§ 25. Паровая турбина

ОТ ПОРШНЯ К ВИХРЮ: ПРЕИМУЩЕСТВА ТУРБИННОГО ПРИВОДА

Наряду с двигателями внутреннего сгорания колоссальную роль в современной цивилизации играют паровые турбины (название происходит от латинского слова turbo — вихрь, вращение с огромной скоростью).

В XIX веке основу промышленности составляли поршневые паровые машины. Однако по мере роста масштабов электрификации и промышленного производства стали очевидны их непреодолимые пределы:

• В поршневом двигателе поршень непрерывно совершает возвратно-поступательное движение. Чтобы заставить вал вращаться, необходим кривошипно-шатунный механизм. При высокой скорости движения поршень и шатун создают колоссальные разрушительные силы инерции и вибрации.
• Пар подаётся в цилиндр отдельными прерывистыми порциями через клапаны, что ограничивает максимальную мощность установки.

Паровая турбина лишена этих принципиальных недостатков. В ней нет возвратно-поступательного движения: струя пара непрерывным мощным потоком воздействует непосредственно на изогнутые лопатки вращающегося колеса, обеспечивая исключительную плавность хода, гигантскую скорость вращения и рекордную единичную мощность.

Сегодня паровые турбины являются главным силовым двигателем на всех тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях, вырабатывающих подавляющую часть всей мировой электроэнергии, а также служат мощными судовыми двигателями на атомных ледоколах и крупных морских кораблях.

УСТРОЙСТВО ТУРБИНЫ И ДВУХСТУПЕНЧАТОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Конструктивно паровая турбина состоит из неподвижного прочного корпуса (статора) и подвижной вращающейся части — ротора:

• Сопла: специально профилированные трубки или направляющие каналы, через которые в турбину поступает водяной пар, нагретый в котле до сотен градусов и находящийся под огромным давлением.
• Диск и вал: массивное стальное колесо, жёстко закреплённое на общем центральном валу.
• Рабочие лопатки: прочные металлические пластины вогнутой, желобчатой формы, плотно установленные по всему внешнему ободу диска. Диск с лопатками и вал вместе образуют ротор турбины.

В паровой турбине осуществляется непрерывное двухступенчатое преобразование энергии:

1. Первый этап (в соплах): Нагретый в котле пар под высоким давлением устремляется в сопла. Форма этих трубок такова, что при движении по ним пар стремительно расширяется. Его температура и давление резко падают, а скорость истечения лавинообразно нарастает. В сопле внутренняя потенциальная энергия сжатого горячего пара переходит в кинетическую энергию направленного высокоскоростного потока.
2. Второй этап (на лопатках): Сверхскоростная струя пара с огромной силой ударяет в вогнутые поверхности лопаток ротора. Обтекая желобчатую лопатку, струя меняет направление движения. В полном согласии с законами Ньютона изменение импульса струи пара порождает мощную силу давления на лопатку. Эта сила заставляет диск вращаться с колоссальной частотой. На этом этапе кинетическая энергия струи пара превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины (полезную механическую работу).

СОПЛО ЛАВАЛЯ И МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТУРБИНЫ ПАРСОНСА

Создание современных сверхмощных турбин стало возможным благодаря фундаментальным открытиям двух выдающихся европейских инженеров:

• Сопло Лаваля (Густав де Лаваль, 1890 г.):

Шведский инженер Густав де Лаваль исследовал движение пара и установил поразительный факт: в обычных сужающихся трубках скорость струи не может превысить скорость звука. Чтобы разогнать пар до сверхзвуковых скоростей, де Лаваль создал сопло переменного профиля — сначала плавно сужающееся, а затем расширяющееся. При прохождении расширяющейся части сопла Лаваля струя пара разгоняется до фантастических скоростей — свыше 1000–1500 м/с!

• Многоступенчатая турбина (Чарлз Парсонс, 1884 г.):

В первой турбине Лаваля вся энергия сверхзвуковой струи пара обрушивалась на один-единственный диск. В результате ротор раскручивался до разрушительных 30 000 оборотов в минуту. Английский механик Чарлз Парсонс предложил гениальное решение: разделить единый перепад давления на десятки последовательных ступеней. Пар проходит через целый ряд неподвижных сопловых аппаратов и подвижных рабочих дисков, отдавая свою энергию постепенно, порциями.

Многоступенчатая схема Парсонса позволила снизить скорость вращения вала до строго заданных 3000 оборотов в минуту. Это имеет колоссальное практическое значение: именно с такой частотой должен вращаться соединённый с турбиной ротор электрического генератора, чтобы вырабатывать переменный ток стандартной промышленной частоты 50 Гц (50 колебаний в секунду). Мощность современных турбоагрегатов простирается от сотен киловатт до колоссальных 1 200 000 кВт (1,2 ГВт) в одном блоке!

ИЗ ИСТОРИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Идея использовать кинетическую силу пара для движения зародилась задолго до появления современных машин:

• Паровая пушка Архимеда (III в. до н.э.): Великий греческий учёный построил медную пушку, стрелявшую с помощью пара. Задняя часть ствола сильно разогревалась на углях, после чего в неё мгновенно впрыскивали порцию воды. Вода взрывообразно превращалась в пар высокого давления, который с грохотом выталкивал каменное ядро, словно поршень из цилиндра. Рисунки этого удивительного изобретения спустя восемнадцать веков были обнаружены в рукописях Леонардо да Винчи.
• Геронов шар (эолипил, I в. н.э.): Греческий механик Герон Александрийский описал полый металлический шар, свободно вращающийся на горизонтальной оси. Пар из закрытого котла поступал внутрь шара и со свистом вырывался наружу через две противоположно загнутые трубки. Под действием возникающей реактивной силы шар приходил в быстрое непрерывное вращение, став историческим прообразом реактивных двигателей.
• Паровое колесо Джованни Бранка (1629 г.): Итальянский инженер предложил устройство, в котором струя пара из узкого носика закрытого котла била в деревянные лопатки колеса, заставляя его вращаться и через шестерни поднимать песты для измельчения пороха. Колесо Бранка стало непосредственным историческим предком активной паровой турбины.