Машина-двигательОт водяного колеса до атомного двигателя

В двухступенчатой турбине Кэртиса пар поступает из парового котла в сопловой аппарат. Здесь он сразу, как и в турбине Лаваля, расширяется полностью, то есть до того давления, с которым он покидает турбину. Это означает, что, как и в турбине Лаваля, пар выходит из первого ряда сопел с наибольшей скоростью. Однако здесь вся кинетическая энергия пара, соответствующая этой скорости, не передается только одному ряду лопаток. Кэртис предложил на рабочем колесе турбины располагать два, три или больше рядов лопаток. А между рядами лопаток Кэртис предложил поставить неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара, выходящая с большой скоростью из сопел, встречается сначала с первым рядом лопаток. Затем, не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые ее направляют на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдает второму, и так далее.

В результате оказывается, что пар может передать колесу со многими рядами лопаток ту же энергию, что и колесу с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения колеса, — ведь пар как бы распределил свою энергию одновременно на несколько колес, сидящих на одной оси.

Если вы вспомните, как распределение энергии пара по ступеням происходило в турбине Рато, то вам сразу станет ясно, в чем разница между той турбиной и этой.

Турбина Кэртиса с двумя ступенями скорости.

Рато не давал полностью расшириться пару в первом ряде сопел, — он использовал ступенчатое расширение. Кэртис, наоборот, расширяет пар сразу до нижнего предела давлений и сразу получает наибольшую скорость. Но эту наибольшую скорость он не сразу использует на первом же венце лопаток, — он заставляет скорость снижаться постепенно, ступенями.

Турбины со ступенями скорости начали строиться в Америке. Но вскоре обнаружился их недостаток: они обладали малым коэффициентом полезного действия.

Вскоре инженеры нашли, что одновременное применение и ступеней скорости и ступеней давления имеет особые преимущества. Можно уменьшить общее количество ступеней, если первыми ступенями сделать ступени скорости и на них использовать значительную часть давления. А дальше ступенями давления уже доводить пар до полного расширения.

Этот комбинированный принцип и лег в основу дальнейшего развития паровых турбин.

Однако наряду с активными турбинами получили свое развитие и турбины реактивные.

Реактивная турбина Парсонса

Англичанин Чарльз Парсонс вошел в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа.

Парсонс родился в 1854 году и так же, как Лаваль и Рато, был широко образованным инженером, окончившим один из старейших английских университетов в Кембридже. Не случайно, что новый паровой двигатель создавался не мастерами-самоучками, как паровая машина, а инженерами, обладающими большими теоретическими знаниями.

Это был двигатель более высокого класса. Его создание требовало сложных математических расчетов, требовало применения специальных материалов, требовало точной механической обработки деталей. Новый двигатель можно было создать не случайными техническими находками, а научными изысканиями, последовательно ведущими инженера от одного технического решения к другому.

Новый двигатель создавался на пороге XX века, века быстро развивающейся науки и совершенствующейся техники.

Свою первую небольшую турбину в 6 лошадиных сил Парсонс построил в 1884–1885 годах, несколько раньше Рато. Это была тоже многоступенчатая турбина, но ее принцип действия отличался от принципа Лаваля или Рато, — ее нельзя было считать чисто активной турбиной. Вот посмотрите на рисунок, на котором схематично показаны три ряда лопаток. Пар из котла подводится к первому ряду. Здесь пар, проходя между двумя неподвижными лопатками, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость течения.

Схема реактивной турбины Парсонса.

Однако Парсонс не дает пару в первом же ряде сопел расшириться полностью. Он так же, как и впоследствии Рато, вначале использует только часть давления пара, не доводя скорость истечения из сопла до наибольшей.

«Значит, и у Парсонса были ступени давления?» — спросите вы. Да, были. Но, кроме расширения в неподвижных соплах, Парсонс ввел расширение и в каналах рабочих лопаток.

Если вы внимательно посмотрите на второй ряд лопаток — а это как раз лопатки, сидящие на рабочем колесе, — то вы заметите, что и между ними, так же как и между направляющими лопатками, образуется конический канал-сопло. Значит, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает увеличивать свою скорость и расширяться.

Как же в этом случае пар воздействует на рабочее колесо? Прежде всего, как и в активных турбинах, пар, входя на рабочие лопатки, передает им часть своей кинетической энергии. Но затем, проходя по суживающимся каналам между рабочими лопатками, он, как уже сказано, увеличивает скорость.