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エネルギー。蒸気タービンの発明

部分的に水で満たされた密閉された金属容器 (ボイラー) を想像してみましょう。その下で火をつけると、水が加熱されて沸騰し、蒸気になります。ボイラー内の圧力が上昇し、壁が十分に強くないと爆発する可能性もあります。これは、ペアがエネルギーを蓄積し、最終的に爆発として現れることを示しています。 Steam に有用な作業を強制することは可能ですか? この疑問は科学者たちを長い間悩ませてきました。科学技術の歴史は多くのことを知っています興味深い発明、そこで人類は蒸気エネルギーを利用しようとしました。これらの発明の中には役に立つものもあれば、単なる賢いおもちゃでしたが、少なくとも 2 つの発明は偉大と言わざるを得ません。それらは科学技術の発展における時代全体を特徴づけます。これらの偉大な発明は蒸気エンジンと蒸気タービンです。 18 世紀後半に産業用に使用されるようになった蒸気エンジンは、技術に革命をもたらしました。それはすぐに産業や輸送で使用される主要なエンジンになりました。しかし、 19 年後半そして20世紀初頭。蒸気機関の達成可能な出力と速度はすでに不十分でした。

大型の発電所を建設する必要があり、それには強力で高速なエンジンが必要でした。そのようなエンジンは蒸気タービンであり、高速で巨大な出力を生成するように構築できます。蒸気タービンは、発電所や大型蒸気船の蒸気エンジンにすぐに取って代わりました。

蒸気タービンの創造と改良の歴史は、他の主要な発明と同様に、多くの人々の名前と関連付けられています。さらに、通常のことですが、タービンの基本的な動作原理は、科学技術のレベルがタービンの建設を可能にするずっと前に知られていました。

蒸気エンジンの動作原理は、蒸気の弾性特性を利用することです。蒸気は定期的にシリンダーに入り、膨張しながらピストンを動かすことで仕事をします。蒸気タービンの動作原理は異なります。ここで蒸気は膨張し、ボイラー内に蓄積された位置エネルギーが高速（運動）エネルギーに変換されます。次に、蒸気ジェットの運動エネルギーがタービンホイールの回転の機械エネルギーに変換されます。

タービン開発の歴史は、アレキサンドリアのヘロンのボールとブランカホイールから始まります。蒸気エネルギーを使用して機械的運動を生み出す可能性は、2000 年以上前に有名なギリシャの科学者アレキサンドリアのヘロンによって注目されました。彼はヘロンズボールと呼ばれる装置を作りました（図1）。

ボールはチューブで作られた 2 つのサポート内で自由に回転できます。これらのサポートを通って、ボイラーからの蒸気がボールに入り、直角に曲がった 2 本の管を通って大気中に排出されました。ボールは、蒸気ジェットの流れから生じる反力の作用を受けて回転しました。

別のプロジェクトは、イタリアの科学者ジョバニブランカの著作 (1629 年) に記載されています。で上部ボイラーチューブが挿入されます（図2）。

ボイラー内の蒸気の圧力は周囲の空気の大気圧よりも高いため、蒸気はチューブを通って勢いよく飛び出します。

蒸気の流れがチューブの自由端から噴出し、ホイールのブレードに当たり、ホイールを回転させます。

ヘロンのモデルとブランカの車輪はエンジンではありませんでしたが、駆動蒸気のエネルギーを使用して機械的運動を得る可能な方法をすでに示していました。

ヘロンのボールとブランカのホイールの動作原理には違いがあります。すでに述べたように、ヘロンのボールは反力の作用を受けて回転します。これらはロケットを押すのと同じ力です。圧力の影響下で容器から押し出されるジェットは、流出方向とは反対の方向に容器を押すことが力学から知られています。これはニュートンの第 3 法則に基づいて明らかであり、それによると、ジェットを押し出す力は、船舶に対するジェットの反力と等しく、方向が反対でなければなりません。

ブランカタービンでは、蒸気の位置エネルギーがまずチューブから噴出するジェットの運動エネルギーに変換されます。そして、ジェットがホイールブレードに当たると、運動エネルギー蒸気はホイールの回転の機械エネルギーに変わります。

ヘロンのボールが反力によって動く場合、ホイールはアクティブジェットからエネルギーを引き出すため、ブランカタービンはいわゆるアクティブ原理を使用します。

蒸気タービンの設計とそのさらなる開発における最大の変化は、前々世紀の終わりにスウェーデンのエンジニアによって起こりました。グスタフ・ラヴァルとイギリスのチャールズ・パーソンズは独立して蒸気タービンの製造と改良に取り組み始めました。彼らが達成した成果により、蒸気タービンは最終的に発電機を駆動するための主要なタイプのエンジンとなることができました。電流民間および軍用船舶のエンジンとして広く使用されています。 1883 年に作られたラヴァル蒸気タービンでは、蒸気は 1 つまたは複数の並列接続されたノズルに入り、ノズル内でかなりの速度を得て、タービンシャフト上に配置され、作動格子を形成するディスクの縁にある作動ブレードに導かれます。チャンネル。

作動グリッドのチャネル内の蒸気ジェットの回転によって引き起こされる力により、ディスクとそれに関連するタービンシャフトが回転します。このタービンの特徴は、ノズル内の蒸気の初期圧力から最終圧力までの膨張が 1 段階で発生し、非常に高い蒸気流量が発生することです。蒸気の運動エネルギーから機械エネルギーへの変換は、蒸気がさらに膨張することなく、ブレードチャネル内の流れの方向が変化することによってのみ行われます。

タービンはこの原理に基づいて作られています。蒸気の膨張とそれに伴う蒸気流の加速の全プロセスが固定ノズル内で行われるタービンは、アクティブタービンと呼ばれます。

アクティブ単段タービンの開発中に、多くの複雑な問題が解決されました。非常に重要のために更なる発展蒸気タービン。拡張ノズルが使用され、これにより、より大きな蒸気の拡張が可能になり、高い蒸気流速 (1200 ～ 1500 m/秒) の達成が可能になります。高い蒸気流量を有効に活用するために、Laval は高い周速度 (350 m/秒) での動作を可能にする等抵抗ディスクの設計を開発しました。最後に、単段アクティブタービンでは、当時一般的だったエンジンの速度をはるかに超える高速 (最大 32,000 rpm) が使用されました。これにより、自由振動の周波数が動作速度での外乱力の周波数よりも低いフレキシブルシャフトが発明されました。

単段アクティブタービンでは多くの新しい設計ソリューションが使用されていますが、その効率は低かったです。さらに、駆動軸の速度を被駆動機械の速度レベルまで減速するために歯車伝動装置を使用する必要があることも、当時の単段タービンの開発、特に出力の増大を妨げていました。。したがって、タービン構造の開発の初期に低出力ユニット (最大 500 kW) として大きな人気を得たラヴァルタービンは、後に他のタイプのタービンに取って代わられました。

1884 年にパーソンズによって提案された蒸気タービンは、ラヴァルタービンとは根本的に異なります。その中での蒸気の膨張は、1 つのノズルグループではなく、固定ガイドベーン (ノズルアレイ) と回転ブレードで構成される複数の連続したステージで実行されます。

ガイドベーンは固定タービンハウジングに固定され、動翼はドラム上に列をなして配置されます。このようなタービンの各段で発生する圧力降下は、新鮮な蒸気の圧力とタービンから出る蒸気の圧力との間の合計の差のほんの一部に過ぎません。したがって、ラヴァルタービンよりも各段の蒸気流速を低くし、動翼の周速度を低くして運転することが可能でした。さらに、パーソンズタービンの各段階での蒸気の膨張は、ノズルだけでなく作動グリッドでも発生します。したがって、蒸気の流れの方向の変化だけでなく、作業グリッド内での蒸気の加速によっても力が作業翼に伝達され、タービン作業翼に反力が生じます。

蒸気の膨張とそれに伴う作動ブレードのチャネル内での蒸気流の加速を利用するタービン段は、反応段と呼ばれます。したがって、図に示されています。多段ジェット蒸気タービンの代表的なものは4号機である。

各段が利用可能な熱差の一部のみを使用する、段階を順次組み込むという原理は、その後の蒸気タービンの開発に非常に有益であることが判明しました。これにより、タービンローターの適度な速度でタービンの高効率を達成することが可能となり、タービンシャフトと発電機のシャフトを直接接続することが可能になりました。同じ原理により、1 つのユニットで数万キロワット、さらには数十万キロワットに達する非常に高出力のタービンを製造することが可能になりました。

多段ジェットタービンは現在、固定設備と航空機の両方で広く普及しています。

アクティブ蒸気タービンの開発も、蒸気を 1 つの段階ではなく、次々に配置された多数の段階で順次膨張させるという経路をたどりました。これらのタービンでは、共通のシャフトに取り付けられた多数のディスクがダイアフラムと呼ばれる隔壁によって分離されており、その中に固定ノズルグリッドが配置されています。このように構成された各段階では、蒸気は利用可能な総熱損失の一部の範囲内で膨張します。作動グリッドでは、作動ブレードのチャネル内で蒸気がさらに膨張することなく、蒸気流の運動エネルギーの変換のみが発生します。アクティブ多段タービンは定置設備で広く使用されており、船舶用エンジンとしても使用されます。

蒸気がタービン軸の軸（アキシャル）方向に移動するタービンに加えて、蒸気がタービン軸に垂直な面内を流れるラジアルタービンの設計が作成されました。後者の中で最も興味深いのは、1912 年にスウェーデンでリュングストローム兄弟によって提案されたラジアルタービンです。

米。

1,2 - タービンディスク。 3 - 新しい蒸気ライン。 4、5 - タービンシャフト。 6、7 - 中間ステージのブレード

ディスク 1 と 2 の側面には、ジェットステージのブレードが徐々に直径が大きくなるリング状に配置されています。蒸気はパイプ 3 を通ってタービンに供給され、その後ディスク 1 および 2 の穴を通って中央チャンバーに供給されます。ここから、両方のディスクに取り付けられたブレード 6 および 7 のチャネルを通って周囲に流れます。従来の設計とは異なり、ユングストロームタービンには固定ノズルグリッドやガイドベーンがありません。両方のディスクは逆方向に回転するため、タービンによって発生した動力はシャフト 4 と 5 によって伝達される必要があります。ローターの逆回転の原理により、タービンは非常にコンパクトで経済的になります。

1990 年代初頭以来、蒸気タービンの開発は異例の急速なペースで進められてきました。この発展は主に、同様に急速に並行して行われた電気機械の発展と、産業への電気エネルギーの広範な導入によって決定されました。蒸気タービンの効率と出力を 1 台で達成高い値。タービンの出力は、例外なく他のすべてのタイプのエンジンの出力をはるかに上回っていました。発電機に接続された 500 MW の容量のタービンが利用可能で、少なくとも 1000 MW までのさらに強力なユニットを生産できる可能性が証明されています。

蒸気タービンの構造の開発では、さまざまな時期に建設されたタービンの設計に影響を与えたいくつかの段階に注目することができます。

1914 年の帝国主義戦争前の時代には、高温での金属の操作の分野における知識レベルは、高圧および高温での蒸気の使用には不十分でした。したがって、1914 年まで、蒸気タービンは主に、最高 350 °C の温度の中圧蒸気 (12 ～ 16 bar) で動作するように製造されていました。

単体の出力向上という点では、蒸気タービン開発の初期段階ですでに大きな成功を収めています。

1915 年には、個々のタービンの出力はすでに 20 MW に達していました。 1918 年から 1919 年に始まる戦後の期間では、権力の増大傾向が続きます。しかし、将来的には、タービンの設計者は、ユニットの出力を高めるだけでなく、単一の発電機で高出力タービンを動作させる際の速度も高めるという課題を追求しました。

かつて（1937 年）世界で最も強力な高速タービンは、100 MW、3000 rpm で建設されたレニングラード金属工場のタービンでした。

1914 年の帝国主義戦争前の期間、タービン工場はほとんどの場合、1 つのタービンハウジング内に限られた数の段を備えたタービンを生産していました。これにより、タービンを非常にコンパクトで比較的安価に作ることが可能になりました。 1914 年の戦争後、ほとんどの国が経験した燃料供給の緊張により、タービンユニットの効率を総合的に向上させる必要がありました。

タービンの各段で小さな熱差を使用し、それに応じてタービンを構築することで最大のタービン効率を達成できることがわかりました。多数のステップ。この傾向に関連して、新鮮な蒸気のパラメータが中程度であっても、非常に多くの段数 (50 ～ 60 段に達する) を備えたタービン設計が登場しました。

段数が多いため、タービンが単一の発電機に接続されている場合でも、複数のケーシングを備えたタービンを作成する必要がありました。

このため、経済性は高いものの、非常に高価で大型の 2 ケーシングおよび 3 ケーシングのタービンが普及し始めました。

その後のタービン構造の開発においても、タービンの設計を簡素化し、その段数を削減する方向へ、この点で一定の後退が見られました。 3000 rpm で最大 50 MW の出力を持つタービンは、かなり長い間、2 つのケーシングのみを使用して構築されていました。この電力の最新の復水タービンは、大手工場で製造され、単一のケーシングで構築されています。

中圧タービン (20 ～ 30 bar) の設計改良と同時に、1920 年から 1940 年にかけて、より経済的なユニットが普及し始めました。高圧、120〜170バールに達します。

スチームアプリケーション高いパラメータタービン設置の効率を大幅に向上させるには、蒸気タービンの設計分野で新しいソリューションが必要でした。 500 ～ 550 °C の温度でかなり高い降伏強度と低いクリープ速度を備えた合金鋼の使用において、大きな進歩が見られました。

復水タービンの開発に伴い、すでに今世紀初頭には、電気エネルギーと熱を組み合わせた発電設備が使用され始めましたが、これには背圧と中間蒸気抽出を備えたタービンの建設が必要でした。抽出された蒸気を一定圧力制御する最初のタービンは 1907 年に建設されました。

しかし、資本主義経済の条件により、熱と電気の生成を組み合わせた利点をすべて活用することができません。実際、海外の熱消費能力はタービンが設置されているプラントの消費に限定される場合がほとんどです。したがって、排気蒸気熱の利用を可能にするタービンは、ほとんどの場合、小規模出力 (最大 10 ～ 12 MW) 向けに海外で建設され、熱と熱を供給するように設計されています。電気エネルギー単なる個別の産業企業です。国民経済の計画的発展により、蒸気抽出を備えた最大のタービン（25 MW、次に 50 MW、100 MW）がソ連で建設されたことが特徴です。有利な条件熱と発電を組み合わせたもの。

戦後、あらゆる技術が発達し、ヨーロッパ諸国また、米国でもエネルギー開発が加速しており、エネルギー単位の出力がますます増加しています。同時に、ますます高い初期蒸気パラメータを使用する傾向が続いています。

一軸復水タービンの出力は 500 ～ 800 MW に達し、二軸設計では 1000 MW の容量の設備がすでに建設されています。

出力が増加するにつれて、初期蒸気パラメータを 90、130、170、250、そして最終的に 350 bar のレベルで連続的に選択し、初期温度も増加して 500 に達することも推奨されました。 565℃を超える温度では、非常に高価であまり研究されていないオーステナイト鋼を使用する必要があることに留意する必要があります。このことは、最近、オーステナイト鋼を使用する必要がなくなる温度範囲にある程度後退する傾向があるという事実につながりました。温度は540℃。

1915 年から 1920 年にかけて達成された成功は、低出力タービンの開発、特に船舶用蒸気タービンの開発にとって非常に重要でした。ギアボックス構造の分野で。その時間まで船舶用タービンプロペラの回転数と同じ回転数で実行されました。 300 ～ 500 rpm なので、設置効率が低下し、タービンの寸法と重量が大きくなります。

歯車減速機の動作において完全な信頼性と高効率が達成された時代以来、船舶のタービンには歯車駆動装置が装備され、タービンの最も好ましい動作条件に対応する高速で動作されてきました。

固定式の低出力タービンの場合、タービンと発電機の間に歯車伝動装置を使用することが望ましいことも判明しました。タービンシャフトと50周期交流発電機を直結した場合の最高回転数は3000rpmです。 2.5 MW 未満の出力では、この速度は復水タービンにとって好ましくありません。ギアボックス製造の発展により、タービンを高速 (5000 ～ 10000 rpm) で製造できるようになり、低出力タービンの効率を高めることが可能になり、最も重要なことに、サイズを縮小して設計を簡素化することができました。

蒸気タービン発明の歴史

蒸気タービンの発明と普及は、エネルギーと電化にとって非常に重要でした。動作原理は水力タービンと似ていますが、水力タービンは水流によって駆動され、蒸気タービンは加熱された蒸気の流れによって駆動されるという違いがあります。水車が水力エンジンの歴史において新しい言葉を表したように、蒸気タービンは蒸気エンジンの新たな能力を実証しました。

19 世紀の第 3 四半期に 100 周年を迎えたワットの古い機械は、回転運動が複雑かつ非合理的な方法で実現されていたため、効率が低かった。実際、私たちが覚えているように、蒸気は回転ホイール自体を動かすのではなく、ピストンに圧力を加え、ピストンからロッド、コンロッド、クランクを介して、その動きが主軸に伝達されました。数多くの移動と変換の結果、燃料の燃焼から得られるエネルギーの大部分は、文字通り何の利益も得られずに下水に流れ落ちました。発明者らは、蒸気のジェットが羽根車を直接回転させる、より単純で経済的な機械である蒸気タービンを何度も設計しようとしました。単純な計算によると、ワットのマシンよりも数桁高い効率が得られるはずです。しかし、工学的思考には多くの障害がありました。タービンが本当に高効率のエンジンになるためには、インペラが毎分数百回転する非常に高速で回転する必要がありました。長い間彼らは蒸気ジェットに適切な速度を与える方法を知らなかったため、これを達成できませんでした。

初め重要なステップスウェーデンの技術者カールグスタフパトリックラヴァルは、1889 年に蒸気エンジンに代わる新しい技術装置を開発しました。ラヴァルの蒸気タービンはブレード付きのホイールです。ボイラーで発生した水流がパイプ（ノズル）から出て羽根を押して砥石を回転させます。さまざまな蒸気供給チューブを試した結果、設計者はチューブの形状を円錐形にする必要があるという結論に達しました。これが、今日まで使用されているラヴァルノズルの登場です。

スウェーデン人のグスタフ・ラヴァルが多くの困難を克服し、初めて実用的な蒸気タービンを製造したのは 1883 年のことでした。数年前、ラヴァルはミルク分離器の特許を取得しました。動力を供給するには、非常に高速なドライブが必要でした。当時存在していたエンジンはどれもその課題を満たしていませんでした。ラヴァルは、蒸気タービンだけが必要な回転速度を実現できると確信しました。彼はその設計に取り組み始め、最終的に彼が望んでいたものを実現しました。ラヴァルタービンは軽い車輪で、そのブレードは数回の作業の後、鋭角ノズルから蒸気が発生しました。 1889 年、ラヴァルはノズルに円錐形のエキスパンダーを追加することにより、その発明を大幅に改良しました。これにより水力タービンの効率が大幅に向上し、汎用エンジンに変わりました。

タービンの動作原理は非常に単純でした。加熱された蒸気高温、ボイラーから蒸気管を通ってノズルに達し、噴出しました。ノズル内で蒸気は膨張し、大気圧。この膨張に伴う体積の増加により、流量の大幅な増加が得られました（5 気圧から 1 気圧への膨張で、蒸気ジェットの速度は 770 m/s に達しました）。このようにして、蒸気に含まれるエネルギーがタービンブレードに伝達されました。ノズルの数と蒸気圧力によってタービンの出力が決まります。排気蒸気が空気中に直接放出されず、蒸気エンジンのように復水器に導かれ、減圧下で液化された場合、タービン出力は最大でした。したがって、蒸気が 5 気圧から 1/10 気圧に膨張すると、ジェット速度は超音速の値に達しました。

見かけの単純さにもかかわらず、ラヴァルタービンはエンジニアリングの真の奇跡でした。発明者が自らの発案で中断のない動作を実現することがいかに困難であったかを理解するには、インペラが受ける負荷を想像するだけで十分です。タービンホイールが高速で回転すると、わずかな重心のずれでも車軸に大きな負荷がかかり、ベアリングに過負荷がかかります。これを避けるために、ラヴァルは、回転時にわずかに曲がる可能性がある非常に薄い車軸にホイールを取り付けるというアイデアを思いつきました。巻き戻し時には、自動的に厳密な中心位置になり、その後はどの回転速度でもその位置が維持されます。この独創的な解決策のおかげで、ベアリングへの破壊的な影響は最小限に抑えられました。

ラヴァルタービンは登場するとすぐに世界的な認知を獲得しました。古い蒸気エンジンよりもはるかに経済的で、非常に使いやすく、場所も取らず、設置や接続も簡単でした。ラヴァルタービンは、鋸、分離機、遠心ポンプなどの高速機械と組み合わせると特に大きな利点をもたらしました。また、発電機の駆動装置として使用することにも成功しましたが、それでも速度が高すぎるため、ギアボックス (タービンシャフトからタービンシャフトに運動を伝達する際に回転速度を低下させる歯車のシステム) を介してのみ動作することができました。ジェネレーターシャフト）。蒸気タービンラヴァル

1884 年、英国の技術者パーソンは、特に発電機を駆動するために発明した多段ジェットタービンの特許を取得しました。 1885 年に、彼は多段ジェットタービンを設計し、後に火力発電所で広く使用されました。ジェット水車を思わせる次のような装置を備えていた。ブレードを備えた一連の回転ホイールが中心シャフトに取り付けられていました。これらの車輪の間には、反対方向のブレードを備えた固定リム (ディスク) がありました。高圧の蒸気がタービンの一端に供給されました。もう一方の端の圧力は小さかった (大気圧よりも低かった)。したがって、蒸気はタービンを通過する傾向がありました。まず、最初のクラウンのブレード間の隙間に入りました。これらのブレードは、それを最初の可動ホイールのブレードに向けました。蒸気がそれらの間を通過し、車輪が回転しました。そして二冠目に入った。 2 番目のクラウンのブレードは、2 番目の可動ホイールのブレード間に蒸気を送り、これも回転し始めました。 2 番目の可動ホイールから、3 番目のリムのブレードの間に蒸気が流れます。すべての翼には、翼間流路の断面積が蒸気流の方向に減少するような形状が与えられました。ブレードはシャフトに取り付けられたノズルを形成しているように見え、そこから膨張して蒸気が流れ出しました。ここでは有効電力と無効電力の両方が使用されました。回転すると、すべての車輪がタービンシャフトを回転させます。装置の外側は丈夫なケースに包まれていました。 1889 年には、これらのタービンのうち約 300 基がすでに発電に使用されており、1899 年にはパーソン蒸気タービンを備えた最初の発電所がエルバーフェルトに建設されました。一方、パーソンは発明の範囲を拡大しようとしました。 1894 年に、彼は蒸気タービンを動力源とする実験船タービニアを建造しました。テスト中、時速60kmの記録的な速度を実証しました。その後、多くの高速船に蒸気タービンが搭載されるようになりました。

蒸気機関の時代は短命でした。でもまだ入ってる古代ギリシャ戦争で過熱液体を使用する方法は知られていました。数世紀前、私たちの祖先は蒸気を征服するために多大な時間と労力を費やしましたが、このテーマは今日でも興味深いものです。

ジェロノフスキー・エオリピレ

タービンの発明の歴史は古代に遡りますが、人々が蒸気を人類の利益のために利用できるようになったのは 17 世紀末になってからです。私たちの時代のまさに初期に、ギリシャの科学者アレキサンドリアのヘロンは、蒸気が有用であることを明確に示しました。発明者の名をとって「ゲロノフスキー・エオリパイル」と呼ばれる彼の発明は、蒸気ジェットの力で回転するボールだった。こうして蒸気タービンの最初の試作機が登場しました。

ソロモンの舞踏会

さらに、タービンの発明の歴史はそれほど急速に発展したわけではありません。残念なことに、古代ギリシャ人の発明のほとんどは忘れられたままであり、それ以上の応用は見出されませんでした。 17 世紀初頭になって初めて、非常に原始的なものではあるものの、蒸気エンジンに似たものが記述されました。フランスの科学者で発明家のソロモン・ド・コーは、著書の中で、2 本の管を備えた中空の金属球について説明しており、その 1 つは給水に、もう 1 つは排水に使用されます。そして、ボールを加熱すると、水はチューブの中を上に移動し始めます。

ブランカタービン

1629 年の初めに、発明家で整備士のジョバンニブランキが最初の蒸気タービンを組み立てました。動作原理は、蒸気の位置エネルギーを運動エネルギーに変換し、有用な仕事を実行することに基づいています。彼の発明の本質は、蒸気の噴流がその圧力によって、水車の車輪のような羽根の付いた車輪を動かすことでした。しかし、この種のタービンは高いジェット圧力を生み出すことが不可能であったため、出力が非常に限られていました。こうして、蒸気タービンの発明の歴史は長い休止期間を経て新たな展開を迎えました。

スチームブーム

1825 年、技術者で発明家のリチャードトラヴィシックは、蒸気機関車の車輪に 2 つのノズルを取り付け、そこに高圧蒸気を通すことを試みました。アメリカの機械工 W. エイブリーによって建設された製材所の仕事も、同じ原理に基づいていました。多くの著者は、タービンの発明の歴史に自分の名前を載せることを望んでいました。イギリスだけでも、20 年以上にわたり、蒸気タービンまたはその動作原理に関連する 100 件以上の発明に対して特許が発行されました。

産業におけるタービン

1884 年から 5 年間、スウェーデン人のカールグスタフデラバルとアイルランド人のチャールズパーソンズは、それぞれ独立して、産業に適した蒸気タービンの開発に取り組みました。ラヴァルは拡張ノズルを発明し、これにより流出する蒸気の速度を大幅に高めることができ、その結果、タービンローターの回転速度も増加しました。

しかし、ラヴァルの発明のおかげで、約500kWという小さな出力しか得ることができませんでした。その蒸気タービンは初期段階で広く使用されましたが、すぐに他のタイプのより強力なユニットに置き換えられました。

ジェットタービン

蒸気タービンの発明の歴史には、パーソンズ多段反応タービンの発明も含まれます。この発明の違いは、回転速度が低いことと、蒸気エネルギーを最大限に利用できることです。このような大きな変化は、蒸気がタービンシステムの 15 段階を通過して徐々に膨張するという事実によって達成されました。こうして科学者の著作が発見された実用業界で。これでタービンの発明の歴史は終わり、この重要な問題の解決に関わった過去の主要人物について簡単に説明しました。それ以来、パーソンズタービンは膨大な数の修正と改良を受けてきましたが、それでも基本原理は変わっていません。

ロシアでのタービンの発明

蒸気タービンの発明の歴史もロシアで書かれました。専門家の間でよく知られているアルタイのマスター、ザレソフはスズンスキー工場で働いていました。 1803 年から 1813 年にかけて、多数のタービンモデルが彼の手から生み出されました。彼は豊富な経験を持つ実践者として、蒸気タービンの設計の欠点を認識し、それによって蒸気タービンの設計に変更を加えることが可能になりました。初期段階デザイン。ワークショップの彼の同僚は発明家のクズミンスキーでした。彼は造船および航空技術の分野で働いており、造船にピストン式蒸気エンジンを使用するのは不適切であるという結論に達しました。クズミンスキーは、自身の設計による海洋可逆蒸気タービンを発明し、テストしました。

彼女の体重は1つあたり15kgと小さかった馬力力。ロシアの歴史クズミンスキーによって簡潔に説明されたタービンの発明は、国内の発見が忘れ去られた時期として特徴付けられています。もちろん、蒸気タービンの発明は産業や社会全体の発展に新時代をもたらし、他の科学分野でも多くの発見や成果を生み出すきっかけとなりました。遠い時代の発明は、大幅に変更された状態ではありますが、今日でも使用されています。科学は大きく進歩しましたが、その大部分は遠い過去に定められた原則に基づいています。

自動車タービンの開発の歴史は、最初の内燃エンジンの製造とほぼ同じ時代にまで遡ります。しかし、タービンのような機構を作成する試みは、これよりずっと前から注目されていました。新千年紀の幕開け、約 2000 年前に、現在知られているすべてのタービンの祖先が登場しました。今日に至るまで、それらは私たちの広大な地球のあちこちで見つけることができます - これは水車または水車です。それらに組み込まれた原理は、発電に使用されるすべてのターボ圧縮機と蒸気タービンの将来の開発の基礎となりました。彼らは文字通り産業革命の起源にありました。

蒸気タービンに似た設計を最初に作成したのは、アレキサンドリアのヘロンでした。それは蒸気の影響で回転するボールだった。

ブレードの付いた車輪の形をした蒸気タービンは、1629 年にイタリアの科学者ジョバンニブランキによって作られました。

しかし、テクノロジーが進歩したのは 19 世紀末になってからです。十分なレベル, Charles Parsons と Gustaf Laval (1884 - 1889) は、最初の工業的に適した装置を独立して設計しました。

ゴットリーブ・ダイムラーとルドルフ・ディーゼルの作品には特に注意を払う必要があります。これらの科学者は、燃焼室に押し込まれた空気を圧縮して出力を高める研究を実施しました。彼らの開発は 1885 年から 1896 年にかけて技術分野に大きな進歩をもたらしました。

1905 年、スイスの技術者アルフレッドビューキは、エンジン出力を 120% 向上させることを可能にした発明の特許を取得しました。彼は、排気ガスを利用して空気を送り出す仕組みを作り出すことに成功した。この装置がターボ技術の開発と実装の始まりとなったことは一般に受け入れられています。

19 世紀には、タービンの使用は海運業界と航空業界に限定されていました。これは、当時、出力の増加が大型エンジンでのみ行われていたという事実によるものです。

第一次世界大戦中、タービンはルノー動力の戦闘機に使用されました。

1930 年代後半には、技術者が最大高さ制限を引き上げることを可能にする真に成功したタービンモデルを作成できるようになりました。

航空開発における最大の成功は、独自バージョンのターボチャージャーを開発したアメリカ人によって達成されました。 1938 年に、P-38 戦闘機と B-17 爆撃機に搭載されました。数年後、技術者たちは R-47 戦闘機を開発しました。これは当初タービンを備えて製造されました。このおかげで、有翼車両は他の車両よりも優れた特性と利点を備えていました。

自動車分野に関しては、トラックがターボ過給の利点を最初にテストしました。スイスマシンワークスザウアー工場は 1938 年にターボエンジンの製造に着手しました。社会はこの斬新さを非常によく受け入れました。

乗用車にターボエンジンが搭載されたのはずっと後になってからです。シボレーコルヴェアモンツァが市場に投入されたのは 1962 年であり、その 1 年後にはオールズモビルジェットファイアが市場に投入されました。にもかかわらず明らかな利点、のため低レベルモデルの信頼性は求められていませんでした。

スポーツカーのパワーを高めるためにタービンを使用することで、70 年代にスポーツカーが広く認知されるようになりました。特に、彼らはフォーミュラ 1 での応用を見出しました。しばらくして、エンジニアは得られた結果に対して燃料消費量が高すぎるという結論に達し、代替手段を探し始めました。

ターボチャージャー開発における転機は、メルセデス・ベンツが世界初のディーゼルエンジン搭載モデルである 300 SD を発売した 1978 年に起こりました。その後、VWターボディーゼルが続きました。このような車の利点は重要でした。メーカーは、大気中への有害な排出物のレベルを削減しながら、ガソリンのレベルに達する必要な出力を達成することに成功しました。

ディーゼルタービンは耐熱性要件が低いため、より安価でより高性能なものが可能になります。これが、タービンがディーゼル車に最も多く搭載されている理由であり、すべての新しいターボモデルは最初はディーゼルバージョン用に作成されています。

前世紀の終わりに向けて、産業革命は発展の転換点に達しました。 1 世紀半前、蒸気エンジンは大幅に改良され、あらゆる種類の燃料で動作し、さまざまな機構を駆動できるようになりました。発電機の発明など大量の電気を得ることが可能になった技術的成果は、蒸気機関の設計の改良に大きな影響を与えました。人間のエネルギー需要が増大するにつれて、蒸気エンジンのサイズも増大し、最終的には機械的強度の制限によってその寸法が制限されるようになりました。産業のさらなる発展のためには、機械エネルギーを得る新しい方法が必要でした。

この方法は、イギリス人 (1854 ～ 1931 年) が産業用途に適した最初のタービン発電機を発明した 1884 年に登場しました。 10 年後、パーソンズは自分の発明を車両に使用する可能性を研究し始めました。数年間の努力が実を結び、タービンを備えた蒸気船トゥルビニア号は、イギリス海軍のどの船よりも速い速度 35 ノットに達しました。ピストンの往復運動を利用するピストン蒸気エンジンと比較して、タービンはよりコンパクトで設計がシンプルです。したがって、時間の経過とともに、パワーと効率が向上します。タービンの数は大幅に増加し、以前の設計のエンジンに取って代わりました。現在、蒸気タービンは世界中で火力発電所の発電機の駆動装置として使用されています。客船用エンジンとしての蒸気タービンの独占は、今世紀前半にディーゼルエンジンの普及により終焉を迎えました。現代の蒸気タービンは、パーソンズによって発明された最初の機械の特徴の多くを継承しています。

蒸気タービンの動作の基礎となる反応原理と能動原理。それらの最初のものは、アレクサンドリアのヘロンによって発明された「アオリピル」 (a) 装置で使用されました。蒸気が中空の管から出るときに生じる反力の作用により、蒸気が存在する球体が回転します。 2 番目のケース (b) では、ブレードに向けられた蒸気ジェットが偏向され、その結果ホイールが回転します。タービンブレード (c) も蒸気ジェットをそらします。さらに、蒸気はブレード間を通過する際に膨張して加速し、その結果として生じる反力がブレードを押します。

蒸気タービンの動作は、古くから知られている、ローターに円周方向の力を発生させる 2 つの原理、つまり反応力と能動力に基づいています。紀元前130年頃には。アレクサンドリアのヘロンは、エオリパイルと呼ばれる装置を発明しました。それは、蒸気で満たされた中空の球体で、2 つの L 字型ノズルが反対側に配置され、異なる方向に向けられていました。ノズルから蒸気が高速で流れ出し、その反力によって球体が回転を始めました。

2 番目の原理は、蒸気の位置エネルギーを運動エネルギーに変換することに基づいており、有益な働きをします。それは、1629 年に作られたジョバンニブランカの機械の例で説明できます。この機械では、蒸気の噴流が水車の車輪を思わせるブレード付きの車輪を駆動しました。

蒸気タービンはこれら両方の原理を利用します。高圧蒸気のジェットが、ディスクに取り付けられた湾曲したブレード (ファンのブレードに似たもの) に向けられます。ブレードの周りを流れると、ジェットは偏向され、ブレードを備えたディスクが回転し始めます。羽根の間で蒸気は膨張し、その動きを加速させます。その結果、蒸気の圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されます。

ブランカの機械と同様に、最初のタービンは、蒸気ボイラーが高圧を生成する能力がなかったため、十分な出力を得ることができませんでした。 Thomas Savery や Thomas Newcomen らによる最初の蒸気エンジンは高圧蒸気を必要としませんでした。蒸気低圧ピストンの下の空気を追い出し、凝縮して真空を作り出します。ピストンは大気圧の影響で下がり、有益な仕事を生み出しました。これらのいわゆる大気エンジン用の蒸気ボイラーの構築と使用の経験により、技術者は徐々に、大気圧をはるかに超える圧力を生成して耐えることができるボイラーを設計するようになりました。

高圧蒸気を生成する機会の到来により、発明者らは再びタービンに注目しました。さまざまな設計オプションが試されました。 1815 年、技術者リチャードトレビシックは、蒸気機関車のエンジンの車輪のリムに 2 つのノズルを取り付け、ボイラーからの蒸気をそれらのノズルに通そうとしました。トレビシックのアイデアは失敗した。 1837 年にウィリアム・エイブリーによってシラキュース (ニューヨーク州) に建設された製材所は、同様の原理に基づいていました。イギリスだけでも、1784 年から 1884 年までの 100 年間にタービン関連の発明が 200 件特許され、そのうちの半分以上が 1864 年から 1884 年の 20 年間に登録されました。

これらの試みはどれも、工業的に適した機械の作成には至りませんでした。これらの失敗の一部は、蒸気の膨張を支配する物理法則についての無知が原因でした。蒸気の密度は水の密度よりもはるかに小さく、その「弾性」ははるかに大きいため、蒸気タービンの蒸気ジェットの速度は、発明者が必要とした水車の水の速度よりもはるかに速くなります。取引。効率が高いことがわかったタービンは、ブレードの速度が蒸気の速度の約半分に等しいときに最大になります。したがって、最初のタービンは非常に高い回転速度を持っていました。

高い回転数は多くの望ましくない影響の原因となり、特に遠心力の影響による回転部品の破壊の危険性が挙げられました。ブレードが取り付けられているディスクの直径を大きくすることで、タービンの回転速度を下げることができます。しかし、これは不可能でした。初期のデバイスでは蒸気の消費量はそれほど大きくはなかったので、大量に消費することはできませんでした。断面出口。この理由により、最初の実験用タービンは直径が小さく、ブレードが短かった。

蒸気の性質に関連する別の問題がさらに困難を引き起こしました。ノズルを通過する蒸気の速度は、入口圧力と出口圧力の比に比例して変化します。最大値ただし、先細ノズル内の速度は約 2 の圧力比で達成されます。圧力損失がさらに増加しても、ジェット速度の増加には影響しなくなりました。したがって、設計者は高圧蒸気の力を最大限に活用することができませんでした。運動エネルギーに変換してブレードに伝達できる、高圧蒸気に蓄えられるエネルギー量には限界がありました。 1889 年、スウェーデンの技術者カールグスタフデラバルは、出口で拡張するノズルを使用しました。このようなノズルにより、はるかに高い蒸気速度を得ることが可能になり、その結果、ラヴァルタービンのローター速度が大幅に増加しました。

パーソンズは、根本的に新しいタービン設計を作成しました。回転速度が低いことが特徴であり、同時に蒸気エネルギーを最大限に活用しました。これは、パーソンズタービン内で蒸気が 15 の段を通過するときに徐々に膨張するという事実によって達成されました。各段は一対のブレードリムで構成されています。1 つは固定（タービン本体に取り付けられたガイドブレード付き）、もう 1 つは可動（作動ブレード付き）、回転シャフトに取り付けられたディスク上）。固定リムと可動リムのブレードは反対方向に向けられていました。そのため、両方のクラウンが可動式であれば、蒸気によってクラウンが異なる方向に回転することになります。

タービンブレードのリムは、ブレードが 45°の角度でスロットに固定された銅のリングでした。可動リムはシャフトに固定され、固定リムは 2 つの半分で構成され、本体にしっかりと接続されました (本体の上半分は取り外されました)。

ブレード (a) の可動リムと固定リムを交互に配置することで、蒸気の移動方向が設定されます。固定翼の間を通過する蒸気は膨張して加速し、可動翼に導かれます。ここで蒸気も膨張し、ブレードを押す力が生じました。蒸気の移動方向は 15 対のリムの 1 つに示されています (b)。

固定ブレードに向けられた蒸気はブレード間のチャネル内で膨張し、速度が増加し、偏向されて可動ブレードに落ちて可動ブレードを回転させました。可動ブレードのブレード間チャネルでも蒸気が膨張し、出口で加速されたジェットが生成され、その反力でブレードが押されました。

多くの可動ブレードと固定ブレードのリムにより、高速回転は不要になりました。多段パーソンズタービンの 30 個のリムのそれぞれで、蒸気はわずかに膨張し、運動エネルギーの一部を失いました。各段 (リムのペア) で圧力はわずか 10% しか低下せず、その結果、蒸気の最大速度は 1 段のタービンのジェット速度の 1/5 に等しいことが判明しました。パーソンズは、このように圧力降下が小さいため、蒸気は水と同様に低圧縮性の液体であると考えられると考えました。この仮定は彼に次の機会を与えました。高度な蒸気の速度、効率を正確に計算します。タービンとブレードの形状。現代のタービン設計の基礎となっている蒸気の段階的膨張というアイデアは、パーソンズが具現化した多くの独創的なアイデアの 1 つにすぎません。

もう 1 つの発明は、高速回転シャフト用に特別に設計された新しいタイプのベアリングでした。パーソンズはタービンの回転速度を下げることに成功しましたが、依然として他のエンジンの回転速度よりも 10 倍高いままでした。したがって、発明者は「軸振れ」として知られる現象に対処する必要があった。各シャフトにはそれぞれ特有の臨界回転速度があり、その速度ではわずかなアンバランスでも重大な曲げ力が発生することは当時からすでに知られていました。臨界回転速度はシャフトの横振動の固有振動数に関係していることが判明しました (この振動数ではシャフトが共振し、崩壊し始めます)。パーソンズとデ・ラヴァルは、臨界速度を超える速度ではシャフトが安定して回転することを独自に発見しました。それにも関わらず、わずかなアンバランスによりシャフトが平衡位置からずれてしまうのです。したがって、シャフトの損傷を避けるために、小さな横方向の変位を許容するベアリングにシャフトを取り付ける必要があります。

パーソンズ氏は最初、スプリングに取り付けられた通常のベアリングを使用しようとしましたが、この設計では振動が増大するだけであることがわかりました。彼は最終的に、一連のリングで構成されるベアリングを思いつきました。パーソンズ氏は 2 つのサイズのリングを使用しました。1 つはベアリングの内殻 (シャフトが通過する部分) にぴったりとフィットしますが、ハウジングには接触しませんでした。ライナーに触れずに体にぴったりとフィットする他のリングと交互に配置しました。リングのシステム全体がバネによって長手方向に圧縮されました。この設計により、シャフトの横方向の動きを小さくすると同時に、2種類のワッシャー間の摩擦による振動を抑制しました。

シャフト上のベアリングにより、シャフトの小さな横方向の変位は許容されますが、振動は減衰されます。それは交互のリングで構成されており、あるものはタービン本体に触れずに（シャフトが通過する）ライナーをしっかりと覆い、他のものはライナーに触れずに本体にしっかりと押し付けられました。リング全体がバネで押し付けられていました。スクリューポンプ (左) がオイル (黄色) をベアリングに押し込みました。

この設計は成功し、1885 年にロンドンの発明博覧会で展示されたタービンの例を見た人は、当時の他の蒸気エンジンと比べてタービンがいかにスムーズであるかに注目しました。後者は基礎を大きく揺さぶり、車からかなり離れた場所でも振動を感じた。

1884 年に建造されたパーソンズタービン発電機は、工業的に使用された最初の蒸気管でした。高圧蒸気は、シャフトの中央付近にある長方形の穴を通ってタービンに入りました。ここでは、それが分割されてシャフトの反対側の端に向けられ、ブレードのクラウンを通過しました。膨張する蒸気は、中心シャフトにしっかりと固定された可動（作動）リングを回転させました。可動リングの間には、タービンハウジングの内面に取り付けられた固定ブレードのリムがありました。固定ブレードは蒸気を可動ホイールのブレードに向けます。
各車輪の翼間空間では蒸気が膨張しました。多段階蒸気膨張の原理により、パーソンズは高圧蒸気のエネルギーを最大限に活用し、多数回転数シャフトはダイナモ、つまり発電機を回転させました (右)。

パーソンズタービンでは、蒸気は制御弁を介してシャフトの中間部に供給されました。ここで蒸気の流れは 2 つのチャネルに分かれて流れ、一方はシャフトの左端に、もう一方は右端に流れ、両方のチャネルの蒸気量は同じでした。各ジェットはタービンのブレードリムを通過しました。

流れを分割することで得られる利点の 1 つは、タービンブレードにかかる蒸気圧力によって生成される縦方向 (軸方向) の力が正確にバランスされることです。したがって、スラスト（アキシャル）ベアリングは必要ありませんでした。説明した設計は、多くの現代の蒸気タービンで使用されています。

それでも、パーソンズ初の多段タービンは 18,000 rpm という高速速度を実現しました。このような速度では、タービンブレードに作用する遠心力は重力の 13,000 倍も大きくなりました。回転部品が破損するリスクを軽減するために、パーソンズは非常にシンプルな設計を開発しました。各ディスクは固体の銅リングで作られていました。ブレードが嵌まる溝はディスクの円周に沿って配置され、45°の角度で配向されたスロットでした。可動ディスクはシャフトに取り付けられ、その突起に固定されました。固定リムは 2 つのハーフリングで構成され、タービンハウジングの上部と下部に取り付けられました。段階的に膨張する間に蒸気の体積が増加するため、蒸気の流れに沿ったブレードの長さを 5 mm から 7 mm に連続して 3 倍に増やす必要がありました。ブレードのエッジはジェット特性を向上させるために面取りされています。

シャフトの回転速度を下げるという問題は、他の発明を生み出しました。速度が非常に高かったため、当時存在していた伝達機構（歯車など）を使用してこの問題を解決することは不可能でした。また、初期の設計の蒸気エンジンで使用されていた単純な遠心レギュレーターを使用することも不可能でした。レギュレーターのボールは遠心力によって簡単に引きちぎられてしまいます。パーソンズは全く新しいタイプのレギュレーターを開発しました。彼はタービンのシャフト上に、空気を含むチューブのシステムに接続された遠心ファンを配置しました。回転するファンがチューブから空気を吸い込み、チューブ内に真空を作りました。この真空は、管システムの反対側に位置し、タービンへの蒸気の供給を制御する制御バルブに接続された革製ダイヤフラムによって応答されました。タービンの回転速度が増加すると、チューブ内の真空度が増加し、ダイヤフラムの曲がりが大きくなります。その結果、ダイヤフラムに接続されたバルブがタービンへの蒸気の供給を減らし、タービンの回転が遅くなりました。

レギュレーターはうまく機能しましたが、あまり敏感ではありませんでした。パーソンズタービンはダイナモ（発電機）を駆動しました。パーソンズ氏がタービンを製造した当時、白熱電球 1 個のコストは石炭 4 分の 1 トンに相当しました。電流の急激な変化（蒸気エンジンを使用するとよく起こります）中にランプが切れないように、発電機は 1 ～ 2% の精度で一定の電圧を確保する必要がありました。この目的のために、パーソンズは、ダイナモの電圧の変化に直接応答する特別な精密調整機構をタービンに装備しました。

ダイナモ巻線の電圧は、極で生成される磁場の強さに比例します。パーソンズは軟鉄でロッカーアームを作り、ダイナモのポールの上に固定し、それにスプリングを取り付けました。ロッカーはバネの抵抗に打ち勝ち、磁場の方向に回転しようとしました。回転角は磁界の強さに直接依存し、磁界の強さはダイナモ巻線の電圧に関係していました。銅製のバルブがロッカーと一緒に回転しました。位置によってはレギュレーターシステムに含まれるチューブの穴を遠心ファンで覆ったり、

磁場の強さが増加すると、バルブは徐々にチューブの開口部を塞ぎ始めました。これにより、レギュレーターシステムへの空気のアクセスが減少し、遠心ファンによって生成される真空が増加しました。同時に、革のダイヤフラムが曲がり、制御弁がタービンへの蒸気の供給を減らしました。したがって、タービンの回転速度はダイナモ巻線の電圧に依存します。パーソンズの微調整機構は最初のサーボの 1 つであり、流れを制御するフィードバックデバイスです。大量エネルギーの一部を消費します。

高圧蒸気（暗赤色）がシャフトの中点の開口部から導入され、ブレードリムを通ってシャフトの両端に達します。排気蒸気 (薄赤色) は、ハウジングの底部にある出口チャネルによって接続された 2 つのキャビティに入ります。シャフト軸に沿って中心からさらに離れたところには、ハウジングの上部のチャネルによって接続された他の 2 つのキャビティがあります。部分真空 (青) を維持します。

カップリングは、排気蒸気と部分真空のキャビティ間の圧力差によりハウジング内面にしっかりと押し付けられ、回転軸表面の隙間から排気蒸気が逃げることはありません。潤滑はスクリューポンプ (左) によって供給され、オイル (黄色) がシャフトのベアリングや他のベアリングに押し込まれます。オイルはダイナモシャフト内のチャネル (中央と右側) を通って中央のベアリングに到達します。レギュレーターは遠心ファン (左) を使用して、チューブシステム内に真空 (青色) を作り出します。タービンへの蒸気の供給を調整するバルブに接続された革の膜は、チューブ内が真空になるとタービンに引き寄せられます。

微調整機構はダイナモ上部にあります。このメカニズムは、ダイナモ巻線の電圧に応じてチューブシステムへの空気の流れを変化させます。エアチューブ内で発生した真空の影響で、ベアリングからのオイルが垂直リザーバー (左) に逆流します。

パーソンズレギュレーターの中心的な位置を占める遠心ファンも、潤滑システムにおいて重要な役割を果たしました。タービンシャフトの高速回転には、絶対的に信頼性の高い潤滑が必要でした。パーソンズはシャフトの端に螺旋状のスパイラルを取り付け、これを油のリザーバーに浸し、シャフトのベアリングに潤滑剤を供給しました。チューブはダイナモが配置されているシャフトの遠端までオイルを運び、ダイナモシャフト内のチャネルはオイルを中央のベアリングに運び、ダイナモの内部部品を冷却しました。重力の影響で、オイルは中央ユニットに戻りました。メインオイルリザーバーは、垂直チューブによってファンに直接配置されたエアチューブシステムに接続されていました。ファンによって生成された真空により、オイルが中央ユニットからオイルリザーバーに逆流し、オイルレベルはスクリューポンプを動作させるのに十分なレベルになりました。

パーソンズのもう 1 つの発明は、現代のタービンでも使用されており、シャフトとタービンハウジングの間の隙間からの蒸気漏れを排除する方法でした。加速中の臨界回転速度では、ビートの結果として多くの摩擦が発生するため、シャフトにしっかりと嵌合するカップリングを作成しようとしても失敗します。パーソンズが設計したカップリングはシャフトにしっかりとフィットすると同時に、わずかな変位を許容します。動作速度に達すると、カップリングは信頼性の高いシールとして機能し、排気蒸気をタービンハウジング内に保持します。

タービンが動作速度に達するとすぐに、出口パイプと部分真空が維持されているチャンバーの間の圧力差の影響で、カップリングがシャフトにしっかりと押し付けられました。排気蒸気は 2 つのキャビティ (シャフトの両端に 1 つずつ) からタービンハウジングの底部にある出口チャネルを通って来ました。他の 2 つのキャビティは、各出力キャビティよりもシャフトの中間点から遠くに配置されました。体の上部にあるチャネルがこれらの外側の空洞を接続していました。パーソンズは、2 つの内部キャビティのそれぞれの内側に、シャフトをしっかりと囲むカップリングを配置しました。外側の空洞内の部分真空を維持するために、パーソンズはスチームジェットポンプを使用しました。タービンの回転数が少ないと、カップリングはシャフトとともに自由に回転します。動作速度に達すると、内部キャビティ (タービンからの排気蒸気が入る場所) と外部キャビティ (部分真空が維持される場所) の間に圧力差が生じます。圧力差の影響で、カップリングがタービン本体にしっかりと押し付けられ、キャビティが互いに分離されました。

パーソンズの才能はどのような条件で形成され、タービンを作るまでの困難を乗り越えることができたのでしょうか? パーソンズは最年少の息子アイルランドのオファリー県ビラに土地を譲り受けた家族の中で。彼の父親、第 3 代ロス伯爵は才能のある科学者でした。彼は望遠鏡用の大型鏡の鋳造と研磨の技術に多大な貢献をしました。 1845 年、彼は自分の敷地内の工房で反射望遠鏡を製作し、それが数十年間世界最大の望遠鏡であり続けました。この望遠鏡を使用して、パーソンズシニアは多数の渦巻星雲を発見しました。 1849 年から 1854 年まで、彼はロンドン王立協会の会長を務めました。国会議員として会議に出席するために、彼はロンドンに家を購入した。家族全員が一年の一部をここで過ごし、科学界の代表者が招待されるレセプションを主催しました。

パーソンズ一家は子供たちを学校に通わせなかった。彼らの教師は天文学者であり、伯爵は彼らを望遠鏡を使った夜間観察に招待しました。日中、これらの科学者は子供たちに教えました。子どもたちには、家庭でのワークショップに参加することも強く奨励されました。チャールズが幼少の頃から触れていたこの船は、彼がタービンを組み立てていた時期に非常に重要な役割を果たしました。

チャールズはダブリンのトリニティ・カレッジに入学し、その後ケンブリッジ大学セント・ジョンズ・カレッジに移り、1877年に卒業しました。彼はエドワード・E・ルートの指導の下で数学を学びました。ルートは当時、遺跡の保存条件を研究していました。均一な動き、特にこれらの目的のためにさまざまな機械式レギュレーターを使用します。

この時まで、パーソンズは恵まれた教育の恩恵を享受していた。彼の運命に転機が訪れたのは、有名な艦砲製造業者であるジョージ・アームストロングの見習いとなり、ニューカッスル・アポン・タインにある彼のエルズウィック工場で働き始めたときでした。パーソンズ氏がそのような決断を下すきっかけとなった理由は不明のままだった。当時、裕福な家庭の子供たちがエンジニアリングのキャリアを選ぶことはほとんどなかった。

パーソンズはアームストロングの最も勤勉な生徒として評判を得た。インターンシップ中に、彼は 1877 年から 1882 年の間、最新の技術革新である回転シリンダーを備えた蒸気エンジンに取り組む許可を得ました。彼の発明のいくつかは特許を取得しました。これらの特許を調査すると、彼が圧力潤滑のアイデアを、この分野の発明で有名な A. ペインよりも 10 年早く使用していたことが証明されます。パーソンズ以前は、ベアリングの潤滑にドリッパーが使用されていたため、ベアリングを常に監視する必要がありました。強制潤滑のアイデアは、高速機械、特にタービンの作成において例外的な役割を果たしました。

タービンを作成するというアイデアは、パーソンズ氏がまだ学生だったときに思いついたようです。レイリー卿は、将来の発明者が紙製のおもちゃのエンジンを見せたケンブリッジ時代のパーソンズの知人の言葉を詳しく語っています。パーソンズがおもちゃの車輪に息を吹きかけると、車輪が回転したのです。パーソンズ氏は、この機械の回転速度は次のようになると述べました。 「他のものより10倍です。」

パーソンズはアームストロングのもとで働きながら、タービンを使った最初の実際の実験を開始しました。 1881 年から 1883 年まで、つまりインターンシップの直後、彼はジェームズ・キルソンと協力してガス動力魚雷を開発しました。アームストロングは製作に大きく関わった海軍兵器そしておそらく新しいタイプの魚雷推進装置を開発する取り組みを支援したと思われます。この推進装置の特徴は、燃料の燃焼により高圧ガスの噴流が生成されることでした。ジェットがインペラに衝突し、インペラが回転しました。次に、羽根車が魚雷推進器を回転させました。

でノートパーソンズによる羽根車の設計については明確に示されていませんが、パーソンズが銅板から作った小型ボートを調べることで、ある程度のアイデアを得ることができます。ボートは船体の下にある 3 枚羽根のプロペラによって駆動されました。ネジは、44 個の螺旋スロットのある大きなリングの内側にありました。流れの中に逃げるガスがこれらのスロットを通過し、流れが偏向するときに生じる力によってリングが回転し始めます。それに合わせてプロペラも回転し、船を前に押し出しました。

そこで、パーソンズは初期の実験を蒸気タービンではなくガスタービンで実施しました。彼は 1883 年に開発を中止しましたが、1884 年の特許にはガスタービンの現代の動作サイクルが記載されています。その後、同氏はこれについて説明を行った。

「何年も前に行われた実験 -彼が書きました、 - そして、ガスタービンの現実を検証するという目的もあり、私たちが自由に使える金属を使って...純粋な形で、または混合されたガスの熱い流れを使用するのは間違いであると私に確信させました。水 - ブレードを回転させたり渡したりするため。」

これは先見の明でした。ガスタービンの製造に適した金属が入手可能になったのは、パーソンズの死後わずか 10 年後でした。

1884 年の初めに、パーソンズはクラークチャップマンアンドカンパニーのジュニアパートナーになりました。ゲーツヘッドに定住した彼は、蒸気タービンの設計を始めました。 1883年8月に遡る魚雷作成の実験に関する彼のメモによると、当時彼はブレードの回転速度をガスジェットの速度に合わせる必要性という考えにまだ達していなかった。入口と出口で大きな圧力比を持つノズルを作成するという問題にも、彼の注意は払われませんでした。しかしすでに 1884 年 4 月に彼は 2 つの予備特許を発行しており、同年の 10 月と 11 月には完全な説明発明。

それはパーソンズにとって信じられないほど生産的な時期でした。彼は、高速シャフトやその他のタービン部品を実験するだけでなく、機械のエネルギーをどのように利用できるかを考える必要もありました。回転数は18,000rpmと通常の用途には使用できませんでした。パーソンズ氏は、現代の電気機械ではほとんど実現できない高速でタービンを動力源とする発電機を作成することにしました。その後、パーソンズは、この発明はタービン自体の作成と同じくらい重要であると繰り返し述べました。前に今日蒸気タービンの主な用途は依然として発電機の駆動です。

初期の蒸気タービンはそれほど効率的ではありませんでした。出力が従来の蒸気エンジンの効率に匹敵するまでは、他の特性によって購入者にとって魅力的なものにする必要がありました。このような魅力的な特徴は、小さいサイズ、電圧の安定性、制御がない場合でも信頼性の高い動作、および低い運用コスト。最初のタービンにはこれらすべての機能が備わっていました。

最初のタービンが製造された 1884 年 11 月、チャールズ A. パーソンズ殿下はまだ 30 歳でした。エンジニアリングの天才と市場のニーズに対する本能自体は、彼の発案者が成功するための十分な条件ではありませんでした。パーソンズ氏は、行われた作業が無駄にならないよう、多くの段階で私財を投資する必要がありました。 1898 年の一部の特許の存続期間を延長するための裁判中に、パーソンズがタービンの製作に 1,107 ポンド 13 シリング 10 ペンスの個人資金を費やしたことが判明しました。

「タービニア」はタービンエンジンを搭載した最初の蒸気船です。 1894年に発売されました。
この汽船は最大 35 ノットという記録的な速度を達成しました。
その後、タービンは大型船舶にも使用されるようになりました。

エネルギー。 蒸気タービンの発明