Первые опыты по созданию паровых турбин. Газовая турбина
Создание паровой турбины стимулировалось начавшимся применением в промышленности рабочих машин, обладающих высокой скоростью вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, наконец, электрических генераторов.
Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до нашей эры древнегреческий ученый Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им «эолипилом» (рис. 1.20). Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг горизонтальной оси.
Уже в этой модели можно увидеть идею реактивной турбины. В XVII в. итальянец Дж. Бранка предлагал активную паровую турбину для привода медленно действующих пестов. Опыты А. Ж. К. Сен-Венана и П. Вантцеля над истечением пара указали на большие трудности при разработке паровой турбины, вызванные высокой скоростью пара.
Известное из практики эксплуатации гидравлических турбин рациональное отношение между скоростями движущей среды и воспринимающей работу лопатки показывало, что паровая турбина будет эффективно работать лишь при очень больших числах оборотов.
Таким образом, наметились два направления разработок: изыскание способов снижения скорости паровых турбин без потери КПД и разработка конструкций, способных работать с большим числом оборотов (несколько тысяч оборотов в минуту).
Первое направление (Леруа, 1840) развивалось по пути применения многоступенчатой турбины.
Более четко принцип многоступенчатых турбин в качестве метода снижения скорости был сформулирован в записке М. Турнера, рассмотренной в 1853 г. на заседании Парижской академии наук. Позднее этот же принцип предлагался другими изобретателями.
Все увеличивавшееся количество различных конструкций паровых турбин, разработанных во второй половине XIX в., свидетельствовало о противоречиях между тихоходной паровой машиной и растущим парком быстроходных рабочих машин. Промышленности был необходим новый двигатель. Однако до 80-90-х гг. XIX в. применение паровых турбин носило единичный характер. В 30-х гг. в г. Сиракьюс (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию эолипила Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства.
Помимо дороговизны и сложности в эксплуатации, котлы первой половины XIX в. имели еще один существенный недостаток: они были взрывоопасны. Частые взрывы нередко сопровождались человеческими жертвами.
Стремление избавиться от котла направило поиски изобретателей на использование воздуха в качестве рабочего тела теплосиловых установок, названных «калорическими». Примером калорической установки может служить теплосиловая установка шведского инженера Д. Эриксона (середина XIX в.), состоявшая из двух калорических двигателей (работала на одном из заводов в Нью-Йорке). Калорическими двигателями было оборудовано морское судно «Эриксон», а в несколько упрощенной конструкции подобный двигатель использовался на заводе Нобеля в Санкт-Петербурге.
Рабочим телом в калорическом двигателе (рис. 1.21) служил воздух, нагреваемый в цилиндре двигателя 1 от расположенной под цилиндром топки 10. Сжатый воздух через нагнетательный клапан 5 подавался в промежуточный резервуар 6 и далее при открытом перепускным золотником 8 отверстии поступал в рабочий цилиндр 1, предварительно пройдя теплообменник 7, называвшийся тогда «реженератором» (сейчас - регенератор). Регенератор заполнялся мелкой медной сеткой. Воздух, проходя через ячейки сетки, нагретые в течение предыдущего хода двигателя, нагревался перед поступлением в цилиндр. Обратный ход осуществлялся за счет энергии, аккумулированной в поднятом тяжелом поршне 2, который, опускаясь, отдавал работу движителю судна и выталкивал горячий воздух из цилиндра. Отработавший воздух сначала нагревал насадку регенератора, а затем выходил в выхлопную трубу 9 под золотником, находящимся уже в другом положении. Одновременно опускающийся поршень всасывал воздух в полость компрессора 3 через приемную трубу и всасывающий клапан 4. Схемой предусматривалась возможность замкнутого цикла при соединении выхлопной трубы с приемной трубой, как показано пунктиром на рис. 1.21.
Воздушный котел и газовая турбина современного двигателя соответствуют по выполняемым ими функциям цилиндру калорического двигателя с расположенной под ним топкой. В современной газовой турбине используются и теплообменник, и компрессор. Схема газотурбинной установки может быть замкнутой (рис. 1.22).
Несмотря на тождество принципиальных схем, вытекающее из тождества принятых циклов, между калорическими двигателями и современными газовыми турбинами лежит длительный путь развития науки и техники: разработка эффективных циклов газового двигателя, исследования и обобщение условий теплообмена, переход от поршневых конструкций к роторным (т. е. от десятков к тысячам оборотов в минуту); освоение технологии получения жаростойких сталей, достижение высокого КПД турбокомпрессоров. Исследования установки судна «Эриксон», опубликованные в 1852 г., показали, что КПД двигателей не превосходил КПД средних паровых машин, а сам двигатель был крайне громоздким (при мощности 170 л. с. диаметр цилиндров достигал 4,2 м). КПД современных газовых турбин приближается к 50 %.
Таким образом, в круг важнейших задач данного этапа развития теплоэнергетики входили: разработка и анализ оптимальных циклов газовых турбин.
Первая попытка создания газовой турбины была предпринята инженером- механиком русского флота П. Д. Кузьминским, спроектировавшим и построившим в 1897 г. небольшую радиальную газопаровую турбину с постоянным давлением сгорания. Камера сгорания турбины Кузьминского (рис. 1.23), которую он назвал «газопарородом», охлаждалась спиральными змеевиками, по которым проводилась вода, нагревавшаяся к моменту поступления в камеру до состояния, близкого к испарению. В конической полости камеры сгорания горящая нефть, подаваемая нефтяной форсункой, создавала факел. Смесь из продуктов сгорания нефти и водяного пара по цилиндрическим каналам поступала в верхнюю часть газопаророда, откуда она при давлении 10 атм., поддерживаемом работой компрессора, поступала на лопатки газовой турбины. Смерть изобретателя в 1900 г. не позволила ему привести свое изобретение к законченному виду и преодолеть трудности, среди которых основной было отсутствие жароупорных сплавов.
Что касается теоретических проблем, то до конца XIX в. развитие теплоэнергетики характеризуется значительными успехами в разработке теоретических основ и в исследовании свойств водяного пара и газов. Среди обобщающих теоретических работ следует отметить труды французских ученых Ж. Б. Фурье («Аналитическая теория тепла», 1822) и С. Карно («Размышление о движущей силе огня», 1824).
