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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

XII столетие ознаменовалось появлением первой паровой машины. Это являлось тем событием, когда в промышленности и технике появились механизированные машины, постепенно вытеснившие человеческий труд. Развитие промышленности не стояло на месте. Вся история её развития характеризуется поиском решений изобретателями разных стран одной задачи - создания поровой турбины.

Можно утверждать, что история изобретения турбин берёт начало в XIX столетии, когда шведским ученым Карлом Патриком Лавалем был изобретён молочный сепаратор. В поисках решения вопроса об увеличении скорости в данном приборе, Карл изобрёл паровую турбину, которая была сконструирована в конце XIX века. Турбина имела вид колеса с лопастями, струя пара, выходящая из трубы, давила на эти лопасти и колесо раскручивалось. Трубки для подачи пара учённый подбирал различной величины и формы долгое время, и в результате длительных экспериментов сделал вывод, что трубка должна быть конусовидной формы. Это устройство используется по сегодняшний день, и имеет название «сопло Лаваля». Не смотря на то, что изобретение Лаваля было достаточно простым на первый взгляд устройством, оно стало чудом инженерии. А через некоторый период времени учёными - теоретиками было доказано, что изобретение паровых турбин с использованием сопла Ловаля даёт самый высокий результат.

Далее история изобретения турбин продвигается к началу XX столетия, когда французский изобретатель Огюст Рато сконструировал многоступенчатую паровую турбину, в которой были рассчитаны оптимальные показатели падения давления для каждой из ступени турбины.

После всего, американским учёным Гленом Кертисом, была разработана турбина, использовавшая совершено новую систему, она имела маленькие размеры и надёжную конструкцию. Данные турбины использовались при конструкции двигательных систем кораблей, их устанавливали сначала на миноносцах, потом на военных кораблях и, наконец, на кораблях пассажирских.

Таким образом, история изобретения турбин раскрывает несколько путей поиска удобного и экономичного теплового двигателя учёными XIX столетия. Одними изобретателями разрабатывался в котором топливо бы сгорало в цилиндре, поэтому такой двигатель хорошо бы помещался в транспорте. Другими учёнными совершенствовался с целью повышения его мощности и экономичности.

На сегодняшний день история изобретения турбин начинается с таких великих имён, как Лаваль, Парсонс и Кертис. Все эти учённые и изобретатели сделали огромный вклад в развитие промышленности и транспортной связи во всём мире. Все их достижения имели большую важность для всего человечества. А самым главным стало распространение такого вида энергии, как электричество. В настоящее время изобретения данных учёных широко используются во всём мире при строительстве кораблей и электростанций.

Девятнадцатый век не зря называли веком пара.С изобретением паровой машины произошел настоящий переворот в промышленности, энергетике, транспорте. Появилась возможность механизировать работы, ранее требовавшие слишком много человеческих рук. Железные дороги резко расширили возможности тр\анспортировки грузов по суше. В море вышли огромные суда, способные двигаться против ветра и гарантировавшие своевременность доставки товаров. Расширение объемов промышленного производства поставило перед энергетикой задачу всемерного повышения мощности двигателей. Однако первоначально вовсе не высокая мощность вызвала к жизни паровую турбину…

Гидравлическая турбина как устройство для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию вращающегося вала известна с глубокой древности. У паровой турбины история столь же долгая, ведь одна из первых конструкций известна под наименованием «турбины Герона» и датируется первым столетием до нашей эры. Однако сразу заметим – вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами.

И только с началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Д. Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине, так сказать, «вплотную». Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

В отличие от паровой машины, совершающей работу за счет использования потенциальной энергии пара и, в частности, его упругости, паровая турбина использует кинетическую энергию струи пара, преобразуя ее во вращательную энергию вала. Важнейшей особенностью водяного пара является высокая скорость истечения его из одной среды в другую даже при относительно небольшом перепаде давлений. Так, при давлении 5 кгс/м2 струя пара, вытекающая из сосуда в атмосферу, имеет скорость около 450 м/с. В 50-х годах прошлого века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи, следовательно, при радиусе лопаток турбины в 1 м необходимо поддерживать частоту вращения около 4300 об/мин. Техника первой половины XIX века не знала подшипников, способных длительно выдерживать такие скорости. Опираясь на собственный практический опыт, Д. Уатт считал столь высокие скорости движения элементов машины недостижимыми в принципе, и в ответ на предупреждение об угрозе, которую могла создать турбина изобретенной им паровой машине, ответил так: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?»

Однако время шло, техника совершенствовалась, и час практического примения паровой турбины пробил. Впервые примитивные паровые турбины были использованы на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил. Пар подводился через ось и далее, расширяясь, направлялся по трубам в радиальном направлении. Каждая из труб заканчивалась изогнутым наконечником. Таким образом, по конструкции описываемое устройство являлось весьма близким к турбине Герона, обладало крайне низким к.п.д., но более подходило для привода высокооборотных пил, нежели паровая машина с ее возвратно-поступательным движением поршня. К тому же для нагрева пара использовалось, по тогдашним понятиям, бросовое топливо – отходы лесопильного производства.

Впрочем, эти первые американские паровые турбины широкого распространения не получили. Их влияние на дальнейшую историю техники практически отсутствует. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа французского происхождения де Лаваля, имя которого сегодня известно любому двигателисту.

——————————————————————————–

Карл-Густав-Патрик де Лаваль

Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. Карл-Густав-Патрик («основным» считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив технологический институт и университет в Упсале. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин.

Для того, чтобы избежать применения всякого рода мультипликаторов, де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент. Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины активного типа, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой. Вскоре после этого Густав сумел преодолеть и другие проблемы, возникавшие при изготовлении работоспособной активной турбины. Так, он предложил применить гибкий вал, диск равного сопротивления и выработал способ закрепления лопаток в диске.

На международной выставке в Чикаго, проходившей в 1893 г., была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения являлась важным техническим достижением, но одновременно она стала и ахиллесовой пятой такой турбины, поскольку для практического применения она предполагала включение в состав силовой установки понижающего редуктора. В ту пору редукторы изготавливали, главным образом, одноступенчатыми, поэтому нередко диаметр большой шестерни в несколько раз превосходил размеры самой турбины. Необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля. Самая большая одноступенчатая турбина мощностью 500 л.с. имела расход пара на уровне 6…7 кг/л.с.·ч.

Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался чешский ученый А. Стодола, он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории не позволило де Лавалю добиться больших успехов, к тому же он был человеком увлекающимся и легко переключался с одной темы на другую. Пренебрегая финансовой стороной дела, этот талантливый экспериментатор, не успев реализовать очередное изобретение, быстро охладевал к нему, увлекшись новой идеей. Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса.

——————————————————————————–

Чарльз Алджернон Парсонс

Чарльз Парсонс родился в 1854 г. и получил классическое английское образование, закончив Кембриджский университет. Родом своей деятельности он избрал машиностроение и с 1976 г. стал работать на заводе Армстронга в Ньюкасле. Талант и изобретательность конструктора в сочетании с финансовыми возможностями родителей позволили Парсонсу быстро встать во главе собственного дела. Уже в 1883 г. он совладелец фирмы «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко», а в 1889 г. – владелец собственного турбостроительного и динамостроительного завода в Гитоне.

Первую паровую многоступенчатую турбину реактивного типа Парсонс построил в 1884 г. Она предназначалась вовсе не для привода относительно маломощных сепараторов, а для работы совместно с электрическим генератором. Таким образом, уже с первого шага Парсонс правильно предугадал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин, и в дальнейшем ему не пришлось разыскивать потребителей для своего изобретения. С целью уравновешивания осевого усилия пар подавался к середине вала турбины, а затем протекал к ее концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции, датированной 1887 г., Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность пока еще не достигла 100 л.с. при частоте вращения около 5000 об/мин. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.

Взаимоотношения между компаньонами в «Кларк, Чапмэн, Парсонс и Ко» оказались далеко не безоблачными, и Парсонс вынужден был уйти, оставив бывшим коллегам и часть авторских прав, формально принадлежавших фирме. В связи с этим он надолго отказался от создания активных турбин (защищенных патентом) и перешел к разработке радиальных многоступенчатых турбин. Совершенствуя этот тип, конструктор сумел добиться впечатляющих результатов. Так, он уменьшил удельный расход пара с 44 до 12,7 кг/кВт·ч, но одновременно понял, что прежний аксиальный тип турбины был все же более перспективным. Начиная с 1894 г., восстановив права на патент, Парсонс вновь стал заниматься именно такими турбинами.

На своем заводе он опробовал самые различные материалы для лопаток турбин, но остановился на бронзе для насыщенного и умеренно перегретого пара, чистой меди для части высокого давления и никелевой бронзе для сильно перегретого пара. Кроме того, проводились глубокие исследования по созданию рациональной конструкции регулятора подачи пара. Для повышения точности Парсонс применил релейный принцип прерывистой подачи, позволяющий уменьшить трение. Параллельно вводились и другие усовершенствования, что в совокупности привело к уменьшению удельного расхода пара до 9,2 кг/кВт·ч у турбины мощностью 400 кВт, изготовленной в 1896 г.

Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность построенных в том же 1896 г. турбин превысила 40 000 л.с. Но и на континенте передовые инженеры осознали важность новинки для целей энергетики. В 1899 г. по инициативе одного из них, Линдлея, занимавшего должность главного инженера Франкфурта, было решено применить на строящейся Эльберфельдской электрические станции две турбины Парсонса мощностью по 1000 кВт. Немецкая гордость была задета. В первую очередь оказались недовольными промышленники, выпускавшие мощные паровые машины. Однако результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 г., свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун-Бовери» в Бадене (неподалеку от Цюриха) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса.

Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев интерес проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Если в 1903 г. наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 г. появились агрегаты мощностью 10 000 кВт, в 1915 г. – 20 000 кВт, а в 1917 г. – 30 000 кВт! Турбины стали строить в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники как звезда первой величины: ведь помимо чисто «турбинных» проблем он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового вида двигателя на флоте.

——————————————————————————–

Морские котлотурбинные установки

В конце XIX века сформировался новый класс военных кораблей – миноносцы (на Западе им соответствует термин «дистроер» – разрушитель), главным оружием которых стали прямоходные торпеды с мощным боевым зарядом, способным отправить на дно огромный броненосец. При небольшом водоизмещении единственной защитой для миноносца являлась высокая скорость, поскольку никакое бронирование не могло уберечь его от фатального конца в случае прямого попадания крупнокалиберного снаряда. Закономерным образом размеры миноносца росли, и на рубеже веков его водоизмещение достигло 350…500 т, а потребная мощность силовой установки – 5000…8000 л.с. Резко возросла масса механизмов и топлива на борту корабля, поэтому для сохранения высоких боевых качеств миноносца возникла настоятельная потребность в более мощном двигателе с лучшими удельными характеристиками. И такой двигатель появился в виде судовой турбины.

В 1894 г. Парсонс построил небольшое турбинное судно, в сущности катер водоизмещением всего 44,5 т, но мощность его силовой установки достигла 2000 л.с. 27 ноября «Турбиния» вышла на испытания и… разочаровала создателя. Ее скорость составила всего 19,7 узла, а конструктор ожидал получить не менее 30. Причина заключалась в так называемом проскальзывании гребного винта, позднее названном «кавитацией». Из-за чрезмерной частоты вращения винтов скорость воды на засасывающей стороне лопастей настолько возрастала, что давление понижалось до критического и вода вскипала при нормальной температуре, превращаясь в пар. В такой среде винт проскальзывал, терял упор, и его к.п.д. резко падал.

В течение г. на «Турбинии» сменили 9 винтов, но ее скорость так и не достигла запланированного значения. Тогда Парсон радикально переделал судно, превратив его одновальную установку в трехвальную. На каждый вал работали последовательно соединенные по пару турбины высокого, среднего и низкого давления. Валы заканчивались тремя расположенными друг за другом гребными винтами. На первом же выходе обновленная «Турбиния» показала скорость 32,8 узла. К 1897 г., после ряда усовершенствований и повышения мощности котлотурбинной установки (КТУ) до 2400 л.с., она смогла разогнаться до 34,5 узлов! «Турбиния» являлась самым быстроходным судном в мире.

С целью демонстрации преимуществ судовой турбины Парсонс решился на неординарный шаг, граничивший с хулиганством. По его распоряжению перед началом морского парада, приуроченного ко дню 60-летия вступления на престол королевы Виктории, «Турбиния» несанкционированно промчалась перед строем английского флота, и ни один самый быстроходный британский миноносец не смог остановить наглеца. Резонанс оказался весьма значительным – о скандальном происшествии написали газеты, проснулось даже английское Адмиралтейство. Для начало оно заказало два «дистроера» с четырехвальной КТУ мощностью по 11 500 л.с., способной обеспечить кораблю контрактную скорость 31,5 узла. Следующим шагом стали крейсера «Аметист» и «Топаз», совершенно однотипные, за исключением силовых установок. При водоизмещении 3050 т максимальная мощность котлотурбинной установки «Аметиста» составила 13 000 л.с, обеспечив ему скорость 23,6 узла, в то время как котломашинная установка «Топаза» развивала максимальную мощность 9 600 л.с., а его скорость не превысила 21,8 узла. И, что очень важно, у «Аметиста» с увеличением скорости удельный расход топлива уменьшался, а у «Топаза» – имел минимум приблизительно при 14-узловой скорости.

По результатам испытаний англичане приняли радикальное решение: все вновь строящиеся надводные корабли основных классов оснащать КТУ.

Практически одновременно началось внедрение паровых турбин в судостроение. Первые два турбинных лайнера были построены в Англии для Канады, а в 1906 г. на линию Ливерпуль – Нью-Йорк вышел турбинный трансатлантик «Кармания». По условиям контракта в течение четырех месяцев он должен был плавать с опломбированными корпусами турбин, что исключало их вскрытие не только для ремонта, но и для осмотра. КТУ лайнера выдержала столь жесткое испытание, и в 1907 г. вошли в строй еще два турбинных судна водоизмещением по 38 тыс. т: «Лузитания» и «Мавритания». Последняя в ходе трансатлантического рейса продемонстрировала среднюю скорость, превысившую 26 узлов, и впоследствии в течение 22 лет удерживала «Голубую ленту Атлантики» – почетную награду самому быстроходному лайнеру океана.

В 1913 г. на Путиловском заводе в Петербурге был построен эскадренный миноносец «Новик», трехвальная КТУ которого суммарной мощностью 42 000 л.с. позволила кораблю установить мировой рекорд скорости 37,3 узла.

Вместе с тем, впечатляющие достижения не могли компенсировать невысокую экономичность паровой турбины на малых нагрузках, что существенно снижало ее привлекательность в качестве судового двигателя. Скорость, при которой турбинные суда получали преимущество перед судами с паровыми машинами, составляла 16…18 узлов. В связи с этим Ч. Парсонс предложил идею турбомашинной установки. Для малого хода и реверса использовалась паровая машина, а при скорости выше некоторой критической ее отключали, и пар подавался на турбины. Иным способом была устроена силовая установка печально известного «Титаника» и однотипного «Олимпика». На этих судах бортовые валы приводились во вращение паровыми машинами, а средний – турбиной, в которой использовался пар, уже отработавший в цилиндрах машин.

——————————————————————————–

Триумф паротурбинной энергетики

В период между двумя великими войнами энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Одна из первых таких турбин мощностью 1675 кВт была построена заводом «Броун-Бовери» для бельгийской электрические станции. Давление пара было принято равным 50 кгс/см2, а его температура достигала 440…450 °С. Лабиринтное уплотнение получалось слишком сложным и ненадежным, поэтому конструкторы разместили первую ступень турбины высокого давления на весу, без подшипника.

Вскоре для электрические станции в Маннгейме завод «Броун-Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 160 кгс/см2 и температуре 430 °С. У турбины, построенной для электрические станции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: температура 450 °С, а его давление – 225 кгс/см2. В Соединенных Штатах компания «Дженерал-Электрик» предпочла не рисковать, ограничив давление 84 кгс/см2, но зато она стала энергично наращивать мощность единичной установки. Так, турбина, построенная для предприятия «Форда» (2-цилиндровая, 2-осевая), имела мощность 110 МегаВт при частоте вращения валов 1800 об/мин. В начале тридцатых годов в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МегаВт.

Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наиболее «крутых» считалась установка в Витковицах, располагавшая двумя турбинами, одна из которых мощностью 30 МегаВт, а вторая – 18 МегаВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалась принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели, как правило, частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.

Удобство «сочленения» с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач оказалось исключительно важным достоинством паровой турбины. Кроме того, турбина легко переносила перегрузки, практически не замасливала пар (в отличие от паровой машины), легко регулировалась по частоте вращения. В сочетании с более высоким к.п.д. турбины, особенно при больших нагрузках, все эти достоинства относительно быстро привели к повсеместному «закату» эры паровой машины в энергетике и судостроении.

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.