Povijest izuma turbina. Povijest razvoja parnih turbina

Parnoturbinsko postrojenje je toplinska jedinica kontinuiranog rada čiji su radni medij voda i para. Parna turbina je pogonski stroj u kojem se potencijalna energija pare pretvara u kinetičku energiju, a kinetička energija se pak pretvara u mehaničku energiju vrtnje rotora. Rotor turbine izravno ili korištenjem prijenos zupčanika spaja na radni stroj. Ovisno o namjeni radnog stroja najviše se može koristiti parna turbina razna područja industrija: energetika, promet, pomorska i riječna plovidba itd. Uključuje parnu turbinu i pomoćnu opremu.

Povijest parne turbine

Rad parne turbine temelji se na dva principa stvaranja obodne sile na rotoru, poznata od davnina - reaktivnom i aktivnom. Već 130. pr. Heron iz Aleksandrije izumio je uređaj nazvan eolipil. U skladu sa slikom 2.1, bila je to šuplja kugla ispunjena parom s dvije mlaznice u obliku slova L smještene na suprotnim stranama i usmjerene u različitim smjerovima. Para je tekla iz mlaznica sa velika brzina, a zbog nastalih sila reakcije kugla se zarotirala.

Drugi princip temelji se na transformaciji potencijalna energija par na kinetički. To se može ilustrirati na primjeru stroja Giovannija Branca, izgrađenog 1629. godine i prikazanog na slici 2.2. Kod ovog stroja mlaz pare pokretao je kotač s lopaticama, koji je podsjećao na kotač vodenice.

Parna turbina koristi oba ova principa. Mlaz pare pod visokim pritiskom usmjerava se na zakrivljene lopatice postavljene na diskove. Kada teče oko lopatica, mlaz se skreće, a disk s lopaticama počinje se okretati. Krećući se između lopatica u kanalu koji se širi (na kraju krajeva, debljina lopatica se smanjuje kako se približava dršci), para se širi i ubrzava. U skladu sa zakonima održanja energije i količine gibanja, na turbinski kotač djeluje sila koja ga okreće. Kao rezultat, energija tlaka (potencijalna energija) pare se pretvara u kinetičku energiju rotacije turbine.

Prve turbine, poput Brancinog stroja, imale su ograničenu snagu jer parni kotlovi nisu bili sposobni stvoriti visoki tlak. Čim je postalo moguće primati paru visokotlačni, izumitelji su se ponovno okrenuli turbini. Godine 1815. inženjer Richard Trevithick ugradio je dvije mlaznice na rub kotača lokomotive i kroz njih pustio paru. Na sličnom principu bila je i izgradnja pilane koju je 1837. izgradio Amerikanac William Avery. Samo u Engleskoj je tijekom 20 godina, od 1864. do 1884., patentirano više od stotinu izuma vezanih uz turbine. Ali niti jedan od tih pokušaja nije rezultirao stvaranjem stroja prikladnog za industriju.

Ti su neuspjesi djelomično uzrokovani nedostatkom razumijevanja fizike širenja pare. Činjenica je da je gustoća pare puno manja od gustoće vode, a njezina "elastičnost" puno veća od elastičnosti tekućine, pa je brzina mlaza pare parne turbine ah ispada da je mnogo veća od brzine vode u vodenim turbinama. Eksperimentalno je utvrđeno da učinkovitost turbina postiže svoj maksimum kada je obodna brzina lopatica približno polovica brzine mlaza pare. Zbog toga su prve turbine imale vrlo velike brzine vrtnje.

Ali velike brzine vrtnje često su dovele do uništenja rotirajućih dijelova turbine zbog djelovanja centrifugalnih sila. Smanjenje kutne brzine uz zadržavanje periferne brzine moglo se postići povećanjem promjera diska na koji su pričvršćene lopatice. Međutim, bilo je teško provesti ovu ideju, budući da količina proizvedene pare pod visokim pritiskom nije bila dovoljna za veliki stroj. S tim u vezi, prve eksperimentalne turbine imale su mali promjer i kratke lopatice.

Drugi problem vezan uz svojstva pare izazvao je još više poteškoća. Brzina izlazne pare iz mlaznice proporcionalna je omjeru tlakova na ulazu i izlazu iz mlaznice i svoju najveću vrijednost postiže pri omjeru tlakova približno dva. Daljnji porast pada tlaka više ne dovodi do povećanja brzine mlaza. Stoga dizajneri nisu mogli u potpunosti iskoristiti mogućnosti pare pod visokim pritiskom kada su koristili mlaznicu s fiksnim ili suženim provrtom.

Godine 1889. švedski inženjer Carl Gustav de Laval koristio je mlaznicu koja se širila na izlazu. Takva mlaznica omogućila je postizanje mnogo veće brzine pare, a kao rezultat toga značajno se povećala i brzina vrtnje rotora turbine.

Na slici 2.4 prikazana je Lavalova parna turbina. U njemu para ulazi u mlaznicu, u njoj dobiva značajnu brzinu i usmjerava se u radne lopatice koje se nalaze na obodu diska turbine. Kada se mlaz pare okreće, u kanalima radnih lopatica nastaju sile koje okreću disk i pripadajuću osovinu turbine. Da bi se dobila potrebna snaga iz jednostupanjske turbine, potrebni su vrlo visoki protoki pare. Promjenom konfiguracije ekspandirajuće mlaznice bilo je moguće dobiti značajan stupanj ekspanzije pare i, sukladno tome, veliku brzinu (1200...1500 m/s) istjecanja pare.

Za najbolja upotreba Pri velikim brzinama pare Laval je razvio dizajn diska koji je mogao izdržati periferne brzine do 350 m/s, a brzina vrtnje nekih turbina dosezala je 32 000 okretaja u minuti.

Turbine kod kojih se cijeli proces širenja pare i povezano ubrzanje protoka pare odvija u mlaznicama nazivamo aktivnim. Takvi uređaji posebno uključuju turbinu Branca.

Nakon toga, poboljšanje aktivnih parnih turbina slijedilo je put korištenja sekvencijalnog širenja pare u nekoliko stupnjeva koji su se nalazili jedan za drugim. U takvim turbinama, koje je krajem prošlog stoljeća razvio francuski znanstvenik Rato, a poboljšao dizajner Zelli, više diskova postavljenih na zajedničku osovinu odijeljeno je pregradama. U tim pregradama ugrađeni su profilirani otvori - mlaznice. U svakom od ovako konstruiranih stupnjeva oslobađa se dio energije pare. Pretvorba kinetičke energije protoka pare događa se bez dodatnog širenja pare u kanalima radnih lopatica. Aktivne višestupanjske turbine naširoko se koriste u stacionarnim instalacijama i kao brodski motori.

Uz turbine kod kojih se strujanje pare giba približno paralelno s osi turbinskog vratila i koje se nazivaju aksijalne turbine, nastale su takozvane radijalne turbine kod kojih para struji u ravnini okomitoj na os turbine. Od ove vrste turbina najzanimljivija je turbina braće Ljungström, predložena 1912. godine.

Na bočnim površinama diskova, lopatice mlaznih stupnjeva nalaze se u prstenovima postupno rastućeg promjera. Para se dovodi u turbinu kroz cijevi, a zatim usmjerava kroz rupe na diskovima u središnju komoru. Od njega, para teče na periferiju kroz kanale lopatica postavljenih na diskove. Za razliku od konvencionalne turbine, dizajn braće Ljungström nema fiksnih mlaznica ili vodećih lopatica. Oba diska se okreću u suprotnim smjerovima, tako da se snaga koju razvija turbina prenosi na dvije osovine. Turbina opisanog dizajna pokazala se vrlo kompaktnom.

Pa ipak, unatoč nizu novih dizajnerskih rješenja korištenih u jednostupanjskim aktivnim turbinama, njihova je učinkovitost bila niska. Osim toga, potreba za prijenosom zupčanika za smanjenje brzine vrtnje pogonske osovine električnog generatora usporila je širenje jednostupanjskih turbina. Stoga su Lavalove turbine, koje su u ranoj fazi gradnje turbina bile široko korištene kao jedinice male snage (do 500 kW), kasnije ustupile mjesto turbinama drugih tipova.

Parsons je stvorio turbinu temeljno novog dizajna. Imao je manju brzinu vrtnje, a istovremeno je maksimalno iskorištavao energiju pare. Činjenica je da se u Parsonsovoj turbini para postupno širila dok je prolazila kroz 15 stupnjeva, od kojih se svaki sastojao od dva reda lopatica: jedne fiksne (s vodećim lopaticama pričvršćene na tijelo turbine), druge pokretne (s radnim lopaticama na disk), montiran na rotirajuću osovinu). Ravnine lopatica nepomičnog i pomičnog oboda bile su međusobno okomite.

Para usmjerena na fiksne lopatice širila se u kanalima između lopatica, povećavala joj se brzina, a kada je udarila u pomične lopatice, tjerala ih je da se okreću. U kanalima između lopatica pomičnih lopatica para se dalje širila, brzina mlaza se povećavala, a rezultirajuća reaktivna sila gurala je lopatice.

Zahvaljujući uvođenju pomičnih i fiksnih rubova lopatica, velike brzine rotacije postale su nepotrebne. Na svakom od trideset rubova Parsonsove višestupanjske turbine, para se lagano širila, gubeći dio svoje kinetičke energije. U svakoj fazi (par krunica) tlak je pao za samo 10%. Postupno širenje pare koje je u osnovi dizajna modernih turbina bilo je samo jedno od mnogih originalne ideje, kojeg je utjelovio Parsons.

Još jedna plodna ideja bila je organizirati dovod pare u središnji dio okna. Ovdje se strujanje pare dijelilo i išlo u dva smjera na lijevi i desni kraj okna. Potrošnja pare u oba smjera bila je ista. Jedna od prednosti koju je omogućilo dijeljenje protoka bila je ta da su uzdužne (aksijalne) sile koje proizlaze iz pritiska pare na lopatice turbine bile uravnotežene. Stoga nije bilo potrebe za potisnim ležajem. Opisani dizajn koristi se u mnogim modernim parnim turbinama.

Pa ipak, prva Parsonsova višestupanjska turbina imala je previsoku brzinu vrtnje - 18 000 min-1. Centrifugalna sila koja je djelovala na lopatice turbine bila je 13 tisuća puta veća od sile gravitacije. Kako bi smanjio rizik od loma rotirajućih dijelova, Parsons je smislio jednostavno rješenje. Svaki disk bio je izrađen od čvrstog bakrenog prstena, a utori u koje su lopatice pristajale nalazili su se po obodu diska i bili su prorezi orijentirani pod kutom od 45°. Pokretni diskovi bili su postavljeni na osovinu i pričvršćeni na njezinu izbočinu. Fiksni rubovi sastojali su se od dva poluprstena, koji su bili pričvršćeni na gornji i donji dio kućišta turbine. Lopatice Parsonsove turbine bile su ravne. Kako bi se nadoknadilo smanjenje brzine protoka pare dok se kretala prema posljednjim stupnjevima, dva su tehnička rješenja implementirana u Parsonov prvi stroj: promjer diska povećan je postupno, a duljina lopatica povećana je s 5 na 7. mm. Rubovi lopatica bili su skošeni kako bi se poboljšali uvjeti strujanja oko mlaza.

Parsons je bio najmlađi sin obitelji koja je dobila zemlju u Irskoj. Njegov otac, Earl Ross, bio je talentirani znanstvenik. Dao je velik doprinos tehnologiji lijevanja i brušenja velikih zrcala za teleskope.

Parsonovi nisu slali svoju djecu u školu. Učitelji su im bili astronomi, koje je grof pozivao na noćna promatranja pomoću teleskopa; V danju ti su znanstvenici učili djecu. Djecu su također snažno poticali da se uključe u kućne radionice.

Charles je upisao Trinity College u Dublinu, a zatim se preselio na St. John's College na Sveučilištu Cambridge, na kojem je diplomirao 1877. godine.

Preokret u Parsonsovoj sudbini dogodio se kada je postao učenik Georgea Armstronga, poznatog proizvođača mornaričkog oružja, i počeo raditi u njegovoj tvornici Elswick u Newcastlepon Tyneu. Razlozi koji su Parsonsa potaknuli na takvu odluku ostali su nepoznati: u to vrijeme djeca iz bogatih obitelji rijetko su birala karijeru inženjera. Parsons je stekao reputaciju Armstrongovog najmarljivijeg učenika. Tijekom pripravničkog staža dobio je dopuštenje da radi na najnovijoj inovaciji – parnom stroju s rotirajućim cilindrima – te je između 1877. i 1882. god. Patentirao nekoliko svojih izuma.

Parsons je počeo provoditi svoje prve pokuse s turbinama dok je radio za Armstronga. Od 1881. do 1883. t.j. Odmah nakon pripravničkog staža radio je na izradi torpeda na plinski pogon. Osobitost torpednog pogonskog sustava bila je u tome što je goruće gorivo stvaralo struju plina pod visokim pritiskom. Mlaz je udario u impeler, uzrokujući njegovo okretanje. Propeler je zauzvrat pokretao propeler torpeda na rotaciju.

Parsons je prestao raditi na plinskim turbinama 1883., iako njegov patent iz 1884. opisuje moderni radni ciklus takve turbine. Naknadno je dao objašnjenje za to. “Eksperimenti provedeni prije mnogo godina,” napisao je, “i djelomično usmjereni na provjeru stvarnosti plinske turbine, uvjerili su me da bi s metalima koje smo imali na raspolaganju ... bilo pogrešno koristiti vrući tok plinova - bilo u čistom obliku ili pomiješanih s vodom ili parom." To je bilo dalekovidno opažanje: tek deset godina nakon Parsonsove smrti pojavili su se metali potrebnih svojstava.

U travnju 1884. podnio je dva privremena patenta, au listopadu i studenom iste godine izdao je Potpuni opis izumi. Bilo je to nevjerojatno produktivno razdoblje za Parsonsa. Odlučio je stvoriti dinamo pokretan turbinom pri velikim brzinama koje malo koji moderni električni strojevi mogu postići. Kasnije je Parsons često ponavljao da je ovaj izum jednako važan kao i stvaranje same turbine. Prije danas Glavna primjena parne turbine ostaje pogon električnih generatora.

U studenom 1884., kada je napravljena prva turbina, časni Charles A. Parsons imao je samo 30 godina. Inženjerski genij i instinkt za potrebe tržišta sami po sebi nisu bili dovoljan uvjet da njegovo čedo uspješno uđe u život. Parsons je u nekoliko faza morao ulagati vlastita sredstva kako obavljeni posao ne bi bio uzaludan. Tijekom sudsko suđenje 1898. godine, pokrenut kako bi se produljila valjanost nekih njegovih patenata, utvrđeno je da je Parsons potrošio osobni novac u iznosu od 1.107 funti 13 šilinga i 10 penija na stvaranje turbine.

Povijest razvoja automobilskih turbina seže približno u isto vrijeme kada i konstrukcija prvih motora s unutarnjim izgaranjem. Međutim, pokušaji stvaranja mehanizma nalik turbini zabilježeni su mnogo prije toga. U zoru novog milenija, prije otprilike 2000 godina, pojavili su se preci svih trenutno poznatih turbina; do danas ih se može naći u mnogim kutovima naše ogromne planete - ovo je vodeni kotač ili mlin. Princip ugrađen u njih postao je osnova za budući razvoj svih turbokompresora i parnih turbina koje se koriste za proizvodnju električne energije. Oni su doslovno bili na početku industrijske revolucije.

Prvi koji je stvorio dizajn sličan parnoj turbini bio je Heron iz Aleksandrije. Bila je to lopta koja se vrtjela pod utjecajem pare.

Parnu turbinu u obliku kotača s lopaticama izradio je talijanski znanstvenik Giovanni Branchi 1629. godine.

Ali tek krajem 19. stoljeća, kada je tehnologija dosegla dovoljnu razinu, Charles Parsons i Gustaf Laval (1884. - 1889.) neovisno su konstruirali prve uređaje pogodne za industriju.

Posebnu pozornost treba posvetiti djelima Gottlieba Daimlera i Rudolfa Diesela. Ovi su znanstvenici proveli istraživanje povećanja izlazne snage kompresijom zraka koji je utisnut u komoru za izgaranje. Njihov razvoj napravio je veliki proboj na polju tehnologije još 1885.-1896.

Godine 1905. švicarski inženjer Alfred Büchi patentirao je svoj izum koji je omogućio povećanje snage motora za 120%. Uspio je stvoriti mehanizam u kojem se zrak pumpa pomoću ispušnih plinova. Opće je prihvaćeno da je upravo ovaj uređaj označio početak razvoja i implementacije turbo tehnologija.

U 19. stoljeću uporaba turbina bila je ograničena na pomorsku i zrakoplovnu industriju. To je zbog činjenice da se povećanje snage tada prakticiralo samo s velikim motorima.

Tijekom Prvog svjetskog rata turbine su korištene na borbenim zrakoplovima s pogonom Renault.

U drugoj polovici 30-ih tehnologija je došla do točke da su inženjeri mogli stvoriti doista uspješne modele turbina koji su omogućili povećanje maksimalne granice visine.

Najveći uspjeh u razvoju zrakoplovstva postigli su Amerikanci, koji su razvili jedinstvenu verziju turbopunjača. Godine 1938. ugradili su ih na lovce P-38 i bombardere B-17. Nekoliko godina kasnije, inženjeri su stvorili lovca R-47, koji se u početku proizvodio s turbinom. Zahvaljujući tome, vozilo s krilima imalo je izvanredne karakteristike i prednosti u odnosu na druge.

Što se tiče automobilskog sektora, kamioni su prvi testirali prednosti turbo punjenja. Tvornica Swiss Machine Works Sauer obvezala se izraditi turbo motor za njih 1938. Društvo je ovu novost prilično dobro prihvatilo.

Osobni automobili dobili su turbo motore mnogo kasnije. Tek 1962. na tržište je ušao Chevrolet Corvair Monza, a godinu dana kasnije Oldsmobile Jetfire. Unatoč očitim prednostima, zbog niska razina pouzdanost modela nije bila tražena.

Korištenje turbina za povećanje snage sportskih automobila dovelo ih je do općeg priznanja u 70-ima. Konkretno, našli su svoju primjenu u Formuli 1. Nakon nekog vremena inženjeri su došli do zaključka da je potrošnja goriva prevelika za dobivene rezultate i počeli su tražiti alternativu.

Prekretnica u razvoju turbopunjača dogodila se 1978. godine, kada je Mercedes-Benz izbacio prvi model na svijetu s dizelskim motorom, 300 SD. Kasnije ga je slijedio VWTurbodiesel. Prednost takvih automobila bila je značajna. Proizvođači su uspjeli postići potrebnu snagu, dostigavši ​​razinu benzina, uz smanjenje razine štetnih emisija u atmosferu.

Diesel turbina ima niže zahtjeve za otpornost na toplinu, što joj omogućuje da bude jeftinija i sofisticiranija. Zbog toga se turbine najčešće nalaze na dizelskim automobilima, a svi novi turbo modeli inicijalno su kreirani za dizelsku verziju.

Turbina je rotirajući uređaj koji se pokreće protokom tekućine ili plina.

Najjednostavniji primjer turbine je vodeno kolo.

Zamislimo okomito postavljen kotač, na čijem su rubu pričvršćene lopatice ili oštrice. Mlaz vode izlijeva se na ove lopatice odozgo. Kotač se okreće pod utjecajem vode. A okretanjem kotača možete aktivirati i druge mehanizme. Dakle, u vodenici je kolo okretalo mlinsko kamenje. I mljeli su brašno. U hidroelektranama turbine pokreću generatore koji proizvode električna energija. U termoelektranama lopatice turbina pokreće toplinska energija koja se oslobađa izgaranjem goriva (plin, ugljen itd.). Vjetrogeneratori se pokreću energijom vjetra.

S fizičke točke gledišta, turbine su uređaji koji pretvaraju energiju pare, vjetra i vode u koristan rad.

Ovisno o vrsti energije koja se pretvara u turbinama, razlikuju se parne turbine i plinske turbine.

Parna turbina

Eolipil od Herona

U parnoj turbini Termalna energija para se pretvara u mehanički rad.

Već 130. godine prije Krista grčki matematičar i mehaničar Heron iz Aleksandrije izumio je primitivnu parnu turbinu nazvanu eolipil. Uređaj je bio čvrsto zatvoren kotao iz kojeg su izvađene dvije cijevi. Na te je cijevi ugrađena šuplja kugla s dvije mlaznice u obliku slova L. U kotao se sipala voda i stavljalo na vatru. Para je ulazila u kuglu kroz cijevi i izlazila iz mlaznica pod pritiskom. Lopta se počela okretati. Bio je to prototip mlaznog motora, u kojem je reaktivnu silu koja je rotirala loptu stvarala para.

Za vrijeme Herona, njegov izum je tretiran kao igračka. Nije našao nikakvu praktičnu primjenu.

Godine 1629. talijanski inženjer i arhitekt Giovanni Branchi stvorio je parnu turbinu u kojoj je kotač s lopaticama pokretala struja pare.

Godine 1815. engleski inženjer Richard Treyswick ugradio je dvije mlaznice na rub kotača lokomotive i kroz njih pustio paru.

Od 1864. do 1884. inženjeri su patentirali stotine izuma povezanih s turbinama.

I tek 1889. god. Švedski inženjer Gustaf Laval stvorio je parnu turbinu koja bi se mogla koristiti u industriji. U Laval turbini, struja pare koja je izlazila iz mlaznica stacionarnog statora pritiskala je lopatice postavljene na obruč kotača. Kotač se okretao pod pritiskom pare. Takva se turbina naziva aktivnom.

Kod Lavalove turbine mlaznica se proširila na izlazu. To je povećalo brzinu izlazne pare i, kao posljedicu, brzinu vrtnje turbine. Lavalova mlaznica postala je prototip modernih raketnih mlaznica.

Nešto ranije, neovisno o Lavalu, 1884. godine, engleski inženjer i industrijalac Charles Algernon Parsons izumio je višestupanjsku reaktivnu parnu turbinu. Takva turbina imala je nekoliko redova radnih lopatica, koje su se zvale stupnjevi. Parson je patentirao ideju o brodu koji je pokretala ova turbina.

plinska turbina

John Barber

Plinska turbina razlikuje se od parne turbine po tome što je ne pokreće para iz kotla, već plin koji nastaje izgaranjem goriva. I svi osnovni principi dizajna parnih i plinskih turbina su isti.

Prvi patent za plinsku turbinu dobio je 1791. godine Englez John Barber. Barber je dizajnirao svoju turbinu za pogon kočije bez konja. I elementi Barberove turbine prisutni su u modernim plinskim turbinama.

Godine 1903. Norvežanin Egidius Elling izumio je plinsku turbinu koja je proizvodila više energije nego što je potrošeno za rad. Princip njezina rada koristio je engleski konstruktor Sir Frank Whittle koji je 1930. godine patentirao plinsku turbinu za mlazni pogon.

Teslina turbina

Teslina turbina

Godine 1913. inženjer, fizičar i izumitelj Nikola Tesla patentirao je turbinu, čiji se dizajn bitno razlikovao od dizajna tradicionalne turbine. Teslina turbina nije imala lopatice koje je pokretala energija pare ili plina.

Rotirajući dio turbine, rotor, bio je skup tankih metalnih diskova postavljenih na osovinu i odvojenih podloškama. Protok plina ili radne tekućine dolazio je s vanjskog ruba diskova i prolazio do središta duž praznina, uvijajući se. Poznato je da ako se protok tekućine ili plina usmjeri duž ravne površine, protok počinje povlačiti ovu površinu za sobom. Diskovi u Pascalovoj turbini bili su nošeni protokom plina, uzrokujući rotaciju.

Vrijeme parnih strojeva bilo je kratkog vijeka. Ali još uvijek unutra drevna grčka znalo se koristiti pregrijanom tekućinom u ratovanju. Prije nekoliko stoljeća naši su preci uložili mnogo vremena i truda u osvajanje pare; ova je tema i danas zanimljiva.

Geronovsky eolipile

Povijest izuma turbina seže u davna vremena, ali ljudi su mogli koristiti paru za dobrobit čovječanstva tek krajem 17. stoljeća. Na samom početku naše ere grčki znanstvenik Heron iz Aleksandrije jasno je pokazao da para može biti korisna. Njegov izum, nazvan "Geronovsky eolipile" po izumitelju, bila je lopta koja se okretala snagom mlaza pare. Tako se pojavio prvi prototip parne turbine.

Solomonova lopta

Nadalje, povijest izuma turbina nije se tako brzo razvijala. Nažalost, većina izuma starih Grka ostala je zaboravljena i nije našla daljnju primjenu. Tek početkom 17. stoljeća opisano je nešto slično parnom stroju, iako vrlo primitivno. Francuski znanstvenik-izumitelj Solomon de Caux u svojim spisima opisuje šuplju metalnu kuglu s dvije cijevi od kojih jedna služi za dovod, a druga za odvod vode. A ako zagrijete loptu, voda će se početi kretati prema gore kroz cijev.

Branca turbina

Početkom 1629. godine prvu parnu turbinu sastavio je izumitelj i mehaničar Giovanni Branchi. Princip rada temelji se na pretvaranju potencijalne energije pare u kinetičku energiju i stvaranju iste koristan rad. Suština njegovog izuma bila je u tome da mlaz pare svojim pritiskom pokreće kotač s lopaticama, poput kotača vodenice. Ali turbine ove vrste bile su vrlo ograničene snage, jer je bilo nemoguće stvoriti visoki tlak mlaza. Tako povijest izuma parne turbine nakon duge stanke dobiva novi zaokret.

Parni udar

Godine 1825. inženjer-izumitelj Richard Travisick pokušao je ugraditi dvije mlaznice na kotač parne lokomotive i kroz njih propustiti paru pod visokim pritiskom. Na istim principima temeljio se i rad pilane koju je izgradio američki mehaničar W. Avery. Mnogi su autori željeli da povijest izuma turbine uključi i njihova imena. Samo u Engleskoj je tijekom 20 godina izdano patenata za više od 100 izuma vezanih uz parne turbine ili principe njihova rada.

Turbina u industriji

5 godina, počevši od 1884. godine, neovisno jedan o drugome, Šveđanin Carl Gustav de Laval i Irac Charles Parsons radili su na stvaranju industrijski prikladne parne turbine. Laval je izumio ekspandirajuću mlaznicu, koja je omogućila značajno povećanje brzine izlazne pare, a kao rezultat toga povećala se i brzina vrtnje rotora turbine.

Ali zahvaljujući Lavalovom izumu, bilo je moguće dobiti samo malu izlaznu snagu, oko 500 kW. Pronađene su njegove parne turbine široka primjena u početnoj fazi, ali su ubrzo zamijenjene snažnijim jedinicama drugih vrsta.

Mlazna turbina

Povijest izuma parnih turbina uključuje i izum Parsonsove višestupanjske reakcijske turbine. Razlika između ovog izuma bila je manja brzina vrtnje i maksimalno korištenje energije pare. Tako značajne promjene postignute su zahvaljujući činjenici da se para postupno širila prolazeći kroz 15 stupnjeva u turbinskom sustavu. Tako su pronađeni radovi znanstvenika praktičnu upotrebu u industriji. Ovo zaključuje povijest izuma turbina, ukratko opisujući glavne ličnosti iz prošlosti uključene u rješavanje ovog problema. važno pitanje. Od tada je Parsonsova turbina doživjela veliki broj modifikacija i poboljšanja, ali unatoč tome osnovni principi ostali su nepromijenjeni.

Izum turbina u Rusiji

U Rusiji je ispisana i povijest izuma parnih turbina. Altajski majstor Zalesov, poznat u stručnim krugovima, radio je u tvornici Suzunsky. Od 1803. do 1813. izlazi iz njegovih ruku veliki broj modeli turbina. On je, kao praktičar s velikim iskustvom, uočio nedostatke u dizajnu parnih turbina, što je omogućilo izmjene u početne faze oblikovati. Njegov kolega u radionici bio je izumitelj Kuzminski. Bavio se područjem brodogradnje i zrakoplovne tehnike te je došao do zaključka da je u brodogradnji neprikladno koristiti klipni parni stroj. Kuzminsky je izumio i testirao brodsku reverzibilnu parnu turbinu svog dizajna.

Imala je malu težinu od 15 kg po jednom konjskih snaga vlast. ruska povijest Izum turbina, koji je ukratko opisao Kuzminsky, okarakteriziran je kao vrijeme kada su domaća otkrića pala u zaborav. Naravno, izumom parne turbine započela je nova era u razvoju industrije i cjelokupnog društva, a poslužila je i kao poticaj nizu otkrića i postignuća u drugim područjima znanosti. Izumi tih dalekih vremena koriste se i danas, iako u znatno izmijenjenom stanju. Unatoč činjenici da je znanost napravila velike korake naprijed, ona se u velikoj mjeri temelji na principima postavljenim u dalekoj prošlosti.

Izum parnih turbina.

Uz hidrauličke turbine opisane u jednom od prethodnih poglavlja, veliki značaj za energetiku i elektrifikaciju imao je izum i širenje parnih turbina. Princip njihova rada bio je sličan hidrauličkim, s tom razlikom što je hidrauličku turbinu pokretala struja vode, a parnu turbinu struja zagrijane pare. Kao što je vodena turbina predstavljala novu riječ u povijesti vodenih strojeva, parna turbina je pokazala nove mogućnosti parnog stroja.

Wattov stari auto, označen u trećoj četvrtina XIX stoljeća, svoje stote obljetnice, imao je nisku učinkovitost, budući da je rotacijsko gibanje dobiveno na složen i neracionalan način. Zapravo, kao što se sjećamo, para nije pokretala sam rotirajući kotač, već je vršila pritisak na klip; od klipa, klipnjače i koljena, kretanje se prenosilo na glavno vratilo. Kao rezultat brojnih prijenosa i transformacija, ogroman dio energije dobiven izgaranjem goriva, u punom smislu te riječi, odletio je u odvod bez ikakve koristi. Izumitelji su više puta pokušavali konstruirati jednostavniji i ekonomičniji stroj - parnu turbinu, u kojoj bi mlaz pare izravno rotirao impeler. Jednostavan izračun pokazao je da bi trebao imati učinkovitost nekoliko redova veličine veću od Wattovog stroja. Međutim, bilo je mnogo prepreka na putu inženjerske misli. Kako bi turbina doista postala visoko učinkovit motor, impeler se morao vrtjeti vrlo velikom brzinom, čineći stotine okretaja u minuti. Dugo vremena to nisu mogli postići jer nisu znali kako prenijeti ispravnu brzinu mlazu pare.

Prvi važan korak u razvoju novog tehnička sredstva, koji je istisnuo parni stroj, izradio je švedski inženjer Carl Gustav Patrick Laval 1889. Lavalova parna turbina je kotač s lopaticama. Mlaz vode koji se stvara u kotlu izlazi iz cijevi (mlaznice), pritišće lopatice i okreće kotač. Eksperimentirajući s različitim cijevima za dovod pare, dizajner je došao do zaključka da trebaju imati oblik stošca. Tako se pojavila Laval mlaznica, koja se koristi i danas.

Tek je 1883. Šveđanin Gustav Laval uspio prevladati mnoge poteškoće i stvoriti prvu radnu parnu turbinu. Nekoliko godina ranije Laval je dobio patent za separator mlijeka. Kako bi ga pokrenuli, bio je potreban pogon vrlo velike brzine. Niti jedan motor koji je tada postojao nije ispunio zadatak. Laval je postao uvjeren da mu samo parna turbina može dati potrebnu brzinu vrtnje. Počeo je raditi na njegovom dizajnu i na kraju postigao što je želio. Lavalova turbina bila je lagani kotač, na čijim su lopaticama nakon nekoliko oštar kut mlaznice su stvarale paru. Godine 1889. Laval je značajno poboljšao svoj izum dodavanjem koničnih ekspandera na mlaznice. To je značajno povećalo učinkovitost hidrauličke turbine i pretvorilo je u univerzalni motor.

Princip rada turbine bio je krajnje jednostavan. Para zagrijana na visoka temperatura, došao je iz kotla kroz parovod do mlaznica i izbio van. U mlaznicama se para proširila na atmosferski tlak. Zbog povećanja volumena koje je pratilo to širenje, dobiveno je značajno povećanje brzine protoka (uz širenje od 5 do 1 atmosfere, brzina mlaza pare dosegla je 770 m/s). Na taj način se energija sadržana u pari prenosila na lopatice turbine. Broj mlaznica i tlak pare određivali su snagu turbine. Kad se ispušna para nije ispuštala izravno u zrak, nego se, kao kod parnih strojeva, usmjeravala u kondenzator i pretvarala u tekućinu pod smanjenim tlakom, snaga turbine bila je najveća. Dakle, kada se para proširila s 5 atmosfera na 1/10 atmosfere, brzina mlaza dosegla je nadzvučne vrijednosti.

Unatoč prividnoj jednostavnosti, Lavalova turbina bila je pravo čudo tehnike. Dovoljno je zamisliti opterećenja koja je impeler doživio u njemu da bi se shvatilo koliko je izumitelju bilo teško dobiti nesmetan rad iz svoje zamisli. Pri ogromnim brzinama turbinskog kotača čak i blagi pomak u težištu uzrokovao je snažno opterećenje osovine i preopteretio ležajeve. Kako bi to izbjegao, Laval je došao na ideju staviti kotač na vrlo tanku osovinu, koja bi se mogla lagano saviti prilikom rotacije. Prilikom odmotavanja automatski je dolazio u strogo središnji položaj, koji se zatim održavao pri bilo kojoj brzini vrtnje. Zahvaljujući ovom domišljatom rješenju, destruktivni učinak na ležajeve sveden je na minimum.

Čim se pojavila, Lavalova turbina osvojila je sveopće priznanje. Bio je mnogo ekonomičniji od starih parnih strojeva, vrlo jednostavan za korištenje, zauzimao je malo prostora i lako se montirao i spajao. Lavalova turbina pružala je posebno velike prednosti u kombinaciji sa strojevima velike brzine: pile, separatori, centrifugalne pumpe. Uspješno se koristio i kao pogon za električni generator, ali je ipak imao pretjerano veliku brzinu za to i stoga je mogao raditi samo preko mjenjača (sustav zupčanici, što je smanjilo brzinu vrtnje pri prijenosu gibanja s osovine turbine na osovinu generatora).

Godine 1884. engleski inženjer Parson dobio je patent za višestupanjsku mlaznu turbinu, koju je izumio posebno za pogon električnog generatora. Godine 1885. konstruirao je višestupanjsku mlaznu turbinu koja je kasnije našla široku primjenu u termoelektranama. Imao je sljedeći uređaj, koji je podsjećao na mlaznu hidrauličku turbinu. Niz rotirajućih kotača s oštricama bio je postavljen na središnju osovinu. Između ovih kotača nalazili su se fiksni obruči (diskovi) s lopaticama suprotnog smjera. Para pod visokim pritiskom dovodila se na jedan kraj turbine. Tlak na drugom kraju bio je mali (manji od atmosferskog). Stoga je para težila prolasku kroz turbinu. Prvo je ušao u prostore između lopatica prve krune. Te su ga lopatice usmjerile na lopatice prvog pomičnog kotača. Para je prolazila između njih, uzrokujući rotaciju kotača. Zatim je ušao u drugu krunu. Lopatice druge krune usmjerile su paru između lopatica drugog pomičnog kotača, koji se također počeo okretati. Iz drugog pomičnog kotača tekla je para između lopatica trećeg ruba i tako dalje. Sve su lopatice dobile takav oblik da se poprečni presjek međulopatičnih kanala smanjivao u smjeru strujanja pare. Činilo se da lopatice tvore mlaznice postavljene na osovinu iz koje je, šireći se, izlazila para. Ovdje se koristila i djelatna i jalova snaga. Rotirajući, svi kotači okretali su osovinu turbine. Vanjski dio uređaja bio je zatvoren u čvrsto kućište. Godine 1889. već se tristotinjak ovih turbina koristilo za proizvodnju električne energije, a 1899. godine u Elberfeldu je izgrađena prva elektrana s Parsonovim parnim turbinama. U međuvremenu, Parson je pokušao proširiti opseg svog izuma. Godine 1894. izgradio je eksperimentalni brod Turbinia, pokretan parnom turbinom. Tijekom testiranja pokazao je rekordnu brzinu od 60 km/h. Nakon toga su se parne turbine počele ugrađivati ​​na mnoge brze brodove.