היסטוריה של המצאת הטורבינות. היסטוריה של התפתחות טורבינות קיטור

מפעל טורבינת קיטור הוא יחידה תרמית הפועלת ברציפות, ונוזל העבודה שלה הוא מים וקיטור. טורבינת קיטור היא מנוע כוח שבו האנרגיה הפוטנציאלית של הקיטור מומרת לאנרגיה קינטית, והאנרגיה הקינטית בתורה מומרת לאנרגיה מכנית של סיבוב הרוטור. רוטור הטורבינה ישירות או באמצעות תיבת הילוכיםמתחבר למכונה הפועלת. בהתאם למטרה של המכונה העובדת, טורבינת קיטור יכולה לשמש ביותר תחומים שוניםתעשייה: אנרגיה, תחבורה, ניווט בים ונהרות וכו'. כולל טורבינת קיטור וציוד עזר.

היסטוריה של טורבינת הקיטור

פעולתה של טורבינת קיטור מבוססת על שני עקרונות של יצירת כוח היקפי על הרוטור, הידועים עוד מימי קדם - תגובתי ופעיל. כבר בשנת 130 לפני הספירה. אנפה מאלכסנדריה המציאה מכשיר שנקרא אאווליפיל. בהתאם לתמונה 2.1, זה היה כדור חלול מלא בקיטור עם שתי חרירים בצורת L הממוקמים בצדדים מנוגדים ומכוונות לכיוונים שונים. אדים זרמו מהחרירים עם מהירות גבוהה, ובשל כוחות התגובה שנוצרו, הכדור הסתובב.

העיקרון השני מבוסס על טרנספורמציה אנרגיה פוטנציאליתצמד לקינטי. ניתן להמחיש זאת בדוגמה של המכונה של ג'ובאני ברנקה, שנבנתה בשנת 1629 ומוצגת באיור 2.2. במכונה זו סילון קיטור הניע גלגל עם להבים, שמזכיר את הגלגל של טחנת מים.

טורבינת הקיטור משתמשת בשני העקרונות הללו. סילון קיטור בלחץ גבוה מופנה אל להבים מעוקלים המורכבים על דיסקים. כאשר זורם סביב הלהבים, הסילון מוסט, והדיסק עם הלהבים מתחיל להסתובב. מעבר בין הלהבים בתעלה מתרחבת (הרי עובי הלהבים יורד ככל שהוא מתקרב לשוק), האדים מתרחבים ומאיצים. בהתאם לחוקי שימור האנרגיה והתנע, כוח פועל על גלגל הטורבינה המסובב אותו. כתוצאה מכך, אנרגיית הלחץ (אנרגיה פוטנציאלית) של הקיטור מומרת לאנרגיה קינטית של סיבוב הטורבינה.

לטורבינות הראשונות, כמו המכונה של ברנקה, היה כוח מוגבל בגלל דודי קיטורלא היו מסוגלים ליצור לחץ גבוה. ברגע שהתאפשר לקבל קיטור לחץ גבוה, הממציאים פנו שוב לטורבינה. בשנת 1815, המהנדס ריצ'רד טרווית'יק התקין שתי חרירים על שפת גלגל קטר והעביר דרכם קיטור. בנייתה של מנסרה שנבנתה ב-1837 על ידי וויליאם אייברי האמריקאי התבססה על עיקרון דומה. באנגליה לבדה, במשך 20 שנה, מ-1864 עד 1884, נרשמו יותר ממאה המצאות הקשורות לטורבינות. אבל אף אחד מהניסיונות הללו לא הביא ליצירת מכונה המתאימה לתעשייה.

כשלים אלו נבעו בחלקם מחוסר הבנה של הפיזיקה של התפשטות הקיטור. העובדה היא שצפיפות הקיטור קטנה בהרבה מצפיפות המים, וה"גמישות" שלו גדולה בהרבה מהגמישות של הנוזל, כך שמהירות סילון הקיטור היא טורבינות קיטוראה מסתבר שהיא הרבה יותר גדולה ממהירות המים בטורבינות מים. נקבע בניסוי כי היעילות הטורבינה מגיעה למקסימום כאשר המהירות ההיקפית של הלהבים היא כמחצית ממהירות סילון הקיטור. מסיבה זו היו לטורבינות הראשונות מהירויות סיבוב גבוהות מאוד.

אבל מהירויות סיבוב גבוהות הובילו לעתים קרובות להרס של החלקים המסתובבים של הטורבינה עקב פעולת הכוחות הצנטריפוגליים. ניתן היה להשיג ירידה במהירות הזוויתית תוך שמירה על המהירות ההיקפית על ידי הגדלת קוטר הדיסקה עליה היו מחוברים הלהבים. עם זאת, היה קשה ליישם רעיון זה, שכן כמות הקיטור בלחץ גבוה שנוצר לא הספיקה למכונה גדולה. בהקשר זה, לטורבינות הניסוי הראשונות היו קוטר קטן ולהבים קצרים.

בעיה נוספת הקשורה לתכונות הקיטור גרמה לקשיים עוד יותר. מהירות יציאת הקיטור מהזרבובית היא פרופורציונלית ליחס הלחצים בכניסה וביציאה של הזרבובית ומגיעה לערכה המקסימלי ביחס לחצים של כשניים. עלייה נוספת בירידה בלחץ אינה מובילה עוד לעלייה במהירות הסילון. לפיכך, מעצבים לא יכלו לנצל את מלוא יכולות הקיטור בלחץ גבוה בעת שימוש בזרבובית קבועה או מחודדת.

בשנת 1889, המהנדס השוודי קרל גוסטב דה לאבל השתמש בזרבובית שהתרחבה בשקע. זרבובית כזו אפשרה להשיג מהירות קיטור גבוהה בהרבה, וכתוצאה מכך עלתה משמעותית גם מהירות הסיבוב של רוטור הטורבינה.

איור 2.4 מציג טורבינת קיטור של Laval. בו, אדים חודרים לזרבובית, רוכשים בה מהירות משמעותית ומופנים אל להבי העבודה הממוקמים על שפת דיסק הטורבינה. כאשר סילון הקיטור מסתובב, נוצרים כוחות בתעלות הלהבים הפועלים המסובבים את הדיסק ואת פיר הטורבינה הקשור. כדי לקבל את ההספק הנדרש מטורבינה חד-שלבית, נדרשים קצבי זרימת קיטור גבוהים מאוד. על ידי שינוי תצורת הזרבובית המתרחבת, ניתן היה להשיג מידה משמעותית של התפשטות קיטור ובהתאם, מהירות גבוהה (1200...1500 מ"ש) של יציאת קיטור.

ל השימוש הטוב ביותרבמהירויות קיטור גבוהות, Laval פיתחה עיצוב דיסק שיכול לעמוד במהירויות היקפיות של עד 350 מ"ש, ומהירות הסיבוב של חלק מהטורבינות הגיעה ל-32,000 סל"ד.

טורבינות שבהן כל תהליך התפשטות הקיטור וההאצה הנלווית של זרימת הקיטור מתרחשת בחרירים נקראות אקטיביות. מכשירים כאלה, במיוחד, כוללים את טורבינת ברנקה.

לאחר מכן, השיפור של טורבינות קיטור אקטיביות הלך בדרך של שימוש בהרחבה רציפה של קיטור במספר שלבים הממוקמים בזה אחר זה. בטורבינות כאלה, שפותחו בסוף המאה הקודמת על ידי המדען הצרפתי ראטו ושופרו על ידי המעצב זלי, מופרדות מספר דיסקים המורכבים על פיר משותף על ידי מחיצות. במחיצות אלו הותקנו פתחים מצודדים - חרירים. בכל אחד מהשלבים הבנויים בצורה זו משתחרר חלק מאנרגיית הקיטור. ההמרה של האנרגיה הקינטית של זרימת הקיטור מתרחשת ללא התרחבות נוספת של קיטור בתעלות הלהבים הפועלים. טורבינות רב-שלביות פעילות נמצאות בשימוש נרחב במתקנים נייחים וגם כמנועים ימיים.

יחד עם טורבינות שבהן זרם הקיטור נע בערך במקביל לציר ציר הטורבינה ואשר נקראות טורבינות ציריות, נוצרו מה שנקרא טורבינות רדיאליות בהן זורם קיטור במישור המאונך לציר הטורבינה. בין סוג זה של טורבינה, המעניינת ביותר היא הטורבינה של האחים ליונגסטרום, שהוצעה ב-1912.

על המשטחים הצדדיים של הדיסקים, הלהבים של שלבי הסילון ממוקמים בטבעות בקוטר הולך וגדל בהדרגה. קיטור מסופק לטורבינה דרך צינורות ואז מופנה דרך חורים בדיסקים לתא המרכזי. ממנו זורם קיטור לפריפריה דרך ערוצי הלהבים המורכבים על הדיסקים. בניגוד לטורבינה קונבנציונלית, לעיצוב של האחים ליונגסטרום אין חרירים קבועים או שבשבת מובילה. שני הדיסקים מסתובבים בכיוונים נגדיים, כך שהכוח שמפתחת הטורבינה מועבר לשני פירים. הטורבינה של העיצוב המתואר התבררה כקומפקטית מאוד.

ועדיין, למרות מספר פתרונות עיצוב חדשים המשמשים בטורבינות אקטיביות חד-שלביות, היעילות שלהם הייתה נמוכה. בנוסף, הצורך בתמסורת הילוכים להפחתת מהירות הסיבוב של גל ההנעה של הגנרטור החשמלי האט את התפשטותן של טורבינות חד-שלביות. לכן, טורבינות Laval, שבשלב המוקדם של בניית הטורבינות היו בשימוש נרחב כיחידות בעלות הספק נמוך (עד 500 קילוואט), פינו מאוחר יותר את מקומן לטורבינות מסוגים אחרים.

פרסונס יצר טורבינה בעיצוב חדש ביסודו. היה לו מהירות סיבוב נמוכה יותר, ובמקביל הוא עשה שימוש מרבי באנרגיית הקיטור. העובדה היא שבטורבינת פרסונס הקיטור התרחב בהדרגה כאשר הוא עבר דרך 15 שלבים, שכל אחד מהם מורכב משתי שורות של להבים: האחד קבוע (עם להבי מוביל המחוברים לגוף הטורבינה), השני ניתן להזזה (עם להבי עבודה על הדיסק) , מותקן על פיר מסתובב). מישורי הלהבים של החישוקים הקבועים והניידים היו מאונכים זה לזה.

הקיטור שהופנה ללהבים הקבועים התרחב בתעלות בין הלהבים, מהירותו גדלה, וכאשר פגע בלהבים הנעים, הוא אילץ אותם להסתובב. בתעלות הבין-להבים של הלהבים הנעים, הקיטור התרחב עוד יותר, מהירות הסילון גדלה, והכוח התגובה שנוצר דחף את הלהבים.

הודות להכנסת חישוקי להבים ניידים וקבועים, מהירויות סיבוב גבוהות הפכו למיותרות. בכל אחת משלושים החישוקים של הטורבינה הרב-שלבית של פרסונס, הקיטור התרחב מעט, ואיבד חלק מהאנרגיה הקינטית שלו. בכל שלב (זוג כתרים) הלחץ ירד ב-10% בלבד. ההרחבה המבוית של הקיטור שעומדת בבסיס תכנוני טורבינות מודרניות הייתה רק אחת מני רבות רעיונות מקוריים, מגולם על ידי פרסונס.

רעיון פורה נוסף היה לארגן אספקת קיטור לחלק האמצעי של הפיר. כאן חולקה זרימת הקיטור והלך לשני כיוונים לקצה השמאלי והימני של הפיר. צריכת הקיטור בשני הכיוונים הייתה זהה. אחד היתרונות שסיפק פיצול הזרימה היה שהכוחות האורך (ציריים) שנבעו מלחץ הקיטור על להבי הטורבינה היו מאוזנים. לפיכך, לא היה צורך במסב דחף. העיצוב המתואר משמש בהרבה טורבינות קיטור מודרניות.

ועדיין, לטורבינה הרב-שלבית הראשונה של פרסונס הייתה מהירות סיבוב גבוהה מדי - 18,000 דקה-1. הכוח הצנטריפוגלי שפעל על להבי הטורבינה היה גדול פי 13 אלף מכוח הכבידה. כדי להפחית את הסיכון לשבירת חלקים מסתובבים, פרסונס המציא פתרון פשוט. כל דיסק היה עשוי מטבעת נחושת מוצקה, והחריצים אליהם מתאימים הלהבים היו ממוקמים סביב היקף הדיסק והיו חריצים מכוונים בזווית של 45°. הדיסקים הנעים הורכבו על הפיר וקבועים על בליטתו. החישוקים הקבועים היו מורכבים משתי חצאי טבעות, שהוצמדו לחלק העליון והתחתון של בית הטורבינה. להבי הטורבינה של פרסונס היו שטוחים. כדי לפצות על הירידה במהירות זרימת הקיטור עם העברת הקיטור לשלבים האחרונים, הוטמעו שני פתרונות טכניים במכונה הראשונה של פרסונס: קוטר הדיסק הוגדל בהדרגה ואורך הלהבים הוגדל מ-5 ל-7 מ"מ. קצוות הלהבים היו משופעים כדי לשפר את תנאי הזרימה סביב הסילון.

פרסונס היה הבן הצעיר למשפחה שקיבלה אדמות באירלנד. אביו, ארל רוס, היה מדען מוכשר. הוא תרם תרומה גדולה לטכנולוגיה של יציקה וטחינה של מראות גדולות לטלסקופים.

בני הזוג פרסון לא שלחו את ילדיהם לבית הספר. מוריהם היו אסטרונומים, אותם הזמין הרוזן לתצפיות לילה באמצעות טלסקופים; V שְׁעוֹת הַיוֹםהמדענים האלה לימדו ילדים. כמו כן, עודדו ילדים מאוד לעסוק בסדנאות ביתיות.

צ'ארלס נכנס לטריניטי קולג', דבלין, ולאחר מכן עבר לקולג' סנט ג'ון, אוניברסיטת קיימברידג', ממנה סיים את לימודיו ב-1877.

נקודת מפנה בהונו של פרסונס הגיעה כאשר הפך לחניך של ג'ורג' ארמסטרונג, יצרן מפורסם של תותחים ימיים, והחל לעבוד במפעל אלסוויק שלו בניוקאסלפון טיין. הסיבות שהניעו את פרסונס לקבל החלטה כזו נותרו עלומות: באותה תקופה, ילדים ממשפחות עשירות כמעט ולא בחרו בקריירה בהנדסה. פרסונס צבר מוניטין כתלמידו הקשה ביותר של ארמסטרונג. במהלך התמחותו הוא קיבל אישור לעבוד על החידוש האחרון - מנוע קיטור עם צילינדרים מסתובבים - ובין השנים 1877-1882. רשם פטנט על כמה מהמצאותיו.

פרסונס החל לערוך את הניסויים הראשונים שלו עם טורבינות בזמן שעבד עבור ארמסטרונג. מ-1881 עד 1883, כלומר. מיד לאחר ההתמחות, הוא עבד על יצירת טורפדו המונע בגז. הייחודיות של מערכת ההנעה הטורפדו הייתה שהדלק הבוער יצר זרם גז בלחץ גבוה. הסילון פגע באימפלר וגרם לו להסתובב. האימפלר, בתורו, הניע את מדחף הטורפדו להסתובב.

פרסונס הפסיק לעבוד על טורבינות גז ב-1883, למרות שהפטנט שלו משנת 1884 מתאר את מחזור הפעולה המודרני של טורבינה כזו. לאחר מכן הוא נתן הסבר לכך. "ניסויים שבוצעו לפני שנים רבות", כתב, "ומטרתן חלקית לאמת את המציאות של טורבינת הגז, שכנעו אותי שעם המתכות שעומדות לרשותנו... תהיה זו טעות להשתמש בזרם חם. של גזים - בצורה טהורה או מעורבת עם מים או קיטור." זו הייתה תצפית מראש: רק עשר שנים לאחר מותו של פרסונס הופיעו מתכות בעלות התכונות הנדרשות.

באפריל 1884 הוא הגיש שני פטנטים זמניים, ובאוקטובר ונובמבר של אותה שנה הוציא תיאור מלאהמצאות. זו הייתה תקופה פרודוקטיבית להפליא עבור פרסונס. הוא החליט ליצור דינמו המופעל על ידי טורבינה במהירויות גבוהות שמעט מכונות חשמליות מודרניות יכולות להשיג. לאחר מכן, פרסונס חזר לעתים קרובות על כך שהמצאה זו חשובה לא פחות מיצירת הטורבינה עצמה. לפני היוםהיישום העיקרי של טורבינת הקיטור נותר להניע גנרטורים חשמליים.

בנובמבר 1884, כאשר נוצרה הטורבינה הראשונה, היה הכבוד צ'ארלס א. פרסונס בן 30 בלבד. גאונות הנדסית ואינסטינקט לצרכי השוק כשלעצמם לא היו תנאי מספיק ליצירת מוחו להצליח להיכנס לחיים. במספר שלבים נאלץ פרסונס להשקיע את כספיו בעצמו כדי שהעבודה שנעשתה לא תהיה לשווא. בְּמַהֲלָך משפט שיפוטיבשנת 1898, שהושק כדי להאריך את תוקף חלק מהפטנטים שלו, נמצא שפרסונס הוציא כסף אישי בסכום של 1,107 פאונד, 13 שילינג ו-10 פני על יצירת הטורבינה.

ההיסטוריה של הפיתוח של טורבינות רכב מתחילה בערך באותו זמן עם בניית מנועי הבעירה הפנימית הראשונים. עם זאת, ניסיונות ליצור מנגנון דמוי טורבינה צוינו הרבה לפני כן. בשחר המילניום החדש, לפני כ-2000 שנה, הופיעו האבות הקדמונים של כל הטורבינות המוכרות כיום, עד היום ניתן למצוא אותן בפינות רבות של כוכב הלכת העצום שלנו - זהו גלגל מים או טחנה. העיקרון המוטבע בהם הפך לבסיס לפיתוח עתידי של כל מדחסי הטורבו וטורבינות הקיטור המשמשות לייצור חשמל. הם היו ממש במקורות המהפכה התעשייתית.

הראשון שיצר עיצוב דומה לטורבינת קיטור היה הרון מאלכסנדריה. זה היה כדור שהסתובב בהשפעת קיטור.

טורבינת קיטור בצורת גלגל עם להבים נוצרה על ידי המדען האיטלקי ג'ובאני ברנצ'י בשנת 1629.

אבל רק בסוף המאה ה-19, כשהטכנולוגיה הגיעה לרמה מספקת, צ'ארלס פרסונס וגוסטף לאבל (1884 - 1889) תכננו באופן עצמאי את המכשירים הראשונים המתאימים לתעשייה.

יש להקדיש תשומת לב מיוחדת ליצירותיהם של גוטליב דיימלר ורודולף דיזל. מדענים אלה ערכו מחקר על הגדלת תפוקת הכוח על ידי דחיסת אוויר שנאלץ לתוך תא הבעירה. הפיתוחים שלהם עשו פריצת דרך גדולה בתחום הטכנולוגיה עוד בשנים 1885-1896.

בשנת 1905, המהנדס השוויצרי אלפרד בוצ'י רשם פטנט על ההמצאה שלו, שאפשרה להגדיל את כוח המנוע ב-120%. הוא הצליח ליצור מנגנון שבו נשאב אוויר באמצעות גזי פליטה. מקובל כי מכשיר זה הוא שסימן את תחילת הפיתוח והיישום של טכנולוגיות טורבו.

במאה ה-19 הוגבל השימוש בטורבינות לתעשיות הספנות והתעופה. זאת בשל העובדה כי אז הגדלת הכוח תורגל רק עם מנועים גדולים.

במהלך מלחמת העולם הראשונה, נעשה שימוש בטורבינות במטוסי קרב המונעים על ידי רנו.

במחצית השנייה של שנות ה-30, הטכנולוגיה הגיעה למצב שהמהנדסים הצליחו ליצור דגמי טורבינות מוצלחים באמת שאפשרו להגדיל את מגבלת הגובה המרבי.

ההצלחה הגדולה ביותר בפיתוח התעופה הושגה על ידי האמריקאים, שפיתחו גרסה ייחודית של מגדשי טורבו. ב-1938 התקינו אותם על מטוסי קרב מסוג P-38 ומפציצי B-17. כמה שנים לאחר מכן, מהנדסים יצרו את מטוס הקרב R-47, אשר יוצר בתחילה עם טורבינה. הודות לכך, לרכב המכונף היו מאפיינים ויתרונות יוצאי דופן על פני אחרים.

באשר לתחום הרכב, המשאיות היו הראשונות לבדוק את היתרונות של טעינת טורבו. מפעל Swiss Machine Works Sauer התחייב ליצור עבורם מנוע טורבו ב-1938. החברה קיבלה את החידוש הזה די טוב.

מכוניות נוסעים קיבלו מנועי טורבו הרבה יותר מאוחר. רק ב-1962 נכנסה לשוק שברולט קורבאיר מונזה, ואחריה שנה לאחר מכן הג'טפייר של אולדסמוביל. למרות היתרונות הברורים, בשל רמה נמוכההאמינות של הדגם לא הייתה מבוקשת.

השימוש בטורבינות להגברת כוחן של מכוניות ספורט הוביל אותן להכרה נרחבת בשנות ה-70. במיוחד הם מצאו את היישום שלהם בפורמולה 1. לאחר זמן מה הגיעו המהנדסים למסקנה שצריכת הדלק גבוהה מדי לתוצאות שהתקבלו והחלו לחפש חלופה.

נקודת המפנה בפיתוח מגדשי הטורבו הגיעה בשנת 1978, כאשר מרצדס בנץ הוציאה את הדגם הראשון בעולם עם מנוע דיזל, ה-300 SD. מאוחר יותר אחריו הגיע ה-VWTurbodiesel. היתרון של מכוניות כאלה היה משמעותי. היצרנים הצליחו להשיג את הכוח הנדרש, להגיע לרמת הבנזין, תוך הפחתת רמת הפליטות המזיקות לאטמוספירה.

לטורבינת הדיזל דרישות עמידות בחום נמוכות יותר, מה שמאפשר לה להיות זול ומתוחכם יותר. זו הסיבה שטורבינות נמצאות לרוב במכוניות דיזל, וכל דגמי הטורבו החדשים נוצרים בתחילה עבור גרסת הדיזל.

טורבינה היא מכשיר מסתובב המונע על ידי זרימה של נוזל או גז.

הדוגמה הפשוטה ביותר לטורבינה היא גלגל מים.

בואו נדמיין גלגל הממוקם אנכית, שעל שפתו מחוברים סקופים או להבים. זרם מים נשפך על הלהבים הללו מלמעלה. הגלגל מסתובב בהשפעת מים. ועל ידי סיבוב הגלגל אתה יכול להפעיל מנגנונים אחרים. אז, בטחנת מים הגלגל סובב את אבני הריחיים. והם טחנו קמח. בתחנות כוח הידרואלקטריות, טורבינות הופכות גנרטורים שמייצרים אנרגיה חשמלית. בתחנות כוח תרמיות, להבי הטורבינה מונעים על ידי אנרגיה תרמית, המשתחררת בעת שריפת דלק (גז, פחם וכו'). מחוללי רוח מונעים על ידי אנרגיית רוח.

מנקודת מבט פיזיקלית, טורבינות הן מכשירים הממירים את האנרגיה של קיטור, רוח ומים לעבודה שימושית.

בהתאם לסוג האנרגיה המומרת בטורבינות, מבחינים בין טורבינות קיטור לטורבינות גז.

טורבינת קיטור

אאוליפיל מאנפה

בטורבינת קיטור אנרגיית תרמיתקיטור מומר לעבודה מכנית.

עוד בשנת 130 לפני הספירה, המתמטיקאי והמכונאי היווני הרון מאלכסנדריה המציא טורבינת קיטור פרימיטיבית, שנקראה "אאוליפיל". המכשיר היה קלחת אטומה היטב, ממנה הוצאו שני צינורות. על הצינורות הללו הותקן כדור חלול עם שתי חרירים בצורת L. מים נשפכו לתוך הקדירה והיא הועלתה באש. קיטור נכנס לכדור דרך צינורות ונמלט מהחרירים בלחץ. הכדור התחיל להסתובב. זה היה אב טיפוס של מנוע סילון, שבו הכוח התגובתי שסובב את הכדור נוצר על ידי קיטור.

בתקופת הרון התייחסו להמצאתו כאל צעצוע. זה לא מצא שום יישום מעשי.

בשנת 1629, המהנדס והאדריכל האיטלקי ג'ובאני ברנצ'י יצר טורבינת קיטור שבה גלגל עם להבים הונע על ידי זרם קיטור.

בשנת 1815, המהנדס האנגלי ריצ'רד טרייסוויק התקין שתי חרירים על שפת גלגל קטר ושחרר קיטור דרכם.

משנת 1864 עד 1884, מאות המצאות הקשורות לטורבינות נרשמו בפטנט על ידי מהנדסים.

ורק בשנת 1889. המהנדס השבדי גוסטף לאבל יצר טורבינת קיטור שיכולה לשמש בתעשייה. בטורבינת Laval, זרם קיטור היוצא מחרירי סטטור נייח נלחץ על הלהבים המותקנים על חישוק הגלגל. הגלגל הסתובב בלחץ קיטור. טורבינה כזו נקראה פעילה.

בטורבינת Laval, הזרבובית התרחבה במוצא. זה הגדיל את מהירות הקיטור הבורח וכתוצאה מכך, את מהירות הסיבוב של הטורבינה. הזרבובית לאבאל הפכה לאב-טיפוס של חרירי רקטות מודרניות.

קצת קודם לכן, ללא תלות בלוואל, בשנת 1884, המציא המהנדס והתעשיין האנגלי צ'ארלס אלגרנון פרסונס טורבינת קיטור ריאקטיבית רב-שלבית. לטורבינה כזו היו כמה שורות של להבים עובדים, שנקראו שלבים. פארסון רשם פטנט על הרעיון של ספינה שהופעלה על ידי הטורבינה הזו.

טורבינת גז

ג'ון ברבר

טורבינת גז נבדלת מטורבינת קיטור בכך שהיא מונעת לא על ידי קיטור מהדוד, אלא על ידי הגז שנוצר בזמן שריפה של דלק. וכל העקרונות הבסיסיים של העיצוב של טורבינות קיטור וגז זהים.

הפטנט הראשון על טורבינת גז התקבל בשנת 1791 על ידי האנגלי ג'ון ברבר. ברבר עיצב את הטורבינה שלו כדי להניע כרכרה ללא סוס. ואלמנטים של טורבינת Barber נמצאים בטורבינות גז מודרניות.

בשנת 1903 המציא אגידיוס אלינג הנורבגי טורבינת גז שהפיקה יותר אנרגיה ממה ששימשה להפעלתה. עיקרון פעולתו שימש את מהנדס התכנון האנגלי סר פרנק וויטל, אשר ב-1930 רשם פטנט על טורבינת גז להנעת סילון.

טורבינת טסלה

טורבינת טסלה

בשנת 1913, המהנדס, הפיזיקאי והממציא ניקולה טסלה רשם פטנט על טורבינה, שעיצובה היה שונה מהותית מעיצובה של טורבינה מסורתית. לטורבינת טסלה לא היו להבים שהונעו על ידי אנרגיית קיטור או גז.

החלק המסתובב של הטורבינה, הרוטור, היה קבוצה של דסקיות מתכת דקות שהותקנו על פיר ומופרדות על ידי מנקים. זרימת הגז או נוזל העבודה הגיעה מהקצה החיצוני של הדיסקים ועברה למרכז לאורך הפערים, מתפתלת. ידוע שאם זרימת נוזל או גז מופנית לאורך משטח שטוח, הזרימה מתחילה לגרור את המשטח הזה יחד איתו. הדיסקים בטורבינה של פסקל נסחפו בזרם הגז וגרמו לסיבוב.

תקופת מנועי הקיטור הייתה קצרת מועד. אבל עדיין בפנים יוון העתיקההיה ידוע כיצד להשתמש בנוזל מחומם בלחימה. לפני כמה מאות שנים, אבותינו השקיעו הרבה זמן ומאמץ כדי לכבוש קיטור; נושא זה עדיין מעניין היום.

ג'רונובסקי איוליפילה

ההיסטוריה של המצאת הטורבינות מתחילה בימי קדם, אך אנשים הצליחו להשתמש בקיטור לטובת האנושות רק לקראת סוף המאה ה-17. ממש בתחילת תקופתנו, המדען היווני אנפה מאלכסנדריה הראה בבירור כי קיטור יכול להיות שימושי. ההמצאה שלו, שנקראה על שם הממציא "ג'רונובסקי איוליפילה", הייתה כדור שהסתובב בכוח של סילון קיטור. כך הופיע אב הטיפוס הראשון של טורבינת קיטור.

נשף שלמה

יתרה מכך, ההיסטוריה של המצאת הטורבינות לא התפתחה כל כך מהר. לרוע המזל, רוב ההמצאות של היוונים הקדמונים נותרו נשכחות ולא מצאו יישום נוסף. רק בתחילת המאה ה-17 מתואר משהו דומה למנוע קיטור, אם כי פרימיטיבי מאוד. המדען-ממציא הצרפתי סולומון דה קו מתאר בכתביו כדור מתכת חלול עם שני צינורות, שאחד מהם משמש לאספקה ​​והשני לניקוז מים. ואם תחמם את הכדור, המים יתחילו לנוע כלפי מעלה דרך הצינור.

טורבינת ברנקה

בתחילת 1629, הממציא והמכונאי ג'ובאני ברנצ'י הרכיב את טורבינת הקיטור הראשונה. עקרון הפעולה מבוסס על המרת האנרגיה הפוטנציאלית של הקיטור לאנרגיה קינטית והפיכתה עבודה שימושית. מהות ההמצאה שלו הייתה שסילון קיטור, בלחץ שלו, הניע גלגל עם להבים, כמו גלגל של טחנת מים. אבל טורבינות מסוג זה היו מוגבלות מאוד בכוחן, שכן אי אפשר היה ליצור לחץ סילוני גבוה. לפיכך, ההיסטוריה של המצאת טורבינת הקיטור מקבלת תפנית חדשה לאחר הפסקה ארוכה.

בום קיטור

בשנת 1825, המהנדס-הממציא ריצ'רד טרוויסיץ' ניסה להתקין שתי חרירים על גלגל של קטר קיטור ולהעביר דרכם קיטור בלחץ גבוה. עבודת המנסרה, שנבנתה על ידי המכונאי האמריקאי W. Avery, התבססה על אותם עקרונות. מחברים רבים רצו שההיסטוריה של המצאת הטורבינה תכלול את שמותיהם. באנגליה לבדה, במשך 20 שנה, הונפקו פטנטים על יותר מ-100 המצאות הקשורות לטורבינות קיטור או לעקרונות פעולתן.

טורבינה בתעשייה

במשך 5 שנים, החל משנת 1884, ללא תלות זה בזה, פעלו השבדי קרל גוסטב דה לאבל והאירי צ'ארלס פרסונס ליצירת טורבינת קיטור מתאימה לתעשייתית. לאבאל המציא זרבובית מתרחבת, שאפשרה להגביר משמעותית את מהירות הקיטור היוצא, וכתוצאה מכך עלתה גם מהירות הסיבוב של רוטור הטורבינה.

אבל הודות להמצאה של לאבל, ניתן היה להשיג רק הספק תפוקה קטן, כ-500 קילוואט. נמצאו טורבינות הקיטור שלו יישום רחבבשלב הראשוני, אך עד מהרה הוחלפו ביחידות חזקות יותר מסוגים אחרים.

טורבינת סילון

ההיסטוריה של המצאת טורבינות הקיטור כוללת גם את המצאת טורבינת התגובה הרב-שלבית של פרסונס. ההבדל בין המצאה זו היה מהירות הסיבוב הנמוכה יותר והשימוש המרבי באנרגיית הקיטור. שינויים משמעותיים כאלה הושגו בשל העובדה שהקיטור התרחב בהדרגה, עבר דרך 15 שלבים במערכת הטורבינות. לפיכך, נמצאו עבודותיו של המדען שימוש מעשיבתעשייה. בכך מסתיימת ההיסטוריה של המצאת הטורבינות, ומתארת ​​בקצרה את הדמויות העיקריות של העבר המעורבות בפתרון בעיה זו. נושא חשוב. מאז, הטורבינה של פרסונס עברה מספר עצום של שינויים ושיפורים, אך למרות זאת העקרונות הבסיסיים נותרו ללא שינוי.

המצאת טורבינות ברוסיה

ההיסטוריה של המצאת טורבינות קיטור נכתבה גם ברוסיה. המאסטר אלטאי זלסוב, הידוע בחוגים מקצועיים, עבד במפעל סוזונסקי. משנת 1803 עד 1813 זה יצא מידיו מספר גדול שלדגמי טורבינות. הוא, כמתרגל בעל ניסיון רב, ראה ליקויים בתכנון של טורבינות קיטור, שאפשרו לבצע שינויים ב- בשלבים הראשוניםלְעַצֵב. עמיתו לסדנה היה הממציא קוזמינסקי. הוא עסק בתחום בניית ספינות וטכנולוגיה אווירונאוטית והגיע למסקנה שאין זה ראוי להשתמש במנוע קיטור מסוג בוכנה בבניית ספינות. קוזמינסקי המציא ובדק טורבינת קיטור ימית הפיכה בעיצובו.

היה לה משקל קטן של 15 ק"ג לכל אחד כוח סוסכּוֹחַ. היסטוריה רוסיתהמצאת הטורבינות, שתוארה בקצרה על ידי קוזמינסקי, מאופיינת כזמן שבו נפלו תגליות ביתיות לשכחה. מובן שהמצאת טורבינת הקיטור הולידה עידן חדש בהתפתחות התעשייה והחברה כולה, ושימשה דחף למספר גילויים והישגים בתחומי מדע נוספים. ההמצאות של אותם זמנים רחוקים נמצאים בשימוש עד היום, אם כי במצב שונה באופן משמעותי. למרות העובדה שהמדע עשה צעדים גדולים קדימה, הוא מבוסס במידה רבה על עקרונות שנקבעו בעבר הרחוק.

המצאת טורבינות קיטור.

לצד הטורבינות ההידראוליות שתוארו באחד מהפרקים הקודמים, להמצאה והתפשטותן של טורבינות קיטור הייתה חשיבות רבה לאנרגיה וחשמול. עקרון פעולתם היה דומה לאלו ההידראוליים, אולם ההבדל הוא שהטורבינה ההידראולית הונעה על ידי זרם מים, וטורבינת הקיטור הונעה על ידי זרם של קיטור מחומם. בדיוק כפי שטורבינת המים ייצגה מילה חדשה בהיסטוריה של מנועי המים, טורבינת הקיטור הפגינה יכולות חדשות של מנוע הקיטור.

המכונית הישנה של וואט, מסומנת בשלישית רבע ה- XIXהמאה, שנת המאה שלה, הייתה בעלת יעילות נמוכה, שכן התנועה הסיבובית התקבלה בצורה מורכבת ובלתי רציונלית. למעשה, כזכור, הקיטור לא הזיז את הגלגל המסתובב עצמו, אלא הפעיל לחץ על הבוכנה, מהבוכנה, דרך המוט, המוט המחבר והארכובה, התנועה הועברה לציר הראשי. כתוצאה מהעברות ותמורות רבות, חלק עצום מהאנרגיה המתקבלת משריפת דלק, במלוא מובן המילה, עף לטמיון ללא כל תועלת. לא פעם ניסו ממציאים לתכנן מכונה פשוטה וחסכונית יותר - טורבינת קיטור, שבה סילון קיטור יסובב ישירות את האימפלר. חישוב פשוט הראה שהיא צריכה להיות בעלת יעילות גבוהה בכמה סדרי גודל מהמכונה של וואט. עם זאת, היו מכשולים רבים בדרך המחשבה ההנדסית. כדי שטורבינה באמת תהפוך למנוע יעיל ביותר, האימפלר היה צריך להסתובב במהירויות גבוהות מאוד ולבצע מאות סיבובים בדקה. במשך זמן רבהם לא יכלו להשיג זאת כי הם לא ידעו כיצד להקנות את המהירות המתאימה לסילון הקיטור.

הצעד החשוב הראשון בפיתוח חדש אמצעים טכניים, שהחליף את מנוע הקיטור, נוצר על ידי המהנדס השבדי קרל גוסטב פטריק לאבל בשנת 1889. טורבינת הקיטור של לאבל היא גלגל עם להבים. זרם המים שנוצר בדוד בורח מהצינור (זרבובית), לוחץ על הלהבים ומסובב את הגלגל. תוך ניסוי עם צינורות אספקת קיטור שונים, המעצב הגיע למסקנה שצריך להיות להם צורת חרוט. כך הופיעה הזרבובית של לאבל, בשימוש עד היום.

רק בשנת 1883 הצליח השבדי גוסטב לאבל להתגבר על קשיים רבים וליצור את טורבינת הקיטור העובדת הראשונה. כמה שנים קודם לכן קיבלה לבל פטנט על מפריד חלב. על מנת להניע אותו, היה צורך בנהיגה במהירות גבוהה מאוד. אף אחד מהמנועים שהיו קיימים באותה תקופה לא עמד במשימה. לאבל השתכנע שרק טורבינת קיטור יכולה לתת לו את מהירות הסיבוב הנדרשת. הוא התחיל לעבוד על העיצוב שלו ובסופו של דבר השיג את מבוקשו. טורבינת Laval הייתה גלגל קל, שעל להביו, לאחר כמה זוית חדההחרירים יצרו קיטור. בשנת 1889, לאבאל שיפר משמעותית את המצאתו על ידי הוספת מרחיבים חרוטיים לפיריים. זה הגדיל משמעותית את היעילות של הטורבינה ההידראולית והפך אותה למנוע אוניברסלי.

עקרון הפעולה של הטורבינה היה פשוט ביותר. קיטור מחומם ל טמפרטורה גבוהה, הגיע מהדוד דרך צינור הקיטור אל החרירים ופרץ החוצה. בחרירים, הקיטור התרחב ללחץ אטמוספרי. עקב הגידול בנפח שליוותה התרחבות זו, התקבלה עלייה משמעותית בקצב הזרימה (בהתרחבות מ-5 ל-1 אטמוספירה הגיעה מהירות סילון הקיטור ל-770 מ'/ש'). בדרך זו, האנרגיה הכלולה בקיטור הועברה ללהבי הטורבינה. מספר החרירים ולחץ הקיטור קבעו את כוחה של הטורבינה. כאשר קיטור הפליטה לא שוחרר ישירות לאוויר, אלא הופנה, כמו במנועי קיטור, לתוך מעבה והוזל בלחץ מופחת, הספק הטורבינה היה הגדול ביותר. לפיכך, כאשר הקיטור התרחב מ-5 אטמוספרות ל-1/10 אטמוספירה, מהירות הסילון הגיעה לערכים על-קוליים.

למרות הפשטות הנראית לעין, טורבינת Laval הייתה נס אמיתי של הנדסה. די לדמיין את העומסים שהאימפלר חווה בו כדי להבין כמה קשה היה לממציא לקבל פעולה בלתי פוסקת מיוזמתו. במהירויות עצומות של גלגל הטורבינה, אפילו תזוזה קלה במרכז הכובד גרמה לעומס חזק על הציר והעמיס על המסבים. כדי להימנע מכך, לאבאל הגה את הרעיון לשים את הגלגל על ​​ציר דק מאוד, שיכול להתכופף מעט בעת סיבוב. בעת התפרקות, הוא הגיע אוטומטית למצב מרכזי לחלוטין, שנשמר אז בכל מהירות סיבוב. הודות לפתרון הגאוני הזה, ההשפעה ההרסנית על המיסבים הצטמצמה למינימום.

ברגע שהיא הופיעה, זכתה טורבינת Laval להכרה אוניברסלית. הוא היה הרבה יותר חסכוני ממנועי קיטור ישנים, קל מאוד לשימוש, תפס מעט מקום, והיה קל להתקנה ולחיבור. טורבינת Laval סיפקה יתרונות גדולים במיוחד בשילוב עם מכונות מהירות: מסורים, מפרידים, משאבות צנטריפוגליות. הוא שימש בהצלחה גם כהנע לגנרטור חשמלי, אך עדיין הייתה לו מהירות גבוהה מדי עבורו ולכן יכול היה לפעול רק דרך תיבת הילוכים (מערכת גלגלי שיניים, מה שהפחית את מהירות הסיבוב בעת העברת התנועה מציר הטורבינה לציר הגנרטור).

בשנת 1884 קיבל המהנדס האנגלי פארסון פטנט על טורבינת סילון רב-שלבית, אותה המציא במיוחד כדי להניע גנרטור חשמלי. בשנת 1885 הוא תכנן טורבינת סילון רב-שלבית, אשר שימשה מאוחר יותר בשימוש נרחב בתחנות כוח תרמיות. היה לו המכשיר הבא, שמזכיר טורבינה הידראולית סילון. על הציר המרכזי הורכבה סדרה של גלגלים מסתובבים עם להבים. בין הגלגלים הללו היו חישוקים קבועים (דיסקים) עם להבים בעלי כיוון הפוך. קיטור בלחץ גבוה סופק לקצה אחד של הטורבינה. הלחץ בקצה השני היה קטן (פחות מאטמוספרי). לכן, הקיטור נטה לעבור דרך הטורבינה. ראשית, הוא נכנס לרווחים שבין להבי הכתר הראשון. להבים אלה כיוונו אותו ללהבים של הגלגל הנייד הראשון. קיטור עבר ביניהם, וגרם לגלגלים להסתובב. ואז הוא נכנס לכתר השני. להבי הכתר השני הפנו קיטור בין להבי הגלגל הנייד השני, שגם הוא החל להסתובב. מהגלגל הנייד השני זרמו אדים בין להבי החישוק השלישי וכו'. כל הלהבים קיבלו צורה כזו שהחתך של תעלות בין הלהבים ירד בכיוון זרימת הקיטור. נראה היה שהלהבים יוצרים חרירים מורכבים על פיר, שממנו, מתרחבים, זרמו אדים החוצה. כאן נעשה שימוש גם בכוח פעיל וגם בכוח תגובתי. בסיבוב, כל הגלגלים סובבו את פיר הטורבינה. החלק החיצוני של המכשיר היה סגור במארז חזק. ב-1889 כבר שימשו כשלוש מאות מהטורבינות הללו לייצור חשמל, וב-1899 נבנתה באלברפלד תחנת הכוח הראשונה עם טורבינות קיטור של פרסון. בינתיים, פרסון ניסה להרחיב את היקף המצאתו. ב-1894 הוא בנה ספינת ניסוי, טורביניה, המונעת על ידי טורבינת קיטור. במהלך הבדיקה, הוא הדגים מהירות שיא של 60 קמ"ש. לאחר מכן, טורבינות קיטור החלו להיות מותקנות על ספינות מהירות רבות.