Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Рис. 11.9. Паровая турбина де Лаваля

В 1889 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль (1845–1913) построил первую работающую паровую турбину. Турбины де Лаваля имели одно колесо, одну ступень, были импульсными – струя пара направлялась прямо на лопасти колеса (рис. 11.9). Самый большой диаметр колеса, который использовал Лаваль, – 30 дюймов, самый маленький – 3 дюйма. Поскольку его турбины имели только одно колесо и один комплект сопел, в которых пар достигал высокой скорости перед попаданием на лопасти, скорость лопастей у обода колеса была высока. Некоторые его машины вращались с частотой 40 000 оборотов в минуту, и, чтобы устранить опасность биения, де Лаваль устанавливал колеса на гибкие оси. Это позволяло колесам стремиться к своему собственному центру вращения. Он также придумал сложную косозубую понижающую передачу для работы электрогенератора, который не мог функционировать на таких скоростях. Эти устройства нередко были намного больше самой турбины. Первую турбину де Лаваль построил в 1882 году, а в 1888 году изобрел сопло особого профиля, в котором пар эффективно расширяется и достигает высокой скорости. К 1897 году он уже использовал пар высокого давления – более 3000 фунтов на квадратный дюйм. Это близко к величине критического давления – 3226 фунтов, – при котором фунт пара имеет такой же объем, как фунт воды, а удельная теплота испарения – ноль. Турбины де Лаваля имели ограниченную мощность, но все равно многие из них эксплуатировались в промышленности.

Для того чтобы добиться эффективной работы при разумно высоком давлении пара, инженеры модифицировали турбины, чтобы позволить пару расширяться в несколько ступеней, состоящих из нескольких рядов подвижных лопастей, установленных на роторе, со стационарными лопастями, установленными на статоре, в зазорах. Если расширение пара происходит в соплах или стационарных лопастях, действие главным образом импульсное, но, если расширение имеет место в пределах подвижных лопастей, движение получается благодаря реакции, вызванной паром, когда он покидает лопасти. Современное развитие турбин шло в этих двух направлениях. Среди многих инженеров, работавших в области совершенствования многоступенчатых паровых турбин, можно выделить двух блестящих специалистов. Это англичанин Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931) и американец Чарльз Гордон Кертис (1860–1953). Парсонс построил свою первую машину (рис. 11.10) в 1884 году. Она приводила в действие генератор, вырабатывавший 7,5 киловатта (около 10 лошадиных сил) при 100 оборотах. Расход пара – 130 фунтов на киловатт. Турбина Парсонса развивалась, несмотря на трудности с патентом. В 1888 году в США – в Ньюпорте – был установлен турбогенератор мощностью 32 лошадиные силы, а в 1901 году в Коннектикуте – турбогенератор мощностью 2000 лошадиных сил. Кертис совершенствовал многоступенчатую импульсную турбину. Он получил патент в Англии в 1895 году и в США – в 1896 году. После первых неудач он построил в 1900 году машину с вертикальной осью для станции в Скенектади, а в 1903 году – машину мощностью 6500 лошадиных сил, тоже с вертикальной осью, для станции в Чикаго. Впоследствии от конструкции с вертикальной осью отказались, поскольку с увеличением мощности возрастал вес.

Рис. 11.10. Первый турбогенератор Парсонса

Многие инженеры внесли свой вклад в проект импульсных реактивных турбин, которые используют преимущества обоих принципов. Машины строились для использования постоянно возрастающих давлений пара и нагрева, и мощность буквально взлетела до небес. Через двадцать пять лет после установки последней стационарной поршневой машины мощностью 7500 лошадиных сил уже вовсю работали паровые турбины, производившие 240 000 лошадиных сил. Развитие генераторов, естественно, шло параллельно развитию турбин (рис. 11.11).

Рис. 11.11. Турбогенератор на станции Керни, Нью-Джерси, принадлежащий Public Service Electric and Gas Company. Выходная мощность – 145 000 киловатт, 20 000 вольт, давление пара 2350 фунтов на квадратный дюйм

Крупная турбина требовала большого количества пара при высоком давлении и температуре. Усовершенствования, приведшие к появлению современного котла, были не менее быстрыми и радикальными, чем прогресс в конструкции турбин. Пылевидный уголь, природный газ и топочный мазут постепенно заменили необогащенный уголь и сжигание в механической топке. К 1926 году котлы работали при давлении 650 фунтов и температуре 775 градусов по Фаренгейту. К середине века рабочее давление достигло 2000 фунтов, а температура – 1000 градусов. Более современные котлы (рис. 11.12) превращают огромные количества воды в пар. Выполнив свою работу в турбине, пар конденсируется, проходя через конденсаторы с охлаждающей водой, и получившийся конденсат повторно используется в котле. Для того чтобы справиться с таким количеством пара, многие конденсаторы имели охлаждающие поверхности площадью более акра.

Рис. 11.12. Котельная установка на открытом воздухе

Рис. 11.13. Британские тепловые единицы, необходимые для производства 1 киловатт-часа в США, 1931 г.

Хотя 70-процентная потеря тепловой энергии топлива в целом обычна для паровых установок, эта цифра все же не так высока, как в ранних установках. Станция Эдисона на Pearl Street в 1882 году использовала 8 фунтов угля для производства 1 лошадиной силы, или около 10 фунтов на киловатт-час. К 1900 году требовалось уже 7 фунтов на киловатт-час, а в 1922 году – 2 фунта. В течение следующих тридцати лет потребность в угле снизилась еще наполовину, и во второй половине XX века 1 киловатт-час генерировался при расходе эквивалента одного фунта угля (рис. 11.13). Нефть и природный газ стали важным топливом для теплостанций. Из всех видов топлива, которые использовались на тепловых станциях в 1922 году, нефть и природный газ производили всего 15 процентов мощности. В 1953 году эта цифра возросла до 35 процентов. В 1953 году производство электроэнергии в США составило 515 биллионов киловатт-часов или 690 биллионов лошадиных сил. За 50 лет производство возросло в 70 раз (рис. 11.14). В 1953 году США производили 41 процент мирового производства электроэнергии, в четыре раза больше, чем производила Россия, занимавшая второе место.