Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
В турбине Швамкруга рабочее колесо большого диаметра (5 м и более) имело направляющие лопатки, расположенные внутри обода. Подводящая труба входила внутрь рабочего колеса и имела несколько сопел, отверстия которых регулировались задвижками. Движение воды в этих турбинах происходило по касательной к рабочему колесу, лопатки которого расширялись снаружи.
Колесо Пельтона применялось при очень больших напорах и малых количеств воды, когда другие турбины работают с низким КПД. В нем нет каналов, по которым протекает вода, а имеются лишь ковшеобразные лопатки на рабочем колесе, подвергающиеся непосредственному действию воды. Колесо Пельтона является свободноструйной, или ковшовой, турбиной. Она является парциальной, так как вода в любой момент времени действует на небольшое число лопаток. На самые нижние точки колеса бьет струя воды из сопла. Мощность струи регулировалась сначала язычковым затвором, а затем особым шпинделем, входящим в сопло. Колесо Пельтона может приводиться во вращение действием нескольких струй, выходящих из сопел, расположенных особым образом.
К началу XX в. в основном применялись два типа турбин: радиально-осевая реактивная турбина и колесо Пельтона. После опытов, поставленных во время Лауффен-Франкфуртской выставки 1891 г. началась новая эра в производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях. Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, равный числу оборотов данной турбины при напоре 1 м и мощности 1 л. с. В первых радиально-осевых турбинах он равнялся 60–70, а к концу XIX в. возрос до 320. Для повышения коэффициента быстроходности стремились распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и вертикальные турбины сдвоенного типа. В 1914 г. Дубе доказал, что при значительном увеличении зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом и одновременном уменьшении длины лопаток рабочего колеса можно довести этот коэффициент до 500 в несдвоенной турбине. Но при рабочем колесе с неподвижными лопатками при этом снижался КПД.
Решительный прогресс в отношении коэффициента быстроходности был достигнут в 1914–1916 гг., когда В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.
Гидравлические турбины, предложенные Капланом для низконапорных установок, в процессе своего развития прошли две формы. Вначале в этой турбине между выходными ребрами направляющего аппарата и входными ребрами рабочего колеса имелось большое незанятое пространство, лопатки были очень короткими в направлении движения воды, водный поток в турбине имел большую свободу, чем в других турбинах, и уменьшались гидравлические потери, что приводило к повышению коэффициента быстроходности. Стремясь устранить детали, усложняющие прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1000, КПД при полном подводе воды к турбине равнялся 0,8–0,82. Но испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу КПД резко падает. После этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. Поворот лопаток вначале регулировался вручную, а затем был автоматизирован. Турбины этого типа называются поворотнолопастными. Поворотнолопастные турбины, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными.
Радиально-осевые гидротурбины применяют на напоры до 500–600 м. Из активных гидротурбин чаще всего используют ковшовые и применяют на напоры выше 500–600 м.
Паровую турбину впервые создал Герон Александрийский. Устройство, названное им «эолипил», действовало на реактивном принципе. Реактивная сила пара, вытекавшего из согнутых трубок (сопел), приводила во вращение шар, закрепленный на оси.
Прообразом современных паровых турбин стала модель паровой турбины, построенная в XVI в. итальянцем Бранка. Она состояла из бачка с водой, под которым находилась горелка. При нагревании струя пара, поднимаясь по специальной трубке-соплу, попадала на лопатки, укрепленные на диске, и вращала диск.
Попытки построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, осуществил в 1791 г. Садлер. Опыты Сен-Венана и Вантцеля над истечением пара показали наличие больших трудностей в постройке паровой турбины, связанных с высокими скоростями пара. Открытое при эксплуатации гидравлических турбин рациональное отношение между скоростями движущей среды и лопатками турбины показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень высоких оборотах.
Таким образом, при разработке паровых турбин были два возможных пути: снижение числа оборотов паровых турбин без потери КПД и разработка конструкций, способных работать при большом числе оборотов.
Первое направление заключалось в применении многоступенчатой турбины. Этот принцип описал в 1853 г. Турнер.
Кроме него многоступенчатый принцип предложили Жирар в 1855 г., Перриго и Фарко в 1864 г., Эдвардс в1871 году.
Развитие паровых турбин началось с появлением электроэнергетики. Ряд принципиальных вопросов в их конструировании разрешил в своих трудах шведский инженер Г. П. Лаваль. Он был сторонником увеличения числа оборотов технических агрегатов. В конструкции первого сепаратора непрерывного действия в 1878 г. он применил большое число оборотов (6000–7000 в минуту). Для непосредственного привода своего сепаратора Лаваль в 1883 г. предложил сначала простейшую турбину в виде героновского эолипила. Стремясь повысить КПД турбины, Лаваль в 1889 г. изобрел расширяющееся сопло, носящее сейчас его имя. Оно позволяет понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость. Сопло Лаваля позволило повысить начальное давление пара и увеличить экономичность парового двигателя.
Пойдя по пути освоения высоких скоростей, Лаваль создал активную одновенечную турбину с рядом рабочих лопаток на одном рабочем колесе, вращавшемся со скоростью примерно 30 000 об/мин. В процессе ее конструирования Лавалю пришлось решить ряд проблем: расширяющегося сопла, гибкого вала, турбинного колеса-диска в форме тела равного сопротивления инерционным силам, возникающим при громадном числе оборотов, подшипников гибкого вала с шаровой опорой, специальных материалов (Лаваль впервые применил никелевую сталь для лопаток и дисков); автоматического останова турбины при переходе за допускаемую предельную скорость вращения (решенного им в виде «разрушителя вакуума»), наконец, проблему редуктора в виде механического зубчатого зацепления пары колес с шевронными геликоидальными зубцами.
Турбины конструкции Лаваля получили название активных. Малая мощность и довольно большой расход пара (6–7 кг/л. с. ч.) в турбинах Лаваля ограничили их применение областью привода маломощных агрегатов с большим числом оборотов.
Быстроходная паровая турбина, не имеющая частей, совершающих возвратно-поступательное движение, способна была сконцентрировать в одном агрегате громадные мощности. Это свойство турбины могло проявиться только при ее объединении с генератором электрического тока.
В этом направлении вел работу английский инженер Ч. Парсонс. В 1884 г. он получил патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 6 л. с. при 1000 об/мин. Для уравновешивания осевых усилий пар подводился в кольцевое пространство в средней части турбины, откуда через венцы подвижных и неподвижных лопаток он проходил к концам турбины. Размеры всех лопаток были почти одинаковыми, так что рост сечения для прохода пара практически отсутствовал. Такие турбины стали называться реактивными.
С 1885 по 1899 г. Парсонс строил паровые турбины разнообразных конструкций, постепенно вводя новые и новые улучшения, снижая расход пара, достигавшего в первых образцах громадной величины – около 60 кг/кВт-ч. К 1889 г. турбины Парсонса имели расход пара порядка 12 кг/кВт-ч. Эти турбины развивали мощность 60–75 кВт при 4800–5000 об/мин. В 1887 г. были впервые применены лабиринтовые уплотнения, использованные для разгрузочного поршня, с введением которого турбины начали строить однопроточными.
В Европе паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов в 1899 г, когда в немецком городе Эльберфельд на электрической станции для привода генераторов трехфазного переменного тока впервые были применены турбины Парсонса мощностью 1000 кВт. Испытание Эльберфельдской станции было поручено лучшим немецким специалистам. Опубликованный ими в 1900 г. отчет установил неоспоримое преимущество паровой турбины перед другими типами двигателей, служивших для привода генераторов электрических станций. Турбины работали паром со средним давлением 10,5 атм, температурой 200 °C и показали расход пара 8–9 кг/кВт-ч при полной нагрузке агрегата.
