Паровые турбины стали одним из важнейших достижений инженерной мысли, сыграв значительную роль в развитии энергетики и транспорта. Первая в мире многоступенчатая реактивная турбина, созданная английским изобретателем Чарлзом Алджерноном Парсонсом в 1884 году, положила начало эре новых технологий. В статье рассмотрены вопросы истории создания паровой турбины.
Паровая турбина— это тепловой двигатель, тепловая энергия пара в котором преобразуется в механическую работу.
Классической паровой турбине уже больше века, а использование энергии пара для выработки электроэнергии в настоящее время получает все большее распространение. Но началось все еще несколько веков назад.
В I веке н.э. греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков.
В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла.
В 1629 году схожую идею предложил итальянский инженер Джованни Бранка: Он предложил использовать пар для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах.
Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.
Но наибольший сдвиг в конструктивном оформлении паровой турбины и дальнейшем ее развитии наметился в конце позапрошлого столетия, когда в Швеции инженер Густав Лаваль и в Англии Чарльз Парсонс независимо друг от друга стали работать над созданием и усовершенствованием паровой турбины. В паровой турбине Лаваля, созданной в 1883 г., пар поступал в одно или несколько параллельно включенных сопел, приобретал в них значительную скорость и направлялся на рабочие лопатки, расположенные на ободе диска, сидящего на валу турбины, и образовавших решетку рабочих каналов.
Усилия, вызванные поворотом струи пара в каналах рабочей решетки, вращали диск и связанный с ним вал турбины. Отличительной особенностью этой турбины являлось то, что расширение пара в соплах от начального до конечного давления происходило в одной ступени.
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.
Турбина Лаваля делала около 30 тысяч оборотов в минуту, а турбина Парсонса — 18 тысяч. Двигатели с такими скоростями не могли иметь применения нигде, и оба изобретателя начали думать, как бы снизить число оборотов.
Лаваль, не убавляя скорости самого турбинного колеса, что было бы невыгодно, поставил зубчатую передачу, В итоге турбины Лаваля, получив вначале развития турбостроения значительное распространение в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место другим типам турбин.
А вот Парсонс снизил скорость вращения ротора тем, что заставил пар терять давление постепенно в венцах лопаток, разделив их на особые группы. Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, принципиально отличалась 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.
Чарлз Парсонс запатентовал первую многоступенчатую реактивную турбину осевого типа. Пар в ней расширялся постепенно по мере прохождения 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). Неподвижные лопатки, закрепленные на корпусе, служили направляющими, в то время как подвижные лопатки находились на диске, насаженном на вращающийся вал. Лопатки были ориентированы в противоположных направлениях, что обеспечивало оптимальное направление потока пара.
Эта оригинальная конструкция позволила значительно уменьшить скорость струи пара, что в свою очередь снизило его режущее воздействие на металл при высоких скоростях. В результате, Парсонс добился эффективного использования энергии пара, что было невозможно для других паровых двигателей того времени. С максимальным числом оборотов в 17 000 в минуту, турбина развивала мощность всего 6 л.с. (4,41 кВт), но это был только начальный этап.
Турбина Парсонса стала первым прототипом современных паровых турбин и нашла широкое применение на быстроходных судах и для привода электрогенераторов. Благодаря своей высокой эффективности и надежности, она положила начало новому этапу в развитии энергетики.
Рассвет отечественного паротурбостроения совпал с началом прошлого столетия. В 1904 году Металлический завод приобрел у французских партнеров лицензии на производство паровых турбин системы «Рато» мощностью 100, 300, 340 и 400 лошадиных сил, генераторов к ним и некоторых приспособлений. К тому времени на ЛМЗ имелось лишь одно конструкторское бюро — артиллерийское, в котором была создана специальная турбинная группа, и в нее входили только трое специалистов: инженер В. Рогинский, чертежники П. Шапошников и С. Заборский. Несмотря на все сложности, 12 апреля 1904 года на производство отправили первый чертеж русской паровой турбины мощностью 200 кВт на начальные параметры пара 1 МПа и 250 ºС, а в 1907 году производство доложило об успешном изготовлении паровой турбины. Установка этой турбины на заводской электростанции стала важным шагом в развитии отечественной энергетики.
Необходимо отметить, что данная турбина успешно эксплуатировалась на протяжении почти 57 лет, вплоть до 1964 года. Это говорит о надежности и долговечности конструкции, а также о высоком уровне инженерных решений, примененных при её создании.
И сегодня паровые турбины используются в теплоснабжении, на производствах для выработки электричества (95% энергии, продуцируемой на ТЭС и АЭС во всем мире), утилизации тепла и как приводы для насосов, компрессоров, гребных винтов, вентиляторов и центробежных нагнетателей.
