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.

Паровая турбина – основной силовой технологический узел электрической станции, в котором внутренняя энергия пара, запасенная при его генерировании, преобразуются в механическую энергию вращения ротора. В отличие от паровой машины, совершающей непосредственное преобразование внутренней энергии пара в работу движущегося поршня с использованием сил упругости пара, паровая турбина при помощи сопловых лопаток вначале преобразует внутреннюю энергию пара в кинетическую энергию потока рабочего тела, а затем уже последнюю – в механическую энергию вращающегося ротора. Термин «турбина» происходит от французского слова «turbine», возникшего из латинского «turbo» – вихрь, вращение с большой скоростью, впервые использованного Героном Александрийским при описании принципа движения «эолипила».

Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Необходимо было завершить формулировку законов термодинамики и найти новые инженерные решения для производства работы с использованием тепловых свойств воды и водяного пара. Изготовление турбины стало возможным при достаточно высоком уровне развития технологий работы с металлами, поскольку необходимая точность получения отдельных частей и прочность элементов должны были быть существенно более высокими, чем в случае паровой машины.

Словацкий инженер и ученый-теплотехник Аурель Стодола отметил целый ряд преимуществ паровой турбины перед двигателями внутреннего сгорания и паровыми машинами. К этим преимуществам относятся: малое число движущихся деталей, отсутствие каких бы то ни было контактных уплотнений и трудностей, связанных с обеспечением их надежной работы (системы смазки, проблемы, связанные с истиранием и т.п.), малый объем производственных помещений, необходимых для размещения оборудования, преимущества в регулировании, относительно малые затраты на ремонт. Сегодня стало очевидным еще одно неоспоримое преимущество – огромная, достигающая сегодня полутора миллионов киловатт, единичная мощность, которая попросту недостижима ни в двигателях внутреннего сгорания, ни в паровых машинах.

Аурель Стодола (1859–1942) в 1878 году окончил Будапештский политехнический институт, в 1881 году – Высшую техническую школу в Цюрихе. С 1892 по 1929 гг. – профессор кафедры машиностроения в этом учебном заведении. Его основные работы посвящены автоматическому регулированию, конструированию и расчетам на прочность деталей паровых и газовых турбин. Очень интересную характеристику дал Стодоле Альберт Эйнштейн: «Если бы Стодола родился в эпоху Ренессанса, он был бы великим художником или скульптором, потому что главным свойством его личности являются мощь фантазии и созидания. В XIX столетии подобные натуры чаще всего обращались к технике. Здесь, в технике, нашла свое выражение созидательная мощь века, здесь страстная жажда прекрасного находила пути воплощения, превосходящего все, что мог бы предложить человек, не знакомый с этой областью. Могучий порыв Стодолы не остывал в течение многих лет преподавательской деятельности и перешел к ученикам – их глаза светятся, когда речь идет об учителе. Другая сильная сторона Стодолы – неугомонная любознательность и редкая ясность научного мышления». Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822–1915) в 1857 году. После выполненных в 1870 году инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6–8%), чем паровые машины. В 1883– 1885 гг. впервые примитивные паровые турбины были использованы и на лесопилках в восточной части США для привода дисковых пил.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с ее прабабушкой, созданной Лавалем (рис. 3.2), то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем 100-летний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причем показатель, связанный с прочностью конструкции.

Карл Густав Патрик де Лаваль Интересной особенностью творчества Лаваля (1845–1913) можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие. Так, теорией гибкого вала впоследствии глубоко занимался словацкий ученый А. Стодола. Он же систематизировал основные вопросы расчета на прочность турбинных дисков равного сопротивления. Именно отсутствие хорошей теории паровых турбин не позволило 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 английский инженер Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931). В его многоступенчатой реактивной турбине (рис. 3.3) расширение пара происходило в нескольких ступенях сопловых (неподвижных) и рабочих (вращающихся) решеток. Благодаря этому стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

Эта турбина предназначалась 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 подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 года Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц и применялись они преимущественно для привода электрических генераторов. В турбине, изготовленной в 1896 году, мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт.

Энергетическое турбостроение развивалось преимущественно в направлении применения пара высокого давления. Для электростанции в Мангейме завод «Броун–Бовери» изготовил турбину мощностью 7000 кВт при давлении пара 15,7 МПа и температуре 430°С. У паровой турбины, построенной для электростанции в Лангербрюгге, параметры пара были выбраны еще более высокими: давление 22 МПа и температура 450°С.

В США фирма GE («Дженерал электрик») в Скенектеди, ограничив давление 84 ат (8,2 МПа), стала энергично наращивать мощность единичной установки. В начале ХХ века были разработаны и изготовлены турбины мощностью 500, 1000, 2500 и 10000 кВт. Первоначально эти турбины изготавливались в вертикальном исполнении. Однако опыт эксплуатации вынудил фирму отказаться от вертикальной и перейти к горизонтальной компоновке турбины. Длительное время фирма выпускала турбины для работы в конденсационном режиме мощностью до 14000 кВт, а с противодавлением – до 8000 кВт.

Чарльз Алджернон Парсонс. Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия по использованию паровых турбин оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность всех построенных в 1896 году паровых турбин превысила 40000 л.с. (29420 кВт). В 1899 году было решено применить на строящейся Эльберфельдской электростанции (Германия) две турбины Парсонса по 1000 кВт. Результаты испытаний турбин, опубликованные в 1900 году, свидетельствовали о неоспоримых преимуществах примененных установок по сравнению с традиционными «паровиками». Вскоре одна из лучших в то время электротехнических фирм «Броун–Бовери» в Бадене (Швейцария) приобрела лицензию на производство турбин Парсонса. Далее предложения о покупке лицензий стали нарастать подобно снежному кому: помимо немцев, интерес к турбинам проявили итальянцы и американцы (в частности, компания «Вестингауз»). Турбины стали изготавливать в Швейцарии, Франции, Австро-Венгрии. Если в 1903 году наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, то в 1909 году появились агрегаты мощностью 10000 кВт, в 1915 году – 20000 кВт, а в 1917 году – 30000 кВт. В компании «отцов-основателей» турбостроения появились имена француза О. Рато и американца Ч. Кертиса. Но Парсонс вошел в историю техники турбостроения как звезда первой величины: помимо чисто «турбинных» проблем, он взвалил на себя (и успешно решил) еще и задачу внедрения нового двигателя на флоте.

Кириллов Иван Иванович (1902–1993) – один из величайших ученых-турбинистов, чье имя по праву вписано золотыми буквами в историю мировой турбинной науки рядом с именами Л. Эйлера, А. Стодолы и Г. Флюгеля. Он родился в 1902 году в СанктПетербурге в семье военного медика. После окончания в 1924 году Ленинградского технологического института Кириллов уже в тридцатые годы заявил о себе как серьезный специалист в области расчетов и проектирования паровых турбин, а к началу второй мировой войны – это сложившийся ученый, хорошо известный в среде коллег-турбинистов. В 1945–1950 гг., а затем в 1961–1980 гг. заведует кафедрой паровых турбин и машин Ленинградского политехнического института. В 1951–1961 гг. организует кафедру турбиностроения в Брянском институте транспортного машиностроения и является ее заведующим. И.И. Кириллов – автор 25 монографий, учебников и учебных пособий, более 350 статей в отечественных и зарубежных журналах, 80 изобретений.

Вторая североамериканская энергомашиностроительная фирма «Вестингауз» («Westinghoyse») в 20-е годы ХХ века также приступила к выпуску паровых турбин единичной мощностью 30, 45 и 60 тыс. кВт.

В начале тридцатых годов ХХ века в США вошли в строй огромные энергетические паротурбинные установки единичной мощностью 160 и даже 208 МВт. Европейцы ограничились существенно меньшими значениями единичной мощности промышленных паровых турбин. Одной из наибольших считалась установка в Витковицах (Чехия), оборудованная двумя турбинами мощностью 30 и 18 МВт. Частота вращения этих агрегатов была выбрана равной 3000 об/мин, что обусловливалось принятой в Европе частотой переменного тока (50 Гц). Следует отметить, что в США паровые турбины имели частоту вращения 1800 или 3600 об/мин в связи с «американской» частотой переменного тока, равной 60 Гц.

Жирицкий Георгий Сергеевич (1893– 1966) – известный ученый-турбинист, который не только создал фундаментальные основы инженерного образования по турбомашинам, но и подготовил многочисленных инженеров, молодых ученых и педагогов. В 1911 году с золотой медалью окончил Киевскую первую гимназию, а в 1915 году – механический факультет Киевского политехнического института. Г.С. Жирицкий в 1918 году становится преподавателем Киевского политехнического института и совмещает работу инженера с педагогической деятельностью. Уже в 1925 году его утверждают в звании профессора по курсу паровых двигателей. Выходит из печати монография Жирицкого «Паровые машины», выдержавшая пять изданий. В 1926 году его назначают деканом механического факультета и заведующим кафедрой паровых машин Киевского политехнического института. В 1929 году заведует кафедрой паровых турбин в Высшем техническом училище имени Н.Э.Баумана, издает двухтомный учебник по паровым турбинам с систематическим изложением теории и конструкции паровых турбин. Под его руководством в 1930–1932 гг. организована кафедра паровых турбин и создан теплоэнергетический факультет в Московском энергетическом институте. В 1947 году Георгий Сергеевич создает и бессменно возглавляет до 1965 года кафедру лопаточных машин в Казанском авиационном институте.

Щегляев Андрей Владимирович (1902– 1970) – крупнейший инженер и ученыйтеплоэнергетик, член-корреспондент Академии наук СССР. В 1921 году Щегляев А.В. поступил учиться в МВТУ на механический факультет, а в 1926 году окончил институт и, получив звание инженера-механика, продолжал работать во ВТИ, совмещая инженерную деятельность с педагогической в МВТУ, а с 1930 года в МЭИ. Инженерная и научная деятельность Андрея Владимировича Щегляева была неразрывно связана с развитием и совершенствованием новых тепловых электростанций СССР, с созданием современных мощных турбинных установок на сверхкритические параметры пара, повышением надежности и экономичности турбин, с их автоматизацией. С 1937 года он бессменно возглавлял кафедру паровых и газовых турбин в МЭИ, которая под его руководством выросла в крупный учебный и научный центр. Он создал научную школу турбинистов, многие представители которой работают на турбостроительных заводах, в энергетических системах, в научных учреждениях России и за рубежом. А.В. Щегляев – автор более 100 работ по вопросам теории, проектирования турбинного оборудования тепловых электростанций. Его книги «Регулирование паровых турбин» и «Паровые турбины» (переведена на болгарский, китайский, грузинский, чешский, венгерский, японский, испанский языки) – популярные учебники для студентов-турбинистов.

Шубенко-Шубин Леонид Александрович (1907–1994) – известный инженер, педагог, ученый-теплоэнергетик, академик НАН Украины, создатель научной школы по разрешению вопросов оптимизации процессов и конструкций турбомашин, инициатор создания Центрального конструкторско-исследовательского бюро при Харьковском турбинном заводе, руководитель создания уникальных отечественных турбоагрегатов. Он выполнил глубокую теоретическую проработку вопросов создания мощных паровых, газовых и специальных турбин, автор более 200 печатных научных трудов. бостроениием занимались фирмы Лаваля (Швеция), «Броун–Бовери компании» (Швейцария), AEG (Берлин, Германия), «Бергман» (Берлин, Германия), «Эшер-Вис» (Цюрих, Швейцария), «Рато» (Франция), «Шкода» (Чехия), «Парсонс» (Англия), «МетрополитенВикерс» (Англия), позже фирмы СЕМ и «GЕС–Альстом» (Франция). В настоящее время в мире паротурбостроениием занимаются широко известные японские фирмы «Мицубиси», «Тошиба», «Хитачи», китайские фирмы в Харбине и Нанкине, немецкая фирма «Сименс» и французская фирма «Альстом».

В СССР первая паровая турбина была построена в 1924 г. на Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ). Она была рассчитана на начальные параметры пара 1,1 МПа, 300°С и имела мощность 2 МВт. В 1926 г. уже была выпущена турбина мощностью 10 МВт при частоте вращения 3000 об/мин, в 1930 г. турбина мощностью 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин на начальные параметры пара 2,55 МПа и 375°С, а в 1931 г. - турбина мощностью 50 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400 °С.

В 1934 г. в Украине вступил в строй Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ, а в настоящее время – ОАО «Турбоатом») и начал изготовлять первые украинские турбины мощностью 50 и 100 МВт при частоте 1500 об/мин на параметры пара 2,85 МПа и 400°С.

В 1940 году в Свердловске был построен Уральский турбомоторный завод (УТМЗ), который выпускал теплофикационные турбины с регулируемыми отборами пара мощностью 12, 25, 50 МВт, а позже –100 и 250 МВт.

Именно в этот период начался выпуск турбин мощностью 50 тыс. кВт – тихоходных в Харькове, быстроходных в Ленинграде. В 1940 году ЛМЗ и ХТГЗ приступили к изготовлению паровых турбин мощностью 100 тыс. кВт. Опыт эксплуатации тихоходного агрегата ХТГЗ на Зуевской ГРЭС оказался положительным. Общее число часов наработки на турбине АК-100-29 Зуевской ГРЭС превзошло расчетное в несколько раз.

Велик вклад в создание и развитие теории турбомашин, в разработку и реализацию проектов стационарных паровых и газовых турбоустановок выдающихся ученых–турбинистов Кириллова И.И., Уварова В.В. (см. подраздел 3.6), Жирицкого Г.С., Дейча М.Е., Арсенева В.Г., Щегляева А.В., ШубенкоШубина Л.А., Шнее Я.И., Косяка Ю.Ф. и др. Хорошо известны работы зарубежных ученых Б. Эккерта, К. Баммерта, У. Хауторна, Дж. Хорлокка, В. Траупеля, Ву Чунг-Хуа и др.

С 1946 года заводы начали выпускать турбины высокого давления на параметры пара 8,8 МПа, 500°С мощностью 25, 50 и 100 МВт при частоте 3000 об/мин. В 1952 г. ЛМЗ выпустил турбину мощностью 150 МВт на начальные параметры пара 16,6 МПа, 550°С с промежуточным перегревом до 520°С, которая в то время была самым мощным в Европе одновальным агрегатом.

В 1958 г. выпущены головные образцы турбин ЛМЗ типа К-200-130 и ХТГЗ типа К-150130 мощностью 200 и 150 МВт на параметры пара 12,8 МПа, 565°С, а в 1960 г. – головные образцы турбин ЛМЗ и ХТГЗ типа К-300-240 мощностью 300 МВт с начальными сверхкритическими параметрами пара 23,5 МПа, 560°С и промежуточным перегревом до 565°С. В 1965 г. на ЛМЗ выпущена двухвальная турбина мощностью 800 МВт, а на ХТГЗ – одновальная турбина мощностью 500 МВт на параметры пара 23,5 МПа и 540°С с промежуточным перегревом до 540°С. Начиная с 1969 г. ЛМЗ производит одновальные турбины типа К-800-240 мощностью 800 МВт на те же параметры пара.

С 1970 г. Уральский турбомоторный завод выпускает теплофикационные турбины типа Т-250-240 мощностью 250 МВт на сверхкритические параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которые не имеют себе равных в мировом турбостроении.

В 1978 г. ЛМЗ изготовил уникальную одновальную турбину типа К-1200-240 мощностью 1200 МВт при частоте 3000 об/мин на начальные параметры пара 23,5 МПа, 540°С с промежуточным перегревом до 540°С, которая при отключении подогревателей высокого давления рассчитана на повышение мощности до 1400 МВт и является самой крупной одновальной турбиной в мире.

Основные типы паровых турбин и их параметры

Различают следующие основные типы турбин:

• в зависимости от числа ступеней –одно ступенчатые (одна или несколько ступеней скорости) и
• многоступенчатые; в зависимости от числа корпусов –однокорпусные, двухкорпусные (ЦВД и ЦНД) и многокорпусные (ЦСВД, ЦВД, ЦСД, ЦНД), одновальные и многовальные ;
• в зависимости от направления потока пара –осевые , или аксиальные, турбины, в которых пар движется вдоль оси турбины, ирадиальные турбины, где пар движется перпендикулярно оси турбины;
• по принципу действия пара –активные турбины (в которых потенциальная энергия пара превращается в кинетическую только в неподвижных направляющих решетках, а в рабочих решетках кинетическая энергия пара превращается в механическую работу) иреактивные турбины (в которых расширение пара происходит и в направляющих, и в рабочих решетках каждой ступени приблизительно в одинаковой степени);
• в зависимости от характера теплового процесса –конденсационные паровые турбины, в которых весь расход свежего пара, за исключением отборов на регенерацию, протекая через проточную часть и расширяясь в ней до давления, меньше атмосферного, поступает в конденсатор, где теплота отработавшего пара отдается охлаждающей воде и полезно не используется, и турбины с противодавлением , в которых отработавший пар направляется к тепловым потребителям, использующим теплоту для отопительных или производственных целей;конденсационные турбины с регулируемым отбором пара , в которых часть пара отбирается из промежуточной ступени и отводится к тепловому потребителю при автоматически поддерживаемом постоянном давлении, а остальное количество пара продолжает работать в последующих ступенях и направляется в конденсатор, и, наконец,турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением , в которых часть пара отбирается при постоянном давлении из промежуточной ступени, а остальная часть проходит через последующие ступени и отводится к тепловому потребителю при более низком давлении;
• по параметрам свежего пара – турбины среднего давления (3,43 МПа, 435°С), турбины повышного давления (8,8 МПа, 535°С), турбины высокого давления (12,75 МПа, 565°С) и турбины сверхкритических параметров (23,55 МПа, 560°С);
• по использованию в промышленности – турбины стационарного типа с постоянным числом оборотов ротора (для работы на электрических станциях) и переменным числом оборотов ротора (для привода насосов, компрессоров), а также турбины нестационарного типа с переменным числом оборотов ротора (судовые и транспортные).

Таблица 3.1 Основные показатели некоторых турбин перегретого пара мощностью до 200 МВт

Показатель
Завод-изготовитель	Турбоатом
Номинальная мощность, МВт
Начальное давление, МПа
Начальная температура,°C
Давление промперегрева, МПа
Температура промперегрева,
Конечное давление, кПа
Температура пит.воды, °C
Число регенер. отборов
Расход пара, кг/с

СМ* – «Силовые машины».

Таблица 3.2 Основные показатели турбин перегретого пара мощностью выше 200 МВт

Показатель
Завод-изготовитель	Турбоатом			Турбоатом
Номинальная мощность,МВт
Начальное давление, МПа
Начальная температура,°C
Давление промперегрева, МПа
Температура промперегрева,
Конечное давление, кПа
Температура пит.воды, °C
Число регенер. отборов
Расход пара, кг/с

В обозначении турбин первая буква характеризует тип турбины: К – конденсационная, Т – конденсационная с теплофикационным отбором пара, П – с производственным отбором пара для промышленного потребителя, ПТ – с производственным и теплофикационным регулируемыми отборами пара, Р – с противодавлением, ПР – с производственным отбором и противодавлением.

Вторая группа (цифры) в обозначении указывает мощность турбины, МВт (если дробь, то в числителе номинальная, а в знаменателе – максимальная мощность).

Третья группа (цифры) в обозначении указывает начальное давление пара перед стопорным клапаном турбины, ата (кгс/см2 ) или МПа. Под чертой для турбин типов П, ПТ, Р и ПР указывается номинальное давление производственного отбора или противодавление, ата (кгс/см2 ) или МПа. Под номинальной мощностью понимается наибольшая мощность, которую турбина должна развивать длительное время при номинальных значениях всех других основных параметров, а максимальная мощность – это наибольшая мощность, которую турбина должна длительно развивать при отсутствии отборов пара для внешних потребителей теплоты.

Основные характеристики и параметры современных турбин перегретого пара, установленных на ТЭС в Украине и России, приведены в табл. 3.1 и 3.2.

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.

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.