Евгений Лосев - Турбовозы. История, теория, конструкция

Дальнейшее развитие ГТД шло по пути совершенствования его элементов (компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа.

В наше время турбины нашли широкое применение в стационарной теплоэнергетике, в военных транспортных средствах (танк Т-80) и на флоте, занимают господствующее положение в авиации и ракетостроении.

Также имеется определённый опыт использования турбин в качестве двигателей для автомобилей и на поездах.

Благоприятные динамические качества турбин способствуют их использованию на локомотивах, т. к. турбины имеют меньшее воздействие на путь, чем поршневые машины. На поршневых паровозах, как известно, добиться полного уравновешивания возвратно-поступательного механизма не удаётся, тогда как в случае применения турбин уравновешивание можно произвести балансировкой ротора.

Газовые турбины также широко используются в качестве средства наддува двигателей внутреннего сгорания с целью повышения мощности последних.

Паровые турбины.Изобретатели давно пытались создать двигатель, где струя пара напрямую бы вращала рабочее колесо. Принцип действия паровых турбин основан на действии струи разогретого пара, тепловая энергия которого преобразуется в механическую работу. При этом скорость вращения колеса должна быть очень высокой за счёт большой скорости струи пара. Паровая турбина оказалась проще, экономичнее и удобнее, чем паровая машина Уатта.

Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (1822—1915) в 1857 г. После выполненных в 1870 г. инженерных разработок несколько таких паротурбинных установок (ПТУ) на базе одноступенчатой турбины были помещены на военных фрегатах и позволили обеспечить их относительно высокую скорость (до 33 км/ч). Однако эти ПТУ оказались слишком сложными в изготовлении и не более эффективными (к.п.д. 6—8%), чем паровые машины.

Схема активной и реактивной турбин, где ротор – вращающаяся часть, а статор – неподвижная. Автор изображения Emoscopes.

Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века – шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.

Первую паровую турбину, которая представляла лёгкое колесо с лопатками, удалось создать шведскому изобретателю Карлу Густаву Патрику де Лавалю в 1883 г. Через поставленные под углом сопла на лопатки направляли пар, который давил на них и раскручивал колесо. Позднее Лаваль усовершенствовал конструкцию, применив сопло, которое расширялось на выходе. Благодаря этому увеличилась скорость пара и, соответственно, скорость вращения ротора. Полученная струя направлялась на один ряд лопаток, которые были насажены на диск. Давление пара и число сопел определяли мощность турбины, работающей по активному принципу. Если отработанный пар не уходил в атмосферу, а направлялся в конденсатор, где при пониженном давлении сжижался, то мощность турбины оказывалась наивысшей. Турбина Лаваля получила всеобщее признание, она давала большие выгоды при соединении с машинами, имеющими высокую скорость (сепараторы, пилы, центробежные насосы). Использовали её и в качестве привода для электрогенератора, правда, только через редуктор (из-за её высокой скорости).

Лаваль создал первую паровую турбину, по одной из версий, для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар. Изобретатель начал работать над своей конструкцией и в конце концов собрал работоспособное устройство. В 1889 г. Лаваль дополнил сопла турбины коническими расширителями, так появилось знаменитое сопло Лаваля, которое стало прародителем будущих ракетных сопел. Турбина Лаваля стала прорывом в инженерии. Достаточно представить себе нагрузки, которые испытывало в ней рабочее колесо, чтобы понять, как нелегко было изобретателю добиться стабильной работы турбины. При огромных оборотах турбинного колеса даже незначительное смещение в центре тяжести вызывало сильную вибрацию и перегрузку подшипников. Чтобы избежать этого, Лаваль использовал тонкую ось, которая при вращении могла прогибаться.

Схема одноступенчатой активной турбины Лаваля.

1 – вал; 2 – диск; 3 – рабочие лопатки; 4 – сопловая решётка; 5 – корпус; 6 – выпускной патрубок.

Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с её прабабушкой, созданной Лавалем, то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем столетний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причём показатель, связанный с прочностью конструкции.

Карл Густав Патрик де Лаваль.

Почти одновременно с Лавалем создал свою турбину английский изобретатель Чарлз Парсонс. В 1884 г. он запатентовал многоступенчатую реактивную турбину, специально сконструированную им для приведения в действие электрогенератора. Это была первая паровая турбина, которая начала с успехом применяться в промышленности. При меньшей скорости вращения энергия пара здесь использовалась максимально благодаря тому, что пар, проходя через 15 ступеней, расширялся постепенно. Каждая ступень имела пару венцов лопаток. Неподвижным был один венец с направляющими лопатками, которые крепились на корпусе турбины. Второй венец был подвижный, с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал. Лопатки венцов (неподвижных и подвижных) сориентированы в противоположных направлениях. С целью уравновешивания осевого усилия пар подводился к средней части вала турбины, а затем протекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с. (около 4,4 кВт) и была подвергнута разнообразным испытаниям. Основные затруднения представляла разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в роторе, а также обеспечение уплотнений. Уже в конструкции 1887 г. Парсонс применил лабиринтные уплотнения, что позволило перейти к турбинам с однонаправленным потоком пара. К 1889 г. уже свыше трёхсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 г. появилась первая электростанция с турбинами Парсонса. В турбине, изготовленной в 1896 г., мощность достигла уже 400 кВт, а удельный расход пара доходил до 9,2 кг/кВт(ч).