Из истории паровой турбины. Общие сведения о паротурбинных установках

Реверсивная 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,

ТУРБИНА 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

У 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Представим себе закрытый металлический сосуд (котел), частично заполненный водой. Если под ним зажечь огонь, то вода начнет нагреваться, а затем закипит, превращаясь в пар. Давление внутри котла будет повышаться, и если стенки его недостаточно прочны, он может даже взорваться. Это показывает, что в паре накопился запас энергии, который, наконец, проявил себя взрывом. Нельзя ли заставить пар совершать какую-либо полезную работу? Этот вопрос уже очень давно занимал ученых. История науки и техники знает много интересных изобретений, в которых человек стремился использовать энергию пара. Некоторые из этих изобретений были полезными, другие были просто хитроумными игрушками, но, по крайней мере, два изобретения надо назвать великими; они характеризуют целые эпохи в развитии науки и техники. Эти великие изобретения - паровая машина и паровая турбина. Паровая машина, получившая промышленное применение во второй половине XVIII в., совершила переворот в технике. Она быстро стала главным двигателем, применяемым в промышленности и на транспорте. Но в конце XIX и начале XX вв. достижимая мощность и быстроходность паровой машины уже стали недостаточными.

Назрела необходимость в строительстве крупных электрических станций, для которых был нужен мощный и быстроходный двигатель. Таким двигателем стала паровая турбина, которая может быть построена на огромные мощности при высоком числе оборотов. Паровая турбина быстро вытеснила паровую машину с электрических станций и крупных пароходов.

История создания и совершенствования паровой турбины, как и всякого крупного изобретения, связана с именами многих людей. Более того, как обычно бывает, основной принцип действия турбины был известен задолго до того, как уровень науки и техники позволил построить турбину.

Принцип действия паровой машины заключается в использовании упругих свойств пара. Пар периодически поступает в цилиндр и, расширяясь, совершает работу, перемещая поршень. Принцип действия паровой турбины иной. Здесь пар расширяется, и потенциальная энергия, накопленная в котле, переходит в скоростную (кинетическую) энергию. В свою очередь кинетическая энергия струи пара превращается в механическую энергию вращения колеса турбины.

Историю развития турбины начинают с шара Герона Александрийского и колеса Бранка. Возможность использования энергии пара для получения механического движения была отмечена известным греческим ученым Героном Александрийским более 2000 лет назад. Им был построен прибор, названный шаром Герона (рис. 1).

Шар мог свободно вращаться в двух опорах, изготовленных из трубок. По этим опорам пар из котла поступал в шар и далее выходил в атмосферу по двум изогнутым под прямым углом трубкам. Шар вращался под действием реактивных сил, возникающих при истечении струй пара.

Другой проект описан в сочинении итальянского ученого Джиовани Бранка (1629 г.). В верхнюю часть котла вставлена трубка (рис. 2).

Так как давление пара внутри котла больше, чем атмосферное давление воздуха вокруг котла, то пар устремляется по трубке наружу.

Из свободного конца трубки бьет струя пара и, попадая на лопасти колеса, заставляет его вращаться.

Модель Герона и колесо Бранка не являлись двигателями, но они уже указывали возможные пути получения механического движения за счет энергии движущего пара.

В принципах действия шара Герона и колеса Бранка есть различие. Шар Герона, как уже было сказано, вращается под действием реактивных сил. Это те же силы, которые толкают ракету. Из механики известно, что струя, выталкиваемая из сосуда под действием давления, со своей стороны давит на сосуд в направлении, противоположном направлению истечения. Это очевидно на основании третьего закона Ньютона, по которому сила, выталкивающая струю, должна быть равна и противоположна по направлению силе реакции струи на сосуд.

В турбинке Бранка потенциальная энергия пара сначала переходит в кинетическую энергию струи, бьющей из трубки. Затем при ударе струи в лопасти колеса часть кинетической энергии пара переходит в механическую энергию вращения колеса.

Если шар Герона движется реактивными силами, то в турбинке Бранка используется так называемый активный принцип, так как колесо черпает энергию из активной струи.

Наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и дальнейшем ее развитии наметился в конце позапрошлого столетия, когда в Швеции инж. Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины. Достигнутые ими результаты позволили паровой турбине со временем стать основным типом двигателя для привода генераторов электрического тока и получить широкое применение в качестве двигателя для гражданских и военных кораблей. В паровой турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступает в одно или несколько параллельно включенных сопел, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины, и образующие решетку рабочих каналов.

Усилия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки, вращают диск и связанный с ним вал турбины. Отличительной особенностью этой турбины является то, что расширение пара в соплах от начального до конечного давления происходит в одной ступени, что обусловливает очень высокие скорости потока пара. Преобразование кинетической энергии пара в механическую происходит без дальнейшего расширения пара лишь вследствие изменения направления потока в лопаточных каналах.

Турбины, построенные по этому принципу, т.е. турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, получили название активных турбин.

При разработке активных одноступенчатых турбин был решен ряд сложных вопросов, что имело чрезвычайно большое значение для дальнейшего развития паровых турбин. Были применены расширяющиеся сопла, которые допускают большую степень расширения пара и позволяют достигнуть высоких скоростей истечения парового потока (1200-1500 м/сек). Для лучшего использования больших скоростей потока пара Лаваль разработал конструкцию диска равного сопротивления, допускавшего работу с большими окружными скоростями (350 м/сек). Наконец, в одноступенчатой активной турбине были применены такие высокие числа оборотов (до 32 000 об/мин), которые намного превышали числа оборотов распространенных в то время двигателей. Это привело к изобретению гибкого вала, частота свободных колебаний которого меньше частоты возмущающих усилий при рабочем числе оборотов.

Несмотря на ряд новых конструктивных решений, использованных в одноступенчатых активных турбинах, экономичность их была невысока. Кроме того, необходимость применения редукторной передачи для снижения числа оборотов ведущего вала до уровня числа оборотов приводимой машины также тормозила в то время развитие одноступенчатых турбин и в особенности увеличение их мощности. Поэтому турбины Лаваля, получив вначале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место другим типам турбин.

Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, принципиально отличается от турбины Лаваля. Расширение пара в ней производится не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных направляющих аппаратов (сопловых решеток) и вращающихся лопаток.

Направляющие лопатки закреплены в неподвижном корпусе турбины, рабочие лопатки располагаются рядами на барабане. В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между давлением свежего пара и давлением пара, покидающего турбину. Таким образом, оказалось возможным работать с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток, чем в турбине Лаваля. Кроме того, расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит не только в сопловой, но и в рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия, вызванные не только изменением направления потока пара, но и ускорением пара в пределах рабочей решетки, вызывающим реактивное усилие на рабочие лопатки турбины.

Ступени турбины, в которых применяется расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока в каналах рабочих лопаток, получили название реактивных ступеней. Таким образом, показанная на рис. 4 турбина явилась типичным представителем многоступенчатых реактивных паровых турбин.

Принцип последовательного включения ступеней, в каждой из которых используется лишь часть располагаемого теплового перепада, оказался очень плодотворным для последующего развития паровых турбин. Он позволил достигнуть в турбине высокой экономичности при умеренных числах оборотов ротора турбины, допускающих непосредственное соединение вала турбины с валом генератора электрического тока. Этот же принцип дал возможность выполнять турбины очень большой мощности, достигающей нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт в одном агрегате.

Многоступенчатые реактивные турбины в настоящее время имеют широкое распространение, как в стационарных установках, так и во флоте.

Развитие активных паровых турбин пошло также по пути последовательного расширения пара не в одной, а в ряде ступеней, расположенных друг за другом. В этих турбинах ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками, получившими название диафрагм, в которых расположены неподвижные сопловые решетки. В каждой из построенных таким образом ступеней происходит расширение пара в пределах части общего располагаемого теплопадения. В рабочих решеткам происходит лишь преобразование кинетической энергии парового потока без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, они применяются также в качестве судовых двигателей.

Наряду с турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины (аксиальными), были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем.

Рис.

1,2 - диски турбины; 3 - паропроводы свежего пара; 4, 5 - валы турбины; 6, 7 - лопатки промежуточных ступеней

На боковых поверхностях дисков 1 и 2 кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам 3 и далее через отверстия в дисках 1 и 2 направляется к центральной камере. Отсюда он течет к периферии через каналы лопаток 6 и 7, укрепленных на обоих дисках. В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных сопловых решеток или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться валами 4 и 5. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину очень компактной и экономичной.

С начала 90-х годов развитие паровых турбин идет исключительно быстрым темпом. Это развитие в значительной степени определилось таким же быстрым параллельным развитием электрических машин и широким внедрением электрической энергии в промышленность. Экономичность паровой турбины и мощность ее в одном агрегате достигли высоких значений. По своей мощности турбины далеко превзошли мощности всех без исключения других типов двигателей. Имеются турбины мощностью 500 МВт, связанные с генератором электрического тока, причем доказана возможность выполнения еще более мощных агрегатов, по крайней мере до 1000 МВт.

В развитии парового турбостроения можно отметить несколько этапов, которые сказались на конструктивном выполнении турбин, построенных в различные периоды времени.

В период до империалистической войны 1914 г. уровень знаний в области работы металлов при высоких температурах был недостаточен для применения пара высоких давлений и температуры. Поэтому до 1914 г. паровые турбины строились преимущественно для работы паром умеренного давления (12 - 16 бар), с температурой до 350 °С.

В отношении повышения мощности единичного агрегата уже в начальный период развития паровых турбин были достигнуты большие успехи.

В 1915 г. мощность отдельных турбин достигала уже 20 МВт. В послевоенный период, начиная с 1918-1919 гг., продолжает сохраняться тенденция к повышению мощности. Однако в дальнейшем конструкторами турбин преследовалась задача повышения не только мощности агрегата, но и числа оборотов турбин большой мощности при выполнении их с одним генератором электрического тока.

Наиболее мощной быстроходной турбиной в мире в свое время (1937 г.) была турбина Ленинградского металлического завода, построенная на 100 МВт при 3000 об/мин.

В период до империалистической войны 1914 г. турбостроительные заводы в большинстве случаев выпускали турбины с ограниченным числом ступеней, размещенных в одном корпусе турбины. Это позволило выполнять турбину очень компактными и относительно дешевыми. После войны 1914 г. напряженность в топливоснабжении, которую испытывало большинство стран, потребовала всемерного повышения экономичности турбинных агрегатов.

Было установлено, что максимального КПД турбины можно достигнуть, применяя малые тепловые перепады в каждой ступени турбины и соответственно строя турбины с большим числом ступеней. В связи с этой тенденцией возникли конструкции турбин, которые даже при умеренных параметрах свежего пара имели чрезвычайно большое число ступеней, достигающее 50 - 60.

Большое число ступеней приводило к необходимости создавать турбины с несколькими корпусами даже в том случае, когда турбина соединялась с одним электрическим генератором.

Таким образом, стали распространяться двух- и трехкорпусные турбины, которые, отличаясь высокой экономичностью, были очень дорогими и громоздкими.

В последующем развитии турбостроения в этом вопросе также наметилось известное отступление в сторону упрощения конструкции турбины и сокращения числа ее ступеней. Турбины мощностью до 50 МВт при 3000 об/мин довольно долго строились только двухкорпусными. Новейшие конденсационные турбины такой мощности, выпускаемые передовыми заводами, строятся однокорпусными.

Одновременно с конструктивными усовершенствованиями турбин умеренного давления (в 20 - 30 бар) в период с 1920 по 1940 г. стали распространяться более экономичные установки высокого давления, достигающего 120 - 170 бар.

Применение пара высоких параметров, существенно повышающее экономичность турбинной установки, потребовало новых решений в области конструирования паровых турбин. Значительные успехи были достигнуты в деле применения легированных сталей, имеющих достаточно высокий предел текучести и малые скорости ползучести при температурах 500 - 550° С.

Наряду с развитием конденсационных турбин уже в начале этого столетия начинают применяться установки для комбинированной выработки электрической энергии и тепла, которые потребовали построения турбин с противодавлением и промежуточным отбором пара. Первая турбина с регулированием постоянства давления отбираемого пара была построена в 1907 г.

Условия капиталистического хозяйства препятствуют, однако, использованию всех преимуществ комбинированной выработки тепла и электрической энергии. В самом деле, емкость теплового потребления за границей в большинстве случаев ограничивается потреблением предприятия, на котором устанавливается турбина. Поэтому турбины, допускающие использование тепла отработавшего пара, за границей чаще всего строятся на небольшие мощности (до 10 - 12 МВт) и рассчитываются на обеспечение теплом и электрической энергией лишь индивидуального промышленного предприятия. Характерно, что наиболее крупные (25 МВт, а затем 50 и 100 МВт) турбины с отбором пара были построены в Советском Союзе, так как плановое развитие народного хозяйства создает благоприятные условия для комбинированной выработки тепла и электрической энергии.

В послевоенный период во всех технически развитых европейских странах, а также в США наблюдается все ускоряющееся развитие энергетики, которое приводит ко все большему росту мощности энергетических агрегатов. Одновременно сохраняется тенденция применения все более высоких начальных параметров пара.

Конденсационные одновальные турбины достигают мощности 500 - 800 МВт, а при двухвальном исполнении уже построены установки мощностью 1000 МВт.

По мере увеличения мощностей целесообразным являлось и повышение начальных параметров пара, которые последовательно выбирались на уровне 90, 130, 170, 250 и, наконец, 350 бар, при этом повышались также и начальные температуры, которые составили 500, 535, 565, 590, а в отдельных случаях до 650° С. Следует иметь в виду, что при температурах, превышающих 565° С, приходится применять очень дорогие и менее изученные стали аустенитного класса. Это привело к тому, что в последнее время наблюдается тенденция к некоторому отступлению в область температур, исключающих необходимость использования аустенитных сталей, т.е. температур на уровне 540° С.

Большое значение для развития турбин малой мощности и, в особенности для развития судовых паровых турбин имели успехи, достигнутые в 1915-1920 гг. в области построения редукторов. До этого времени судовые турбины выполнялись на число оборотов, равное числу оборотов гребных винтов, т.е. 300 - 500 об/мин, что снижало экономичность установки и приводило к большим габаритам и весам турбин.

С того времени, когда в работе зубчатых редукторов были достигнуты полная надежность и высокая экономичность, судовые турбины снабжаются редукторными приводами и выполняются на повышенное число оборотов, которое соответствует наивыгоднейшим условиям работы турбины.

Для стационарных турбин малой мощности также оказалось целесообразным применение редукторной передачи между турбиной и генератором. Наибольшее число оборотов, возможное при непосредственном соединении валов турбины и генератора 50-периодного переменного тока, составляет 3000 об/мин. При мощностях ниже 2,5 МВт это число оборотов невыгодно для конденсационной турбины. С развитием редукторостроения оказалось возможным выполнять турбины на более высокие числа оборотов (5000-10000 обIмин), что позволило повысить экономичность турбин небольшой мощности, а главное уменьшить их размеры и упростить конструкцию.

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.