تاريخ اختراع التوربينات. تاريخ تطور التوربينات البخارية
محطة التوربينات البخارية هي وحدة حرارية تعمل بشكل مستمر، وسائل العمل فيها هو الماء والبخار. التوربين البخاري هو محرك طاقة يتم فيه تحويل الطاقة الكامنة للبخار إلى طاقة حركية، ويتم تحويل الطاقة الحركية بدورها إلى طاقة ميكانيكية لدوران الدوار. الدوار التوربيني مباشرة أو باستخدام نقل العتاديتصل بجهاز العمل. اعتمادا على الغرض من آلة العمل، يمكن استخدام التوربينات البخارية في أغلب الأحيان مناطق مختلفةالصناعة: الطاقة والنقل والملاحة البحرية والنهرية وغيرها. يشمل التوربينات البخارية والمعدات المساعدة.
تاريخ التوربينات البخارية
يعتمد تشغيل التوربين البخاري على مبدأين لإنشاء قوة محيطية على الدوار، معروفة منذ العصور القديمة - رد الفعل والنشاط. في وقت مبكر من 130 قبل الميلاد. اخترع مالك الحزين الإسكندري جهازًا يسمى إيوليبيل. وفقًا للشكل 2.1، كانت عبارة عن كرة مجوفة مملوءة بالبخار مع فوهتين على شكل حرف L تقعان على جانبين متقابلين وموجهتين في اتجاهات مختلفة. يتدفق البخار من الفوهات مع السرعه العاليهوبسبب قوى رد الفعل الناتجة، دارت الكرة.
المبدأ الثاني يقوم على التحول الطاقة الكامنةالزوج إلى الحركية. ويمكن توضيح ذلك من خلال مثال آلة جيوفاني برانكا، التي تم بناؤها عام 1629 والموضحة في الشكل 2.2. في هذه الآلة، قادت طائرة من البخار عجلة ذات شفرات، تذكرنا بعجلة طاحونة المياه.
تستخدم التوربينات البخارية كلا هذين المبدأين. يتم توجيه تيار من البخار تحت ضغط عالٍ إلى الشفرات المنحنية المثبتة على الأقراص. عند التدفق حول الشفرات، تنحرف الطائرة، ويبدأ القرص مع الشفرات في الدوران. يتحرك البخار بين الشفرات في قناة متوسعة (بعد كل شيء، يتناقص سمك الشفرات مع اقترابها من الساق)، ويتوسع البخار ويتسارع. وفقًا لقوانين الحفاظ على الطاقة والزخم، تؤثر قوة على عجلة التوربين، مما يؤدي إلى دورانها. ونتيجة لذلك، يتم تحويل طاقة الضغط (الطاقة الكامنة) للبخار إلى طاقة حركية لدوران التوربين.
كانت التوربينات الأولى، مثل آلة برانكا، ذات طاقة محدودة المراجل البخاريةلم تكن قادرة على خلق الضغط العالي. بمجرد أن أصبح من الممكن الحصول على البخار ضغط مرتفعتحول المخترعون مرة أخرى إلى التوربين. في عام 1815، قام المهندس ريتشارد تريفيثيك بتركيب فوهتين على حافة عجلة قاطرة وتمرير البخار من خلالهما. بناء المنشرة التي بناها الأمريكي ويليام أفيري عام 1837 كان يعتمد على مبدأ مماثل. وفي إنجلترا وحدها، وعلى مدار أكثر من 20 عامًا، من عام 1864 إلى عام 1884، تم تسجيل أكثر من مائة اختراع يتعلق بالتوربينات. لكن لم تسفر أي من هذه المحاولات عن إنشاء آلة مناسبة للصناعة.
ترجع هذه الإخفاقات جزئيًا إلى عدم فهم فيزياء تمدد البخار. والحقيقة هي أن كثافة البخار أقل بكثير من كثافة الماء، و"مرونته" أكبر بكثير من مرونة السائل، وبالتالي فإن سرعة نفث البخار تكون التوربينات البخاريةآه تبين أنها أكبر بكثير من سرعة الماء في التوربينات المائية. وقد ثبت تجريبيا أن الكفاءة يصل التوربين إلى الحد الأقصى عندما تكون السرعة الطرفية للشفرات حوالي نصف سرعة نفاث البخار. ولهذا السبب كانت للتوربينات الأولى سرعات دوران عالية جدًا.
لكن سرعات الدوران العالية أدت في كثير من الأحيان إلى تدمير الأجزاء الدوارة من التوربين بسبب عمل قوى الطرد المركزي. يمكن تحقيق انخفاض في السرعة الزاوية مع الحفاظ على السرعة المحيطية عن طريق زيادة قطر القرص الذي تم تركيب الشفرات عليه. ومع ذلك، كان من الصعب تنفيذ هذه الفكرة، لأن كمية البخار عالي الضغط المتولد لم تكن كافية لآلة كبيرة. وفي هذا الصدد، كانت التوربينات التجريبية الأولى ذات قطر صغير وشفرات قصيرة.
مشكلة أخرى تتعلق بخصائص البخار تسببت في المزيد من الصعوبات. تتناسب سرعة البخار المتسرب من الفوهة مع نسبة الضغوط عند مدخل ومخرج الفوهة وتصل إلى قيمتها القصوى عند نسبة ضغط تبلغ اثنين تقريبًا. لم تعد الزيادة الإضافية في انخفاض الضغط تؤدي إلى زيادة في سرعة الطائرة. وبالتالي، لم يتمكن المصممون من الاستفادة الكاملة من قدرات البخار عالي الضغط عند استخدام فوهة ذات تجويف ثابت أو مدبب.
في عام 1889، استخدم المهندس السويدي كارل غوستاف دي لافال فوهة تتوسع عند المخرج. جعلت هذه الفوهة من الممكن الحصول على سرعة بخار أعلى بكثير، ونتيجة لذلك، زادت سرعة دوران دوار التوربين بشكل ملحوظ.
يوضح الشكل 2.4 توربين بخاري لافال. فيه، يدخل البخار إلى الفوهة، ويكتسب سرعة كبيرة فيه ويتم توجيهه إلى شفرات العمل الموجودة على حافة قرص التوربين. عندما تدور طائرة البخار، تنشأ قوى في قنوات الشفرات العاملة التي تقوم بتدوير القرص وعمود التوربين المرتبط به. للحصول على الطاقة المطلوبة من توربينة أحادية المرحلة، يتطلب الأمر معدلات تدفق بخار عالية جدًا. من خلال تغيير تكوين الفوهة المتوسعة، كان من الممكن الحصول على درجة كبيرة من تمدد البخار، وبالتالي، سرعة عالية (1200...1500 م/ث) لتدفق البخار.
ل أفضل استخدامعند سرعات البخار العالية، طور لافال تصميمًا للقرص يمكنه تحمل سرعات طرفية تصل إلى 350 م/ث، كما وصلت سرعة دوران بعض التوربينات إلى 32000 دورة في الدقيقة.
تُسمى التوربينات التي تحدث فيها عملية تمدد البخار بأكملها وما يرتبط بها من تسارع لتدفق البخار في الفوهات بالنشط. وتشمل هذه الأجهزة، على وجه الخصوص، توربينات برانكا.
بعد ذلك، اتبع تحسين التوربينات البخارية النشطة مسار استخدام التوسع المتسلسل للبخار في عدة مراحل تقع واحدة تلو الأخرى. في مثل هذه التوربينات، التي طورها العالم الفرنسي راتو في نهاية القرن الماضي وقام المصمم زيلي بتحسينها، يتم فصل عدد من الأقراص المثبتة على عمود مشترك بواسطة أقسام. تم تركيب فتحات جانبية في هذه الأقسام - الفوهات. وفي كل مرحلة من المراحل التي تم إنشاؤها بهذه الطريقة، يتم إطلاق جزء من طاقة البخار. يحدث تحويل الطاقة الحركية لتدفق البخار دون توسع إضافي للبخار في قنوات شفرات العمل. تُستخدم التوربينات النشطة متعددة المراحل على نطاق واسع في المنشآت الثابتة وأيضًا كمحركات بحرية.
إلى جانب التوربينات التي يتحرك فيها تدفق البخار بالتوازي تقريبًا مع محور عمود التوربين والتي تسمى التوربينات المحورية، تم إنشاء ما يسمى بالتوربينات الشعاعية التي يتدفق فيها البخار في مستوى عمودي على محور التوربين. من بين هذا النوع من التوربينات، الأكثر إثارة للاهتمام هو توربين الأخوين ليونجستروم، الذي تم اقتراحه في عام 1912.
على الأسطح الجانبية للأقراص، توجد شفرات المراحل النفاثة في حلقات ذات قطر متزايد تدريجيا. يتم إمداد التوربين بالبخار من خلال الأنابيب ومن ثم يتم توجيهه من خلال الثقوب الموجودة في الأقراص إلى الغرفة المركزية. منه، يتدفق البخار إلى المحيط من خلال قنوات الشفرات المثبتة على الأقراص. على عكس التوربينات التقليدية، لا يحتوي تصميم الأخوين لجونجستروم على فوهات ثابتة أو دوارات توجيه. يدور كلا القرصين في اتجاهين معاكسين، وبالتالي فإن الطاقة التي يولدها التوربين تنتقل إلى عمودين. تبين أن توربين التصميم الموصوف مضغوط للغاية.
ومع ذلك، على الرغم من عدد من حلول التصميم الجديدة المستخدمة في التوربينات النشطة ذات المرحلة الواحدة، إلا أن كفاءتها كانت منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، أدت الحاجة إلى ناقل حركة لتقليل سرعة دوران عمود إدارة المولد الكهربائي إلى إبطاء انتشار التوربينات أحادية المرحلة. لذلك، فإن توربينات لافال، التي كانت تستخدم على نطاق واسع في المرحلة المبكرة من بناء التوربينات كوحدات منخفضة الطاقة (تصل إلى 500 كيلوواط)، أفسحت المجال لاحقًا لتوربينات من أنواع أخرى.
أنشأ بارسونز توربينًا بتصميم جديد تمامًا. كان لديه سرعة دوران أقل، وفي الوقت نفسه، حقق أقصى استفادة من طاقة البخار. والحقيقة هي أن البخار في توربين بارسونز يتوسع تدريجياً مع مروره عبر 15 مرحلة، تتكون كل منها من صفين من الشفرات: أحدهما ثابت (مع شفرات توجيه متصلة بجسم التوربين)، والآخر متحرك (مع شفرات عاملة على القرص) مثبت على عمود دوار). كانت مستويات شفرات الحافات الثابتة والمتحركة متعامدة بشكل متبادل.
البخار الموجه إلى الشفرات الثابتة المتوسعة في قنوات الشفرات البينية، زادت سرعته، وعندما اصطدم بالشفرات المتحركة أجبرها على الدوران. في القنوات البينية للشفرات المتحركة، توسع البخار بشكل أكبر، وزادت سرعة النفاث، ودفعت القوة التفاعلية الناتجة الشفرات.
بفضل إدخال حواف الشفرات المتحركة والثابتة، أصبحت سرعات الدوران العالية غير ضرورية. عند كل حافة من الحواف الثلاثين لتوربين بارسونز متعدد المراحل، تمدد البخار قليلًا، فاقدًا بعضًا من طاقته الحركية. في كل مرحلة (زوج من التيجان) انخفض الضغط بنسبة 10% فقط. لم يكن التمدد المرحلي للبخار الذي يكمن وراء تصميمات التوربينات الحديثة سوى واحد من العديد من الأمثلة افكار اصلية، يجسده بارسونز.
كانت الفكرة المثمرة الأخرى هي تنظيم إمداد البخار إلى الجزء الأوسط من العمود. هنا تم تقسيم تدفق البخار واتجه في اتجاهين إلى الطرفين الأيسر والأيمن للعمود. كان استهلاك البخار في كلا الاتجاهين هو نفسه. إحدى المزايا التي يوفرها تقسيم التدفق هي أن القوى الطولية (المحورية) الناتجة عن ضغط البخار على ريش التوربينات كانت متوازنة. وبالتالي، لم تكن هناك حاجة لمحمل الدفع. يستخدم التصميم الموصوف في العديد من التوربينات البخارية الحديثة.
ومع ذلك، فإن توربين بارسونز الأول متعدد المراحل كان يتمتع بسرعة دوران عالية جدًا - 18000 دقيقة. كانت قوة الطرد المركزي المؤثرة على ريش التوربينات أكبر بـ 13 ألف مرة من قوة الجاذبية. لتقليل خطر كسر الأجزاء الدوارة، توصل بارسونز إلى حل بسيط. كان كل قرص مصنوعًا من حلقة نحاسية صلبة، وكانت الأخاديد التي تناسب الشفرات موجودة حول محيط القرص وكانت عبارة عن شقوق موجهة بزاوية 45 درجة. تم تركيب الأقراص المتحركة على العمود وتثبيتها على نتوءه. تتكون الحافات الثابتة من حلقتين نصفيتين متصلتين بالجزء العلوي والسفلي من غلاف التوربين. كانت شفرات توربينات بارسونز مسطحة. للتعويض عن الانخفاض في سرعة تدفق البخار مع انتقاله إلى المراحل الأخيرة، تم تنفيذ حلين تقنيين في آلة بارسونز الأولى: تم زيادة قطر القرص تدريجيًا وزيادة طول الشفرات من 5 إلى 7 مم. كانت حواف الشفرات مشطوفة لتحسين ظروف التدفق حول الطائرة.
كان بارسونز الابن الأصغر لعائلة حصلت على أرض في أيرلندا. كان والده إيرل روس عالمًا موهوبًا. لقد قدم مساهمات كبيرة في تكنولوجيا صب وطحن المرايا الكبيرة للتلسكوبات.
لم يرسل آل بارسونز أطفالهم إلى المدرسة. كان معلموهم من علماء الفلك الذين دعاهم الكونت للمراقبة الليلية باستخدام التلسكوبات. الخامس النهارقام هؤلاء العلماء بتعليم الأطفال. كما تم تشجيع الأطفال بقوة على المشاركة في ورش العمل المنزلية.
التحق تشارلز بكلية ترينيتي في دبلن، ثم انتقل إلى كلية سانت جون بجامعة كامبريدج، وتخرج منها عام 1877.
جاءت نقطة التحول في حظوظ بارسونز عندما أصبح متدربًا لدى جورج أرمسترونج، وهو مصنع مشهور للبنادق البحرية، وبدأ العمل في مصنع إلسويك الخاص به في نيوكاسليبون تاين. ظلت الأسباب التي دفعت بارسونز إلى اتخاذ مثل هذا القرار مجهولة: في ذلك الوقت، نادرًا ما يختار الأطفال من العائلات الثرية مهنة الهندسة. اكتسب بارسونز سمعة باعتباره الطالب الأكثر اجتهادًا في أعمال أرمسترونج. خلال فترة تدريبه، حصل على إذن للعمل على أحدث الابتكارات - محرك بخاري ذو أسطوانات دوارة - وبين عامي 1877 و1882. حصل على براءة اختراع لعدد من اختراعاته.
بدأ بارسونز بإجراء تجاربه الأولى مع التوربينات أثناء عمله لدى أرمسترونج. من 1881 إلى 1883 أي. مباشرة بعد تدريبه، عمل على إنشاء طوربيد يعمل بالغاز. كانت خصوصية نظام دفع الطوربيد هي أن الوقود المحترق يخلق تيارًا غازيًا عالي الضغط. ضربت الطائرة المكره، مما أدى إلى دورانها. الدافعة بدورها دفعت مروحة الطوربيد إلى الدوران.
توقف بارسونز عن العمل في توربينات الغاز في عام 1883، على الرغم من أن براءة اختراعه لعام 1884 تصف دورة التشغيل الحديثة لمثل هذه التوربينات. وقدم بعد ذلك تفسيرا لذلك. كتب: "التجارب التي أجريت منذ سنوات عديدة، والتي كانت تهدف جزئيًا إلى التحقق من حقيقة توربينات الغاز، أقنعتني أنه مع المعادن التي كانت تحت تصرفنا ... سيكون من الخطأ استخدام تيار ساخن". من الغازات - إما في صورة نقية أو مخلوطة بالماء أو البخار." كانت هذه ملاحظة بعيدة النظر: لم تظهر المعادن ذات الصفات الضرورية إلا بعد مرور عشر سنوات على وفاة بارسونز.
في أبريل 1884 قدم براءتي اختراع مؤقتتين، وفي أكتوبر ونوفمبر من نفس العام أصدرهما وصف كاملاختراعات. لقد كانت فترة مثمرة بشكل لا يصدق بالنسبة لبارسونز. قرر إنشاء دينامو يعمل بتوربين بسرعات عالية لا يمكن أن تحققها سوى القليل من الآلات الكهربائية الحديثة. بعد ذلك، كرر بارسونز في كثير من الأحيان أن هذا الاختراع كان لا يقل أهمية عن إنشاء التوربينات نفسها. قبل اليوميظل التطبيق الرئيسي للتوربينات البخارية هو تشغيل المولدات الكهربائية.
في نوفمبر 1884، عندما تم إنشاء أول توربين، كان عمر السيد تشارلز أ. بارسونز 30 عامًا فقط. لم تكن العبقرية الهندسية وغريزة تلبية احتياجات السوق في حد ذاتها شرطًا كافيًا لدخول بنات أفكاره إلى الحياة بنجاح. في عدد من المراحل، كان على بارسونز أن يستثمر أمواله الخاصة حتى لا يذهب العمل المنجز سدى. خلال المحاكمة القضائيةفي عام 1898، تم إطلاقه لتمديد صلاحية بعض براءات اختراعه، وتبين أن بارسونز أنفق أموالًا شخصية قدرها 1107 جنيهات إسترلينية و13 شلنًا و10 بنسات على إنشاء التوربين.
يعود تاريخ تطور توربينات السيارات إلى نفس الوقت تقريبًا الذي تم فيه بناء أول محركات الاحتراق الداخلي. ومع ذلك، فقد تمت ملاحظة محاولات إنشاء آلية تشبه التوربينات قبل ذلك بوقت طويل. في فجر الألفية الجديدة، منذ حوالي 2000 عام، ظهر أسلاف جميع التوربينات المعروفة حاليًا، وحتى يومنا هذا يمكن العثور عليها في العديد من زوايا كوكبنا الشاسع - إنها عجلة مائية أو طاحونة. أصبح المبدأ المضمن فيها هو الأساس للتطوير المستقبلي لجميع الضواغط التوربينية والتوربينات البخارية المستخدمة لتوليد الكهرباء. لقد كانوا حرفيًا في أصول الثورة الصناعية.
أول من ابتكر تصميمًا مشابهًا للتوربينات البخارية كان هيرون الإسكندرية. لقد كانت كرة تدور تحت تأثير البخار.
توربين بخاري على شكل عجلة ذات شفرات صنعه العالم الإيطالي جيوفاني برانشي عام 1629.
ولكن فقط في نهاية القرن التاسع عشر، عندما وصلت التكنولوجيا إلى مستوى كافٍ، صمم تشارلز بارسونز وغوستاف لافال (1884 - 1889) بشكل مستقل الأجهزة الأولى المناسبة للصناعة.
وينبغي إيلاء اهتمام خاص لأعمال جوتليب دايملر ورودولف ديزل. أجرى هؤلاء العلماء أبحاثًا حول زيادة إنتاج الطاقة عن طريق ضغط الهواء إلى غرفة الاحتراق. حققت تطوراتهم طفرة كبيرة في مجال التكنولوجيا في عام 1885-1896.
في عام 1905، حصل المهندس السويسري ألفريد بوتشي على براءة اختراع لاختراعه، الذي جعل من الممكن زيادة قوة المحرك بنسبة 120٪. تمكن من إنشاء آلية يتم من خلالها ضخ الهواء باستخدام غازات العادم. من المقبول عمومًا أن هذا الجهاز هو الذي يمثل بداية تطوير وتنفيذ تقنيات التوربو.
في القرن التاسع عشر، اقتصر استخدام التوربينات على صناعات الشحن والطيران. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن زيادة القوة لم تتم إلا مع المحركات الكبيرة.
خلال الحرب العالمية الأولى، تم استخدام التوربينات في الطائرات المقاتلة التي تعمل بمحركات رينو.
في النصف الثاني من الثلاثينيات، وصلت التكنولوجيا إلى حقيقة أن المهندسين كانوا قادرين على إنشاء نماذج توربينات ناجحة حقا، مما جعل من الممكن زيادة الحد الأقصى للارتفاع.
أعظم نجاح في تطوير الطيران حققه الأمريكيون، الذين طوروا نسخة فريدة من الشواحن التوربينية. وفي عام 1938، قاموا بتثبيتها على مقاتلات P-38 وقاذفات القنابل B-17. وبعد سنوات قليلة، قام المهندسون بإنشاء المقاتلة R-47، والتي تم إنتاجها في البداية باستخدام توربين. وبفضل هذا، كانت السيارة المجنحة تتمتع بخصائص ومزايا رائعة مقارنة بالمركبات الأخرى.
أما بالنسبة لقطاع السيارات، فقد كانت الشاحنات أول من اختبر فوائد الشحن التوربيني. تعهد مصنع Swiss Machine Works Sauer بإنشاء محرك توربيني لهم في عام 1938. قبل المجتمع هذه الحداثة بشكل جيد.
تلقت سيارات الركاب محركات توربينية في وقت لاحق. لم تدخل شيفروليه كورفير مونزا السوق إلا في عام 1962، وتبعتها بعد عام سيارة أولدزموبيل جيت فاير. على الرغم من المزايا الواضحة، بسبب مستوى منخفضلم تكن موثوقية النموذج مطلوبة.
أدى استخدام التوربينات لزيادة قوة السيارات الرياضية إلى شهرة واسعة النطاق في السبعينيات. على وجه الخصوص، وجدوا تطبيقهم في الفورمولا 1. بعد فترة من الوقت، توصل المهندسون إلى استنتاج مفاده أن استهلاك الوقود مرتفع للغاية بالنسبة للنتائج التي تم الحصول عليها وبدأوا في البحث عن بديل.
جاءت نقطة التحول في تطوير الشواحن التوربينية في عام 1978، عندما أطلقت مرسيدس-بنز أول طراز في العالم بمحرك ديزل، وهو 300 SD. وتبعه لاحقًا طراز VWTurbodiesel. وكانت ميزة هذه السيارات كبيرة. وتمكن المصنعون من تحقيق الطاقة المطلوبة، حيث وصلوا إلى مستوى البنزين، مع خفض مستوى الانبعاثات الضارة في الغلاف الجوي.
تتمتع توربينات الديزل بمتطلبات أقل لمقاومة الحرارة، مما يجعلها أرخص وأكثر تطورًا. هذا هو السبب وراء وجود التوربينات في أغلب الأحيان في سيارات الديزل، ويتم إنشاء جميع نماذج التوربو الجديدة في البداية لإصدار الديزل.
التوربين هو جهاز دوار يتم تشغيله بواسطة تدفق السائل أو الغاز.
أبسط مثال على التوربينات هو عجلة المياه.
دعونا نتخيل عجلة موضوعة عموديا، على حافة المجارف أو الشفرات المرفقة. يصب تيار من الماء على هذه الشفرات من الأعلى. تدور العجلة تحت تأثير الماء. ومن خلال تدوير العجلة يمكنك تفعيل آليات أخرى. لذلك، في طاحونة المياه، قامت العجلة بتدوير أحجار الرحى. ويطحنون الدقيق. في محطات الطاقة الكهرومائية، تقوم التوربينات بتشغيل المولدات التي تنتج طاقة كهربائية. في محطات الطاقة الحرارية، يتم تشغيل شفرات التوربينات بواسطة الطاقة الحرارية، والتي يتم إطلاقها عند حرق الوقود (الغاز، الفحم، إلخ). يتم تشغيل مولدات الرياح بواسطة طاقة الرياح.
من وجهة نظر الفيزياء، التوربينات هي الأجهزة التي تحول طاقة البخار والرياح والماء إلى عمل مفيد.
اعتمادًا على نوع الطاقة التي يتم تحويلها في التوربينات، يتم التمييز بين التوربينات البخارية والتوربينات الغازية.
توربينات البخار
ايوليبيل هيرون
في توربين بخاري طاقة حراريةيتم تحويل البخار إلى عمل ميكانيكي.
في عام 130 قبل الميلاد، اخترع عالم الرياضيات والميكانيكا اليوناني هيرون الإسكندري توربينًا بخاريًا بدائيًا، أطلق عليه اسم "إيوليبيل". كان الجهاز عبارة عن مرجل مغلق بإحكام تم إخراج أنبوبين منه. تم تركيب كرة مجوفة بفوهتين على شكل حرف L على هذه الأنابيب. تم سكب الماء في المرجل ووضعه على النار. يدخل البخار الكرة عبر الأنابيب ويخرج من الفوهات تحت الضغط. بدأت الكرة بالدوران. لقد كان نموذجًا أوليًا لمحرك نفاث، حيث تم إنشاء القوة التفاعلية التي تدور الكرة بواسطة البخار.
في زمن هيرون، تم التعامل مع اختراعه وكأنه لعبة. ولم يجد أي تطبيق عملي.
في عام 1629، قام المهندس والمعماري الإيطالي جيوفاني برانشي بإنشاء توربين بخاري يتم فيه دفع عجلة ذات شفرات بواسطة تيار من البخار.
في عام 1815، قام المهندس الإنجليزي ريتشارد تريسويك بتركيب فوهتين على حافة عجلة قاطرة وأطلق البخار من خلالهما.
من عام 1864 إلى عام 1884، حصل المهندسون على براءات اختراع لمئات من الاختراعات المتعلقة بالتوربينات.
وفقط في عام 1889. ابتكر المهندس السويدي غوستاف لافال توربينًا بخاريًا يمكن استخدامه في الصناعة. في توربينات لافال، يضغط تيار من البخار يخرج من فوهات الجزء الثابت الثابت على الشفرات المثبتة على حافة العجلة. تدور العجلة تحت ضغط البخار. كان يسمى هذا التوربين نشطًا.
في توربين لافال، توسعت الفوهة عند المخرج. أدى هذا إلى زيادة سرعة البخار المتسرب، ونتيجة لذلك، سرعة دوران التوربين. أصبحت فوهة لافال النموذج الأولي لفوهات الصواريخ الحديثة.
قبل ذلك بقليل، بشكل مستقل عن لافال، في عام 1884، اخترع المهندس والصناعي الإنجليزي تشارلز ألجيرنون بارسونز توربينًا بخاريًا تفاعليًا متعدد المراحل. كان لهذا التوربين عدة صفوف من شفرات العمل، والتي كانت تسمى المراحل. حصل بارسون على براءة اختراع لفكرة السفينة التي تعمل بهذا التوربين.
توربينات غازية
جون باربر
تختلف التوربينات الغازية عن التوربينات البخارية في أنها لا تعمل بالبخار الناتج عن المرجل، بل بالغاز الذي يتشكل أثناء احتراق الوقود. وجميع المبادئ الأساسية لتصميم التوربينات البخارية والغازية هي نفسها.
تم الحصول على أول براءة اختراع لتوربينات الغاز في عام 1791 من قبل الإنجليزي جون باربر. صمم باربر توربينه لدفع عربة بلا أحصنة. وعناصر توربين باربر موجودة في توربينات الغاز الحديثة.
في عام 1903، اخترع النرويجي إيجيديوس إيلينج توربينًا غازيًا ينتج طاقة أكبر من تلك المستخدمة لتشغيله. تم استخدام مبدأ تشغيله من قبل مهندس التصميم الإنجليزي السير فرانك ويتل، الذي حصل في عام 1930 على براءة اختراع لتوربينة غازية للدفع النفاث.
توربينات تسلا
توربينات تسلا
في عام 1913، حصل المهندس والفيزيائي والمخترع نيكولا تيسلا على براءة اختراع لتوربين، كان تصميمه مختلفًا بشكل أساسي عن تصميم التوربينات التقليدية. لم يكن لتوربين تسلا شفرات تعمل بالطاقة البخارية أو الغازية.
الجزء الدوار من التوربين، الدوار، كان عبارة عن مجموعة من الأقراص المعدنية الرفيعة المثبتة على عمود ومفصولة بغسالات. يأتي تدفق الغاز أو سائل العمل من الحافة الخارجية للأقراص ويمرر إلى المركز على طول الفجوات، ملتويًا. ومن المعروف أنه إذا تم توجيه تدفق السائل أو الغاز على طول سطح مستو، يبدأ التدفق في سحب هذا السطح معه. تم نقل الأقراص الموجودة في توربين باسكال بعيدًا عن طريق تدفق الغاز، مما تسبب في الدوران.
كان زمن المحركات البخارية قصير الأجل. ولكن لا يزال في اليونان القديمةكان من المعروف كيفية استخدام السائل شديد السخونة في الحرب. منذ عدة قرون، قضى أسلافنا الكثير من الوقت والجهد للتغلب على البخار، ولا يزال هذا الموضوع مثيرًا للاهتمام حتى يومنا هذا.
جيرونوفسكي أيوليبيل
يعود تاريخ اختراع التوربينات إلى العصور القديمة، لكن لم يتمكن الناس من استخدام البخار لصالح البشرية إلا في نهاية القرن السابع عشر. في بداية عصرنا، أظهر العالم اليوناني هيرون الإسكندرية بوضوح أن البخار يمكن أن يكون مفيدا. كان اختراعه، المسمى "Geronovsky aeolipile" على اسم المخترع، عبارة عن كرة تدور بقوة طائرة بخارية. هكذا ظهر النموذج الأولي للتوربين البخاري.
كرة سليمان
علاوة على ذلك، لم يتطور تاريخ اختراع التوربينات بهذه السرعة. ولسوء الحظ، ظلت معظم اختراعات اليونانيين القدماء منسية ولم تجد المزيد من التطبيق. فقط في بداية القرن السابع عشر، تم وصف شيء مشابه للمحرك البخاري، وإن كان بدائيًا للغاية. يصف العالم والمخترع الفرنسي سولومون دي كو في كتاباته كرة معدنية مجوفة ذات أنبوبين، أحدهما يعمل على إمداد المياه والآخر على تصريف المياه. وإذا قمت بتسخين الكرة، سيبدأ الماء في التحرك لأعلى عبر الأنبوب.
توربين برانكا
في بداية عام 1629، قام المخترع والميكانيكي جيوفاني برانشي بتجميع أول توربين بخاري. يعتمد مبدأ التشغيل على تحويل الطاقة الكامنة للبخار إلى طاقة حركية وتصنيعها عمل مفيد. كان جوهر اختراعه هو أن تيارًا من البخار، بضغطه، يحرك عجلة ذات شفرات، مثل عجلة طاحونة المياه. لكن التوربينات من هذا النوع كانت محدودة للغاية في الطاقة، لأنه كان من المستحيل خلق ضغط نفاث مرتفع. وهكذا فإن تاريخ اختراع التوربين البخاري يأخذ منحى جديدا بعد انقطاع طويل.
طفرة البخار
في عام 1825، حاول المهندس والمخترع ريتشارد ترافيسيك تركيب فوهتين على عجلة قاطرة بخارية وتمرير البخار عالي الضغط من خلالهما. كان عمل المنشرة التي بناها الميكانيكي الأمريكي دبليو أفيري يعتمد على نفس المبادئ. أراد العديد من المؤلفين أن يتضمن تاريخ اختراع التوربين أسمائهم. ففي إنجلترا وحدها، وعلى مدار أكثر من 20 عامًا، صدرت براءات اختراع لأكثر من 100 اختراع يتعلق بالتوربينات البخارية أو مبادئ تشغيلها.
التوربينات في الصناعة
لمدة 5 سنوات، ابتداءً من عام 1884، وبشكل مستقل عن بعضهما البعض، عمل السويدي كارل غوستاف دي لافال والأيرلندي تشارلز بارسونز على إنشاء توربين بخاري مناسب صناعيًا. اخترع لافال فوهة متوسعة، مما جعل من الممكن زيادة سرعة البخار الخارج بشكل كبير، ونتيجة لذلك، زادت أيضًا سرعة دوران دوار التوربين.
ولكن بفضل اختراع لافال، كان من الممكن الحصول على طاقة إنتاجية صغيرة فقط، حوالي 500 كيلوواط. تم العثور على توربيناته البخارية تطبيق واسعفي المرحلة الأولية، ولكن سرعان ما تم استبدالها بوحدات أكثر قوة من أنواع أخرى.
التوربينات النفاثة
يتضمن تاريخ اختراع التوربينات البخارية أيضًا اختراع توربين التفاعل متعدد المراحل من بارسونز. كان الفرق بين هذا الاختراع هو سرعة الدوران المنخفضة والاستخدام الأقصى لطاقة البخار. وقد تحققت هذه التغييرات المهمة بسبب توسع البخار تدريجياً، مروراً بـ 15 مرحلة في نظام التوربينات. وهكذا تم العثور على أعمال العالم الاستخدام العمليفي الصناعة. وبهذا ينتهي تاريخ اختراع التوربينات، ويصف بإيجاز الشخصيات الرئيسية في الماضي التي شاركت في حل هذه المشكلة. امر هام. منذ ذلك الحين، خضع توربين بارسونز لعدد كبير من التعديلات والتحسينات، ولكن مع ذلك ظلت المبادئ الأساسية دون تغيير.
اختراع التوربينات في روسيا
تمت كتابة تاريخ اختراع التوربينات البخارية أيضًا في روسيا. عمل سيد ألتاي زاليسوف، المعروف في الدوائر المهنية، في مصنع سوزونسكي. من 1803 إلى 1813 خرج الأمر من بين يديه عدد كبير مننماذج التوربينات. بصفته ممارسًا يتمتع بخبرة واسعة، رأى أوجه القصور في تصميمات التوربينات البخارية، مما جعل من الممكن إجراء تغييرات عليها المراحل الأوليةتصميم. وكان زميله في الورشة المخترع كوزمينسكي. كان يعمل في مجال بناء السفن وتكنولوجيا الطيران وتوصل إلى استنتاج مفاده أنه من غير المناسب استخدام محرك بخاري من النوع المكبس في بناء السفن. اخترع كوزمينسكي واختبر توربينًا بخاريًا بحريًا قابلاً للانعكاس من تصميمه.
كان وزنها صغيرًا 15 كجم لكل واحدة قوة حصانقوة. التاريخ الروسييتميز اختراع التوربينات، الذي وصفه كوزمينسكي لفترة وجيزة، بأنه الوقت الذي سقطت فيه الاكتشافات المحلية في غياهب النسيان. وبطبيعة الحال، أدى اختراع التوربين البخاري إلى حقبة جديدة في تطور الصناعة والمجتمع بأكمله، وكان بمثابة قوة دافعة لعدد من الاكتشافات والإنجازات في مجالات العلوم الأخرى. اختراعات تلك الأوقات البعيدة لا تزال تستخدم اليوم، على الرغم من أنها في حالة معدلة بشكل كبير. على الرغم من حقيقة أن العلم قد قطع خطوات كبيرة إلى الأمام، إلا أنه يعتمد إلى حد كبير على المبادئ المنصوص عليها في الماضي البعيد.
اختراع التوربينات البخارية.
إلى جانب التوربينات الهيدروليكية الموصوفة في أحد الفصول السابقة، كان لاختراع وانتشار التوربينات البخارية أهمية كبيرة في مجال الطاقة والكهرباء. كان مبدأ عملها مشابهًا للمبادئ الهيدروليكية، مع الاختلاف في أن التوربينات الهيدروليكية كانت مدفوعة بتيار من الماء، والتوربينات البخارية مدفوعة بتيار من البخار الساخن. وكما مثلت التوربينة المائية كلمة جديدة في تاريخ المحركات المائية، فقد أظهرت التوربينة البخارية قدرات جديدة للمحرك البخاري.
سيارة وات القديمة، مميزة في الثالثة ربع التاسع عشركان القرن المئوي له كفاءة منخفضة، حيث تم الحصول على الحركة الدورانية بطريقة معقدة وغير عقلانية. في الواقع، كما نتذكر، لم يحرك البخار العجلة الدوارة نفسها، بل مارس ضغطًا على المكبس، من المكبس، عبر القضيب، وقضيب التوصيل والكرنك، تم نقل الحركة إلى العمود الرئيسي. نتيجة لعمليات النقل والتحولات العديدة، فإن جزءًا كبيرًا من الطاقة التي تم الحصول عليها من احتراق الوقود، بالمعنى الكامل للكلمة، طار دون أي فائدة. حاول المخترعون أكثر من مرة تصميم آلة أبسط وأكثر اقتصادا - توربينات بخارية، حيث يقوم تيار من البخار بتدوير المكره مباشرة. وأظهرت عملية حسابية بسيطة أنه ينبغي أن تتمتع بكفاءة أعلى بعدة مرات من كفاءة آلة وات. ومع ذلك، كانت هناك عوائق كثيرة في طريق الفكر الهندسي. لكي يصبح التوربين محركًا عالي الكفاءة حقًا، كان يجب أن تدور المكره بسرعات عالية جدًا، مما يؤدي إلى مئات الدورات في الدقيقة. لفترة طويلةلم يتمكنوا من تحقيق ذلك لأنهم لم يعرفوا كيفية نقل السرعة المناسبة للطائرة البخارية.
الخطوة الأولى المهمة في تطوير جديد الوسائل التقنية، الذي حل محل المحرك البخاري، صنعه المهندس السويدي كارل جوستاف باتريك لافال في عام 1889. توربينات لافال البخارية عبارة عن عجلة ذات شفرات. يتدفق تيار الماء المتولد في الغلاية من الأنبوب (الفوهة)، ويضغط على الشفرات ويدور العجلة. من خلال تجربة أنابيب إمداد البخار المختلفة، توصل المصمم إلى استنتاج مفاده أنه يجب أن يكون لها شكل مخروطي. هكذا ظهرت فوهة لافال المستخدمة حتى يومنا هذا.
فقط في عام 1883 تمكن السويدي غوستاف لافال من التغلب على العديد من الصعوبات وإنشاء أول توربين بخاري عامل. قبل بضع سنوات، حصل لافال على براءة اختراع لجهاز فصل الحليب. من أجل تشغيله، كان هناك حاجة إلى محرك عالي السرعة للغاية. لم تفي أي من المحركات الموجودة في ذلك الوقت بالمهمة. أصبح لافال مقتنعًا بأن التوربينات البخارية فقط هي التي يمكنها أن تمنحه سرعة الدوران المطلوبة. بدأ العمل على تصميمه وحقق في النهاية ما أراد. كانت توربينات لافال عبارة عن عجلة خفيفة، على شفراتها، بعد عدة زاوية حادةتولد الفوهات البخار. في عام 1889، قام لافال بتحسين اختراعه بشكل كبير عن طريق إضافة موسعات مخروطية إلى الفوهات. أدى هذا إلى زيادة كفاءة التوربين الهيدروليكي بشكل كبير وتحويله إلى محرك عالمي.
كان مبدأ تشغيل التوربين بسيطًا للغاية. تسخين البخار إلى درجة حرارة عالية، خرج من الغلاية عبر أنبوب البخار إلى الفوهات وانفجر. في الفوهات، توسع البخار إلى الضغط الجوي. وبسبب الزيادة في الحجم التي صاحبت هذا التوسع، تم الحصول على زيادة كبيرة في معدل التدفق (مع التوسع من 5 إلى 1 ضغط جوي، وصلت سرعة نفث البخار إلى 770 م/ث). وبهذه الطريقة، يتم نقل الطاقة الموجودة في البخار إلى ريش التوربينات. يحدد عدد الفوهات وضغط البخار قوة التوربين. عندما لم يتم إطلاق بخار العادم مباشرة في الهواء، ولكن تم توجيهه، كما هو الحال في المحركات البخارية، إلى مكثف وتسييله تحت ضغط منخفض، كانت قوة التوربين أعظم. وهكذا، عندما توسع البخار من 5 أجواء إلى 1/10 جو، وصلت سرعة الطائرة إلى قيم تفوق سرعة الصوت.
على الرغم من بساطته الظاهرة، كان توربين لافال معجزة هندسية حقيقية. يكفي أن نتخيل الأحمال التي شهدتها المكره لفهم مدى صعوبة حصول المخترع على عملية متواصلة من بنات أفكاره. عند السرعات الهائلة لعجلة التوربينات، حتى التحول الطفيف في مركز الثقل تسبب في حمل قوي على المحور وزيادة التحميل على المحامل. ولتجنب ذلك، جاء لافال بفكرة وضع العجلة على محور رفيع جدًا، يمكن أن ينحني قليلاً عند الدوران. عند فك اللف، يصل تلقائيًا إلى موضع مركزي صارم، والذي يتم الحفاظ عليه بعد ذلك عند أي سرعة دوران. بفضل هذا الحل المبتكر، تم تقليل التأثير المدمر على المحامل إلى الحد الأدنى.
بمجرد ظهوره، حاز توربين لافال على اعتراف عالمي. لقد كانت أكثر اقتصادا بكثير من المحركات البخارية القديمة، وسهلة الاستخدام للغاية، وتشغل مساحة صغيرة، وسهلة التركيب والتوصيل. قدمت توربينات لافال فوائد كبيرة بشكل خاص عند دمجها مع الآلات عالية السرعة: المناشير والفواصل ومضخات الطرد المركزي. كما تم استخدامه بنجاح كمحرك لمولد كهربائي، ولكن لا يزال لديه سرعة عالية جدًا وبالتالي لا يمكنه العمل إلا من خلال علبة التروس (النظام اطارات التروسمما قلل من سرعة الدوران عند نقل الحركة من عمود التوربين إلى عمود المولد).
وفي عام 1884، حصل المهندس الإنجليزي بارسون على براءة اختراع لتوربين نفاث متعدد المراحل، ابتكره خصيصًا لتشغيل مولد كهربائي. وفي عام 1885، قام بتصميم توربين نفاث متعدد المراحل، والذي تم استخدامه لاحقًا على نطاق واسع في محطات الطاقة الحرارية. كان لديه الجهاز التالي الذي يذكرنا بالتوربينات الهيدروليكية النفاثة. تم تركيب سلسلة من العجلات الدوارة ذات الشفرات على العمود المركزي. وكان بين هذه العجلات حواف ثابتة (أقراص) ذات شفرات ذات اتجاه معاكس. تم توفير البخار تحت ضغط عالٍ إلى أحد طرفي التوربين. كان الضغط عند الطرف الآخر صغيرًا (أقل من الضغط الجوي). ولذلك، يميل البخار إلى المرور عبر التوربين. أولاً، دخل الفراغات الموجودة بين شفرات التاج الأول. ووجهتها هذه الشفرات إلى شفرات العجلة المتحركة الأولى. مر البخار بينهما، مما أدى إلى دوران العجلات. ثم دخل التاج الثاني. قامت شفرات التاج الثاني بتوجيه البخار بين شفرات العجلة المتحركة الثانية، والتي بدأت أيضًا في الدوران. ومن العجلة المتحركة الثانية، يتدفق البخار بين شفرات الحافة الثالثة، وهكذا. تم إعطاء جميع الشفرات شكلاً بحيث انخفض المقطع العرضي لقنوات الشفرات البينية في اتجاه تدفق البخار. يبدو أن الشفرات تشكل فوهات مثبتة على عمود يتدفق منه البخار المتوسع. تم استخدام كل من القوة النشطة والتفاعلية هنا. بالتناوب، قامت جميع العجلات بتدوير عمود التوربين. تم تغليف الجزء الخارجي من الجهاز بغلاف قوي. في عام 1889، تم بالفعل استخدام حوالي ثلاثمائة من هذه التوربينات لتوليد الكهرباء، وفي عام 1899، تم بناء أول محطة كهرباء مع توربينات بخار بارسون في إلبرفيلد. وفي الوقت نفسه، حاول بارسون توسيع نطاق اختراعه. في عام 1894، قام ببناء سفينة تجريبية، توربينيا، مدعومة بتوربين بخاري. أثناء الاختبار، أظهرت سرعة قياسية بلغت 60 كم/ساعة. بعد ذلك، بدأ تركيب التوربينات البخارية على العديد من السفن عالية السرعة.
