Общие сведения о паротурбинных установках. История паровой турбины

Представим себе закрытый металлический сосуд (котел), частично заполненный водой. Если под ним зажечь огонь, то вода начнет нагреваться, а затем закипит, превращаясь в пар. Давление внутри котла будет повышаться, и если стенки его недостаточно прочны, он может даже взорваться. Это показывает, что в паре накопился запас энергии, который, наконец, проявил себя взрывом. Нельзя ли заставить пар совершать какую-либо полезную работу? Этот вопрос уже очень давно занимал ученых. История науки и техники знает много интересных изобретений, в которых человек стремился использовать энергию пара. Некоторые из этих изобретений были полезными, другие были просто хитроумными игрушками, но, по крайней мере, два изобретения надо назвать великими; они характеризуют целые эпохи в развитии науки и техники. Эти великие изобретения - паровая машина и паровая турбина. Паровая машина, получившая промышленное применение во второй половине XVIII в., совершила переворот в технике. Она быстро стала главным двигателем, применяемым в промышленности и на транспорте. Но в конце XIX и начале XX вв. достижимая мощность и быстроходность паровой машины уже стали недостаточными.

Назрела необходимость в строительстве крупных электрических станций, для которых был нужен мощный и быстроходный двигатель. Таким двигателем стала паровая турбина, которая может быть построена на огромные мощности при высоком числе оборотов. Паровая турбина быстро вытеснила паровую машину с электрических станций и крупных пароходов.

История создания и совершенствования паровой турбины, как и всякого крупного изобретения, связана с именами многих людей. Более того, как обычно бывает, основной принцип действия турбины был известен задолго до того, как уровень науки и техники позволил построить турбину.

Принцип действия паровой машины заключается в использовании упругих свойств пара. Пар периодически поступает в цилиндр и, расширяясь, совершает работу, перемещая поршень. Принцип действия паровой турбины иной. Здесь пар расширяется, и потенциальная энергия, накопленная в котле, переходит в скоростную (кинетическую) энергию. В свою очередь кинетическая энергия струи пара превращается в механическую энергию вращения колеса турбины.

Историю развития турбины начинают с шара Герона Александрийского и колеса Бранка. Возможность использования энергии пара для получения механического движения была отмечена известным греческим ученым Героном Александрийским более 2000 лет назад. Им был построен прибор, названный шаром Герона (рис. 1).

Шар мог свободно вращаться в двух опорах, изготовленных из трубок. По этим опорам пар из котла поступал в шар и далее выходил в атмосферу по двум изогнутым под прямым углом трубкам. Шар вращался под действием реактивных сил, возникающих при истечении струй пара.

Другой проект описан в сочинении итальянского ученого Джиовани Бранка (1629 г.). В верхнюю часть котла вставлена трубка (рис. 2).

Так как давление пара внутри котла больше, чем атмосферное давление воздуха вокруг котла, то пар устремляется по трубке наружу.

Из свободного конца трубки бьет струя пара и, попадая на лопасти колеса, заставляет его вращаться.

Модель Герона и колесо Бранка не являлись двигателями, но они уже указывали возможные пути получения механического движения за счет энергии движущего пара.

В принципах действия шара Герона и колеса Бранка есть различие. Шар Герона, как уже было сказано, вращается под действием реактивных сил. Это те же силы, которые толкают ракету. Из механики известно, что струя, выталкиваемая из сосуда под действием давления, со своей стороны давит на сосуд в направлении, противоположном направлению истечения. Это очевидно на основании третьего закона Ньютона, по которому сила, выталкивающая струю, должна быть равна и противоположна по направлению силе реакции струи на сосуд.

В турбинке Бранка потенциальная энергия пара сначала переходит в кинетическую энергию струи, бьющей из трубки. Затем при ударе струи в лопасти колеса часть кинетической энергии пара переходит в механическую энергию вращения колеса.

Если шар Герона движется реактивными силами, то в турбинке Бранка используется так называемый активный принцип, так как колесо черпает энергию из активной струи.

Наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и дальнейшем ее развитии наметился в конце позапрошлого столетия, когда в Швеции инж. Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины. Достигнутые ими результаты позволили паровой турбине со временем стать основным типом двигателя для привода генераторов электрического тока и получить широкое применение в качестве двигателя для гражданских и военных кораблей. В паровой турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступает в одно или несколько параллельно включенных сопел, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины, и образующие решетку рабочих каналов.

Усилия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки, вращают диск и связанный с ним вал турбины. Отличительной особенностью этой турбины является то, что расширение пара в соплах от начального до конечного давления происходит в одной ступени, что обусловливает очень высокие скорости потока пара. Преобразование кинетической энергии пара в механическую происходит без дальнейшего расширения пара лишь вследствие изменения направления потока в лопаточных каналах.

Турбины, построенные по этому принципу, т.е. турбины, в которых весь процесс расширения пара и связанного с ним ускорения парового потока происходит в неподвижных соплах, получили название активных турбин.

При разработке активных одноступенчатых турбин был решен ряд сложных вопросов, что имело чрезвычайно большое значение для дальнейшего развития паровых турбин. Были применены расширяющиеся сопла, которые допускают большую степень расширения пара и позволяют достигнуть высоких скоростей истечения парового потока (1200-1500 м/сек). Для лучшего использования больших скоростей потока пара Лаваль разработал конструкцию диска равного сопротивления, допускавшего работу с большими окружными скоростями (350 м/сек). Наконец, в одноступенчатой активной турбине были применены такие высокие числа оборотов (до 32 000 об/мин), которые намного превышали числа оборотов распространенных в то время двигателей. Это привело к изобретению гибкого вала, частота свободных колебаний которого меньше частоты возмущающих усилий при рабочем числе оборотов.

Несмотря на ряд новых конструктивных решений, использованных в одноступенчатых активных турбинах, экономичность их была невысока. Кроме того, необходимость применения редукторной передачи для снижения числа оборотов ведущего вала до уровня числа оборотов приводимой машины также тормозила в то время развитие одноступенчатых турбин и в особенности увеличение их мощности. Поэтому турбины Лаваля, получив вначале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место другим типам турбин.

Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, принципиально отличается от турбины Лаваля. Расширение пара в ней производится не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных направляющих аппаратов (сопловых решеток) и вращающихся лопаток.

Направляющие лопатки закреплены в неподвижном корпусе турбины, рабочие лопатки располагаются рядами на барабане. В каждой ступени такой турбины срабатывается перепад давления, составляющий лишь небольшую долю полного перепада между давлением свежего пара и давлением пара, покидающего турбину. Таким образом, оказалось возможным работать с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток, чем в турбине Лаваля. Кроме того, расширение пара в ступенях турбины Парсонса происходит не только в сопловой, но и в рабочей решетке. Поэтому на рабочие лопатки передаются усилия, вызванные не только изменением направления потока пара, но и ускорением пара в пределах рабочей решетки, вызывающим реактивное усилие на рабочие лопатки турбины.

Ступени турбины, в которых применяется расширение пара и связанное с ним ускорение парового потока в каналах рабочих лопаток, получили название реактивных ступеней. Таким образом, показанная на рис. 4 турбина явилась типичным представителем многоступенчатых реактивных паровых турбин.

Принцип последовательного включения ступеней, в каждой из которых используется лишь часть располагаемого теплового перепада, оказался очень плодотворным для последующего развития паровых турбин. Он позволил достигнуть в турбине высокой экономичности при умеренных числах оборотов ротора турбины, допускающих непосредственное соединение вала турбины с валом генератора электрического тока. Этот же принцип дал возможность выполнять турбины очень большой мощности, достигающей нескольких десятков и даже сотен тысяч киловатт в одном агрегате.

Многоступенчатые реактивные турбины в настоящее время имеют широкое распространение, как в стационарных установках, так и во флоте.

Развитие активных паровых турбин пошло также по пути последовательного расширения пара не в одной, а в ряде ступеней, расположенных друг за другом. В этих турбинах ряд дисков, укрепленных на общем валу, разделен перегородками, получившими название диафрагм, в которых расположены неподвижные сопловые решетки. В каждой из построенных таким образом ступеней происходит расширение пара в пределах части общего располагаемого теплопадения. В рабочих решеткам происходит лишь преобразование кинетической энергии парового потока без дополнительного расширения пара в каналах рабочих лопаток. Активные многоступенчатые турбины получили широкое распространение в стационарных установках, они применяются также в качестве судовых двигателей.

Наряду с турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины (аксиальными), были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем.

Рис.

1,2 - диски турбины; 3 - паропроводы свежего пара; 4, 5 - валы турбины; 6, 7 - лопатки промежуточных ступеней

На боковых поверхностях дисков 1 и 2 кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам 3 и далее через отверстия в дисках 1 и 2 направляется к центральной камере. Отсюда он течет к периферии через каналы лопаток 6 и 7, укрепленных на обоих дисках. В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных сопловых решеток или направляющих лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться валами 4 и 5. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину очень компактной и экономичной.

С начала 90-х годов развитие паровых турбин идет исключительно быстрым темпом. Это развитие в значительной степени определилось таким же быстрым параллельным развитием электрических машин и широким внедрением электрической энергии в промышленность. Экономичность паровой турбины и мощность ее в одном агрегате достигли высоких значений. По своей мощности турбины далеко превзошли мощности всех без исключения других типов двигателей. Имеются турбины мощностью 500 МВт, связанные с генератором электрического тока, причем доказана возможность выполнения еще более мощных агрегатов, по крайней мере до 1000 МВт.

В развитии парового турбостроения можно отметить несколько этапов, которые сказались на конструктивном выполнении турбин, построенных в различные периоды времени.

В период до империалистической войны 1914 г. уровень знаний в области работы металлов при высоких температурах был недостаточен для применения пара высоких давлений и температуры. Поэтому до 1914 г. паровые турбины строились преимущественно для работы паром умеренного давления (12 - 16 бар), с температурой до 350 °С.

В отношении повышения мощности единичного агрегата уже в начальный период развития паровых турбин были достигнуты большие успехи.

В 1915 г. мощность отдельных турбин достигала уже 20 МВт. В послевоенный период, начиная с 1918-1919 гг., продолжает сохраняться тенденция к повышению мощности. Однако в дальнейшем конструкторами турбин преследовалась задача повышения не только мощности агрегата, но и числа оборотов турбин большой мощности при выполнении их с одним генератором электрического тока.

Наиболее мощной быстроходной турбиной в мире в свое время (1937 г.) была турбина Ленинградского металлического завода, построенная на 100 МВт при 3000 об/мин.

В период до империалистической войны 1914 г. турбостроительные заводы в большинстве случаев выпускали турбины с ограниченным числом ступеней, размещенных в одном корпусе турбины. Это позволило выполнять турбину очень компактными и относительно дешевыми. После войны 1914 г. напряженность в топливоснабжении, которую испытывало большинство стран, потребовала всемерного повышения экономичности турбинных агрегатов.

Было установлено, что максимального КПД турбины можно достигнуть, применяя малые тепловые перепады в каждой ступени турбины и соответственно строя турбины с большим числом ступеней. В связи с этой тенденцией возникли конструкции турбин, которые даже при умеренных параметрах свежего пара имели чрезвычайно большое число ступеней, достигающее 50 - 60.

Большое число ступеней приводило к необходимости создавать турбины с несколькими корпусами даже в том случае, когда турбина соединялась с одним электрическим генератором.

Таким образом, стали распространяться двух- и трехкорпусные турбины, которые, отличаясь высокой экономичностью, были очень дорогими и громоздкими.

В последующем развитии турбостроения в этом вопросе также наметилось известное отступление в сторону упрощения конструкции турбины и сокращения числа ее ступеней. Турбины мощностью до 50 МВт при 3000 об/мин довольно долго строились только двухкорпусными. Новейшие конденсационные турбины такой мощности, выпускаемые передовыми заводами, строятся однокорпусными.

Одновременно с конструктивными усовершенствованиями турбин умеренного давления (в 20 - 30 бар) в период с 1920 по 1940 г. стали распространяться более экономичные установки высокого давления, достигающего 120 - 170 бар.

Применение пара высоких параметров, существенно повышающее экономичность турбинной установки, потребовало новых решений в области конструирования паровых турбин. Значительные успехи были достигнуты в деле применения легированных сталей, имеющих достаточно высокий предел текучести и малые скорости ползучести при температурах 500 - 550° С.

Наряду с развитием конденсационных турбин уже в начале этого столетия начинают применяться установки для комбинированной выработки электрической энергии и тепла, которые потребовали построения турбин с противодавлением и промежуточным отбором пара. Первая турбина с регулированием постоянства давления отбираемого пара была построена в 1907 г.

Условия капиталистического хозяйства препятствуют, однако, использованию всех преимуществ комбинированной выработки тепла и электрической энергии. В самом деле, емкость теплового потребления за границей в большинстве случаев ограничивается потреблением предприятия, на котором устанавливается турбина. Поэтому турбины, допускающие использование тепла отработавшего пара, за границей чаще всего строятся на небольшие мощности (до 10 - 12 МВт) и рассчитываются на обеспечение теплом и электрической энергией лишь индивидуального промышленного предприятия. Характерно, что наиболее крупные (25 МВт, а затем 50 и 100 МВт) турбины с отбором пара были построены в Советском Союзе, так как плановое развитие народного хозяйства создает благоприятные условия для комбинированной выработки тепла и электрической энергии.

В послевоенный период во всех технически развитых европейских странах, а также в США наблюдается все ускоряющееся развитие энергетики, которое приводит ко все большему росту мощности энергетических агрегатов. Одновременно сохраняется тенденция применения все более высоких начальных параметров пара.

Конденсационные одновальные турбины достигают мощности 500 - 800 МВт, а при двухвальном исполнении уже построены установки мощностью 1000 МВт.

По мере увеличения мощностей целесообразным являлось и повышение начальных параметров пара, которые последовательно выбирались на уровне 90, 130, 170, 250 и, наконец, 350 бар, при этом повышались также и начальные температуры, которые составили 500, 535, 565, 590, а в отдельных случаях до 650° С. Следует иметь в виду, что при температурах, превышающих 565° С, приходится применять очень дорогие и менее изученные стали аустенитного класса. Это привело к тому, что в последнее время наблюдается тенденция к некоторому отступлению в область температур, исключающих необходимость использования аустенитных сталей, т.е. температур на уровне 540° С.

Большое значение для развития турбин малой мощности и, в особенности для развития судовых паровых турбин имели успехи, достигнутые в 1915-1920 гг. в области построения редукторов. До этого времени судовые турбины выполнялись на число оборотов, равное числу оборотов гребных винтов, т.е. 300 - 500 об/мин, что снижало экономичность установки и приводило к большим габаритам и весам турбин.

С того времени, когда в работе зубчатых редукторов были достигнуты полная надежность и высокая экономичность, судовые турбины снабжаются редукторными приводами и выполняются на повышенное число оборотов, которое соответствует наивыгоднейшим условиям работы турбины.

Для стационарных турбин малой мощности также оказалось целесообразным применение редукторной передачи между турбиной и генератором. Наибольшее число оборотов, возможное при непосредственном соединении валов турбины и генератора 50-периодного переменного тока, составляет 3000 об/мин. При мощностях ниже 2,5 МВт это число оборотов невыгодно для конденсационной турбины. С развитием редукторостроения оказалось возможным выполнять турбины на более высокие числа оборотов (5000-10000 обIмин), что позволило повысить экономичность турбин небольшой мощности, а главное уменьшить их размеры и упростить конструкцию.

У. Гаррет Скейф

W. Garrett Scaife, Trinity Colledge, Dublin

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 Чарлз Алджернон Парсонс (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 увеличи

лись, 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.

Дата публикации 07.02.2013 02:04

Сейчас «сердцем», дающим жизнь большинству созданных человеком машин, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Однако так было не всегда.

От прошлого к настоящему

До эры ДВС долгое время краеугольным камнем технического прогресса была паровая турбина. Это тот редкий случай, когда изобретения оказываются настолько удачными, что продолжают использоваться и в наше время, правда, с рядом усовершенствований. Отметим, что не следует путать паровые турбины и классические машины, работающие на пару (тот же паровоз). У них отличен принцип работы, а КПД несравнимо.

Паровая турбина. Изобретение

Считается, что впервые подобную турбину разработал и воплотил в металле швед П. Лаваль. В далеком 1889 году возникла необходимость в эффективном двигателе для молочного сепаратора, способном создавать вращение с частотой не менее 100 оборотов в секунду. Принцип работы турбины был довольно прост: на поверхности закрепленного на оси цилиндра размещались лопатки, в которые ударяла струя перегретого пара из находящегося рядом котла. Потенциальная энергия пара преобразовывалась в кинетическую, приводя цилиндр во вращение. Лаваль опытным путем определил, что наилучших результатов удается добиться, если поток пара будет вырываться через конусообразные насадки, а не прямые трубки.

Однако более известна паровая турбина англичанина Ч. А. Парсонса. Он разработал ее практически параллельно с Лавалем, но не только усовершенствовал, но и догадался соединить с электрическим генератором (прообраз современной системы Г-Д).

В 1894 году он создал корабль, приводимый в движение двигателем на основе паровой турбины (максимальная скорость около 60 км/ч). Идея оказалась настолько успешной, что после 1900 года большинство военных кораблей были оборудованы подобными моторами.

Наше время

Разумеется, с момента изобретения и первых моделей паровая турбина была модернизирована, а недостатки конструкции устранены. Классическая паротурбинная установка включает в себя две составные части: неподвижный статор с блоком сопел и вращающийся ротор (цилиндр) с размещенными на его корпусе лопатками. В зависимости от направления движения струи пара, различают две разновидности конструкции ротора – радиальные и аксиальные. Первые представляют собой отголоски первоначальных решений: в них вектор распространения пара перпендикулярен оси цилиндра, а лопатки параллельны ей. В аксиальных же направление движения пара совпадает с осью, а вращение создается благодаря особой ориентации лопаток.

Более эффективно использовать энергию пара возможно в паровых турбинах с несколькими цилиндрами (многокорпусные). Однако из-за громоздкости и усложнения конструкции подобные решения применяются там, где их использование экономически оправдано. Цилиндры корпусов могут размещаться как на общей оси, так и быть механически независимыми. Система уплотнений и диафрагм предотвращает ненормальную работу всей установки (забор внешнего воздуха, утечка пара, обход степеней и пр.).

Развитие технологии паровых турбин

При малых уровнях давления пара и низких мощностях классические турбины недостаточно эффективны. Им на смену пришла паровая винтовая машина. Эта российская разработка представляет собой естественную эволюцию первоначальной модели. Внутри корпуса располагаются роторы с винтообразными лопастями. Поступающий пар заполняет пространство между зубьями ближайших винтов, происходит оборот и дальнейшая подача прекращается. Далее в полости для пара полученная порция расширяется и совершает работу по вращению винтового ротора. Такая конструкция позволяет более полно использовать накопленную паром энергию.

Изобретение паровых турбин.

Наряду с гидротурбинами, описанными в одной из предыдущих глав, огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую – струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя.

Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономическую машину – паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.

Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль в 1889 г. .Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя воды, образующаяся в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками дня подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось, применяемое до нашего времени, сопло Лаваля.

Только в 1883 году шведу Густаву Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД гидротурбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Принцип действия турбины был чрезвычайно прост. Пар, разогретый до высокой температуры, поступал из котла по паровой трубе к соплам и вырывался наружу. В соплах пар расширялся до атмосферного давления. Благодаря увеличению объема, сопровождавшему это расширение, получалось значительное увеличение скорости вытекания (при расширении от 5 до 1 атмосферы скорость паровой струи достигала 770 м/с). Таким образом заключенная в паре энергия передавалась лопастям турбины. Число сопел и давление пара определяли мощность турбины. Когда отработанный пар не выпускали прямо в воздух, а направляли, как в паровых машинах, в конденсатор и сжижали при пониженном давлении, мощность турбины была наивысшей. Так, при расширении пара от 5 атмосфер до 1/10 атмосферы скорость струи достигала сверхзвуковой величины.

Несмотря на кажущуюся простоту, турбина Лаваля была настоящим чудом инженерной мысли. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться от своего детища бесперебойной работы. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную нагрузку на ось и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль придумал насадить колесо на очень тонкую ось, которая при вращении могла бы слегка прогибаться. При раскручивании она сама собой приходила в строго центральное положение, удерживаемое затем при любой скорости вращения. Благодаря этому остроумному решению разрушающее действие на подшипники было сведено до минимума.

Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами: пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли также как привод электрогенератора, но все-таки для него она имела чрезмерно большую скорость и поэтому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).

В 1884 году английский инженер Парсон получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. Она имела следующее устройство, напоминающее устройство реактивной гидротурбины. На центральный вал был насажен ряд вращающихся колес с лопатками. Между этими колесами находились неподвижные венцы (диски) с лопатками, имевшими обратное направление. Пар под большим давлением подводился к одному из концов турбины. Давление на другом конце было небольшое (меньше атмосферного). Поэтому пар стремился пройти сквозь турбину. Сначала он поступал в промежутки между лопатками первого венца. Эти лопатки направляли его на лопатки первого подвижного колеса. Пар проходил между ними, заставляя колеса вращаться. Дальше он поступал во второй венец. Лопатки второго венца направляли пар между лопатками второго подвижного колеса, которое тоже приходило во вращение. Из второго подвижного колеса пар поступал между лопатками третьего венца и так далее. Всем лопаткам была придана такая форма, что сечение междулопаточных каналов уменьшалось по направлению истечения пара. Лопатки как бы образовывали насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар. Здесь использовалась как активная, так и реактивная его сила. Вращаясь, все колеса вращали вал турбины. Снаружи устройство было заключено в крепкий кожух. В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 году в Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами Парсона. Между тем Парсон старался расширить сферу применения своего изобретения. В 1894 году он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость – 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах.

В конце 19 столетия промышленность развивалась быстрыми темпами. На смену ручному труду приходили машины, объемы производства увеличивались, нужно было делать все быстрее, быстрее, быстрее... Прогрессу требовалось все больше энергии, пропорционально увеличивались и размеры паровых машин. Паровые машины становились мощнее и больше, пока их габариты не стали угрожать механической прочности. Необходимо было как-то усовершенствовать технологию, чтобы промышленность могла развиваться дальше.

Кстати говоря, в Англии с 1784 по 1884 год было зарегистрировано более двухсот изобретений, так или иначе связанных с паровыми турбинами. Но ни одно из них не оказало на промышленность сильного влияния. Чего нельзя сказать об изобретениях шведа Густава де Лаваля.

Де Лаваль создал эффективный сепаратор для молока, который пользовался большим спросом. Вырученные деньги инженер решил потратить на конструирование паровой турбины: сепаратор нуждался в механическом приводе. В ходе работы им было изобретено расширяющееся сопло, которое позволяло снизить давление пара и разогнать его частицы до сверхзвуковой скорости. Сейчас это изобретение известно как «сопло Лаваля» и используется в современных ракетных и реактивных авиационных двигателях, а также в паровых турбинах.

Сопло Лаваля

На выставке в Чикаго в 1893 году Лаваль представил небольшую паровую турбину мощностью 5 л.с. И частотой вращения 30 тыс. об/мин. Правда, для того, чтобы как-то использовать эту турбину, необходима была силовая установка понижающего редуктора, а на тот момент такая установка в несколько раз превышала размеры самой турбины.

Примерно в это же время над идеей паровой турбины работал англичанин Чарльз Парсонс. Свою первую многоступенчатую турбину парового типа он сконструировал в 1884 году для использования ее совместно с электрогенератором. Турбина Парсонса имела совершенно новую конструкцию, благодаря которой энергия пара использовалась максимально эффективно. Пар расширялся поэтапно, проходя через 15 ступеней, отделенных друг от друга специальными перегородками (диафрагмы паровой турбины). Эта идея постепенного расширения пара применяется и в современных паровых турбинах. Кроме того, Пасонсом был внедрен новый тип подшипника, который состоял из набора колец разных диаметров: одни кольца прилегали к внутренней стороне, не касаясь корпуса, другие прилегали к корпусу, но не касались внутренней стороны. Таким образом допускались незначительные смещения вала и уменьшались вибрации. По словам очевидцев, которые видели турбину Парсонса, ход был ровнее и тише, чем у паровых машин того времени, от работы которых сотрясался фундамент.

С каждым годом Парсонс внедрял все новые и новые усовершенсовования, большая часть из которых находит применения и по сей день.

Турбогенератор Парсонса, 1884 г.