+7 (351) 210 00 42
210 00 40
ru
Уралэнергомаш Клиентам Статьи История паровых турбин

История паровых турбин

Термин «турбина» происходит от французского слова «turbine», возникшего из латинского «turbo» — вихрь, вращение с большой скоростью.

Паровая турбина — это основной силовой технологический узел электрической станции, в котором внутренняя энергия пара 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 сначала преобразует потенциальную энергию пара в кинетическую энергию парового потока, а затем уже кинетическая энергия потока рабочего тела превращается в механическую энергию вращающегося ротора. Подобное двойное преобразование энергии позволяет осуществить в турбине непрерывный рабочий процесс.

Для разработки паровой турбины требовались глубокие знания физических свойств пара. Также 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 только 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.

Только в 1883 году шведу Карлу Густаву Патрику де Лавалю удалось преодолеть данные затруднения и создать первую работающую одноступенчатую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор (аппарат, производящий разделение продукта на фракции с разными характеристиками) для молока. Однако для того чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче.

Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и, в конце концов, добился желаемого. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Первую уже многоступенчатую паровую турбину реактивного типа разработал Чарльз Алджернон Парсонс в 1884 г. Она предназначалась вовсе не для привода относительно маломощных сепараторов, а 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 подавался к середине вала турбины, а затем протекал к ее концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции, датированной 1887 г., Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.

Чарльз Парсон в 1893 году основал компанию морских паровых турбин Marine Steam Turbine Company и предложил Британскому Адмиралтейству построить турбоход. Первый турбоход «Турбиния» длинной 37,8 м, максимальной шириной 3,2 м, водоизмещением 44,5 т, был заложен 2 августа 1894 года.

В 1896 году турбоход был спущен на воду и начались ходовые испытания, после которых потребовалось пересмотреть существующие для пароходов представления о проектировании корпуса и винта.

После перехода на трехвинтовую систему пропульсивного комплекса (гидромеханическая система, включающая корпус судна и установку, в которой энергия рабочего тела преобразуется в упор, сообщающий движение корпусу судна), решения проблем с кавитацией винтов и заменой турбогенератора на три многоступенчатые турбины судно было сдано заказчику, показав на испытаниях максимальную скорость в 34,5 уз (61 км/час) при мощности энергетической установки 2300 л.с. Успех «Турбинии» вдохновил Адмиралтейство на немедленную постройку для флота кораблей, оснащенных турбинами.

паровая турбина

Рис. 1. «Турбиния» Чарльза Парсонса — первое в мире судно с паровой турбиной

В середине XX века началась конкурентная борьба между паротурбинными и дизельными силовыми установками за применение их на больших судах для транспортировки объемных грузов, в том числе и танкерах. Первоначально на судах дедвейтом до 40000 тонн преобладали паротурбинные силовые установки, но стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания привело к тому, что некоторые корабли и суда водоизмещением более 100000 тонн и в настоящее время оборудуются дизельными силовыми установками. Паротурбинные установки сохранились даже на крупных боевых кораблях, а также на быстроходных и больших контейнеровозах, когда мощность главного двигателя составляет 40000 л. с. и более.

Источник: Научный журнал "Молодой ученый"