История изобретения паровых турбин.

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.

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 , паровая продемонстрировала новые возможности . 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 экономичную 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 , 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.

То лько 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 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 турбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой т , 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 атм. до 1/10 атм. 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 , 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 для электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и потому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).

В 1884 году английский инженер Чарльз Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведение 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 Парсонса.

Между тем Парсонс 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 .

Девятнадцатый век не зря называли веком пара.С изобретением паровой машины произошел настоящий переворот в промышленности, энергетике, транспорте. Появилась возможность механизировать работы, ранее требовавшие слишком много человеческих рук. Железные дороги резко расширили возможности тр\анспортировки грузов по суше. В море вышли огромные суда, способные двигаться против ветра и гарантировавшие своевременность доставки товаров. Расширение объемов промышленного производства поставило перед энергетикой задачу всемерного повышения мощности двигателей. Однако первоначально вовсе не высокая мощность вызвала к жизни паровую турбину…

Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием «турбины Герона» и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим – вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами.

И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, «вплотную». Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости. Опираясь на собственный практический опыт, Д. Уатт считал столь высокие скорости движения элементов машины недостижимыми в принципе, и в ответ на предупреждение об угрозе, которую могла создать турбина изобретенной им паровой машине, ответил так: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?»

Однако время шло, техника совершенствовалась, и час практического примения паровой турбины пробил. Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо – отходы лесопильного производства.

Впрочем, эти первые американские паровые турбины широкого распространения не получили. Их влияние на дальнейшую историю техники практически отсутствует. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа французского происхождения де Лаваля, имя которого сегодня известно любому двигателисту.

——————————————————————————–

Карл-Густав-Патрик де Лаваль

Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. Карл-Густав-Патрик («основным» считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив технологический институт и университет в Упсале. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин.

Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске.

На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6…7 кг/л.с.·ч.

Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался чешский ученый А. Стодола, он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории не позволило де Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей. Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса.

——————————————————————————–

Чарльз Алджернон Парсонс

Чарльз Парсонс родился в 1854 г. и получил классическое английское образование, закончив Кембриджский университет. Родом своей деятельности он избрал машиностроение и с 1976 г. стал работать на заводе Армстронга в Ньюкасле. Талант и изобретательность конструктора в сочетании с финансовыми возможностями родителей позволили Парсонсу быстро встать во главе собственного дела. Уже в 1883 г. он совладелец фирмы «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко», а в 1889 г. – владелец собственного турбостроительного и динамостроительного завода в Гитоне.

Первую паровую многоступенчатую турбину реактивного типа Парсонс построил в 1884 г. Она предназначалась вовсе не для привода относительно маломощных сепараторов, а для работы совместно с электрическим генератором. Таким образом, уже с первого шага Парсонс правильно предугадал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин, и в дальнейшем ему не пришлось разыскивать потребителей для своего изобретения. С целью уравновешивания осевого усилия пар подавался к середине вала турбины, а затем протекал к ее концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции, датированной 1887 г., Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность пока еще не достигла 100 л.с. при частоте вращения около 5000 об/мин. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.

Взаимоотношения между компаньонами в «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко» оказались далеко не безоблачными, и Парсонс вынужден был уйти, оставив бывшим коллегам и часть авторских прав, формально принадлежавших фирме. В связи с этим он надолго отказался от создания активных турбин (защищенных патентом) и перешел к разработке радиальных многоступенчатых турбин. Совершенствуя этот тип, конструктор сумел добиться впечатляющих результатов. Так, он уменьшил удельный расход пара с 44 до 12,7 кг/кВт·ч, но одновременно понял, что прежний аксиальный тип турбины был все же более перспективным. Начиная с 1894 г., восстановив права на патент, Парсонс вновь стал заниматься именно такими турбинами.

На своем заводе он опробовал самые различные материалы для лопаток турбин, но остановился на бронзе для насыщенного и умеренно перегретого пара, чистой меди для части высокого давления и никелевой бронзе для сильно перегретого пара. Кроме того, проводились глубокие исследования по созданию рациональной конструкции регулятора подачи пара. Для повышения точности Парсонс применил релейный принцип прерывистой подачи, позволяющий уменьшить трение. Параллельно вводились и другие усовершенствования, что в совокупности привело к уменьшению удельного расхода пара до 9,2 кг/кВт·ч у турбины мощностью 400 кВт, изготовленной в 1896 г.

Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность построенных в том же 1896 г. турбин превысила 40 000 л.с. Но и на континенте передовые инженеры осознали важность новинки для целей энергетики. В 1899 г. по инициативе одного из них, Линдлея, занимавшего должность главного инженера Франкфурта, было решено применить на строящейся Эльберфельдской электрические станции две турбины Парсонса мощностью по 1000 кВт. Немецкая гордость была задета. В первую очередь оказались недовольными промышленники, выпускавшие мощные паровые машины. Однако результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 г., свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун-Бовери» в Бадене (неподалеку от Цюриха) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса.

Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев интерес проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Если в 1903 г. наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 г. появились агрегаты мощностью 10 000 кВт, в 1915 г. – 20 000 кВт, а в 1917 г. – 30 000 кВт! Турбины стали строить в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники как звезда первой величины: ведь помимо чисто «турбинных» проблем он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового вида двигателя на флоте.

——————————————————————————–

Морские котлотурбинные установки

В конце XIX века сформировался новый класс военных кораблей – миноносцы (на Западе им соответствует термин «дистроер» – разрушитель), главным оружием которых стали прямоходные торпеды с мощным боевым зарядом, способным отправить на дно огромный броненосец. При небольшом водоизмещении единственной защитой для миноносца являлась высокая скорость, поскольку никакое бронирование не могло уберечь его от фатального конца в случае прямого попадания крупнокалиберного снаряда. Закономерным образом размеры миноносца росли, и на рубеже веков его водоизмещение достигло 350…500 т, а потребная мощность силовой установки – 5000…8000 л.с. Резко возросла масса механизмов и топлива на борту корабля, поэтому для сохранения высоких боевых качеств миноносца возникла настоятельная потребность в более мощном двигателе с лучшими удельными характеристиками. И такой двигатель появился в виде судовой турбины.

В 1894 г. Парсонс построил небольшое турбинное судно, в сущности катер водоизмещением всего 44,5 т, но мощность его силовой установки достигла 2000 л.с. 27 ноября «Турбиния» вышла на испытания и… разочаровала создателя. Ее скорость составила всего 19,7 узла, а конструктор ожидал получить не менее 30. Причина заключалась в так называемом проскальзывании гребного винта, позднее названном «кавитацией». Из-за чрезмерной частоты вращения винтов скорость воды на засасывающей стороне лопастей настолько возрастала, что давление понижалось до критического и вода вскипала при нормальной температуре, превращаясь в пар. В такой среде винт проскальзывал, терял упор, и его к.п.д. резко падал.

В течение г. на «Турбинии» сменили 9 винтов, но ее скорость так и не достигла запланированного значения. Тогда Парсон радикально переделал судно, превратив его одновальную установку в трехвальную. На каждый вал работали последовательно соединенные по пару турбины высокого, среднего и низкого давления. Валы заканчивались тремя расположенными друг за другом гребными винтами. На первом же выходе обновленная «Турбиния» показала скорость 32,8 узла. К 1897 г., после ряда усовершенствований и повышения мощности котлотурбинной установки (КТУ) до 2400 л.с., она смогла разогнаться до 34,5 узлов! «Турбиния» являлась самым быстроходным судном в мире.

С целью демонстрации преимуществ судовой турбины Парсонс решился на неординарный шаг, граничивший с хулиганством. По его распоряжению перед началом морского парада, приуроченного ко дню 60-летия вступления на престол королевы Виктории, «Турбиния» несанкционированно промчалась перед строем английского флота, и ни один самый быстроходный британский миноносец не смог остановить наглеца. Резонанс оказался весьма значительным – о скандальном происшествии написали газеты, проснулось даже английское Адмиралтейство. Для начало оно заказало два «дистроера» с четырехвальной КТУ мощностью по 11 500 л.с., способной обеспечить кораблю контрактную скорость 31,5 узла. Следующим шагом стали крейсера «Аметист» и «Топаз», совершенно однотипные, за исключением силовых установок. При водоизмещении 3050 т максимальная мощность котлотурбинной установки «Аметиста» составила 13 000 л.с, обеспечив ему скорость 23,6 узла, в то время как котломашинная установка «Топаза» развивала максимальную мощность 9 600 л.с., а его скорость не превысила 21,8 узла. И, что очень важно, у «Аметиста» с увеличением скорости удельный расход топлива уменьшался, а у «Топаза» – имел минимум приблизительно при 14-узловой скорости.

По результатам испытаний англичане приняли радикальное решение: все вновь строящиеся надводные корабли основных классов оснащать КТУ.

Практически одновременно началось внедрение паровых турбин в судостроение. Первые два турбинных лайнера были построены в Англии для Канады, а в 1906 г. на линию Ливерпуль – Нью-Йорк вышел турбинный трансатлантик «Кармания». По условиям контракта в течение четырех месяцев он должен был плавать с опломбированными корпусами турбин, что исключало их вскрытие не только для ремонта, но и для осмотра. КТУ лайнера выдержала столь жесткое испытание, и в 1907 г. вошли в строй еще два турбинных судна водоизмещением по 38 тыс. т: «Лузитания» и «Мавритания». Последняя в ходе трансатлантического рейса продемонстрировала среднюю скорость, превысившую 26 узлов, и впоследствии в течение 22 лет удерживала «Голубую ленту Атлантики» – почетную награду самому быстроходному лайнеру океана.

В 1913 г. на Путиловском заводе в Петербурге был построен эскадренный миноносец «Новик», трехвальная КТУ которого суммарной мощностью 42 000 л.с. позволила кораблю установить мировой рекорд скорости 37,3 узла.

Вместе с тем, впечатляющие достижения не могли компенсировать невысокую экономичность паровой турбины на малых нагрузках, что существенно снижало ее привлекательность в качестве судового двигателя. Скорость, при которой турбинные суда получали преимущество перед судами с паровыми машинами, составляла 16…18 узлов. В связи с этим Ч. Парсонс предложил идею турбомашинной установки. Для малого хода и реверса использовалась паровая машина, а при скорости выше некоторой критической ее отключали, и пар подавался на турбины. Иным способом была устроена силовая установка печально известного «Титаника» и однотипного «Олимпика». На этих судах бортовые валы приводились во вращение паровыми машинами, а средний – турбиной, в которой использовался пар, уже отработавший в цилиндрах машин.

——————————————————————————–

Триумф паротурбинной энергетики

В период между двумя великими войнами энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Одна из первых таких турбин мощностью 1675 кВт была построена заводом «Броун-Бовери» для бельгийской электрические станции. Давление пара было принято равным 50 кгс/см2, а его температура достигала 440…450 °С. Лабиринтное уплотнение получалось слишком сложным и ненадежным, поэтому конструкторы разместили первую ступень турбины высокого давления на весу, без подшипника.

Вскоре для электрические станции в Маннгейме завод «Броун-Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 160 кгс/см2 и температуре 430 °С. У турбины, построенной для электрические станции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: температура 450 °С, а его давление – 225 кгс/см2. В Соединенных Штатах компания «Дженерал-Электрик» предпочла не рисковать, ограничив давление 84 кгс/см2, но зато она стала энергично наращивать мощность единичной установки. Так, турбина, построенная для предприятия «Форда» (2-цилиндровая, 2-осевая), имела мощность 110 МегаВт при частоте вращения валов 1800 об/мин. В начале тридцатых годов в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МегаВт.

Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наиболее «крутых» считалась установка в Витковицах, располагавшая двумя турбинами, одна из которых мощностью 30 МегаВт, а вторая – 18 МегаВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалась принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели, как правило, частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.

Удобство «сочленения» с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач оказалось исключительно важным достоинством паровой турбины. Кроме того, турбина легко переносила перегрузки, практически не замасливала пар (в отличие от паровой машины), легко регулировалась по частоте вращения. В сочетании с более высоким к.п.д. турбины, особенно при больших нагрузках, все эти достоинства относительно быстро привели к повсеместному «закату» эры паровой машины в энергетике и судостроении.

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.

Николай Александров

Девятнадцатый век не зря называли веком пара.С изобретением паровой машины произошел настоящий переворот в промышленности, энергетике, транспорте. Появилась возможность механизировать работы, ранее требовавшие слишком много человеческих рук. Железные дороги резко расширили возможности тр\анспортировки грузов по суше. В море вышли огромные суда, способные двигаться против ветра и гарантировавшие своевременность доставки товаров. Расширение объемов промышленного производства поставило перед энергетикой задачу всемерного повышения мощности двигателей. Однако первоначально вовсе не высокая мощность вызвала к жизни паровую турбину...

Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием "турбины Герона" и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим - вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами.

И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, "вплотную". Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости. Опираясь на собственный практический опыт, Д. Уатт считал столь высокие скорости движения элементов машины недостижимыми в принципе, и в ответ на предупреждение об угрозе, которую могла создать турбина изобретенной им паровой машине, ответил так: "О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?"

Однако время шло, техника совершенствовалась, и час практического примения паровой турбины пробил. Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо - отходы лесопильного производства.

Впрочем, эти первые американские паровые турбины широкого распространения не получили. Их влияние на дальнейшую историю техники практически отсутствует. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа французского происхождения де Лаваля, имя которого сегодня известно любому двигателисту.

Карл-Густав-Патрик де Лаваль

Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. Карл-Густав-Патрик ("основным" считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив технологический институт и университет в Упсале. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин.

Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин "сопло Лаваля" является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске.

На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6...7 кг/л.с.·ч.

Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его "голый эмпиризм": он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался чешский ученый А. Стодола, он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории не позволило де Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей. Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса.

Чарльз Алджернон Парсонс

Чарльз Парсонс родился в 1854 г. и получил классическое английское образование, закончив Кембриджский университет. Родом своей деятельности он избрал машиностроение и с 1976 г. стал работать на заводе Армстронга в Ньюкасле. Талант и изобретательность конструктора в сочетании с финансовыми возможностями родителей позволили Парсонсу быстро встать во главе собственного дела. Уже в 1883 г. он совладелец фирмы "Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко", а в 1889 г. - владелец собственного турбостроительного и динамостроительного завода в Гитоне.

Первую паровую многоступенчатую турбину реактивного типа Парсонс построил в 1884 г. Она предназначалась вовсе не для привода относительно маломощных сепараторов, а для работы совместно с электрическим генератором. Таким образом, уже с первого шага Парсонс правильно предугадал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин, и в дальнейшем ему не пришлось разыскивать потребителей для своего изобретения. С целью уравновешивания осевого усилия пар подавался к середине вала турбины, а затем протекал к ее концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции, датированной 1887 г., Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность пока еще не достигла 100 л.с. при частоте вращения около 5000 об/мин. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.

Взаимоотношения между компаньонами в "Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко" оказались далеко не безоблачными, и Парсонс вынужден был уйти, оставив бывшим коллегам и часть авторских прав, формально принадлежавших фирме. В связи с этим он надолго отказался от создания активных турбин (защищенных патентом) и перешел к разработке радиальных многоступенчатых турбин. Совершенствуя этот тип, конструктор сумел добиться впечатляющих результатов. Так, он уменьшил удельный расход пара с 44 до 12,7 кг/кВт·ч, но одновременно понял, что прежний аксиальный тип турбины был все же более перспективным. Начиная с 1894 г., восстановив права на патент, Парсонс вновь стал заниматься именно такими турбинами.

На своем заводе он опробовал самые различные материалы для лопаток турбин, но остановился на бронзе для насыщенного и умеренно перегретого пара, чистой меди для части высокого давления и никелевой бронзе для сильно перегретого пара. Кроме того, проводились глубокие исследования по созданию рациональной конструкции регулятора подачи пара. Для повышения точности Парсонс применил релейный принцип прерывистой подачи, позволяющий уменьшить трение. Параллельно вводились и другие усовершенствования, что в совокупности привело к уменьшению удельного расхода пара до 9,2 кг/кВт·ч у турбины мощностью 400 кВт, изготовленной в 1896 г.