Технічний прогрес в теплоенергетиці

 

Удосконалення і розвиток парового двигуна в кінці XIX ст. відбувалося під безпосереднім впливом електротехніки. 90-е роки XIX ст. характеризуються широким будівництвом електростанцій. Розвиток електроенергетики зажадав створення нового швидкохідного економічного двигуна.

У цей період в різних країнах з'являється цілий ряд конструкцій парових машин з числом оборотів від 200 до 500 в хвилину, призначених спеціально для потреб електростанцій, але як би не удосконалювалися парові машини, вони не могли цілком задовольнити вимоги, що пред'являються до них енергетикою. Більшість парових машин була малопотужною і могла застосовуватися лише на невеликих електростанціях. Крупні електростанції обслуговувалися в більшості випадків величезними паровими машинами з невеликим числом оборотів, що споживали колосальну кількість палива, що вельми здорожувало вартість електроенергії. Таким чином, з перших же кроків розвитку електротехніки виникла гостра потреба в спеціальному швидкохідному могутньому і економічному двигуні для електростанцій. Технічні передумови для створення нового теплового двигуна в кінці XIX ст. були в наявності. Техніка виробництва спеціальних сплавів і механічна обробка металів досягли високого рівня. Були вивчені властивості водяної пари і закони її витікання. Успішно розвивалося також вчення про опір матеріалів і теорія пружності. Винахід нового теплового двигуна – парової турбіни – з'явилося відповіддю на запити машинного виробництва.

З самого початку свого практичного вживання турбіна володіла рядом переваг в порівнянні з паровою машиною. Вона набагато простіше і зручніше здійснювала принцип безперервного обертального руху, ніж поршнева парова машина. Турбіна могла розвивати швидкість ходу майже до необмежених розмірів, що обчислювалися десятками тисяч оборотів в хвилину. Нарешті, потужність будь-якої турбіни набагато перевершувала потужність навіть найбільшої парової машини.

Ідея використовування кінетичної енергії пари для отримання обертального руху знайшла вперше своє втілення в кулі Герона, що крутиться. Цей прилад був прообразом реактивної парової турбіни. Іншою "машиною", що використовує кінетичну енергію пари для свого обертання, було відоме "колесо" італійського ученого Бранка (XVII ст.). Воно оберталося завдяки тому, що пара з котла витікала на лопаті горизонтального колеса з осередками. Цей пристрій був не чим іншим, як примітивною активною паровою турбіною.

Над створенням парової турбіни винахідники різних країн працювали тривалий час. З 1880 по 1890 р. в Англії було видано 52 патенти на парові турбіни, а з 1890 по 1900 р. – 186. Найвдаліші технічні рішення цієї проблеми дали швед К. Лаваль і англієць Ч. Парсонс.

Шведський інженер Карл Густав де Лаваль (1845-1921) походив із старовинної французької сім'ї, що емігрувала до Швеції в кінці XVI ст. під час переслідування гугенотів. Ідея парової турбіни виникла у Лаваля при роботі над сепаратором для молока. Оскільки парова машина не могла забезпечити велику швидкість обертання валу сепаратора (6-7 тис. об/мин), Лаваль, для того, щоб не застосовувати в сепараторі складних передач, прямо на осі сепаратора помістив реактивну турбіну найпростішого типу. Цей винахід був запатентований Лавалем в 1883 р.

У 1889 р. Лаваль створює нову, складнішу одноступінчату реактивну турбіну. Принцип дії турбіни Лаваля полягав в наступному: чотири труби, так звані парові сопла, підводили під гострим кутом пар до лопаток колеса, укріпленого на валу. Пара, що поступала в сопла під високим тиском з незначною швидкістю і покидала їх з великою швидкістю і при низькому тиску, текла по лопатках і виходила з протилежної сторони колеса. Його тиск на увігнуту сторону лопаток викликав обертання колеса і проводив механічну роботу. Турбіна Лаваля була найпростішою активною паровою турбіною, в якій струмінь пари з великою швидкістю прямував на лопатки колеса.

Турбіни Лаваля зіграли велику роль в історії турбобудування. При їх конструюванні було поставлено і розв’язано багато основних питань турбобудування. Проте, хоча турбіна Лаваля і сприяла подальшому розвитку турбобудування, через недосконалість конструкції вона не набула великого поширення.

Рішуче зрушення в справі використовування парових турбін на електричних станціях провела турбіна англійського інженера Чарльза Парсонса (1854-1931), що створив першу турбіну в 1884-1885 рр. Парова турбіна Парсонса принципово відрізнялася від турбіни Лаваля. В ній була застосована багатоступінчата конструкція реактивного типу.

Турбіна Парсонса складалася з ряду поміщених на одному валу вінців лопаток особливої конструкції: між вінцями лопаток, що обертаються, поміщалися нерухомі ряди таких же лопаток, направлених в протилежну сторону. Ці так звані реактивні лопатки і складають особливість винаходу Парсонса. Реактивні лопатки Парсонса були апаратом, в якому відбувалося перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію і перетворення останньої в механічну роботу. Парсонс надав лопаткам форму, при якій перетин між лопаточних каналів зменшувався по напряму закінчення пари. Таким чином, лопатки Парсонса утворювали як би насаджені на вал сопла, з яких, розширяючись, закінчується пара. Механічна робота при цьому виходила як за рахунок активної, так і за рахунок реактивної дії парового струменя. В протилежність одноступінчатій турбіні Лаваля, де енергія тиску пари вся відразу в соплі перетворювалася в енергію руху, турбіна Парсонса була багатоступінчатою. В цій турбіні енергія тиску, поступово знижуючись із ступеня на ступінь, від одного вінця лопаток до іншого, перетворювалася на енергію руху.

Турбіни Парсонса набули набагато більше поширення, ніж турбіни Лаваля. Вони з самого свого виникнення були розраховані для використовування на електростанціях, гостро потребуючих в подібного роду двигунах.

У 1899 р. французький інженер Огюст Рато створив активну багатоступінчату турбіну, яка була в порівнянні з турбіною Парсонса новим кроком в турбобудуванні. В ній утілилися нові технічні принципи конструювання турбін. Турбіна Рато набула велике поширення в Європі, особливо в Швейцарії, Німеччині і Франції. Вона виявилася більш економічною, ніж турбіна Парсонса. В Америці велике поширення набула турбіна Ч. Кертіса, яка також була активною багатоступінчатою турбіною.

До кінця даного періоду потреба в новому тепловому двигуні була повністю задоволена. Була створена могутня парова турбіна, що цілком задовольнила потреби електроенергетики, що швидко розвивалася. Промисловість розвинених капіталістичних країн освоїла виробництво парових турбін великої потужності, що володіли великою швидкохідністю.