Паровая турбина историческая справка. Изобретение паровых турбин

История техники полна примеров, когда изобретатели из разных стран независимо друг от друга работали над решением общей задачи. Яркий пример такого «международного сотрудничества» - создание паровой турбины.

Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль (1845-1913).

По происхождению он был французом, но его предки ещё в XVI в. уехали из Франции в Швецию, спасаясь от религиозных преследований. Благодаря острому уму и незаурядным способностям Лаваль сразу после окончания в 1872 г. Упсальского университета блестяще защитил докторскую диссертацию. Первые его изобретения - усовершенствования в химической и горнорудной технологиях. За эти изобретения инженер получил несколько десятков патентов. В 1878 г. Лаваль сконструировал молочный сепаратор (отлат. separator - «отделитель»). Принцип работы устройства прост. Ёмкость с молоком должна вращаться со скоростью более 100 об./с. Центробежная сила будет отбрасывать к стенкам ёмкости воду, более лёгкий жир соберётся в центре, в результате сливки и обезжиренное (снятое) молоко разделятся. Но как получить нужную скорость? В поисках ответа на этот вопрос учёный и изобрёл паровую турбину. В 1889 г. она была построена.

Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя пара, образующегося в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопасти и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками для подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось применяемое до настоящего времени сопло Лаваля (патент 1889 г.). Это важное открытие изобретатель сделал скорее интуитивно; понадобилось ещё несколько десятков лет, чтобы теоретики доказали, что сопло именно такой формы даёт наилучший эффект.

Следующий шаг в разработке турбин сделал изобретатель из Англии Чарлз Алджернон Парсонс (1854- 1931).

Когда Лаваль уже работал над созданием турбины, Парсонс ещё учился в Кембриджском университете. Он, как и положено представителю аристократического рода (его отец лорд Росс был известным астрономом и общественным деятелем), получил разностороннее образование. Заниматься турбинами начал в 1881 г., а уже спустя три года ему выдали патент на собственную конструкцию, Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам.

В результате 15-летних изысканий Парсонс создал наиболее совершенную по тем временам реактивную многоступенчатую турбину. Он сделал несколько изобретений, повысивших экономичность этого устройства (доработал конструкцию уплотнений, способы крепления лопаток в колесе, систему регулирования числа оборотов).

Вскоре французский учёный Опост Рато (1863- 1930), обобщив уже имевшийся опыт, создал комплексную теорию турбомашин.

Он разработал оригинальную многоступенчатую турбину, которая с успехом демонстрировалась на Всемирной выставке, проходившей в столице Франции в 1900 г. Для каждой ступени турбины Рато рассчитал оптимальное падение давления, что обеспечило высокий общий коэффициент полезного действия машины.

С1900 г. известная компания «Вест-ингауз» начала выпуск турбин новой системы американского изобретателя Гленна Кертиса (1879-1954). В его машине скорость вращения турбины была ниже, а энергия пара использовалась полнее. Поэтому турбины Кертиса отличались меньшими размерами и более надёжной конструкцией.

Одна из главных областей применения паровых турбин - двигательные установки кораблей. Первое судно с паротурбинным двигателем - «Турбиния», - построенное Парсонсом в 1894 г., развивало скорость до 32 узлов (около 59 км/ч).

С 1900 г. турбины начали устанавливать на миноносцах, а после 1906 г. все большие военные корабли оснащались турбинными двигателями. В том же, 1906 г. на воду были спущены два крупных пассажирских трансатлантических лайнера с турбинными установками - «Лузитания» и «Мавритания».

История развития автомобильных турбин берёт своё начало примерно в то же время, что и постройка первых двигателей внутреннего сгорания. Однако попытки создать механизм, похожий на турбину, были отмечены задолго до этого. На заре нового тысечилетия около 2000 лет назад появились предки всех известных ныне турбин, их по сей день можно встретить во многих уголках нашей не объяной планеты - это водяное колесо или мельница. Принцип заложеный в них стал основовологающий для будущего развития всех турбокомпрессоров и паровых турбин пременяемых для получения электроэнергии. Они буквально находились у истоков промышленной революции.

Первым, кто создал конструкцию по типу паровой турбины, был Герон Александрийский . Она представляла собой шар, который вращался под действием пара.

Паровая турбина в виде колеса с лопатками была сделана итальянским учёным Джованни Бранки в 1629 г.

Но только в конце XIX века, когда технологии достигли достаточного уровня, Чарлз Парсонс и Густаф Лаваль (1884 - 1889) независимо друг от друга сконструировали первые пригодные для промышленности устройства.

Особое внимание следует уделить работам Готлиба Даймлера и Рудольфа Дизеля. Эти учёные проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности путём сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. Их наработки сделали большой прорыв в области технологий ещё в 1885-1896 годах.

В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал своё изобретение, которое позволяло увеличить мощность двигателя на 120%. Ему удалось создать механизм, в котором нагнетание воздуха происходило с помощью выхлопных газов. Принято считать, что именно это устройство положило начало развития и внедрения турботехнологий.

В 19-м веке сфера использования турбин ограничивалась корабельной и авиа индустриями. Это связано с тем, что тогда увеличение мощности практиковалось только с крупными двигателями.

Во времена Первой мировой войны турбины использовались на истребителях с двигателями Рено.

Во второй половине 30-х годов технологии пришли к тому, что инженерам удалось создать действительно удачные модели турбин, которые позволяли увеличить максимальный предел высоты.

Наибольшего успеха в развитии авиации достигли американцы, которые разработали уникальный вариант турбонагнеталей. В 1938 году они устанавливали их на истребители Р-38 и бомбардировщики В-17. Через несколько лет инженерами был создан истребитель Р-47, который изначально выпускался с турбиной. Благодаря этому крылатая машина имела выдающиеся характеристики и преимущества перед остальными.

Что касается автомобильной сферы, то тут первыми испытателями благ турбонаддува стали грузовики. Создать турбодвигатель для них в 1938 году взялся завод «Swiss Machine Works Sauer». Такую новинку общество восприняло довольно хорошо.

Легковые автомобили получили турбированные двигатели гораздо позже. Только в 1962 году на рынок вышел Chevrolet Corvair Monza, а через год после него Oldsmobile Jetfire . Несмотря на очевидные преимущества, из-за низкого уровня надёжности модели не были востребованы.

Использование турбин для увеличения мощности спортивных автомобилей привело их ко всеобщему признанию в 70-х годах. В частности, они нашли своё применение у Formula 1. Через время инженеры пришли к выводу, что расход топлива слишком велик для получаемого результата и стали искать альтернативу.

Переломным моментом в развитии турбокомпрессоров стал 1978 год, когда компания Mercedes-Benz выпустила первую в мире модель с дизельным двигателем - 300 SD. Позже за ним последовал VWTurbodiesel. Преимущество таких автомобилей было значительным. Производителям удалось добиться необходимой мощности, дойдя до уровня бензинового, при этом уменьшить уровень вредных выхлопов в атмосферу.

Дизельная турбина имеет более низкие требования к жаропрочности, что позволяет делать её более дешёвой и изощрённой. Именно поэтому турбины чаще всего встречаются на дизельных автомобилях, а все турбоновинки изначально создают под дизельный вариант.

Время паровых машин было недолгим. Но еще в древней Греции было известно, как использовать перегретую жидкость в военных действиях. Несколько столетий назад наши предки потратили немало сил и времени для покорения пара, эта тема интересна и сейчас.

Героновский эолипил

История изобретения турбин берет свое начало в античных временах, но использовать пар на благо человечества люди смогли лишь к концу XVII века. Еще в самом начале нашей эры греческий ученый Герон Александрийский показал наглядно, что пар может быть полезным. Его изобретение, называемое по имени изобретателя "Героновский эолипил", представлял собой шар, который вращался силой струи пара. Так появился первый прототип паровой турбины.

Шар Соломона

Далее история изобретения турбин развивалась не так стремительно. К сожалению, большинство изобретений древних греков осталось позабытым и не нашло дальнейшего применения. Лишь в начале XVII столетия описывается нечто похожее на паровую машину, хотя и очень примитивную. Французский ученый-изобретатель Соломон де Ко в своих трудах описывает пустотелый металлический шар с двумя трубками, одна из которых служит для подведения, а другая - для отведения воды. И если нагреть шар, то вода по трубке начнет движение вверх.

Турбина Бранки

В начале 1629 года изобретателем и механиком Джованни Бранки была собрана первая паровая турбина. Принцип действия базируется на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую и совершении ею полезной работы. Сущность его изобретения заключалась в том, что струя пара своим давлением приводила в движение колесо с лопастями, подобно колесу водяной мельницы. Но такого рода турбины были очень ограничены в мощностях, поскольку невозможно было создать высокое давление струи. Таким образом, история изобретения паровой турбины приобретает новый виток после длительного перерыва.

Паровой бум

В 1825 году инженер-изобретатель Ричард Трейвисик предпринял попытку установить два сопла на колесе паровоза и пропустить через них пар высокого давления. На тех же принципах базировалась и работа лесопилки, сооруженной американским механиком У.Эйвери. Многие авторы хотели, чтобы история изобретения турбины запечатлела и их имена. Только в Англии за 20 лет было выдано патентов более чем на 100 изобретений, связанных с паровыми турбинами или принципами их работы.

Турбина в промышленности

На протяжении 5 лет, начиная с 1884 года, независимо друг от друга швед Карл Густав де Лаваль и ирландец Чарлз Парсонс работали над созданием промышленно пригодной паровой турбины. Лаваль изобрел расширяющееся сопло, которое позволило значительно увеличить скорость выходящего пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины тоже возросла.

Но благодаря изобретению Лаваля возможно было получить только небольшую мощность на выходе, порядка 500 кВт. Его паровые турбины нашли широкое применение на начальном этапе, но вскоре были заменены более мощными агрегатами других типов.

Реактивная турбина

История изобретения паровых турбин включает в себя также изобретение многоступенчатой реактивной турбины Парсонса. Отличием этого изобретения была меньшая скорость вращения и максимальное использование энергии пара. Такие значительные изменения достигались за счет того, что пар расширялся постепенно, проходя через 15 ступеней в системе турбины. Таким образом, труды ученого нашли практическое применение в промышленности. На этом заканчивается история изобретения турбин, кратко описывая основных деятелей прошлого, занятых в решении этого важного вопроса. С тех пор турбина Парсонса претерпела огромное количество модификаций и усовершенствований, но тем не менее основные принципы остались неизменными.

Изобретение турбин в России

История изобретения паровых турбин писалась и в России. Известный в профессиональных кругах алтайский мастер Залесов трудился на Сузунском заводе. С 1803 по 1813 год из-под его рук вышло большое количество моделей турбин. Ему, как практику с большим опытом, были видны недостатки в конструкциях паровых турбин, что позволяло вносить изменения на начальных этапах конструирования. Его коллегой по цеху был изобретатель Кузьминский. Он трудился в области судостроительной и воздухоплавательной техники и пришел к выводу, что нецелесообразно использовать паровой двигатель поршневого типа в судостроительстве. Кузьминский изобрел и испытал паровую реверсивную турбину судовую своей конструкции.

Она имела маленький вес в 15 кг на одну лошадиную силу мощности. Российская история изобретения турбин, кратко описанная Кузьминским, характеризуется как время, когда отечественные открытия предавались забвению. Безусловно, изобретение паровой турбины дало начало новой эпохе в развитии промышленности и всего общества, послужило толчком к ряду открытий и достижений в других областях науки. Изобретения тех далеких времен находят применение и по сей день, хотя и в значительно модифицированном состоянии. Несмотря на то что наука шагнула далеко вперед, она в большой мере основана на принципах, заложенных в далеком прошлом.

К концу прошлого столетия промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно усовершенствовались — они могли работать от любых видов горючего и приводить в движение самые разнообразные механизмы. Большое влияние на улучшение конструкции паровых машин оказало такое техническое достижение, как изобретение динамо-машины, которая позволяла получать электроэнергию в больших количествах. По мере того как росли потребности человека в энергии, увеличивались и размеры паровых машин, пока их габариты не стали сдерживаться ограничениями на механическую прочность. Для дальнейшего развития промышленности требовался новый способ получения механической энергии.

Такой способ появился в 1884 г., когда англичанин (1854-1931) изобрел первый пригодный для промышленного применения турбогенератор. Десятью годами позже Парсонс занялся изучением возможности применения своего изобретения для средств передвижения. Несколько лет упорного труда увенчались успехом: оснащенный турбиной пароход «Turbinia» развивал скорость 35 узлов — больше, чем любой корабль Королевского флота. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. Поэтому со временем, когда мощность и к.п.д. турбин значительно увеличились, они вытеснили двигатели прежних конструкций. В настоящее время во всем мире паровые турбины используются на тепловых электростанциях в качестве приводов генераторов электрического тока. Что же касается использования паровых турбин в качестве двигателей для пассажирских судов, то здесь безраздельному их господству был положен конец в первой половине нашего столетия, когда широкое распространение получили дизели. Современная паровая турбина унаследовала многие особенности первой машины, изобретенной Парсонсом.

Реактивныи и активный принципы, лежащие в основе действия паровой турбины. Первый из них был использован в устройстве «эолипила» (а), придуманного Героном Александрийским: сфера, в которой находится пар, вращается за счет действия сил реакции, возникающих при выходе пара из пустотелых трубок. Во втором случае (b) струя пара, направленная на лопатки, отклоняется и благодаря этому колесо вращается. Лопатки турбины (с) также отклоняют струю пара; кроме того, проходя между лопатками, пар расширяется и ускоряется, и возникающие при этом силы реакции толкают лопатки.

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия на роторе, известных с давних времен, — реактивный и активный. Еще в 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием «эолипил». Оно представляло собой наполнявшуюся паром полую сферу с двумя Г-образными соплами, расположенными с противоположных сторон и направленными в разные стороны. Пар вытекал из сопел с большой скоростью, и за счет возникающих сил реакции сфера начинала вращаться.

Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую, которая совершает полезную работу. Его можно проиллюстрировать на примере машины Джованни Бранки, построенной в 1629 г. В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы.

В паровой турбине используются оба указанных принципа. Струя пара под высоким давлением направляется на криволинейные лопатки (подобные лопастям вентилятора), насаженные на диск. При обтекании лопаток струя отклоняется, и диск с лопатками начинает вращаться. Между лопатками пар расширяется и ускоряет свое движение: в результате энергия давления пара переходит в кинетическую энергию.

Первые турбины, подобные машине Бранки, не могли развивать достаточной мощности, поскольку паровые котлы не способны были создавать высокого давления. Первые действующие паровые машины Томаса Сейвери, Томаса Ньюкомена и других не нуждались в паре высокого давления. Пар низкого давления вытеснял воздух под поршнем и конденсировался, создавая разрежение. Поршень под действием атмосферного давления опускался, производя полезную работу. Опыт в постройке и использовании паровых котлов для этих так называемых атмосферных двигателей постепенно побудил инженеров сконструировать котлы, способные создавать и выдерживать давление, намного превосходящее атмосферное.

С появлением возможности получать пар высокого давления изобретатели вновь обратились к турбине. Были испробованы различные конструктивные варианты. В 1815 г. инженер Ричард Тревитик попытался установить два сопла на ободе колеса двигателя для паровоза и пропускать через них пар из котла. Затея Тревитика провалилась. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. Уильямом Эйвери в Сиракьюсе (шт. Нью-Йорк). В одной лишь Англии за 100 лет, с 1784 по 1884 г., было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано в двадцатилетний период — с 1864 по 1884 г.

Ни одна из этих попыток не завершилась созданием промышленно пригодной машины. Частично эти неудачи объяснялись незнанием физических законов, описывающих расширение пара. Плотность пара намного меньше плотности воды, а его «упругость» намного больше, поэтому скорость струи пара в паровых турбинах гораздо больше, чем скорость воды в водяных турбинах, с которыми приходилось иметь дело изобретателям. Было установлено, что к.п.д. турбины становится максимальным тогда, когда скорость лопаток примерно равна половине скорости пара; поэтому первые турбины имели очень высокие скорости вращения.

Большое число оборотов было причиной ряда нежелательных эффектов, среди которых не последнюю роль играла опасность разрушения вращающихся частей под действием центробежных сил. Скорость вращения турбины можно было бы уменьшить, увеличив диаметр диска, на котором крепились лопатки. Однако это было невозможно. Расход пара в ранних устройствах не мог быть большим, а значит, не могло быть велико и поперечное сечение выходного отверстия. Вследствие этой причины первые опытные турбины имели небольшой диаметр и короткие лопатки.

Другая проблема, связанная со свойствами пара, доставляла еще больше трудностей. Скорость пара, проходящего через сопло, изменяется пропорционально отношению давления на входе к давлению на выходе. Максимальное значение скорости в суживающемся сопле достигается, однако, при отношении давлений, приблизительно равном двум; дальнейшее повышение перепада давления уже не влияет на увеличение скорости струи. Таким образом, конструкторы не могли в полной мере использовать возможности пара с высоким давлением: существовал предел для количества запасенной паром высокого давления энергии, которая могла быть превращена в кинетическую энергию и передана лопаткам. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большие скорости пара, и вследствие этого скорость вращения ротора в турбине Лаваля существенно увеличилась.

Парсонс создал принципиально новую конструкцию турбины. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один — неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой — подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал). Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны.

Венцы лопаток турбины представляли собой медные кольца с лопатками, закрепленными в прорезях под углом 45°. Подвижные венцы закреплялись на валу, неподвижные состояли из двух половинок, жестко связанных с корпусом (верхняя половина корпуса снята).

Чередующиеся подвижные и неподвижные венцы лопаток (а) задавали направление движения пара. Проходя между неподвижными лопатками, пар расширялся, ускорялся и направлялся на подвижные лопатки. Здесь пар также расширялся, создавая силу, которая толкала лопатки. Направление движения пара показано на одной из 15 пар венцов (b).

Пар, направляемый на неподвижные лопатки, расширялся в междулопаточных каналах, скорость его увеличивалась, и он отклонялся так, что попадал на подвижные лопатки и заставлял их вращаться. В междулопаточных каналах подвижных лопаток пар также расширялся, на выходе создавалась ускоренная струя, и возникающая реактивная сила толкала лопатки.

При наличии многих подвижных и неподвижных венцов лопаток высокая скорость вращения стала ненужной. На каждом из 30 венцов многоступенчатой турбины Парсонса пар расширялся незначительно, теряя некоторую долю своей кинетической энергии. На каждой ступени (паре венцов) давление падало лишь на 10%, и максимальная скорость пара в результате оказывалась равной 1/5 скорости струи в турбине с одной ступенью. Парсонс полагал, что при столь малых перепадах давления пар можно рассматривать как малосжимаемую жидкость, подобную воде. Это предположение дало ему возможность с высокой степенью точности сделать расчеты скорости пара, к.п.д. турбины и формы лопаток. Идея поступенчатого расширения пара, которая лежит в основе конструкций современных турбин, была лишь одним из многих оригинальных замыслов, воплощенных Парсонсом.

Другим изобретением стал новый тип подшипника, предназначенного специально для быстро вращающегося вала. Хотя Парсонсу и удалось снизить скорость вращения турбины, она все же оставалась раз в десять выше, чем у других двигателей. Поэтому изобретателю пришлось столкнуться с явлением, известным как «биение вала». Уже в ту пору было известно, что каждый вал имеет свою характерную критическую скорость вращения, при которой даже небольшой разбаланс создает значительное изгибающее усилие. Выяснилось, что критическая скорость вращения связана с собственной частотой поперечных вибраций вала (на этой частоте вал начинает резонировать и разрушаться). Парсонс и де Лаваль независимо друг от друга обнаружили, что на скоростях, больших критической, вал вращается устойчиво. Несмотря на это, небольшой разбаланс все-таки приводил к отклонению вала от положения равновесия. Поэтому для того, чтобы избежать повреждения вала, его следовало устанавливать в подшипниках, которые допускали бы его небольшие боковые смещения.

Вначале Парсонс попытался использовать обычный подшипник, закрепив его на пружинах, но обнаружил, что такая конструкция только усиливает вибрацию. В конце концов он придумал подшипник, состоящий из набора колец. Парсонс использовал кольца двух размеров: одни плотно прилегали к внутреннему вкладышу подшипника (через который проходил вал), но не касались корпуса; они чередовались с другими кольцами, которые плотно прилегали к корпусу, не касаясь вкладыша. Вся система колец в продольном направлении сжималась пружиной. Такая конструкция допускала небольшие боковые смещения вала и в то же время подавляла вибрации за счет трения между шайбами двух типов.

Подшипник на валу допускал небольшие боковые смещения вала, но гасил вибрации. Он состоял из чередующихся колец: одни плотно охватывали вкладыш (внутри которого проходил вал), не касаясь корпуса турбины, другие плотно прижимались к корпусу, не касаясь вкладыша. Весь набор колец поджимался пружиной. Винтовой насос (слева) гнал масло (желтый цвет) в подшипник.

Эта конструкция успешно работала, и те, кто видел образец турбины, представленный на выставке изобретателей в Лондоне в 1885 г., отмечали, насколько ровным был ее ход по сравнению с другими паровыми машинами того времени. Последние так сотрясали фундамент, что вибрация ощущалась даже на значительном удалении от машины.

Турбогенератор Парсонса, построенный в 1884 г., стал первой паровой трубиной, получившей промышленное применение. Пар под высоким давлением поступал в турбину через прямоугольное отверстие, расположенное у середины вала. Здесь он разделялся и направлялся к противоположным концам вала, проходя через венцы лопаток. Расширяющийся пар вращал подвижные (рабочие) кольца, плотно сидящие на центральном валу. Между подвижными кольцами располагались венцы неподвижных лопаток, закрепленных на внутренней поверхности корпуса турбины. Неподвижные лопатки направляли пар на лопатки подвижных колес.
В межлопаточном пространстве каждого колеса пар расширялся. Принцип многоступенчатого расширения пара позволял Парсонсу в полной мере использовать энергию пара, находящегося под высоким давлением, и избежать большого числа оборотов. Вал вращал динамо-машину, или электрогенератор (справа).

В турбине Парсонса пар подводился через управляющий клапан к средней части вала. Здесь поток пара разделялся и шел по двум каналам: по одному пар поступал к левому концу вала, по другому — к правому, Объем пара в том и другом канале был одинаковым. Каждая струя проходила через венцы лопаток в турбине.

Одно из преимуществ, которое давало разделение потока, заключалось в том, что продольные (осевые) силы, возникающие за счет давления пара на лопатки турбины, в точности уравновешивались. Таким образом, отпадала необходимость в упорном (осевом) подшипнике. Описанная конструкция используется во многих современных паровых турбинах.

И все-таки первая многоступенчатая турбина Парсонса развивала большую скорость — 18000 об/мин. При таких оборотах центробежная сила, действующая на лопатки турбины, в 13 тыс. раз превышала силу тяжести. Для того чтобы уменьшить опасность разрушения вращающихся частей, Парсонс разработал очень простую конструкцию: каждый диск изготовлялся из цельного медного кольца; пазы, в которые входили лопатки, располагались по окружности диска и представляли собой щели, ориентированные под углом 45°. Подвижные диски насаживались на вал и фиксировались на его выступе. Неподвижные венцы состояли из двух полуколец, которые прикреплялись сверху и снизу к корпусу турбины. Увеличение объема пара при его поступенчатом расширении потребовало, чтобы длина лопаток по ходу пара последовательно трижды увеличивалась — от 5 до 7 мм. Кромки лопаток были скошены, чтобы улучшить характеристики струи.

Проблема снижения скорости вращения вала вызвала к жизни и другие изобретения. Скорости были настолько высоки, что решить эту проблему с помощью существовавших тогда передаточных механизмов (как, например, зубчатых) было нельзя. Невозможно было использовать и простой центробежный регулятор, нашедший применение на паровых машинах более ранних конструкций: шары регулятора были бы просто оторваны центробежной силой. Парсонс разработал совершенно новый тип регулятора. На валу турбины он поместил центробежный вентилятор, соединенный с системой трубок, в которых находился воздух. Вращающийся вентилятор отсасывал воздух из трубок, создавая в них разрежение. На это разрежение реагировала кожаная диафрагма, расположенная с другой стороны системы трубок и соединенная с управляющим клапаном, который контролировал подачу пара в турбину. Если скорость вращения турбины увеличивалась, разрежение воздуха в трубках росло и диафрагма выгибалась сильнее; в результате клапан, соединенный с диафрагмой, уменьшал подачу пара в турбину и ее вращение замедлялось.

Регулятор работал неплохо, но был не очень чувствительным. Турбина Парсонса приводила в движение динамо-машину (электрический генератор). В то время когда Парсонс построил свою турбину, одна лампа накаливания стоила столько же, сколько четверть тонны угля. Для того чтобы лампы не перегорали при резких изменениях электрического тока (что часто случалось, если использовались паровые машины), динамо-машина должна была обеспечивать постоянство напряжения с точностью 1-2%. Для этой цели Парсонс снабдил свою турбину специальным механизмом точной регулировки, реагировавшим непосредственно на изменение напряжения на динамо-машине.

Напряжение на обмотке динамо-машины пропорционально напряженности магнитного поля, создающегося у полюсов. Парсонс изготовил из мягкого железа коромысло и укрепил его над полюсами динамо-машины, прикрепив к нему пружину. Коромысло, преодолевая сопротивление пружины, стремилось повернуться по направлению магнитного поля; угол поворота зависел непосредственно от напряженности поля, которая в свою очередь была связана с напряжением на обмотках динамо-машины. Вместе с коромыслом поворачивалась медная задвижка. В зависимости от своего положения она в большей или меньшей степени прикрывала отверстие трубки, входящей в систему регулятора с центробежным вентилятором,

Если напряженность магнитного поля росла, задвижка начинала постепенно перекрывать отверстие трубки. Тем самым уменьшался доступ воздуха в систему регулятора и увеличивалось разрежение, создаваемое центробежным вентилятором. Кожаная диафрагма при этом выгибалась и управляющий клапан уменьшал подачу пара в турбину. Таким образом, скорость вращения турбины зависела от напряжения на обмотках динамо-машины. Механизм точной регулировки Парсонса был одним из первых сервомоторов — устройств с обратной связью, которые управляют расходом большого количества энергии, потребляя незначительную ее часть.

Пар под высоким давлением (темно-красный цвет) вводится через отверстие у средней точки вала и проходит через венцы лопаток, направляясь к обоим концам вала. Отработанный пар (светло-красный) поступает в две полости, соединенные выходным каналом в нижней части корпуса. Еще дальше от центра по оси вала располагаются две другие полости, соединенные каналом в верхней части корпуса; в них поддерживается частичный вакуум (голубой).

Муфты, плотно прижимающиеся к внутренней поверхности корпуса за счет перепада давлений между полостями с отработанным паром и с частичным вакуумом, не позволяют отработанному пару выйти наружу через зазоры у поверхности вращающегося вала. Смазка подается винтовым насосом (слева), который нагнетает масло (желтый) в подшипник на валу и к другим подшипникам. Центральных подшипников масло достигает по каналу внутри вала динамо-машины (в центре и справа). В регуляторе используется центробежный вентилятор (слева), который создает разрежение (голубой) в системе трубок. Кожаная мембрана соединенная с клапаном, который регулирует подачу пара в турбину, при разрежении в трубках притягивается к ним.

Механизм точной регулировки расположен наверху динамо-машины. Этот механизм изменяет приток воздуха в систему трубок в зависимости от напряжения на обмотках динамо-машины. Под действием разрежения, создаваемого в воздушных трубках, масло от подшипников поступает обратно в вертикальный резервуар (слева).

Центробежный вентилятор, занимающий главное место в регуляторе Парсонса, играл важную роль и в системе смазки. Высокая скорость вращения вала турбины требовала абсолютно надежной смазки. На конце вала Парсонс укрепил винтовую спираль, которая была погружена в резервуар с маслом и обеспечивала подачу смазки в подшипники на валу. По трубкам масло направлялось к дальнему концу вала, где находилась динамо-машина, а по каналу внутри вала динамо-машины масло подавалось к центральным подшипникам и охлаждало внутренние части динамо-машины. Под действием силы тяжести масло возвращалось к центральному узлу. Главный масляный резервуар соединялся вертикальной трубкой с системой воздушных трубок, расположенных непосредственно у вентилятора. Разрежение, создаваемое вентилятором, заставляло масло перетекать из центрального узла обратно в масляный резервуар, так что уровень масла оказывался достаточным для работы винтового насоса.

Еще одним изобретением Парсонса, также применяемым в современных турбинах, был способ, позволяющий устранить утечку пара через зазоры между валом и корпусом турбины. Всякая попытка сделать муфту, плотно прилегающую к валу, была бы неудачной, так как при критической скорости вращения во время набора оборотов в результате биений создавалось бы большое трение. Муфта, сконструированная Парсонсом, плотно облегала вал и в то же время допускала небольшие его смещения. По достижении рабочей скорости муфта действовала как надежный затвор, удерживающий отработанный пар внутри корпуса турбины.

Как только турбина достигала рабочих скоростей, муфта плотно прижималась к валу под действием разности давлений между выходным патрубком и камерой, где поддерживался частичный вакуум. Отработанный пар шел из двух полостей (по одной на каждом конце вала) через выходной канал в нижней части корпуса турбины. Две другие полости располагались дальше от средней точки вала, чем каждая из выходных полостей. Канал в верхней части корпуса соединял эти крайние полости. Внутри каждой из двух внутренних полостей Парсонс поместил муфту, плотно охватывающую вал. Для поддержания частичного вакуума в крайних полостях Парсонс применил паровой струйный насос. При небольшом числе оборотов турбины муфты свободно вращались вместе с валом. По достижении рабочей скорости возникал перепад давления между внутренними полостями (куда поступал отработанный пар из турбины) и крайними полостями (где поддерживался частичный вакуум). Под действием перепада давления муфты плотно прижимались к корпусу турбины и отделяли полости друг от друга.

В каких же условиях сформировался талант Парсонса, благодаря которому ему удалось преодолеть трудности на пути создания турбины? Парсонс был младшим сыном в семье, получившей во владение землю в Бирре, в графстве Оффали, в Ирландии. Его отец, третий граф Росс, был талантливым ученым. Он внес большой вклад в технологию отливки и шлифовки больших зеркал для телескопов. В 1845 г. в мастерской в своем поместье он построил зеркальный телескоп, который в течение нескольких десятилетий оставался самым большим телескопом в мире. С помощью этого телескопа Парсонс-старший открыл ряд спиральных туманностей. С 1849 по 1854 г. он был президентом Лондонского королевского общества. Будучи членом парламента, он, для того чтобы присутствовать на заседаниях, купил в Лондоне дом. Часть года здесь жила вся семья, устраивая приемы, на которые приглашались представители научных кругов.

Парсонсы не отдавали своих детей в школу. Их учителями были астрономы, которых граф приглашал для ночных наблюдений с помощью телескопов; в дневное время эти ученые обучали детей. Всячески поощрялись и занятия детей в домашних мастерских. Ремесло, к которому Чарлз приобщился с детства, сыграло исключительно важную роль в тот период, когда он строил свою турбину.

Чарлз поступил в Тринити-колледж в Дублине, а затем перешел в Сент-Джонс-колледж Кембриджского университета, который окончил в 1877 г. Математику он изучал под руководством Эдварда Е. Рута, который в ту пору занимался исследованием условий сохранения равномерного движения, в частности использования для этих целей различных механических регуляторов.

Вплоть до этого времени Парсонс вкушал плоды своего привилегированного воспитания. Поворот в его судьбе произошел, когда он стал учеником Джорджа Армстронга, известного фабриканта корабельных орудий, и начал работать на его Элсуикской фабрике в г. Ньюкасл-на-Тайне. Причины, которые побудили Парсонса принять такое решение, остались неизвестными: в то время дети из богатых семей редко избирали карьеру инженера.

Парсонс завоевал репутацию самого трудолюбивого ученика Армстронга. В период стажировки он получил разрешение работать на самой последней новинке — паровой машине с вращающимися цилиндрами — и между 1877 и 1882 гг. запатентовал несколько своих изобретений. Если изучить эти патенты, можно установить, что он использовал идею смазки под давлением десятилетием раньше А.Пэйна, который знаменит своими изобретениями в этой области. До Парсонса для смазки подшипников применялись капельницы, поэтому подшипники требовали постоянного контроля. Идея о принудительной смазке сыграла исключительную роль в создании высокоскоростных машин, в частности турбины

Мысль о создании турбины пришла Парсонсу, по-видимому, когда он еще был студентом. Лорд Рэлей передает слова одного из знакомых Парсонса по Кембриджу, которому будущий изобретатель показывал игрушечный бумажный двигатель: когда Парсонс дул на колеса игрушки, они вращались. Парсонс сказал, что скорость вращения у этой машины будет «в десять раз больше, чем у любой другой».

Первые настоящие опыты с турбинами Парсонс начал проводить, работая у Армстронга. С 1881 по 1883 г., т.е. сразу после стажировки, он в сотрудничестве с Джеймсом Килсоном работал над созданием торпеды, приводимой в движение газом. Армстронг в значительной мере был связан с производством морского оружия и, вероятно, поддерживал усилия по разработке нового вида движителя торпеды. Особенность этого движителя состояла в том, что сгорающее топливо создавало струю газа высокого давления. Струя ударялась в крыльчатку, заставляя ее вращаться. Крыльчатка в свою очередь приводила во вращение гребной винт торпеды.

В записных книжках Парсонса нет явных указаний на конструкцию крыльчатки, однако некоторое представление о ней можно получить, изучив небольшую лодку, сделанную Парсонсом из листовой меди. Лодка приводилась в движение трехлопастным винтом, находящимся под корпусом. Винт располагался внутри большого кольца с 44 спиральными прорезями. Газ, вырывавшийся струей, проходил по этим прорезям, и за счет усилия, создаваемого при отклонении потока, кольцо начинало вращаться. Вместе с ним вращался и винт, толкающий лодку вперед.

Итак, свои ранние опыты Парсонс проводил с газовыми, а не с паровыми турбинами. Работы над ними он прекратил в 1883 г., хотя в его патенте 1884 г. описан современный цикл работы газовой турбины. Впоследствии он дал этому объяснение.

«Опыты, проводимые много лет назад, — писал он, — и частично имевшие целью удостовериться в реальности газовой турбины, убедили меня в том, что с теми металлами, которые имелись в нашем распоряжении… было бы ошибкой использовать для приведения лопаток во вращение раскаленную струю газов — в чистом ли виде, или в смеси с водой или паром».

Это было прозорливое замечание: лишь спустя десять лет после смерит Парсонса появились металлы, которые были пригодны для изготовления газовых турбин.

В начале 1884 г. Парсонс стал младшим компаньоном в фирме Clarke Chapman and Company. Обосновавшись в Гейтсхеде, он приступил к проектированию паровой турбины. Его записи опытов по созданию торпеды, относящиеся к августу 1883 г., свидетельствуют о том, что в ту пору он еще не пришел к мысли о необходимости довести скорость вращения лопаток до скорости газовой струи. Не занимала его внимания и проблема создания сопла с большим значением отношения давлений на входе и выходе. Но уже в апреле 1884 г. он оформил два предварительных патента, а в октябре и ноябре того же года дал полное описание изобретения.

Для Парсонса это был невероятно продуктивный период. Ему приходилось не только экспериментировать с высокоскоростными валами и другими деталями турбины, но и думать о возможных путях использования энергии его машины. Обладая скоростью вращения 18000 об/мин, она не могла быть применена для обычных целей. Парсонс решил создать и динамо-машину, работающую от турбины на высоких скоростях, которые доступны немногим из современных электрических машин. Впоследствии Парсонс часто повторял, что это изобретение так же важно, как и создание самой турбины. До сегодняшних дней основным применением паровой турбины остается приведение в движение электрических генераторов.

ПЕРВЫЕ паровые турбины были не особенно эффективны. До тех пор пока их выходная мощность не позволяла сравняться по экономичности с обычными паровыми машинами, их следовало сделать привлекательными для покупателей за счет других характеристик. Такими привлекательными чертами стали их небольшие размеры, стабильность электрического напряжения, надежность работы в отсутствие контроля и небольшие эксплуатационные расходы. Всеми этими особенностями и обладала первая турбина.

В ноябре 1884 г., когда был создан первый образец турбины, достопочтенному Чарлзу А. Парсонсу было всего 30 лет. Инженерный гений и чутье на потребности рынка сами по себе были недостаточным условием для того, чтобы его детище благополучно вступило в жизнь. На ряде этапов Парсонс должен был вкладывать свои собственные средства, для того чтобы проделанная работа не пропала даром. Во время судебного разбирательства в 1898 г., затеянного с целью продлить срок действия некоторых его патентов, было установлено, что на создание турбины Парсонс израсходовал личных денег в сумме 1107 фунтов 13 шиллингов и 10 пенсов.

«Turbinia» — первый пароход с турбинным двигателем. Он был спущен на воду в 1894 г.
Пароход развивал рекордную скорость — до 35 узлов.
Впоследствии турбины стали использоваться и на крупных судах.