История создания виды тепловых турбин. Изобретение паровых турбин

Паротурбинная установка - это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паровая турбина является силовым двигателем, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве и т.д. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование.

История создания паровой турбины

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известные с давних времен, - реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием "эолипил". В соответствии с рисунком 2.1 оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера вращалась.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г и изображенной на рисунке 2.2. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки, закрепленные на дисках. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Двигаясь между лопатками в расширяющемся канале (ведь толщина лопаток по мере приближения к хвостовику уменьшается), пар расширяется и ускоряется. В соответствии с законами сохранения энергии и импульса на колесо турбины действует сила, раскручивающая его. В результате энергия давления (потенциальная энергия) пара преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины.

Первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. Как только появилась возможность получать пар высокого давления, изобретатели вновь обратились к турбине. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машины.

Частично эти неудачи объяснялись непониманием физики расширения пара. Дело в том, что плотность пара намного меньше плотности воды, а его "упругость" намного превосходит упругость жидкости, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах получается гораздо большей, чем скорость воды в водяных турбинах. Экспериментально было установлено, что к.п.д. турбины достигает максимума тогда, когда окружная скорость лопаток равна приблизительно половине скорости струи пара. Именно по этой причине первые турбины имели очень высокие скорости вращения.

Но большая частота вращения нередко приводила к разрушению вращающихся частей турбины из-за действия центробежных сил. Уменьшения угловой скорости при сохранении окружной скорости можно было бы добиться путем увеличения диаметра диска, на котором крепились лопатки. Однако реализовать эту идею было затруднительно, так как количества вырабатываемого пара высокого давления недоставало для машины большого размера. В связи с этим первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, вырывающегося из сопла, пропорциональна отношению давлений на входе и выходе сопла и достигает максимального значения при отношении давлений, приблизительно равном двум. Дальнейшее повышение перепада давления уже не ведет к увеличению скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением при использовании сопла с постоянным или суживающимся каналом.

В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась.

На рисунке 2.4 изображена паровая турбина Лаваля. В ней пар поступает к соплу, приобретает в нем значительную скорость и направляется в рабочие лопатки, расположенные на ободе диска турбины. При повороте струи пара в каналах рабочих лопаток возникают силы, раскручивающие диск и связанный с ним вал турбины. Для получения необходимой мощности на одноступенчатой турбине необходимы очень высокие скорости потока пара. Меняя конфигурацию расширяющегося сопла, удалось получить значительную степень расширения пара и, соответственно, высокую скорость (1200…1500 м/с) истечения пара.

Для лучшего использования больших скоростей пара Лаваль разработал такую конструкцию диска, которая выдерживала окружные скорости до 350 м/с, а частота вращения у некоторых турбин достигала 32000 мин-1.

Турбины, у которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в соплах, получили название активных. К таким устройствам, в частности, можно отнести и турбину Бранки.

В дальнейшем совершенствование активных паровых турбин пошло по пути использования последовательного расширения пара в нескольких ступенях, расположенных друг за другом. В таких турбинах, разработанных в конце прошлого столетия французским ученым Рато и усовершенствованных конструктором Целли, ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками. В этих перегородках устраивались профилированные отверстия - сопла. На каждой из построенных таким образом ступеней срабатывается часть энергии пара. Преобразование кинетической энергии парового потока происходит без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, а также в качестве судовых двигателей.

Наряду с турбинами, в которых поток пара движется приблизительно параллельно оси вала турбины и которые называются аксиальными турбинами, были созданы так называемые радиальные турбины, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Среди этого типа турбин наибольший интерес представляет турбина братьев Юнгстрем, предложенная в 1912 г.

На боковых поверхностях дисков кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Из нее пар течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на дисках. В отличие от обычной турбины, в конструкции братьев Юнгстрем нет неподвижных сопел или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, поэтому мощность, развиваемая турбиной, передается на два вала. Турбина описанной конструкции получилась весьма компактной.

И все же, несмотря на ряд новых конструктивных решений, примененных в одноступенчатых активных турбинах, их экономичность была невысока. Кроме того, необходимость редукторной передачи для уменьшения частоты вращения ведущего вала электрогенератора тормозила распространение одноступенчатых турбин. Поэтому турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.

Парсонс создал турбину принципиально новой конструкции. Она отличалась меньшей частотой вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Дело в том, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой два венца лопаток: один - неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой - подвижный (с рабочими лопатками на диске, закрепленном на вращающемся валу). Плоскости лопаток неподвижных и подвижных венцов были взаимно перпендикулярны.

Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он, попадая на подвижные лопатки, заставлял их вращаться. В межлопаточных каналах подвижных лопаток пар дополнительно расширялся, скорость струи возрастала, и возникавшая реактивная сила толкала лопатки.

Благодаря внедрению подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из тридцати венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10 %. Ступенчатое расширение пара, лежащее в основе конструкций современных турбин, было лишь одной из многих оригинальных идей, воплощенных Парсонсом.

Другой плодотворной идеей была организация подвода пара к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум направлениям к левому и правому концу вала. Расход пара в обоих направлениях был одинаковым. Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникавшие из-за давления пара на лопатки турбины, уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.

И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса имела слишком большую частоту вращения - 18000 мин-1. Центробежная сила, действовавшая на лопатки турбины, в 13 тысяч раз превышала силу тяжести. Для того, чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс предложил простое решение. Каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца, а пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Лопатки турбины Парсонса были плоскими. Для компенсации уменьшения скорости потока пара по мере его движения к последним ступеням в первой машине Парсонса были реализованы два технических решения: ступенчато наращивался диаметр диска и увеличивалась длина лопаток от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить условия обтекания струей.

Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Ирландии. Его отец, граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов.

Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских.

Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс - колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г.

Поворот в судьбе Парсонса произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкаслапон-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера. Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке - паровой машине с вращающимися цилиндрами - и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений.

Первые опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Особенность движителя торпеды состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка, в свою очередь, приводила во вращение гребной винт торпеды.

Работы над газовыми турбинами Парсонс прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы такой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение. "Опыты, проводимые много лет назад, - писал он, - и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении... было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов - в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром". Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерти Парсонса появились металлы, обладавшие необходимыми качествами.

В апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения. Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Он решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.

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

Турбиной называют вращающееся устройство, которое приводится в действие потоком жидкости или газа.

Самый простой пример турбины – водяное колесо.

Представим себе вертикально поставленное колесо, на ободе которого закреплены черпаки или лопасти. На эти лопасти сверху льётся поток воды. Под действием воды колесо вращается. А вращением колеса можно приводить в действие другие механизмы. Так, в водяной мельнице колесо вращало жернова. А они мололи муку. На гидроэлектростанциях турбины вращают генераторы, которые вырабатывают электрическую энергию. На тепловых электростанциях лопасти турбин приводятся в движение тепловой энергией, которая освобождается при сжигании топлива (газа, угля и т.п.). Ветровые генераторы заставляет вращаться энергия ветра.

С точки зрения физики турбины – это устройства, которые преобразовывают энергию пара, ветра, воды в полезную работу.

В зависимости от того, какой вид энергии преобразуется в турбинах, различают паровые турбины и газовые.

Паровая турбина

Эолипил Герона

В паровой турбине тепловая энергия пара преобразовывается в механическую работу.

Ещё в 130 г. до нашей эры греческий математик и механик Герон Александрийский изобрёл примитивную паровую турбину, которую назвали «эолипил». Прибор представлял собой наглухо запаянный котёл, из которого были выведены две трубки. На эти трубки установили полый шар с двумя соплами Г-образной формы. В котёл заливалась вода, и он ставился на огонь. Пар поступал по трубкам в шар и под давлением вырывался из сопел. Шар начинал вращаться. Это был прообраз реактивного двигателя, в котором реактивная сила, которая вращала шар, создавалась паром.

Во времена Герона к его изобретению отнеслись, как к игрушке. Практического применения оно не нашло.

В 1629 г. итальянский инженер и архитектор Джованни Бранки создал паровую турбину, в которой колесо с лопатками приводилось в движение струёй пара.

Английский инженер Ричард Трейсвик в 1815 г. на ободе паровозного колеса установил два сопла и пустил по ним пар.

С 1864 г. по 1884 г. инженерами были запатентованы сотни изобретений, относящихся к турбинам.

И только в 1889г. шведский инженер Густаф Лаваль создал паровую турбину, которую можно было использовать в промышленности. В турбине Лаваля струя пара, выходящая из сопел неподвижного статора, давила на лопатки, закреплённые на ободе колеса. Колесо под давлением пара вращалось. Такая турбина называлась активной.

В турбине Лаваля сопло расширялось на выходе. Это увеличивало скорость выходящего пара и, как следствие скорость вращения турбины. Сопло Лаваля стало прообразом современных ракетных сопел.

Немного раньше, независимо от Лаваля, в 1884 г. английский инженер и промышленник Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл многоступенчатую реактивную паровую турбину. В такой турбине имелось несколько рядов рабочих лопаток, которые назывались ступенями. Парсон запатентовал идею корабля, который приводился в действие этой турбиной.

Газовая турбина

Джон Барбер

Газовая турбина отличается от паровой тем, что в движение её приводит не пар из котла, а газ, который образуется при сгорании топлива. А все основные принципы устройства паровых и газовых турбин одинаковы.

Первый патент на газовую турбину был получен в 1791 г. англичанином Джоном Барбером. Барбер разработал свою турбину для движения безлошадной повозки. А элементы турбины Барбера присутствуют в современных газовых турбинах.

В 1903 г. норвежец Эджидиус Эллинг изобрёл газовую турбину, производящую больше энергии, чем затрачивалось на её работу. Принцип её работы был использован английским инженером-конструктором сэром Фрэнком Уиттлом, который в 1930 г. запатентовал газовую турбину для реактивного движения.

Турбина Тесла

Турбина Тесла

В 1913 г. инженер, физик и изобретатель Никола Тесла запатентовал турбину, устройство которой принципиально отличалось от устройства традиционной турбины. В турбине Тесла не было лопастей, которые приводились в движение энергией пара или газа.

Вращающаяся часть турбины - ротор, представляла собой набор тонких металлических дисков, закреплённых на валу и разделённых шайбами. Поток газа или рабочей жидкости поступал с внешнего края дисков и проходил к центру по зазорам, закручиваясь. Известно, что если поток жидкости или газа направить по плоской поверхности, то поток начинает увлекать за собой эту поверхность. Диски в турбине Паскаля увлекались потоком газа, вызывая вращение.

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.

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.

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

Героновский эолипил

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

Шар Соломона

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

Турбина Бранки

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

Паровой бум

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

Турбина в промышленности

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

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

Реактивная турбина

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

Изобретение турбин в России

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

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