Технический прогресс в теплоэнергетике

Усовершенствование и развитие парового двигателя в конце XIX в. происходило под непосредственным влиянием электротехники. 90-е годы XIX в. характеризуются широким строительством электростанций. 

Развитие электроэнергетики потребовало создания нового быстроходного экономичного двигателя. В этот период в разных странах появляется целый ряд конструкций паровых машин с числом оборотов от 200 до 600 в минуту, предназначенных специально для нужд электростанций. Но как бы ни усовершенствовались паровые машины, они не могли вполне удовлетворить требованиям, предъявляемым к ним энергетикой. Большинство паровых машин были маломощными и могли применяться лишь на небольших электростанциях. Крупные электростанции обслуживались в большинстве случаев огромными паровыми машинами с небольшим числом оборотов, потреблявшими колоссальное количество топлива, что весьма удорожало стоимость электроэнергии. Таким образом, с первых же шагов развития электротехники возникла острая потребность в специальном быстроходном мощном и экономичном двигателе для электростанций. Технические предпосылки для создания нового теплового двигателя в конце XIX в. были налицо. Техника производства специальных сплавов и механическая обработка металлов достигли высокого уровня. Были изучены свойства водяного пара и законы его истечения. Успешно развивалось также учение о сопротивлении материалов и теория упругости. Изобретение нового теплового двигателя — паровой турбины — явилось ответом на запросы машинного производства.

С самого начала своего практического применения турбина обладала рядом преимуществ по сравнению с паровой машиной. Она гораздо проще и удобнее осуществляла принцип непрерывного вращательного движения, чем поршневая паровая машина. Турбина могла развивать скорость хода почти до неограниченных размеров, исчислявшихся десятками тысяч оборотов в минуту. Наконец, мощность любой турбины намного превосходила мощность даже самой большой паровой машины. Кроме того, в эксплуатации турбины обходились ничуть не дороже паровых машин. Все эти качества и сделали паровую турбину основным двигателем крупной машинной индустрии конца XIX — начала XX в.

Идея использования кинетической энергии пара для получения вращательного движения нашла впервые свое воплощение в крутящемся шаре Герона. Этот прибор представлял собой прообраз реактивной паровой турбины. Другой «машиной», использующей кинетическую энергию пара для своего вращения, являлось известное «колесо» итальянского ученого Бранка (XVII в.). Оно вращалось благодаря тому, что пар из котла вытекал на лопасти горизонтального колеса с ячейками. Это устройство было не чем иным, как примитивной активной паровой турбиной. Однако для реализации технических принципов, положенных в основу этих аппаратов, как в древности, так и в средние века отсутствовали все необходимые предпосылки: экономические условия, знание свойств пара, понимание процессов преобразования энергии и надлежащий уровень развития техники.

В конце XVIII в. идея турбины снова как будто бы возродилась. Уатт, работая над паровым двигателем, высказывал мысль, что паровая турбина представляет наиболее выгодное решение в деле достижения вращательного движения. Но Уатт с обычной своей проницательностью понимал и невозможность технического осуществления паровой турбины в конце XVIII в.

Над созданием паровой турбины изобретатели разных стран работали длительное время. С 1880 по 1890 г. в Англии было выдано 52 патента на паровые турбины, а с 1890 по 1900 г.— 186. Наиболее удачные технические решения этой проблемы дали швед К. Лаваль и англичанин Ч. Парсонс. Шведский инженер Карл Густав де Лаваль (1845—1921) происходил из старинной французской семьи, эмигрировавшей в Швецию в конце XVI в. во время преследования гугенотов. Идея паровой турбины возникла у Лаваля при работе над сепаратором для молока. Так как паровая машина не могла обеспечить большую скорость вращения вала сепаратора (6 — 7 тыс. об/май), Лаваль, для того чтобы не применять в сепараторе сложных передач, прямо на оси сепаратора поместил реактивную турбину простейшего типа. Это изобретение было запатентовано Лавалем в 1883 г. (рис. 1).

Рис. 1. Схема работы активной турбины Лаваля.

В 1889 г. Лаваль создает новую, более сложную одноступенчатую реактивную турбину. Принцип действия турбины Лаваля заключался в следующем: четыре трубы, так называемые паровые сопла (3—6), подводили под острым углом пар к лопаткам колеса (2), укрепленного на валу (1). Пар, поступающий в сопла под высоким давлением с незначительной скоростью и покидающий их с большой скоростью и при низком давлении, тек по лопаткам и выходил с противоположной стороны колеса. Его давление на вогнутую сторону лопаток вызывало вращение колеса и производило механическую работу. Турбина Лаваля являлась простейшей активной паровой турбиной, в которой струя пара с большой скоростью направлялась на лопатки колеса.

В 1895 г. на выставке в Чикаго были представлены первые турбины Лаваля в 5 л. с, делавшие 30 тыс. об/мин. Затем стали производиться турбины довольно больших мощностей – до 300—350 л. с. В 1860 г. на выставке в Париже была представлена однодисковая турбина Лаваля мощностью 350 л. с.

Турбины Лаваля сыграли большую роль в истории турбостроения. При их конструировании были поставлены и разрешены многие основные вопросы турбостроения. Однако, хотя турбина Лаваля и способствовала дальнейшему развитию турбостроения, из-за несовершенства конструкции она не получила большого распространения.

Решительный сдвиг в деле использования паровых турбин на электрических станциях произвела турбина английского инженера Чарльза Парсонса (1854—1931), создавшего первую турбину в 1884—1885 гг. Паровая турбина Парсонса принципиально отличалась от турбины Лаваля. В ней была применена многоступенчатая конструкция реактивного типа. Турбина Парсонса состояла из ряда помещенных на одном валу венцов лопаток особой конструкции: между вращающимися венцами лопаток помещались неподвижные ряды таких же лопаток, направленных в противоположную сторону. Эти так называемые реактивные лопатки и составляют особенность изобретения Парсонса. Реактивные лопатки Парсонса представляли собой аппарат, в котором происходило превращение потенциальной энергии пара в кинетическую энергию и превращение последней в механическую работу. Парсонс придал лопаткам форму, при которой сечение междулопаточных каналов уменьшалось по направлению истечения пара. Таким образом, лопатки Парсонса образовывали как бы насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекает пар. Механическая работа при этом получалась как за счет активного, так и за счет реактивного действия паровой струи. В противоположность одноступенчатой турбине Лаваля, где энергия давления пара вся сразу в сопле преобразовывалась в энергию движения, турбина Парсонса была многоступенчатой. В этой турбине энергия давления, постепенно понижаясь со ступени на ступень, от одного венца лопаток к другому, превращалась в энергию движения.

Рис. 2. Турбогенератор Парсонса (модель). Справа — электрогенератор с высокими электромагнитами, слева — паровая турбина со снятой крышкой.

Турбину Парсонса, строго говоря, следует называть активно-реактивной, но, так как в основу ее положен все же реактивный принцип работы пара, за нею осталось название реактивной турбины. В 1885—1888 гг. Парсонс продолжал работать над совершенствованием своей турбины. В 1888 г. он создал турбину с одним протоком пара, а затем сконструировал ряд турбин мощностью 60—75 кет, делающих 5600—5800 об/мин. В 1893 г. Парсонс предложил своеобразную конструкцию многоступенчатой турбины, представляющей соединение нескольких простых реактивных колес (типа «Герон»). В 1894 г. он создал новый образец реактивной турбины, которая явилась основным типом паровых турбин того времени, предназначенных для электрических станций. В 1913 г. мощность таких турбин достигла 2500 квт.

Турбины Парсонса получили гораздо большее распространение, чем турбины Лаваля. Они с самого своего возникновения были рассчитаны для использования на электростанциях, остро нуждающихся в подобного рода двигателях.

Но развитие паровых турбин не остановилось на турбине Парсонса. В 1899 г. французский инженер Огюст Рато создал активную многоступенчатую турбину, которая представляла собой по сравнению с турбиной Парсонса новый шаг в турбостроении. В ней воплотились новые технические принципы конструирования турбин. Турбина Рато получила большое распространение в Европе, особенно в Швейцарии, Германии и Франции. Она оказалась более экономичной, чем турбина Парсонса. В Америке большое распространение получила турбина Ч. Кертиса, которая также представляла собой активную многоступенчатую турбину. К концу рассматриваемого периода потребность в новом тепловом двигателе была полностью удовлетворена. Была создана мощная паровая турбина, вполне удовлетворявшая потребности быстро развивающейся электроэнергетики. Промышленность развитых капиталистических стран освоила производство паровых турбин большой мощности, обладающих большой быстроходностью.

Производством турбин занимались крупнейшие предприятия: в Германии — «Всеобщая компания электричества», в Англии — «Джон Браун», в США — «Дженерал электрик» и фирма Вестингауз. В России турбины небольшой мощности в крайне незначительном количестве производились на Металлическом заводе в Петербурге. В эту эпоху решены проблемы создания электрического освещения, передачи электрической энергии на большие расстояния. В этот период были изобретены и начали применяться новые двигатели — паровые турбины, было положено начало строительству лектрических станций, которые позволили обеспечить промышленность новым видом энергии.