ВОНИ БУЛИ ПЕРШИМИ ТВОРЦЯМИ ПАРОВИХ ТУРБІН…
Італійський архітектор Джовані Бранка у 1629 році сконструював парове колесо для приводу повільно-діючого ударного млина, яке стало майже через 260 років прототипом активних парових турбін. Неможливість повного використання потенційної енергії пари в рівну їй кінетичну енергію при витіканні пари через циліндричну насадку надовго затримало розвиток парових турбін.
Ряд спроб створення парових турбін розпочався ще 1791 року (Садлер) і продовжувався до 1837 року (Жакме). Досліди Сен-Венана і Вінтцеля над виходом пари показали, що проблема полягала у високих швидкостях пари. В опублікованій в 1853 р. праці Делоншана писалося, що „…пара, яким би низьким не був її тиск, має надзвичайно велику швидкість при виході із об’єму, в якій вона знаходиться. Для того , щоб мати хороший К.К.Д., швидкість на ободі колеса, приведеного до рух парою, не повинна бути менше половини швидкості пари, і ці обставини заважають до цього часу використання реактивного колеса. В дійсності, водяна пара при 5 атм. початкового тиску, виходить в повітря із швидкістю 500 м/сек. Колесо, яке цим паром приводиться в рух , має швидкість на ободі біля 300 м/сек. Звідси, якщо діаметр колеса дорівнює 0,95 м., то воно обертається із швидкістю 6 000 об/хв. а вісь колеса при будь-якому діаметрі буде обертатись з такою швидкістю, при якій не могли б витримати ніякі підшипники, так як вони були б виплавлені через незначний проміжок часу”.
Таким чином, перед винахідниками парових турбін постали два шляхи: пошуки способів зниження числа обертів парових турбін, - без зниження К.К.Д. і розробка конструкцій, здатних працювати на великих обертах (декілька тисяч об/хв.).
Перший шлях був запропонований Леруа ще в 1840 р. Він передбачав використання декількох перепадів тиску в турбіні. Більш ґрунтовно принцип перепадів тиску був розкритий в записці Турнера, яка була розглянута в 1853 р. на засіданні в парижській академії наук: „…можна уникнути цих труднощів примушуючи газ, або пару, втрачати свій тиск або повільно, або окремими частинами і діяти декілька разів на лопатки парових турбін, розташованих відповідним чином….”. Окрім Турнера, декількох перепадів тиску був запропонований низкою винахідників (Жирар,1855 р., Перриго і Фарко,1864 р., Едвардс, 1871 р. та багато інших).
Над створенням парових турбін протягом довгого часу працювали винахідники різних країн.
З 1880 по 1890 р. в Англії було видано 52 патенти на парові турбіни. А з 1890 по 1900 р. вже 186. Але вдале найбільш технічне рішення дали швед Карл Густав Патрик де Лаваль і англієць Чарлз Парсонс.
І тільки після використання поступово розширеного надзвукового сопла шведському інженеру К. Лавалю в 1889 році вдалося вирішити цю проблему. Карл Густав Патрик де Лаваль (1845-1921) – шведський інженер і винахідник, за національністю француз, народився в Блазенбурзі (Швейцарія). Закінчив технологічний інститут і університет в Упсалі в 1872 році зі званням доктора філософії. Працюючі на хімічному заводі, в 1878 році сконструював відцентровий сепаратор для молока, приводом для якого в 1883 році К. Лаваль запропонував спочатку використання простої турбіни у вигляді геронівського „еоліпіла”, що працювала на реактивному принципі, показаним Героном Олександрійським в його „еоліпіле” в Єгипті біля І століття нової ери. Намагаючись підвищити К.К.Д. турбіни, К. Лаваль в 1889 р. сконструював сопло, що мало поступове розширення. Сопло Лаваля дає можливість знизити тиск пари нижче критичного, надавши йому при цьому надзвукову швидкість і можливість підвищувати початковий тиск пари і економічність парової турбіни (в критичній точці теплота пароутворення дорівнює нулю, в цій точці рідинна і парова фази води не відрізняються). Відмінною особливістю, поступово розширеного сопла є те, що тиск пари на виході із сопла, може бути доведений до тиску середовища, в яке пара входить. Сопла Лаваля дають можливість використовувати різні перепади тиску. Пар виходить із сопла з надзвуковою швидкістю і з рівномірним розподіленням по об’єму, енергія якого може використовуватись для обертів турбіни. Турбіна Лаваля складалася з рухомого робочого диска невеликого діаметру з одним рядом робочих лопаток, корпуса турбіни, по колу якого установлювалися поступово розширені нерухомі сопла, в які із котла подавалася пара. В соплах відбувалося перетворення кінетичної енергії пари в механічну роботу на лопатках рухомого робочого диска турбіни. Мала потужність, значні витрати пари (8-9 кг/кВт) в активних турбінах К. Лаваля обмежували їх використання в промисловості (для порівняння: в сучасних парових турбінах витрати пари 3-4 кг/кВт). Вони використовувались в основному для приводу малопотужних агрегатів. Свою турбіну Карл Густав Патрик де Лаваль запатентував у 1883 р. У 1889 р. К. Лаваль створив нову, більш складну з одним перепадом тиску активну турбіну.
З одним перепадом тиску високо-обертові активні турбіни для з`єднання з електрогенератором вимагали дорогої зубчатої передачі.
Реактивні турбіни запропонував Чарлз Алджернон Парсонс (1854-1931), англійський інженер і підприємець, член Лондонського королівського товариства. Він народився у Лондоні, закінчив коледж Сент-Джон Кембриджського університету в 1876 році. З 1877 р. працював на заводі Амстронга інженером в галузі машинобудування. В 1884 -1889 р.р. став партнером компанії Амстронга. В 1889 р. заснував підприємство з будівництва парових турбін своєї системи у Хітоні.
Реактивні турбіни, запропоновані Ч. Парсонсом, виготовлялись з перепадами тиску і являли собою ряд нерухомих і рухомих робочих лопаток. Розширення пари відбувалося не тільки в соплах, до надходження його на робочі лопатки, як в активній турбіні, але й у період проходження пари поміж робочими лопатками.
Для зменшення окружної швидкості робочих лопаток реактивної турбіни та зменшення числа обертів Чарльз Парсонс запропонував початковий тиск пари використовувати не в одному перепаді тиску, а розділити на декілька перепадів тиску. У 1884 році він отримав патент на реактивну турбіну з багатьма перепадами тиску потужністю 8 кВт при швидкості в 1000 об/хв. З’єднавши турбіну з валом електрогенератора Ч. Парсонс отримав перший турбогенератор для електростанції.
Реактивні турбіни Ч. Парсонса почали широко використовуватись з 1900 року, коли в Німеччині на Ельбертфельдській електростанції були встановлені і випробувані дві турбіни потужністю 1000 кВт при 1500 об/хв. Турбіни працювали при середньому тиску пари 1,05 МПа і температурі 200 градусів Цельсія та мали витрати пари 8-9 кг/кВт при повному навантажені (для порівняння: в сучасних парових турбінах використовується максимальний середній тиск, в циліндрах високого тиску 25,5 МПа, при максимальній середній температурі 555 ° С. Загальна витрата пари в трьох циліндрах турбіни 3-4 кг/кВт).
Для зменшення кругової швидкості робочих лопаток турбін американський інженер Чарльз Кертіс в 1896 році увів у практику турбінобудування перепади швидкості. Принцип перепадів швидкості полягає в тому, що кінетична енергія пари перетворюється в механічну на робочих лопатках не одного ряду, а 2-3 рядів, поміж якими стоять нерухомі лопатки для зміни напрямку руху пари. В активних турбінах з перепадами швидкості ефективно зменшується кругова швидкість, але вони мають низький К.К.Д., який зі збільшенням числа перепадів знижується. А тому диск Кертіса зберігся в сучасних турбінах тільки як перший диск турбіни.
Для активних турбін перепади тиску вперше були запропоновані на практиці французьким професором Огюстом Ратто, який у 1900 році побудував на французькому заводі Сотте-Гарле першу активну турбіну з перепадами тиску потужністю 1000 к.с. Збільшенням числа перепадів тиску можна зменшити швидкість обертів ротора до потрібної величини при збереженні високого К.К.Д. турбіни.
Швейцарський інженер Генріх Целлі вдосконалив турбіну О. Ратто, використав в 1903 році насадки (сопла) з косим зрізом. За рахунок цього вдалося збільшити швидкість пари на виході із сопла і зменшити число перепадів тиску до 5-8. Були внесені зміни і в конструкцію робочих дисків, які збільшувалися в діаметрі в залежності зі зниженням тиску пари (для порівняння: в сучасних парових турбінах використовується в середньому до 27 перепадів тиску, в трьох циліндрах парових турбін).
Не дивлячись на величезні запаси паливних ресурсів і наявності найбільших джерел водної енергії, царська Росія, до складу якої входила Україна, займала одне з останніх місць у світі у виробництві електроенергії. У 1913 році Росія виробляла у 2,5 рази менше енергії, ніж Німеччина і в 15 разів менше, ніж у США. Невелика кількість електромашинобудівних і електричних заводів, які знаходились у Росії, належали в основному закордонним компаніям і працювали як складальні, використовуючи імпортні деталі. На прикінці 1920 року в колишньому СРСР попит на це обладнання завдяки творчим конструкторським та інженерно-технічним і проектним колективам, які використали світовій практичний досвід в будівництві парових турбін, вдалося повністю задовольнити. Ленінградський металічний завод та завод „Електросила” опанували випуск великих для того часу парових турбін потужністю 50 МВт на 3000 об/хв. У 1937 році були розроблені проекти для випуску турбіни потужністю до 100 МВт. А 26 липня 1938 р. на Харківському турбогенераторному заводі виготовлена парова турбіна потужністю 100 МВт на 3000 об/хв. і генератор до неї. Велику роль у розвитку енергетики і енергомашинобудуванні відіграли заводи і підприємства України, і зокрема Харківські заводи Турбоатом, Електроважмаш, Електромеханічний завод (ХЕМЗ). На Харківських енергомашинобудівних заводах нині випускаються турбогенератори широкої номенклатури потужностей до 500 МВт.
На сьогодні комплексного вивчення розвитку енергомашинобудування в Україні не проводилось, творчий пошук когорти талановитих інженерів, конструкторів будівельників парових турбін широко не висвітлювався у громадських виданнях, а то й взагалі був недоступним для висвітлення деяких конкретних етапів цього розвитку. Вважаю необхідним у подальшому викладення цілісної картини розвитку цієї важливої галузі, що стосується розробки, освоєння та підготовки до широкого впровадження нових технічних рішень і технологій. Виконання досліджень з обґрунтуванням можливості продовження в індивідуальному порядку терміну експлуатації турбін, у роторах яких виявлені тріщини або з найбільшою ймовірністю можна чекати накопичення найбільших значень пошкодження в порівняні з іншими турбінами цього типу. Створення автоматизованої системи діагностики циліндрів, що забезпечує безупинний контроль зміни радіальних зазорів у проточній частині при старт-стопних і перехідних режимах роботи турбін ще попереду.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
