6.17. История турбин

Второе направление – развитие турбин. По сравнению с паровой машиной турбина является более совершенным двигателем. В ней нет кривошипно-шатунного механизма. С помощью турбин можно получить значительные мощности и скорости вращения рабочего колеса, применяя пар высокого давления (300атм.) и температуру перегрева 650⁰С. Поэтому в конце XIX в. паровая турбина становиться основным двигателе и на электростанциях и других мощных установках.

Примитивную паровую турбину сконструировал в I в. до н.э. Герон Александрийский. Это устройство состояло из котла, пар из которого через пустотелую ось проходил внутри полого шара (рис.6.20). Выходя из шара через две боковые трубки с загнутыми концами, паровые струи вращали шар за счет возникновения реактивной силы.

Рис. 6.20. Геронов шар

В 1629 г. итальянский архитектор Джованни Бранка описал прибор, подобный турбине, предназначенный для получения порошка (рис.6.21). В нем струя пара из котла через неподвижную трубку направлялась на лопатки колеса, заставляя его быстро вращаться. С помощью зубчатых колес движение передавалось на барабан, который попеременно зацеплял шпильками то первую, то правую стулку, производя непрерывный процесс дробления какого-либо вещества.

В1806 г. русский изобретатель Поликарп Михайлович Залесов (1773-1835) разработал проект турбины для привода водоподъемника и пожарного насоса. Он работал горным техником Салапрского рудника Колывано-Воскресенских заводов на Алтае.

Рис. 6.21. Турбина Бранка

Однако конструирование, постройка и обслуживание турбины представляет более сложную задачу, чем в случае с паровой машиной. Необходимо изготовить отдельные части турбины, провести центрирование вращающихся частей, применить износостойкие высокопрочные материалы, которые способны выдержать высокие температуры и большие динамические напряжения. Поэтому внедрение паровых турбин в практику происходило медленно, хотя принцип действия турбины прост и схож с работой ветряного колеса.

Большую работу в турбостроении имели работы шведского инженера и изобретателя Карла Лаваля (1845-1913), который в 1878 г. сконструировал центробежный сепаратор непрерывного действия для молока. Для сообщения большей скорости сепаратору он построил в 1889 г. паровую турбину активного типа мощностью в 5л.с. со скоростью вращения 30000 оборотов/мин.

Лаваль впервые применил расширяющиеся сопла, гибкий вал, диск равного сопротивления, позволяющий достигать очень высоких окружных скоростей порядка 420м/с. Он разработал теорию сопла.

Лаваль продолжал работать над совершенствованием турбины и через 10 лет построил турбину мощностью в 500л.с., совершающую 10000об./мин.

Рис. 6.22. Рабочее колесо турбины Лаваля с четырьмя соплами

Лавалем была построена простейшая одноступенчатая турбина (рис.6.22), состоящая из одного диска небольшого диаметра с одним рядом рабочих лопаток, насаженных на обод. Диск с рабочими лопатками помещался в кожухе, по окружности которого размещены расширяющиеся сопла, где происходит преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую. Одноступенчатая турбина проста по устройству и надежна в работе. Она используется для приведения в движение мелких машин, требующих большой скорости вращения и для привода вспомогательных механизмов, экономичность которых не имеет существенного значения. Дальнейшее развитие активная паровая турбина получила благодаря работам французского инженера Огюста Рато (рис.6.23), швейцарского инженера Целли (многоступенчатая турбина со ступенями давления) и американского инженера Чарльза Кертиса (турбина со ступенями скоростей и др.

Рис. 6.23. Активная турбина Рато с тремя рабочими колесами

Американским инженером Чарлзом Пирсоном была построена многоступенчатая турбина реактивного типа, позволяющая увеличить скорость пара за счет применения сужения между лопатками, создавая дополнительную силу реакции. Турбина Пирсона являлась «смешенной турбиной».

Постепенно паровая турбина становится основным двигателем на электростанциях и кораблях. Мощность паровых турбин в одном агрегате достигала 1200МВт.

В конце XIX века близкими по конструктивному выполнению паровой турбине были созданы газовые турбины, применяющиеся в авиации в качестве привода компрессора турбореактивного двигателя и в жидких реактивных двигателях. Особенно перспективно происходило развитие газотурбинных установок – снижение расхода тепла на 4,7% по сравнению с паротурбинными установками.

Применение машин в производстве привело к возникновению большого числа промышленных предприятий, образованию промышленных центров и скоплению в них населения.

Потребность в машинах предъявили повышенное требование к металлургии, которая перешла на применение минерального топлива, использование паровых машин и горячего дутия. Изобретение пудингования подняло производительность передельного процесса (получение стали из чугуна). Одновременно ведется работа по получению тигельной стали, и созданы способы получения стали в больших количествах.

Развитие металлургии, рост числа паровых машин и создание парового транспорта, коренным образом изменило состояние горного промысла, который в этот период должен был обеспечивать растущее промышленное производство каменным углем и железной рудой.