انرژی. اختراع توربین های بخار

یک ظرف فلزی بسته (دیگ) را تصور کنید که تا حدی پر از آب است. اگر زیر آن آتش روشن شود، آب شروع به گرم شدن می کند و سپس می جوشد و به بخار تبدیل می شود. فشار داخل دیگ افزایش می یابد و اگر دیواره های آن به اندازه کافی محکم نباشد ممکن است حتی منفجر شود. این نشان می دهد که یک ذخیره انرژی در این جفت جمع شده است که در نهایت خود را به صورت یک انفجار نشان می دهد. آیا می توان بخار برای انجام کارهای مفید ساخت؟ این سوال برای مدت طولانی دانشمندان را به خود مشغول کرده است. تاریخ علم و فناوری چیزهای زیادی می داند اختراعات جالبکه در آن شخص به دنبال استفاده از انرژی بخار بود. برخی از این اختراعات مفید بودند، برخی دیگر ابزاری صرف بودند، اما حداقل دو اختراع را باید بزرگ نامید. آنها تمام دوره های توسعه علم و فناوری را مشخص می کنند. این اختراعات بزرگ موتور بخار و توربین بخار هستند. موتور بخار که در نیمه دوم قرن هجدهم کاربرد صنعتی پیدا کرد، انقلابی در تکنولوژی ایجاد کرد. به سرعت به موتور اصلی مورد استفاده در صنعت و حمل و نقل تبدیل شد. ولی در اواخر نوزدهمو آغاز قرن بیستم. قدرت و سرعت قابل دستیابی موتور بخار قبلاً ناکافی شده بود.

نیاز به ساخت نیروگاه های بزرگ بود که نیاز به یک موتور قدرتمند و پرسرعت داشت. توربین بخار به چنین موتوری تبدیل شد که می توان آن را برای قدرت عظیم با سرعت بالا ساخت. توربین بخار به سرعت جایگزین موتور بخار نیروگاه ها و کشتی های بخار بزرگ شد.

تاریخچه ایجاد و بهبود توربین بخار مانند هر اختراع بزرگی با نام افراد زیادی همراه است. علاوه بر این، همانطور که معمولاً اتفاق می افتد، اصل اساسی عملکرد توربین مدت ها قبل از اینکه سطح علم و فناوری اجازه ساخت توربین را بدهد شناخته شده بود.

اصل کار یک موتور بخار استفاده از خواص کشسانی بخار است. بخار به طور دوره ای وارد سیلندر می شود و با انبساط، با حرکت پیستون کار می کند. اصل عملکرد یک توربین بخار متفاوت است. در اینجا بخار منبسط می شود و انرژی پتانسیل انباشته شده در دیگ به انرژی پرسرعت (جنبشی) تبدیل می شود. به نوبه خود، انرژی جنبشی جت بخار به انرژی مکانیکی چرخش چرخ توربین تبدیل می شود.

تاریخچه توسعه توربین با توپ هرون اسکندریه و چرخ برانکا آغاز می شود. امکان استفاده از انرژی بخار برای ایجاد حرکت مکانیکی توسط دانشمند مشهور یونانی Hero of Alexandria بیش از 2000 سال پیش مورد توجه قرار گرفت. او وسیله ای به نام توپ هرون ساخت (شکل 1).

توپ می توانست آزادانه در دو تکیه گاه ساخته شده از لوله بچرخد. از طریق این تکیه گاه ها، بخار دیگ بخار وارد توپ شده و سپس از طریق دو لوله خم شده در زوایای قائم به جو خارج می شود. توپ تحت تأثیر نیروهای واکنشی ناشی از خروج جت های بخار چرخید.

پروژه دیگری در کار محقق ایتالیایی جیووانی برانکا (1629) شرح داده شده است. AT قسمت فوقانیلوله وارد دیگ بخار می شود (شکل 2).

از آنجایی که فشار بخار داخل دیگ بیشتر از فشار هوای اتمسفر اطراف دیگ است، بخار به سرعت از لوله خارج می شود.

یک جت بخار از انتهای آزاد لوله پرتاب می شود و با افتادن روی تیغه های چرخ، آن را به چرخش در می آورد.

مدل هرون و چرخ برانکا موتور نبودند، اما قبلاً راه‌های ممکن برای دستیابی به حرکت مکانیکی را به دلیل انرژی بخار محرک نشان می‌دادند.

در اصول عملکرد توپ هرون و چرخ برانکا تفاوت وجود دارد. همانطور که قبلاً گفته شد توپ هرون تحت تأثیر نیروهای واکنشی می چرخد. اینها همان نیروهایی هستند که موشک را هل می دهند. از مکانیک مشخص شده است که یک جت که تحت تأثیر فشار از یک کشتی بیرون رانده می شود، به نوبه خود در جهت مخالف جهت خروجی بر روی کشتی فشار می آورد. این امر بر اساس قانون سوم نیوتن بدیهی است که بر اساس آن نیرویی که جت را به بیرون می راند باید از جهت نیروی واکنش جت به کشتی برابر و مخالف جهت آن باشد.

در توربین برانکا، انرژی پتانسیل بخار ابتدا به انرژی جنبشی جتی که از لوله می زند تبدیل می شود. سپس وقتی جت به تیغه های چرخ برخورد کرد، آن را جدا کنید انرژی جنبشیبخار به انرژی مکانیکی چرخش چرخ تبدیل می شود.

اگر توپ هرون توسط نیروهای واکنشی حرکت داده شود، در پروانه برانکا از اصل فعال استفاده می شود، زیرا چرخ از جت فعال انرژی می گیرد.

بزرگترین تغییر در طراحی توربین بخار و توسعه بیشتر آن در پایان قرن قبل از گذشته، زمانی که در سوئد مهندس شد، مشخص شد. گوستاو لاوال و در انگلستان چارلز پارسونز به طور مستقل شروع به کار بر روی ایجاد و بهبود توربین بخار کردند. نتایجی که آنها به دست آوردند به توربین بخار اجازه داد تا در نهایت به نوع اصلی موتور برای محرک ژنراتورها تبدیل شود. جریان الکتریسیتهو به طور گسترده به عنوان موتور برای کشتی های غیر نظامی و نظامی استفاده می شود. در توربین بخار لاوال که در سال 1883 ایجاد شد، بخار وارد یک یا چند نازل که به صورت موازی به هم متصل شده اند، سرعت قابل توجهی در آنها به دست می آورد و به سمت پره های روتور واقع در لبه دیسک که روی شفت توربین قرار دارند هدایت می شود و شبکه ای را تشکیل می دهد. کانال های کاری

نیروهای ناشی از چرخش جت بخار در کانال های رنده کاری، دیسک و شفت توربین مرتبط با آن را می چرخاند. از ویژگی های بارز این توربین این است که انبساط بخار در نازل ها از فشار اولیه به فشار نهایی در یک مرحله اتفاق می افتد که منجر به دبی بخار بسیار بالا می شود. تبدیل انرژی جنبشی بخار به انرژی مکانیکی بدون انبساط بیشتر بخار، تنها به دلیل تغییر جهت جریان در کانال های تیغه اتفاق می افتد.

توربین هایی که بر اساس این اصل ساخته می شوند، یعنی. توربین هایی که در آنها کل فرآیند انبساط بخار و شتاب جریان بخار مربوط به آن در نازل های ثابت اتفاق می افتد، توربین های فعال نامیده می شوند.

در توسعه توربین‌های تک مرحله‌ای فعال، تعدادی از مسائل پیچیده حل شد که دارای یک فوق العاده بود پراهمیتبرای پیشرفتهای بعدیتوربین های بخار از نازل های منبسط کننده استفاده شده است که امکان انبساط بیشتر بخار را فراهم می کند و دستیابی به سرعت های جریان بخار بالا (1200-1500 متر بر ثانیه) را ممکن می سازد. برای استفاده بهتر از نرخ جریان بخار بالا، لاوال یک طراحی دیسک با مقاومت برابر ایجاد کرد که امکان کار در سرعت های محیطی بالا (350 متر بر ثانیه) را فراهم می کرد. در نهایت، چنین سرعت های بالایی (تا 32000 دور در دقیقه) در یک توربین فعال تک مرحله ای استفاده شد که بسیار بیشتر از سرعت موتورهای رایج در آن زمان بود. این امر منجر به اختراع یک شفت انعطاف پذیر شد که فرکانس ارتعاشات آزاد آن کمتر از فرکانس نیروهای مزاحم در سرعت عملکرد است.

علیرغم تعدادی از راه حل های طراحی جدید مورد استفاده در توربین های فعال تک مرحله ای، راندمان آنها پایین بود. علاوه بر این، نیاز به استفاده از چرخ دنده کاهش برای کاهش سرعت محور محرک به سرعت ماشین محرک نیز مانع توسعه توربین های تک مرحله ای در آن زمان و به ویژه افزایش قدرت آنها شد. بنابراین، توربین های لاوال، که در ابتدای توسعه ساخت توربین به عنوان واحدهایی با قدرت کوچک (تا 500 کیلووات) توزیع قابل توجهی دریافت کردند، بعداً جای خود را به انواع دیگر توربین ها دادند.

توربین بخار که در سال 1884 توسط پارسونز پیشنهاد شد، تفاوت اساسی با توربین لاوال دارد. انبساط بخار در آن نه در یک گروه نازل، بلکه در تعدادی از مراحل متوالی انجام می شود که هر یک از پره های راهنمای ثابت (آرایه های نازل) و تیغه های چرخان تشکیل شده است.

پره های راهنما در محفظه ثابت توربین ثابت می شوند، تیغه های کار در ردیف هایی روی درام قرار می گیرند. در هر مرحله از چنین توربین، اختلاف فشاری ایجاد می شود که تنها کسری کوچک از اختلاف فشار کل بین فشار بخار تازه و فشار بخار خروجی از توربین است. بنابراین، معلوم شد که کار با نرخ جریان بخار کم در هر مرحله و با سرعت محیطی کمتر پره های روتور نسبت به توربین لاوال امکان پذیر است. علاوه بر این، انبساط بخار در مراحل توربین پارسونز نه تنها در نازل، بلکه در شبکه کار نیز رخ می دهد. بنابراین، نیروها به پره‌های روتور منتقل می‌شوند که نه تنها در اثر تغییر جهت جریان بخار، بلکه در اثر شتاب بخار در داخل رنده کار ایجاد می‌شود که باعث ایجاد نیروی واکنشی بر روی پره‌های روتور توربین می‌شود.

مراحل توربین که از انبساط بخار و شتاب ناشی از جریان بخار در کانال های پره های روتور استفاده می کنند، مراحل جت نامیده می شوند. بنابراین، در شکل نشان داده شده است. توربین 4 نماینده معمولی توربین های بخار جت چند مرحله ای بود.

اصل اتصال متوالی مراحل، که هر یک از آنها تنها از بخشی از اختلاف حرارتی موجود استفاده می کند، برای توسعه بعدی توربین های بخار بسیار مثمر ثمر بود. دستیابی به راندمان بالا در توربین در سرعت های متوسط ​​روتور توربین امکان پذیر است و امکان اتصال مستقیم شفت توربین به شفت ژنراتور جریان الکتریکی را فراهم می کند. همین اصل امکان ساخت توربین هایی با قدرت بسیار بالا را فراهم می کند که در یک واحد به چند ده و حتی صدها هزار کیلووات می رسد.

توربین های جت چند مرحله ای در حال حاضر به طور گسترده ای هم در تاسیسات ثابت و هم در ناوگان استفاده می شوند.

توسعه توربین های بخار فعال نیز در امتداد مسیر گسترش متوالی بخار نه در یک، بلکه در تعدادی از مراحل قرار گرفته است. در این توربین ها تعدادی از دیسک های نصب شده بر روی یک شفت مشترک توسط پارتیشن هایی به نام دیافراگم از هم جدا می شوند که آرایه های نازل ثابت در آنها قرار دارند. در هر یک از مراحل ساخته شده، بخار در کسری از کل تلفات حرارتی موجود منبسط می شود. در گریت های کاری، تنها انرژی جنبشی جریان بخار بدون انبساط اضافی بخار در کانال های تیغه های کار تبدیل می شود. توربین های چند مرحله ای فعال به طور گسترده ای در تاسیسات ثابت استفاده می شوند، همچنین از آنها به عنوان موتورهای دریایی استفاده می شود.

همراه با توربین هایی که در آنها بخار در جهت محور شفت توربین (محوری) حرکت می کند، طرح هایی از توربین های شعاعی ایجاد شد که در آنها بخار در صفحه ای عمود بر محور توربین جریان می یابد. از میان دومی، جالب ترین توربین شعاعی است که در سال 1912 توسط برادران یونگستروم در سوئد پیشنهاد شد.

برنج.

1،2 - دیسک های توربین؛ 3 - خطوط لوله بخار زنده; 4، 5 - شفت توربین؛ 6، 7 - تیغه های مراحل میانی

در سطوح جانبی دیسک‌های 1 و 2، تیغه‌های مراحل جت در حلقه‌هایی با قطر به تدریج در حال افزایش قرار دارند. بخار از طریق لوله های 3 به توربین می رسد و سپس از طریق سوراخ های دیسک 1 و 2 به محفظه مرکزی هدایت می شود. از اینجا از طریق کانال های تیغه های 6 و 7 که بر روی هر دو دیسک نصب شده اند به سمت حاشیه جریان می یابد. برخلاف طرح های معمولی، توربین یونگستروم دارای آرایه های نازل ثابت یا پره های راهنما نیست. هر دو دیسک در جهت مخالف می چرخند، به طوری که نیروی توسعه یافته توسط توربین باید توسط شفت های 4 و 5 منتقل شود. اصل چرخش مخالف روتورها باعث می شود که توربین بسیار فشرده و اقتصادی ساخته شود.

از اوایل دهه 1990، توسعه توربین های بخار فوق العاده سریع بوده است. این پیشرفت تا حد زیادی توسط همان توسعه موازی سریع ماشین های الکتریکی و معرفی گسترده انرژی الکتریکی به صنعت تعیین شد. راندمان توربین بخار و توان آن در یک واحد رسیده است ارزش های بالا. از نظر قدرت، توربین ها بدون استثنا از همه انواع موتورهای دیگر فراتر رفتند. توربین هایی با ظرفیت 500 مگاوات در ارتباط با مولد جریان الکتریکی وجود دارد و امکان ساخت واحدهای حتی قدرتمندتر حداقل تا 1000 مگاوات ثابت شده است.

در توسعه ساخت توربین بخار، مراحل مختلفی را می توان ذکر کرد که بر طراحی توربین های ساخته شده در دوره های زمانی مختلف تأثیر گذاشته است.

در دوره قبل از جنگ امپریالیستی 1914، سطح دانش در زمینه عملیات فلزات در دماهای بالا برای استفاده از بخار در فشارها و دماهای بالا کافی نبود. بنابراین، تا سال 1914، توربین های بخار عمدتاً برای کار با بخار فشار متوسط ​​(12 تا 16 بار)، با دمای تا 350 درجه سانتیگراد ساخته می شدند.

با توجه به افزایش قدرت یک واحد، موفقیت های بزرگی در دوره اولیه توسعه توربین های بخار حاصل شد.

در سال 1915، قدرت توربین های فردی در حال حاضر به 20 مگاوات رسیده بود. در دوره پس از جنگ، از 1918-1919، تمایل به افزایش قدرت همچنان ادامه دارد. با این حال، در آینده، طراحان توربین وظیفه افزایش نه تنها قدرت واحد، بلکه تعداد دورهای توربین های پرقدرت را زمانی که آنها با یک ژنراتور جریان الکتریکی انجام می شدند را افزایش دادند.

قدرتمندترین توربین پرسرعت جهان در یک زمان (1937) توربین کارخانه فلز لنینگراد بود که برای 100 مگاوات در 3000 دور در دقیقه ساخته شد.

در دوره قبل از جنگ امپریالیستی 1914، کارخانه های تولید توربین در بیشتر موارد توربین هایی با تعداد محدودی از مراحل در یک محفظه توربین تولید می کردند. این باعث شد که توربین بسیار فشرده و نسبتا ارزان شود. پس از جنگ 1914، تنش در عرضه سوخت که توسط اکثر کشورها تجربه شد، مستلزم افزایش همه جانبه راندمان واحدهای توربین بود.

مشخص شد که حداکثر بازده توربین را می توان با اعمال قطرات حرارتی کوچک در هر مرحله از توربین و بر این اساس ساخت توربین با تعداد زیادیمراحل در ارتباط با این روند، طرح های توربین به وجود آمد که حتی با پارامترهای بخار زنده متوسط ​​​​تعداد بسیار زیادی از مراحل داشتند که به 50 - 60 می رسید.

تعداد زیادی از مراحل منجر به نیاز به ایجاد توربین هایی با پوشش های متعدد شد، حتی زمانی که توربین به یک ژنراتور الکتریکی متصل بود.

بدین ترتیب توربین های دو و سه محفظه شروع به گسترش کردند که از نظر اقتصادی بسیار گران قیمت و حجیم بودند.

در توسعه بعدی ساخت توربین، عقب نشینی معروفی نیز در این زمینه به سمت ساده سازی طراحی توربین و کاهش تعداد مراحل آن وجود داشت. توربین هایی با ظرفیت تا 50 مگاوات در 3000 دور در دقیقه برای مدت طولانی فقط با دو پوشش ساخته می شدند. جدیدترین توربین های چگالشی با این ظرفیت تولید شده توسط کارخانه های پیشرفته به صورت تک کیسینگ ساخته می شوند.

همزمان با بهبود طراحی توربین های فشار متوسط ​​(20 تا 30 بار) در بازه زمانی 1920 تا 1940، تأسیسات اقتصادی تر شروع به گسترش کردند. فشار بالابه 120 - 170 بار می رسد.

برنامه Steam پارامترهای بالاافزایش چشمگیر راندمان نیروگاه توربین، نیازمند راهکارهای جدید در زمینه طراحی توربین های بخار بود. پیشرفت قابل توجهی در استفاده از فولادهای آلیاژی حاصل شده است که دارای استحکام تسلیم کافی و نرخ خزش پایین در دمای 500-550 درجه سانتیگراد هستند.

همزمان با توسعه توربین های چگالشی، در اوایل این قرن، تاسیسات برای تولید ترکیبی انرژی الکتریکی و گرما شروع به استفاده کرد که نیاز به ساخت توربین هایی با فشار برگشتی و استخراج بخار متوسط ​​داشت. اولین توربین با کنترل فشار ثابت بخار خروجی در سال 1907 ساخته شد.

شرایط اقتصاد سرمایه داری اما مانع استفاده از تمام مزایای تولید ترکیبی گرما و برق می شود. در واقع، ظرفیت مصرف گرما در خارج از کشور در بیشتر موارد محدود به مصرف شرکتی است که در آن توربین نصب شده است. بنابراین، توربین هایی که امکان استفاده از گرمای بخار اگزوز را فراهم می کنند، اغلب برای ظرفیت های کوچک (تا 10-12 مگاوات) در خارج از کشور ساخته می شوند و برای تامین گرما و حرارت محاسبه می شوند. انرژی الکتریکیفقط یک شرکت صنعتی فردی مشخص است که بزرگترین توربین (25 مگاوات و سپس 50 و 100 مگاوات) با استخراج بخار در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شده است، زیرا توسعه برنامه ریزی شده اقتصاد ملی ایجاد می کند. شرایط مساعدبرای تولید برق و حرارت ترکیبی

در دوره پس از جنگ در همه از نظر فنی توسعه یافته است کشورهای اروپاییو همچنین در ایالات متحده، توسعه روزافزون صنعت انرژی مشاهده می شود که منجر به افزایش روزافزون ظرفیت واحدهای نیرو می شود. در عین حال، تمایل به استفاده از پارامترهای بخار اولیه بالاتر وجود دارد.

توربین های تک شفت چگالشی به توان 500 تا 800 مگاوات می رسد و با طراحی دو شفت نیروگاه هایی با ظرفیت 1000 مگاوات ساخته شده است.

با افزایش قدرت، افزایش پارامترهای بخار اولیه نیز توصیه می‌شود که به‌طور متوالی در سطوح 90، 130، 170، 250 و در نهایت 350 بار انتخاب شدند، در حالی که دمای اولیه نیز افزایش یافت که به 500 رسید. 535, 565, 590 و در برخی موارد تا 650 درجه سانتیگراد. باید در نظر داشت که در دمای بیش از 565 درجه سانتیگراد باید از فولادهای بسیار گران قیمت و کمتر مطالعه شده کلاس آستنیتی استفاده شود. این امر منجر به این واقعیت شده است که اخیراً تمایل به مقداری انحراف در محدوده دما وجود داشته است، به استثنای نیاز به استفاده از فولادهای آستنیتی، یعنی. درجه حرارت در سطح 540 درجه سانتیگراد.

موفقیت هایی که در سال های 1915-1920 به دست آمد برای توسعه توربین های کم توان و به ویژه برای توسعه توربین های بخار کشتی اهمیت زیادی داشت. در زمینه ساخت کاهنده ها. تا آن زمان توربین های دریاییدر تعداد دورهایی برابر با تعداد دور پروانه ها انجام شد، یعنی. 300 - 500 دور در دقیقه که باعث کاهش راندمان نصب و ایجاد ابعاد و وزن زیاد توربین ها شد.

از زمانی که قابلیت اطمینان کامل و راندمان بالا در عملکرد کاهنده‌های دنده به دست آمد، توربین‌های دریایی به درایوهای دنده مجهز شده‌اند و با سرعت بیشتری کار می‌کنند که مطابق با مطلوب‌ترین شرایط عملکرد برای توربین است.

برای توربین‌های ثابت با توان کم، استفاده از انتقال دنده بین توربین و ژنراتور نیز مفید است. بیشترین تعداد دور ممکن با اتصال مستقیم بین محورهای توربین و دینام 50 پریود 3000 دور در دقیقه است. در توان های کمتر از 2.5 مگاوات، این سرعت برای توربین چگالشی نامطلوب است. با توسعه مهندسی گیربکس، امکان ساخت توربین با سرعت های بالاتر (5000-10000 دور در دقیقه) فراهم شد که باعث افزایش راندمان توربین های با ظرفیت کم و از همه مهمتر کاهش اندازه و ساده سازی طراحی آنها شد.

تاریخچه اختراع توربین های بخار

اختراع و توزیع توربین های بخار از اهمیت زیادی برای انرژی و برق رسانی برخوردار بود. اصل عملکرد آنها شبیه به هیدرولیک بود، با این تفاوت که توربین هیدرولیک توسط یک جت آب و توربین بخار توسط یک جت بخار گرم به حرکت در می آمد. همانطور که توربین آب بیانگر کلمه جدیدی در تاریخ موتورهای آب بود، موتور بخار نیز امکانات جدید موتور بخار را نشان داد.

ماشین قدیمی وات که در ربع سوم قرن نوزدهم صدمین سالگرد خود را جشن گرفت، کارایی پایینی داشت، زیرا حرکت چرخشی در آن به روشی پیچیده و غیرمنطقی به دست آمد. در واقع، همانطور که به یاد داریم، بخار در اینجا خود چرخ چرخان را حرکت نداد، بلکه به پیستون فشار وارد کرد، از پیستون از طریق میله، شاتون و میل لنگ، حرکت به شفت اصلی منتقل شد. در نتیجه انتقال و دگرگونی های متعدد، بخش عظیمی از انرژی دریافتی از احتراق سوخت، به معنای کامل کلمه، بدون هیچ سودی به داخل لوله پرواز کرد. بیش از یک بار، مخترعان سعی کردند یک ماشین ساده تر و اقتصادی تر را طراحی کنند - یک توربین بخار، که در آن یک جت بخار مستقیماً پروانه را می چرخاند. یک محاسبه ساده نشان داد که باید بازدهی چندین مرتبه بیشتر از ماشین وات داشته باشد. با این حال، موانع زیادی بر سر راه اندیشه مهندسی وجود داشت. برای اینکه یک توربین واقعاً به یک موتور بسیار کارآمد تبدیل شود، پروانه باید با سرعت بسیار بالایی بچرخد و صدها دور در دقیقه انجام دهد. مدت زمان طولانیآنها نتوانستند به این هدف برسند، زیرا نمی دانستند چگونه سرعت مناسب را به جت بخار بدهند.

اولین گام مهممهندس سوئدی کارل گوستاو پاتریک لاوال در سال 1889 در توسعه ابزار فنی جدیدی که جایگزین موتور بخار شد، انجام داد.توربین بخار لاوال یک چرخ با پره است. یک جت آب تشکیل شده در دیگ از لوله (نازل) خارج می شود، روی تیغه ها فشار می آورد و چرخ را می چرخاند. طراح با آزمایش لوله های مختلف روز بخار، به این نتیجه رسید که آنها باید به شکل یک مخروط باشند. نازل لاوال که تا زمان ما مورد استفاده قرار می گرفت اینگونه ظاهر شد.

تا سال 1883 بود که گوستاو لاوال سوئدی موفق شد بر بسیاری از مشکلات غلبه کند و اولین توربین بخار کار را ایجاد کند. چند سال قبل، لاوال حق ثبت اختراع جداکننده شیر را به دست آورده بود. برای عملی کردن آن، به یک درایو با سرعت بسیار بالا نیاز بود. هیچ یک از موتورهای موجود در آن زمان وظیفه را برآورده نکرد. لاوال متقاعد شده بود که فقط یک توربین بخار می تواند سرعت چرخش لازم را به او بدهد. او شروع به کار روی طراحی آن کرد و در نهایت به آنچه می خواست رسید. توربین لاوال یک چرخ سبک بود که روی پره های آن از طریق چندین چرخ در زیر قرار می گرفت زاویه حادنازل ها بخار می کردند. در سال 1889، لاوال اختراع خود را با افزودن منبسط کننده های مخروطی به نازل ها به طور قابل توجهی بهبود بخشید. این به طور قابل توجهی کارایی هیدروتوربین را افزایش داد و آن را به یک موتور جهانی تبدیل کرد.

اصل عملکرد توربین بسیار ساده بود. بخار گرم شده به درجه حرارت بالا، از دیگ بخار از طریق لوله بخار به نازل ها آمد و شکست. در نازل ها، بخار منبسط شد فشار جو. با توجه به افزایش حجم همراه با این انبساط، افزایش قابل توجهی در سرعت خروجی حاصل شد (هنگام انبساط از 5 به 1 اتمسفر، سرعت جت بخار به 770 متر بر ثانیه رسید). بنابراین انرژی موجود در بخار به پره های توربین منتقل می شود. تعداد نازل ها و فشار بخار قدرت توربین را تعیین می کرد. هنگامی که بخار اگزوز مستقیماً در هوا آزاد نمی شد، بلکه مانند موتورهای بخار به کندانسور فرستاده می شد و با فشار کاهش یافته به مایع تبدیل می شد، قدرت توربین بالاترین میزان بود. بنابراین، هنگامی که بخار از 5 اتمسفر به 1/10 اتمسفر منبسط می شود، سرعت جت به یک مقدار مافوق صوت می رسد.

با وجود سادگی ظاهری، توربین لاوال یک شگفتی واقعی مهندسی بود. کافی است بارهایی را که پروانه در آن تجربه کرده است تصور کنید تا درک کنید که دستیابی مخترع به کار بی وقفه از فرزندانش چقدر دشوار بوده است. در سرعت های بسیار زیاد چرخ توربین، حتی یک جابجایی جزئی در مرکز ثقل باعث بار شدید روی محور و اضافه بار یاتاقان ها شد. برای جلوگیری از این امر، لاوال به این فکر افتاد که چرخ را روی یک محور بسیار نازک قرار دهد، که در صورت چرخش، می تواند کمی خم شود. وقتی پیچ نمی خورد، خود به یک موقعیت کاملاً مرکزی می رسید که سپس با هر سرعت چرخشی نگه داشته می شد. به لطف این راه حل مبتکرانه، تأثیر مخرب بر یاتاقان ها به حداقل رسید.

به محض ظهور، توربین لاوال به رسمیت شناخته شد. بسیار مقرون به صرفه تر از موتورهای بخار قدیمی بود، کار با آن بسیار آسان بود، فضای کمی را اشغال می کرد و نصب و اتصال آن آسان بود. توربین لاوال هنگامی که به ماشین‌های پرسرعت متصل می‌شد مزایای بسیار زیادی داشت: اره‌ها، جداکننده‌ها، پمپ‌های گریز از مرکز. همچنین با موفقیت به عنوان محرک برای یک ژنراتور الکتریکی مورد استفاده قرار گرفت، اما با این وجود سرعت بسیار بالایی برای آن داشت و بنابراین فقط می‌توانست از طریق جعبه دنده (سیستمی از چرخ دنده‌ها که سرعت چرخش را هنگام انتقال حرکت از محور توربین به چرخ دنده کاهش می‌دهد، عمل کند. شفت ژنراتور). لاوال توربین بخار

در سال 1884، مهندس انگلیسی پارسون حق اختراع یک توربین جت چند مرحله ای را دریافت کرد که به طور خاص برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور الکتریکی اختراع کرد. او در سال 1885 یک توربین جت چند مرحله ای طراحی کرد که بعدها به طور گسترده در نیروگاه های حرارتی مورد استفاده قرار گرفت. او دستگاه زیر را داشت که یادآور دستگاه توربین جت است. یک ردیف چرخ دوار با تیغه روی شفت مرکزی نصب شده بود. بین این چرخ ها رینگ های ثابت (دیسک) با تیغه هایی که جهت مخالف داشتند قرار داشت. بخار تحت فشار بالا به یکی از انتهای توربین می رسید. فشار در انتهای دیگر کوچک بود (کمتر از اتمسفر). بنابراین، بخار به دنبال عبور از توربین بود. ابتدا در شکاف های بین تیغه های شانه تاج اول عمل کرد. این تیغه ها آن را به سمت تیغه های اولین چرخ متحرک هدایت می کردند. بخار از بین آنها عبور کرد و باعث چرخش چرخ ها شد. سپس وارد تاج دوم شد. تیغه‌های تاج دوم بخار را بین تیغه‌های چرخ متحرک دوم هدایت می‌کردند که آن نیز به چرخش درآمد. از چرخ متحرک دوم، بخار بین تیغه های تاج سوم و غیره جاری می شد. به همه تیغه ها به گونه ای شکل داده شد که سطح مقطع کانال های بین تیغه ای در جهت جریان بخار کاهش یافت. تیغه ها، همانطور که بود، نازل هایی را تشکیل می دادند که روی شفت نصب شده بودند، که از آنها، بخار در حال گسترش، خارج می شد. در اینجا از هر دو توان اکتیو و راکتیو استفاده شده است. با چرخش، تمام چرخ ها شفت توربین را چرخانده اند. در خارج، دستگاه در یک محفظه محکم محصور شده بود. در سال 1889، حدود سیصد عدد از این توربین ها قبلاً برای تولید برق مورد استفاده قرار گرفتند و در سال 1899 اولین نیروگاه با توربین های بخار پارسون در البرفلد ساخته شد. در این میان پارسون سعی کرد دامنه اختراع خود را گسترش دهد. در سال 1894، او یک کشتی آزمایشی "Turbinia" ساخت که توسط یک توربین بخار هدایت می شد. در آزمایشات، سرعت رکورد 60 کیلومتر در ساعت را نشان داد. پس از آن، توربین های بخار روی بسیاری از کشتی های پرسرعت نصب شدند.

زمان موتورهای بخار کوتاه مدت بود. اما هنوز در یونان باستاننحوه استفاده از مایع فوق گرم در عملیات نظامی شناخته شده بود. چندین قرن پیش، اجداد ما زمان و تلاش زیادی را برای تسخیر بخار صرف کردند، این موضوع امروزه نیز جالب است.

الیپیل هرون

تاریخچه اختراع توربین ها به دوران باستان باز می گردد، اما مردم تنها تا پایان قرن هفدهم توانستند از بخار به نفع بشر استفاده کنند. حتی در همان آغاز عصر ما، دانشمند یونانی هرون اسکندریه به وضوح نشان داد که بخار می تواند مفید باشد. اختراع او که به نام مخترع "Eolipil Heron" نامگذاری شد، توپی بود که با قدرت یک جت بخار می چرخید. اینگونه بود که اولین نمونه اولیه توربین بخار ظاهر شد.

توپ سلیمان

علاوه بر این، تاریخ اختراع توربین ها به این سرعت توسعه نیافته است. متأسفانه بیشتر اختراعات یونانیان باستان فراموش شده و کاربرد بیشتری پیدا نکردند. فقط در آغاز قرن هفدهم چیزی شبیه به یک موتور بخار توصیف شده است، اگرچه بسیار بدوی. دانشمند-مخترع فرانسوی Solomon de Caux در نوشته های خود یک توپ فلزی توخالی با دو لوله را توصیف می کند که یکی از آنها برای تامین آب و دیگری تخلیه آب است. و اگر توپ را گرم کنید، آب از طریق لوله شروع به حرکت به سمت بالا می کند.

توربین برانکا

در اوایل سال 1629، مخترع و مکانیک جیووانی برانچی اولین توربین بخار را مونتاژ کرد. اصل کار بر اساس تبدیل انرژی پتانسیل بخار به انرژی جنبشی و انجام کار مفید توسط آن است. جوهر اختراع او این بود که یک جت بخار با فشار خود چرخی با تیغه ها را مانند چرخ آسیاب آبی به حرکت در آورد. اما این نوع توربین ها ظرفیت بسیار محدودی داشتند، زیرا ایجاد فشار جت بالا غیرممکن بود. بنابراین، تاریخ اختراع توربین بخار پس از یک وقفه طولانی دور جدیدی را به خود می گیرد.

بوم بخار

در سال 1825، مهندس و مخترع ریچارد ترایویزیک تلاش کرد تا دو نازل را روی چرخ یک لوکوموتیو بخار نصب کند و بخار فشار بالا را از آنها عبور دهد. کار کارخانه چوب بری که توسط مکانیک آمریکایی دبلیو اوری ساخته شد بر اساس همین اصول بود. بسیاری از نویسندگان می خواستند که تاریخ اختراع توربین نام آنها را نیز به تصویر بکشد. تنها در انگلستان بیش از 100 اختراع مربوط به توربین های بخار یا اصول عملکرد آنها طی 20 سال ثبت اختراع به ثبت رسیده است.

توربین در صنعت

کارل گوستاو دی لاوال سوئدی و چارلز پارسونز ایرلندی به مدت 5 سال، از سال 1884، مستقل از یکدیگر، روی ایجاد یک توربین بخار مناسب صنعتی کار کردند. لاوال نازل منبسط کننده را اختراع کرد که باعث شد تا سرعت بخار خروجی به میزان قابل توجهی افزایش یابد و در نتیجه سرعت چرخش روتور توربین نیز افزایش یافت.

اما به لطف اختراع لاوال، تنها توان خروجی کمی در حد 500 کیلووات ممکن شد. توربین های بخار او در ابتدا به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند، اما به زودی با واحدهای قوی تر از انواع دیگر جایگزین شدند.

توربین جت

تاریخچه اختراع توربین های بخار شامل اختراع توربین جت چند مرحله ای پارسونز نیز می شود. تفاوت این اختراع سرعت چرخش کمتر و حداکثر استفاده از انرژی بخار بود. چنین تغییرات قابل توجهی با این واقعیت حاصل شد که بخار به تدریج گسترش یافت و از 15 مرحله در سیستم توربین عبور کرد. بنابراین، آثار این دانشمند پیدا شد استفاده عملیدر صنعت این به پایان تاریخ اختراع توربین ها می پردازد و چهره های اصلی گذشته را که در حل این مسئله مهم دخیل بودند به اختصار توضیح می دهد. از آن زمان، توربین پارسونز دستخوش تغییرات و بهبودهای زیادی شده است، اما با این وجود، اصول اولیه بدون تغییر باقی مانده است.

اختراع توربین در روسیه

تاریخچه اختراع توربین های بخار نیز در روسیه نوشته شده است. استاد آلتای Zalesov که در محافل حرفه ای شناخته شده است در کارخانه سوزونسکی کار می کرد. از سال 1803 تا 1813 تعداد زیادی مدل توربین از زیر دستان او بیرون آمد. او به عنوان یک متخصص با تجربه گسترده، می‌توانست نقص‌هایی را در طراحی توربین‌های بخار ببیند، که امکان ایجاد تغییرات در مراحل اولیهساخت و ساز. همکار او مخترع کوزمینسکی بود. او در زمینه کشتی سازی و مهندسی هوانوردی کار می کرد و به این نتیجه رسید که استفاده از موتور بخار پیستونی در کشتی سازی صلاح نیست. کوزمینسکی یک توربین دریایی برگشت پذیر بخار را با طراحی خود اختراع و آزمایش کرد.

وزن کمی در هر 15 کیلوگرم داشت اسب بخارقدرت. تاریخ روسیهاختراع توربین ها، که به طور خلاصه توسط کوزمینسکی توصیف شده است، به عنوان زمانی مشخص می شود که اکتشافات داخلی به فراموشی سپرده شدند. بدون شک اختراع توربین بخار عصر جدیدی را در توسعه صنعت و کل جامعه پدید آورد و انگیزه ای برای تعدادی از اکتشافات و دستاوردها در سایر زمینه های علم بود. اختراعات آن زمان‌های دور هنوز هم امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، هرچند که به طور قابل توجهی تغییر یافته‌اند. علیرغم این واقعیت که علم گام های بلندی به جلو برداشته است، عمدتاً مبتنی بر اصولی است که در گذشته های دور وضع شده است.

تاریخچه توسعه توربین های خودرو تقریباً به زمان ساخت اولین موتورهای احتراق داخلی باز می گردد. با این حال، تلاش برای ایجاد مکانیزمی شبیه به یک توربین مدت ها قبل از آن مورد توجه قرار گرفت. در طلوع هزاره جدید، حدود 2000 سال پیش، اجداد تمام توربین های در حال حاضر شناخته شده ظاهر شدند، آنها هنوز هم در بسیاری از نقاط سیاره ناشناخته ما یافت می شوند - این یک چرخ آب یا یک آسیاب است. اصل تعیین شده در آنها برای توسعه آینده تمام توربوشارژرها و توربین های بخار مورد استفاده برای تولید برق اساسی شد. آنها به معنای واقعی کلمه در منشا انقلاب صنعتی بودند.

اولین کسی که طرحی شبیه به یک توربین بخار ایجاد کرد، Heron of Alexandria بود. توپی بود که تحت تاثیر بخار می چرخید.

توربین بخار به شکل چرخ با پره ها توسط دانشمند ایتالیایی جیووانی برانچی در سال 1629 ساخته شد.

اما تنها در پایان قرن نوزدهم، زمانی که تکنولوژی به آن رسید سطح کافی، چارلز پارسونز و گوستاف لاوال (1884 - 1889) به طور مستقل اولین دستگاه های صنعتی را طراحی کردند.

باید توجه ویژه ای به آثار گوتلیب دایملر و رودولف دیزل داشت. این دانشمندان تحقیقاتی را در زمینه افزایش توان تولیدی از طریق فشرده سازی هوای تزریق شده به محفظه احتراق انجام دادند. پیشرفت های آنها در سال های 1885-1896 پیشرفت بزرگی در زمینه فناوری ایجاد کرد.

در سال 1905، مهندس سوئیسی آلفرد بوچی، اختراع خود را به ثبت رساند که امکان افزایش 120 درصدی قدرت موتور را فراهم کرد. او موفق شد مکانیزمی ایجاد کند که در آن هوا با کمک گازهای خروجی تزریق می شود. به طور کلی پذیرفته شده است که این دستگاه بود که آغاز توسعه و اجرای فن آوری های توربو را رقم زد.

در قرن نوزدهم، استفاده از توربین ها به صنایع کشتی سازی و هواپیماسازی محدود شد. این به این دلیل است که در آن زمان افزایش قدرت فقط با موتورهای بزرگ انجام می شد.

در طول جنگ جهانی اول، از توربین ها بر روی جنگنده های رنو استفاده می شد.

در نیمه دوم دهه 30، فناوری به نقطه ای رسید که مهندسان موفق به ایجاد مدل های واقعاً موفقی از توربین ها شدند که امکان افزایش حداکثر ارتفاع را فراهم می کرد.

بزرگترین موفقیت در توسعه هوانوردی توسط آمریکایی ها به دست آمد که نسخه منحصر به فردی از توربوشارژرها را توسعه دادند. در سال 1938 آنها را روی جنگنده های R-38 و بمب افکن های B-17 نصب کردند. چند سال بعد مهندسان جنگنده R-47 را ساختند که در ابتدا با توربین تولید می شد. با تشکر از این، دستگاه بالدار دارای ویژگی ها و مزایای برجسته نسبت به بقیه بود.

در مورد بخش خودرو، کامیون ها اولین کسانی بودند که مزایای توربوشارژ را آزمایش کردند. در سال 1938، سوئیس ماشین ورکز ساور متعهد شد یک موتور توربو برای آنها بسازد. این تازگی با استقبال خوبی از سوی جامعه مواجه شد.

خودروهای سواری خیلی دیرتر موتورهای توربوشارژ را دریافت کردند. در سال 1962 بود که شورولت کورویر مونزا وارد بازار شد و یک سال بعد اولدزموبیل جت فایر به بازار آمد. علی رغم مزایای آشکار، به واسطه سطح پایینپایایی مدل ادعا نشده است.

استفاده از توربین ها برای افزایش قدرت خودروهای اسپورت باعث شد تا در دهه 70 مورد استقبال عمومی قرار گیرند. به طور خاص، آنها کاربرد خود را در فرمول 1 پیدا کردند. پس از مدتی، مهندسان به این نتیجه رسیدند که مصرف سوخت برای نتیجه به دست آمده بسیار زیاد است و شروع به جستجوی جایگزین کردند.

نقطه عطف در توسعه توربوشارژرها در سال 1978 بود، زمانی که مرسدس بنز اولین مدل دیزلی جهان، 300 SD را عرضه کرد. بعداً VWTurbodiesel به دنبال آن قرار گرفت. مزیت چنین خودروهایی قابل توجه بود. تولیدکنندگان توانستند به قدرت مورد نیاز دست یابند و به سطح بنزین برسند و در عین حال میزان انتشارات مضر در جو را کاهش دهند.

توربین دیزل نیاز کمتری به مقاومت در برابر حرارت دارد که باعث می شود ارزان تر و پیچیده تر شود. به همین دلیل است که توربین ها اغلب در اتومبیل های دیزلی یافت می شوند و تمام نوآوری های توربو در ابتدا برای نسخه دیزلی ایجاد می شوند.

در پایان قرن گذشته، انقلاب صنعتی به نقطه عطفی در توسعه خود رسیده بود. یک قرن و نیم قبل از آن، موتورهای بخار به طور قابل توجهی پیشرفت کرده بودند - آنها می توانستند با هر نوع سوختی کار کنند و مکانیسم های مختلفی را به حرکت در آورند. تأثیر زیادی در بهبود طراحی موتورهای بخار چنین دستاورد فنی مانند اختراع دینام داشت که به دست آوردن برق در مقادیر زیاد امکان پذیر شد. با افزایش تقاضای انسان برای انرژی، اندازه موتورهای بخار نیز افزایش یافت تا اینکه ابعاد آنها به دلیل محدودیت در استحکام مکانیکی محدود شد. برای توسعه بیشتر صنعت، روش جدیدی برای به دست آوردن انرژی مکانیکی مورد نیاز بود.

این روش در سال 1884 ظاهر شد، زمانی که یک انگلیسی (1854-1931) اولین توربو ژنراتور مناسب برای استفاده صنعتی را اختراع کرد. ده سال بعد، پارسونز شروع به مطالعه امکان استفاده از اختراع خود در وسایل نقلیه کرد. چندین سال کار سخت نتیجه داد: کشتی بخار توربینیا، مجهز به توربین، به سرعت 35 گره رسید - بیش از هر کشتی در نیروی دریایی سلطنتی. در مقایسه با موتورهای بخار پیستونی رفت و برگشتی، توربین ها فشرده تر و ساده تر هستند. بنابراین، با گذشت زمان، زمانی که قدرت و بهره وری توربین ها به طور قابل توجهی افزایش یافته اند، آنها جایگزین موتورهای طرح های قبلی شده اند. در حال حاضر، توربین های بخار در سراسر جهان در نیروگاه های حرارتی به عنوان محرک برای مولدهای جریان الکتریکی استفاده می شود. در مورد استفاده از توربین‌های بخار به‌عنوان موتور کشتی‌های مسافربری، در نیمه اول قرن ما، زمانی که موتورهای دیزلی رواج یافت، به تسلط بی‌نظیر آنها پایان یافت. توربین بخار مدرن بسیاری از ویژگی های اولین ماشین اختراع شده توسط پارسونز را به ارث برده است.

اصول واکنشی و فعال زیربنای عملکرد یک توربین بخار. اولین آنها در دستگاه "eolipil" (a) که توسط هرون اسکندریه اختراع شد استفاده شد: کره ای که بخار در آن قرار دارد به دلیل عمل نیروهای واکنشی که هنگام خروج بخار از لوله های توخالی ایجاد می شود می چرخد. در حالت دوم (ب) جت بخار که به سمت تیغه ها هدایت می شود منحرف می شود و به همین دلیل چرخ می چرخد. پره های توربین (c) نیز جت بخار را منحرف می کنند. علاوه بر این، با عبور از بین تیغه ها، بخار منبسط و شتاب می گیرد و نیروهای واکنش حاصله، تیغه ها را فشار می دهند.

عملکرد یک توربین بخار بر اساس دو اصل ایجاد نیروی محیطی روی روتور است که از زمان های قدیم شناخته شده است - واکنش پذیر و فعال. در سال 130 قبل از میلاد. Hero of Alexandria وسیله ای به نام aeolipil اختراع کرد. این یک کره توخالی پر از بخار با دو نازل L شکل بود که در طرفین مخالف قرار داشتند و در جهات مختلف هدایت می شدند. بخار با سرعت زیاد از نازل ها بیرون می ریزد و به دلیل نیروهای واکنش حاصله، کره شروع به چرخش می کند.

اصل دوم مبتنی بر تبدیل انرژی پتانسیل بخار به انرژی جنبشی است که کار مفیدی انجام می دهد. این را می توان با مثال ماشین جیووانی برانچی، ساخته شده در سال 1629 نشان داد. در این دستگاه، یک جت بخار، چرخی را با پاروهایی به حرکت در می آورد که یادآور چرخ آسیاب آبی است.

توربین بخار از هر دوی این اصول استفاده می کند. یک جت بخار پرفشار بر روی تیغه های منحنی (شبیه به تیغه های فن) که روی یک دیسک نصب شده اند هدایت می شود. هنگامی که در اطراف تیغه ها جریان دارد، جت منحرف می شود و دیسک با تیغه ها شروع به چرخش می کند. بین تیغه ها، بخار منبسط می شود و حرکت آن را تسریع می کند: در نتیجه، انرژی فشار بخار به انرژی جنبشی تبدیل می شود.

اولین توربین‌ها، مانند ماشین برانکا، نمی‌توانستند قدرت کافی تولید کنند، زیرا دیگ‌های بخار قادر به ایجاد فشار بالا نبودند. اولین موتورهای بخار در حال کار توماس ساوری، توماس نیوکومن و دیگران نیازی به بخار فشار قوی نداشتند. بخار فشار کمهوا را زیر پیستون جابجا کرد و متراکم شد و خلاء ایجاد کرد. پیستون تحت تأثیر فشار اتمسفر پایین آمد و کار مفیدی تولید کرد. تجربه در ساخت و استفاده از دیگ های بخار برای این موتورهای به اصطلاح اتمسفر، مهندسان را به تدریج به طراحی دیگ های بخار با قابلیت تولید و حفظ فشار بسیار بیشتر از فشار اتمسفر سوق داد.

با ظهور امکان به دست آوردن بخار فشار بالا، مخترعان دوباره به توربین روی آوردند. گزینه های طراحی مختلفی امتحان شده است. در سال 1815، مهندس ریچارد ترویتیک سعی کرد دو نازل را روی لبه چرخ یک موتور لوکوموتیو بخار نصب کند و بخار یک دیگ بخار را از آنها عبور دهد. طرح ترویتیک شکست خورد. کارخانه چوب بری که در سال 1837 توسط ویلیام اوری در سیراکیوز نیویورک ساخته شد، بر اساس یک اصل مشابه بود. تنها در انگلستان، بیش از 100 سال، از 1784 تا 1884، 200 اختراع به ثبت رسید، که به هر طریقی مربوط به توربین ها بود، و بیش از نیمی از این اختراعات در دوره بیست ساله - از 1864 تا 1884 - به ثبت رسید.

هیچ یک از این تلاش ها به یک ماشین قابل استفاده صنعتی منجر نشد. تا حدی، این خرابی ها به دلیل ناآگاهی از قوانین فیزیکی است که انبساط بخار را توصیف می کند. چگالی بخار بسیار کمتر از چگالی آب است و "الاستیسیته" آن بسیار بیشتر است، بنابراین سرعت جت بخار در توربین های بخار بسیار بیشتر از سرعت آب در توربین های آبی است که مخترعان مجبور به انجام آن شدند. سر و کار دارد با. مشخص شد که کارایی هنگامی که سرعت پره ها تقریباً برابر با نیمی از سرعت بخار باشد، توربین حداکثر می شود. بنابراین، اولین توربین ها دارای سرعت چرخشی بسیار بالایی بودند.

تعداد زیادی انقلاب عامل تعدادی از اثرات نامطلوب بود که در این میان خطر تخریب قطعات در حال چرخش تحت تأثیر نیروهای گریز از مرکز نقش مهمی داشت. سرعت چرخش توربین را می توان با افزایش قطر دیسکی که پره ها روی آن وصل شده اند کاهش داد. با این حال، این امکان پذیر نبود. مصرف بخار در دستگاه های اولیه نمی تواند زیاد باشد، یعنی نمی تواند زیاد باشد و مقطع عرضیپریز. به همین دلیل اولین توربین های آزمایشی دارای قطر کم و پره های کوتاه بودند.

مشکل دیگر مربوط به خواص بخار حتی دشوارتر بود. سرعت بخار عبوری از نازل متناسب با نسبت فشار ورودی به فشار خروجی تغییر می کند. حداکثر مقدارسرعت در نازل همگرا با نسبت فشار تقریبی دو به دست می آید. افزایش بیشتر در افت فشار دیگر بر افزایش سرعت جت تأثیر نمی گذارد. بنابراین، طراحان نتوانستند از امکانات بخار با فشار بالا استفاده کامل کنند: محدودیتی برای مقدار انرژی ذخیره شده توسط بخار فشار بالا وجود داشت که می توانست به انرژی جنبشی تبدیل شود و به تیغه ها منتقل شود. در سال 1889، مهندس سوئدی کارل گوستاو د لاوال از نازلی استفاده کرد که در خروجی منبسط می شود. چنین نازلی امکان دستیابی به سرعت بخار بسیار بالاتر را فراهم کرد و در نتیجه سرعت روتور در توربین لاوال به طور قابل توجهی افزایش یافت.

پارسونز یک طراحی اساساً جدید توربین ایجاد کرد. با سرعت چرخش کمتر متمایز می شد و در عین حال از انرژی بخار بیشترین استفاده را می کرد. این امر به این دلیل حاصل شد که در توربین پارسونز، بخار با عبور از 15 مرحله به تدریج منبسط شد، که هر یک از آنها یک جفت تاج تیغه بود: یکی ثابت بود (با پره های راهنما که به محفظه توربین ثابت شده بودند)، دیگری. متحرک بود (با تیغه های روتور) روی دیسکی که روی یک محور چرخان نصب شده بود. تیغه های رینگ های ثابت و متحرک در جهت مخالف قرار گرفته اند، یعنی. به طوری که اگر هر دو تاج متحرک بودند، بخار آنها را در جهات مختلف می چرخاند.

تاج پره های توربین حلقه های مسی با تیغه هایی بود که در شکاف هایی با زاویه 45 درجه ثابت بودند. تاج های متحرک روی شفت ثابت می شدند، تاج های ثابت شامل دو نیمه است که به طور سفت و سخت به بدنه متصل می شدند (نیمه بالایی بدنه برداشته می شد).

لبه های متحرک و ثابت متناوب تیغه ها (الف) جهت حرکت بخار را تعیین می کند. با عبور از بین تیغه های ثابت، بخار منبسط شده، شتاب می گیرد و به سمت تیغه های متحرک هدایت می شود. در اینجا نیز بخار منبسط شد و نیرویی ایجاد کرد که تیغه ها را هل داد. جهت حرکت بخار روی یکی از 15 جفت روکش (b) نشان داده شده است.

بخار هدایت شده به سمت پره های ثابت در کانال های بین تیغه ای منبسط می شود، سرعت آن افزایش می یابد و به گونه ای منحرف می شود که روی تیغه های متحرک می افتد و آنها را مجبور به چرخش می کند. در کانال های بین تیغه ای تیغه های متحرک، بخار نیز منبسط شد، یک جت شتاب در خروجی ایجاد شد و نیروی واکنشی حاصله، تیغه ها را هل داد.

با بسیاری از رینگ های تیغه متحرک و ثابت، سرعت چرخش بالا غیر ضروری شد. در هر یک از 30 رینگ توربین چند مرحله ای پارسونز، بخار کمی منبسط شد و مقداری از انرژی جنبشی خود را از دست داد. در هر مرحله (جفت تاج)، فشار تنها 10 درصد کاهش یافت و در نتیجه، حداکثر سرعت بخار برابر با 1/5 سرعت جت در یک توربین با یک مرحله بود. پارسونز معتقد بود که با چنین افت فشار کوچک، بخار را می توان به عنوان مایعی کمی تراکم پذیر، مشابه آب در نظر گرفت. این فرض او را قادر ساخت درجه بالادقت در انجام محاسبات سرعت بخار، راندمان. توربین ها و شکل پره ها ایده گسترش پلکانی بخار، که زیربنای طراحی توربین های مدرن است، تنها یکی از بسیاری از ایده های اصلی بود که پارسونز تجسم کرد.

اختراع دیگر نوع جدیدی از یاتاقان بود که به طور خاص برای یک محور با چرخش سریع طراحی شده بود. اگرچه پارسونز توانست سرعت چرخش توربین را کاهش دهد، اما همچنان ده برابر بیشتر از سایر موتورها باقی ماند. بنابراین، مخترع مجبور شد با پدیده ای به نام "ضربه شفت" دست و پنجه نرم کند. قبلاً در آن زمان مشخص بود که هر شفت سرعت چرخش بحرانی خاص خود را دارد که در آن حتی یک عدم تعادل کوچک نیروی خمشی قابل توجهی ایجاد می کند. معلوم شد که سرعت بحرانی چرخش به فرکانس طبیعی ارتعاشات عرضی شفت مربوط می شود (در این فرکانس، شفت شروع به طنین انداز و فروپاشی می کند). پارسونز و د لاوال به طور مستقل دریافتند که در سرعت های بیشتر از حد بحرانی، شفت به طور پیوسته می چرخد. با وجود این، یک عدم تعادل کوچک همچنان به انحراف شفت از موقعیت تعادل منجر شد. بنابراین، برای جلوگیری از آسیب به شفت، باید در بلبرینگ هایی نصب شود که امکان جابجایی های جانبی کوچک آن را فراهم کند.

در ابتدا، پارسونز سعی کرد از یک یاتاقان معمولی نصب شده روی فنرها استفاده کند، اما متوجه شد که این طرح تنها باعث افزایش لرزش می شود. در پایان، او با یک یاتاقان، متشکل از مجموعه ای از حلقه ها آمد. پارسونز از دو اندازه حلقه استفاده کرد: یکی محکم به پوسته یاتاقان داخلی (که شفت از آن عبور می کرد) اما به محفظه برخورد نمی کرد. آنها به طور متناوب با حلقه های دیگری که بدون دست زدن به آستر به خوبی روی بدنه قرار می گیرند، جایگزین می شوند. کل سیستم حلقه ها در جهت طولی توسط یک فنر فشرده می شد. این طراحی امکان جابجایی های جانبی کوچک شفت را فراهم می کرد و در عین حال ارتعاشات ناشی از اصطکاک بین دو نوع واشر را مهار می کرد.

یاتاقان روی شفت امکان جابجایی های جانبی کوچک شفت را می داد، اما ارتعاشات را کاهش می داد. این شامل حلقه های متناوب بود: برخی به طور محکم روی آستر (که شفت از داخل آن عبور می کرد) را پوشانده بودند، بدون اینکه به محفظه توربین دست بزنند، برخی دیگر بدون دست زدن به آستر، محکم روی محفظه فشار می دادند. کل مجموعه حلقه ها توسط یک فنر فشرده شده بود. پمپ پیچ (سمت چپ) روغن (زرد) را به بلبرینگ هدایت می کند.

این طرح با موفقیت کار کرد و کسانی که توربین نمایش داده شده در نمایشگاه مخترعان لندن را در سال 1885 دیدند، متوجه شدند که در مقایسه با سایر موتورهای بخار آن زمان چقدر نرم کار می کرد. دومی آنقدر پایه را تکان داد که لرزش حتی در فاصله قابل توجهی از دستگاه احساس شد.

ژنراتور توربین پارسونز که در سال 1884 ساخته شد، اولین لوله بخاری بود که مورد استفاده صنعتی قرار گرفت. بخار تحت فشار زیاد از طریق یک سوراخ مستطیلی که در نزدیکی وسط شفت قرار داشت وارد توربین می شد. در اینجا تقسیم شده و به سمت انتهای مخالف شفت هدایت می شود و از تاج تیغه ها می گذرد. بخار در حال انبساط حلقه های متحرک (کار) را که محکم روی شفت مرکزی قرار گرفته بودند، می چرخاند. بین حلقه های متحرک لبه هایی از پره های ثابت وجود داشت که روی سطح داخلی محفظه توربین ثابت شده بودند. تیغه های ثابت بخار را به سمت تیغه های چرخ های متحرک هدایت می کردند.
در فضای بین تیغه های هر چرخ، بخار منبسط می شد. اصل انبساط چند مرحله‌ای بخار به پارسونز این امکان را می‌دهد که از انرژی بخار در فشار بالا نهایت استفاده را ببرد و اجتناب کند. تعداد زیادیانقلاب. شفت دینام یا ژنراتور الکتریکی را می چرخاند (راست).

در توربین پارسونز، بخار از طریق شیر کنترلی به قسمت میانی شفت می رسید. در اینجا جریان بخار تقسیم می شد و از دو کانال عبور می کرد: یک بخار به سمت چپ شفت می رفت و دیگری به سمت راست. حجم بخار در هر دو کانال یکسان بود. هر جت از تاج پره های توربین عبور می کرد.

یکی از مزایای تقسیم جریان این بود که نیروهای طولی (محوری) ایجاد شده توسط فشار بخار بر روی پره های توربین دقیقاً متعادل بودند. بنابراین، نیازی به یاتاقان محوری (محوری) نبود. طرح توصیف شده در بسیاری از توربین های بخار مدرن استفاده می شود.

و با این حال، اولین توربین چند مرحله ای پارسونز سرعت بالایی را توسعه داد - 18000 دور در دقیقه. در چنین سرعت هایی، نیروی گریز از مرکز وارد بر پره های توربین 13 هزار برابر بیشتر از نیروی گرانش بود. پارسونز به منظور کاهش خطر شکستن قطعات در حال چرخش، طرحی بسیار ساده ایجاد کرد: هر دیسک از یک حلقه مسی ساخته شده بود. شکاف‌ها که شامل تیغه‌ها می‌شدند، در اطراف محیط دیسک قرار داشتند و شیارهایی با زاویه 45 درجه بودند. دیسک های متحرک روی شفت نصب شده و بر روی تاقچه آن ثابت می شد. تاج های ثابت شامل دو نیم حلقه بود که از بالا و پایین به محفظه توربین متصل می شدند. افزایش حجم بخار در طول انبساط مرحله ای آن مستلزم آن بود که طول تیغه ها در طول مسیر بخار به طور متوالی سه برابر افزایش یابد - از 5 تا 7 میلی متر. لبه های تیغه ها برای بهبود ویژگی های جت پخ شده اند.

مشکل کاهش سرعت چرخش شفت باعث اختراعات دیگری شد. سرعت ها به قدری بالا بود که حل این مشکل با استفاده از مکانیزم های انتقال موجود در آن زمان (مانند دنده) غیرممکن بود. همچنین استفاده از رگولاتور گریز از مرکز ساده که در موتورهای بخار قبلی استفاده می شد غیرممکن بود: توپ های تنظیم کننده به سادگی با نیروی گریز از مرکز پاره می شدند. پارسونز نوع کاملا جدیدی از تنظیم کننده را توسعه داد. روی محور توربین، او یک فن گریز از مرکز متصل به سیستمی از لوله های حاوی هوا قرار داد. یک فن چرخان هوا را از لوله ها می مکید و در آنها خلاء ایجاد می کرد. این خلاء توسط یک دیافراگم چرمی که در طرف دیگر سیستم لوله قرار داشت واکنش نشان داد و به یک شیر کنترلی متصل شد که تامین بخار به توربین را کنترل می کرد. اگر سرعت چرخش توربین افزایش یابد، کمیاب شدن هوا در لوله ها افزایش می یابد و دیافراگم بیشتر قوس می شود. در نتیجه، یک دریچه متصل به دیافراگم، جریان بخار به توربین را کاهش داد و چرخش آن کاهش یافت.

رگولاتور خوب کار می کرد، اما خیلی حساس نبود. توربین پارسونز یک دینام (ژنراتور الکتریکی) را به حرکت در می آورد. در زمانی که پارسونز توربین خود را ساخت، یک لامپ رشته ای به اندازه یک چهارم تن زغال سنگ قیمت داشت. به منظور جلوگیری از سوختن لامپ ها در هنگام تغییرات ناگهانی جریان الکتریکی (که اغلب در صورت استفاده از موتورهای بخار اتفاق می افتاد)، دینام باید ولتاژ ثابتی را با دقت 1-2٪ ارائه می کرد. برای این منظور، پارسونز توربین خود را با مکانیزم تنظیم دقیق ویژه ای ارائه کرد که مستقیماً به تغییرات ولتاژ روی دینام پاسخ می داد.

ولتاژ روی سیم پیچ دینام با قدرت میدان مغناطیسی ایجاد شده در قطب ها متناسب است. پارسونز از آهن نرم یوغی ساخت و با اتصال فنری به آن بر روی تیرهای دینام ثابت کرد. راکر، با غلبه بر مقاومت فنر، به دنبال چرخش در جهت میدان مغناطیسی بود. زاویه چرخش مستقیماً به قدرت میدان بستگی دارد که به نوبه خود به ولتاژ سیم پیچ دینام مربوط می شود. همراه با راکر، یک دریچه مسی چرخید. بسته به موقعیت آن، دهانه لوله موجود در سیستم تنظیم کننده را با یک فن سانتریفیوژ به میزان کم یا زیاد پوشانده است.

اگر قدرت میدان مغناطیسی افزایش یابد، دریچه به تدریج شروع به مسدود کردن دهانه لوله می کند. این امر باعث کاهش دسترسی هوا به سیستم رگلاتور و افزایش خلاء ایجاد شده توسط فن گریز از مرکز شد. در همان زمان، دیافراگم چرمی خم شد و شیر کنترل باعث کاهش بخار به توربین شد. بنابراین، سرعت چرخش توربین به ولتاژ روی سیم‌پیچ‌های دینام بستگی دارد. مکانیزم تنظیم دقیق پارسونز یکی از اولین سروموتورها، دستگاه های بازخوردی بود که جریان را کنترل می کرد. تعداد زیادیانرژی که بخش کوچکی از آن را مصرف می کند.

بخار فشار قوی (قرمز تیره) از سوراخی در نقطه میانی شفت وارد می شود و از تاج های تیغه به دو سر شفت می گذرد. بخار اگزوز (قرمز روشن) وارد دو حفره می شود که توسط یک کانال خروجی در پایین محفظه به هم متصل شده اند. حتی دورتر از مرکز در امتداد محور شفت، دو حفره دیگر توسط یک کانال در قسمت بالایی محفظه به هم متصل شده اند. آنها در خلاء جزئی (آبی) نگهداری می شوند.

کوپلینگ ها که به دلیل اختلاف فشار بین حفره ها با بخار اگزوز و خلاء جزئی به شدت روی سطح داخلی محفظه فشرده شده اند، اجازه نمی دهند بخار اگزوز از شکاف های نزدیک به سطح محور چرخان خارج شود. روغن کاری توسط یک پمپ پیچ (سمت چپ) تامین می شود که روغن (زرد) را به یاتاقان روی شفت و یاتاقان های دیگر پمپ می کند. روغن از طریق کانالی در داخل شفت دینام (مرکز و راست) به یاتاقان های مرکزی می رسد. رگولاتور از یک فن گریز از مرکز (سمت چپ) استفاده می کند که خلاء (آبی) را در سیستم لوله کشی ایجاد می کند. یک غشای چرمی متصل به دریچه ای که تامین بخار توربین را تنظیم می کند زمانی که خلاء در لوله ها باشد به سمت آنها جذب می شود.

مکانیسم تنظیم دقیق در بالای دینام قرار دارد. این مکانیزم جریان هوا را به داخل سیستم لوله بسته به ولتاژ سیم پیچ دینام تغییر می دهد. تحت تأثیر خلاء ایجاد شده در لوله های هوا، روغن حاصل از یاتاقان ها به مخزن عمودی (سمت چپ) برمی گردد.

فن سانتریفیوژ که بر رگولاتور پارسونز تسلط داشت نیز نقش مهمی در سیستم روانکاری داشت. سرعت بالای چرخش شفت توربین نیاز به روانکاری کاملاً قابل اعتماد دارد. در انتهای شفت، پارسونز یک مارپیچ مارپیچ را تقویت کرد که در یک مخزن روغن غوطه ور شده بود و روان کننده یاتاقان های روی شفت می شد. لوله‌ها روغن را به انتهای شفت که دینام در آن قرار داشت هدایت می‌کردند و کانالی در داخل محور دینام روغن را به یاتاقان‌های مرکزی می‌برد و فضای داخلی دینام را خنک می‌کرد. تحت تأثیر گرانش، روغن به گره مرکزی بازگشت. مخزن اصلی روغن توسط یک لوله عمودی به سیستمی از لوله های هوا که مستقیماً در قسمت فن قرار داشت متصل می شد. خلاء ایجاد شده توسط فن روغن را مجبور کرد تا از مجموعه مرکزی به مخزن روغن برگردد، به طوری که سطح روغن برای کارکردن پمپ پیچ کافی بود.

یکی دیگر از اختراعات پارسونز که در توربین های مدرن نیز استفاده می شود، روشی برای از بین بردن نشت بخار از طریق شکاف های بین شفت و پوشش توربین بود. هر تلاشی برای محکم کردن کوپلینگ به شفت ناموفق خواهد بود، زیرا در سرعت بحرانی چرخش در طول مجموعه ای از چرخش ها، اصطکاک زیادی در نتیجه ضربات ایجاد می شود. کوپلینگ که توسط پارسونز طراحی شده بود، به خوبی روی شفت نصب می شد و در عین حال امکان جابجایی های کوچک را فراهم می کرد. پس از رسیدن به سرعت کار، کلاچ به عنوان یک دریچه قابل اعتماد عمل کرد و بخار اگزوز را در داخل محفظه توربین نگه داشت.

به محض اینکه توربین به سرعت های کاری رسید، کلاچ تحت تأثیر اختلاف فشار بین لوله خروجی و محفظه محکم به محور فشار داده شد، جایی که خلاء نسبی برقرار بود. بخار اگزوز از دو حفره (یکی در هر انتهای شفت) از طریق یک کانال خروجی در پایین محفظه توربین عبور کرد. دو حفره دیگر دورتر از نقطه میانی شفت نسبت به هر یک از حفره های خروجی قرار داشتند. کانالی در قسمت بالایی بدن این حفره های شدید را به هم متصل می کند. در داخل هر یک از دو حفره داخلی، پارسونز آستینی قرار داد که شفت را محکم می‌پوشاند. پارسونز برای حفظ خلاء جزئی در حفره های شدید، از پمپ جت بخار استفاده کرد. در تعداد کمی از دورهای توربین، کوپلینگ ها آزادانه همراه با شفت می چرخیدند. با رسیدن به سرعت عملیاتی، اختلاف فشار بین حفره‌های داخلی (محل ورود بخار خروجی از توربین) و حفره‌های بیرونی (جایی که خلاء جزئی وجود داشت) ایجاد شد. تحت عمل افت فشار، کوپلینگ ها به محفظه توربین فشرده شدند و حفره ها را از یکدیگر جدا کردند.

استعداد پارسونز در چه شرایطی شکل گرفت که به لطف آن توانست بر مشکلات در راه ایجاد یک توربین غلبه کند؟ پارسونز بود پسر کوچکتردر خانواده ای که زمینی در بیر، در شهرستان آفلی، در ایرلند دریافت کردند. پدرش، سومین ارل راس، دانشمندی با استعداد بود. او کمک زیادی به فناوری ریخته گری و صیقل دادن آینه های بزرگ برای تلسکوپ ها کرد. در سال 1845، در کارگاهی در املاک خود، تلسکوپ آینه ای ساخت که برای چندین دهه بزرگترین تلسکوپ جهان باقی ماند. پارسونز پدر با این تلسکوپ تعدادی سحابی مارپیچی را کشف کرد. او از سال 1849 تا 1854 رئیس انجمن سلطنتی لندن بود. او به عنوان نماینده مجلس، خانه ای در لندن خرید تا در جلسات شرکت کند. برای بخشی از سال، تمام خانواده در اینجا زندگی می کردند و پذیرایی هایی ترتیب می دادند که نمایندگان جامعه علمی به آن دعوت می شدند.

پارسونز فرزندان خود را به مدرسه نفرستادند. معلمان آنها منجمانی بودند که کنت از آنها برای رصد شبانه با تلسکوپ دعوت می کرد. در طول روز، این علما به کودکان آموزش می دادند. از هر طریق ممکن، کودکان تشویق به شرکت در کارگاه های خانگی شدند. این صنعت که چارلز از دوران کودکی با آن آشنا شده بود، در دوره ای که او در حال ساخت توربین خود بود، نقش بسیار مهمی ایفا کرد.

چارلز وارد کالج ترینیتی دوبلین شد و سپس به کالج سنت جان در دانشگاه کمبریج منتقل شد و در سال 1877 فارغ التحصیل شد. او ریاضیات را زیر نظر ادوارد ای. روت مطالعه کرد که در آن زمان در حال مطالعه شرایط برای حفظ حرکت یکنواخت، به ویژه استفاده از آن بود. تنظیم کننده های مکانیکی مختلف برای این اهداف.

پارسونز تا این زمان از ثمرات تربیت ممتاز خود بهره برده بود. نقطه عطفی در ثروت او زمانی رخ داد که او شاگرد جورج آرمسترانگ، سازنده مشهور اسلحه دریایی شد و در کارخانه الزویک خود در نیوکاسل آپون تاین شروع به کار کرد. دلایلی که پارسونز را وادار به چنین تصمیمی کرد ناشناخته باقی ماند: در آن زمان، فرزندان خانواده های ثروتمند به ندرت شغل مهندسی را انتخاب می کردند.

پارسونز به عنوان سخت کوش ترین شاگرد آرمسترانگ به شهرت رسید. در طول دوره کارآموزی خود، او اجازه کار بر روی آخرین نوآوری - یک موتور بخار با سیلندرهای چرخان - و بین سال های 1877 و 1882 را دریافت کرد. او چندین اختراع خود را به ثبت رساند. اگر این پتنت ها را مطالعه کنید، می بینید که او یک دهه قبل از A. Payne که به خاطر اختراعات خود در این زمینه مشهور است، از ایده روغن کاری تحت فشار استفاده کرده است. قبل از پارسونز، قطره چکان برای روانکاری یاتاقان ها استفاده می شد، بنابراین یاتاقان ها نیاز به نظارت دائمی داشتند. ایده روانکاری اجباری نقشی استثنایی در ایجاد ماشین‌های پرسرعت، به ویژه توربین‌ها داشت.

ایده ساخت یک توربین ظاهراً زمانی که پارسونز هنوز دانشجو بود به ذهنش خطور کرد. لرد ریلی سخنان یکی از آشنایان پارسونز از کمبریج را که مخترع آینده یک موتور کاغذ اسباب‌بازی را به او نشان داد، نقل می‌کند: وقتی پارسونز روی چرخ‌های اسباب‌بازی دمید، چرخ‌ها چرخیدند. پارسونز گفت که سرعت چرخش این ماشین خواهد بود "ده برابر بیشتر از سایرین."

پارسونز اولین آزمایش های واقعی خود را با توربین ها در حالی که برای آرمسترانگ کار می کرد آغاز کرد. از 1881 تا 1883، یعنی. بلافاصله پس از دوره کارآموزی، او با جیمز کیلسون برای ساخت یک اژدر گازسوز همکاری کرد. آرمسترانگ تا حد زیادی با تولید مرتبط بود سلاح های دریاییو احتمالاً از تلاش ها برای توسعه نوع جدیدی از پیشران اژدر حمایت می کند. ویژگی این محرک این بود که سوخت سوزان یک جت گاز پرفشار ایجاد می کرد. جت به پروانه برخورد کرد و باعث چرخش آن شد. پروانه نیز به نوبه خود پروانه اژدر را می چرخاند.

AT نوت بوک هاپارسونز، هیچ نشانه صریحی از طراحی پروانه وجود ندارد، اما می توان با بررسی یک قایق کوچک ساخته شده توسط پارسونز از ورق مس، ایده ای در مورد آن به دست آورد. قایق توسط یک ملخ سه پره که در زیر بدنه قرار داشت رانده می شد. پیچ در داخل یک حلقه بزرگ با 44 شکاف مارپیچ قرار داشت. گاز خارج شده در یک جت از این شکاف ها عبور کرد و به دلیل نیروی ایجاد شده در اثر انحراف جریان، حلقه شروع به چرخش کرد. همراه با آن، ملخ نیز می چرخید و قایق را به جلو می راند.

بنابراین، پارسونز آزمایش‌های اولیه خود را با توربین‌های گاز انجام داد، نه با توربین‌های بخار. او کار بر روی آنها را در سال 1883 متوقف کرد، اگرچه ثبت اختراع او در سال 1884 چرخه مدرن یک توربین گاز را توصیف می کند. او بعداً در این باره توضیح داد.

"آزمایش هایی که سال ها پیش انجام شد -او نوشت، - و تا حدی با هدف تأیید واقعیت یک توربین گاز، من را متقاعد کرد که با فلزاتی که در اختیار داشتیم ... استفاده از جت های رشته ای از گازها برای چرخش پره ها - چه به صورت خالص - اشتباه است. به شکل یا مخلوط با آب یا کشتی."

این یک اظهار نظر محتاطانه بود: ده سال پس از مرگ پارسونز نبود که فلزات مناسب برای ساخت توربین های گازی ظاهر شدند.

در اوایل سال 1884 پارسونز شریک جوانی در کلارک چاپمن و شرکت شد. پس از استقرار در گیتسهد، به طراحی یک توربین بخار پرداخت. سوابق آزمایش های او در مورد ایجاد اژدر مربوط به اوت 1883 نشان می دهد که در آن زمان او هنوز به این ایده نرسیده بود که سرعت چرخش پره ها را به سرعت جت گاز برساند. . مشکل ایجاد نازل با نسبت فشار زیاد در ورودی و خروجی نیز توجه او را به خود جلب نکرد. اما قبلاً در آوریل 1884 دو اختراع موقت صادر کرد و در اکتبر و نوامبر همان سال توضیحات کاملاختراعات

این یک دوره فوق العاده سازنده برای پارسونز بود. او باید نه تنها با محورهای پرسرعت و سایر قطعات توربین آزمایش می کرد، بلکه باید در مورد راه های ممکن برای استفاده از انرژی ماشین خود نیز فکر می کرد. با سرعت چرخش 18000 دور در دقیقه، نمی توان از آن برای مصارف معمولی استفاده کرد. پارسونز همچنین تصمیم گرفت یک دینام ایجاد کند که با یک توربین با سرعت بالا کار می کند، که تعداد کمی از ماشین های الکتریکی مدرن می توانند به آن دست یابند. پس از آن، پارسونز اغلب تکرار می کرد که این اختراع به اندازه ساخت خود توربین مهم است. قبل از امروزاستفاده اولیه از توربین بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی باقی مانده است.

اولین توربین های بخار کارآمدی خاصی نداشتند. تا زمانی که توان خروجی آنها با موتورهای بخار معمولی مطابقت نداشت، باید به قیمت سایر ویژگی ها برای خریداران جذاب می شدند. چنین ویژگی های جذاب آنها بود اندازه کوچک، پایداری ولتاژ الکتریکی، عملکرد قابل اعتماد در غیاب کنترل و هزینه های عملیاتی کم. تمام این ویژگی ها در اولین توربین وجود داشت.

در نوامبر 1884، زمانی که اولین نمونه اولیه توربین ساخته شد، چارلز A. پارسونز ارجمند تنها 30 سال داشت. نبوغ مهندسی و استعداد برای نیازهای بازار به خودی خود شرایط کافی برای ورود موفقیت آمیز فرزندان او به زندگی نبود. در تعدادی از مراحل، پارسونز مجبور شد سرمایه خود را سرمایه گذاری کند تا کار انجام شده بیهوده نباشد. طی آزمایشی در سال 1898 برای تمدید اعتبار برخی از پتنت هایش، مشخص شد که پارسونز 1107.13 پوند 10 روز از پول شخصی خود را برای توربین خرج کرده است.

توربینیا اولین کشتی بخار با موتور توربین است. در سال 1894 راه اندازی شد.
این کشتی بخار رکورد سرعت - تا 35 گره را توسعه داد.
پس از آن، استفاده از توربین ها در کشتی های بزرگ آغاز شد.