4.1.2. Парові турбіни

Парова турбіна, як і парова машина, належить до класу парових двигунів, але між ними є істотна різниця.

У парових машинах потенційна енергія пари перетворюється відразу в механічну роботу, а в парових турбінах – спочатку в кінетичну енергію пари, що рухається з великою швидкістю, а потім ця енергія перетворюється в механічну роботу на лопатках турбіни.

Прототипом активних турбін є колесо італійського архітектора Джовані Бранка, винайдене ним у 1629 році (мал. 4.7) для приводу поволі діючого товчільного верстату. Неможливість повного перетворення потенційної енергії пари в рівносильну їй кінетичну енергію при витіканні пари через циліндрову насадку надовго затримала розвиток парових турбін. І лише після застосування надзвукового сопла, що розширюється, шведського інженера Лаваля у 1889 році ця проблема була вирішена.

Карл Ґустав Патрік де Лаваль (1845–1913) – шведський інженер і винахідник, за національністю француз – народився в Блазенбурзі (Швейцарія). Закінчив технологічний інститут і університет в Упсалі у 1872 році зі ступенем доктора філософії. Працюючи на хімічному заводі, у 1878 р. сконструював відцентровий сепаратор безперервної дії для молока. У 1889 р. побудував парову турбіну активного типу, де вперше застосував гнучкий вал, диск рівного опору і сопла, що розширюються. До 1900 р. його турбіни почали випускатися потужністю до 300 к.с. 

Відмінна особливість сопла, що розширюється, полягає в тому, що тиск пари на виході із сопла може бути доведений до тиску середовища, в яке вона виходить. Сопла, що розширюються, дають можливість використовувати будь-які перепади тиску. Пара, яка витікає із сопла з надзвуковою швидкістю, йде рівним струменем, енергія якого може бути використана для обертання лопаток турбіни.

Майже через 250 років після Джовані Бланка інженер Лаваль вперше побудував активну турбіну промислового значення.

Турбіна Лаваля (мал. 4.8) складалася з робочого диска 1 невеликого діаметра з одним рядом робочих лопаток 2, диск з робочими лопатками розміщувався в кожусі, по окружності якого встановлювалися нерухомі сопла 3, що розширюються, куди подавалася із котла пара. У соплах відбувалося перетворення кінетичної енергії в потенційну. Турбіна оберталася з величезною швидкістю до 30000 об/хв. Мала потужність, високе число обертів, досить великі витрати пари (8–9 кг/кВт) в турбінах Лаваля обмежували їх застосування в промисловості. Вони використовувалися в основному для приводу малопотужних агрегатів.
Мал. 4.8. Турбіна Лаваля: 1 – робочий диск; 2 – лопатки; 3 – сопла

Для зменшення окружної швидкості робочих лопаток турбін американський інженер Чарльз Кертіс у 1896 році ввів в практику турбобудування ступені швидкості. Принцип ступенів швидкості полягає в тому, що кінетична енергія пари перетворюється в механічну на робочих лопатках не одного ряду, а 2–3 рядів, між якими стоять нерухомі лопатки для зміни напряму руху пари. Активні турбіни зі ступенями швидкості дозволяють зменшити окружну швидкість, але мають низький к.к.д., який зі збільшенням числа ступенів знижується. Тому диск Кертіса зберігся в сучасних турбінах лише як перший диск турбіни.

Одновінцеві високообертові турбіни для з'єднання з електрогенератором вимагали дорогої зубчатої передачі, а турбіни зі ступенями швидкості мали низький к.к.д.

Вихід із становища, що утворилося, був запропонований ще у 1853 році Турнером, а потім англійським інженером Чарльзом Парсонсом, який для зменшення окружної швидкості робочих лопаток реактивної турбіни, а, отже, і числа обертів, запропонував загальний перепад тиску пари використовувати не в одному ступені, а розділити на декілька ступенів, тобто застосувати ступені тиску. У 1884 році він отримав патент на багатоступінчасту реактивну турбіну потужністю близько 8 кВт при швидкості обертання 1000 об/хв. З'єднавши турбіну з валом електрогенератора, Парсонс отримав перший турбогенератор для електростанції.

Чарлз Алджернон Парсонс (1854–1931) – англійський інженер і підприємець, член Лондонського королівського товариства – народився в Лондоні. Закінчив коледж Сент-Джона Кембриджського університету у 1876 році. З 1877 р. працював на заводі Амстронґа інженером в області машинобудування. У 1884–1889 рр. став партнером фірми Амстронґа. У 1889 р. заснував підприємство з виробництва парових турбін своєї системи в Хітоні. 

Для активних турбін ступені тиску вперше були введені в практику французьким професором Оґюстом Рато, який у 1900 році побудував на французькому заводі Сотте-Ґарле першу активну турбіну зі ступенями тиску потужністю 1000 к.с. Збільшуючи число ступенів тиску, можна зменшити швидкість обертання ротора до необхідних обертів при дотриманні відносно високого к.к.д. турбіни.

Швейцарський інженер Генріх Целлі вдосконалив турбіну Рато, застосувавши у 1903 році насадки (сопла) із косим зрізом. За рахунок цього вдалося збільшити швидкість пари на виході із сопла і зменшити число ступенів тиску до 5–8. Одночасно на відміну від турбін Рато, де робочі диски мали однаковий діаметр, в його турбіні діаметри дисків збільшуються у міру падіння тиску пари.

Використання реактивної сили – це другий спосіб перетворення швидкості витікання пари – кінетичної енергії – в механічну роботу.

Реактивну дію пари можна побачити на прикладі роботи кулі, сконструйованої видатним старогрецьким вченим й інженером Ґероном Александрійським в Єгипті (близько I століття н.е.) (мал. 4.9). Еоліпіл Ґерона складається з порожньої металевої кулі 3, рухомо насадженої на дві опори 2, через які з резервуару 1 (парового котла) подається до нього пара. Куля має дві трубочки 4 із заломленими в протилежні сторони насадками.

Реактивна сила витікаючої із насадок пари виникала через перепад тиску пари всередині й зовні трубки і приводила кулю в обертання.

Мал. 4.9. Еоліпіл Ґерона

Реактивні турбіни, введені в практику Парсонсом, виконувалися зі ступенями тиску і являли собою чергування нерухомих і рухомих лопаток. Розширення пари відбувалося не тільки до надходження її на робочі лопатки (як в активній турбіні), але і під час проходження між робочими лопатками.

Реактивні турбіни Парсонса почали широко застосовуватися з 1900 року, коли в Німеччині на Ельберфельдській електростанції були встановлені та випробувані дві турбіни потужністю 1000 кВт при 1500 об/хв. Турбіни працювали при середньому тиску пари 1,05 МПа і температурі 200°C і показали витрату пари 8–9 кг/кВт при повному навантаженні.

Таким чином, наприкінці XIX століття були розроблені основні принципи роботи і будови активних і реактивних турбін, які у ХХ столітті стали основними тепловими двигунами турбогенераторів електростанцій.