蒸気タービン。発明と生産の歴史

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蒸気タービン。発明と生産の歴史

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蒸気タービンは、蒸気エネルギーを機械的仕事に変換する熱機関です。

蒸気タービンのブレード装置では、圧縮され加熱された水蒸気の位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、さらにそのエネルギーが機械仕事、つまりタービンシャフトの回転に変換されます。蒸気ボイラーユニットからの蒸気は、ロータの周囲に固定された湾曲ブレードのガイドベーンを通って入り、ガイドベーンに作用してロータを回転させます。

蒸気タービンCHP

と一緒に油圧タービン、蒸気タービンの発明と配布は、エネルギーと電化にとって非常に重要でした。それらの動作原理は水圧のものと似ていましたが、違いは、水力タービンが水のジェットによって駆動され、蒸気タービンが加熱された蒸気のジェットによって駆動されたことです。水力タービンが水力エンジンの歴史に新しい言葉をもたらしたように、蒸気エンジンは蒸気エンジンの新しい可能性を示しました。

XNUMX 世紀の第 XNUMX 四半期に XNUMX 周年を迎えた古いワットマシンは、回転運動が複雑で不合理な方法で得られたため、効率が低かった。実際、私たちが覚えているように、蒸気はここで回転するホイール自体を動かしませんでしたが、ピストンからロッド、コネクティングロッド、クランクを介してピストンに圧力をかけ、動きがメインシャフトに伝達されました。多数の移動と変換の結果として、燃料の燃焼から受け取ったエネルギーの大部分は、言葉の完全な意味で、何の利益もなくパイプに飛び出しました。

発明者は、蒸気ジェットがインペラーを直接回転させる、より単純で経済的な機械、つまり蒸気タービンを設計しようと何度も試みました。単純な計算では、ワットのマシンよりも数桁高い効率を持つ必要があることが示されました。しかし、工学的な考え方には多くの障害がありました。タービンが真に高効率のエンジンになるためには、インペラーが毎分数百回転という非常に高速で回転する必要がありました。彼らは蒸気ジェットに適切な速度を与える方法を知らなかったので、長い間これを達成することができませんでした.

スウェーデンのグスタフ・ラヴァルが多くの困難を克服し、最初の実用的な蒸気タービンを作成することができたのは、1883年になってからでした。数年前、Lavalはミルクセパレーターの特許を取得していました。それを実行するためには、非常に高速なドライブが必要でした。当時の既存のエンジンはどれもタスクを満たしていませんでした。ラヴァルは、蒸気タービンだけが彼に必要な回転速度を与えることができると確信していました。彼はその設計に取り組み始め、最終的に彼が望むものを達成しました。 Lavalタービンは軽いホイールであり、そのブレードには鋭角に設定されたいくつかのノズルから蒸気が誘導されていました。

ラヴァル蒸気タービン

1889年、ラヴァルはノズルに円錐形のエキスパンダーを追加することで発明を大幅に改善しました。これにより、タービンの効率が大幅に向上し、ユニバーサルエンジンになりました。タービンの動作原理は非常に単純でした。高温に加熱された蒸気は、ボイラーから蒸気管を通ってノズルに到達し、爆発しました。ノズルでは、蒸気が大気圧まで膨張しました。この膨張に伴う体積の増加により、流出速度の大幅な増加が得られました（5気圧から1気圧に膨張すると、蒸気ジェットの速度は770 m / sに達しました）。したがって、蒸気に含まれるエネルギーはタービンブレードに伝達されました。

タービンの出力は、ノズルの数と蒸気圧によって決まります。排気蒸気が直接大気中に放出されるのではなく、蒸気エンジンのように凝縮器に送られ、減圧で液化されるとき、タービンの出力は最高でした。したがって、蒸気が 5 気圧から 1/10 気圧に膨張すると、ジェットの速度は超音速に達します。

その見かけのシンプルさにもかかわらず、ラバルタービンはエンジニアリングの真の驚異でした。インペラーがその中で経験した負荷を想像するだけで、発明者が子孫から中断のない操作を達成することがどれほど困難であったかを理解するのに十分です。タービンホイールの速度が非常に速い場合、重心がわずかにずれただけでも、車軸に大きな負荷がかかり、ベアリングに過負荷がかかりました。これを避けるために、ラバルはホイールを非常に細い車軸に取り付けるというアイデアを思いつきました。これは、回転するとわずかに曲がる可能性があります。ねじれを解くと、それ自体が厳密に中央の位置になり、回転速度に関係なく保持されます。この独創的なソリューションのおかげで、ベアリングへの破壊的な影響は最小限に抑えられました。

登場するやいなや、ラバールタービンは世界的に認知されました。古い蒸気エンジンよりもはるかに経済的で、取り扱いが非常に簡単で、場所をとらず、設置と接続が簡単でした。ラバルタービンは、のこぎり、分離機、遠心ポンプを備えた高速機械に接続されたときに、特に大きなメリットをもたらしました。発電機の駆動装置としても成功裏に使用されましたが、速度が速すぎたため、ギアボックス (タービンシャフトからモーターに運動を伝達する際に回転速度を下げるギアのシステム) を介してしか動作できませんでした。ジェネレーターシャフト)。

1884 年、英国のエンジニアであるパーソンズは、発電機を駆動するために特別に発明した多段ジェットタービンの特許を取得しました。 1885 年、彼は多段ジェットタービンを設計し、後に火力発電所で広く使用されるようになりました。彼女は、ジェットタービン装置を連想させる次の装置を持っていました。中央のシャフトには、ブレードを備えた回転ホイールの列が取り付けられていました。これらのホイールの間には、反対方向のブレードを備えた固定リム (ディスク) がありました。

蒸気タービン
パーソンズタービン

高圧の蒸気がタービンの一方の端に供給されました。もう一方の端の圧力は小さかった (大気圧未満)。したがって、蒸気はタービンを通過しようとしました。まず、彼は最初のクラウンの肩甲骨の間の隙間で行動しました。これらのブレードは、それを最初の可動ホイールのブレードに向けました。それらの間を蒸気が通過し、車輪が回転しました。それから彼はXNUMX番目の王冠に入りました。 XNUMX 番目のクラウンのブレードは、同じく回転する XNUMX 番目の可動ホイールのブレード間に蒸気を向けました。 XNUMX 番目の可動ホイールから、蒸気が XNUMX 番目のクラウンのブレードの間を流れました。すべてのブレードは、ブレード間チャネルの断面が蒸気の流れの方向に減少するような形状を与えられました。ブレードは、いわばシャフトに取り付けられたノズルを形成し、そこから膨張して蒸気が流出しました。ここでは、有効電力と無効電力の両方が使用されました。回転すると、すべての車輪がタービンシャフトを回転させました。外では、デバイスは頑丈なケーシングに囲まれていました。

1889 年には、これらのタービンのうち約 1899 基がすでに発電に使用されており、1894 年には、パーソンズ蒸気タービンを備えた最初の発電所がエルバーフェルドに建設されました。一方、パーソンズは発明の範囲を広げようとしました。 60年には蒸気タービン駆動の実験船「タービン」を建造。テストでは、XNUMX km / hの記録的な速度を示しました。その後、多くの高速船に蒸気タービンが搭載されるようになりました。

著者：Ryzhov K.V.

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