3.5 Паровые турбины

Потребность в паровой турбине возникла в промышленности в связи с начавшимся применением рабочих машин, обладающих высокой скоростью вращения. Ряд попыток построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, показанном еще Героном в его эолипиле, начался в 1791 году (Садлер) и продолжался до 1837 года (Жакме). «Опыты Сен-Венана и Вантцеля над истечением пара показали, что имелись большие трудности в осуществлении паровой турбины, связанные с высокими скоростями движущейся среды и воспринимающей работу лопатки показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень больших числах оборотов».

Таким образом, перед изобретателями паровых турбин намечались два возможных пути: поиск способов снижения числа оборотов паровых турбин без потери КПД или разработка конструкций, способных работать с большим (несколько тысяч в минуту) числом оборотов.

Первое направление было намечено Леруа еще в 1840 году. Оно заключалось в применении многоступенчатой турбины. Также впоследствии многоступенчатый принцип был предложен рядом изобретателей: Турнер (1853 год), Жирар (1855 год), Перриго и Фарко (1864 год), Эдвардс(1871 год) и другие.

До 80-90-х годов Х1Х века применение паровых турбин носило единичный характер. Подлинный стимул к их развитию возник с началом электроэнергетики, хотя ряд принципиальных вопросов турбостроения был поставлен и в частной форме разрешен еще ранее в трудах шведского инженера Густава Патрика Лавали. Стремясь повысить КПД турбины, «Лаваль в 1889 году изобрел расширяющееся сопло, носящее и поныне его имя и позволяющее понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость». Сопло Лаваля предоставило возможность повышать начальное давление пара.

Своим изобретение Г.П. Лаваль осуществил активную одновенечную турбину, срабатывавшую скоростную энергию пара на одном рабочем колесе, которое вращалось со скоростью порядка 30 000 оборотов в минуту. В этой конструкции им был решен ряд сложнейших проблем: расширяющиеся сопла; гибкий вал; турбинное колесо; подшипники гибкого вала, получившие шаровую опору; специальные материалы (им впервые применена была никелевая сталь для лопаток дисков) и др. Однако Лаваль дал лишь частные ответы на возникшие перед ним вопросы.

Очевидно, что многие ученые искали теоретические решения перечисленных проблем. «Теория расширяющегося сопла была дана Г.А. Цейнером (1899 год), однако, получила широкое признание значительно позднее, после публикации работ ряда ученых, особенно чешского профессора А. Стодола. Теория гибкого вала сложилась в 1894-1895 годах в результате трудов Феппля и Дж. Дунверлея; позднее большое количество работ по этому вопросу было систематизировано и самостоятельно переработано А.Стодола. В 1897 году Грюблер установил общую теорию прочности быстро вращающегося диска, после которой разрабатывался ряд методов практического расчета турбинных дисков, значительно развитых и систематизированных тем же А.Стодола, который создал подлинную энциклопедию паровых турбин».

Отличительной чертой быстроходных паровых турбин, не имеющих частей, совершающих возвратно-поступательное движение, является возможность концентрации большой мощности в одном агрегате. Это свойство турбины могло быть полезным при ее объединении с генератором электрического тока, особенно в связи с увеличением потребляемой мощности.

В этом направлении начал свои работы английский инженер Ч.А. Парсонс. В 1884 году он «сконструировал многоступенчатую реактивную паровую турбину на 4000 об/мин, мощностью 300 кВт» , «с особыми группами лопаток - подвижными и неподвижными. Такая конструкция была более удачной и получила дальнейшее развитие в работах конструкторов многих стран».

В течение почти 15 лет, с 1885 по 1899 года, Парсонс строил паровые турбины самых разнообразных конструкций, постепенно вводя новые и новые улучшения. Однако, на Европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов только с 1899 года (в этом году в немецком Эльберфельде на электростанции для привода генераторов трехфазного переменного тока впервые были применены турбины Парсонса мощностью 1000 кВт)

Большую роль в снижении удельных расходов пара сыграло примененное впервые в турбинах завода Парсонса углубление вакуума посредством «струйных элементов», явившихся предшественниками современных пароструйных эжекторов.

Паровые турбины начинают развиваться во всех передовых в техническом отношении странах. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато были представлены чертежи и детали паровой турбины мощностью 1000 л.с., сконструированной по принципу разбивки общего перепада давлений на отдельные активные ступени, в каждой из которых срабатывался определенный перепад давлений. А в 1903 году инженер завода Эшер-Висс в Швейцарии Генрих Целли коренным образом усовершенствовал турбину Рато, уменьшив число активных ступеней давления с 16-20 до 7-10, что в значительной степени упрощало и удешевляло турбину.

Первые годы ХХ века знаменуются началом турбостроения в Германии, Франции, США, Швейцарии, Швеции. А в России паровые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом (ныне ЛМЗ), и до 1917 года завод выпустил всего лишь 26 паровых турбин суммарной мощностью 9000 кВт с наибольшей мощностью отдельной турбины 1250 кВт.