, той самой машине, о которой принято было думать, что струей пара никогда нельзя получить сколько-нибудь значительной силовой мощности.
Восставая против этого общепринятого мнения, Лаваль с гениальной простотой решил задачу, несмотря на чрезвычайные трудности, которые тотчас же встали перед ним, как только он взялся за осуществление идеи.
Теперь уже речь шла не о специальном двигателе для сепаратора, - Лаваль это отлично понимал. Перед ним стояла задача постройки того быстроходного двигателя, которого требовала современная промышленность.
Лаваль ни на минуту не сомневался в практическом успехе своего будущего создания. О закулисной борьбе против всякого нового двигателя, которую должен будет повести капитал, вложенный в паровые машины и в их производство, о сопротивлении предприятий, уже освоивших паровые машины и не расположенных тратить время и средства на освоение нового двигателя, он, конечно, не думал.
Все дело заключалось, как ему казалось, только в технических трудностях, а на преодоление их у него было достаточно теперь не только энергии, опыта, знаний, но и материальных средств в виде акций процветающего «Сепаратора», которым командовал изумительный Бернстрем.
Материальные условия для развития деятельности Лаваля были в это время очень благоприятными. Человек скромных потребностей, интересовавшийся лишь тем, что имело непосредственное отношение к технике, он тратил все свои огромные средства только на оборудование своих мастерских и лабораторий и ничего - на себя. Он не курил, он с отвращением, уступая просьбам, пил вино в редких и очень торжественных случаях; единственным его пристрастием было крепкое кофе. Он был расчетлив в житейских делах, но на свои опыты, он никогда не жалел никаких денег. Для этой цели он постепенно продавал принадлежавшие ему акции «Сепаратора», с каждым днем все выше и выше оценивавшиеся на бирже, и укреплял материальную базу для своих изобретательских работ. Он понимал, что готовое изобретение может вернуть ему все затраченные средства, но что капиталистическое хозяйство не даст ему ни одного гроша для предварительных опытов и изысканий.
К моменту возникновения идеи турбины Лаваль, осуществив свои мечты, имел прекрасную лабораторию и строящиеся мастерские. У него работал штат техников и инженеров. Весь тогдашний квартал между Хантверкарегатаном и озером Мелар, влево от Пильгатана, принадлежал Лавалю. Здесь располагались его мастерские и лаборатория, где производились самые разнообразные опыты, начиная от ветряных двигателей и кончая ацетиленовыми лампами.
С величайшим энтузиазмом Лаваль взялся за осуществление паровой турбины, мысль о которой так долго вынашивалась им.
Теоретически вопрос для изобретателя был ясен.
Полная работа пара в проектируемой им турбине разделялась на два процесса: во-первых, преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, и во-вторых, передача кинетической энергии пара движущимся частям машины - лопаткам колеса.
Первая часть работы пара, а именно преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую, должна была совершаться в особом аппарате, построенном на принципе конической насадки. В нем давление пара наиболее полно преобразовывалось в скорость истечения. Этот аппарат, получивший впоследствии известность как «сопло Лаваля», представляет собой коническую трубу с постепенным расширением к выходу. Расширяющееся сопло позволяет понизить давление пара, подводимого из котла, и повысить скорость его истечения до скорости, значительно превышающей скорость распространения звука.
Получив 29 апреля 1889 года патент на применение этого аппарата в турбине, Лаваль перешел к решению всей проблемы в целом.
Этому предшествовали опыты в мастерских. Задача, которую он в эти годы решал, заключалась в том, чтобы превратить полученную при расширении пара энергию в механическую работу турбинного колеса с одним рядом лопаток на нем.
Турбина Лаваля
Задача эта, легкая на первый взгляд, оказывалась в действительности чрезвычайно трудной. Возбужденный, небритый, питавшийся едва ли не одним крепким кофе, Лаваль то просиживал целые ночи за письменным столом, то безвыходно с медвежьим терпением трудился в мастерских, то бродил, как помешанный, с пустыми глазами, из комнаты в комнату, снова садился к столу и считал и чертил и вновь пересчитывал, и вновь перечерчивал. Иногда он раскрывал старые руководства и новые теоретические исследования и бросал их с досадой, натыкаясь повсюду на ошибки расчетов, опытов и заключений.
«Что нужно?» спрашивал он самого себя, как строгий учитель растерявшегося школьника, и вслух заставлял себя твердить, как заданный урок:
Прежде всего скорость турбинного колеса на окружности должна быть чрезвычайно значительной для того, чтобы результаты оказались экономически выгодными. Для достижения такой большой окружной скорости при колесе не слишком больших размеров нужно иметь неслыханное число оборотов колеса, порядка 20–30 тысяч оборотов в минуту…
О, эти скорости вполне соответствовали творческим стремлениям Лаваля! Но как сконструировать вал и подшипники, которые давали бы возможность без вибрации работать турбинному колесу с такой неслыханной скоростью? и как добиться прочности и уравновешенности турбинного диска?
В самом деле, если представить себе колесо, диаметром всего полметра, делающее 30 тысяч оборотов в минуту, т. е. имеющее окружную скорость в 340 метров в секунду, и допустить, что это колесо не сбалансировано на периферии хотя бы только на один грамм, то центробежная сила, которая при такой скорости возникнет, разнесет на куски все колесо!
Этот турбинный вал, это турбинное колесо теоретически готовой машины, но практически еще далекой от осуществления, преследовали Лакали даже во сне. Он видел, как диски разлетались на куски, разбивавшие стены противоположных домов, калечившие людей. Просыпаясь в ужасе, он опять садился за стол, пил кофе и думал. Не было сил, которые могли бы остановить творческое воображение этого упрямого человека, как ни велики были трудности, но ведь где-то в природе существовали же и законы их преодоления.
И Лаваль продолжал искать.
В мастерских опыты не прекращались. Применять для турбинного колеса обыкновенный жесткий, мощный вал оказывалось совершенно невозможно: во время опытов с такими валами в турбине при скорости 30–40 тысяч оборотов, машина легко приходила в дрожание, вал изгибался, и немыслимо было добиться хотя какой-нибудь надежности в эксплуатации. Опыты повторялись при самых разнообразных условиях, но вибрации машины устранить не удавалось. Надо было что-то принципиально изменить, и, бросая все, Лаваль снова и снова начинал искать выхода из положения.
Поиски были безуспешны до самого конца 1888 года. И как это часто бывает в трудных положениях, выход был найден, но совсем не там, где искал его Лаваль. Задача решалась не жесткостью, мощностью и прочностью системы, к чему стремился Лаваль сначала, а, наоборот, ее чрезвычайной гибкостью и податливостью.
Решению задачи предшествовало знакомство Лаваля с изобретателем этой системы, бароном Бетгольсгеймом, который в это время явился в Стокгольм по приглашению Бернстрема для переговоров о покупке его знаменитого патента «Альфа» акционерным обществом «Сепаратор».
Это был очень серьезный шаг нового директора общества. Хотя Лаваль, занятый в своих мастерских, давно уже отвлекся от непосредственного участия в делах «Сепаратора», но на этот раз, по настоянию друзей, он должен был принять живое участие в обсуждении стратегических планов Бернстрема, вступившего в решительную схватку со всеми конкурентами общества на мировом рынке.
Лаваль был нужен правлению и в качестве технического советника, так как в данном случае речь шла не только о чисто коммерческом предприятии, но и об изменении конструкции сепараторов, до сего времени выпускавшихся в продажу.
Планы Бернстрема сводились к тому, чтобы с патентом Бетгольсгейма выпустить на рынок машину, с которой вообще немыслимо было бы конкурировать.
Из книги Как уходили кумиры. Последние дни и часы народных любимцев автора Раззаков ФедорТУРБИНА НИКА ТУРБИНА НИКА (поэт; покончила с собой (выбросилась из окна) 11 мая 2002 года на 28-м году жизни; похоронена на Ваганьковском кладбище в Москве).Турбина стала знаменита в середине 80-х, когда ее стихи стали публиковаться во всех советских СМИ. В 12 лет Ника получила в
Из книги Густав Лаваль автора Гумилевский Лев ИвановичРазвитие турбины Лаваля и ее значение Как только в мастерских Лаваля были изготовлены первые турбины и произведено их испытание, доказавшее не только возможность, но и выгодность их практического применения, изобретатель, нисколько не сомневаясь в том, что вслед за тем
Из книги Память, согревающая сердца автора Раззаков ФедорЛичные и общественные идеалы Лаваля Успехи Парсонса в области паротурбостроения, оценивавшиеся мировой технической печатью очень высоко, мало волновали Лаваля: предоставив другим работать в этой области, он сам обратился к новым проблемам, стоявшим, по его глубокому
Из книги В круге последнем автора Решетовская Наталья АлексеевнаРеверсивная турбина Лаваля Развитию своему в качестве судовых двигателей паровые турбины были всецело обязаны настойчивой, упорной и долголетней деятельности Парсонса. Уже в 1894 году Парсонсу, после долгих и осторожных экспериментов удалось сконструировать турбины,
Из книги автораТУРБИНА Ника ТУРБИНА Ника (поэтесса; покончила с собой (выбросилась из окна) 11 мая 2002 года на 28-м году жизни; похоронена на Ваганьковском кладбище в Москве). Турбина стала знаменита в середине 80-х, когда ее стихи стали публиковаться во всех советских СМИ. В 12 лет Ника
Из книги автораУ Пьера Лаваля Поведение и политические концепции Солженицына удивительно схожи с поведением и взглядами предателя французского народа Пьера Лаваля. Оба во имя «избавления» от существующего в государстве «зла» ратовали за поражение нации. И тот и другой - апологеты
Сейчас «сердцем», дающим жизнь большинству созданных человеком машин, является 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 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. 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 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.
Закрытие ИП
