Самая первая паровая турбина. Изобретение паровых турбин

Паровая турбина – основной силовой технологический узел электрической станции, в котором внутренняя энергия пара, запасенная при его генерировании, преобразуются в механическую энергию вращения ротора. В отличие от паровой машины, совершающей непосредственное преобразование внутренней энергии пара в работу движущегося поршня с использованием сил упругости пара, паровая турбина при помощи сопловых лопаток вначале преобразует внутреннюю энергию пара в кинетическую энергию потока рабочего тела, а затем уже последнюю – в механическую энергию вращающегося ротора. Термин «турбина» происходит от французского слова «turbine», возникшего из латинского «turbo» – вихрь, вращение с большой скоростью, впервые использованного Героном Александрийским при описании принципа движения «эолипила».

Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Необходимо было завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара. Изготовление турбины стало возможным при достаточно высоком уровне развития технологий работы с металлами, поскольку необходимая точность получения отдельных частей и прочность элементов должны были быть существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

Словацкий инженер и ученый-теплотехник Аурель Стодола отметил целый ряд преимуществ паровой турбины перед двигателями внутреннего сгорания и паровыми машинами. К этим преимуществам относятся: малое число движущихся деталей, отсутствие каких бы то ни было контактных уплотнений и трудностей, связанных с обеспечением их надежной работы (системы смазки, проблемы, связанные с истиранием и т.п.), малый объем производственных помещений, необходимых для размещения оборудования, преимущества в регулировании, относительно малые затраты на ремонт. Сегодня стало очевидным еще одно неоспоримое преимущество – огромная, достигающая сегодня полутора миллионов киловатт, единичная мощность, которая попросту недостижима ни в двигателях внутреннего сгорания, ни в паровых машинах.

Аурель Стодола (1859–1942) в 1878 году окончил Будапештский политехнический институт, в 1881 году – Высшую техническую школу в Цюрихе. С 1892 по 1929 гг. – профессор кафедры машиностроения в этом учебном заведении. Его основные работы посвящены автоматическому регулированию, конструированию и расчетам на прочность деталей паровых и газовых турбин. Очень интересную характеристику дал Стодоле Альберт Эйнштейн: «Если бы Стодола родился в эпоху Ренессанса, он был бы великим художником или скульптором, потому что главным свойством его личности являются мощь фантазии и созидания. В XIX столетии подобные натуры чаще всего обращались к технике. Здесь, в технике, нашла свое выражение созидательная мощь века, здесь страстная жажда прекрасного находила пути воплощения, превосходящего все, что мог бы предложить человек, не знакомый с этой областью. Могучий порыв Стодолы не остывал в течение многих лет преподавательской деятельности и перешел к ученикам – их глаза светятся, когда речь идет об учителе. Другая сильная сторона Стодолы – неугомонная любознательность и редкая ясность научного мышления». Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822–1915) в 1857 году. После выполненных в 1870 году инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6–8%), чем паровые машины. В 1883– 1885 гг. впервые примитивные паровые турбины были использованы и на лесопилках в восточной части США для привода дисковых пил.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с ее прабабушкой, созданной Лавалем (рис. 3.2), то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем 100-летний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причем показатель, связанный с прочностью конструкции.

Карл Густав Патрик де Лаваль Интересной особенностью творчества Лаваля (1845–1913) можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался словацкий ученый А. Стодола. Он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории паровых турбин не позволило 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 английский инженер Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931). В его многоступенчатой реактивной турбине (рис. 3.3) расширение пара происходило в нескольких ступенях сопловых (неподвижных) и рабочих (вращающихся) решеток. Благодаря этому стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

Эта турбина предназначалась 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 подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 года Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц и применялись они преимущественно для привода электрических генераторов. В турбине, изготовленной в 1896 году, мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт.

Энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Для электростанции в Мангейме завод «Броун–Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 15,7 МПа и температуре 430°С. У паровой турбины, построенной для электростанции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: давление 22 МПа и температура 450°С.

В США фирма GE («Дженерал электрик») в Скенектеди, ограничив давление 84 ат (8,2 МПа), стала энергично наращивать мощность единичной установки. В начале ХХ века были разработаны и изготовлены турбины мощностью 500, 1000, 2500 и 10000 кВт. Первоначально эти турбины изготавливались в вертикальном исполнении. Однако опыт эксплуатации вынудил фирму отказаться от вертикальной и перейти к горизонтальной компоновке турбины. Длительное время фирма выпускала турбины для работы в конденсационном режиме мощностью до 14000 кВт, а с противодавлением – до 8000 кВт.

Чарльз Алджернон Парсонс. Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия по использованию паровых турбин оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность всех построенных в 1896 году паровых турбин превысила 40000 л.с. (29420 кВт). В 1899 году было решено применить на строящейся Эльберфельдской электростанции (Германия) две турбины Парсонса по 1000 кВт. Результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 году, свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун–Бовери» в Бадене (Швейцария) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса. Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев, интерес к турбинам проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Турбины стали изготавливать в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. Если в 1903 году наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 году появились агрегаты мощностью 10000 кВт, в 1915 году – 20000 кВт, а в 1917 году – 30000 кВт. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники турбостроения как звезда первой величины: помимо чисто «турбинных» проблем, он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового двигателя на флоте.

Кириллов Иван Иванович (1902–1993) – один из величайших ученых-турбинистов, чье имя по праву вписано золотыми буквами в историю мировой турбинной науки рядом с именами Л. Эйлера, А. Стодолы и Г. Флюгеля. Он родился в 1902 году в СанктПетербурге в семье военного медика. После окончания в 1924 году Ленинградского технологического института Кириллов уже в тридцатые годы заявил о себе как серьезный специалист в области расчетов и проектирования паровых турбин, а к началу второй мировой войны – это сложившийся ученый, хорошо известный в среде коллег-турбинистов. В 1945–1950 гг., а затем в 1961–1980 гг. заведует кафедрой паровых турбин и машин Ленинградского политехнического института. В 1951–1961 гг. организует кафедру турбиностроения в Брянском институте транспортного машиностроения и является ее заведующим. И.И. Кириллов – автор 25 монографий, учебников и учебных пособий, более 350 статей в отечественных и зарубежных журналах, 80 изобретений.

Вторая североамериканская энергомашиностроительная фирма «Вестингауз» («Westinghoyse») в 20-е годы ХХ века также приступила к выпуску паровых турбин единичной мощностью 30, 45 и 60 тыс. кВт.

В начале тридцатых годов ХХ века в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МВт. Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наибольших считалась установка в Витковицах (Чехия), оборудованная двумя турбинами мощностью 30 и 18 МВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалось принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.

Жирицкий Георгий Сергеевич (1893– 1966) – известный ученый-турбинист, который не только создал фундаментальные основы инженерного образования по турбомашинам, но и подготовил многочисленных инженеров, молодых ученых и педагогов. В 1911 году с золотой медалью окончил Киевскую первую гимназию, а в 1915 году – механический факультет Киевского политехнического института. Г.С. Жирицкий в 1918 году становится преподавателем Киевского политехнического института и совмещает работу инженера с педагогической деятельностью. Уже в 1925 году его утверждают в звании профессора по курсу паровых двигателей. Выходит из печати монография Жирицкого «Паровые машины», выдержавшая пять изданий. В 1926 году его назначают деканом механического факультета и заведующим кафедрой паровых машин Киевского политехнического института. В 1929 году заведует кафедрой паровых турбин в Высшем техническом училище имени Н.Э.Баумана, издает двухтомный учебник по паровым турбинам с систематическим изложением теории и конструкции паровых турбин. Под его руководством в 1930–1932 гг. организована кафедра паровых турбин и создан теплоэнергетический факультет в Московском энергетическом институте. В 1947 году Георгий Сергеевич создает и бессменно возглавляет до 1965 года кафедру лопаточных машин в Казанском авиационном институте.

Щегляев Андрей Владимирович (1902– 1970) – крупнейший инженер и ученыйтеплоэнергетик, член-корреспондент Академии наук СССР. В 1921 году Щегляев А.В. поступил учиться в МВТУ на механический факультет, а в 1926 году окончил институт и, получив звание инженера-механика, продолжал работать во ВТИ, совмещая инженерную деятельность с педагогической в МВТУ, а с 1930 года в МЭИ. Инженерная и научная деятельность Андрея Владимировича Щегляева была неразрывно связана с развитием и совершенствованием новых тепловых электростанций СССР, с созданием современных мощных турбинных установок на сверхкритические параметры пара, повышением надежности и экономичности турбин, с их автоматизацией. С 1937 года он бессменно возглавлял кафедру паровых и газовых турбин в МЭИ, которая под его руководством выросла в крупный учебный и научный центр. Он создал научную школу турбинистов, многие представители которой работают на турбостроительных заводах, в энергетических системах, в научных учреждениях России и за рубежом. А.В. Щегляев – автор более 100 работ по вопросам теории, проектирования турбинного оборудования тепловых электростанций. Его книги «Регулирование паровых турбин» и «Паровые турбины» (переведена на болгарский, китайский, грузинский, чешский, венгерский, японский, испанский языки) – популярные учебники для студентов-турбинистов.

Шубенко-Шубин Леонид Александрович (1907–1994) – известный инженер, педагог, ученый-теплоэнергетик, академик НАН Украины, создатель научной школы по разрешению вопросов оптимизации процессов и конструкций турбомашин, инициатор создания Центрального конструкторско-исследовательского бюро при Харьковском турбинном заводе, руководитель создания уникальных отечественных турбоагрегатов. Он выполнил глубокую теоретическую проработку вопросов создания мощных паровых, газовых и специальных турбин, автор более 200 печатных научных трудов. бостроениием занимались фирмы Лаваля (Швеция), «Броун–Бовери компании» (Швейцария), AEG (Берлин, Германия), «Бергман» (Берлин, Германия), «Эшер-Вис» (Цюрих, Швейцария), «Рато» (Франция), «Шкода» (Чехия), «Парсонс» (Англия), «МетрополитенВикерс» (Англия), позже фирмы СЕМ и «GЕС–Альстом» (Франция). В настоящее время в мире паротурбостроениием занимаются широко известные японские фирмы «Мицубиси», «Тошиба», «Хитачи», китайские фирмы в Харбине и Нанкине, немецкая фирма «Сименс» и французская фирма «Альстом».

В СССР первая паровая турбина была построена в 1924 г. на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ). Она была рассчитана на начальные параметры пара 1,1 МПа, 300°С и имела мощность 2 МВт. В 1926 г. уже была выпущена турбина мощностью 10 МВт при частоте вращения 3000 об/мин, в 1930 г. турбина мощностью 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин на начальные параметры пара 2,55 МПа и 375°С, а в 1931 г. - турбина мощностью 50 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400 °С.

В 1934 г. в Украине вступил в строй Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ, а в настоящее время – ОАО «Турбоатом») и начал изготовлять первые украинские турбины мощностью 50 и 100 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400°С.

В 1940 году в Свердловске был построен Уральский турбомоторный завод (УТМЗ), который выпускал теплофикационные турбины с регулируемыми отборами пара мощностью 12, 25, 50 МВт, а позже –100 и 250 МВт.

Именно в этот период начался выпуск турбин мощностью 50 тыс. кВт – тихоходных в Харькове, быстроходных в Ленинграде. В 1940 году ЛМЗ и ХТГЗ приступили к изготовлению паровых турбин мощностью 100 тыс. кВт. Опыт эксплуатации тихоходного агрегата ХТГЗ на Зуевской ГРЭС оказался положительным. Общее число часов наработки на турбине АК-100-29 Зуевской ГРЭС превзошло расчетное в несколько раз.

Велик вклад в создание и развитие теории турбомашин, в разработку и реализацию проектов стационарных паровых и газовых турбоустановок выдающихся ученых–турбинистов Кириллова И.И., Уварова В.В. (см. подраздел 3.6), Жирицкого Г.С., Дейча М.Е., Арсенева В.Г., Щегляева А.В., ШубенкоШубина Л.А., Шнее Я.И., Косяка Ю.Ф. и др. Хорошо известны работы зарубежных ученых Б. Эккерта, К. Баммерта, У. Хауторна, Дж. Хорлокка, В. Траупеля, Ву Чунг-Хуа и др.

С 1946 года заводы начали выпускать турбины высокого давления на параметры пара 8,8 МПа, 500°С мощностью 25, 50 и 100 МВт при частоте 3000 об/мин. В 1952 г. ЛМЗ выпустил турбину мощностью 150 МВт на начальные параметры пара 16,6 МПа, 550°С с промежуточным перегревом до 520°С, которая в то время была самым мощным в Европе одновальным агрегатом.

В 1958 г. выпущены головные образцы турбин ЛМЗ типа К-200-130 и ХТГЗ типа К-150130 мощностью 200 и 150 МВт на параметры пара 12,8 МПа, 565°С, а в 1960 г. – головные образцы турбин ЛМЗ и ХТГЗ типа К-300-240 мощностью 300 МВт с начальными сверхкритическими параметрами пара 23,5 МПа, 560°С и промежуточным перегревом до 565°С. В 1965 г. на ЛМЗ выпущена двухвальная турбина мощностью 800 МВт, а на ХТГЗ – одновальная турбина мощностью 500 МВт на параметры пара 23,5 МПа и 540°С с промежуточным перегревом до 540°С. Начиная с 1969 г. ЛМЗ производит одновальные турбины типа К-800-240 мощностью 800 МВт на те же параметры пара.

С 1970 г. Уральский турбомоторный завод выпускает теплофикационные турбины типа Т-250-240 мощностью 250 МВт на сверхкритические параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которые не имеют себе равных в мировом турбостроении.

В 1978 г. ЛМЗ изготовил уникальную одновальную турбину типа К-1200-240 мощностью 1200 МВт при частоте 3000 об/мин на начальные параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которая при отключении подогревателей высокого давления рассчитана на повышение мощности до 1400 МВт и является самой крупной одновальной турбиной в мире.

Основные типы паровых турбин и их параметры

Различают следующие основные типы турбин:

• в зависимости от числа ступеней –одно ступенчатые (одна или несколько ступеней скорости) и
• многоступенчатые; в зависимости от числа корпусов –однокорпусные, двухкорпусные (ЦВД и ЦНД) и многокорпусные (ЦСВД, ЦВД, ЦСД, ЦНД), одновальные и многовальные ;
• в зависимости от направления потока пара –осевые , или аксиальные, турбины, в которых пар движется вдоль оси турбины, ирадиальные турбины, где пар движется перпендикулярно оси турбины;
• по принципу действия пара –активные турбины (в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую только в неподвижных направляющих решетках, а в рабочих решетках кинетическая энергия пара превращается в механическую работу) иреактивные турбины (в которых расширение пара происходит и в направляющих, и в рабочих решетках каждой ступени приблизительно в одинаковой степени);
• в зависимости от характера теплового процесса –конденсационные паровые турбины, в которых весь расход свежего пара, за исключением отборов на регенерацию, протекая через проточную часть и расширяясь в ней до давления, меньше атмосферного, поступает в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется, и турбины с противодавлением , в которых отработавший пар направляется к тепловым потребителям, использующим теплоту для отопительных или производственных целей;конденсационные турбины с регулируемым отбором пара , в которых часть пара отбирается из промежуточной ступени и отводится к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор, и, наконец,турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением , в которых часть пара отбирается при постоянном давлении из промежуточной ступени, а остальная часть проходит через последующие ступени и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении;
• по параметрам свежего пара – турбины среднего давления (3,43 МПа, 435°С), турбины повышного давления (8,8 МПа, 535°С), турбины высокого давления (12,75 МПа, 565°С) и турбины сверхкритических параметров (23,55 МПа, 560°С);
• по использованию в промышленности – турбины стационарного типа с постоянным числом оборотов ротора (для работы на электрических станциях) и переменным числом оборотов ротора (для привода насосов, компрессоров), а также турбины нестационарного типа с переменным числом оборотов ротора (судовые и транспортные).

Таблица 3.1 Основные показатели некоторых турбин перегретого пара мощностью до 200 МВт

СМ* – «Силовые машины».

Таблица 3.2 Основные показатели турбин перегретого пара мощностью выше 200 МВт

В обозначении турбин первая буква характеризует тип турбины: К – конденсационная, Т – конденсационная с теплофикационным отбором пара, П – с производственным отбором пара для промышленного потребителя, ПТ – с производственным и теплофикационным регулируемыми отборами пара, Р – с противодавлением, ПР – с производственным отбором и противодавлением.

Вторая группа (цифры) в обозначении указывает мощность турбины, МВт (если дробь, то в числителе номинальная, а в знаменателе – максимальная мощность).

Третья группа (цифры) в обозначении указывает начальное давление пара перед стопорным клапаном турбины, ата (кгс/см2 ) или МПа. Под чертой для турбин типов П, ПТ, Р и ПР указывается номинальное давление производственного отбора или противодавление, ата (кгс/см2 ) или МПа. Под номинальной мощностью понимается наибольшая мощность, которую турбина должна развивать длительное время при номинальных значениях всех других основных параметров, а максимальная мощность – это наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать при отсутствии отборов пара для внешних потребителей теплоты.

Основные характеристики и параметры современных турбин перегретого пара, установленных на ТЭС в Украине и России, приведены в табл. 3.1 и 3.2.

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.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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