Historia powstania turbin jest krótka. Krótka historia wynalezienia turbin

Wynalezienie turbin parowych.

Oprócz turbin hydraulicznych opisanych w jednym z poprzednich rozdziałów, wynalezienie i rozpowszechnienie turbin parowych miało ogromne znaczenie dla energetyki i elektryfikacji. Zasada ich działania była podobna do hydraulicznych, z tą jednak różnicą, że turbina hydrauliczna napędzana była strumieniem wody, a turbina parowa strumieniem podgrzanej pary. Tak jak turbina wodna stanowiła nowe słowo w historii silników wodnych, tak turbina parowa pokazała nowe możliwości maszyny parowej.

Stara maszyna Watta, która w trzeciej ćwierci XIX wieku obchodziła swoje stulecie, charakteryzowała się niską wydajnością, gdyż ruch obrotowy uzyskiwano w sposób skomplikowany i irracjonalny. Tak naprawdę, jak pamiętamy, para nie poruszała samym obracającym się kołem, ale wywierała nacisk na tłok; od tłoka, poprzez korbowód, korbowód i korbę, ruch był przenoszony na wał główny. W wyniku licznych transferów i przemian ogromna część energii uzyskanej ze spalania paliw, w pełnym tego słowa znaczeniu, spłynęła do ścieków bez żadnej korzyści. Niejednokrotnie wynalazcy próbowali zaprojektować prostszą i bardziej ekonomiczną maszynę - turbinę parową, w której strumień pary bezpośrednio obracałby wirnik. Proste obliczenia wykazały, że powinna ona mieć wydajność o kilka rzędów wielkości wyższą niż maszyna Watta. Jednak na drodze myśli inżynierskiej pojawiło się wiele przeszkód. Aby turbina naprawdę stała się silnikiem o wysokiej wydajności, wirnik musiał obracać się z bardzo dużymi prędkościami, wykonując setki obrotów na minutę. Przez długi czas nie mogli tego osiągnąć, gdyż nie wiedzieli, jak nadać odpowiednią prędkość strumieniowi pary.

Pierwszy ważny krok w rozwoju nowego środka technicznego, który wyparł maszynę parową, wykonał szwedzki inżynier Carl Gustav Patrick Laval w 1889 roku. Turbina parowa Laval to koło z łopatkami. Strumień wody powstający w kotle wydostaje się z rury (dyszy), naciska na łopatki i wiruje koło. Eksperymentując z różnymi rurkami doprowadzającymi parę, projektant doszedł do wniosku, że powinny one mieć kształt stożka. Tak pojawiła się używana do dziś dysza Lavala.

Dopiero w 1883 roku Szwedowi Gustavowi Lavalowi udało się pokonać wiele trudności i stworzyć pierwszą działającą turbinę parową. Kilka lat wcześniej Laval otrzymał patent na separator mleka. Do jego zasilania potrzebny był bardzo szybki napęd. Żaden z istniejących wówczas silników nie sprostał temu zadaniu. Laval nabrał przekonania, że ​​tylko turbina parowa może zapewnić mu wymaganą prędkość obrotową. Zaczął pracować nad jego projektem i ostatecznie osiągnął to, czego chciał. Turbina Lavala była lekkim kołem, na którego łopatki wprowadzano parę poprzez kilka dysz umieszczonych pod ostrym kątem. W 1889 roku Laval znacznie ulepszył swój wynalazek, dodając do dysz stożkowe ekspandery. To znacznie zwiększyło wydajność turbiny hydraulicznej i zamieniło ją w silnik uniwersalny.

Zasada działania turbiny była niezwykle prosta. Para podgrzana do wysokiej temperatury przedostała się z kotła rurą parową do dysz i wytrysnęła. W dyszach para rozpręża się do ciśnienia atmosferycznego. W wyniku towarzyszącego temu rozprężaniu wzrostu objętości uzyskano znaczny wzrost natężenia przepływu (przy rozprężaniu od 5 do 1 atmosfery prędkość strumienia pary osiągała 770 m/s). W ten sposób energia zawarta w parze przekazywana była na łopatki turbiny. Liczba dysz i ciśnienie pary determinowały moc turbiny. Gdy para spalinowa nie była uwalniana bezpośrednio do powietrza, lecz kierowana jak w silnikach parowych do skraplacza i skroplona pod zmniejszonym ciśnieniem, moc turbiny była największa. Tak więc, gdy para rozrosła się z 5 atmosfer do 1/10 atmosfery, prędkość strumienia osiągnęła wartości naddźwiękowe.

Pomimo pozornej prostoty turbina Lavala była prawdziwym cudem inżynierii. Wystarczy wyobrazić sobie obciążenia, jakich doświadczał w nim wirnik, aby zrozumieć, jak trudno było wynalazcy uzyskać nieprzerwaną pracę od swojego pomysłu. Przy ogromnych prędkościach obrotowych koła turbiny nawet niewielkie przesunięcie środka ciężkości powodowało duże obciążenie osi i przeciążenie łożysk. Aby tego uniknąć, Laval wpadł na pomysł umieszczenia koła na bardzo cienkiej osi, która podczas obrotu mogłaby się lekko ugiąć. Podczas odwijania automatycznie dochodziła do pozycji ściśle centralnej, którą następnie utrzymywano przy dowolnej prędkości obrotowej. Dzięki temu pomysłowemu rozwiązaniu destrukcyjny wpływ na łożyska został ograniczony do minimum.

Turbina Lavala od razu po pojawieniu się zyskała powszechne uznanie. Był znacznie bardziej ekonomiczny od starych silników parowych, bardzo łatwy w obsłudze, zajmował niewiele miejsca, był łatwy w montażu i podłączeniu. Turbina Lavala zapewniała szczególnie duże korzyści w połączeniu z maszynami szybkoobrotowymi: piłami, separatorami, pompami odśrodkowymi. Był on także z powodzeniem stosowany jako napęd generatora prądu, jednak nadal miał dla niego zbyt dużą prędkość obrotową i dlatego mógł pracować jedynie poprzez skrzynię biegów (układ kół zębatych, który zmniejszał prędkość obrotową przy przekazywaniu ruchu z wału turbiny na wał generatora).

W 1884 roku angielski inżynier Parson otrzymał patent na wielostopniową turbinę odrzutową, którą wynalazł specjalnie do napędzania generatora elektrycznego. W 1885 roku zaprojektował wielostopniową turbinę odrzutową, która później znalazła szerokie zastosowanie w elektrowniach cieplnych. Miał następujące urządzenie, przypominające odrzutową turbinę hydrauliczną. Na centralnym wale zamontowano szereg obrotowych kół z ostrzami. Pomiędzy tymi kołami znajdowały się stałe felgi (tarcze) z łopatkami skierowanymi w przeciwnym kierunku. Na jeden koniec turbiny doprowadzano parę pod wysokim ciśnieniem. Ciśnienie na drugim końcu było małe (mniejsze niż atmosferyczne). Dlatego para miała tendencję do przepływu przez turbinę. Najpierw wszedł w przestrzenie pomiędzy ostrzami pierwszej korony. Ostrza te skierowały go na ostrza pierwszego ruchomego koła. Para przepływała pomiędzy nimi, powodując obrót kół. Następnie wszedł do drugiej korony. Ostrza drugiej korony skierowały parę pomiędzy ostrza drugiego ruchomego koła, które również zaczęło się obracać. Z drugiego ruchomego koła para przepływała pomiędzy łopatkami trzeciego wieńca i tak dalej. Wszystkim łopatkom nadano taki kształt, aby przekrój kanałów międzyłopatkowych zmniejszał się w kierunku przepływu pary. Łopatki zdawały się tworzyć dysze zamontowane na wale, z którego, rozszerzając się, wypływała para. Wykorzystano tu zarówno moc czynną, jak i bierną. Obracając się, wszystkie koła obracały wał turbiny. Zewnętrzną część urządzenia zamknięto w mocnej obudowie. W 1889 r. do produkcji prądu wykorzystywano już około trzystu takich turbin, a w 1899 r. w Elberfeld zbudowano pierwszą elektrownię z turbinami parowymi Parson. Tymczasem Parson próbował rozszerzyć zakres swojego wynalazku. W 1894 roku zbudował eksperymentalny statek Turbinia napędzany turbiną parową. Podczas testów wykazał rekordową prędkość 60 km/h. Następnie na wielu szybkich statkach zaczęto instalować turbiny parowe.

Pod koniec XIX wieku nastąpił szybki rozwój przemysłu. Pracę ręczną zastąpiono maszynami, zwiększono wielkość produkcji, wszystko trzeba było robić coraz szybciej, szybciej… Postęp wymagał coraz więcej energii, a rozmiary maszyn parowych rosły proporcjonalnie. Silniki parowe stawały się coraz potężniejsze i większe, aż ich wymiary zaczęły zagrażać wytrzymałości mechanicznej. Trzeba było w jakiś sposób ulepszyć technologię, aby przemysł mógł się dalej rozwijać.

Nawiasem mówiąc, w Anglii w latach 1784–1884 zarejestrowano ponad dwieście wynalazków w taki czy inny sposób związanych z turbinami parowymi. Żaden z nich nie miał jednak silnego wpływu na branżę. Tego samego nie można powiedzieć o wynalazkach Szweda Gustava de Lavala.

De Laval stworzył wydajny separator mleka, na który było duże zapotrzebowanie. Inżynier postanowił przeznaczyć dochód na budowę turbiny parowej: separator potrzebował napędu mechanicznego. Podczas swojej pracy wynalazł dyszę rozprężną, która umożliwiła zmniejszenie ciśnienia pary i przyspieszenie jej cząstek do prędkości naddźwiękowej. Wynalazek ten jest obecnie znany jako „dysza Lavala” i jest stosowany w nowoczesnych silnikach rakietowych i samolotów odrzutowych, a także w turbinach parowych.

Dysza Lavala

Na wystawie w Chicago w 1893 roku Laval zaprezentował małą turbinę parową o mocy 5 KM. I prędkość obrotowa 30 tys. obr./min. To prawda, że ​​​​aby w jakiś sposób wykorzystać tę turbinę, potrzebny był zespół napędowy przekładni redukcyjnej, a wówczas taka instalacja była kilkakrotnie większa niż rozmiar samej turbiny.

Mniej więcej w tym samym czasie Anglik Charles Parsons pracował nad koncepcją turbiny parowej. W 1884 roku zaprojektował swoją pierwszą wielostopniową turbinę parową do użytku w połączeniu z generatorem elektrycznym. Turbina Parsonsa otrzymała zupełnie nową konstrukcję, dzięki której energia pary została wykorzystana maksymalnie efektywnie. Para rozprężała się etapowo, przechodząc przez 15 stopni oddzielonych od siebie specjalnymi przegrodami (przeponami turbin parowych). Ten pomysł stopniowego rozprężania pary jest również stosowany w nowoczesnych turbinach parowych. Ponadto Pasons wprowadził nowy typ łożyska, które składało się z zestawu pierścieni o różnych średnicach: niektóre pierścienie przylegały do ​​wnętrza, nie dotykając obudowy, inne przylegały do ​​obudowy, ale nie dotykały jej wnętrza. W ten sposób umożliwiono niewielkie przemieszczenia wału i zmniejszono drgania. Według naocznych świadków, którzy widzieli turbinę Parsonsa, praca była płynniejsza i cichsza niż ówczesnych silników parowych, których praca wstrząsnęła fundamentami.

Z każdym rokiem Parsons wprowadzał coraz więcej ulepszeń, z których większość jest w użyciu do dziś.

Turbogenerator Parsonsa, 1884

Historia technologii jest pełna przykładów, gdzie wynalazcy z różnych krajów pracowali niezależnie, aby rozwiązać wspólny problem. Uderzającym przykładem takiej „współpracy międzynarodowej” jest stworzenie turbiny parowej.

Pierwszy ważny krok w rozwoju nowego środka technicznego, który wyparł maszynę parową, wykonał szwedzki inżynier Carl Gustav Patrick Laval (1845-1913).

Z pochodzenia był Francuzem, ale jego przodkowie sięgają XVI wieku. opuścił Francję i udał się do Szwecji, aby uniknąć prześladowań religijnych. Dzięki bystremu umysłowi i niezwykłym zdolnościom Laval znakomicie obronił rozprawę doktorską zaraz po ukończeniu Uniwersytetu w Uppsali w 1872 roku. Jego pierwszymi wynalazkami były udoskonalenia technologii chemicznych i górniczych. Na te wynalazki inżynier otrzymał kilkadziesiąt patentów. W 1878 roku Laval zaprojektował separator mleka (łac. separator - „separator”). Zasada działania urządzenia jest prosta. Pojemnik na mleko musi obracać się z prędkością większą niż 100 obr./min. Siła odśrodkowa będzie wyrzucać wodę w stronę ścianek pojemnika, w środku zgromadzi się lżejszy tłuszcz, w efekcie śmietanka i odtłuszczone mleko rozdzielą się. Ale jak uzyskać potrzebną prędkość? W poszukiwaniu odpowiedzi na to pytanie naukowiec wynalazł turbinę parową. Został zbudowany w 1889 roku.

Turbina parowa Laval to koło z łopatkami. Strumień pary powstający w kotle wydostaje się z rury (dyszy), naciska na łopatki i wprawia w ruch koło. Eksperymentując z różnymi rurkami doprowadzającymi parę, projektant doszedł do wniosku, że powinny one mieć kształt stożka. Tak powstała używana do dziś dysza Lavala (patent 1889). Wynalazca dokonał tego ważnego odkrycia raczej intuicyjnie; teoretykom zajęło jeszcze kilka dziesięcioleci udowodnienie, że dysza o tym konkretnym kształcie daje najlepszy efekt.

Kolejnym krokiem w rozwoju turbin był angielski wynalazca Charles Algernon Parsons (1854-1931).

Kiedy Laval pracował już nad stworzeniem turbiny, Parsons nadal studiował na Uniwersytecie Cambridge. On, jak przystało na przedstawiciela rodziny arystokratycznej (jego ojciec, lord Ross, był znanym astronomem i osobą publiczną), otrzymał wszechstronne wykształcenie. Prace nad turbinami rozpoczął w 1881 roku, a trzy lata później otrzymał patent na własny projekt; Parsons połączył turbinę parową z generatorem energii elektrycznej. Za pomocą turbiny stało się możliwe wytwarzanie energii elektrycznej, co natychmiast wzrosło zainteresowanie opinii publicznej turbinami parowymi.

W wyniku 15 lat badań Parsons stworzył najbardziej zaawansowaną wówczas wielostopniową turbinę odrzutową. Dokonał kilku wynalazków zwiększających wydajność tego urządzenia (udoskonalił konstrukcję uszczelek, sposób mocowania ostrzy do koła, system kontroli prędkości).

Wkrótce francuski naukowiec Oposte Rato (1863-1930), podsumowując istniejące doświadczenia, stworzył kompleksową teorię maszyn przepływowych.

Opracował oryginalną turbinę wielostopniową, która z sukcesem została zaprezentowana na Wystawie Światowej zorganizowanej w stolicy Francji w 1900 roku. Dla każdego stopnia turbiny Rato obliczył optymalny spadek ciśnienia, który zapewnił wysoką ogólną sprawność maszyny.

Od 1900 roku znana firma „West Inhouse” rozpoczęła produkcję turbin nowego układu amerykańskiego wynalazcy Glenna Curtisa (1879-1954). W jego maszynie prędkość obrotowa turbiny była mniejsza, a energia pary została wykorzystana pełniej. Dlatego turbiny Curtis były mniejsze i bardziej niezawodne w konstrukcji.

Jednym z głównych obszarów zastosowań turbin parowych są układy napędowe statków. Pierwszy statek z silnikiem turbinowym parowym, Turbinia, zbudowany przez Parsonsa w 1894 roku, osiągał prędkość do 32 węzłów (około 59 km/h).

Od 1900 roku zaczęto instalować turbiny na niszczycielach, a po 1906 roku wszystkie duże okręty wojenne zostały wyposażone w silniki turbinowe. W tym samym roku 1906 zwodowano dwa duże pasażerskie transatlantyki z zespołami turbinowymi – Lusitania i Mauretania.

W dzisiejszych czasach „serce”, które daje życie większości maszyn stworzonych przez człowieka, jednak nie zawsze tak było.

Od przeszłości do teraźniejszości

Przed erą silników spalinowych turbina parowa przez długi czas była kamieniem węgielnym postępu technologicznego. Jest to rzadki przypadek, gdy wynalazki okazują się tak skuteczne, że nadal są stosowane w naszych czasach, aczkolwiek z szeregiem ulepszeń. Należy pamiętać, że turbin parowych nie należy mylić z klasycznymi maszynami parowymi (ta sama lokomotywa parowa). Zasada działania jest inna, a skuteczność nieporównywalna.

Turbina parowa. Wynalazek

Uważa się, że Szwed P. Laval jako pierwszy opracował taką turbinę i wykonał ją w metalu. Już w 1889 roku pojawiło się zapotrzebowanie na wydajny silnik zdolny do wytwarzania obrotów z częstotliwością co najmniej 100 obrotów na sekundę. Zasada działania turbiny była dość prosta: łopatki umieszczono na powierzchni przymocowanego do osi cylindra, w który uderzał strumień przegrzanej pary z pobliskiego kotła. para została przekształcona w kinetyczną, powodując obrót cylindra. Laval ustalił eksperymentalnie, że najlepsze wyniki można osiągnąć, jeśli para przepływa przez dysze w kształcie stożka, a nie proste rurki.

Jednak bardziej znana jest turbina parowa Anglika C. A. Parsonsa. Opracował go niemal równolegle z Lavalem, ale nie tylko go udoskonalił, ale także domyślił się połączenia go z generatorem elektrycznym (prototyp współczesnego systemu G-D).

W 1894 roku stworzył statek napędzany silnikiem opartym na turbinie parowej (około 60 km/h). Pomysł był na tyle udany, że po 1900 roku większość okrętów wojennych była wyposażona w podobne silniki.

Obecnie

Oczywiście od czasu wynalazku i pierwszych modeli turbina parowa została zmodernizowana, a wady konstrukcyjne wyeliminowane. Klasyczna instalacja turbiny parowej składa się z dwóch elementów: stacjonarnego stojana z blokiem dysz oraz obracającego się wirnika (cylindra) z łopatkami umieszczonymi na jego korpusie. W zależności od kierunku ruchu strumienia pary istnieją dwa rodzaje konstrukcji wirnika - promieniowa i osiowa. Pierwsze to echa oryginalnych rozwiązań: w nich wektor propagacji pary jest prostopadły do ​​osi cylindra, a łopatki są do niej równoległe. W osiowych kierunek ruchu pary pokrywa się z osią, a obrót powstaje dzięki specjalnej orientacji ostrzy.

Bardziej efektywne wykorzystanie energii pary możliwe jest w turbinach parowych z kilkoma cylindrami (wielokadłub). Jednakże ze względu na gabaryty i złożoność konstrukcji rozwiązania tego typu stosuje się tam, gdzie ich zastosowanie jest ekonomicznie uzasadnione. Cylindry obudowy mogą być umieszczone albo na wspólnej osi, albo być mechanicznie niezależne. System uszczelek i membran zapobiega nieprawidłowej pracy całej instalacji (pobór powietrza z zewnątrz, wyciek pary, obejście stopni itp.).

Rozwój technologii turbin parowych

Przy niskim ciśnieniu pary i małej mocy klasyczne turbiny nie są wystarczająco wydajne. Zastąpiono je parowym silnikiem śrubowym. Ten rosyjski rozwój stanowi naturalną ewolucję pierwotnego modelu. Wewnątrz obudowy umieszczone są wirniki ze spiralnymi łopatkami. Dopływająca para wypełnia przestrzeń pomiędzy zębami najbliższych śrub, następuje obrót i dalszy dopływ zostaje zatrzymany. Następnie we wnęce parowej powstała część rozszerza się i obraca wirnik śrubowy. Taka konstrukcja pozwala na pełniejsze wykorzystanie zgromadzonej energii pary.

Wiek XII upłynął pod znakiem pojawienia się pierwszej maszyny parowej. Było to wydarzenie, kiedy w przemyśle i technologii pojawiły się maszyny zmechanizowane, stopniowo zastępując pracę ludzką. Rozwój przemysłu nie stał w miejscu. Cała historia jego rozwoju charakteryzuje się poszukiwaniem rozwiązań przez wynalazców z różnych krajów jednego problemu - stworzenia turbiny porowej.

Można argumentować, że historia wynalazku turbin sięga XIX wieku, kiedy to szwedzki naukowiec Carl Patrick Laval wynalazł separator mleka. W poszukiwaniu rozwiązania problemu zwiększenia prędkości w tym urządzeniu Karl wynalazł turbinę parową, która została zaprojektowana pod koniec XIX wieku. Turbina wyglądała jak koło z łopatkami; strumień pary wydobywający się z rury naciskał na te łopatki i koło się obracało. Naukowiec przez długi czas wybierał rury do dostarczania pary o różnych rozmiarach i kształtach, a w wyniku długich eksperymentów doszedł do wniosku, że rura powinna mieć kształt stożka. Urządzenie to jest nadal w użyciu i nosi nazwę dyszy Lavala. Pomimo tego, że wynalazek Lavala na pierwszy rzut oka był dość prostym urządzeniem, stał się cudem inżynierii. I po pewnym czasie naukowcy i teoretycy udowodnili, że wynalezienie turbin parowych wykorzystujących dyszę Loval daje najwyższe rezultaty.

Co więcej, historia wynalazku turbin sięga początków XX wieku, kiedy francuski wynalazca Auguste Rato zaprojektował wielostopniową turbinę parową, w której obliczono optymalny spadek ciśnienia dla każdego stopnia turbiny.

W końcu amerykański naukowiec Glen Curtis opracował turbinę, w której zastosowano zupełnie nowy system; była niewielka i niezawodna w konstrukcji. Turbiny te znalazły zastosowanie przy projektowaniu układów napędowych statków, instalowano je najpierw na niszczycielach, następnie na okrętach wojennych, a wreszcie na statkach pasażerskich.

Tak więc historia wynalezienia turbin ujawnia XIX-wiecznym naukowcom kilka sposobów poszukiwania wygodnego i ekonomicznego silnika cieplnego. Niektórzy wynalazcy opracowali taki, w którym paliwo spalałoby się w cylindrze, dzięki czemu taki silnik dobrze nadawałby się do transportu. Został udoskonalony przez innych naukowców w celu zwiększenia jego mocy i wydajności.

Dziś historia wynalezienia turbin rozpoczyna się od tak wielkich nazwisk jak Laval, Parsons i Curtis. Wszyscy ci naukowcy i wynalazcy wnieśli ogromny wkład w rozwój przemysłu i komunikacji transportowej na całym świecie. Wszystkie ich osiągnięcia miały ogromne znaczenie dla całej ludzkości. A najważniejsze było upowszechnienie takiego rodzaju energii jak elektryczność. Obecnie wynalazki tych naukowców są szeroko stosowane na całym świecie przy budowie statków i elektrowni.