Energija. Pronalazak parnih turbina

Zamislimo zatvorenu metalnu posudu (bojler) djelimično napunjenu vodom. Ako zapalite vatru ispod njega, voda će se početi zagrijavati, a zatim ključati, pretvarajući se u paru. Pritisak unutar kotla će se povećati, a ako njegovi zidovi nisu dovoljno čvrsti, može čak i eksplodirati. Ovo pokazuje da je par akumulirao rezervu energije, koja se konačno manifestuje u eksploziji. Da li je moguće natjerati paru na bilo kakav koristan posao? Ovo pitanje je zaokupljalo naučnike veoma dugo. Istorija nauke i tehnologije zna mnogo zanimljivi izumi, u kojem je čovjek nastojao koristiti energiju pare. Neki od ovih izuma bili su korisni, drugi samo pametne igračke, ali barem dva izuma se moraju nazvati velikim; karakterišu čitave ere u razvoju nauke i tehnologije. Ovi veliki izumi su parna mašina i parna turbina. Parna mašina, koja je dobila industrijsku upotrebu u drugoj polovini 18. veka, revolucionirala je tehnologiju. Ubrzo je postao glavni motor koji se koristi u industriji i transportu. Ali unutra kasno XIX i početkom 20. veka. dostižna snaga i brzina parne mašine već su postale nedovoljne.

Pojavila se potreba za izgradnjom velikih elektrana, koje su zahtijevale snažan i brzi motor. Takav motor je bila parna turbina, koja se može izgraditi da proizvodi ogromnu snagu pri velikim brzinama. Parna turbina je brzo zamijenila parni stroj iz elektrana i velikih parobroda.

Povijest stvaranja i poboljšanja parne turbine, kao i svakog velikog izuma, povezana je s imenima mnogih ljudi. Štaviše, kao što to obično biva, osnovni princip rada turbine bio je poznat mnogo prije nego što je nivo nauke i tehnologije omogućio izgradnju turbine.

Princip rada parne mašine je korištenje elastičnih svojstava pare. Para povremeno ulazi u cilindar i, šireći se, radi pomicanjem klipa. Princip rada parne turbine je drugačiji. Ovdje se para širi, a potencijalna energija akumulirana u kotlu pretvara se u (kinetičku) energiju velike brzine. Zauzvrat, kinetička energija parnog mlaza se pretvara u mehaničku energiju rotacije turbinskog točka.

Istorija razvoja turbina počinje loptom Herona od Aleksandrije i Brankinog točka. Mogućnost korištenja energije pare za proizvodnju mehaničkog pokreta uočio je poznati grčki naučnik Heron iz Aleksandrije prije više od 2000 godina. Napravio je uređaj pod nazivom Heron's ball (slika 1).

Lopta se mogla slobodno rotirati u dva nosača napravljena od cijevi. Kroz ove nosače, para iz kotla je ulazila u kuglu, a zatim izlazila u atmosferu kroz dvije cijevi savijene pod pravim uglom. Lopta se rotirala pod dejstvom reaktivnih sila koje proizlaze iz strujanja mlaznica pare.

Drugi projekat opisan je u radu italijanskog naučnika Giovani Branca (1629). IN gornji dio umetnuta je kotlovska cijev (sl. 2).

Pošto je pritisak pare unutar kotla veći od atmosferskog pritiska vazduha oko kotla, para izlazi kroz cev.

Mlaz pare izlazi iz slobodnog kraja cijevi i udara u oštrice kotača, uzrokujući njihovo rotiranje.

Heronov model i Brancino kolo nisu bili motori, ali su već ukazivali na moguće načine dobijanja mehaničkog kretanja pomoću energije pogonske pare.

Postoji razlika u principima rada Heronove lopte i Brancinog točka. Heronova lopta, kao što je već spomenuto, rotira se pod djelovanjem reaktivnih sila. To su iste sile koje guraju raketu. Iz mehanike je poznato da mlaz istisnut iz posude pod utjecajem pritiska, sa svoje strane, pritiska na posudu u smjeru suprotnom od smjera istjecanja. To je očito na osnovu trećeg Newtonovog zakona, prema kojem sila koja potiskuje mlaz mora biti jednaka i suprotna u smjeru sile reakcije mlaza na posudu.

U turbini Branca potencijalna energija pare se prvo pretvara u kinetičku energiju mlaza koji šiklja iz cijevi. Zatim, kada mlaz udari u lopatice točka, razdvojite se kinetička energija para se pretvara u mehaničku energiju rotacije točka.

Ako se Heronova lopta kreće reaktivnim silama, tada Branca turbina koristi takozvani aktivni princip, budući da točak crpi energiju iz aktivnog mlaza.

Najveći pomak u dizajnu parne turbine i njenom daljem razvoju dogodio se krajem pretprošlog vijeka, kada je u Švedskoj inžinjer. Gustav Laval i u Engleskoj Charles Parsons samostalno su počeli raditi na stvaranju i poboljšanju parne turbine. Rezultati koje su postigli omogućili su da parna turbina na kraju postane glavni tip motora za pogon generatora električna struja i široko se koristi kao motor za civilne i vojne brodove. U parnoj turbini Laval, stvorenoj 1883. godine, para ulazi u jednu ili više paralelno povezanih mlaznica, postiže značajnu brzinu u njima i usmjerava se na radne lopatice koje se nalaze na obodu diska koji se nalazi na osovini turbine i tvori rešetku rada. kanala.

Sile uzrokovane rotacijom parnog mlaza u kanalima radne rešetke rotiraju disk i s njim povezano vratilo turbine. Posebnost ove turbine je da se širenje pare u mlaznicama od početnog do konačnog tlaka odvija u jednom stupnju, što uzrokuje vrlo velike brzine protoka pare. Pretvaranje kinetičke energije pare u mehaničku energiju odvija se bez daljeg širenja pare samo zbog promjene smjera strujanja u kanalima lopatice.

Turbine izgrađene na ovom principu, tj. turbine kod kojih se cijeli proces širenja pare i povezanog ubrzanja toka pare odvija u stacionarnim mlaznicama nazivaju se aktivne turbine.

U toku razvoja aktivnih jednostepenih turbina riješen je niz složenih pitanja, koja su imala izuzetno veliku važnost veliki značaj Za dalji razvoj parne turbine. Korištene su ekspanzione mlaznice koje omogućavaju veći stepen ekspanzije pare i omogućavaju postizanje velikih brzina strujanja pare (1200-1500 m/sec). Kako bi bolje iskoristio velike brzine protoka pare, Laval je razvio dizajn diska jednakog otpora koji je omogućio rad pri velikim perifernim brzinama (350 m/sec). Konačno, u jednostepenoj aktivnoj turbini korištene su tako velike brzine (do 32.000 o/min), koje su daleko nadmašile brzine motora uobičajenih u to vrijeme. To je dovelo do izuma fleksibilne osovine, čija je frekvencija slobodnih vibracija manja od frekvencije ometajućih sila pri radnoj brzini.

Unatoč nizu novih dizajnerskih rješenja korištenih u jednostepenim aktivnim turbinama, njihova efikasnost je bila niska. Osim toga, potreba za korištenjem zupčastog mjenjača za smanjenje brzine pogonskog vratila na nivo brzine pogonske mašine također je otežavala razvoj jednostepenih turbina u to vrijeme, a posebno povećanje njihove snage. . Stoga su Lavalove turbine, nakon što su na početku razvoja turbinogradnje dobile značajnu popularnost kao jedinice male snage (do 500 kW), kasnije ustupile mjesto drugim tipovima turbina.

Parna turbina koju je 1884. predložio Parsons bitno se razlikuje od Lavalove turbine. Širenje pare u njemu se ne vrši u jednoj grupi mlaznica, već u nizu uzastopnih faza, od kojih se svaka sastoji od stacionarnih vodećih lopatica (nizovi mlaznica) i rotirajućih lopatica.

Vodiće lopatice su pričvršćene u stacionarnom kućištu turbine, a lopatice rotora su raspoređene u redovima na bubnju. Svaki stupanj takve turbine doživljava pad tlaka koji je samo mali dio ukupne razlike između pritiska svježe pare i tlaka pare koja izlazi iz turbine. Tako je bilo moguće raditi sa malim brzinama protoka pare u svakoj fazi i sa nižim perifernim brzinama lopatica rotora nego u Laval turbini. Osim toga, širenje pare u fazama Parsonsove turbine događa se ne samo u mlaznici, već iu radnoj mreži. Stoga se sile prenose na radne lopatice uzrokovane ne samo promjenom smjera strujanja pare, već i ubrzanjem pare unutar radne rešetke, što uzrokuje reaktivnu silu na radnim lopaticama turbine.

Stupnjevi turbine u kojima se koristi ekspanzija pare i s tim povezano ubrzanje toka pare u kanalima radnih lopatica nazivaju se reakcijske faze. Dakle, prikazano na sl. 4 turbina bila je tipičan predstavnik višestepenih mlaznih parnih turbina.

Princip sekvencijalnog uključivanja stupnjeva, od kojih svaki koristi samo dio raspoložive toplinske razlike, pokazao se vrlo plodonosnim za kasniji razvoj parnih turbina. Omogućio je postizanje visoke efikasnosti u turbini pri umjerenim brzinama rotora turbine, omogućavajući direktnu vezu osovine turbine sa osovinom generatora električne struje. Isti princip omogućio je proizvodnju turbina vrlo velike snage, dostižući nekoliko desetina, pa čak i stotina hiljada kilovata u jednoj jedinici.

Višestepene mlazne turbine su danas široko rasprostranjene, kako u stacionarnim instalacijama tako i u floti.

Razvoj aktivnih parnih turbina također je išao putem uzastopnog širenja pare ne u jednoj, već u više faza koje se nalaze jedna za drugom. U ovim turbinama, određeni broj diskova postavljenih na zajedničku osovinu razdvojen je pregradama zvanim dijafragme, u kojima se nalaze fiksne rešetke mlaznica. U svakoj od faza konstruiranih na ovaj način, para se širi unutar dijela ukupnog raspoloživog gubitka topline. U radnim rešetkama dolazi samo do konverzije kinetičke energije strujanja pare bez dodatnog širenja pare u kanalima radnih lopatica. Aktivne višestepene turbine se široko koriste u stacionarnim instalacijama, koriste se i kao brodski motori.

Uz turbine kod kojih se para kreće u smjeru osovine turbine (aksijalno), izrađeni su dizajni radijalnih turbina u kojima para struji u ravnini okomitoj na os turbine. Od potonjih, najzanimljivija je radijalna turbina, koju su 1912. godine u Švedskoj predložila braća Ljungström.

Rice.

1,2 - turbinski diskovi; 3 - cijevi svježe pare; 4, 5 - osovine turbine; 6, 7 - oštrice srednjih faza

Na bočnim površinama diskova 1 i 2, lopatice mlaznih stupnjeva nalaze se u prstenovima postepeno rastućeg promjera. Para se dovodi u turbinu kroz cijevi 3, a zatim kroz rupe na diskovima 1 i 2 u centralnu komoru. Odavde teče ka periferiji kroz kanale lopatica 6 i 7, postavljenih na oba diska. Za razliku od konvencionalnog dizajna, Jungström turbina nema fiksne rešetke mlaznica ili vodeće lopatice. Oba diska rotiraju u suprotnom smjeru, tako da se snaga koju razvija turbina mora prenositi osovinama 4 i 5. Princip kontrarotacije rotora omogućava da turbina bude vrlo kompaktna i ekonomična.

Od ranih 1990-ih, razvoj parnih turbina je napredovao izuzetno brzim tempom. Ovaj razvoj je u velikoj mjeri određen jednako brzim paralelnim razvojem električnih strojeva i širokim uvođenjem električne energije u industriju. Efikasnost parne turbine i njena snaga u jednoj jedinici je dostignuta visoke vrijednosti. Snaga turbina je daleko nadmašila snagu svih drugih tipova motora bez izuzetka. Dostupne su turbine snage 500 MW, spojene na generator električne struje, a dokazana je mogućnost proizvodnje još snažnijih agregata, najmanje do 1000 MW.

U razvoju konstrukcije parnih turbina može se uočiti nekoliko faza koje su uticale na projektovanje turbina izgrađenih u različitim vremenskim periodima.

U periodu prije imperijalističkog rata 1914. godine, nivo znanja iz oblasti rada metala na visokim temperaturama bio je nedovoljan za korištenje pare pri visokim pritiscima i temperaturama. Stoga su se do 1914. godine parne turbine gradile prvenstveno za rad sa parom umjerenog pritiska (12 - 16 bara), s temperaturama do 350 °C.

U smislu povećanja snage jednog agregata, već u početnom periodu razvoja parnih turbina postignut je veliki uspjeh.

Godine 1915. snaga pojedinačnih turbina je već dostigla 20 MW. U poslijeratnom periodu, počevši od 1918-1919, nastavlja se trend povećanja moći. Međutim, u budućnosti su dizajneri turbina težili zadatku povećanja ne samo snage jedinice, već i brzine turbina velike snage kada ih pokreću s jednim generatorom električne struje.

Najmoćnija brza turbina na svijetu u jednom trenutku (1937.) bila je turbina Lenjingradskog metalnog kombinata, izgrađena na 100 MW pri 3000 o/min.

U periodu prije imperijalističkog rata 1914. godine, tvornice turbina su u većini slučajeva proizvodile turbine sa ograničenim brojem stupnjeva smještenih u jednom kućištu turbine. To je omogućilo da se turbina napravi veoma kompaktnom i relativno jeftinom. Nakon rata 1914. godine, napetost u opskrbi gorivom koju je većina zemalja iskusila zahtijevala je sveobuhvatno povećanje efikasnosti turbinskih jedinica.

Utvrđeno je da se maksimalna efikasnost turbine može postići korišćenjem malih toplotnih razlika u svakom stepenu turbine i shodno tome izgradnjom turbina sa veliki broj stepenice. U vezi s ovim trendom, nastale su konstrukcije turbina koje su i uz umjerene parametre svježe pare imale izuzetno veliki broj stupnjeva, dostižući 50 - 60.

Veliki broj stupnjeva doveo je do potrebe za stvaranjem turbina sa više kućišta, čak i kada je turbina bila povezana na jedan električni generator.

Tako su počele da se šire turbine sa dva i tri kućišta, koje su, iako veoma ekonomične, bile veoma skupe i glomazne.

U daljnjem razvoju turbinogradnje, također je došlo do izvjesnog povlačenja po ovom pitanju ka pojednostavljenju konstrukcije turbine i smanjenju broja njenih stupnjeva. Turbine snage do 50 MW pri 3000 o/min su se dosta dugo gradile samo sa dva kućišta. Najnovije kondenzacijske turbine ove snage, proizvedene u vodećim tvornicama, grade se sa jednim kućištem.

Istovremeno sa poboljšanjima dizajna turbina sa umjerenim pritiskom (20 - 30 bara), ekonomičnije jedinice su počele da se šire u periodu od 1920. do 1940. visokog pritiska, dostižući 120 - 170 bara.

Steam aplikacija visoki parametri, što značajno povećava efikasnost turbinske instalacije, zahtevalo je nova rešenja u oblasti projektovanja parnih turbina. Značajan napredak postignut je u upotrebi legiranih čelika koji imaju prilično visoku granicu tečenja i niske stope puzanja na temperaturama od 500 - 550 °C.

Uporedo sa razvojem kondenzacionih turbina, već početkom ovog veka počele su da se koriste instalacije za kombinovanu proizvodnju električne energije i toplote, što je zahtevalo izgradnju turbina sa protivpritiskom i međuodvodom pare. Prva turbina sa konstantnom regulacijom pritiska izvučene pare izgrađena je 1907. godine.

Uslovi kapitalističke ekonomije, međutim, sprečavaju korišćenje svih prednosti kombinovane proizvodnje toplotne i električne energije. Zapravo, kapacitet toplotne potrošnje u inostranstvu je u većini slučajeva ograničen na potrošnju postrojenja u kojem je turbina instalirana. Stoga se turbine koje omogućavaju korištenje topline izduvne pare najčešće grade u inostranstvu za male snage (do 10 - 12 MW) i dizajnirane su da obezbjeđuju toplinu i električna energija samo pojedinačno industrijsko preduzeće. Karakteristično je da su najveće (25 MW, a zatim 50 i 100 MW) turbine sa izvlačenjem pare izgrađene u Sovjetskom Savezu, jer planski razvoj nacionalne privrede stvara povoljnim uslovima za kombinovanu proizvodnju toplotne i električne energije.

U poslijeratnom periodu, u svemu tehnički razvijen evropske zemlje, a isto tako u Sjedinjenim Državama dolazi do sve bržeg razvoja energetike, što dovodi do sve većeg povećanja snage energetskih jedinica. Istovremeno, nastavlja se tendencija korištenja sve viših početnih parametara pare.

Jednoosovinske kondenzacijske turbine dostižu snagu od 500 - 800 MW, a sa dvoosovinskim projektom već su izgrađene instalacije kapaciteta 1000 MW.

Kako se snaga povećavala, bilo je preporučljivo povećati početne parametre pare, koji su sukcesivno birani na nivou od 90, 130, 170, 250 i na kraju 350 bara, dok su početne temperature također rasle, koje su iznosile 500, 535, 565, 590, au nekim slučajevima i do 650° C. Treba imati na umu da je pri temperaturama većim od 565° C potrebno koristiti vrlo skupe i manje proučene austenitne čelike. To je dovelo do toga da u posljednje vrijeme postoji tendencija povlačenja u temperaturni raspon koji eliminira potrebu za korištenjem austenitnih čelika, tj. temperature na 540°C.

Uspjesi postignuti 1915-1920 bili su od velikog značaja za razvoj turbina male snage, a posebno za razvoj brodskih parnih turbina. u oblasti konstrukcije menjača. Do tog vremena brodske turbine izvedene su na broju okretaja jednakom broju okretaja propelera, tj. 300 - 500 o/min, što je smanjilo efikasnost instalacije i dovelo do velikih dimenzija i težine turbina.

Od vremena kada je postignuta potpuna pouzdanost i visoka efikasnost u radu zupčastih reduktora, brodske turbine su opremljene zupčastim pogonima i rade povećanom brzinom, što odgovara najpovoljnijim uslovima rada turbine.

Za stacionarne turbine male snage, također se pokazalo da je preporučljivo koristiti zupčani prijenos između turbine i generatora. Najveća moguća brzina sa direktnim povezivanjem turbinskih vratila i 50-periodnog generatora naizmjenične struje je 3000 o/min. Pri snagama ispod 2,5 MW ova brzina je nepovoljna za kondenzacionu turbinu. Razvojem tehnologije mjenjača postalo je moguće proizvoditi turbine pri većim brzinama (5000-10000 o/min), što je omogućilo povećanje efikasnosti turbina male snage, i što je najvažnije, smanjenje njihove veličine i pojednostavljenje njihovog dizajna.

Istorija pronalaska parnih turbina

Pronalazak i širenje parnih turbina bilo je od velikog značaja za energetiku i elektrifikaciju. Princip njihovog rada bio je sličan hidrauličkim, s tim što je hidrauličku turbinu pokretala struja vode, a parnu turbinu mlaz zagrijane pare. Kao što je vodena turbina predstavljala novu riječ u istoriji vodenih motora, tako je i parna turbina pokazala nove mogućnosti parne mašine.

Vatova stara mašina, koja je proslavila stogodišnjicu u trećoj četvrtini 19. veka, imala je nisku efikasnost, jer se rotaciono kretanje postizalo na složen i iracionalan način. Zapravo, kao što se sjećamo, para nije pokretala sam rotirajući kotač, već je vršila pritisak na klip; sa klipa, preko šipke, klipnjače i radilice, kretanje se prenosilo na glavno vratilo. Kao rezultat brojnih transfera i transformacija, ogroman dio energije dobivene sagorijevanjem goriva, u punom smislu te riječi, odletio je u odvod bez ikakve koristi. Više puta su pronalazači pokušavali da dizajniraju jednostavniju i ekonomičniju mašinu - parnu turbinu, u kojoj bi mlaz pare direktno rotirao radno kolo. Jednostavna kalkulacija je pokazala da bi trebao imati efikasnost nekoliko redova veličine veću od Wattove mašine. Međutim, bilo je mnogo prepreka na putu inženjerske misli. Da bi turbina zaista postala visoko efikasan motor, impeler je morao da se okreće veoma velikim brzinama, praveći stotine obrtaja u minuti. Za dugo vremena nisu to mogli postići jer nisu znali kako da prenesu odgovarajuću brzinu parnom mlazu.

Prvo važan korakŠvedski inženjer Carl Gustav Patrick Laval razvio je novi tehnički uređaj koji je zamijenio parni stroj 1889. Lavalova parna turbina je točak s lopaticama. Struja vode koja nastaje u kotlu izlazi iz cijevi (mlaznice), pritiska lopatice i okreće kotač. Eksperimentirajući s različitim cijevima za dovod pare, dizajner je došao do zaključka da bi one trebale imati konusni oblik. Tako se pojavila Laval mlaznica, koja se koristi do danas.

Tek 1883. godine Šveđanin Gustav Laval uspio je savladati mnoge poteškoće i stvoriti prvu radnu parnu turbinu. Nekoliko godina ranije, Laval je dobio patent za separator mlijeka. Da bi se pokrenuo, bio je potreban pogon vrlo velike brzine. Nijedan od motora koji je tada postojao nije ispunio zadatak. Laval je postao uvjeren da mu samo parna turbina može dati potrebnu brzinu rotacije. Počeo je da radi na njegovom dizajnu i na kraju je postigao ono što je želeo. Lavalova turbina je bila laki točak, na čijim lopaticama, nakon nekoliko oštar ugao mlaznice su stvarale paru. Godine 1889. Laval je značajno poboljšao svoj izum dodavanjem konusnih ekspandera na mlaznice. To je značajno povećalo efikasnost hidraulične turbine i pretvorilo je u univerzalni motor.

Princip rada turbine bio je krajnje jednostavan. Para zagrijana do visoke temperature, dolazio je iz kotla kroz parnu cijev do mlaznica i eksplodirao. U mlaznicama se para širila do atmosferski pritisak. Zbog povećanja zapremine koje je pratilo ovu ekspanziju, postignuto je značajno povećanje brzine protoka (sa ekspanzijom od 5 do 1 atmosfere, brzina mlaza pare dostigla je 770 m/s). Na taj način se energija sadržana u pari prenosila na lopatice turbine. Broj mlaznica i pritisak pare određivali su snagu turbine. Kada se izduvna para nije ispuštala direktno u vazduh, već je usmeravana, kao u parnim mašinama, u kondenzator i ukapljivana pod sniženim pritiskom, snaga turbine je bila najveća. Dakle, kada se para proširila sa 5 atmosfera na 1/10 atmosfere, brzina mlaza je dostigla nadzvučne vrednosti.

Uprkos svojoj prividnoj jednostavnosti, Lavalova turbina bila je pravo inženjersko čudo. Dovoljno je zamisliti opterećenja koja je propeler iskusio u njemu da bi se shvatilo koliko je izumitelju bilo teško postići neprekidan rad od svoje zamisli. Pri ogromnim brzinama turbinskog točka, čak i neznatno pomicanje centra gravitacije izazvalo je jako opterećenje na osovini i preopteretilo ležajeve. Kako bi to izbjegao, Laval je došao na ideju da točak stavi na vrlo tanku osovinu, koja bi se mogla lagano savijati prilikom rotacije. Prilikom odmotavanja, automatski je došao u strogo središnji položaj, koji se potom održavao pri bilo kojoj brzini rotacije. Zahvaljujući ovom genijalnom rješenju, destruktivno djelovanje na ležajeve svedeno je na minimum.

Čim se pojavila, Lavalova turbina osvojila je univerzalno priznanje. Bio je mnogo ekonomičniji od starih parnih mašina, vrlo jednostavan za upotrebu, zauzimao je malo prostora i bio je lak za instalaciju i povezivanje. Laval turbina je pružila posebno velike prednosti u kombinaciji sa mašinama velike brzine: pilama, separatorima, centrifugalnim pumpama. Uspješno se koristio i kao pogon za električni generator, ali je i dalje imao previsoku brzinu za njega i stoga je mogao raditi samo preko mjenjača (sistem zupčanika koji je smanjivao brzinu rotacije pri prenošenju kretanja s osovine turbine na osovina generatora). parna turbina laval

Godine 1884. engleski inženjer Parson dobio je patent za višestepenu mlaznu turbinu, koju je izumio posebno za pogon električnog generatora. Godine 1885. dizajnirao je višestepenu mlaznu turbinu, koja je kasnije našla široku upotrebu u termoelektranama. Imao je sljedeći uređaj, koji je podsjećao na mlaznu hidrauličnu turbinu. Na središnjem vratilu postavljen je niz rotirajućih kotača sa lopaticama. Između ovih točkova nalazili su se fiksni naplatci (diskovi) sa oštricama koje su imale suprotan smer. Na jedan kraj turbine dovođena je para pod visokim pritiskom. Pritisak na drugom kraju bio je mali (manji od atmosferskog). Zbog toga je para težila da prođe kroz turbinu. Prvo je ušao u prostore između oštrica prve krune. Ove oštrice su ga usmjerile prema oštricama prvog pokretnog točka. Para je prolazila između njih, uzrokujući rotaciju točkova. Zatim je ušao u drugu krunu. Oštrice druge krune usmjerile su paru između lopatica drugog pokretnog točka, koje su se također počele okretati. Iz drugog pokretnog točka para je tekla između lopatica trećeg oboda i tako dalje. Sve lopatice su dobile takav oblik da se poprečni presjek međulopatičnih kanala smanjio u smjeru strujanja pare. Činilo se da lopatice formiraju mlaznice postavljene na osovinu, iz koje je, šireći se, izlazila para. Ovdje su korištene i aktivna i reaktivna snaga. Rotirajući, svi kotači su rotirali osovinu turbine. Vanjska strana uređaja bila je zatvorena u čvrsto kućište. Godine 1889. oko tri stotine ovih turbina je već korišteno za proizvodnju električne energije, a 1899. godine u Elberfeldu je izgrađena prva elektrana s Parsonovim parnim turbinama. U međuvremenu, Parson je pokušao da proširi obim svog izuma. Godine 1894. izgradio je eksperimentalni brod Turbinia, pokretan parnom turbinom. Tokom testiranja pokazao je rekordnu brzinu od 60 km/h. Nakon toga su se parne turbine počele ugrađivati ​​na mnoge brze brodove.

Vrijeme parnih mašina bilo je kratkog vijeka. Ali još uvek unutra antičke Grčke bilo je poznato kako se u ratovanju koristi pregrijana tečnost. Prije nekoliko stoljeća naši su preci ulagali mnogo vremena i truda da savladaju paru, a ova tema je zanimljiva i danas.

Geronovsky aeolipile

Istorija pronalaska turbina datira još iz antičkih vremena, ali su ljudi mogli da koriste paru za dobrobit čovečanstva tek krajem 17. veka. Na samom početku naše ere, grčki naučnik Heron iz Aleksandrije jasno je pokazao da para može biti korisna. Njegov izum, nazvan "Geronovsky aeolipile" po izumitelju, bila je lopta koja se rotira snagom parnog mlaza. Tako se pojavio prvi prototip parne turbine.

Solomonov bal

Nadalje, istorija izuma turbina nije se razvijala tako brzo. Nažalost, većina izuma starih Grka ostala je zaboravljena i nije našla daljnju primjenu. Tek početkom 17. stoljeća opisano je nešto slično parnoj mašini, iako vrlo primitivnoj. Francuski naučnik-pronalazač Solomon de Ko u svojim spisima opisuje šuplju metalnu kuglu sa dve cevi, od kojih jedna služi za snabdevanje, a druga za odvod vode. A ako zagrijete loptu, voda će se početi kretati prema gore kroz cijev.

Branca turbina

Početkom 1629. godine izumitelj i mehaničar Giovanni Branchi sastavio je prvu parnu turbinu. Princip rada se zasniva na pretvaranju potencijalne energije pare u kinetičku energiju i obavljanju korisnog rada. Suština njegovog izuma je bila da mlaz pare svojim pritiskom pokrene točak sa oštricama, kao točak vodenog mlina. Ali turbine ove vrste bile su vrlo ograničene snage, jer je bilo nemoguće stvoriti visoki mlazni pritisak. Tako istorija pronalaska parne turbine nakon duže pauze dobija novi zaokret.

Steam bum

Godine 1825. inženjer-pronalazač Richard Travisic pokušao je ugraditi dvije mlaznice na kotač parne lokomotive i kroz njih propuštati paru pod visokim pritiskom. Na istim principima zasnivao se i rad pilane koju je izgradio američki mehaničar W. Avery. Mnogi autori su želeli da istorija pronalaska turbine uključuje i njihova imena. Samo u Engleskoj, više od 20 godina, izdani su patenti za više od 100 izuma vezanih za parne turbine ili principe njihovog rada.

Turbina u industriji

Pet godina, počevši od 1884., nezavisno jedan od drugog, Šveđanin Carl Gustav de Laval i Irac Charles Parsons radili su na stvaranju industrijski pogodne parne turbine. Laval je izumio ekspandirajuću mlaznicu, koja je omogućila značajno povećanje brzine izlazne pare, a kao rezultat toga, povećala se i brzina rotacije rotora turbine.

Ali zahvaljujući Lavalovom izumu, bilo je moguće dobiti samo malu izlaznu snagu, oko 500 kW. Njegove parne turbine našle su široku upotrebu u početnoj fazi, ali su ubrzo zamijenjene snažnijim jedinicama drugih tipova.

Mlazna turbina

Istorija pronalaska parnih turbina uključuje i pronalazak Parsonsove višestepene reakcione turbine. Razlika između ovog izuma bila je niža brzina rotacije i maksimalno korištenje energije pare. Ovako značajne promjene postignute su zbog činjenice da se para postepeno širila, prolazeći kroz 15 stupnjeva u turbinskom sistemu. Tako su pronađeni radovi naučnika praktična upotreba u industriji. Ovim je završena istorija pronalaska turbina, ukratko opisujući glavne ličnosti prošlosti uključene u rešavanje ovog važnog pitanja. Od tada je Parsonsova turbina doživjela veliki broj modifikacija i poboljšanja, ali su ipak osnovni principi ostali nepromijenjeni.

Pronalazak turbina u Rusiji

Istorija pronalaska parnih turbina takođe je napisana u Rusiji. Altajski majstor Zalesov, poznat u profesionalnim krugovima, radio je u fabrici Suzunsky. Od 1803. do 1813. godine iz njegovih ruku izlazi veliki broj modela turbina. On je, kao praktičar sa velikim iskustvom, uvidio nedostatke u dizajnu parnih turbina, što je omogućilo izmjene u početnim fazama dizajn. Njegov kolega u radionici bio je pronalazač Kuzminski. Radio je u oblasti brodogradnje i aeronautičke tehnike i došao do zaključka da je neprikladna upotreba klipnog parnog stroja u brodogradnji. Kuzminski je izumio i testirao pomorsku reverzibilnu parnu turbinu svog dizajna.

Imala je malu težinu od 15 kg po jednom konjskih snaga moć. ruska istorija Pronalazak turbina, koji je ukratko opisao Kuzminski, okarakterisan je kao vrijeme kada su domaća otkrića pala u zaborav. Naravno, pronalazak parne turbine pokrenuo je novu eru u razvoju industrije i cjelokupnog društva, te poslužio kao poticaj brojnim otkrićima i dostignućima u drugim oblastima nauke. Izumi iz tih dalekih vremena koriste se i danas, iako u znatno izmijenjenom stanju. Uprkos činjenici da je nauka napravila veliki napredak, ona se u velikoj meri zasniva na principima postavljenim u dalekoj prošlosti.

Istorija razvoja automobilskih turbina datira otprilike iz istog vremena kada su izgrađeni prvi motori sa unutrašnjim sagorevanjem. Međutim, pokušaji da se stvori mehanizam nalik turbini zabilježeni su mnogo prije toga. U osvit novog milenijuma, prije oko 2000 godina, pojavili su se preci svih trenutno poznatih turbina; do danas se mogu naći u mnogim kutovima naše ogromne planete - ovo je vodeni kotač ili mlin. Princip koji je ugrađen u njih postao je osnova za budući razvoj svih turbokompresora i parnih turbina koje se koriste za proizvodnju električne energije. Oni su doslovno bili na počecima industrijske revolucije.

Prvi koji je stvorio dizajn sličan parnoj turbini bio je Heron iz Aleksandrije. Bila je to lopta koja se rotirala pod uticajem pare.

Parnu turbinu u obliku točka sa lopaticama napravio je italijanski naučnik Giovanni Branchi 1629. godine.

Ali tek krajem 19. veka, kada je tehnologija stigla dovoljan nivo, Charles Parsons i Gustaf Laval (1884 - 1889) samostalno su dizajnirali prve industrijski pogodne uređaje.

Posebnu pažnju treba posvetiti radovima Gottlieba Daimlera i Rudolfa Diesel-a. Ovi naučnici su sproveli istraživanje o povećanju izlazne snage kompresijom vazduha koji se ubacuje u komoru za sagorevanje. Njihov razvoj napravio je veliki proboj u oblasti tehnologije još 1885-1896.

Godine 1905. švicarski inženjer Alfred Büchi patentirao je svoj izum, koji je omogućio povećanje snage motora za 120%. Uspio je stvoriti mehanizam u koji se zrak upumpa izduvnim plinovima. Općenito je prihvaćeno da je upravo ovaj uređaj označio početak razvoja i implementacije turbo tehnologija.

U 19. vijeku upotreba turbina je bila ograničena na industriju brodarstva i avijacije. To je zbog činjenice da se tada povećanje snage praktikovalo samo kod velikih motora.

Tokom Prvog svetskog rata, turbine su korišćene na borbenim avionima na Renaultov pogon.

U drugoj polovini 30-ih godina, tehnologija je došla do te mjere da su inženjeri mogli stvoriti istinski uspješne modele turbina koji su omogućili povećanje granice maksimalne visine.

Najveći uspjeh u razvoju avijacije postigli su Amerikanci, koji su razvili jedinstvenu verziju turbopunjača. Godine 1938. instalirali su ih na lovce P-38 i bombardere B-17. Nekoliko godina kasnije, inženjeri su stvorili lovac R-47, koji se u početku proizvodio s turbinom. Zahvaljujući tome, krilato vozilo imalo je izvanredne karakteristike i prednosti u odnosu na druge.

Što se tiče automobilskog sektora, kamioni su prvi testirali prednosti turbo punjenja. Tvornica Swiss Machine Works Sauer preuzela je 1938. godine izradu turbo motora za njih. Društvo je ovu novinu prilično dobro prihvatilo.

Putnički automobili dobili su turbo motore mnogo kasnije. Tek 1962. godine na tržište je ušao Chevrolet Corvair Monza, a godinu dana kasnije Oldsmobile Jetfire. Uprkos očigledne prednosti, zbog nizak nivo pouzdanost modela nije bila tražena.

Upotreba turbina za povećanje snage sportskih automobila dovela ih je do širokog priznanja 70-ih godina. Konkretno, svoju primjenu su našli u Formuli 1. Nakon nekog vremena, inženjeri su došli do zaključka da je potrošnja goriva prevelika za dobijene rezultate i počeli su tražiti alternativu.

Prekretnica u razvoju turbo punjača nastupila je 1978. godine, kada je Mercedes-Benz objavio prvi model na svijetu sa dizel motorom, 300 SD. Kasnije ga je pratio VWTurbodiesel. Prednost takvih automobila bila je značajna. Proizvođači su uspjeli postići potrebnu snagu, dostići nivo benzina, uz smanjenje nivoa štetnih emisija u atmosferu.

Dizel turbina ima niže zahtjeve za otpornost na toplinu, što joj omogućava da bude jeftinija i sofisticiranija. Zbog toga se turbine najčešće nalaze na dizel automobilima, a svi novi turbo modeli su inicijalno kreirani za dizel verziju.

Krajem prošlog veka industrijska revolucija je dostigla prekretnicu u svom razvoju. Stoljeće i po ranije, parne mašine su se značajno poboljšale - mogle su raditi na bilo koju vrstu goriva i pokretati razne mehanizme. Tehničko dostignuće kao što je pronalazak dinama, koji je omogućio dobijanje električne energije u velikim količinama, imalo je veliki uticaj na poboljšanje dizajna parnih mašina. Kako su ljudske energetske potrebe rasle, tako su rasle i veličine parnih mašina, sve dok njihove dimenzije nisu bile ograničene ograničenjima mehaničke čvrstoće. Za dalji razvoj industrije bio je potreban novi način dobijanja mehaničke energije.

Ova metoda se pojavila 1884. godine, kada je Englez (1854-1931) izumio prvi turbogenerator pogodan za industrijsku upotrebu. Deset godina kasnije, Parsons je počeo proučavati mogućnost korištenja svog izuma za vozila. Nekoliko godina teškog rada okrunjeno je uspjehom: parobrod Turbinia, opremljen turbinom, postigao je brzinu od 35 čvorova - više od bilo kojeg broda u Kraljevskoj mornarici. U poređenju sa klipnim parnim mašinama koje koriste klipno klipno kretanje, turbine su kompaktnije i jednostavnijeg dizajna. Stoga, vremenom, kada snaga i efikasnost. turbine su značajno porasle, zamijenile su motore ranijih dizajna. Trenutno se u cijelom svijetu parne turbine koriste u termoelektranama kao pogoni za generatore električne struje. Što se tiče upotrebe parnih turbina kao motora za putničke brodove, njihova nepodijeljena dominacija je prestala u prvoj polovini ovog stoljeća, kada su dizel motori postali široko rasprostranjeni. Moderna parna turbina naslijedila je mnoge karakteristike prve mašine koju je izumio Parsons.

Reaktivni i aktivni principi u osnovi rada parne turbine. Prvi od njih korišten je u uređaju "aeolipil" (a), koji je izumio Heron Aleksandrijski: sfera u kojoj se nalazi para rotira zbog djelovanja reakcionih sila koje nastaju kada para izađe iz šupljih cijevi. U drugom slučaju (b), mlaz pare usmjeren na lopatice se odbija i, kao rezultat, kotač se okreće. Lopatice turbine (c) takođe odbijaju mlaz pare; osim toga, prolazeći između lopatica, para se širi i ubrzava, a rezultirajuće sile reakcije guraju lopatice.

Rad parne turbine zasniva se na dva principa stvaranja obimne sile na rotoru, poznata od davnina - reaktivnom i aktivnom. Već 130. pne. Heron Aleksandrijski izumio je uređaj pod nazivom eolipil. Bila je to šuplja sfera ispunjena parom s dvije mlaznice u obliku slova L smještene na suprotnim stranama i usmjerene u različitim smjerovima. Para je isticala iz mlaznica velikom brzinom, a zbog nastalih reakcionih sila sfera je počela da se okreće.

Drugi princip se zasniva na pretvaranju potencijalne energije pare u kinetičku energiju, koja obavlja koristan rad. To se može ilustrovati na primeru mašine Đovanija Branke, napravljene 1629. godine. U ovoj mašini mlaz pare je pokretao točak sa lopaticama, koji podseća na točak vodenog mlina.

Parna turbina koristi oba ova principa. Mlaz pare pod visokim pritiskom usmjerava se na zakrivljene lopatice (slično lopaticama ventilatora) postavljene na disk. Kada teče oko lopatica, mlaz se skreće, a disk sa lopaticama počinje da se okreće. Između lopatica para se širi i ubrzava svoje kretanje: kao rezultat, energija pritiska pare se pretvara u kinetičku energiju.

Prve turbine, poput Brancine mašine, nisu mogle razviti dovoljnu snagu jer parni kotlovi nisu bili u stanju da stvaraju visok pritisak. Prvi operativni parni strojevi Thomasa Saveryja, Thomasa Newcomena i drugih nisu zahtijevali paru pod visokim pritiskom. Steam nizak pritisak istisnuo vazduh ispod klipa i kondenzovao, stvarajući vakuum. Klip se spušta pod uticajem atmosferskog pritiska, stvarajući koristan rad. Iskustvo u konstrukciji i upotrebi parnih kotlova za ove takozvane atmosferske motore postupno je dovelo inženjere do dizajna kotlova sposobnih da generišu i izdrže pritiske koji su daleko veći od atmosferskog pritiska.

S pojavom mogućnosti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom, pronalazači su se ponovo okrenuli turbini. Isprobane su različite mogućnosti dizajna. Inženjer Richard Trevithick je 1815. godine pokušao ugraditi dvije mlaznice na rub kotača parne lokomotive i kroz njih propuštati paru iz kotla. Trevithickova ideja je propala. Pilana koju je 1837. godine izgradio William Avery u Sirakuzi (New York) bila je zasnovana na sličnom principu. Samo u Engleskoj, u 100 godina od 1784. do 1884. godine, patentirano je 200 izuma vezanih za turbine, a više od polovine ovih izuma registrovano je u dvadesetogodišnjem periodu od 1864. do 1884. godine.

Nijedan od ovih pokušaja nije rezultirao stvaranjem industrijski pogodne mašine. Ovi neuspjesi su dijelom uzrokovani nepoznavanjem fizičkih zakona koji reguliraju širenje pare. Gustoća pare je mnogo manja od gustine vode, a njena „elastičnost“ je mnogo veća, pa je brzina parnog mlaza u parnim turbinama mnogo veća od brzine vode u vodenim turbinama sa kojom su izumitelji morali dogovor. Utvrđeno je da je efikasnost turbina postaje maksimalna kada je brzina lopatica približno jednaka polovini brzine pare; Stoga su prve turbine imale vrlo velike brzine rotacije.

Veliki broj obrtaja bio je uzrok brojnih neželjenih efekata, među kojima je i opasnost od uništenja rotirajućih delova pod uticajem centrifugalnih sila. Brzina rotacije turbine mogla bi se smanjiti povećanjem prečnika diska na koji su postavljene lopatice. Međutim, to je bilo nemoguće. Potrošnja pare u ranim uređajima nije mogla biti velika, što znači da nije mogla biti velika. presjek izlaz. Zbog toga su prve eksperimentalne turbine imale mali prečnik i kratke lopatice.

Drugi problem vezan za svojstva pare izazvao je još više poteškoća. Brzina pare koja prolazi kroz mlaznicu varira proporcionalno odnosu ulaznog i izlaznog pritiska. Maksimalna vrijednost brzina u konvergentnoj mlaznici se postiže, međutim, pri omjeru pritiska od približno dva; dalje povećanje pada pritiska više ne utiče na povećanje brzine mlaza. Stoga dizajneri nisu mogli u potpunosti iskoristiti snagu pare pod visokim pritiskom: postojalo je ograničenje količine energije pohranjene u pari pod visokim pritiskom koja se mogla pretvoriti u kinetičku energiju i prenijeti na lopatice. Godine 1889. švedski inženjer Carl Gustav de Laval koristio je mlaznicu koja se širila na izlazu. Takva mlaznica omogućila je postizanje mnogo većih brzina pare, a kao rezultat toga, brzina rotora u Laval turbini se značajno povećala.

Parsons je stvorio fundamentalno novi dizajn turbine. Odlikovao se manjom brzinom rotacije, a istovremeno je maksimalno koristio energiju pare. To je postignuto zahvaljujući činjenici da se para u Parsons turbini postepeno širila dok je prolazila kroz 15 stupnjeva, od kojih je svaki bio par rubova lopatica: jedan fiksni (sa lopaticama za vođenje pričvršćene na tijelo turbine), drugi pokretni ( sa radnim noževima). na disku montiranom na rotirajućoj osovini). Oštrice fiksnog i pokretnog oboda bile su orijentirane u suprotnim smjerovima, tj. tako da kada bi obje krune bile pokretne, para bi ih natjerala da se rotiraju u različitim smjerovima.

Obod lopatica turbine su bili bakreni prstenovi sa lopaticama pričvršćenim u prorezima pod uglom od 45°. Pomični naplatci bili su pričvršćeni na osovinu, fiksni su se sastojali od dvije polovice, čvrsto povezane s tijelom (gornja polovica tijela je uklonjena).

Naizmjenični pokretni i fiksni rubovi lopatica (a) postavljaju smjer kretanja pare. Prolazeći između fiksnih lopatica, para se širila, ubrzavala i usmjeravala se na pokretne lopatice. Ovdje se para također širila, stvarajući silu koja je gurala oštrice. Smjer kretanja pare prikazan je na jednom od 15 pari naplataka (b).

Para usmjerena na stacionarne lopatice širila se u međulopatskim kanalima, njena brzina se povećavala, a odbijala se tako da je padala na pokretne lopatice i prisiljavala ih da se rotiraju. U međulopatskim kanalima pokretnih lopatica para se također širila, na izlazu se stvarao ubrzani mlaz, a rezultirajuća reaktivna sila gurala je lopatice.

Uz mnoge pokretne i stacionarne naplatke noževa, velike brzine rotacije postale su nepotrebne. Na svakom od 30 rubova višestepene Parsonsove turbine, para se lagano širila, gubeći dio svoje kinetičke energije. U svakoj fazi (par felgi) pritisak je pao za samo 10%, a maksimalna brzina pare kao rezultat je bila jednaka 1/5 brzine mlaza u turbini sa jednim stepenom. Parsons je vjerovao da se s tako malim padom tlaka para može smatrati tečnošću niske kompresije sličnom vodi. Ova pretpostavka mu je dala priliku da visok stepen precizno izračunati brzinu pare, efikasnost. turbina i oblika lopatica. Ideja o stepenastom širenju pare, koja je u osnovi dizajna modernih turbina, bila je samo jedna od mnogih originalnih ideja koje je utjelovio Parsons.

Drugi izum bio je novi tip ležaja dizajniran posebno za brzo rotirajuću osovinu. Iako je Parsons uspio smanjiti brzinu rotacije turbine, ona je i dalje ostala deset puta veća od brzine drugih motora. Stoga je pronalazač morao da se suoči sa fenomenom poznatim kao „isticanje osovine“. Već tada se znalo da svaka osovina ima svoju karakterističnu kritičnu brzinu rotacije, pri kojoj čak i mala neravnoteža stvara značajnu silu savijanja. Pokazalo se da je kritična brzina rotacije povezana sa prirodnom frekvencijom poprečnih vibracija osovine (na toj frekvenciji osovina počinje da rezonira i kolapsira). Parsons i de Laval su nezavisno otkrili da se pri brzinama iznad kritične, osovina stalno rotira. Uprkos tome, blagi disbalans je ipak doveo do odstupanja osovine od ravnotežnog položaja. Stoga, kako bi se izbjeglo oštećenje vratila, treba ga ugraditi u ležajeve koji bi omogućili njegove male bočne pomake.

Parsons je prvo pokušao koristiti običan ležaj postavljen na opruge, ali je otkrio da ovaj dizajn samo povećava vibracije. Na kraju je smislio ležaj koji se sastojao od niza prstenova. Parsons je koristio dvije veličine prstena: jedan koji je dobro pristajao uz unutrašnju školjku ležaja (kroz koju je prolazilo vratilo), ali nije dodirivao kućište; smjenjivali su se s drugim prstenovima koji su čvrsto prianjali uz tijelo bez dodirivanja obloge. Cijeli sistem prstenova bio je sabijen u uzdužnom smjeru oprugom. Ovaj dizajn je omogućio male bočne pomake osovine i istovremeno potisnuo vibracije zbog trenja između dvije vrste podloški.

Ležaj na osovini omogućio je male bočne pomake vratila, ali je prigušio vibracije. Sastojao se od naizmjeničnih prstenova: neki su čvrsto pokrivali košuljicu (unutar koje je prolazila osovina) bez dodirivanja tijela turbine, drugi su bili čvrsto pritisnuti uz tijelo bez dodirivanja košuljice. Cijeli set prstenova je pritisnut oprugom. Pumpa sa vijkom (lijevo) gurnula je ulje (žuto) u ležaj.

Ovaj dizajn je uspješno funkcionisao, a oni koji su vidjeli primjer turbine prikazan na izložbi pronalazača u Londonu 1885. primijetili su kako je bila glatka u poređenju s drugim parnim mašinama tog vremena. Potonji je toliko uzdrmao temelj da su se vibracije osjetile čak i na znatnoj udaljenosti od automobila.

Parsonsov turbinski generator, izgrađen 1884. godine, bila je prva parna cijev koja se koristila u industriji. Para visokog pritiska ulazila je u turbinu kroz pravougaoni otvor koji se nalazi blizu sredine osovine. Ovdje je bio podijeljen i usmjeren na suprotne krajeve osovine, prolazeći kroz krune lopatica. Para koja se širi rotirala je pokretne (radne) prstenove čvrsto postavljene na središnju osovinu. Između pomičnih prstenova nalazili su se rubovi fiksnih lopatica postavljenih na unutrašnju površinu kućišta turbine. Fiksne lopatice usmjeravaju paru na lopatice pokretnih kotača.
U prostoru između lopatica svakog točka, para se širila. Princip višestepene ekspanzije pare omogućio je Parsonsu da u potpunosti iskoristi energiju pare pod visokim pritiskom i izbjegne veliki broj rpm Osovina je okrenula dinamo, odnosno električni generator (desno).

U Parsonsovoj turbini para je dovođena kroz kontrolni ventil u srednji dio osovine. Ovdje je tok pare bio podijeljen i prolazio kroz dva kanala: jedan je para tekao do lijevog kraja okna, drugi do desnog kraja.Zapremina pare u oba kanala je bila ista. Svaki mlaz je prolazio kroz rubove lopatica turbine.

Jedna od prednosti koju je cijepanje protoka pružilo bila je ta što su uzdužne (aksijalne) sile nastale pritiskom pare na lopatice turbine bile tačno izbalansirane. Dakle, nije bilo potrebe za potisnim (aksijalnim) ležajem. Opisani dizajn se koristi u mnogim modernim parnim turbinama.

Pa ipak, Parsonsova prva višestepena turbina razvila je veliku brzinu - 18.000 o/min. Pri takvim brzinama centrifugalna sila koja je djelovala na lopatice turbine bila je 13 tisuća puta veća od sile gravitacije. Kako bi smanjio rizik od lomljenja rotirajućih dijelova, Parsons je razvio vrlo jednostavan dizajn: svaki disk je napravljen od čvrstog bakrenog prstena; žljebovi u koje se uklapaju oštrice nalazili su se po obodu diska i bili su prorezi orijentirani pod uglom od 45°. Pokretni diskovi su montirani na osovinu i fiksirani na njenom izbočenju. Fiksni naplatci sastojali su se od dva poluprstena, koji su bili pričvršćeni na gornji i donji dio kućišta turbine. Povećanje zapremine pare tokom njenog stepenastog širenja zahtevalo je da se dužina lopatica duž toka pare sukcesivno povećava tri puta - sa 5 na 7 mm. Rubovi lopatica su zakošeni kako bi se poboljšale karakteristike mlaza.

Problem smanjenja brzine rotacije osovine doveo je do drugih izuma. Brzine su bile toliko velike da je bilo nemoguće riješiti ovaj problem korištenjem mehanizama prijenosa koji su postojali u to vrijeme (poput zupčanika). Također je bilo nemoguće koristiti jednostavan centrifugalni regulator, koji se koristio na parnim strojevima ranijih dizajna: kuglice regulatora bi jednostavno bile otrgnute centrifugalnom silom. Parsons je razvio potpuno novi tip regulatora. Na osovinu turbine postavio je centrifugalni ventilator povezan sa sistemom cijevi koje sadrže zrak. Rotirajući ventilator usisavao je zrak iz cijevi, stvarajući u njima vakuum. Na ovaj vakuum je reagovala kožna dijafragma koja se nalazi na drugoj strani sistema cevi i povezana sa kontrolnim ventilom koji je kontrolisao dovod pare u turbinu. Ako se brzina rotacije turbine povećala, vakuum zraka u cijevima se povećao i dijafragma se više savijala; kao rezultat toga, ventil spojen na membranu smanjio je dovod pare u turbinu i njena rotacija se usporila.

Regulator je radio dobro, ali nije bio previše osjetljiv. Parsonsova turbina pokretala je dinamo (električni generator). U vrijeme kada je Parsons napravio svoju turbinu, jedna sijalica sa žarnom niti koštala je čak četvrt tone uglja. Da lampe ne bi pregorele prilikom naglih promena električne struje (što se često dešavalo ako su se koristile parne mašine), dinamo je morao da obezbedi konstantan napon sa tačnošću od 1-2%. U tu svrhu, Parsons je opremio svoju turbinu posebnim mehanizmom za precizno podešavanje koji je direktno reagirao na promjene napona na dinamu.

Napon na namotu dinamo proporcionalan je jačini magnetskog polja stvorenog na polovima. Parsons je napravio klackalicu od mekog gvožđa i pričvrstio je preko stubova dinama, pričvrstivši na nju oprugu. Rocker, savladavajući otpor opruge, nastojao je da se okrene u pravcu magnetskog polja; ugao rotacije direktno je zavisio od jačine polja, što je zauzvrat bilo povezano sa naponom na namotajima dinamo. Bakarni ventil okrenut zajedno sa klackalicom. Ovisno o svom položaju, centrifugalnim ventilatorom je manje-više prekrivao otvor cijevi uključene u sistem regulatora,

Ako se jačina magnetskog polja povećala, ventil je počeo postupno blokirati otvor cijevi. Ovo je smanjilo pristup vazduha u sistem regulatora i povećalo vakuum koji stvara centrifugalni ventilator. U isto vrijeme, kožna membrana se savijala i kontrolni ventil je smanjio dovod pare u turbinu. Tako je brzina vrtnje turbine ovisila o naponu na namotajima dinamo. Parsonsov mehanizam finog podešavanja bio je jedan od prvih servo - povratnih uređaja koji kontroliraju protok velika količina energije, trošeći njen mali dio.

Para visokog pritiska (tamno crvena) se uvodi kroz otvor na sredini osovine i prolazi kroz rubove oštrice do oba kraja osovine. Izduvna para (svijetlocrvena) ulazi u dvije šupljine povezane izlaznim kanalom na dnu kućišta. Još dalje od centra duž osovine osovine nalaze se još dvije šupljine povezane kanalom u gornjem dijelu kućišta; održavaju djelomični vakuum (plavo).

Spojnice, koje su čvrsto pritisnute na unutrašnju površinu kućišta zbog razlike pritisaka između šupljina sa izduvnom parom i delimičnim vakuumom, ne dozvoljavaju izduvnoj pari da izađe kroz otvore na površini rotacionog vratila. Podmazivanje se vrši pomoću vijčane pumpe (lijevo), koja potiskuje ulje (žuto) u ležaj na osovini i na druge ležajeve. Ulje dolazi do središnjih ležajeva kroz kanal unutar osovine dinamo (u sredini i desno). Regulator koristi centrifugalni ventilator (lijevo) za stvaranje vakuuma (plavo) u sistemu cijevi. Kožna membrana spojena na ventil koji regulira dovod pare u turbinu privlači ih kada postoji vakuum u cijevima.

Mehanizam za fino podešavanje nalazi se na vrhu dinamo. Ovaj mehanizam mijenja protok zraka u sustav cijevi u zavisnosti od napona na namotajima dinamo. Pod uticajem vakuuma stvorenog u vazdušnim cevima, ulje iz ležajeva teče nazad u vertikalni rezervoar (levo).

Centrifugalni ventilator, koji zauzima centralno mjesto u Parsonsovom regulatoru, također je igrao važnu ulogu u sistemu podmazivanja. Velika brzina rotacije osovine turbine zahtijevala je apsolutno pouzdano podmazivanje. Na kraju osovine, Parsons je pričvrstio spiralnu spiralu, koja je bila uronjena u rezervoar ulja i obezbeđivala mazivo za ležajeve na osovini. Cijevi su prenosile ulje do krajnjeg kraja osovine gdje se nalazio dinamo, a kanal unutar osovine dinamo nosio je ulje do središnjih ležajeva i hladio unutrašnje dijelove dinama. Pod uticajem gravitacije ulje se vratilo u centralnu jedinicu. Glavni rezervoar ulja bio je povezan vertikalnom cevi sa sistemom vazdušnih cevi koje se nalaze direktno na ventilatoru. Vakum koji je stvorio ventilator doveo je do protoka ulja iz centralne jedinice nazad u rezervoar za ulje, tako da je nivo ulja bio dovoljan za rad vijčane pumpe.

Još jedan Parsonsov izum, koji se također koristio u modernim turbinama, bio je metod za uklanjanje curenja pare kroz praznine između osovine i kućišta turbine. Svaki pokušaj da se napravi spojnica koja čvrsto priliježe osovini bio bi neuspješan, jer bi se pri kritičnoj brzini rotacije za vrijeme ubrzanja stvorilo veliko trenje kao rezultat udaranja. Spojnica koju je dizajnirao Parsons čvrsto pristaje na osovinu i istovremeno omogućava blagi pomak. Kada je radna brzina postignuta, spojnica je djelovala kao pouzdana brtva, zadržavajući izduvnu paru unutar kućišta turbine.

Čim je turbina dostigla radne brzine, spojnica je bila čvrsto pritisnuta uz osovinu pod utjecajem razlike tlaka između izlazne cijevi i komore u kojoj se održavao djelomični vakuum. Izduvna para je dolazila iz dvije šupljine (po jedna na svakom kraju osovine) kroz izlazni kanal na dnu kućišta turbine. Druge dvije šupljine bile su locirane dalje od sredine osovine od svake izlazne šupljine. Ove vanjske šupljine povezivao je kanal u gornjem dijelu tijela. Unutar svake od dvije unutrašnje šupljine, Parsons je postavio spojnicu koja čvrsto zatvara osovinu. Da bi održao djelomični vakuum u vanjskim šupljinama, Parsons je koristio parnu mlaznu pumpu. Pri malom broju okretaja turbine spojnice su se slobodno okretale zajedno s osovinom. Po dostizanju radne brzine nastala je razlika u pritisku između unutrašnjih šupljina (u koje je ušla izduvna para iz turbine) i vanjskih šupljina (gdje se održavao djelomični vakuum). Pod uticajem razlike pritisaka, spojnice su čvrsto pritisnute uz telo turbine i odvojile su šupljine jedna od druge.

U kojim uslovima je nastao Parsonsov talenat, zahvaljujući kojima je uspeo da savlada poteškoće na putu stvaranja turbine? Parsons je bio najmlađi sin u porodici koja je dobila zemljište u Birri, okrug Offaly, Irska. Njegov otac, treći grof od Rosa, bio je talentovan naučnik. Dao je veliki doprinos tehnologiji livenja i brušenja velikih ogledala za teleskope. Godine 1845. u radionici na svom imanju sagradio je reflektirajući teleskop, koji je nekoliko decenija ostao najveći teleskop na svijetu. Koristeći ovaj teleskop, Parsons stariji je otkrio brojne spiralne magline. Od 1849. do 1854. bio je predsjednik Kraljevskog društva u Londonu. Kao član parlamenta, da bi prisustvovao sastancima, kupio je kuću u Londonu. Ovdje je dio godine živjela cijela porodica, priređujući prijeme na koje su pozivani predstavnici naučne zajednice.

Parsonovi nisu slali svoju djecu u školu. Njihovi učitelji bili su astronomi, koje je grof pozivao na noćna posmatranja pomoću teleskopa; Tokom dana, ovi naučnici su podučavali djecu. Djeca su također snažno podsticana da se uključe u kućne radionice. Zanat sa kojim je Čarls bio upoznat od detinjstva, odigrao je izuzetno važnu ulogu u periodu kada je napravio svoju turbinu.

Charles je upisao Trinity College u Dublinu, a zatim se preselio na St. John's College na Univerzitetu Cambridge, na kojem je diplomirao 1877. Studirao je matematiku pod vodstvom Edwarda E. Root-a, koji je u to vrijeme proučavao uslove za konzervaciju ravnomjerno kretanje, posebno korištenjem raznih mehaničkih regulatora za ove svrhe.

Sve do tog vremena, Parsons je uživao u prednostima svog privilegovanog odgoja. Prekretnica u njegovom bogatstvu nastupila je kada je postao šegrt kod Georgea Armstronga, poznatog proizvođača pomorskih oružja, i počeo da radi u njegovoj fabrici Elswick u Newcastle-upon-Tyneu. Razlozi koji su naveli Parsonsa na takvu odluku ostali su nepoznati: u to vrijeme djeca iz bogatih porodica rijetko su birala karijeru inženjera.

Parsons je stekao reputaciju Armstrongovog najvrijednijeg učenika. Tokom pripravničkog staža dobio je dozvolu da radi na najnovijoj inovaciji - parnoj mašini sa rotirajućim cilindrima - i to između 1877. i 1882. godine. Patentirao nekoliko svojih izuma. Ako se ovi patenti ispitaju, može se ustanoviti da je on ideju podmazivanja pod pritiskom koristio deceniju ranije od A. Paynea, koji je poznat po svojim izumima u ovoj oblasti. Prije Parsonsa, za podmazivanje ležajeva su se koristile kapaljke, tako da su ležajevi zahtijevali stalni nadzor. Ideja prisilnog podmazivanja odigrala je izuzetnu ulogu u stvaranju strojeva velike brzine, posebno turbina

Na ideju o stvaranju turbine Parsons je, očigledno, došao dok je još bio student. Lord Rayleigh prepričava riječi jednog od Parsonsovih poznanika na Kembridžu, kojem je budući pronalazač pokazao papirni motor za igračke: kada je Parsons dunuo na točkove igračke, oni su se rotirali. Parsons je rekao da će brzina rotacije ove mašine biti "deset puta više od bilo kojeg drugog."

Parsons je počeo provoditi svoje prve prave eksperimente s turbinama dok je radio za Armstronga. Od 1881. do 1883. godine, tj. Odmah nakon stažiranja, sarađivao je sa Jamesom Kilsonom na razvoju torpeda na plin. Armstrong je uveliko bio uključen u proizvodnju pomorsko oružje i vjerovatno je podržao napore za razvoj novog tipa pogona torpeda. Posebnost ovog pogonskog uređaja bila je u tome što je goruće gorivo stvaralo mlaz plina pod visokim pritiskom. Mlaz je udario u impeler, uzrokujući njegovo rotiranje. Propeler je zauzvrat rotirao propeler torpeda.

IN sveske Ne postoji eksplicitna naznaka Parsonsovog dizajna impelera, ali se neka ideja o tome može steći ispitivanjem malog čamca koji je Parsons napravio od lima bakra. Čamac je pokretao trokraki propeler smješten ispod trupa. Vijak se nalazio unutar velikog prstena sa 44 spiralna utora. Gas koji je izlazio u mlazu prolazio je kroz ove proreze, a zbog sile stvorene kada je protok bio skrenut, prsten je počeo da se okreće. Propeler se okretao zajedno s njim, gurajući čamac naprijed.

Dakle, Parsons je izvodio svoje rane eksperimente sa gasnim turbinama, a ne parnim turbinama. Prestao je da radi na njima 1883. godine, iako njegov patent iz 1884. opisuje savremeni radni ciklus gasne turbine. On je naknadno dao objašnjenje za to.

"Eksperimenti izvedeni prije mnogo godina - napisao je, - a dijelom i sa ciljem provjere realnosti plinske turbine, uvjerio me da bi s metalima koje smo imali na raspolaganju... bila greška koristiti vrući mlaz plinova - bilo u čistom obliku ili pomiješan sa voda - za pokretanje oštrica u rotaciju ili trajekt."

Ovo je bilo dalekovidno zapažanje: tek deset godina nakon Parsonsove smrti bili su dostupni metali pogodni za izradu gasnih turbina.

Početkom 1884. Parsons je postao mlađi partner u firmi Clarke Chapman and Company. Nastanivši se u Gatesheadu, počeo je projektirati parnu turbinu. Njegove bilješke iz eksperimenata o stvaranju torpeda iz avgusta 1883. ukazuju da u to vrijeme još nije došao na ideju o potrebi da se brzina rotacije lopatica dovede do brzine gasnog mlaza. Ni problem stvaranja mlaznice sa velikim omjerom tlaka na ulazu i izlazu nije mu zaokupio pažnju. Ali već u aprilu 1884. izdaje dva preliminarna patenta, au oktobru i novembru iste godine daje Puni opis izumi.

Bio je to nevjerovatno produktivan period za Parsonsa. Ne samo da je morao da eksperimentiše sa osovinama velike brzine i drugim delovima turbine, već i da razmišlja o mogućim načinima korišćenja energije svoje mašine. Sa brzinom rotacije od 18.000 o/min, nije se mogao koristiti u uobičajene svrhe. Parsons je odlučio stvoriti dinamo koji pokreće turbina pri velikim brzinama koje malo modernih električnih mašina može postići. Nakon toga, Parsons je često ponavljao da je ovaj izum važan kao i stvaranje same turbine. Prije danas Glavna primjena parne turbine ostaje za pogon električnih generatora.

RANE parne turbine nisu bile naročito efikasne. Sve dok njihova izlazna snaga nije mogla da bude jednaka efikasnosti konvencionalnih parnih mašina, morali su da budu privlačni kupcima kroz druge karakteristike. Takve atraktivne karakteristike postale su njihove male veličine, stabilnost električnog napona, pouzdan rad u nedostatku kontrole i niski operativni troškovi. Prva turbina je imala sve ove karakteristike.

U novembru 1884. godine, kada je stvorena prva turbina, časni Charles A. Parsons imao je samo 30 godina. Inženjerski genij i instinkt za potrebe tržišta sami po sebi nisu bili dovoljan uslov da njegova zamisao uspješno uđe u život. Parsons je u nekoliko faza morao da ulaže sopstvena sredstva kako urađeni posao ne bi bio uzaludan. Tokom suđenja 1898. da bi se produžio vijek trajanja nekih od svojih patenata, otkriveno je da je Parsons potrošio lični novac u iznosu od 1.107 funti, 13 šilinga i 10 penija za stvaranje turbine.

"Turbinia" je prvi parobrod sa turbinskim motorom. Pokrenut je 1894. godine.
Parobrod je razvio rekordnu brzinu do 35 čvorova.
Nakon toga, turbine su se počele koristiti na velikim brodovima.