Текст книги "Тепловая электрическая станция ― это очень просто"

2.3. Огонь, гори – котел, вари!

«Огонь, гори! Котел, вари! Поднимайтесь, пузыри!» ― так пели три ведьмы в шекспировской трагедии «Макбет», водя хоровод вокруг котла, в котором кипело волшебное зелье. Нас, однако, интересует, в каком котле нужно вскипятить воду, чтобы получить перегретый пар с температурой выше температуры кипения воды и запустить в действие эффективный тепловой двигатель.

Рис. 2.6. Три ведьмы и Макбет Рис.

2.7. Паровой котел машин Ньюкомена

В первых паровых котлах применялся пар атмосферного (барометрического) давления. Котлы первых паровых машин Д. Папена и Т. Сейвери делались из меди и имели форму шара, как тогдашние котлы для приготовления пищи. Котлы машин Ньюкомена (рис. 2.7) сохраняли форму тел вращения, но были больших размеров. Первоначально они изготавливались из меди, но по мере увеличения размеров возрастала и цена, и пришлось перейти к другим материалам ― сначала чугуну, затем листовой стали.

Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение паропроизводительности, то есть количества пара, производимого котлом в час. Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра двигателя. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков. Вес одного такого котла был равен 15,5 тоннам.

Рис. 2.9. Паровой котел машин Д. Смитона Дж. Уатта

Рис. 2.8. Котел конструкции

Машины Уатта с их большой мощностью потребовали котлов другой формы, изготовленных из железных листов. Уатт придавал своим котлам форму сундука с круглым верхом (рис. 2.9). Клепка таких котлов представляла большие трудности, так как листы изготавливались малого размера, их требовалось большое количество, и клепки было слишком много. Трудно было также обеспечить необходимую плотность соединения.

Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 1,3―1,5 МПа. Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар ― наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, однако она дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра ― следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. Эванс в США построил цилиндрический котел с внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 1 МПа. Очень скоро стали применяться цилиндрические котлы с внутренней жаровой трубой.

Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра для прочности и увеличение его длины ― котел превращался в трубу. Применялись два способа организации котлоагрегата ― дробились газовый тракт котла или его водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные. В водотрубных котлах вода проходит внутри труб, омываемых снаружи горячим газом, в жаротрубных ― наоборот: внутри труб находятся продукты сгорания топлива, а испаряемая вода омывает трубы снаружи.

Отличительной чертой водотрубных барабанных котлов является наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой.

В таком котле пароводяная смесь циркулирует в трубах поверхности нагрева до полного испарения. Движение пароводяной смеси осуществляется за счет конвекции из-за разности плотностей смеси в обогреваемой и необогреваемой зоне котла.

Одним из первых водотрубный котел разработал Эрнст Альбан. Этот котел был наиболее технически совершенным для того времени, он имел вид почти современного водотрубного котла с трубами под небольшим уклоном.

Рис. 2.11. Паровой котел Бабкока ― Вилкокса

Рис. 2.11. Паровой котел Бабкока ― Вилкокса Рис. 2.10. Паровой котел Э. Альбана

К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имевший вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.

В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В. Г. Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время.

К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.

После Первой мировой войны в США и Европе широкое распространение получили однобарабанные котлы Бабкока― Вилкокса (рис. 2.11).

Одновременно разрабатывались вертикально-водотрубные двух-, трех– и четырехбарабанные котлы. Конструкторы старались добиться хорошей циркуляции воды и устранения срыва течения при образовании паровых пузырей в трубах поверхности нагрева. На рис. 2.12, в показана усовершенствованная конструкция вертикально-водотрубного двухбарабанного котла, построенного на заводе Борзига в Германии.

Важным шагом в развитии конструкций паровых котлов явилось изобретение прямоточных котлов (рис. 2.12, д). Прямоточное движение рабочей среды в паровых котлах предложено в конце XIX века русскими инженерами, в том числе Д. И. Артемьевым, который в 1893 году создал судовой прямоточный котел.

Прямоточные котлы не имеют барабана, в них вода, а затем пароводяная смесь и пар (называемые вместе рабочей средой) последовательно проходят все поверхности нагрева котла. В отличие от котлов барабанного типа прямоточные котлы могут работать и при сверхкритическом давлении рабочей среды22
  При критических параметрах ― давлении 22,12 МПа и температуре 374,1 °C ― плотности воды и пара одинаковы.


[Закрыть]. Эволюцию конструкций водотрубных паровых котлов иллюстрирует рис. 2.12.

Совершенствовалась не только конфигурация теплообменной поверхности, но также и топки котлов. После войны 1914 г. для котлов, производимых США, разрабатывались топки для сжигания угольной пыли. Применение угольной пыли в качестве топлива существенно изменило конструкцию котлов. Топка получила больший объем, и пламя направлялось часто сначала вниз для создания турбулентного движения газов и лучшего их перемешивания, а затем поворачивалось вверх, где смешивалось с добавочным воздухом.

В России в это время строились котлы системы Шухова на давление 1,5 МПа с поверхностью нагрева от 62 до 310 м ². С 1934―1935 гг. Ленинградский металлический завод начал проектировать трехбарабанный котел с поверхностью нагрева 2500 м ² (рис. 2.13).

Рис. 2.12. Развитие типов водотрубных котлов:

а ― цилиндрический; б ― камерный горизонтально-водотрубный; в ― двухбарабанный вертикально-водотрубный; г ― однобарабанный факельный вертикально-водотрубный; д ― прямоточный: 1 ― топка; 2 ― барабан-сепаратор; 3 ― нижний барабан; 4 ― выход пара; 5 ― раздающая водяная камера; 5’ ― коллектор; 6 ― трубы котельных пучков; 6’ ― трубы настенных экранов; 7 ― экономайзер; 8 ― пароперегреватель; 8’ ― настенный ленточный перегреватель; 9 ― воздухоподогреватель; 10 ― колосниковая решетка; 11 ― горелка; 12 ― вход воды в котел

Рис. 2.13. Трехбарабанный котел ЛМЗ

Первый в СССР промышленный энергетический прямоточный котел (паропроизводительностью 200 т/ч с давлением 13,8 МПа и температурой перегретого пара 500 °C) был разработан профессором Л. К. Рамзиным и установлен в 1933―1934 гг. на одной из московских ТЭЦ (ТЭЦ ВТИ).

Рамзин Леонид Константинович (1887–1948) – советский инженер-теплотехник, изобретатель прямоточного котла. Научно-техническое даро-вание Л. К. Рамзина раскрылось в годы обучения в Московском высшем техническом училище, которое он окончил с отличием в 1914 г., получив звание инженера-механика. А всего через шесть лет, в 1920 г., Рамзин был избран профессором МВТУ и в течение десяти лет возглавлял кафедры «Тепловые станции» и «Топливо, топки и котельные установки». Кроме этого, Л. К. Рамзин стал первым директором образованного в 1921 г. Всесоюзного теплотехнического института, руководил которым почти десять лет. Велик вклад Рамзина в разработку и осуществление плана ГОЭЛРО. Очередным свидетельством успешной научно-технической деятельности Рамзина стало его назначение членом ВСНХ в 1927 г. Но события 1930 г. (процесс над так называемой Промпартией) стали трагедией в жизни ученого. В ходе сфальсифицированного судебного процесса Рамзина, как одного из «руководителей» несуществующей партии, приговорили к расстрелу, замененному 10 годами тюремного заключения. Вместе с ним были осуждены 10 человек. Из заключения не вышел никто, кроме Рамзина. В заключении ученому создали условия для работы по специальности. С сотрудниками «шарашки» Леонид Константинович изобрел прямоточный котел высокого давления, внедрение которого в промышленное производство и энергетику дало крупный экономический эффект. В феврале 1936 г. Рамзин был амнистирован, а в 1943 г. удостоен Сталинской премии первой степени за свое изобретение. Нехватка специалистов в области энергетики и теплотехники потребовала открытия в 1943 г. в Московском энергетическом институте энергомашиностроительного факультета. Основали его Л. К. Рамзин и член-корреспондент АН СССР А. В. Щегляев. Кроме того, Л. К. Рамзин создал кафедру котлостроения и с 1944 г. стал профессором МЭИ. Осыпанный правительственными наградами, он был одинок. Ему не простили гибели людей, осужденных по делу Промпартии.Л. К. Рамзин умер вскоре после своего никем не замеченного 60-летия.

Все параметры советских котлов этого времени совершенно современны и размеры самих котлов не уступают американским и немецким образцам.

2.4. Что такое турбина и почему она вертится

Мы рассмотрели работу поршневой машины – представительницы объемных расширительных машин. Поршень этой машины представляет собой как бы подвижную стенку сосуда (цилиндра), в котором заключено рабочее тело. В этой машине работа расширения или сжатия газа непосредственно, без всяких промежуточных процессов преобразуется в работу перемещения поршня – положительную (потребляемую) при расширении и отрицательную (подводимую) при сжатии.

Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей. Однако технические возможности поршневого парового двигателя уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя ― паровой турбины.

Иной принцип действия у так называемых динамических расширительных машин (примером такой машины является эолипил Герона Александрийского, показанный на рис. 1.3). Этот прибор, скорее игрушку, можно считать прототипом реактивной турбины33
  Турбина – фр. turbine от лат. turbo – вихрь, вращение.


[Закрыть](рис. 2.15), которая состоит из камеры, сопла, вала и штанги, соединяющей камеру с валом. Рабочее тело, например предварительно сжатый и нагретый газ, подводится в камеру через каналы в валу и штанге. Из сопла газ истекает с некоторой скоростью W, называемой относительной. Она измеряется в системе координат, неподвижно связанной с камерой. Под действием струи истекающего газа турбина вращается в сторону, противоположную W. Обозначим скорость камеры U. Эта окружная скорость в механике называется переносной. Абсолютная скорость газа С, то есть его скорость в неподвижной системе координат (относительно Земли), равна сумме векторов скорости камеры (переносная скорость) и скорости струи газа. Геометрически вектор является диагональю параллелограмма со сторонами и или, что то же самое, замыкает треугольник , , . В нашем случае, когда и имеют противоположные направления, стороны треугольника ложатся на одну прямую, как это показано на рис. 2.14.

Согласно третьему закону Ньютона сила истечения струи вызывает точно такую же силу, но противоположно направленную, которая действует на камеру. Эта сила, которую называют реакцией струи, вращает реактивную турбину. Работа реактивной турбины и других динамических расширительных машин отличается от работы поршневой машины прежде всего тем, что газ после сжатия и нагрева необходимо разогнать, преобразовав его располагаемую энергию в кинетическую. Разгон газа осуществляется обычно в соплах, представляющих собой сужающиеся у входа и расширяющиеся на выходе каналы, причем сопла могут быть вращающимися или неподвижными.

Рис. 2.15. Машина Дж. Бранка

Рис. 2.15. Машина Дж. БранкаРис. 2.14. Реактивная турбина

Таким образом, турбина является тепловым двигателем, в котором потенциальная энергия среды превращается в кинетическую, а последняя преобразуется в механическую энергию вращения вала.

Устройства для преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию вращающегося вала известны с глубокой древности. Это, например, водяные мельницы, перед которыми строились плотины, поднимающие уровень воды. Позже появились гидротурбины, использующие потенциальную энергию воды, накапливаемую плотиной. У паровой турбины история столь же долгая, ведь «турбина Герона» датируется первым столетием до нашей эры. Много веков спустя, в 1629 г. Джованни Бранка сконструировал свою машину (рис. 2.15). Она состояла из парового котла 1, крышка которого была выполнена в виде фигуры человека, длинной трубки (сопла) 2, горизонтального колеса 3 с лопастями, вала 4 и зубчатых передач 5 для привода станка 6.

Однако вплоть до XIX века турбины, приводимые в движение паром, являлись скорее техническими курьезами, игрушками, чем реальными промышленно применимыми устройствами. В технике преобладали двигатели с возвратно-поступательным движением, вроде паровой машины Дж. Уатта, которому пришлось преодолеть значительные трудности в стремлении создать машину с непрерывным вращательным движением. Для этого ему пришлось изобрести механизм параллелограмма-балансира, преобразующего возвратно-поступательное движение во вращательное. На протяжении почти ста лет паровая машина использовалась как привод для различных механических устройств: насосов, станков, гребных винтов кораблей, сельскохозяйственных орудий, небольших электростанций.

Затем с необыкновенной быстротой турбины достигли высокой степени совершенства. Уже к началу XX века они вытеснили паровые машины сначала из числа приводов различных механизмов, а позже стали единственным приводным устройством для крупных электростанций и стали строиться для мощностей, недоступных для других двигателей.

Почему же вертится турбина? Что заставляет вращаться ее вал? Оказывается, что вращается турбина в конечном счете благодаря подъемной силе, возникающей при обтекании турбинной лопатки паром или воздухом (газом) так же, как крыла самолета. Законы обтекания потоком среды различных тел изучает наука аэрогидродинамика, и в конце XIX века механизмы обтекания тел потоком среды, как и законы течения среды в каналах различной формы, изучали Эрнст Мах, Осборн Рейнольдс и др.

При обтекании лопатки или крыла на их поверхности возникает распределение давления, показанное на рис. 2.16. Поток неразрывен, поэтому выпуклая спинка профиля обтекается быстрее (путь длиннее – скорость больше – давление меньше), а вогнутая часть обтекается медленнее (путь струи меньше – скорость меньше – давление больше).

Эрнст Мах (Ernst Mach, 1838–1916) – австрийский ученый и философ, профессор физики в университетах Вены, Граца и Праги. Маху принадлежит ряд важных физических открытий. Первые работы были посвящены изучению процессов слуха и зрения. С 1881 года Мах изучал аэродинамические процессы, сопровождающие сверхзвуковое движение тел. Он открыл и исследовал процесс возникновения ударной волны. В этой области именем Маха назван ряд величин и понятий: число Маха, конус Маха и др.

Осборн Рейнольдс (Osborne Reynolds, 1842–1912) – британский инженер-физик. Родился в Белфасте в семье потомственного священника англиканской церкви. После недолгого практического обучения инженерному делу в строительной фирме поступил в Кембридж, по окончании которого сразу же получил должность профессора кафедры гражданского инженерного дела Оуэнс-колледжа (современный Манчестерский университет), которую и занимал на протяжении 37 лет. Рейнольдс занимался исследованиями в области гидродинамики и гидравлики, стал основоположником теорий смазки и турбулентности, принципиально усовершенствовал конструкцию центробежных насосов. Именем Рейнольдса названа безразмерная скорость среды.

Рис. 2.16. Распределение давления по профилю лопатки:

а – распределение давлений, б – окружные проекции давлений на вогнутую и выпуклую поверхность лопатки

Такое распределение давлений по поверхности профиля рабочей лопатки турбины приводит к появлению подъемной силы (такой же, как и при обтекании крыльев летательных аппаратов). В общем случае это усилие условно можно разложить на окружную и осевую составляющие. Результирующая окружных составляющих давления на вогнутой стороне больше, чем на спинке, в результате чего и возникает окружное усилие R_u, действующее на лопатку, которая закреплена в диске, соединенном с валом турбины.

Рассмотрим самую маленькую турбину, состоящую всего из одной ступени. Турбинная ступень – это совокупность неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решеток (рис. 2.17).

Сопловые лопатки образуют кольцевую решетку и со строго одинаковым шагом установлены в диафрагме, представляющей собой плоское кольцо, разрезанное по горизонтальному диаметру. Каналы для прохода пара, образованные соседними лопатками, называются сопловыми каналами. Рабочие лопатки с помощью хвостовиков крепятся на диске, выкованном заодно с валом или посаженном на него с натягом. Соседние лопатки рабочей решетки образуют рабочие каналы, через которые проходит поток пара, выходящий из сопловой решетки.

Таким образом, в турбинной ступени осуществляется преобразование кинетической энергии потока в механическую энергию, и окружное усилие – полезная составляющая подъемной силы – суммируется от лопатки к лопатке и передается ротору турбины в виде механической энергии вращения.

Создание современных паровых турбин связано с именами выда‑ ющихся инженеров XIX века: шведом Г. Лавалем и англича‑ нином Ч. Парсонсом.

Рис. 2.17. Турбинная ступень:

1 – диафрагма, 2 – сопловая решетка, 3 – корпус турбины, 4 – диск, 5 – рабочая решетка, 6 – вал турбины

Карл Густав Патрик де Лаваль (Karl Gustaf Patrik de Laval, 1845–1913) – инженер и изобретатель. Родился в Орсе, Швеция. Закончил Технологический институт в Стокгольме в 1866 г. и Упсальский университет в 1872 г. В 1890 г. изобрел сопло, служащее для подачи пара в созданную им первую паровую турбину, получившее впоследствии его имя и использующееся в том же назначении по настоящее время. Де Лавалю принадлежит также честь изобретения центрифуги для разделения на фракции смесей, состоящих из жидкостей с разной плотностью. Это изобретение он использовал как молочный сепаратор. В 1894 г. он запатентовал доильный аппарат, первый практически используемый образец которого был выпущен уже после его смерти компанией Alfa Laval, основанной де Лавалем и Оскаром Ламмом в 1883 г. За свою жизнь Густав де Лаваль запатентовал 93 изобретения. Избирался членом риксдага. Публиковал в газете «Свенска Дагбладет» статьи на экономические темы.

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.

Впервые идея беспоршневого двигателя – реактивной паровой турбины, подобной эолипилу Герона, возникла у Лаваля при испытаниях пескоструйных аппаратов. Была у него мысль использовать такую турбину и для привода бурильного станка. Однако серьезно он взялся за ее разработку в связи с необходимостью создания скоростного привода сепаратора для молока. Де Лаваль предложил разместить барабан сепаратора на одном валу с простейшей турбиной реактивного типа. Английский патент № 1622 «Турбина, работающая паром и водой», полученный Лавалем в 1883 г., был его первым патентом в этой области. Однако эта турбина, очень похожая на эолипил Герона, имела очень низкий КПД.

Лаваль нашел другой, правильный путь. Это была активная турбина. Мысль о ней зародилась у Лаваля в 1888 г., а в 1889 г. им была запатентована активная турбина с расширяющимся соплом, позволяющим уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой (и сегодня термин «сопло Лаваля» является общеупотребительным). Чертеж из этого исторического патента (английский патент № 7143 от 24.04.1889) приведен на рис. 2.18, а.

Рис. 2.18. Активная турбина с соплом Лаваля:

а – чертеж активной турбины из патента Г. Лаваля, б – одноступенчатая активная турбина

Турбина состоит из одного или нескольких неподвижных сопел и ротора, состоящего из укрепленного на валу диска с лопатками.

В ступени активного типа преобразование потенциальной энергии в кинетическую осуществляется только в неподвижном сопловом аппарате, то есть тепловой перепад срабатывается полностью в сопловой решетке, и давление пара за рабочей решеткой равно давлению пара перед ней, следовательно, в каналах рабочей решетки не происходит расширения пара. На рабочих лопатках кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора только за счет появления окружного усилия из-за поворота потока в каналах с приблизительно постоянным сечением.

Двухступенчатые турбины мощностью 100 л. с., разработанные Г. Лавалем, использовались на энергоустановках для освещения выставки в Стокгольме в 1897 г. В этих установках были применены изобретенные Лавалем прямоточные котлы, рассчитанные на невиданное для того времени давление – до 20 МПа. Котлы имели автоматические системы подачи воздуха, топлива и питательной воды. Эти установки произвели глубокое впечатление на современников уровнем автоматизации и, главным образом, огромным давлением пара.

Если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с ее прабабушкой, созданной Лавалем (рис. 2.18), то поразит их сходство. Оказывается, что за более чем 100-летний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели, в общем, незначительные изменения. Это тем более удивительно, что совершенство конструкции достигнуто было в основном эмпирически, путем экспериментальной отработки, ведь теория расширяющегося сопла, гибкого вала и диска равного сопротивления, которые были изобретены и разработаны Г. Лавалем, была разработана уже после создания турбины Лаваля. Добиться такого результата в безбрежном море проб и ошибок мог только человек, обладавший уникальным конструкторским чутьем. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники!

Достигнуть того, что не было сделано Густавом Лавалем, суждено было другому человеку – Чарльзу Альджерону Парсонсу. Он еще мальчиком вместе с братом построил паровую машину. Причем она не была лишь действующей моделью. Машина исправно служила для привода станка, на котором шлифовали линзы телескопов. В студенческие годы в Кембридже Парсонс спроектировал паровой двигатель, который ему удалось построить во время работы на заводе Вильяма Армстронга в Ньюкастле. Этот завод, куда Парсонс поступил после окончания Сент-Джеймского колледжа, был одним из самых передовых машиностроительных заводов Англии.

Чарльз Парсонс (Charles Algernon Parsons, 1854–1931) – английский инженер и промышленник, изобретатель многоступенчатой реактивной паровой турбины, модификации которой применяют в современной энергетике. Родился в Лондоне 13 июня 1854 г. Он был последним, шестым сыном Вильяма Парсонса, лорда Росса, члена парламента, председателя Королевского общества, богатого ирландского аристократа (прямого потомка короля Эдуарда III), знаменитого оптика и астронома. Чарльз получил прекрасное домашнее образование под руководством отличных преподавателей. Однако главным его учителем был отец, о котором он с глубоким уважением вспоминал до конца жизни.

Здесь Парсонс с самого начала выбрал правильное направление в конструировании турбины, в основе которого лежала простая идея: всю располагаемую энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать не всю сразу в одной ступени, как это делал Лаваль, а последовательно, каждую порцию в отдельной ступени.

Воплощением этой идеи является многоступенчатая турбина, показанная на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Многоступенчатая турбина

Турбина Ч. Парсонса состоит из ряда последовательно по ходу пара расположенных ступеней. Каждая из ступеней, подобно турбине Лаваля, состоит из сопел (или соплового аппарата) и рабочего колеса. При этом рабочие колеса укрепляются на одном валу. В такой конструкции очень просто решается главная проблема, мучавшая Лаваля: как уменьшить оптимальную окружную скорость турбины. Энергия пара, приходящаяся на одну ступень в многоступенчатой турбине, может быть выбрана настолько малой, чтобы скорость пара, вытекающего из сопла, и, следовательно, оптимальная окружная скорость рабочего колеса были умеренными. Иными словами, окружную скорость и частоту вращения вала в многоступенчатой турбине можно варьировать, изменяя число ступеней. С другой стороны, в многоступенчатой турбине можно сработать при высоком КПД очень большую энергию пара, т. е. появилась возможность работать при высоких температурах и давлениях пара, а это, как мы знаем, обеспечивает высокий термический КПД.

Собственно, идея многоступенчатой турбины высказывалась в Англии Гилманом в 1837 г. и Вильсоном в 1848 г., во Франции – Леруа (1840 г.) и Турнером в 1853 г., а также многими другими. Таким образом, многоступенчатая турбина «родилась» раньше Чарльза Парсонса. Однако его турбина, запатентованная в 1884 г. (английские патенты № 6734 и 6735), имела ряд особенностей. Первая особенность состояла в том, что расширение пара происходило не только в соплах, но и в рабочих колесах каждой ступени, т. е. каналы между рабочими лопатками были сужающимися, а относительная скорость пара на выходе была больше, чем на входе. Такие турбины условно называются реактивными (вернее было бы их назвать активно-реактивными). Такие реактивные турбины, как было установлено впоследствии, аэродинамически наиболее совершенны. Это основной тип турбины, применяющийся и сегодня в мощных энергетических установках.

Другая особенность заключалась в том, что Парсонс изобрел двухпоточную турбину, в которой пар подводился к средней части ротора. Здесь потоки пара разделялись на две равные половины и направлялись в противоположные стороны к концам ротора. В этой конструкции давление пара с обеих сторон ротора одинаково, так же как в турбине Лаваля, и осевая сила, действующая на подшипники, отсутствует.

Но развитие паровых турбин не остановилось на турбине Парсонса. В 1899 г. французский инженер Огюст Рато создал активную многоступенчатую турбину, которая представляла собой по сравнению с турбиной Парсонса новый шаг в турбостроении. В ней воплотились новые технические принципы конструирования турбин. Цилиндр турбины Рато был разделен на целый ряд камер специальными диафрагмами. В диафрагмах были укреплены группы направляющих лопаток, через которые пар проходил из одной камеры в другую. В каждой камере помещалось одно рабочее колесо турбины, в лопатках которого пар и производил работу, заставляя вращаться колесо. В 1903 году швейцарский инженер Генрих Целли усовершенствовал турбину Рато, упростив и удешевив ее. Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 году американский инженер Чарльз Кертис. В дальнейшем развитие турбостроения шло в направлении увеличения начальных параметров пара и связанного с этим совершенствования конструкций. Применялись и различные способы повышения термического КПД турбины ― промежуточный перегрев пара и регенеративный подогрев питательной воды.

Развитие турбостроения в России проходило в трудной конкурентной борьбе с иностранными производителями. К моменту, когда в России была изготовлена первая турбина, в стране уже находилось в эксплуатации 37 импортных паровых турбин. Турбины выпускались различными зарубежными фирмами в Америке («Вестингауз», «Дженерал Электрик») и в Европе – концерном «Лаваль» в Швеции, фирмами «Рато» во Франции, «Метрополитен-Виккерс» в Англии, «Броун-Бовери» (теперь ABB) и «Эшер-Висс» в Швейцарии, AEG, MAN, «Siemens» и «Тиссен» в Германии, заводами «Шкода» и «Брюнн» в Чехии. Паровые турбины в России начал выпускать в 1907 г. в г. Санкт-Петербурге Металлический завод – сегодня Ленинградский металлический завод (ЛМЗ). Металлический завод начал свою историю в 1857 г. с покупки купцом Растеряевым кожевенного завода и устройства в нем слесарной мастерской. Следующие 50 лет завод изготавливал металлоконструкции, выполнял ряд военных заказов. В период 1907–1913 гг. завод изготовил 26 паровых турбин, как энергетических, так и судовых. Наибольшая мощность в одном агрегате не превышала 1250 кВт. Первые турбины выпускались по проектам французской фирмы «Рато», а затем был налажен выпуск турбин немецкой фирмы AEG.

Рис. 2.20. Ротор турбины Рато

Завод не занимался слепым копированием иностранных образцов. Уже на первой турбине были проведены многочисленные опыты и исследования – испытания рабочих колес на прочность, определение коэффициента трения пара на лопатках, изучение особенностей заделки рабочих лопаток в ободе и др. С 1910 г. завод начал выпускать турбины собственной конструкции, в которых слабые штампованные диски зарубежных турбин были заменены коваными, вместо крепления лопаток заклепками были применены Т-образные хвостовики, передний подшипник отделен от цилиндра. Все это намного увеличило надежность работы турбин.

Современная паровая турбина ― это высокоэффективный и технически совершенный тепловой двигатель. Велик вклад в создание и развитие теории турбомашин, в разработку и реализацию отечественных паровых и газовых турбоустановок выдающихся ученых-турбинистов И. И. Кириллова, В. В. Уварова, Г. С. Жирицкого, М. Е. Дейча, А. В. Щегляева, Л. А. Шубенко-Шубина, Я. И. Шнее и др.

Кириллов Иван Иванович (1902–1993) – один из основателей советского турбиностроения. В 1924 г. окончил Ленинградский Технологический институт и начал работать на Ленинградском металлическом заводе, принял деятельное участие в проектировании паротурбинных установок и освоении приобретенной у английской фирмы «Метрополитен Вик-керс» лицензии на производство мощных паровых турбин, на четыре месяца был командирован в Англию и Германию. В 1930 г. арестован по ложному обвинению с приговором к 10 годам лагерей, работал в «шарашке». В 1938 г. ему без защиты была присуждена степень кандидата наук за монографию «Автоматические устройства паровых турбин», в 1940 г. защитил докторскую диссертацию. В феврале 1941 г. был избран по конкурсу на должность профессора кафедры «Паровые турбины и машины» Ленинградского политехнического института. С 1944 г. заведовал кафедрой «Паровые турбины и машины» в Ленинградском политехническом институте и вел научную работу в Центральном котлотурбинном институте с перерывом на работу в г. Брянске, где им также была основана кафедра «Турбостроение» в Институте транспортного машиностроения. Из-под пера И. И. Кириллова вышли 19 основополагающих для турбинистов книг. Награжден двумя орденами «Знак Почета», орденом Ленина, дважды лауреат Государственной премии.

Уваров Владимир Васильевич (1899–1977) – советский ученый-теплотехник, профессор (1934), доктор технических наук (1946), заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1957). После окончания МВТУ (1924) и МГУ (1930) работал в Академии им. Н. Е. Жуковского, преподавал в МВТУ, заведовал кафедрой турбостроения в 1949–77 гг., руководил проблемной лабораторией по турбостроению с 1958 г. Под его руководством созданы первые в СССР экспериментальная газотурбинная установка (1934) и турбовинтовой двигатель (1938–40). Награжден орденами Ленина и Трудового Красного Знамени.

Жирицкий Георгий Сергеевич (1893–1966) – советский теплотехник, профессор (1934), доктор технических наук (1937), заслуженный деятель науки и техники РСФСР (1963) и Татарской АССР (1953). В 1915 г. окончил Киевский политехнический институт. Преподавал в Киевском политехническом институте (до 1929), МВТУ (1920–30). В период Великой Отечественной войны работал заместителем главного конструктора КБ по новой технике. В 1946–66 гг. – заведующий кафедрой в Казанском авиационном институте. Основные его работы – по паровым машинам, паровым и газовым турбинам, реактивным двигателям и теплотехнике. Награжден орденом Ленина и орденом «Знак Почета». В 1966 г. имя Г. С. Жирицкого присвоено одному из кратеров на Луне.

Дейч Михаил Ефимович (1916–1994) – профессор, крупнейший специалист в области механики жидкости и газа, газодинамики турбомашин, газодинамики двухфазных сред, стационарного и транспортного машиностроения. В 1944 году М. Е. Дейч начал педагогическую работу на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института. В 1956 г. он защитил докторскую диссертацию, в 1958 г. получил звание профессора. М. Е. Дейч являлся руководителем аэродинамических исследований проточной части турбин и создания новых моделей, которые легли в основу производства турбинных ступеней. Он внес существенный вклад в развитие газодинамики двухфазных сред (влажного пара) и в совершенствование профилей турбинных решеток для влажного пара. М. Е. Дейч был членом комиссии АН СССР по газовым турбинам, членом Научно-технического совета Министерства энергетического машиностроения СССР, членом редколлегии журнала «Известия АН СССР. Энергетика и транспорт». В 1967 году под руководством М. Е. Дейча был выполнен комплекс работ по созданию атласа профилей лопаток турбин, за что решением Президиума АН СССР он был награжден премией им. И. И. Ползунова.

Щегляев Андрей Владимирович (1902–1970) – советский теплотехник, член-корреспондент АН СССР (1953). Окончил Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана в 1926, до 1930 работал там же. В 1930–70 гг. – доцент, профессор, заведующий кафедрой Московского энергетического института. С 1924 одновременно работал во Всесоюзном научно-исследовательском теплотехническом институте. Основные труды посвящены исследованию тепловых процессов паровых турбин и созданию систем их регулирования и автоматизации. А. В. Щегляевым разработана теория и предложены оригинальные методы исследования быстропротекающих процессов регулирования. Лауреат Государственной премии СССР (1948, 1952). Награжден орденом Ленина, тремя орденами Трудового Красного Знамени, орденом «Знак Почета» и медалями.

Шубенко-Шубин Леонид Александрович (1907– 1994) – известный инженер, педагог, ученый в области энергетики и энергетического парогазотурбостроения. Академик АН Украины, Герой Социалистического Труда, лауреат Государственной премии СССР. Создал научную школу по разрешению вопросов оптимизации процессов и конструкций турбомашин. Автор более чем 200 печатных научных трудов, в которых обобщен опыт проектирования турбоагрегатов, выполнил глубокую теоретическую проработку вопросов создания мощных паровых, газовых и специальных турбин.

Шнеэ Яков Исидорович (1902–1977) – доктор технических наук, профессор. Окончил Днепропетровский металлургический институт (1925 г.). С 1941 по 1976 г. заведовал кафедрой турбиностроения Харьковского политехнического института. До начала своей деятельности в ХПИ он в течение ряда лет работал главным конструктором в отделе паровых турбин Харьковского турбинного завода. Я. И. Шнеэ был членом Научно-технического совета Министерства тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения СССР, заместителем председателя комиссии по газовым турбинам Академии наук СССР. Автор свыше 100 научных статей и 7 монографий. Труд профессора Я. И. Шнеэ отмечен медалями и орденами Ленина и Трудового Красного Знамени.