Qui a créé la turbine à vapeur et quand. Informations générales sur les centrales à turbine à vapeur

23.09.2019

Carl-Gustav-Patrick de Laval

Les ancêtres de De Laval étaient des huguenots qui furent contraints d'émigrer en Suède en fin XVIe siècles en raison de la persécution dans leur pays d'origine. Carl-Gustav-Patrick (le nom Gustav était considéré comme le nom « principal ») est né en 1845 et a reçu une excellente éducation, diplômé de l'Institut de technologie et de l'université d'Uppsala. En 1872, de Laval commence à travailler comme ingénieur technologie chimique et la métallurgie, mais s'est rapidement intéressé au problème de la création d'un séparateur de lait efficace. En 1878, il réussit à développer une version réussie de la conception du séparateur, qui se généralisa ; Gustav a utilisé les bénéfices pour étendre les travaux sur une turbine à vapeur. C'est le séparateur qui a donné l'impulsion pour commencer à travailler sur le nouvel appareil, car il nécessitait un entraînement mécanique capable de fournir une vitesse de rotation d'au moins 6 000 tr/min.

Afin d'éviter l'utilisation de tout type de multiplicateurs, de Laval a proposé de placer le tambour séparateur sur le même arbre qu'une simple turbine à jet. En 1883, un brevet anglais fut déposé pour cette conception. De Laval se lance ensuite dans le développement d'une turbine de type actif à un étage et obtient déjà en 1889 un brevet pour une tuyère expansive (et aujourd'hui le terme « tuyère Laval » est d'usage courant), qui permet de réduire la pression de vapeur et augmenter sa vitesse jusqu'à supersonique. Peu de temps après, Gustav a pu surmonter d'autres problèmes rencontrés lors de la production d'une turbine active fonctionnelle. Ainsi, il a proposé d'utiliser un arbre flexible et un disque de résistance égale et a développé une méthode de fixation des pales dans le disque.

Lors de l'Exposition internationale de Chicago, tenue en 1893, une petite turbine de Laval d'une puissance de 5 ch est présentée. avec une vitesse de rotation de 30 000 tr/min ! L'énorme vitesse de rotation constituait une prouesse technique importante, mais elle devenait en même temps le talon d'Achille d'une telle turbine, car pour application pratique cela impliquait l'inclusion d'un réducteur dans la centrale électrique. À cette époque, les boîtes de vitesses étaient principalement fabriquées sous forme de boîtes de vitesses à un étage, de sorte que le diamètre d'un grand engrenage était souvent plusieurs fois supérieur à la taille de la turbine elle-même. La nécessité d'utiliser des réducteurs encombrants a empêché l'adoption généralisée des turbines de Laval. La plus grande turbine mono-étagée d'une puissance de 500 ch. avait une consommation de vapeur de 6 à 7 kg/h.

Fonctionnalité intéressante La créativité de Laval peut être considérée comme son « empirisme nu » : il a créé des constructions tout à fait réalisables, dont la théorie a ensuite été développée par d'autres. Ainsi, la théorie de l'arbre flexible a ensuite été étudiée en profondeur par le scientifique tchèque A. Stodola, qui a également systématisé les principales questions de calcul de la résistance des disques de turbine de résistance égale. C'est le manque d'une bonne théorie qui n'a pas permis à de Laval d'obtenir un grand succès. De plus, il était une personne enthousiaste et passait facilement d'un sujet à l'autre ; Négligeant l'aspect financier de la question, cet expérimentateur talentueux, n'ayant pas le temps de mettre en œuvre sa prochaine invention, s'en désintéresse rapidement, se laissant emporter par la nouvelle idée. L'Anglais Charles Parsons, fils de Lord Ross, était un autre type de personne.

Charles Algernon Parsons

Charles Parsons est né en 1854 et a reçu une éducation classique en anglais, diplômé de l'Université de Cambridge. Il a choisi le génie mécanique comme métier et a commencé à travailler depuis 1976 à l'usine Armstrong de Newcastle. Le talent et l'ingéniosité du designer, combinés aux capacités financières de ses parents, ont permis à Parsons de devenir rapidement chef de sa propre entreprise. Déjà en 1883, il était copropriétaire de la société Clark, Chapman, Parsons and Co., et en 1889 il devint propriétaire de sa propre usine de turbines et de dynamisme à Guiton.

Parsons a construit la première turbine à vapeur de type jet à plusieurs étages en 1884. Elle n'était pas destinée à entraîner des séparateurs de puissance relativement faible, mais à fonctionner en conjonction avec un générateur électrique. Ainsi, dès le début, Parsons a correctement prévu l’un des domaines d’application les plus prometteurs Turbines à vapeur, et à l'avenir, il n'a pas eu à chercher des consommateurs pour son invention. Afin d'équilibrer la force axiale, de la vapeur était amenée au milieu de l'arbre de la turbine puis s'écoulait vers ses extrémités. La première turbine à vapeur de Parsons avait une puissance de seulement 6 ch. et a été soumis à divers tests. Les principales difficultés résidaient dans le développement d'une conception rationnelle des pales et des méthodes de fixation sur le disque, ainsi que dans la garantie de l'étanchéité. Déjà dans une conception datant de 1887, Parsons utilisait des joints à labyrinthe, qui permettaient de passer à des turbines à flux de vapeur unidirectionnel. En 1889, le nombre de turbines construites dépassait les 300 unités ; leur puissance n'atteignait pas encore 100 ch. à une vitesse de rotation d'environ 5000 tr/min. Ces turbines étaient principalement utilisées pour entraîner des générateurs électriques.

La relation entre les associés de Clark, Chapman, Parsons and Co. s'est avérée loin d'être rose, et Parsons a été contraint de partir, laissant anciens collègues et une partie des droits d'auteur formellement détenus par l'entreprise. À cet égard, il abandonne depuis longtemps la création de turbines actives (protégées par un brevet) et passe au développement de turbines radiales multiétages. En améliorant ce type, le concepteur a pu obtenir des résultats impressionnants. Oui, il a réduit consommation spécifique vapeur de 44 à 12,7 kg/kWh, mais en même temps je me suis rendu compte que l'ancienne turbine axiale était encore plus prometteuse. À partir de 1894, après avoir rétabli les droits sur le brevet, Parsons recommença à travailler sur de telles turbines.

C'est dans son usine qu'il a testé le plus divers matériaux pour les aubes de turbine, mais a opté pour le bronze pour la vapeur saturée et modérément surchauffée, le cuivre pur pour la partie haute pression et le bronze au nickel pour la vapeur fortement surchauffée. De plus, des recherches approfondies ont été menées pour créer une conception rationnelle du régulateur d'alimentation en vapeur. Pour améliorer la précision, Parsons a utilisé le principe du relais intermittent pour réduire la friction. Parallèlement, d'autres améliorations furent apportées, qui conduisirent ensemble à une diminution de la consommation spécifique de vapeur à 9,2 kg/kWh pour une turbine de 400 kW fabriquée en 1896.

Une turbine à vapeur est la principale unité technologique de puissance d'une centrale électrique, dans laquelle l'énergie interne de la vapeur, stockée lors de sa génération, est convertie en énergie mécanique de rotation du rotor. Contrairement à une machine à vapeur, qui convertit directement l'énergie interne de la vapeur en travail d'un piston mobile en utilisant les forces élastiques de la vapeur, une turbine à vapeur, à l'aide d'aubes de tuyère, convertit d'abord énergie interne de la vapeur en énergie cinétique de l'écoulement du fluide de travail, puis la dernière en énergie mécanique du rotor en rotation. Le terme « turbine » vient de mot français« turbine », dérivé du latin « turbo » - vortex, rotation à grande vitesse, utilisé pour la première fois par Héron d'Alexandrie pour décrire le principe de mouvement de « l'éolipile ».

La création d'une turbine à vapeur nécessitait une connaissance approfondie des propriétés physiques de la vapeur et des lois de son écoulement. Il fallait achever la formulation des lois de la thermodynamique et en trouver de nouvelles solutions d'ingénierie produire des œuvres en utilisant les propriétés thermiques de l’eau et de la vapeur. La fabrication de la turbine est devenue possible à un niveau de développement assez élevé des technologies de travail des métaux, car la précision requise pour obtenir des pièces individuelles et la résistance des éléments devaient être nettement supérieures à celles d'une machine à vapeur.

L'ingénieur et chauffagiste slovaque Aurel Stodola a noté ligne entière avantages d'une turbine à vapeur par rapport aux moteurs combustion interne et les machines à vapeur. Ces avantages comprennent : un petit nombre de pièces mobiles, l'absence de joints de contact et les difficultés liées à la fiabilité de leur fonctionnement (systèmes de lubrification, problèmes liés à l'abrasion, etc.), un faible volume d'installations de production nécessaires à la mise en place des équipements, avantages en matière de réglementation, coûts de réparation relativement faibles. Aujourd'hui, un autre avantage incontestable est devenu évident : une puissance unitaire énorme, atteignant aujourd'hui un million et demi de kilowatts, ce qui est tout simplement inaccessible ni dans les moteurs à combustion interne, ni dans les moteurs à vapeur.

Aurel Stodola (1859-1942) est diplômé de l'Institut polytechnique de Budapest en 1878 et de l'École technique supérieure de Zurich en 1881. De 1892 à 1929 - Professeur du Département de Génie Mécanique dans ce domaine établissement d'enseignement. Ses principaux ouvrages sont consacrés à régulation automatique, calculs de conception et de résistance de pièces de turbines à vapeur et à gaz. Très caractéristique intéressante Albert Einstein a dit à Stodola : « Si Stodola était né à la Renaissance, il aurait été un grand artiste ou sculpteur, car la principale caractéristique de sa personnalité est le pouvoir d'imagination et de création. Au XIXe siècle, ces natures se tournaient le plus souvent vers la technologie. Ici, dans la technologie, la puissance créatrice de l'époque a trouvé son expression, ici la soif passionnée de beauté a trouvé des moyens d'incarnation qui surpassaient tout ce qu'une personne non familière avec ce domaine pouvait offrir. La puissante impulsion de Stodola ne s'est pas calmée pendant de nombreuses années d'enseignement et s'est transmise aux étudiants - leurs yeux brillent quand nous parlons deà propos du professeur. L’autre force de Stodola réside dans sa curiosité inquiète et sa rare clarté de pensée scientifique. Le brevet du premier moteur à turbine à vapeur a été obtenu par l’ingénieur naval américain, l’amiral Benjamin Franklin Eatherwood (1822-1915) en 1857. Suite aux progrès techniques réalisés en 1870, plusieurs unités de turbine à vapeur basées sur une turbine à un étage ont été placées sur des frégates militaires et leur ont permis d'atteindre des vitesses relativement élevées (jusqu'à 33 km/h). Cependant, ces turbines à vapeur se sont révélées trop difficiles à fabriquer et pas plus efficaces (rendement de 6 à 8 %) que les machines à vapeur. En 1883-1885 Pour la première fois, des turbines à vapeur primitives ont également été utilisées dans les scieries de l'est des États-Unis pour entraîner des scies circulaires.

La création de turbines à vapeur modernes est associée aux noms d'ingénieurs marquants du XIXe siècle : le Suédois G. Laval et l'Anglais C. Parsons.

Le principal mérite de Laval est d'avoir réussi à créer les éléments de base de la turbine, à les perfectionner et à les combiner dans une conception réalisable, qui à bien des égards était en avance sur son temps. Si l'on compare la turbine active moderne à un étage avec son arrière-grand-mère créée par Laval (Fig. 3.2), leur similitude sera frappante. Il s’avère qu’au cours d’une période de plus de 100 ans d’amélioration dans l’un des domaines technologiques les plus dynamiques, les formes des tuyères, des aubes et des disques des turbines ont généralement subi des modifications mineures. Il s’agit probablement d’un cas sans précédent dans l’histoire de la technologie. De plus, l'indicateur est lié à la solidité de la structure.

Carl Gustav Patrick de Laval Une caractéristique intéressante de l'œuvre de Laval (1845-1913) peut être considérée comme son « empirisme nu » : il a créé des conceptions tout à fait réalisables, dont la théorie a ensuite été développée par d'autres. Ainsi, le scientifique slovaque A. Stodola a ensuite étudié en profondeur la théorie de l'arbre flexible. Il a également systématisé les principales questions liées au calcul de la résistance des disques de turbine de résistance égale. C'est l'absence d'une bonne théorie des turbines à vapeur qui n'a pas permis à Laval d'obtenir un grand succès. De plus, il était une personne enthousiaste et passait facilement d'un sujet à l'autre ; Négligeant l'aspect financier de la question, cet expérimentateur talentueux, n'ayant pas le temps de mettre en œuvre sa prochaine invention, s'en désintéresse rapidement, se laissant emporter par la nouvelle idée.

L’ingénieur anglais Charles Algernon Parsons (1854-1931) était un type de personne différent. Dans sa turbine à réaction à plusieurs étages (Fig. 3.3), l'expansion de la vapeur s'est produite dans plusieurs étages de grilles de buses (stationnaires) et de travail (rotatives). Grâce à cela, il est devenu possible de faire fonctionner la machine avec des vitesses de vapeur nettement inférieures à la sortie des grilles de buses et avec des vitesses périphériques des aubes de travail inférieures à celles de la turbine Laval.

Cette turbine a été conçue pour fonctionner conjointement avec un générateur électrique. Ainsi, dès le premier pas, Parsons a correctement prévu l'un des domaines d'application les plus prometteurs des turbines à vapeur et, à l'avenir, il n'a pas eu à chercher des consommateurs pour son invention. Afin d'équilibrer la force axiale, de la vapeur était fournie à la partie médiane de l'arbre de la turbine, puis s'écoulait vers ses extrémités. La première turbine à vapeur de Parsons avait une puissance de seulement 6 ch. (environ 4,4 kW) et a été soumis à divers tests. Les principales difficultés étaient le développement d'une conception rationnelle des pales et des méthodes de fixation au rotor, ainsi que la garantie de l'étanchéité. Déjà dans la conception de 1887, Parsons utilisait des joints à labyrinthe, qui permettaient de passer à des turbines à flux de vapeur unidirectionnel. En 1889, le nombre de turbines construites dépassait les 300 unités et elles étaient principalement utilisées pour entraîner des générateurs électriques. Dans la turbine fabriquée en 1896, la puissance atteignait déjà 400 kW et la consommation spécifique de vapeur atteignait 9,2 kg/kW.

La construction de turbines énergétiques s'est principalement développée dans le sens de l'utilisation de vapeur à haute pression. Pour la centrale électrique de Mannheim, l'usine Brown-Boveri a fabriqué une turbine d'une puissance de 7000 kW à une pression de vapeur de 15,7 MPa et une température de 430°C. Pour la turbine à vapeur construite pour la centrale électrique de Langerbrugge, les paramètres vapeur ont été choisis encore plus élevés : pression 22 MPa et température 450°C.

Aux USA, GE (General Electric) de Schenectady, après avoir limité la pression à 84 atm (8,2 MPa), a commencé à augmenter vigoureusement la puissance d'une seule installation. Au début du XXe siècle, des turbines d'une puissance de 500, 1 000, 2 500 et 10 000 kW ont été développées et fabriquées. Initialement, ces turbines étaient fabriquées selon une conception verticale. Cependant, l'expérience d'exploitation a contraint l'entreprise à abandonner la conception verticale et à passer à une conception de turbine horizontale. Pendant longtemps, l'entreprise a produit des turbines fonctionnant en mode condensation d'une puissance allant jusqu'à 14 000 kW et avec contre-pression jusqu'à 8 000 kW.

Charles Algernon Parsons. Grâce au travail de Charles Parsons et de ses employés, l'Angleterre était en avance sur le reste de la planète dans l'utilisation des turbines à vapeur : alors que dans d'autres pays on ne s'intéressait qu'aux turbines à vapeur, au Royaume-Uni la puissance totale de toutes les turbines à vapeur construit en 1896 dépassait les 40 000 ch. (29420 kW). En 1899, il fut décidé d'utiliser deux turbines Parsons de 1 000 kW à la centrale électrique d'Elberfeld (Allemagne) en construction. Les résultats des tests de turbine publiés en 1900 indiquaient des avantages indéniables installations appliquées par rapport aux « machines à vapeur » traditionnelles. Bientôt, l'une des meilleures entreprises d'ingénierie électrique de l'époque, Brown-Boveri à Baden (Suisse), acquiert une licence pour produire des turbines Parsons. De plus, les offres d'achat de licences ont commencé à se multiplier comme une boule de neige : outre les Allemands, des Italiens et des Américains (notamment la société Westinghouse) se sont montrés intéressés par les turbines. Les turbines ont commencé à être fabriquées en Suisse, en France et en Autriche-Hongrie. Si en 1903 la puissance maximale de la turbine était de 6 500 kW, alors en 1909 des unités d'une capacité de 10 000 kW sont apparues, en 1915 - 20 000 kW et en 1917 - 30 000 kW. En compagnie des « pères fondateurs » de la construction de turbines, apparaissent les noms du Français O. Rato et de l'Américain C. Curtis. Mais Parsons est entré dans l'histoire de la technologie des turbines comme une star de première grandeur : en plus des problèmes purement « turbines », il a pris sur lui (et a résolu avec succès) la tâche d'introduire un nouveau moteur dans la flotte.

Kirillov Ivan Ivanovitch (1902-1993) est l'un des plus grands scientifiques des turbines, dont le nom est à juste titre inscrit en lettres d'or dans l'histoire de la science mondiale des turbines à côté de ceux de L. Euler, A. Stodola et G. Flügel. Il est né en 1902 à Saint-Pétersbourg dans la famille d'un médecin militaire. Après avoir obtenu son diplôme de l'Institut technologique de Leningrad en 1924, Kirillov se déclarait déjà dans les années trente comme spécialiste sérieux dans le domaine des calculs et de la conception des turbines à vapeur et, au début de la Seconde Guerre mondiale, il était un scientifique reconnu, bien connu parmi ses collègues ingénieurs en turbines. En 1945-1950, puis en 1961-1980. Chef du Département des turbines et machines à vapeur de Leningradsky Institut Polytechnique. En 1951-1961 organise le Département d'ingénierie des turbines à l'Institut d'ingénierie des transports de Briansk et en est le chef. I.I. Kirillov est l'auteur de 25 monographies, manuels et aides à l'enseignement, plus de 350 articles dans des revues nationales et étrangères, 80 inventions.

La deuxième société nord-américaine d'ingénierie énergétique, Westinghoyse, a également commencé à produire des turbines à vapeur d'une capacité unitaire de 30, 45 et 60 000 kW dans les années 20 du XXe siècle.

Au début des années trente du XXe siècle, d'immenses centrales à turbine à vapeur d'une capacité unitaire de 160 et même de 208 MW sont entrées en service aux États-Unis. Les Européens se sont limités à des puissances unitaires nettement inférieures des turbines à vapeur industrielles. L'une des plus grandes a été considérée comme l'installation de Vitkovice (République tchèque), équipée de deux turbines d'une capacité de 30 et 18 MW. La vitesse de rotation de ces unités a été choisie à 3 000 tr/min, déterminée par la fréquence alternative acceptée en Europe (50 Hz). A noter qu'aux Etats-Unis, les turbines à vapeur avaient une vitesse de rotation de 1800 ou 3600 tr/min en raison de la fréquence du courant alternatif « américain » de 60 Hz.

Zhiritsky Georgy Sergeevich (1893-1966) est un célèbre scientifique des turbines qui a non seulement créé les bases fondamentales de la formation technique sur les turbomachines, mais a également formé de nombreux ingénieurs, jeunes scientifiques et enseignants. En 1911, il est diplômé du premier gymnase de Kiev avec une médaille d'or et en 1915, il est diplômé de la faculté de mécanique de l'Institut polytechnique de Kiev. G.S. Zhiritsky devient en 1918 professeur à l'Institut polytechnique de Kiev et combine le travail d'ingénieur avec des activités d'enseignement. Déjà en 1925, il fut confirmé au rang de professeur dans le cours de machines à vapeur. La monographie de Zhiritsky « Steam Engines » est en train de paraître, après cinq éditions. En 1926, il est nommé doyen de la faculté de mécanique et chef du département des machines à vapeur de l'Institut polytechnique de Kiev. En 1929, il dirigea le département des turbines à vapeur à l'École technique supérieure N.E. Bauman et publia un manuel en deux volumes sur les turbines à vapeur avec une présentation systématique de la théorie et de la conception des turbines à vapeur. Sous sa direction en 1930-1932. Le département des turbines à vapeur a été organisé et le département de chaleur et d'électricité a été créé à l'Institut de l'énergie de Moscou. En 1947, Georgy Sergeevich crée et dirige de manière permanente le département des machines à pales de l'Institut de l'aviation de Kazan jusqu'en 1965.

Shcheglyaev Andrey Vladimirovich (1902-1970) - ingénieur et scientifique de premier plan en génie thermique, membre correspondant de l'Académie des sciences de l'URSS. En 1921, Shcheglyaev A.V. est allé étudier à l'Université technique supérieure de Moscou à la Faculté de mécanique, et en 1926, il est diplômé de l'institut et, après avoir reçu le titre d'ingénieur en mécanique, a continué à travailler au VTI, combinant activités d'ingénierie après des études pédagogiques à l'École technique supérieure de Moscou et depuis 1930 à l'Institut d'ingénierie énergétique de Moscou. Ingénierie et activité scientifique Andrei Vladimirovich Shcheglyaev était inextricablement lié au développement et à l'amélioration de nouvelles centrales thermiques en URSS, à la création d'unités de turbine puissantes et modernes pour les paramètres de vapeur supercritiques, augmentant la fiabilité et l'efficacité des turbines, ainsi qu'à leur automatisation. Depuis 1937, il dirige en permanence le département des turbines à vapeur et à gaz du MPEI, qui sous sa direction est devenu un grand centre éducatif et scientifique. Il a créé une école scientifique d'ingénieurs en turbines, dont beaucoup de représentants travaillent dans des usines de construction de turbines, dans les systèmes énergétiques, en institutions scientifiques Russie et à l'étranger. UN V. Shcheglyaev est l'auteur de plus de 100 ouvrages sur la théorie et la conception des équipements de turbine pour les centrales thermiques. Ses livres « Régulation des turbines à vapeur » et « Turbines à vapeur » (traduits en bulgare, chinois, géorgien, tchèque, hongrois, japonais, langues espagnoles) – manuels populaires pour les étudiants en ingénierie des turbines.

Shubenko-Shubin Leonid Alexandrovich (1907-1994) - célèbre ingénieur, enseignant, scientifique en énergie thermique, académicien de l'Académie nationale des sciences d'Ukraine, créateur école scientifique sur la résolution des problèmes d'optimisation des processus et de conception des turbomachines, initiateur de la création du Bureau central de conception et de recherche à l'usine de turbines de Kharkov, responsable de la création d'unités de turbines domestiques uniques. Il a mené une étude théorique approfondie sur les questions de création de turbines puissantes à vapeur, à gaz et spéciales, et est l'auteur de plus de 200 articles scientifiques publiés. La construction a été réalisée par les sociétés Laval (Suède), Brown-Boveri Company (Suisse), AEG (Berlin, Allemagne), Bergman (Berlin, Allemagne), Escher-Wies (Zurich, Suisse), Rato (France) ), Skoda (République tchèque), Parsons (Angleterre), Metropolitan Vickers (Angleterre), plus tard CEM et GEC-Alstom (France). Actuellement, des sociétés japonaises bien connues Mitsubishi, Toshiba, Hitachi, des sociétés chinoises à Harbin et Nanjing, et entreprise allemande Siemens et la société française Alstom.

En URSS, la première turbine à vapeur a été construite en 1924 à l'usine métallurgique de Leningrad (LMZ). Il a été conçu pour des paramètres de vapeur initiaux de 1,1 MPa, 300°C et avait une puissance de 2 MW. En 1926, une turbine d'une puissance de 10 MW à une vitesse de rotation de 3000 tr/min était déjà réalisée, en 1930 une turbine d'une puissance de 24 MW à une vitesse de rotation de 3000 tr/min était réalisée pour des paramètres de vapeur initiaux de 2,55 MPa et 375 °C, et en 1931 g. - turbine d'une puissance de 50 MW à une fréquence de 1500 tr/min pour des paramètres de vapeur de 2,85 MPa et 400 °C.

En 1934, l'usine de turbogénérateurs de Kharkov (KhTGZ, et actuellement JSC Turboatom) est entrée en service en Ukraine et a commencé à produire les premières turbines ukrainiennes d'une capacité de 50 et 100 MW à une fréquence de 1 500 tr/min pour des paramètres de vapeur de 2,85 MPa et 400 °C.

En 1940, l'usine de turbomoteurs de l'Oural (UTMZ) a été construite à Sverdlovsk, qui produisait turbines de chauffage avec extractions de vapeur contrôlées d'une capacité de 12, 25, 50 MW, et plus tard – 100 et 250 MW.

C'est durant cette période que commença la production de turbines d'une capacité de 50 000 kW - basse vitesse à Kharkov, haute vitesse à Leningrad. En 1940, LMZ et KhTGZ commencèrent à fabriquer des turbines à vapeur d'une capacité de 100 000 kW. L'expérience d'exploitation de l'unité KhTGZ à basse vitesse de la centrale électrique du district d'État de Zuevskaya s'est avérée positive. Nombre total les heures de fonctionnement de la turbine AK-100-29 de Zuevskaya GRES ont dépassé à plusieurs reprises celles calculées.

La grande contribution à la création et au développement de la théorie des turbomachines, au développement et à la mise en œuvre de projets d'installations fixes de turbines à vapeur et à gaz par d'éminents scientifiques et ingénieurs de turbines I.I. Kirillova, V.V. (voir sous-section 3.6), Zhiritsky G.S., Deycha M.E., Arseneva V.G., Shcheglyaeva A.V., ShubenkoShubina L.A., Shnee Ya.I., Kosyaka Yu.F. et d'autres sont bien connus.

Depuis 1946, les usines ont commencé à produire des turbines haute pression avec des paramètres de vapeur de 8,8 MPa, 500°C et une puissance de 25, 50 et 100 MW à une fréquence de 3 000 tr/min. En 1952, LMZ a produit une turbine de 150 MW avec des paramètres de vapeur initiaux de 16,6 MPa, 550°C avec une surchauffe intermédiaire à 520°C, qui était à l'époque l'unité à arbre unique la plus puissante d'Europe.

En 1958, les prototypes des turbines LMZ de type K-200-130 et KhTGZ de type K-150130 d'une puissance de 200 et 150 MW ont été produits pour des paramètres de vapeur de 12,8 MPa, 565°C, et en 1960 - le prototype des échantillons des turbines LMZ et KhTGZ de type K-300-240 d'une puissance de 300 MW avec des paramètres initiaux de vapeur supercritique de 23,5 MPa, 560°C et une surchauffe intermédiaire jusqu'à 565°C. En 1965, une turbine à deux arbres d'une capacité de 800 MW a été produite au LMZ, et une turbine à un arbre d'une capacité de 500 MW a été produite à KhTGZ pour des paramètres de vapeur de 23,5 MPa et 540°C avec une surchauffe intermédiaire à 540 °C. Depuis 1969, LMZ produit des turbines mono-arbres de type K-800-240 d'une puissance de 800 MW pour les mêmes paramètres de vapeur.

Depuis 1970, l'usine de moteurs turbo de l'Oural produit des turbines de chauffage du type T-250-240 d'une puissance de 250 MW pour des paramètres de vapeur supercritique de 23,5 MPa, 540°C avec une surchauffe intermédiaire jusqu'à 540°C, sans égal dans l'industrie mondiale des turbines.

En 1978, LMZ a fabriqué une turbine unique à arbre unique de type K-1200-240 d'une puissance de 1200 MW à une fréquence de 3000 tr/min pour des paramètres de vapeur initiaux de 23,5 MPa, 540°C avec une surchauffe intermédiaire à 540°C, qui, lorsque les réchauffeurs à haute pression sont éteints, conçue pour augmenter la puissance à 1 400 MW et constitue la plus grande turbine à arbre unique au monde.

Principaux types de turbines à vapeur et leurs paramètres

On distingue les principaux types de turbines suivants :

en fonction du nombre de pas – pas à pas (un ou plusieurs pas de vitesse) et
en plusieurs étapes ; en fonction du nombre de bâtiments – monocorps, double corps(TsSVD et TsND) et multi-corps (TsSVD, TsVD, TsSD, TsND), mono-arbre et multi-arbres ;
en fonction de la direction du flux de vapeur - turbines axiales ou axiales, dans lesquelles la vapeur se déplace le long de l'axe de la turbine, turbines iradiales, où la vapeur se déplace perpendiculairement à l'axe de la turbine ;
basé sur le principe de l'action de la vapeur - turbines actives (dans lesquelles énergie potentielle la vapeur se transforme en énergie cinétique uniquement dans les grilles de guidage fixes, et dans les grilles en fonctionnement, l'énergie cinétique de la vapeur se transforme en travail mécanique) et les turbines à réaction (dans lesquelles la dilatation de la vapeur se produit à la fois dans les guides et dans les grilles de travail de chaque étage dans des proportions à peu près identiques) ;
selon la nature du processus thermique - condensation turbines à vapeur, dans lesquelles tout le flux de vapeur fraîche, à l'exception des sélections pour la régénération, circulant à travers la partie flux et s'y développant jusqu'à une pression inférieure à la pression atmosphérique, pénètre dans le condenseur, où la chaleur de la vapeur d'échappement est transférée à l'eau de refroidissement et n'est pas utilisée utilement, et turbines à contre-pression, dans lequel la vapeur d'échappement est envoyée aux consommateurs thermiques qui utilisent la chaleur à des fins de chauffage ou industrielles ; turbines à condensation avec extraction de vapeur contrôlée, dans lequel une partie de la vapeur est extraite de l'étage intermédiaire et évacuée vers le consommateur de chaleur à une pression constante automatiquement maintenue, et la quantité restante de vapeur continue de fonctionner dans les étapes suivantes et est envoyée au condenseur, et, enfin, turbines avec extraction de vapeur et contre-pression contrôlées, dans lequel une partie de la vapeur est prélevée à pression constante de l'étage intermédiaire, et le reste passe par les étages suivants et est évacué vers le consommateur de chaleur à une pression inférieure ;
selon les paramètres de vapeur fraîche - turbines moyenne pression (3,43 MPa, 435°C), turbines haute pression (8,8 MPa, 535°C), turbines haute pression (12,75 MPa, 565°C) et turbines supercritiques (23,55 MPa, 560°C) C);
pour utilisation dans l'industrie - turbines de type stationnaire avec une vitesse de rotor constante (pour le fonctionnement dans les centrales électriques) et une vitesse de rotor variable (pour entraîner des pompes, des compresseurs), ainsi que des turbines de type non stationnaire avec une vitesse de rotor variable (navire et transport ).

Tableau 3.1 Indicateurs clés de certaines turbines à vapeur surchauffée d'une capacité allant jusqu'à 200 MW

Indice
Usine de fabrication	Turboatome
Puissance nominale, MW
Pression initiale, MPa
Température initiale, °C
Pression de réchauffage, MPa
Température de réchauffage,
Pression finale, kPa
Température de l'eau d'alimentation, °C
Nombre de régénérateurs. sélections
Consommation de vapeur, kg/s

SM* – « Machines électriques ».

Tableau 3.2 Principaux indicateurs des turbines à vapeur surchauffée d'une capacité supérieure à 200 MW

Indice
Usine de fabrication	Turboatome	Turboatome
Puissance nominale, MW
Pression initiale, MPa
Température initiale, °C
Pression de réchauffage, MPa
Température de réchauffage,
Pression finale, kPa
Température de l'eau d'alimentation, °C
Nombre de régénérateurs. sélections
Consommation de vapeur, kg/s

Dans la désignation des turbines, la première lettre caractérise le type de turbine : K - à condensation, T - à condensation avec extraction de vapeur par cogénération, P - avec extraction de vapeur de production pour les consommateurs industriels, PT - avec extraction de vapeur contrôlée par production et chauffage, P - avec contre-pression, PR - avec sélection de production et contre-pression.

Le deuxième groupe (chiffres) dans la désignation indique la puissance de la turbine, MW (s'il s'agit d'une fraction, alors le numérateur est nominal et le dénominateur est Puissance maximum).

Le troisième groupe (chiffres) dans la désignation indique la pression initiale de la vapeur devant la vanne d'arrêt de la turbine, ata (kgf/cm2) ou MPa. En dessous de la ligne pour les turbines des types P, PT, R et PR est indiquée pression nominale sélection de production ou contre-pression, ata (kgf/cm2) ou MPa. La puissance nominale fait référence à la puissance maximale que la turbine doit développer longue durée aux valeurs nominales de tous les autres paramètres principaux, et la puissance maximale est la puissance maximale que la turbine doit développer pendant une longue période en l'absence d'extraction de vapeur pour les consommateurs de chaleur externes.

Les principales caractéristiques et paramètres des turbines à vapeur surchauffées modernes installées dans les centrales thermiques d'Ukraine et de Russie sont présentées dans le tableau. 3.1 et 3.2.

Imaginons un fermé récipient en métal(chaudière) partiellement remplie d'eau. Si vous allumez un feu en dessous, l'eau commencera à chauffer puis à bouillir, se transformant en vapeur. La pression à l’intérieur de la chaudière va augmenter, et si ses parois ne sont pas assez solides, elle risque même d’exploser. Cela montre que le couple a accumulé une réserve d'énergie, qui se manifeste finalement par une explosion. Est-il possible de forcer Steam à effectuer un travail utile ? Cette question préoccupe les scientifiques depuis très longtemps. L'histoire de la science et de la technologie en sait beaucoup inventions intéressantes, dans lequel l'homme cherchait à utiliser l'énergie de la vapeur. Certaines de ces inventions étaient utiles, d’autres n’étaient que des jouets intelligents, mais au moins deux inventions doivent être qualifiées de grandes ; ils caractérisent des époques entières du développement de la science et de la technologie. Ces grandes inventions sont la machine à vapeur et la turbine à vapeur. Machine à vapeur, qui a reçu application industrielle dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, a révolutionné la technologie. Il devient rapidement le principal moteur utilisé dans l’industrie et les transports. Mais en fin XIX et le début du 20e siècle. la puissance et la vitesse atteignables de la machine à vapeur étaient déjà devenues insuffisantes.

Il est urgent de construire de grands centrales, pour lequel un moteur puissant et rapide était nécessaire. Un tel moteur était la turbine à vapeur, qui peut être construite pour produire une puissance énorme à des vitesses élevées. La turbine à vapeur a rapidement remplacé la machine à vapeur des centrales électriques et des grands navires à vapeur.

L'histoire de la création et de l'amélioration de la turbine à vapeur, comme toute invention majeure, est associée aux noms de nombreuses personnes. De plus, comme c'est généralement le cas, le principe de fonctionnement de base de la turbine était connu bien avant que le niveau scientifique et technologique ne permette la construction d'une turbine.

Le principe de fonctionnement d'une machine à vapeur est d'utiliser les propriétés élastiques de la vapeur. La vapeur pénètre périodiquement dans le cylindre et, en se dilatant, fonctionne en déplaçant le piston. Le principe de fonctionnement d'une turbine à vapeur est différent. Ici, la vapeur se dilate et l'énergie potentielle accumulée dans la chaudière est convertie en énergie (cinétique) à grande vitesse. À son tour, l'énergie cinétique du jet de vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation de la roue de la turbine.

L'histoire du développement des turbines commence avec le bal du Héron d'Alexandrie et la roue Branca. La possibilité d'utiliser l'énergie de la vapeur pour produire un mouvement mécanique a été remarquée par le célèbre scientifique grec Héron d'Alexandrie il y a plus de 2000 ans. Il a construit un appareil appelé Heron's Ball (Fig. 1).

La balle pouvait tourner librement dans deux supports constitués de tubes. A travers ces supports, la vapeur de la chaudière pénétrait dans le ballon puis ressortait dans l'atmosphère par deux tubes coudés à angle droit. Le ballon tournait sous l'action de forces réactives résultant du flux de jets de vapeur.

Un autre projet est décrit dans les travaux du scientifique italien Giovani Branca (1629). Un tube est inséré dans la partie supérieure de la chaudière (Fig. 2).

Étant donné que la pression de la vapeur à l’intérieur de la chaudière est supérieure à la pression atmosphérique de l’air autour de la chaudière, la vapeur s’échappe par le tube.

Un jet de vapeur jaillit de l’extrémité libre du tube et frappe les pales de la roue, la faisant tourner.

Le modèle de Heron et la roue de Branca n'étaient pas des moteurs, mais ils indiquaient déjà des moyens possibles d'obtenir un mouvement mécanique en utilisant l'énergie de la vapeur motrice.

Il existe une différence dans les principes de fonctionnement de la boule de Heron et de la roue de Branca. La boule du Héron, comme déjà mentionné, tourne sous l'action de forces réactives. Ce sont les mêmes forces qui poussent une fusée. Il est connu en mécanique qu'un jet poussé hors d'un récipient sous l'influence de la pression appuie, quant à lui, sur le récipient dans le sens opposé au sens d'écoulement. Cela est évident si l'on se base sur la troisième loi de Newton, selon laquelle la force poussant le jet doit être égale et opposée à la force de réaction du jet sur le vaisseau.

Dans la turbine Branca, l'énergie potentielle de la vapeur est d'abord convertie en énergie cinétique du jet jaillissant du tube. Ensuite, lorsque le jet heurte la pale de la roue, une partie de l'énergie cinétique de la vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation de la roue.

Si la balle de Heron se déplace par des forces réactives, alors la turbine Branca utilise ce qu'on appelle le principe actif, puisque la roue tire de l'énergie du jet actif.

Le plus grand changement dans la conception de la turbine à vapeur et dans son développement ultérieur s'est produit à la fin du siècle dernier, alors qu'il était en Suède. Gustav Laval et en Angleterre Charles Parsons ont commencé indépendamment à travailler à la création et à l'amélioration de la turbine à vapeur. Les résultats obtenus ont permis à la turbine à vapeur de devenir à terme le principal type de moteur pour entraîner les générateurs. courant électrique et obtenir large application comme moteur pour les navires civils et militaires. Dans la turbine à vapeur de Laval, créée en 1883, la vapeur pénètre dans une ou plusieurs tuyères connectées en parallèle, y acquiert une vitesse importante et est dirigée vers des aubes de travail situées sur le bord d'un disque posé sur l'arbre de la turbine et formant un réseau de canaux de travail. .

Les forces provoquées par la rotation du jet de vapeur dans les canaux de la grille de travail font tourner le disque et l'arbre de turbine qui lui est associé. Une particularité de cette turbine est que la dilatation de la vapeur dans les buses de la pression initiale à la pression finale se produit en une seule étape, ce qui entraîne des débits de vapeur très élevés. La conversion de l'énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique se produit sans expansion supplémentaire de la vapeur uniquement en raison d'un changement de sens d'écoulement dans les canaux des pales.

Les turbines construites sur ce principe, c'est-à-dire les turbines dans lesquelles l'ensemble du processus de détente de la vapeur et l'accélération associée du débit de vapeur se produisent dans des buses fixes sont appelées turbines actives.

Lors du développement de turbines actives à un étage, un certain nombre de solutions ont été résolues problèmes complexes, ce qui était extrêmement grande importance pour le développement ultérieur des turbines à vapeur. Des buses expansibles ont été utilisées, qui permettent un plus grand degré d’expansion de la vapeur et permettent d’atteindre des vitesses d’écoulement de vapeur élevées (1 200-1 500 m/sec). Pour mieux utiliser les débits de vapeur élevés, Laval a développé une conception de disque à résistance égale permettant un fonctionnement à des vitesses périphériques élevées (350 m/sec). Enfin, dans la turbine active à un étage, des vitesses aussi élevées ont été utilisées (jusqu'à 32 000 tr/min), qui dépassaient de loin les vitesses des moteurs courants à cette époque. Cela a conduit à l'invention de l'arbre flexible, fréquence vibrations gratuites qui est inférieure à la fréquence des forces perturbatrices à la vitesse de fonctionnement.

Malgré un certain nombre de nouvelles solutions de conception utilisées dans les turbines actives à un étage, leur efficacité était faible. De plus, la nécessité d'utiliser une transmission par engrenages pour réduire la vitesse de l'arbre d'entraînement au niveau de la vitesse de la machine entraînée a également freiné à cette époque le développement des turbines mono-étagées et, en particulier, l'augmentation de leur puissance. . Par conséquent, les turbines Laval, ayant reçu une diffusion importante en tant qu'unités au début du développement de la construction des turbines, ne sont pas haute puissance(jusqu'à 500 kW), ont ensuite cédé la place à d'autres types de turbines.

La turbine à vapeur proposée en 1884 par Parsons est fondamentalement différente de la turbine Laval. La détente de la vapeur qui s'y trouve s'effectue non pas dans un groupe de buses, mais en plusieurs étapes successives, chacune composée d'aubes directrices fixes (réseaux de buses) et de pales rotatives.

Les aubes directrices sont fixées dans le carter de turbine fixe et les pales du rotor sont disposées en rangées sur le tambour. Chaque étage d'une telle turbine subit une chute de pression qui ne représente qu'une petite fraction de la différence totale entre la pression de la vapeur fraîche et la pression de la vapeur sortant de la turbine. Ainsi, il a été possible de fonctionner avec de faibles vitesses d'écoulement de vapeur dans chaque étage et avec des vitesses périphériques des pales du rotor plus faibles que dans la turbine Laval. De plus, la dilatation de la vapeur dans les étages d'une turbine Parsons se produit non seulement dans la tuyère, mais également dans la grille de travail. Par conséquent, des forces sont transmises aux aubes de travail, provoquées non seulement par un changement de direction du flux de vapeur, mais également par l'accélération de la vapeur à l'intérieur de la grille de travail, provoquant une force réactive sur les aubes de travail de la turbine.

Les étages de turbine dans lesquels la détente de la vapeur et l'accélération associée du flux de vapeur dans les canaux des aubes de travail sont utilisées sont appelés étages de réaction. Ainsi, montré sur la Fig. La turbine 4 était un représentant typique des turbines à vapeur à réaction à plusieurs étages.

Le principe d'inclusion séquentielle d'étages, dont chacun n'utilise qu'une partie de la différence thermique disponible, s'est avéré très fructueux pour le développement ultérieur des turbines à vapeur. Il a permis d'atteindre un rendement élevé dans la turbine à des vitesses modérées du rotor de la turbine, permettant une connexion directe de l'arbre de la turbine avec l'arbre du générateur de courant électrique. Le même principe permettait de fabriquer des turbines de très haute puissance, atteignant plusieurs dizaines, voire centaines de milliers de kilowatts dans une seule unité.

Les turbines à réaction multi-étages sont désormais très répandues, tant dans les installations stationnaires que dans la flotte.

Le développement des turbines à vapeur actives a également suivi la voie d'une expansion séquentielle de la vapeur non pas en une, mais en plusieurs étapes situées les unes après les autres. Ces turbines comportent une série de disques montés sur arbre général, est divisé par des cloisons appelées diaphragmes, dans lesquelles se trouvent des grilles de buses fixes. Dans chacun des étages ainsi construits, la vapeur se dilate dans une partie de la perte totale de chaleur disponible. Dans les grilles de travail, seule la conversion de l'énergie cinétique du flux de vapeur se produit sans expansion supplémentaire de la vapeur dans les canaux des pales de travail. Les turbines actives à plusieurs étages sont largement utilisées dans les installations stationnaires ; elles sont également utilisées comme moteurs marins.

Parallèlement aux turbines dans lesquelles la vapeur se déplace dans la direction de l'axe de l'arbre de la turbine (axial), des conceptions de turbines radiales ont été créées dans lesquelles la vapeur s'écoule dans un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine. Parmi ces dernières, la plus intéressante est la turbine radiale, proposée en 1912 en Suède par les frères Ljungström.

Riz.

1,2 - disques de turbine ; 3 - conduites de vapeur fraîche ; 4, 5 - arbres de turbine ; 6, 7 - pales des étages intermédiaires

Sur les surfaces latérales des disques 1 et 2, les aubes des étages à jet sont situées dans des anneaux de diamètre progressivement croissant. La vapeur est amenée à la turbine par les tuyaux 3 puis par les trous des disques 1 et 2 jusqu'à la chambre centrale. De là, il s'écoule vers la périphérie par les canaux des aubes 6 et 7, montées sur les deux disques. Contrairement à une conception conventionnelle, la turbine Jungström n'a pas de grilles de buses fixes ni d'aubes directrices. Les deux disques tournent en sens inverse, de sorte que la puissance développée par la turbine doit être transmise par les arbres 4 et 5. Le principe de contre-rotation des rotors permet à la turbine d'être très compacte et économique.

Depuis le début des années 1990, le développement des turbines à vapeur s'est déroulé à un rythme exceptionnellement rapide. Cette évolution a été largement déterminée par le même développement parallèle rapide machines électriques et l'introduction généralisée de l'énergie électrique dans l'industrie. L'efficacité d'une turbine à vapeur et sa puissance dans une seule unité ont atteint des valeurs élevées. La puissance des turbines dépassait de loin la puissance de tous les autres types de moteurs sans exception. Des turbines d'une capacité de 500 MW sont disponibles, connectées à un générateur de courant électrique, et la possibilité de produire des unités encore plus puissantes, au moins jusqu'à 1 000 MW, a été prouvée.

Dans le développement de la construction des turbines à vapeur, on peut noter plusieurs étapes qui ont affecté la conception des turbines construites à différentes périodes.

Avant la guerre impérialiste de 1914, le niveau de connaissances dans le domaine du fonctionnement des métaux à haute température était insuffisant pour utiliser la vapeur à hautes pressions et températures. Ainsi, jusqu'en 1914, les turbines à vapeur étaient construites principalement pour fonctionner avec de la vapeur à pression modérée (12 à 16 bars), avec des températures allant jusqu'à 350 °C.

En ce qui concerne l'augmentation de la puissance d'une seule unité déjà en période initiale De grands progrès ont été réalisés dans le développement des turbines à vapeur.

En 1915, la puissance des turbines individuelles atteignait déjà 20 MW. Dans la période d’après-guerre, à partir de 1918-1919, la tendance à la montée en puissance se poursuit. Cependant, à l'avenir, les concepteurs de turbines se sont fixé pour objectif d'augmenter non seulement la puissance de l'unité, mais également la vitesse des turbines de grande puissance lorsqu'elles sont exploitées avec un seul générateur de courant électrique.

La turbine à grande vitesse la plus puissante au monde à une époque (1937) était la turbine Leningradsky usine de métal, construit à 100 MW à 3000 tr/min.

Avant la guerre impérialiste de 1914, les usines de turbines produisaient dans la plupart des cas des turbines comportant un nombre limité d'étages situés dans un seul carter de turbine. Cela a permis de rendre la turbine très compacte et relativement bon marché. Après la guerre de 1914, la tension dans l’approvisionnement en carburant que connaissaient la plupart des pays a nécessité une augmentation globale de l’efficacité des turbines.

Il a été constaté qu'une efficacité maximale de la turbine peut être obtenue en utilisant de petites différences thermiques dans chaque étage de la turbine et, par conséquent, en construisant des turbines comportant un grand nombre d'étages. Dans le cadre de cette tendance, des conceptions de turbines sont apparues qui, même avec des paramètres de vapeur fraîche modérés, comportaient un nombre extrêmement grand d'étages, atteignant 50 à 60.

Le grand nombre d'étages a conduit à la nécessité de créer des turbines à plusieurs carters, même lorsque la turbine était reliée à un seul générateur électrique.

Ainsi, les turbines à deux et trois corps ont commencé à se répandre, qui, bien que très économiques, étaient très coûteuses et encombrantes.

Dans le développement ultérieur de la construction des turbines, il y a également eu un certain recul dans ce domaine vers la simplification de la conception de la turbine et la réduction du nombre de ses étages. Pendant assez longtemps, des turbines d'une puissance allant jusqu'à 50 MW à 3 000 tr/min ont été construites uniquement avec deux carters. Les turbines à condensation les plus récentes de cette puissance, produites par des usines de premier plan, sont construites avec un seul carter.

Parallèlement à l'amélioration de la conception des turbines à pression modérée (20 à 30 bars), des unités haute pression plus économiques, atteignant 120 à 170 bars, ont commencé à se répandre entre 1920 et 1940.

L'utilisation de vapeur avec des paramètres élevés, qui augmente considérablement l'efficacité d'une installation de turbine, a nécessité de nouvelles solutions dans le domaine de la conception de turbines à vapeur. Des progrès significatifs ont été réalisés dans l'utilisation d'aciers alliés qui ont une limite d'élasticité assez élevée et de faibles taux de fluage à des températures de 500 à 550°C.

Parallèlement au développement des turbines à condensation, dès le début de ce siècle, des installations de production combinée d'énergie électrique et de chaleur ont commencé à être utilisées, ce qui a nécessité la construction de turbines à contre-pression et extraction intermédiaire de vapeur. La première turbine avec contrôle constant de la pression de la vapeur extraite a été construite en 1907.

Conditions économie capitaliste Toutefois, cela ne permet pas de tirer pleinement parti des avantages de la production combinée de chaleur et d’électricité. En fait, la capacité consommation de chaleurà l'étranger, elle se limite dans la plupart des cas à la consommation de l'entreprise où la turbine est installée. Par conséquent, les turbines qui permettent d'utiliser la chaleur de la vapeur d'échappement sont le plus souvent construites à l'étranger pour de petites puissances (jusqu'à 10 à 12 MW) et sont conçues pour fournir de la chaleur et énergie électrique seulement une entreprise industrielle individuelle. Il est caractéristique que les plus grandes turbines (25 MW, puis 50 et 100 MW) avec extraction de vapeur aient été construites en Union soviétique, comme prévu. économie nationale crée Conditions favorables pour la production combinée de chaleur et d’électricité.

Dans la période d'après-guerre, tous les pays européens techniquement développés, ainsi que les États-Unis, ont connu un développement énergétique de plus en plus accéléré, ce qui conduit à une augmentation toujours croissante de la puissance des unités énergétiques. Dans le même temps, la tendance à utiliser des paramètres de vapeur initiaux de plus en plus élevés se poursuit.

Les turbines à condensation à un arbre atteignent une puissance de 500 à 800 MW, et avec une conception à deux arbres, des installations d'une capacité de 1 000 MW ont déjà été construites.

Au fur et à mesure que la puissance augmentait, il convenait également d'augmenter les paramètres initiaux de la vapeur, qui étaient successivement sélectionnés au niveau de 90, 130, 170, 250 et enfin 350 bars, tandis que les températures initiales augmentaient également, qui s'élevaient à 500, 535, 565, 590, et dans certains cas jusqu'à 650°C. Il faut garder à l'esprit qu'à des températures supérieures à 565°C, il est nécessaire d'utiliser des aciers austénitiques très coûteux et moins étudiés. Cela a conduit au fait qu'il y a eu récemment une tendance à un certain retrait dans la plage de température qui élimine la nécessité d'utiliser des aciers austénitiques, c'est-à-dire températures à 540°C.

Grande importance pour le développement des turbines batterie faible et, en particulier, pour le développement des turbines à vapeur des navires, des succès ont été obtenus entre 1915 et 1920. dans le domaine de la construction de boîtes de vitesses. Jusqu'à cette époque, les turbines des navires fonctionnaient à un nombre de tours égal au nombre de tours hélices, c'est à dire. 300 - 500 tr/min, ce qui réduisait l'efficacité de l'installation et conduisait à des dimensions et à des poids importants des turbines.

Depuis l'époque où une fiabilité totale et un rendement élevé étaient atteints dans le fonctionnement des réducteurs à engrenages, les turbines de navires sont équipées d'entraînements par engrenages et fonctionnent à une vitesse accrue, ce qui correspond aux conditions de fonctionnement les plus favorables de la turbine.

Pour les turbines stationnaires de faible puissance, il s'est également avéré judicieux d'utiliser une transmission par engrenages entre la turbine et le générateur. La vitesse la plus élevée possible avec la connexion directe des arbres de turbine et du générateur de courant alternatif à 50 périodes est de 3 000 tr/min. Pour des puissances inférieures à 2,5 MW, cette vitesse est défavorable pour une turbine à condensation. Avec le développement de la technologie des boîtes de vitesses, il est devenu possible de fabriquer des turbines à des vitesses plus élevées (5 000-10 000 tr/min), ce qui a permis d'augmenter le rendement des turbines de faible puissance, et surtout de réduire leur taille et de simplifier leur conception.

Invention des turbines à vapeur.

Parallèlement aux turbines hydrauliques décrites dans l'un des chapitres précédents, l'invention et la diffusion des turbines à vapeur ont eu une grande importance pour l'énergie et l'électrification. Le principe de leur fonctionnement était similaire à celui des hydrauliques, à la différence cependant que la turbine hydraulique était entraînée par un courant d'eau et la turbine à vapeur était entraînée par un courant de vapeur chauffée. Tout comme la turbine à eau représentait un nouveau mot dans l’histoire des moteurs à eau, la turbine à vapeur démontrait les nouvelles capacités de la machine à vapeur.

L'ancienne machine de Watt, qui célébrait son centenaire dans le troisième quart du XIXe siècle, avait un faible rendement car mouvement de rotation cela s’est avéré d’une manière complexe et irrationnelle. En fait, comme on s'en souvient, la vapeur ne déplaçait pas la roue en rotation elle-même, mais exerçait une pression sur le piston ; du piston, à travers la bielle et la manivelle, le mouvement était transmis à l'arbre principal. À la suite de nombreux transferts et transformations, une grande partie de l'énergie issue de la combustion du carburant, au sens plein du terme, s'est envolée sans aucun bénéfice. Plus d'une fois, les inventeurs ont tenté de concevoir une machine plus simple et plus économique - une turbine à vapeur, dans laquelle un jet de vapeur ferait directement tourner la roue. Un simple calcul a montré qu'elle devrait avoir une efficacité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de la machine de Watt. Cependant, de nombreux obstacles se sont opposés à la réflexion technique. Pour que la turbine devienne véritablement un moteur très efficace, la turbine devait tourner à une vitesse très élevée. grande vitesse, faisant des centaines de tours par minute. Pendant longtemps, ils n'y parvinrent pas, car ils ne savaient pas comment transmettre la vitesse appropriée au jet de vapeur.

La première étape importante dans le développement d'un nouveau moyens techniques, qui a supplanté la machine à vapeur, a été réalisée par l'ingénieur suédois Carl Gustav Patrick Laval en 1889. La turbine à vapeur Laval est une roue à pales. Le jet d'eau généré dans la chaudière s'échappe du tuyau (buse), appuie sur les pales et fait tourner la roue. En expérimentant différents tubes d'alimentation en vapeur, le concepteur est arrivé à la conclusion qu'ils devraient avoir une forme conique. C'est ainsi qu'est apparue la buse Laval, utilisée encore aujourd'hui.

Ce n'est qu'en 1883 que le Suédois Gustav Laval réussit à surmonter de nombreuses difficultés et à créer la première turbine à vapeur fonctionnelle. Quelques années plus tôt, Laval avait obtenu un brevet pour un séparateur de lait. Pour l’alimenter, il fallait un entraînement à très grande vitesse. Aucun des moteurs qui existaient à cette époque ne répondait à cette tâche. Laval devient convaincu que seule une turbine à vapeur peut lui donner la vitesse de rotation requise. Il a commencé à travailler sur sa conception et a finalement réalisé ce qu'il voulait. La turbine de Laval était une roue légère sur les pales de laquelle, après plusieurs angle aigu les buses généraient de la vapeur. En 1889, Laval améliore considérablement son invention en ajoutant des expanseurs coniques aux buses. Cela a considérablement augmenté l'efficacité de la turbine hydraulique et en a fait un moteur universel.

Le principe de fonctionnement de la turbine était extrêmement simple. De la vapeur, chauffée à haute température, sortait de la chaudière par un tuyau de vapeur jusqu'aux buses et éclatait. Dans les buses, la vapeur se dilate jusqu'à pression atmosphérique. Du fait de l'augmentation de volume qui accompagnait cette détente, on obtenait une augmentation significative du débit (avec une détente de 5 à 1 atmosphère, la vitesse du jet de vapeur atteignait 770 m/s). De cette manière, l’énergie contenue dans la vapeur était transférée aux aubes de la turbine. Le nombre de buses et la pression de la vapeur déterminaient la puissance de la turbine. Lorsque la vapeur d'échappement n'était pas rejetée directement dans l'air, mais était dirigée, comme dans les machines à vapeur, vers un condenseur et liquéfiée sous pression réduite, la puissance de la turbine était la plus grande. Ainsi, lorsque la vapeur passait de 5 atmosphères à 1/10 atmosphère, la vitesse du jet atteignait des valeurs supersoniques.

Malgré son apparente simplicité, la turbine Laval était un véritable miracle d'ingénierie. Il suffit d'imaginer les charges que la roue a subies pour comprendre à quel point il était difficile pour l'inventeur d'obtenir un fonctionnement ininterrompu de son idée. À des vitesses énormes de la roue de turbine, même un léger déplacement du centre de gravité provoquait une forte charge sur l'essieu et surchargeait les roulements. Pour éviter cela, Laval a eu l'idée de placer la roue sur un axe très fin, qui pouvait légèrement se plier lors de la rotation. Lors du déroulement, il arrivait automatiquement à une position strictement centrale, qui était ensuite maintenue à n'importe quelle vitesse de rotation. Grâce à cette solution ingénieuse, l'effet destructeur sur les roulements a été réduit au minimum.

Dès son apparition, la turbine Laval a acquis une reconnaissance universelle. Elle était beaucoup plus économique que les anciennes machines à vapeur, très facile à utiliser, prenait peu de place et était facile à installer et à connecter. La turbine Laval présentait des avantages particulièrement importants lorsqu'elle était associée à des machines à grande vitesse: scies, séparateurs, pompes centrifuges. Il a également été utilisé avec succès comme entraînement pour un générateur électrique, mais il avait néanmoins une vitesse excessivement élevée et ne pouvait donc fonctionner que via une boîte de vitesses (un système de roues dentées qui réduisaient la vitesse de rotation lors de la transmission du mouvement de l'arbre de la turbine à l'arbre du générateur).

En 1884, l'ingénieur anglais Parson a obtenu un brevet pour une turbine à réaction à plusieurs étages, qu'il a inventé spécifiquement pour entraîner un générateur électrique. En 1885, il conçoit une turbine à réaction à plusieurs étages, qui sera ensuite largement utilisée dans les centrales thermiques. Elle avait prochain appareil, rappelant un dispositif de turbine hydraulique à réaction. Une série de roues rotatives à pales était montée sur l'arbre central. Entre ces roues se trouvaient des jantes fixes (disques) avec des pales qui avaient la direction opposée. De la vapeur sous haute pression était fournie à une extrémité de la turbine. La pression à l’autre extrémité était faible (inférieure à la pression atmosphérique). La vapeur avait donc tendance à passer par la turbine. Tout d'abord, il est entré dans les espaces entre les lames de la première couronne. Ces pales le dirigeaient vers les pales de la première roue mobile. De la vapeur passait entre eux, faisant tourner les roues. Puis il entra dans la deuxième couronne. Les pales de la deuxième couronne dirigeaient la vapeur entre les pales de la deuxième roue mobile, qui se mettait également à tourner. Depuis la deuxième roue mobile, de la vapeur s'écoulait entre les pales de la troisième jante, et ainsi de suite. Toutes les pales avaient une forme telle que la section transversale des canaux entre les pales diminuait dans la direction de l'écoulement de la vapeur. Les pales semblaient former des buses montées sur un arbre, d'où s'écoulait de la vapeur en se dilatant. Les puissances active et réactive ont été utilisées ici. En tournant, toutes les roues faisaient tourner l’arbre de la turbine. L’extérieur de l’appareil était enfermé dans un boîtier solide. En 1889, environ trois cents de ces turbines étaient déjà utilisées pour produire de l'électricité et en 1899, la première centrale électrique équipée de turbines à vapeur Parson fut construite à Elberfeld. Pendant ce temps, Parson tentait d’élargir la portée de son invention. En 1894, il construit un navire expérimental, le Turbinia, propulsé par une turbine à vapeur. Lors des tests, il a démontré une vitesse record de 60 km/h. Après cela, des turbines à vapeur ont commencé à être installées sur de nombreux navires à grande vitesse.

Histoire de l'invention des turbines à vapeur

L'invention et la diffusion des turbines à vapeur revêtirent une grande importance pour l'énergie et l'électrification. Le principe de leur fonctionnement était similaire à celui des hydrauliques, à la différence cependant que la turbine hydraulique était entraînée par un courant d'eau et la turbine à vapeur était entraînée par un courant de vapeur chauffée. Tout comme la turbine à eau représentait un nouveau mot dans l’histoire des moteurs à eau, la turbine à vapeur démontrait les nouvelles capacités de la machine à vapeur.

L'ancienne machine de Watt, qui a célébré son centenaire dans le troisième quart du XIXe siècle, avait un faible rendement, car le mouvement de rotation était réalisé de manière complexe et irrationnelle. En fait, comme on s'en souvient, la vapeur ne déplaçait pas la roue en rotation elle-même, mais exerçait une pression sur le piston ; du piston, à travers la bielle et la manivelle, le mouvement était transmis à l'arbre principal. À la suite de nombreux transferts et transformations, une grande partie de l'énergie issue de la combustion du carburant, au sens plein du terme, s'est envolée sans aucun bénéfice. Plus d'une fois, les inventeurs ont tenté de concevoir une machine plus simple et plus économique - une turbine à vapeur, dans laquelle un jet de vapeur ferait directement tourner la roue. Un simple calcul a montré qu'elle devrait avoir une efficacité de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de la machine de Watt. Cependant, de nombreux obstacles se sont opposés à la réflexion technique. Pour qu’une turbine devienne véritablement un moteur très efficace, la turbine devait tourner à des vitesses très élevées, faisant des centaines de tours par minute. Pendant longtemps, ils n'y parvinrent pas, car ils ne savaient pas comment transmettre la vitesse appropriée au jet de vapeur.

La première étape importante dans le développement d'un nouveau moyen technique qui a supplanté la machine à vapeur a été franchie par l'ingénieur suédois Carl Gustav Patrick Laval en 1889. La turbine à vapeur Laval est une roue à pales. Le jet d'eau généré dans la chaudière s'échappe du tuyau (buse), appuie sur les pales et fait tourner la roue. En expérimentant différents tubes d'alimentation en vapeur, le concepteur est arrivé à la conclusion qu'ils devraient avoir une forme conique. C'est ainsi qu'est apparue la buse Laval, utilisée encore aujourd'hui.

Ce n'est qu'en 1883 que le Suédois Gustav Laval réussit à surmonter de nombreuses difficultés et à créer la première turbine à vapeur fonctionnelle. Quelques années plus tôt, Laval avait obtenu un brevet pour un séparateur de lait. Pour l’alimenter, il fallait un entraînement à très grande vitesse. Aucun des moteurs qui existaient à cette époque ne répondait à cette tâche. Laval devient convaincu que seule une turbine à vapeur peut lui donner la vitesse de rotation requise. Il a commencé à travailler sur sa conception et a finalement réalisé ce qu'il voulait. La turbine de Laval était une roue légère sur les pales de laquelle de la vapeur était induite par plusieurs buses placées à un angle aigu. En 1889, Laval améliore considérablement son invention en ajoutant des expanseurs coniques aux buses. Cela a considérablement augmenté l'efficacité de la turbine hydraulique et en a fait un moteur universel.

Le principe de fonctionnement de la turbine était extrêmement simple. La vapeur, chauffée à haute température, sortait de la chaudière par un tuyau de vapeur jusqu'aux buses et éclatait. Dans les buses, la vapeur se dilatait jusqu'à la pression atmosphérique. Du fait de l'augmentation de volume qui accompagnait cette détente, on obtenait une augmentation significative du débit (avec une détente de 5 à 1 atmosphère, la vitesse du jet de vapeur atteignait 770 m/s). De cette manière, l’énergie contenue dans la vapeur était transférée aux aubes de la turbine. Le nombre de buses et la pression de la vapeur déterminaient la puissance de la turbine. Lorsque la vapeur d'échappement n'était pas rejetée directement dans l'air, mais était dirigée, comme dans les machines à vapeur, vers un condenseur et liquéfiée sous pression réduite, la puissance de la turbine était la plus grande. Ainsi, lorsque la vapeur passait de 5 atmosphères à 1/10 atmosphère, la vitesse du jet atteignait des valeurs supersoniques.

Dès son apparition, la turbine Laval a acquis une reconnaissance universelle. Elle était beaucoup plus économique que les anciennes machines à vapeur, très facile à utiliser, prenait peu de place et était facile à installer et à connecter. La turbine Laval présentait des avantages particulièrement importants lorsqu'elle était associée à des machines à grande vitesse : scies, séparateurs, pompes centrifuges. Il a également été utilisé avec succès comme entraînement pour un générateur électrique, mais il avait néanmoins une vitesse excessivement élevée et ne pouvait donc fonctionner que via une boîte de vitesses (un système de roues dentées qui réduisaient la vitesse de rotation lors de la transmission du mouvement de l'arbre de la turbine à l'arbre du générateur). turbine à vapeur laval

En 1884, l'ingénieur anglais Parson a obtenu un brevet pour une turbine à réaction à plusieurs étages, qu'il a inventé spécifiquement pour entraîner un générateur électrique. En 1885, il conçoit une turbine à réaction à plusieurs étages, qui sera ensuite largement utilisée dans les centrales thermiques. Il possédait le dispositif suivant, rappelant une turbine hydraulique à réaction. Une série de roues rotatives à pales était montée sur l'arbre central. Entre ces roues se trouvaient des jantes fixes (disques) avec des pales qui avaient la direction opposée. De la vapeur sous haute pression était fournie à une extrémité de la turbine. La pression à l’autre extrémité était faible (inférieure à la pression atmosphérique). La vapeur avait donc tendance à passer par la turbine. Tout d'abord, il est entré dans les espaces entre les lames de la première couronne. Ces pales le dirigeaient vers les pales de la première roue mobile. De la vapeur passait entre eux, faisant tourner les roues. Puis il entra dans la deuxième couronne. Les pales de la deuxième couronne dirigeaient la vapeur entre les pales de la deuxième roue mobile, qui se mettait également à tourner. Depuis la deuxième roue mobile, de la vapeur s'écoulait entre les pales de la troisième jante, et ainsi de suite. Toutes les pales avaient une forme telle que la section transversale des canaux entre les pales diminuait dans la direction de l'écoulement de la vapeur. Les pales semblaient former des buses montées sur un arbre, d'où s'écoulait de la vapeur en se dilatant. Les puissances active et réactive ont été utilisées ici. En tournant, toutes les roues faisaient tourner l’arbre de la turbine. L’extérieur de l’appareil était enfermé dans un boîtier solide. En 1889, environ trois cents de ces turbines étaient déjà utilisées pour produire de l'électricité et en 1899, la première centrale électrique équipée de turbines à vapeur Parson fut construite à Elberfeld. Pendant ce temps, Parson tentait d’élargir la portée de son invention. En 1894, il construit un navire expérimental, le Turbinia, propulsé par une turbine à vapeur. Lors des tests, il a démontré une vitesse record de 60 km/h. Après cela, des turbines à vapeur ont commencé à être installées sur de nombreux navires à grande vitesse.

Qui a créé la turbine à vapeur et quand. Informations générales sur les centrales à turbine à vapeur

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