EntréeÉnergie. Invention des turbines à vapeur
Imaginez un récipient métallique fermé (chaudron) partiellement rempli d'eau. Si un feu est allumé en dessous, l'eau commencera à chauffer, puis à bouillir, se transformant en vapeur. La pression à l'intérieur de la chaudière va augmenter, et si ses parois ne sont pas assez solides, elle peut même exploser. Cela montre qu'une réserve d'énergie s'est accumulée dans la paire, qui s'est finalement manifestée par une explosion. La vapeur peut-elle être utilisée pour faire un travail utile ? Cette question occupe les scientifiques depuis très longtemps. L'histoire de la science et de la technologie en sait beaucoup inventions intéressantes dans lequel une personne cherchait à utiliser l'énergie de la vapeur. Certaines de ces inventions étaient utiles, d'autres étaient de simples engins, mais au moins deux inventions doivent être qualifiées de grandes ; ils caractérisent des époques entières dans le développement de la science et de la technologie. Ces grandes inventions sont la machine à vapeur et la turbine à vapeur. La machine à vapeur, qui a reçu une application industrielle dans la seconde moitié du XVIIIe siècle, a révolutionné la technologie. Il est rapidement devenu le principal moteur utilisé dans l'industrie et les transports. Mais en fin XIX et le début du 20ème siècle. la puissance et la vitesse réalisables de la machine à vapeur étaient déjà devenues insuffisantes.
Il y avait un besoin pour la construction de grandes centrales électriques, qui nécessitaient un moteur puissant et à grande vitesse. La turbine à vapeur est devenue un tel moteur, qui peut être construit pour une puissance énorme à grande vitesse. La turbine à vapeur a rapidement remplacé la machine à vapeur des centrales électriques et des grands bateaux à vapeur.
L'histoire de la création et de l'amélioration de la turbine à vapeur, comme toute invention majeure, est associée aux noms de nombreuses personnes. De plus, comme c'est généralement le cas, le principe de base du fonctionnement de la turbine était connu bien avant que le niveau de la science et de la technologie ne permette la construction de la turbine.
Le principe de fonctionnement d'une machine à vapeur est d'utiliser les propriétés élastiques de la vapeur. La vapeur pénètre périodiquement dans le cylindre et, en se dilatant, fonctionne en déplaçant le piston. Le principe de fonctionnement d'une turbine à vapeur est différent. Ici, la vapeur se dilate et l'énergie potentielle accumulée dans la chaudière est convertie en énergie à grande vitesse (cinétique). A son tour, l'énergie cinétique du jet de vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation de la roue de turbine.
L'histoire du développement de la turbine commence avec la boule du Héron d'Alexandrie et la roue de Branca. La possibilité d'utiliser l'énergie de la vapeur pour produire un mouvement mécanique a été notée par le célèbre scientifique grec Hero of Alexandria il y a plus de 2000 ans. Il a construit un appareil appelé Heron's ball (Fig. 1).
La balle pouvait tourner librement dans deux supports constitués de tubes. Par ces supports, la vapeur de la chaudière pénétrait dans le ballon puis ressortait dans l'atmosphère par deux tubes coudés à angle droit. La boule tournait sous l'action des forces réactives résultant de l'écoulement des jets de vapeur.
Un autre projet est décrit dans les travaux du savant italien Giovanni Branca (1629). À partie supérieure le tube est inséré dans la chaudière (Fig. 2).
Étant donné que la pression de vapeur à l'intérieur de la chaudière est supérieure à la pression atmosphérique autour de la chaudière, la vapeur se précipite à travers le tube.
Un jet de vapeur jaillit de l'extrémité libre du tube et, tombant sur les pales de la roue, le fait tourner.
Le modèle de Heron et la roue de Branca n'étaient pas des moteurs, mais ils indiquaient déjà des moyens possibles d'obtenir un mouvement mécanique grâce à l'énergie de la vapeur motrice.
Il y a une différence dans les principes de fonctionnement de la boule de Heron et de la roue de Branca. La balle de Heron, comme déjà mentionné, tourne sous l'action de forces réactives. Ce sont les mêmes forces qui poussent la fusée. Il est connu de la mécanique qu'un jet expulsé d'un récipient sous l'action de la pression appuie quant à lui sur le récipient dans le sens opposé au sens d'écoulement. Ceci est évident sur la base de la troisième loi de Newton, selon laquelle la force poussant le jet vers l'extérieur doit être égale et opposée en direction à la force de réaction du jet sur le vaisseau.
Dans la turbine Branca, l'énergie potentielle de la vapeur est d'abord convertie en énergie cinétique du jet qui bat depuis le tube. Ensuite, lorsque le jet heurte les pales des roues, une partie énergie cinétique la vapeur est convertie en énergie mécanique de la rotation de la roue.
Si la balle de Heron est déplacée par des forces réactives, le soi-disant principe actif est utilisé dans la roue Branca, car la roue tire l'énergie du jet actif.
Le plus grand changement dans la conception de la turbine à vapeur et son développement ultérieur a été décrit à la fin du siècle avant-dernier, quand en Suède, ingénieur. Gustav Laval et en Angleterre Charles Parsons ont commencé à travailler indépendamment sur la création et l'amélioration de la turbine à vapeur. Les résultats obtenus ont permis à la turbine à vapeur de devenir le principal type de moteur pour entraîner les générateurs. courant électrique et être largement utilisé comme moteur pour les navires civils et militaires. Dans la turbine à vapeur de Laval, créée en 1883, la vapeur pénètre dans une ou plusieurs tuyères connectées en parallèle, y acquiert une vitesse importante et est dirigée vers les aubes du rotor situées sur le bord du disque reposant sur l'arbre de la turbine et formant une grille de canaux de travail.
Les efforts provoqués par la rotation du jet de vapeur dans les canaux de la grille de travail font tourner le disque et l'arbre de turbine qui lui est associé. Une particularité de cette turbine est que la détente de la vapeur dans les tuyères de la pression initiale à la pression finale se produit en une seule étape, ce qui conduit à des débits de vapeur très élevés. La transformation de l'énergie cinétique de la vapeur en énergie mécanique se produit sans autre détente de la vapeur, uniquement en raison d'un changement de sens d'écoulement dans les canaux des aubes.
Les turbines construites selon ce principe, c'est-à-dire les turbines, dans lesquelles tout le processus de détente de la vapeur et l'accélération associée du flux de vapeur se produisent dans des tuyères fixes, sont appelées turbines actives.
Lors du développement de turbines actives à un étage, un certain nombre de problèmes complexes ont été résolus, ce qui a eu un effet extrêmement grande importance pour la poursuite du développement Turbines à vapeur. Des buses à expansion ont été utilisées, qui permettent un plus grand degré d'expansion de la vapeur et permettent d'atteindre des vitesses d'écoulement de vapeur élevées (1200-1500 m/s). Pour mieux utiliser les débits de vapeur élevés, Laval a développé une conception de disque à résistance égale qui permettait un fonctionnement à des vitesses circonférentielles élevées (350 m/s). Enfin, ces vitesses élevées (jusqu'à 32 000 tr / min) étaient utilisées dans une turbine active à un étage qui dépassait de loin les vitesses des moteurs courants à l'époque. Ceci a conduit à l'invention d'un arbre flexible dont la fréquence des vibrations libres est inférieure à la fréquence des forces perturbatrices à la vitesse de fonctionnement.
Malgré un certain nombre de nouvelles solutions de conception utilisées dans les turbines actives à un étage, leur efficacité était faible. De plus, la nécessité d'utiliser un réducteur pour réduire la vitesse de l'arbre moteur à la vitesse de la machine entraînée a également freiné le développement des turbines à un étage à cette époque et, en particulier, l'augmentation de leur puissance. Par conséquent, les turbines Laval, ayant reçu une distribution importante au début du développement de la construction de turbines en tant qu'unités de petite puissance (jusqu'à 500 kW), ont ensuite cédé la place à d'autres types de turbines.
La turbine à vapeur, proposée en 1884 par Parsons, est fondamentalement différente de la turbine Laval. L'expansion de la vapeur dans celui-ci s'effectue non pas dans un groupe de buses, mais dans un certain nombre d'étapes successives, chacune constituée d'aubes directrices fixes (réseaux de buses) et d'aubes rotatives.
Les aubes directrices sont fixées dans le carter fixe de la turbine, les aubes de travail sont disposées en rangées sur le tambour. Dans chaque étage d'une telle turbine, une différence de pression est générée qui n'est qu'une petite fraction de la différence de pression totale entre la pression de vapeur fraîche et la pression de la vapeur sortant de la turbine. Ainsi, il s'est avéré possible de travailler avec de faibles débits de vapeur dans chaque étage et avec des vitesses circonférentielles des pales du rotor plus faibles que dans une turbine Laval. De plus, l'expansion de la vapeur dans les étages de la turbine Parsons se produit non seulement dans la tuyère, mais également dans la grille de travail. Par conséquent, des forces sont transférées aux pales du rotor, provoquées non seulement par un changement de direction du flux de vapeur, mais également par l'accélération de la vapeur dans la grille de travail, ce qui provoque une force de réaction sur les pales du rotor de la turbine.
Les étages de turbine qui utilisent la détente de la vapeur et l'accélération associée du flux de vapeur dans les canaux des aubes du rotor sont appelés étages à jet. Ainsi, montré dans la Fig. 4 était un représentant typique des turbines à vapeur à jet à plusieurs étages.
Le principe de connexion séquentielle d'étages, dont chacun n'utilise qu'une partie de la différence thermique disponible, s'est avéré très fructueux pour le développement ultérieur des turbines à vapeur. Il a permis d'atteindre un rendement élevé dans la turbine à des vitesses modérées du rotor de la turbine, permettant une connexion directe de l'arbre de la turbine à l'arbre du générateur de courant électrique. Le même principe a permis de fabriquer des turbines de très haute puissance, atteignant plusieurs dizaines voire centaines de milliers de kilowatts dans une seule unité.
Les turbines à réaction multiétagées sont actuellement largement utilisées, tant dans les installations fixes que dans la flotte.
Le développement des turbines à vapeur actives a également suivi la voie de l'expansion séquentielle de la vapeur non pas en une seule, mais en plusieurs étapes situées les unes après les autres. Dans ces turbines, plusieurs disques montés sur un arbre commun sont séparés par des cloisons, appelées diaphragmes, dans lesquelles se trouvent des réseaux de tuyères fixes. Dans chacun des étages ainsi construits, la vapeur se détend dans une fraction de la perte totale de chaleur disponible. Dans les grilles de travail, seule l'énergie cinétique du flux de vapeur est convertie sans détente supplémentaire de la vapeur dans les canaux des pales de travail. Les turbines actives à plusieurs étages sont largement utilisées dans les installations fixes, elles sont également utilisées comme moteurs marins.
Parallèlement aux turbines dans lesquelles la vapeur se déplace dans la direction de l'axe de l'arbre de la turbine (axiale), des conceptions de turbines radiales ont été créées, dans lesquelles la vapeur s'écoule dans un plan perpendiculaire à l'axe de la turbine. Parmi ces dernières, la plus intéressante est la turbine radiale proposée en 1912 en Suède par les frères Jungstrom.
Riz.
1,2 - disques de turbine; 3 - canalisations de vapeur vive; 4, 5 - arbres de turbines ; 6, 7 - pales des étages intermédiaires
Sur les faces latérales des disques 1 et 2, les aubes des étages à jet sont disposées dans des couronnes de diamètre progressivement croissant. La vapeur est amenée à la turbine par les conduites 3 puis à travers les trous des disques 1 et 2 est dirigée vers la chambre centrale. De là, il s'écoule vers la périphérie par les canaux des aubes 6 et 7, montées sur les deux disques. Contrairement aux conceptions conventionnelles, la turbine Jungström n'a pas de réseaux de buses fixes ni d'aubes directrices. Les deux disques tournent dans des sens opposés, de sorte que la puissance développée par la turbine doit être transmise par les arbres 4 et 5. Le principe de contre-rotation des rotors permet de rendre la turbine très compacte et économique.
Depuis le début des années 1990, le développement des turbines à vapeur a été exceptionnellement rapide. Ce développement a été largement déterminé par le même développement parallèle rapide des machines électriques et l'introduction généralisée de l'énergie électrique dans l'industrie. L'efficacité de la turbine à vapeur et sa puissance dans une unité ont atteint valeurs élevées. En termes de puissance, les turbines dépassaient de loin la puissance de tous les autres types de moteurs sans exception. Il existe des turbines d'une capacité de 500 MW associées à un générateur de courant électrique, et la possibilité de réaliser des unités encore plus puissantes, au moins jusqu'à 1000 MW, a été prouvée.
Dans le développement de la construction de turbines à vapeur, on peut noter plusieurs étapes qui ont affecté la conception des turbines construites à différentes périodes.
Dans la période précédant la guerre impérialiste de 1914, le niveau de connaissances dans le domaine de l'exploitation des métaux à haute température était insuffisant pour l'utilisation de la vapeur à hautes pressions et températures. Par conséquent, jusqu'en 1914, les turbines à vapeur ont été construites principalement pour fonctionner avec de la vapeur à pression modérée (12 - 16 bar), avec des températures allant jusqu'à 350 ° C.
En ce qui concerne l'augmentation de la puissance d'une seule unité, de grands succès ont déjà été obtenus dans la période initiale de développement des turbines à vapeur.
En 1915, la puissance des turbines individuelles atteignait déjà 20 MW. Dans l'après-guerre, à partir de 1918-1919, la tendance à la montée en puissance se poursuit. Cependant, à l'avenir, les concepteurs de turbines ont poursuivi la tâche d'augmenter non seulement la puissance de l'unité, mais également le nombre de tours des turbines de grande puissance lorsqu'elles étaient réalisées avec un seul générateur de courant électrique.
La turbine à grande vitesse la plus puissante au monde à une époque (1937) était la turbine de l'usine métallurgique de Leningrad, construite pour 100 MW à 3000 tr/min.
Dans la période précédant la guerre impérialiste de 1914, les usines de turbines produisaient dans la plupart des cas des turbines avec un nombre limité d'étages placés dans un carter de turbine. Cela a permis de rendre la turbine très compacte et relativement bon marché. Après la guerre de 1914, la tension d'approvisionnement en carburant que connaissent la plupart des pays nécessite une augmentation générale du rendement des groupes turbines.
Il a été constaté que l'efficacité maximale de la turbine peut être obtenue en appliquant de petites chutes thermiques à chaque étage de la turbine et en construisant en conséquence des turbines avec un grand nombre pas. Dans le cadre de cette tendance, des conceptions de turbines sont apparues, qui, même avec des paramètres de vapeur vive modérés, comportaient un nombre extrêmement élevé d'étages, atteignant 50 à 60.
Un grand nombre d'étapes a conduit à la nécessité de créer des turbines à plusieurs carters, même lorsque la turbine était reliée à un seul générateur électrique.
Ainsi, les turbines à deux et trois corps ont commencé à se répandre, qui, étant très économiques, étaient très coûteuses et encombrantes.
Dans le développement ultérieur de la construction de turbines, il y a également eu un recul bien connu en la matière vers la simplification de la conception de la turbine et la réduction du nombre de ses étages. Des turbines d'une capacité allant jusqu'à 50 MW à 3 000 tr/min ont été construites assez longtemps uniquement avec deux enveloppes. Les turbines à condensation les plus récentes de cette capacité, produites par des usines de pointe, sont construites en monobloc.
Parallèlement aux améliorations de conception des turbines à pression moyenne (20 - 30 bar) dans la période de 1920 à 1940, des installations plus économiques ont commencé à se répandre haute pression atteignant 120 - 170 bars.
Application vapeur paramètres élevés, augmentant considérablement l'efficacité de la turbine, a nécessité de nouvelles solutions dans le domaine de la conception des turbines à vapeur. Des progrès significatifs ont été réalisés dans l'utilisation d'aciers alliés, qui ont une limite d'élasticité suffisamment élevée et de faibles taux de fluage à des températures de 500 à 550°C.
Parallèlement au développement des turbines à condensation, déjà au début de ce siècle, des installations de production combinée d'énergie électrique et de chaleur ont commencé à être utilisées, ce qui a nécessité la construction de turbines à contre-pression et extraction de vapeur intermédiaire. La première turbine avec régulation à pression constante de la vapeur de prélèvement a été construite en 1907.
Les conditions de l'économie capitaliste, cependant, empêchent l'utilisation de tous les avantages de la production combinée de chaleur et d'électricité. En effet, la capacité de consommation de chaleur à l'étranger est dans la plupart des cas limitée à la consommation de l'entreprise où la turbine est installée. Par conséquent, les turbines qui permettent l'utilisation de la chaleur de la vapeur d'échappement sont le plus souvent construites à l'étranger pour de petites capacités (jusqu'à 10-12 MW) et sont calculées pour fournir de la chaleur et énergie électrique seulement une entreprise industrielle individuelle. Il est caractéristique que les plus grandes turbines (25 MW, puis 50 et 100 MW) avec extraction de vapeur aient été construites en Union soviétique, car le développement planifié de l'économie nationale crée Conditions favorables pour la production combinée de chaleur et d'électricité.
Dans la période d'après-guerre dans tous les pays techniquement développés pays européens, ainsi qu'aux États-Unis, on observe un développement de plus en plus accéléré de l'industrie énergétique, ce qui entraîne une augmentation croissante de la capacité des unités de puissance. Dans le même temps, on a tendance à utiliser des paramètres de vapeur initiaux de plus en plus élevés.
Les turbines à condensation à un seul arbre atteignent une puissance de 500 à 800 MW, et avec une conception à deux arbres, des centrales d'une capacité de 1000 MW ont déjà été construites.
Au fur et à mesure que la puissance augmentait, il convenait également d'augmenter les paramètres de vapeur initiaux, qui étaient successivement choisis au niveau de 90, 130, 170, 250 et, enfin, 350 bars, tandis que les températures initiales augmentaient également, qui s'élevaient à 500, 535, 565, 590, et dans certains cas jusqu'à 650 ° C. Il convient de garder à l'esprit qu'à des températures supérieures à 565 ° C, des aciers très coûteux et moins étudiés de la classe austénitique doivent être utilisés. Cela a conduit au fait que récemment, il y a eu une tendance à une certaine déviation dans la plage de température, excluant la nécessité d'utiliser des aciers austénitiques, c'est-à-dire températures au niveau de 540 ° C.
Les succès obtenus en 1915-1920 ont été d'une grande importance pour le développement des turbines de faible puissance et, en particulier, pour le développement des turbines à vapeur des navires. dans le domaine de la construction de réducteurs. Jusqu'à ce moment là turbines marines ont été effectués à un nombre de tours égal au nombre de tours des hélices, c'est-à-dire 300 - 500 tr/min, ce qui réduisait l'efficacité de l'installation et entraînait des dimensions et des poids importants des turbines.
À partir du moment où une fiabilité totale et un rendement élevé ont été atteints dans le fonctionnement des réducteurs à engrenages, les turbines marines sont équipées d'entraînements à engrenages et fonctionnent à une vitesse accrue, ce qui correspond aux conditions de fonctionnement les plus favorables pour la turbine.
Pour les turbines fixes de faible puissance, il s'est également avéré judicieux d'utiliser une transmission à engrenages entre la turbine et la génératrice. Le nombre de tours le plus élevé possible avec une connexion directe entre les arbres de la turbine et l'alternateur à 50 périodes est de 3000 tr/min. Aux puissances inférieures à 2,5 MW, ce régime est défavorable à la turbine à condensation. Avec le développement de l'ingénierie des boîtes de vitesses, il est devenu possible de fabriquer des turbines à des vitesses plus élevées (5000-10000 tr / min), ce qui a permis d'augmenter le rendement des turbines de petite capacité et, surtout, de réduire leur taille et de simplifier la conception.
Histoire de l'invention des turbines à vapeur
L'invention et la distribution des turbines à vapeur ont été d'une grande importance pour l'énergie et l'électrification. Le principe de leur fonctionnement était similaire à celui des hydrauliques, à la différence cependant que la turbine hydraulique était entraînée par un jet d'eau et la turbine à vapeur par un jet de vapeur chauffée. De la même manière que la turbine à eau représentait un mot nouveau dans l'histoire des machines à eau, la machine à vapeur a démontré les nouvelles possibilités de la machine à vapeur.
L'ancienne machine Watt, qui fêtait son centenaire dans le troisième quart du XIXe siècle, avait un faible rendement, car le mouvement de rotation y était obtenu de manière complexe et irrationnelle. En fait, comme on s'en souvient, la vapeur n'a pas déplacé la roue en rotation elle-même ici, mais a exercé une pression sur le piston, du piston à travers la tige, la bielle et la manivelle, le mouvement a été transmis à l'arbre principal. À la suite de nombreux transferts et transformations, une grande partie de l'énergie reçue de la combustion du carburant, au sens plein du terme, s'est envolée dans le tuyau sans aucun avantage. Plus d'une fois, les inventeurs ont essayé de concevoir une machine plus simple et plus économique - une turbine à vapeur, dans laquelle un jet de vapeur ferait directement tourner la roue. Un calcul simple a montré qu'elle devait avoir un rendement supérieur de plusieurs ordres de grandeur à la machine de Watt. Cependant, il y avait de nombreux obstacles dans la voie de la pensée de l'ingénierie. Pour qu'une turbine devienne vraiment un moteur très efficace, la turbine devait tourner à très haute vitesse, faisant des centaines de tours par minute. Longtemps ils ne pouvaient pas y parvenir, car ils ne savaient pas comment donner la vitesse appropriée au jet de vapeur.
Première étape importante L'ingénieur suédois Carl Gustav Patrick Laval participe en 1889 à la mise au point d'un nouvel outil technique qui remplace la machine à vapeur.La turbine à vapeur Laval est une roue à aubes. Un jet d'eau formé dans la chaudière sort du tuyau (buse), appuie sur les pales et fait tourner la roue. En expérimentant différentes conduites de jour à vapeur, le concepteur est arrivé à la conclusion qu'elles devraient avoir la forme d'un cône. C'est ainsi qu'est apparue la buse Laval, qui a été utilisée jusqu'à nos jours.
Ce n'est qu'en 1883 que le Suédois Gustav Laval réussit à surmonter de nombreuses difficultés et à créer la première turbine à vapeur en état de marche. Quelques années plus tôt, Laval avait obtenu un brevet pour un séparateur de lait. Pour le mettre en action, un entraînement à très grande vitesse était nécessaire. Aucun des moteurs alors existants ne satisfaisait à la tâche. Laval était convaincu que seule une turbine à vapeur pouvait lui donner la vitesse de rotation nécessaire. Il a commencé à travailler sur sa conception et a finalement réalisé ce qu'il voulait. La turbine Laval était une roue légère, sur les pales de laquelle, à travers plusieurs placées sous angle aigu les buses fumaient. En 1889, Laval améliore considérablement son invention en ajoutant des expanseurs coniques aux buses. Cela a considérablement augmenté l'efficacité de l'hydroturbine et l'a transformée en un moteur universel.
Le principe de fonctionnement de la turbine était extrêmement simple. Vapeur chauffée à haute température, est venu de la chaudière à travers le tuyau de vapeur jusqu'aux buses et a éclaté. Dans les buses, la vapeur s'est dilatée jusqu'à pression atmosphérique. Du fait de l'augmentation de volume accompagnant cette détente, une augmentation significative du débit sortant a été obtenue (lors de la détente de 5 à 1 atmosphère, la vitesse du jet de vapeur atteignait 770 m/s). Ainsi, l'énergie contenue dans la vapeur était transférée aux aubes de la turbine. Le nombre de buses et la pression de la vapeur déterminaient la puissance de la turbine. Lorsque la vapeur d'échappement n'était pas rejetée directement dans l'air, mais était envoyée, comme dans les machines à vapeur, vers un condenseur et liquéfiée à pression réduite, la puissance de la turbine était la plus élevée. Ainsi, lorsque la vapeur se détend de 5 atmosphères à 1/10 d'atmosphère, la vitesse du jet atteint une valeur supersonique.
Malgré son apparente simplicité, la turbine Laval était une véritable merveille d'ingénierie. Il suffit d'imaginer les charges que la roue a subies pour comprendre à quel point il était difficile pour l'inventeur d'obtenir un fonctionnement ininterrompu de sa progéniture. À des vitesses énormes de la roue de turbine, même un léger déplacement du centre de gravité provoquait une forte charge sur l'essieu et une surcharge des roulements. Pour éviter cela, Laval a eu l'idée de mettre la roue sur un axe très fin, qui, une fois tourné, pourrait se plier légèrement. Lorsqu'il n'était pas tordu, il arrivait lui-même à une position strictement centrale, qui était alors maintenue à n'importe quelle vitesse de rotation. Grâce à cette solution ingénieuse, l'effet destructeur sur les roulements a été réduit au minimum.
Dès son apparition, la turbine Laval est universellement reconnue. Elle était beaucoup plus économique que les anciennes machines à vapeur, très maniable, peu encombrante, facile à installer et à brancher. La turbine Laval offrait surtout de grands avantages lorsqu'elle était reliée à des machines à grande vitesse : scies, séparateurs, pompes centrifuges. Il a également été utilisé avec succès comme entraînement pour un générateur électrique, mais il avait néanmoins une vitesse excessivement élevée et ne pouvait donc agir que par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses (un système d'engrenages qui abaissait la vitesse de rotation lors du transfert du mouvement de l'arbre de la turbine à arbre du générateur). turbine à vapeur laval
En 1884, l'ingénieur anglais Parson a reçu un brevet pour une turbine à réaction à plusieurs étages, qu'il a inventée spécifiquement pour entraîner un générateur électrique. En 1885, il conçoit une turbine à réaction à plusieurs étages, qui sera ensuite largement utilisée dans les centrales thermiques. Elle avait l'appareil suivant, rappelant un appareil à turbine à réaction. Une rangée de roues rotatives à aubes était montée sur l'arbre central. Entre ces roues étaient fixées des jantes (disques) avec des lames qui avaient la direction opposée. De la vapeur sous haute pression était fournie à l'une des extrémités de la turbine. La pression à l'autre extrémité était faible (inférieure à la pression atmosphérique). Par conséquent, la vapeur cherchait à traverser la turbine. Premièrement, il a agi dans les espaces entre les omoplates de la première couronne. Ces pales le dirigeaient vers les pales de la première roue mobile. De la vapeur passait entre eux, faisant tourner les roues. Puis il est entré dans la deuxième couronne. Les aubes de la deuxième couronne dirigeaient la vapeur entre les aubes de la deuxième roue mobile, qui entraient également en rotation. De la deuxième roue mobile, la vapeur s'écoulait entre les pales de la troisième couronne, et ainsi de suite. Toutes les aubes ont reçu une forme telle que la section transversale des canaux inter-aubes a diminué dans le sens de l'écoulement de la vapeur. Les pales, pour ainsi dire, formaient des buses montées sur l'arbre, à partir desquelles, en se dilatant, la vapeur s'écoulait. La puissance active et la puissance réactive ont été utilisées ici. En tournant, toutes les roues faisaient tourner l'arbre de la turbine. À l'extérieur, l'appareil était enfermé dans un boîtier solide. En 1889, environ trois cents de ces turbines étaient déjà utilisées pour produire de l'électricité, et en 1899, la première centrale électrique avec des turbines à vapeur Parson a été construite à Elberfeld. Pendant ce temps, Parson a tenté d'élargir la portée de son invention. En 1894, il construit un navire expérimental "Turbinia" mû par une turbine à vapeur. Lors des tests, il a démontré une vitesse record de 60 km/h. Après cela, des turbines à vapeur ont commencé à être installées sur de nombreux navires à grande vitesse.
Le temps des machines à vapeur fut de courte durée. Mais toujours dans la Grèce ancienne on savait utiliser le liquide surchauffé dans les opérations militaires. Il y a plusieurs siècles, nos ancêtres ont passé beaucoup de temps et d'efforts à conquérir la vapeur, ce sujet est toujours intéressant aujourd'hui.
Éolipil du héron
L'histoire de l'invention des turbines remonte à l'Antiquité, mais les gens n'ont pu utiliser la vapeur au profit de l'humanité qu'à la fin du XVIIe siècle. Déjà au tout début de notre ère, le scientifique grec Héron d'Alexandrie a clairement montré que la vapeur peut être utile. Son invention, du nom de l'inventeur "Eolipil du héron", était une boule qui tournait avec la puissance d'un jet de vapeur. C'est ainsi qu'est apparu le premier prototype de la turbine à vapeur.
Boule de Salomon
De plus, l'histoire de l'invention des turbines ne s'est pas développée aussi rapidement. Malheureusement, la plupart des inventions des anciens Grecs sont restées oubliées et n'ont pas trouvé d'autre application. Ce n'est qu'au début du XVIIe siècle que quelque chose de similaire à une machine à vapeur est décrit, bien que très primitif. Le scientifique-inventeur français Salomon de Caux décrit dans ses écrits une boule métallique creuse avec deux tubes, dont l'un sert à fournir et l'autre à drainer l'eau. Et si vous chauffez la balle, l'eau à travers le tube commencera à monter.
Turbine Branca
Au début de 1629, l'inventeur et mécanicien Giovanni Branchi assemble la première turbine à vapeur. Le principe de fonctionnement est basé sur la conversion de l'énergie potentielle de la vapeur en énergie cinétique et sur l'exécution d'un travail utile par celle-ci. L'essence de son invention était qu'un jet de vapeur avec sa pression mettait en mouvement une roue avec des pales, comme la roue d'un moulin à eau. Mais ce genre de turbines avait une capacité très limitée, puisqu'il était impossible de créer un jet à haute pression. Ainsi, l'histoire de l'invention de la turbine à vapeur prend un nouveau tournant après une longue pause.
rampe à vapeur
En 1825, l'ingénieur-inventeur Richard Trayvisick a tenté d'installer deux buses sur la roue d'une locomotive à vapeur et de faire passer de la vapeur à haute pression à travers elles. Les travaux de la scierie construite par le mécanicien américain W. Avery reposaient sur les mêmes principes. De nombreux auteurs ont voulu que l'histoire de l'invention de la turbine capture également leurs noms. Rien qu'en Angleterre, plus de 100 inventions liées aux turbines à vapeur ou aux principes de leur fonctionnement ont été brevetées sur 20 ans.
Turbine dans l'industrie
Pendant 5 ans, à partir de 1884, indépendamment l'un de l'autre, le Suédois Carl Gustav de Laval et l'Irlandais Charles Parsons ont travaillé à la création d'une turbine à vapeur adaptée à l'industrie. Laval a inventé la tuyère expansible, ce qui a permis d'augmenter considérablement la vitesse de la vapeur qui s'échappe et, par conséquent, la vitesse de rotation du rotor de la turbine a également augmenté.
Mais grâce à l'invention de Laval, il n'a été possible d'obtenir qu'une faible puissance de sortie, de l'ordre de 500 kW. Ses turbines à vapeur ont été largement utilisées au départ, mais ont rapidement été remplacées par des unités plus puissantes d'autres types.
turbine à réaction
L'histoire de l'invention des turbines à vapeur comprend également l'invention de la turbine à jet à plusieurs étages de Parsons. La différence de cette invention était la vitesse de rotation inférieure et l'utilisation maximale de l'énergie de la vapeur. Ces changements importants ont été obtenus par le fait que la vapeur s'est développée progressivement, passant par 15 étages dans le système de turbine. Ainsi, les travaux du scientifique ont trouvé utilisation pratique dans l'industrie. Ceci conclut l'histoire de l'invention des turbines, décrivant brièvement les principales figures du passé impliquées dans la résolution de cette question importante. Depuis lors, la turbine Parsons a subi un grand nombre de modifications et d'améliorations, mais néanmoins les principes de base sont restés inchangés.
L'invention des turbines en Russie
L'histoire de l'invention des turbines à vapeur a également été écrite en Russie. Connu dans les milieux professionnels, le maître de l'Altaï Zalesov a travaillé à l'usine de Suzunsky. De 1803 à 1813, un grand nombre de modèles de turbines sortent de ses mains. En tant que praticien possédant une vaste expérience, il a pu voir des défauts dans la conception des turbines à vapeur, ce qui a permis d'apporter des modifications à étapes préliminaires construction. Son collègue était l'inventeur Kuzminsky. Il a travaillé dans le domaine de la construction navale et de l'ingénierie aéronautique et est arrivé à la conclusion qu'il n'était pas conseillé d'utiliser une machine à vapeur à piston dans la construction navale. Kuzminsky a inventé et testé une turbine marine réversible à vapeur de sa propre conception.
Elle avait un petit poids de 15 kg par puissance Puissance. Histoire russe l'invention des turbines, brièvement décrite par Kuzminsky, est caractérisée comme une époque où les découvertes domestiques sont tombées dans l'oubli. Sans aucun doute, l'invention de la turbine à vapeur a donné lieu à une nouvelle ère dans le développement de l'industrie et de l'ensemble de la société, a donné une impulsion à un certain nombre de découvertes et de réalisations dans d'autres domaines scientifiques. Les inventions de ces temps lointains sont encore utilisées aujourd'hui, bien que dans un état considérablement modifié. Malgré le fait que la science a fait de grands progrès, elle repose en grande partie sur des principes établis dans un passé lointain.
L'histoire du développement des turbines automobiles remonte à peu près à la même époque que la construction des premiers moteurs à combustion interne. Cependant, des tentatives de création d'un mécanisme similaire à une turbine ont été notées bien avant cela. À l'aube du nouveau millénaire, il y a environ 2000 ans, les ancêtres de toutes les turbines actuellement connues sont apparus, on les trouve encore dans de nombreuses parties de notre planète inexplorée - il s'agit d'une roue hydraulique ou d'un moulin. Le principe qui y est énoncé est devenu fondamental pour le développement futur de tous les turbocompresseurs et turbines à vapeur utilisés pour produire de l'électricité. Ils étaient littéralement à l'origine de la révolution industrielle.
Le premier à créer une conception similaire à une turbine à vapeur fut Héron d'Alexandrie. C'était une boule qui tournait sous l'influence de la vapeur.
La turbine à vapeur en forme de roue à aubes a été fabriquée par le scientifique italien Giovanni Branchi en 1629.
Mais ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle, lorsque la technologie a atteint niveau suffisant, Charles Parsons et Gustaf Laval (1884 - 1889) ont conçu indépendamment les premiers appareils industriels.
Une attention particulière doit être portée aux œuvres de Gottlieb Daimler et de Rudolf Diesel. Ces scientifiques ont mené des recherches dans le domaine de l'augmentation de la puissance générée en comprimant l'air injecté dans la chambre de combustion. Leurs développements ont fait une grande percée dans le domaine de la technologie en 1885-1896.
En 1905, l'ingénieur suisse Alfred Buchi fait breveter son invention, qui permet d'augmenter la puissance du moteur de 120 %. Il a réussi à créer un mécanisme dans lequel de l'air était injecté à l'aide de gaz d'échappement. Il est généralement admis que c'est cet appareil qui a marqué le début du développement et de la mise en œuvre des technologies turbo.
Au XIXe siècle, l'utilisation des turbines était limitée aux industries navale et aéronautique. Cela est dû au fait qu'alors l'augmentation de puissance n'était pratiquée qu'avec de gros moteurs.
Pendant la Première Guerre mondiale, des turbines ont été utilisées sur les chasseurs à moteur Renault.
Dans la seconde moitié des années 30, la technologie est arrivée au point que les ingénieurs ont réussi à créer des modèles de turbines vraiment réussis qui ont permis d'augmenter la limite de hauteur maximale.
Le plus grand succès dans le développement de l'aviation a été obtenu par les Américains, qui ont développé une version unique de turbocompresseurs. En 1938, ils les installèrent sur des chasseurs R-38 et des bombardiers B-17. Quelques années plus tard, les ingénieurs ont créé le chasseur R-47, qui était à l'origine produit avec une turbine. Grâce à cela, la machine ailée avait des caractéristiques et des avantages exceptionnels par rapport aux autres.
Quant au secteur automobile, les camions ont été les premiers à tester les avantages de la suralimentation. En 1938, la société suisse Machine Works Sauer entreprit de leur créer un moteur turbo. Cette nouveauté a été plutôt bien accueillie par la société.
Les voitures particulières ont reçu des moteurs turbocompressés beaucoup plus tard. Ce n'est qu'en 1962 que la Chevrolet Corvair Monza est entrée sur le marché, suivie un an plus tard par l'Oldsmobile Jetfire. Malgré avantages évidents, à cause de niveau faible la fiabilité du modèle n'a pas été revendiquée.
L'utilisation de turbines pour augmenter la puissance des voitures de sport a conduit à leur acceptation générale dans les années 70. En particulier, ils ont trouvé leur application en Formule 1. Au bout d'un moment, les ingénieurs sont arrivés à la conclusion que la consommation de carburant était trop élevée pour le résultat obtenu et ont commencé à chercher une alternative.
Le tournant dans le développement des turbocompresseurs est survenu en 1978, lorsque Mercedes-Benz a lancé le premier modèle diesel au monde, la 300 SD. Il a ensuite été suivi par le VWTurbodiesel. L'avantage de ces voitures était important. Les fabricants ont réussi à atteindre la puissance requise, atteignant le niveau de l'essence, tout en réduisant le niveau d'émissions nocives dans l'atmosphère.
La turbine diesel a des exigences moindres en matière de résistance à la chaleur, ce qui lui permet d'être moins chère et plus sophistiquée. C'est pourquoi les turbines se trouvent le plus souvent sur les voitures diesel, et toutes les innovations turbo sont initialement créées pour la version diesel.
A la fin du siècle dernier, la révolution industrielle avait atteint un tournant dans son développement. Un siècle et demi plus tôt, les machines à vapeur s'étaient considérablement améliorées - elles pouvaient fonctionner avec n'importe quel type de carburant et mettre en mouvement une grande variété de mécanismes. Une grande influence sur l'amélioration de la conception des machines à vapeur a eu une réalisation technique telle que l'invention de la dynamo, qui a permis d'obtenir de l'électricité en grande quantité. À mesure que la demande humaine en énergie augmentait, la taille des machines à vapeur augmentait également, jusqu'à ce que leurs dimensions soient contraintes par des limitations de résistance mécanique. Pour le développement ultérieur de l'industrie, une nouvelle méthode d'obtention d'énergie mécanique était nécessaire.
Cette méthode est apparue en 1884, lorsqu'un Anglais (1854-1931) a inventé le premier turbogénérateur adapté à un usage industriel. Dix ans plus tard, Parsons a commencé à étudier la possibilité d'appliquer son invention aux véhicules. Plusieurs années de travail acharné ont porté leurs fruits : le paquebot Turbinia, équipé d'une turbine, a atteint une vitesse de 35 nœuds - plus que n'importe quel navire de la Royal Navy. Par rapport aux machines à vapeur à pistons alternatifs, les turbines sont plus compactes et plus simples. Par conséquent, au fil du temps, lorsque la puissance et l'efficacité les turbines ont considérablement augmenté, elles ont remplacé les moteurs des conceptions précédentes. Actuellement, les turbines à vapeur sont utilisées dans le monde entier dans les centrales thermiques comme entraînements pour les générateurs de courant électrique. Quant à l'utilisation des turbines à vapeur comme moteurs pour les navires à passagers, leur domination sans partage a pris fin dans la première moitié de notre siècle, lorsque les moteurs diesel se sont généralisés. La turbine à vapeur moderne a hérité de nombreuses caractéristiques de la première machine inventée par Parsons.
Principes réactifs et actifs sous-jacents au fonctionnement d'une turbine à vapeur. Le premier d'entre eux a été utilisé dans le dispositif «eolipil» (a), inventé par Héron d'Alexandrie: la sphère dans laquelle se trouve la vapeur tourne sous l'action des forces de réaction qui surviennent lorsque la vapeur quitte les tubes creux. Dans le second cas (b), le jet de vapeur dirigé vers les pales est dévié et de ce fait la roue tourne. Les aubes de turbine (c) dévient également le jet de vapeur ; de plus, en passant entre les aubes, la vapeur se détend et s'accélère, et les forces de réaction résultantes poussent les aubes.
Le fonctionnement d'une turbine à vapeur repose sur deux principes de création d'une force circonférentielle sur le rotor, connus depuis l'Antiquité - réactif et actif. Retour en 130 av. Le héros d'Alexandrie a inventé un appareil appelé l'aeolipil. C'était une sphère creuse remplie de vapeur avec deux buses en forme de L situées sur des côtés opposés et dirigées dans des directions différentes. La vapeur s'écoulait des buses à grande vitesse et, en raison des forces de réaction résultantes, la sphère commençait à tourner.
Le deuxième principe est basé sur la conversion de l'énergie potentielle de la vapeur en énergie cinétique, qui fait un travail utile. On peut l'illustrer par l'exemple de la machine de Giovanni Branchi, construite en 1629. Dans cette machine, un jet de vapeur met en mouvement une roue à aubes, rappelant une roue de moulin à eau.
La turbine à vapeur utilise ces deux principes. Un jet de vapeur à haute pression est dirigé sur des pales courbes (semblables à des pales de ventilateur) montées sur un disque. Lorsqu'il circule autour des pales, le jet est dévié et le disque avec les pales commence à tourner. Entre les pales, la vapeur se dilate et accélère son mouvement : par conséquent, l'énergie de pression de la vapeur est convertie en énergie cinétique.
Les premières turbines, comme la machine de Branca, ne pouvaient pas développer une puissance suffisante, car les chaudières à vapeur n'étaient pas capables de créer une haute pression. Les premières machines à vapeur en état de marche de Thomas Savery, Thomas Newcomen et d'autres n'avaient pas besoin de vapeur à haute pression. Vapeur basse pression déplacé l'air sous le piston et condensé, créant un vide. Le piston sous l'action de la pression atmosphérique est descendu, produisant un travail utile. L'expérience acquise dans la construction et l'utilisation de chaudières à vapeur pour ces moteurs dits atmosphériques a progressivement conduit les ingénieurs à concevoir des chaudières capables de générer et de maintenir des pressions bien supérieures à la pression atmosphérique.
Avec l'avènement de la possibilité d'obtenir de la vapeur à haute pression, les inventeurs se sont à nouveau tournés vers la turbine. Diverses options de conception ont été essayées. En 1815, l'ingénieur Richard Trevithick a tenté d'installer deux buses sur la jante d'une locomotive à vapeur et de faire passer la vapeur d'une chaudière à travers elles. Le plan de Trevithick a échoué. Une scierie construite en 1837 par William Avery à Syracuse, New York, était basée sur un principe similaire. Rien qu'en Angleterre, sur 100 ans, de 1784 à 1884, 200 inventions ont été brevetées, d'une manière ou d'une autre liées aux turbines, et plus de la moitié de ces inventions ont été enregistrées au cours de la période de vingt ans - de 1864 à 1884.
Aucune de ces tentatives n'a abouti à une machine utilisable industriellement. En partie, ces échecs étaient dus à l'ignorance des lois physiques qui décrivent l'expansion de la vapeur. La densité de la vapeur est bien inférieure à la densité de l'eau et son "élasticité" est bien supérieure, de sorte que la vitesse du jet de vapeur dans les turbines à vapeur est bien supérieure à la vitesse de l'eau dans les turbines à eau, que les inventeurs ont dû traiter avec. Il a été constaté que l'efficacité la turbine devient maximale lorsque la vitesse des pales est environ égale à la moitié de la vitesse de la vapeur ; par conséquent, les premières turbines avaient des vitesses de rotation très élevées.
Un grand nombre de révolutions était à l'origine d'un certain nombre d'effets indésirables, parmi lesquels le danger de destruction des pièces en rotation sous l'action des forces centrifuges jouait un rôle important. La vitesse de rotation de la turbine pouvait être réduite en augmentant le diamètre du disque sur lequel les pales étaient fixées. Cependant, ce n'était pas possible. La consommation de vapeur dans les premiers appareils ne pouvait pas être importante, ce qui signifie qu'elle ne pouvait pas être importante et section transversale sortie. Pour cette raison, les premières turbines expérimentales avaient un petit diamètre et des pales courtes.
Un autre problème lié aux propriétés de la vapeur était encore plus difficile. La vitesse de la vapeur traversant la buse change proportionnellement au rapport de la pression d'entrée à la pression de sortie. Valeur maximum la vitesse dans la tuyère convergente est cependant atteinte à un rapport de pression d'environ deux ; une augmentation supplémentaire de la perte de charge n'affecte plus l'augmentation de la vitesse du jet. Ainsi, les concepteurs ne pouvaient pas tirer pleinement parti des possibilités de la vapeur à haute pression : il y avait une limite à la quantité d'énergie stockée par la vapeur à haute pression qui pouvait être convertie en énergie cinétique et transférée aux pales. En 1889, l'ingénieur suédois Carl Gustav de Laval utilise une buse qui se dilate à la sortie. Une telle buse a permis d'obtenir des vitesses de vapeur beaucoup plus élevées et, par conséquent, la vitesse du rotor dans la turbine Laval a considérablement augmenté.
Parsons a créé une conception de turbine fondamentalement nouvelle. Il se distinguait par une vitesse de rotation plus faible, et en même temps, il tirait le meilleur parti de l'énergie de la vapeur. Ceci a été réalisé grâce au fait que dans la turbine Parsons, la vapeur se détendait progressivement en passant par 15 étages, dont chacun était une paire de couronnes d'aubes : l'une était fixe (avec des aubes directrices fixées au carter de la turbine), l'autre était mobile (avec des pales de rotor). sur un disque monté sur un arbre tournant). Les lames des jantes fixes et mobiles étaient orientées dans des directions opposées, c'est-à-dire de sorte que si les deux couronnes étaient mobiles, la vapeur les ferait tourner dans des directions différentes.
Les couronnes des aubes de turbine étaient des anneaux de cuivre avec des aubes fixées dans des fentes à un angle de 45°. Les couronnes mobiles étaient fixées sur l'arbre, les fixes consistaient en deux moitiés reliées rigidement au corps (la moitié supérieure du corps a été retirée).
Les jantes mobiles et fixes alternées des pales (a) définissent la direction du mouvement de la vapeur. Passant entre les pales fixes, la vapeur se détendait, s'accélérait et était dirigée vers les pales mobiles. Ici aussi, la vapeur s'est dilatée, créant une force qui a poussé les pales. Le sens du mouvement de la vapeur est indiqué sur l'une des 15 paires de couronnes (b).
La vapeur dirigée vers les pales fixes s'est dilatée dans les canaux interpales, sa vitesse a augmenté et elle a été déviée de sorte qu'elle est tombée sur les pales mobiles et les a forcées à tourner. Dans les canaux interpales des pales mobiles, la vapeur s'est également dilatée, un jet accéléré s'est créé à la sortie et la force de réaction résultante a poussé les pales.
Avec de nombreuses jantes à lames mobiles et fixes, une vitesse de rotation élevée est devenue inutile. Sur chacune des 30 jantes de la turbine à plusieurs étages Parsons, la vapeur s'est légèrement dilatée, perdant une partie de son énergie cinétique. A chaque étage (couple de couronnes), la pression n'a chuté que de 10 % et, par conséquent, la vitesse maximale de la vapeur s'est avérée égale à 1/5 de la vitesse du jet dans une turbine à un étage. Parsons pensait qu'avec de si petites chutes de pression, la vapeur pouvait être considérée comme un liquide légèrement compressible, semblable à l'eau. Cette hypothèse lui a permis de un degré élevé précision pour effectuer des calculs de vitesse de vapeur, d'efficacité. turbines et formes de pales. L'idée d'une expansion progressive de la vapeur, qui sous-tend la conception des turbines modernes, n'était qu'une des nombreuses idées originales incarnées par Parsons.
Une autre invention était un nouveau type de roulement conçu spécifiquement pour un arbre à rotation rapide. Bien que Parsons ait réussi à réduire la vitesse de rotation de la turbine, celle-ci restait tout de même dix fois supérieure à celle des autres moteurs. Par conséquent, l'inventeur a dû faire face à un phénomène connu sous le nom de "battement d'arbre". Déjà à cette époque, on savait que chaque arbre avait sa propre vitesse de rotation critique caractéristique, à laquelle même un petit déséquilibre crée une force de flexion importante. Il s'est avéré que la vitesse de rotation critique est liée à la fréquence naturelle des vibrations transversales de l'arbre (à cette fréquence, l'arbre commence à résonner et à s'effondrer). Parsons et de Laval ont découvert indépendamment qu'à des vitesses supérieures à la vitesse critique, l'arbre tourne régulièrement. Malgré cela, un petit déséquilibre a quand même conduit à la déviation de l'arbre de la position d'équilibre. Par conséquent, afin d'éviter d'endommager l'arbre, il doit être installé dans des roulements permettant ses petits déplacements latéraux.
Initialement, Parsons a essayé d'utiliser un roulement conventionnel monté sur des ressorts, mais a constaté que cette conception ne faisait qu'augmenter les vibrations. En fin de compte, il est venu avec un roulement, composé d'un ensemble d'anneaux. Parsons a utilisé deux tailles de bagues : une bien ajustée contre le coussinet de roulement intérieur (à travers lequel l'arbre passait) mais qui ne touchait pas le logement ; ils alternaient avec d'autres anneaux qui s'ajustaient parfaitement contre le boîtier sans toucher la doublure. L'ensemble du système d'anneaux dans le sens longitudinal était comprimé par un ressort. Cette conception permettait de petits déplacements latéraux de l'arbre et en même temps supprimait les vibrations dues au frottement entre les deux types de rondelles.
Le roulement sur l'arbre permettait de petits déplacements latéraux de l'arbre, mais amortissait les vibrations. Il s'agissait d'anneaux alternés : certains recouvraient étroitement la chemise (à l'intérieur de laquelle passait l'arbre), sans toucher le carter de turbine, d'autres serraient fermement contre le carter sans toucher la chemise. L'ensemble des anneaux était comprimé par un ressort. La pompe à vis (à gauche) a conduit l'huile (jaune) dans le roulement.
Cette conception a fonctionné avec succès, et ceux qui ont vu la turbine exposée à l'exposition des inventeurs à Londres en 1885 ont noté à quel point elle fonctionnait en douceur par rapport aux autres moteurs à vapeur de l'époque. Ce dernier a tellement secoué la fondation que la vibration a été ressentie même à une distance considérable de la machine.
Le générateur à turbine Parsons, construit en 1884, a été le premier tube à vapeur à être mis en service industriel. La vapeur sous haute pression pénétrait dans la turbine par un trou rectangulaire situé près du milieu de l'arbre. Ici, il était divisé et dirigé vers les extrémités opposées de l'arbre, en passant par les couronnes des pales. La vapeur en expansion faisait tourner les anneaux mobiles (de travail), solidement fixés sur l'arbre central. Entre les anneaux mobiles se trouvaient des jantes d'aubes fixes fixées sur la surface intérieure du carter de turbine. Les pales fixes dirigeaient la vapeur vers les pales des roues mobiles.
Dans l'espace interpales de chaque roue, la vapeur s'est dilatée. Le principe de la détente en plusieurs étapes de la vapeur a permis à Parsons de tirer pleinement parti de l'énergie de la vapeur sous haute pression et d'éviter un grand nombre révolutions. L'arbre faisait tourner la dynamo, ou générateur électrique (à droite).
Dans la turbine Parsons, la vapeur était fournie par une soupape de commande à la partie médiane de l'arbre. Ici, le flux de vapeur était divisé et passait par deux canaux : l'un se dirigeait vers l'extrémité gauche du puits, l'autre vers la droite.Le volume de vapeur dans les deux canaux était le même. Chaque jet traversait les sommets des aubes de la turbine.
L'un des avantages de la division du flux était que les forces longitudinales (axiales) générées par la pression de la vapeur sur les aubes de turbine étaient parfaitement équilibrées. Ainsi, il n'y avait pas besoin d'un palier de butée (axial). La conception décrite est utilisée dans de nombreuses turbines à vapeur modernes.
Et pourtant, la première turbine à plusieurs étages de Parsons a développé une vitesse élevée - 18 000 tr/min. À de telles vitesses, la force centrifuge agissant sur les aubes de la turbine était 13 000 fois supérieure à la force de gravité. Afin de réduire le risque de casser les pièces en rotation, Parsons a développé une conception très simple : chaque disque était constitué d'un seul anneau de cuivre ; les fentes, qui comprenaient les aubes, étaient situées autour de la circonférence du disque et étaient des fentes orientées à un angle de 45°. Des disques mobiles étaient montés sur l'arbre et fixés sur son rebord. Les couronnes fixes se composaient de deux demi-anneaux, qui étaient fixés par le haut et par le bas au carter de la turbine. L'augmentation du volume de vapeur lors de son expansion par étapes a nécessité que la longueur des pales le long du parcours de la vapeur augmente trois fois de manière séquentielle - de 5 à 7 mm. Les bords des pales ont été chanfreinés pour améliorer les caractéristiques du jet.
Le problème de la réduction de la vitesse de rotation de l'arbre a donné lieu à d'autres inventions. Les vitesses étaient si élevées qu'il était impossible de résoudre ce problème en utilisant les mécanismes de transmission alors existants (tels que les engrenages). Il était également impossible d'utiliser le simple régulateur centrifuge que l'on trouvait dans les conceptions antérieures de machines à vapeur: les billes du régulateur seraient simplement arrachées par la force centrifuge. Parsons a développé un tout nouveau type de régulateur. Sur l'arbre de la turbine, il place un ventilateur centrifuge relié à un système de tubes contenant de l'air. Un ventilateur rotatif aspirait l'air hors des tubes, créant un vide en eux. Ce vide était réagi par un diaphragme en cuir situé de l'autre côté du système de tubes et relié à une vanne de contrôle qui contrôlait l'alimentation en vapeur de la turbine. Si la vitesse de rotation de la turbine augmentait, la raréfaction de l'air dans les tubes augmentait et le diaphragme se cambrait davantage ; en conséquence, une vanne reliée au diaphragme a réduit l'alimentation en vapeur de la turbine et sa rotation a ralenti.
Le régulateur fonctionnait bien, mais n'était pas très sensible. La turbine Parsons entraînait une dynamo (générateur électrique). Au moment où Parsons a construit sa turbine, une lampe à incandescence coûtait jusqu'à un quart de tonne de charbon. Afin d'éviter que les lampes ne brûlent lors de changements brusques de courant électrique (ce qui arrivait souvent si des moteurs à vapeur étaient utilisés), la dynamo devait fournir une tension constante avec une précision de 1 à 2 %. À cette fin, Parsons a doté sa turbine d'un mécanisme spécial de réglage fin qui répondait directement aux changements de tension sur la dynamo.
La tension sur l'enroulement de la dynamo est proportionnelle à la force du champ magnétique créé aux pôles. Parsons a fabriqué un joug en fer doux et l'a fixé sur les pôles de la dynamo en y attachant un ressort. La bascule, surmontant la résistance du ressort, cherchait à tourner dans le sens du champ magnétique ; l'angle de rotation dépendait directement de l'intensité du champ, qui à son tour était liée à la tension sur les enroulements de la dynamo. Avec la bascule, une soupape en cuivre a tourné. Selon sa position, il recouvrait plus ou moins l'ouverture du tube inclus dans le système de régulation avec un ventilateur centrifuge,
Si la force du champ magnétique augmentait, la valve commençait à bloquer progressivement l'ouverture du tube. Cela réduisait l'accès de l'air au système de régulation et augmentait le vide créé par le ventilateur centrifuge. Dans le même temps, le diaphragme en cuir était plié et la soupape de commande réduisait l'alimentation en vapeur de la turbine. Ainsi, la vitesse de rotation de la turbine dépendait de la tension sur les enroulements de la dynamo. Le mécanisme de réglage fin Parsons a été l'un des premiers servomoteurs, des dispositifs de rétroaction qui contrôlent le débit. un grand nombre l'énergie, en consommant une petite partie.
La vapeur à haute pression (rouge foncé) entre par un trou au milieu de l'arbre et passe à travers les couronnes des pales jusqu'aux deux extrémités de l'arbre. La vapeur d'échappement (rouge clair) pénètre dans deux cavités reliées par un canal de sortie au bas du boîtier. Encore plus loin du centre le long de l'axe de l'arbre se trouvent deux autres cavités reliées par un canal dans la partie supérieure du logement ; ils sont maintenus sous vide partiel (bleu).
Les accouplements, étroitement pressés contre la surface intérieure du boîtier en raison de la différence de pression entre les cavités avec vapeur d'échappement et vide partiel, ne permettent pas à la vapeur d'échappement de s'échapper à travers les espaces près de la surface de l'arbre rotatif. La lubrification est fournie par une pompe à vis (à gauche) qui pompe de l'huile (jaune) dans le roulement de l'arbre et dans les autres roulements. L'huile atteint les paliers centraux par un canal à l'intérieur de l'arbre de la dynamo (au centre et à droite). Le régulateur utilise un ventilateur centrifuge (à gauche) qui crée un vide (bleu) dans le système de tuyauterie. Une membrane en cuir reliée à une vanne qui régule l'alimentation en vapeur de la turbine est attirée vers eux lorsque le vide se fait dans les tubes.
Le mécanisme de réglage fin est situé en haut de la dynamo. Ce mécanisme modifie le flux d'air dans le système de tubes en fonction de la tension sur les enroulements de la dynamo. Sous l'action de la dépression créée dans les tubes d'air, l'huile des roulements reflue dans le réservoir vertical (à gauche).
Le ventilateur centrifuge, qui dominait le régulateur Parsons, jouait également un rôle important dans le système de lubrification. La vitesse de rotation élevée de l'arbre de la turbine nécessitait une lubrification absolument fiable. À l'extrémité de l'arbre, Parsons a renforcé une hélice en spirale, qui a été immergée dans un réservoir d'huile et a fourni du lubrifiant aux roulements de l'arbre. Des tuyaux dirigeaient l'huile vers l'extrémité de l'arbre où se trouvait la dynamo, et un canal à l'intérieur de l'arbre de la dynamo transportait l'huile vers les paliers centraux et refroidissait l'intérieur de la dynamo. Sous l'effet de la gravité, l'huile est revenue au nœud central. Le réservoir d'huile principal était relié par un tube vertical à un système de tubes à air situés directement au niveau du ventilateur. Le vide créé par le ventilateur a forcé l'huile à refluer de l'ensemble central vers le réservoir d'huile, de sorte que le niveau d'huile était suffisant pour faire fonctionner la pompe à vis.
Une autre invention de Parsons, également utilisée dans les turbines modernes, était une méthode pour éliminer les fuites de vapeur à travers les espaces entre l'arbre et le carter de la turbine. Toute tentative de rendre un embrayage serré sur l'arbre serait infructueuse, car à des vitesses critiques, beaucoup de friction serait créée en raison des battements lors de l'accélération. L'accouplement, conçu par Parsons, s'adaptait étroitement à l'arbre et permettait en même temps de petits déplacements. En atteignant la vitesse de fonctionnement, l'embrayage a agi comme un obturateur fiable, gardant la vapeur d'échappement à l'intérieur du carter de la turbine.
Dès que la turbine a atteint les vitesses de fonctionnement, l'embrayage a été pressé étroitement contre l'arbre sous l'influence de la différence de pression entre le tuyau de sortie et la chambre, où un vide partiel a été maintenu. La vapeur d'échappement passait de deux cavités (une à chaque extrémité de l'arbre) à travers un canal de sortie au bas du carter de la turbine. Deux autres cavités étaient situées plus loin du milieu de l'arbre que chacune des cavités de sortie. Un canal dans la partie supérieure du corps reliait ces cavités extrêmes. À l'intérieur de chacune des deux cavités internes, Parsons a placé un manchon entourant étroitement l'arbre. Pour maintenir un vide partiel dans les cavités extrêmes, Parsons a utilisé une pompe à jet de vapeur. À un petit nombre de tours de la turbine, les accouplements tournaient librement avec l'arbre. En atteignant la vitesse de fonctionnement, une différence de pression est apparue entre les cavités internes (où la vapeur d'échappement de la turbine entrait) et les cavités externes (où un vide partiel était maintenu). Sous l'action d'une chute de pression, les raccords se sont fortement plaqués contre le carter de la turbine et ont séparé les cavités les unes des autres.
Dans quelles conditions le talent de Parsons s'est-il formé, grâce auquel il a réussi à surmonter les difficultés de création d'une turbine? Parson était fils cadet dans une famille qui a reçu des terres à Birr, dans le comté d'Offaly, en Irlande. Son père, le troisième comte de Ross, était un scientifique talentueux. Il a apporté une grande contribution à la technologie de coulée et de polissage de grands miroirs pour télescopes. En 1845, dans un atelier de son domaine, il construisit un télescope à miroir, qui resta pendant plusieurs décennies le plus grand télescope du monde. Avec ce télescope, Parsons Sr. a découvert un certain nombre de nébuleuses spirales. De 1849 à 1854, il est président de la Royal Society of London. En tant que député, il a acheté une maison à Londres afin d'assister à des réunions. Une partie de l'année, toute la famille vivait ici, organisant des réceptions auxquelles étaient conviés des représentants de la communauté scientifique.
Les Parsons n'envoyaient pas leurs enfants à l'école. Leurs professeurs étaient des astronomes, que le comte invitait pour des observations nocturnes avec des télescopes ; pendant la journée, ces érudits enseignaient aux enfants. De toutes les manières possibles, les enfants ont été encouragés à participer à des ateliers à domicile. L'engin, auquel Charles a adhéré dès l'enfance, a joué un rôle extrêmement important à l'époque où il a construit sa turbine.
Charles est entré au Trinity College de Dublin, puis transféré au St. John's College de l'Université de Cambridge, où il a obtenu son diplôme en 1877. Il a étudié les mathématiques sous Edward E. Root, qui à l'époque étudiait les conditions de conservation du mouvement uniforme, en particulier l'utilisation de divers régulateurs mécaniques à ces fins.
Jusqu'à cette époque, Parsons avait joui des fruits de son éducation privilégiée. Un tournant dans sa fortune est survenu lorsqu'il est devenu apprenti chez George Armstrong, un fabricant d'armes navales bien connu, et a commencé à travailler dans son usine d'Elswick à Newcastle upon Tyne. Les raisons qui ont poussé Parsons à prendre une telle décision restaient inconnues : à cette époque, les enfants de familles aisées choisissaient rarement une carrière d'ingénieur.
Parsons a acquis la réputation d'être l'étudiant le plus assidu d'Armstrong. Au cours de son apprentissage, il reçoit l'autorisation de travailler sur la dernière innovation - une machine à vapeur à cylindres rotatifs - et entre 1877 et 1882. Il a breveté plusieurs de ses inventions. Si vous étudiez ces brevets, vous constaterez qu'il a utilisé l'idée de la lubrification sous pression une décennie plus tôt qu'A. Payne, célèbre pour ses inventions dans ce domaine. Avant Parsons, les compte-gouttes étaient utilisés pour lubrifier les roulements, de sorte que les roulements nécessitaient une surveillance constante. L'idée de la lubrification forcée a joué un rôle exceptionnel dans la création des machines à grande vitesse, en particulier des turbines.
L'idée de créer une turbine est venue à Parsons, apparemment, alors qu'il était encore étudiant. Lord Rayleigh rapporte les paroles d'une des connaissances de Parsons de Cambridge, à qui le futur inventeur a montré un moteur en papier jouet : lorsque Parsons soufflait sur les roues du jouet, elles tournaient. Parsons a déclaré que la vitesse de rotation de cette machine serait "Dix fois plus que tout autre."
Parsons a commencé ses premières véritables expériences avec des turbines alors qu'il travaillait pour Armstrong. De 1881 à 1883, soit immédiatement après son stage, il a collaboré avec James Kilson pour développer une torpille à essence. Armstrong était largement associé à la production armes navales et a probablement soutenu les efforts pour développer un nouveau type de propulseur de torpille. La particularité de ce moteur était que la combustion du carburant créait un jet de gaz à haute pression. Le jet a heurté l'impulseur, ce qui l'a fait tourner. La turbine, à son tour, faisait tourner l'hélice de la torpille.
À des cahiers Parsons, il n'y a pas d'indications explicites sur la conception de la roue, mais on peut en avoir une idée en examinant un petit bateau fabriqué par Parsons en tôle de cuivre. Le bateau était propulsé par une hélice tripale située sous la coque. La vis était située à l'intérieur d'un grand anneau avec 44 fentes en spirale. Le gaz s'échappant en jet passait par ces fentes, et du fait de la force créée par la déviation du flux, l'anneau se mettait à tourner. Parallèlement, l'hélice a également tourné, poussant le bateau vers l'avant.
Ainsi, Parsons a mené ses premières expériences avec des turbines à gaz, et non avec des turbines à vapeur. Il cessa d'y travailler en 1883, bien que son brevet de 1884 décrive le cycle moderne d'une turbine à gaz. Plus tard, il a donné une explication à cela.
"Des expériences menées il y a de nombreuses années - il a écrit, - et visant en partie à vérifier la réalité d'une turbine à gaz, m'a convaincu qu'avec les métaux dont nous disposions... ce serait une erreur d'utiliser un jet de gaz incandescent pour mettre en rotation les aubes - que ce soit en pur forme ou mélangée avec de l'eau ou un bac."
C'était une remarque prémonitoire : ce n'est que dix ans après la mort de Parsons qu'apparaissent des métaux adaptés à la fabrication de turbines à gaz.
Au début de 1884, Parsons devint associé junior de Clarke Chapman and Company. Après s'être installé à Gateshead, il se lance dans la conception d'une turbine à vapeur. Ses comptes rendus d'expériences sur la création d'une torpille, relatifs à août 1883, indiquent qu'à cette époque il n'était pas encore venu à l'idée de la nécessité d'amener la vitesse de rotation des pales à la vitesse du jet de gaz . Le problème de la création d'une buse avec un grand rapport de pressions à l'entrée et à la sortie n'a pas non plus occupé son attention. Mais déjà en avril 1884, il a délivré deux brevets provisoires, et en octobre et novembre de la même année, il a donné Description complète inventions.
Ce fut une période incroyablement productive pour Parsons. Il devait non seulement expérimenter avec des arbres à grande vitesse et d'autres pièces de turbine, mais aussi réfléchir à des façons possibles d'utiliser l'énergie de sa machine. Avec une vitesse de rotation de 18 000 tr/min, il ne pouvait pas être utilisé à des fins ordinaires. Parsons a également décidé de créer une dynamo, alimentée par une turbine à grande vitesse, ce que peu de machines électriques modernes peuvent réaliser. Par la suite, Parsons a souvent répété que cette invention était aussi importante que la création de la turbine elle-même. Avant que aujourd'hui L'utilisation principale de la turbine à vapeur reste l'entraînement des générateurs électriques.
LES PREMIÈRES turbines à vapeur n'étaient pas particulièrement efficaces. Jusqu'à ce que leur puissance corresponde à l'économie des machines à vapeur conventionnelles, elles devaient être rendues attrayantes pour les acheteurs au détriment d'autres caractéristiques. Ces caractéristiques attrayantes étaient leurs petite taille, stabilité de la tension électrique, fonctionnement fiable en l'absence de contrôle et faibles coûts d'exploitation. Toutes ces caractéristiques étaient possédées par la première turbine.
En novembre 1884, lors de la création du premier prototype de turbine, l'honorable Charles A. Parsons n'avait que 30 ans. Le génie de l'ingénierie et le flair pour les besoins du marché n'étaient pas en eux-mêmes des conditions suffisantes pour que sa progéniture entre avec succès dans la vie. À plusieurs étapes, Parsons a dû investir ses propres fonds pour que le travail accompli ne soit pas vain. Lors d'un procès en 1898 pour prolonger la validité de certains de ses brevets, il a été constaté que Parsons avait dépensé 1 107,13 £ 10 pence d'argent personnel pour la turbine.
Turbinia est le premier bateau à vapeur équipé d'un moteur à turbine. Il a été lancé en 1894.
Le bateau à vapeur a développé une vitesse record - jusqu'à 35 nœuds.
Par la suite, les turbines ont commencé à être utilisées sur les grands navires.