100 знаменитых изобретений

К началу XX в. в основном применялись два типа турбин: радиально-осевая реактивная турбина и колесо Пельтона. После опытов, поставленных во время Лауффен-Франкфуртской выставки 1891 г. началась новая эра в производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях. Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, равный числу оборотов данной турбины при напоре 1 м и мощности 1 л. с. В первых радиально-осевых турбинах он равнялся 60–70, а к концу XIX в. возрос до 320. Для повышения коэффициента быстроходности стремились распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и вертикальные турбины сдвоенного типа. В 1914 г. Дубе доказал, что при значительном увеличении зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом и одновременном уменьшении длины лопаток рабочего колеса можно довести этот коэффициент до 500 в несдвоенной турбине. Но при рабочем колесе с неподвижными лопатками при этом снижался КПД.

Решительный прогресс в отношении коэффициента быстроходности был достигнут в 1914–1916 гг., когда В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.

Гидравлические турбины, предложенные Капланом для низконапорных установок, в процессе своего развития прошли две формы. Вначале в этой турбине между выходными ребрами направляющего аппарата и входными ребрами рабочего колеса имелось большое незанятое пространство, лопатки были очень короткими в направлении движения воды, водный поток в турбине имел большую свободу, чем в других турбинах, и уменьшались гидравлические потери, что приводило к повышению коэффициента быстроходности. Стремясь устранить детали, усложняющие прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1000, КПД при полном подводе воды к турбине равнялся 0,8–0,82. Но испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу КПД резко падает. После этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. Поворот лопаток вначале регулировался вручную, а затем был автоматизирован. Турбины этого типа называются поворотнолопастными. Поворотнолопастные турбины, применяемые на напоры до 150 м, могут быть осевыми и диагональными.

Радиально-осевые гидротурбины применяют на напоры до 500–600 м. Из активных гидротурбин чаще всего используют ковшовые и применяют на напоры выше 500–600 м.

Паровую турбину впервые создал Герон Александрийский. Устройство, названное им «эолипил», действовало на реактивном принципе. Реактивная сила пара, вытекавшего из согнутых трубок (сопел), приводила во вращение шар, закрепленный на оси.

Прообразом современных паровых турбин стала модель паровой турбины, построенная в XVI в. итальянцем Бранка. Она состояла из бачка с водой, под которым находилась горелка. При нагревании струя пара, поднимаясь по специальной трубке-соплу, попадала на лопатки, укрепленные на диске, и вращала диск.

Попытки построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, осуществил в 1791 г. Садлер. Опыты Сен-Венана и Вантцеля над истечением пара показали наличие больших трудностей в постройке паровой турбины, связанных с высокими скоростями пара. Открытое при эксплуатации гидравлических турбин рациональное отношение между скоростями движущей среды и лопатками турбины показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень высоких оборотах.

Таким образом, при разработке паровых турбин были два возможных пути: снижение числа оборотов паровых турбин без потери КПД и разработка конструкций, способных работать при большом числе оборотов.

Первое направление заключалось в применении многоступенчатой турбины. Этот принцип описал в 1853 г. Турнер.

Кроме него многоступенчатый принцип предложили Жирар в 1855 г., Перриго и Фарко в 1864 г., Эдвардс в1871 году.

Развитие паровых турбин началось с появлением электроэнергетики. Ряд принципиальных вопросов в их конструировании разрешил в своих трудах шведский инженер Г. П. Лаваль. Он был сторонником увеличения числа оборотов технических агрегатов. В конструкции первого сепаратора непрерывного действия в 1878 г. он применил большое число оборотов (6000–7000 в минуту). Для непосредственного привода своего сепаратора Лаваль в 1883 г. предложил сначала простейшую турбину в виде героновского эолипила. Стремясь повысить КПД турбины, Лаваль в 1889 г. изобрел расширяющееся сопло, носящее сейчас его имя. Оно позволяет понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость. Сопло Лаваля позволило повысить начальное давление пара и увеличить экономичность парового двигателя.