Джованни бранка паровая турбина: История техники — Вспомнить, подумать… — LiveJournal

Содержание

Паровая турбина. Паровые двигатели :: Класс!ная физика

Одним из видов тепловых двигателей, использующих энергию водяного пара, является паровая турбина, в которой происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую работу. Паровая турбина оказалась более удобной в применении, компактной и экономичной, чем поршневая паровая машина.

В 130 г. до н.э. Герон Александрийский изобрел устройство под названием «эолипил». Это была примитивная паровая турбина. Оно представляло собой полую сферу, заполнявшуюся паром. Сфера имела два Г-образными сопла. Пар вытекал из сопел, расположенных с противоположных сторон сферы, с большой скоростью, и сфера начинала вращаться. В основе действия такой паровой турбины лежал реактивный принцип.

В 1629 году Джованни Бранки была создана паровая турбина, использующая активный принцип. Потенциальная энергия пара преобразовывалась в кинетическую и совершала работу.

В этой машине струя пара приводила в движение колесо с лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы. Но первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление.

В 1815 г. инженер Ричард Трейвисик установил два сопла на ободе колеса паровоза и пропустил через них пар. На сходном принципе было основано устройство лесопильной машины, построенной в 1837 г. американцем Уильямом Эйвери. В одной лишь Англии за 20 лет, с 1864 по 1884 г., было запатентовано более сотни изобретений, так или иначе относящихся к турбинам. Но ни одна из этих попыток не завершилась созданием пригодной для промышленности машин.

Независимо друг от друга в 1884 — 1889 гг. шведский инженер Карл Густав де Лаваль и Чарлз Парсонс из Ирландии создали промышленно пригодные паровые турбины.

Лаваль применил сопло, расширяющееся на выходе. Такое сопло позволило получить гораздо большую скорость пара, и вследствие этого скорость вращения ротора турбины также существенно увеличилась. Полученную струю Лаваль направил на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск.Это была паровая турбина, работающая по активному принципу. Невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что турбины Лаваля, на раннем этапе турбостроения широко применявшиеся в качестве агрегатов небольшой мощности (до 500 кВт), в дальнейшем уступили место турбинам других типов.

Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину. Она отличалась меньшей скоростью вращения, и в то же время в ней максимально использовалась энергия пара. Это достигалось за счет того, что в турбине Парсонса пар расширялся постепенно по мере прохождения через 15 ступеней, каждая из которых представляла собой пару венцов лопаток: один — неподвижный (с направляющими лопатками, закрепленными на корпусе турбины), другой — подвижный (с рабочими лопатками на диске, насаженном на вращающийся вал).

Лопатки неподвижных и подвижных венцов были ориентированы в противоположных направлениях, т.е. так, что если бы оба венца были подвижными, то пар заставлял бы их вращаться в разные стороны. Так турбогенератор Парсонса стал первой паровой турбиной, нашедшей применение в промышленности.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным турбинам. Хотя и в настоящее время паровые турбины сохранили основные черты турбины Парсонса.

Первый пароход «Turbinia» с турбинным двигателем был спущен на воду в 1894 году.

Русские изобретатели турбин

На Алтае, явившемся колыбелью ползуновского парового двигателя, на Сузунском заводе в начале прошлого века работал замечательный «огневых дел» мастер П. М. Залесов. С 1806 по 1813 год на заводе, где он работал, Залесов создал не одну модель паровой турбины.

Строителем турбин был и другой изобретатель, П. Д. Кузьминский (1849 — 1900). Работая в области судостроения и воздухоплавания, П. Д. Кузьминский пришел к выводу о нецелесообразности использования паровой машины поршневого типа в качестве судового двигателя. В начале девяностых годов Кузьминский построил и опробовал судовую паровую турбину своей конструкции. Она имела очень малый удельный вес — всего лишь 15 килограммов на лошадиную силу мощности. Кузьминский прекрасно понимал всю трудность технического творчества в условиях, когда отечественные открытия предавались забвению. и писал о новых временах, «…когда открытия и изобретения русского творческого ума и настойчивого труда» будут находить достойное применение.


Другие страницы по теме « Паровые двигатели »


Паровые двигатели
Паровой двигатель И. Ползунова
Паровые автомобили
Паровые самолеты
Пароходы
Паровозы
Боевая паровая техника
Паровая турбина
Паровые велосипеды
Паровые роботы
Мастер паропанка
Паровые игрушки
Паровоз Черепановых

САМОДЕЛЬНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА | Самые выгодные парогенераторы

ДЛЯ СРЕДНЕГО ВОЗРАСТА

Научный ред.

проф. А. Зонненштроль. Ответств. редактор И. Нюренберг. Техредактор И. Семеновская. Корректор С. Локшина. Сдано в производство 22 V 1936 г. Подписано к печати 14/1Х 1936 г. Детиздат № 741. Индекс Д-7. Формат 62 х 917*6. 2 п. л. (1,45 авт. л.). Уполномоченный Главлита Б-26203. Тираж 50 ООО. Заказ 1991.

Фабрика детской книги изд-ва дет­ской литературы ЦК ВЛКСМ. Москва, Сущевский вал, д. 49.

При постройке всякой действующей модели очень серьезный вопрос — выбор двигателя. Двигатель дол­жен быть легким, мощным и действовать продолжи­тельное время.

Есть легкие двигатели, работающие сжатым возду­хом. Но их трудно изготовить, и неудобно иметь на модели большие баллоны. С маленькими баллонами двигатель работает недолго.

Резиномотор, который чаще всего ставится на раз­личные модели, тоже работает очень недолго, и от не­го можно добиться работы модели только в течение— самое большее — одной минуты. Если устроить ше­стереночную передачу, можно увеличить время дей­ствия резиномотора, но при этом сильно уменьшает­ся мощность.

Очень хороши для установки на модели электромо­торы, но не всегда удается решить вопрос с источни­ком тока. Гальванические элементы громоздки и не дают большой силы тока; аккумуляторы достать труд­но, и они так тяжелы, что, установив их, трудно добиться от модели хороших результатов. Можно пользоваться городским током, но при этом модель «связывается» проводами.

Конечно, при постройке моделей, идущих по рель­сам, например модели трамвая, аэропоезда или шаро — поезда, самый лучший двигатель для них — электро­мотор.

З

Для приведения в движение таких моделей можно пользоваться городским током, можно подвести к электромотору ток большой мощности, и модель бу­дет работать прекрасно.

Но, пользуясь городским током, нельзя осуществить постройку модели автомобиля или какого-нибудь суд­на. Тут уж поневоле приходится ставить двигатель с независимым питанием. Можно построить, напри­мер, поршневую паровую машину. Но по сравнению с электромотором поршневые паровые машины доволь­но трудно изготовить точно, не пользуясь токарным станком.

Из-за неточного изготовления они расхо­дуют так много пара, что приходится ставить боль­шие котлы. Большой котел заставляет сильно увели­чивать размеры модели, утяжеляет ее, и при этом вы­ясняется, что мощность машины недостаточна.

Правда, для большой модели парохода вес котла не имеет особенного значения, но сухопутную модель с паровой машиной осуществить значительно труд­нее. А построить модель глиссера с поршневой паро­вой машиной невозможно: глиссер должен быть лег­ким, а машина его — мощной; тут большой котел ис­портит все дело.

За последние пятьдесят лет в «настоящей» технике поршневые паровые машины все быстрее вытесняют­ся. Другой паровой двигатель — турбина — прошел победный путь. Настоящие паровые турбины создали Карл-Густав-Патрик де-Лаваль в Швеции и Чарльз — Альджерно Парсонс в Англии. Турбины оказались мно­го выгоднее поршневых машин. Сейчас во всем мире нет ни одной мощной электростанции, на которой ге­нераторы электрического тока вращались бы поршне­выми паровыми машинами.

Основная разница между турбиной и поршневой машиной в том, что поршневая дает, как говорят инженеры, прямолинейно-возвратное движение, ко­торое нужно преобразовать в непрерывное враща­тельное, а турбина сразу обращает энергию пара

Рис. 1.

Во вращательное движение без дополнительных пе­редач.

Интересно, что первый двигатель, придуманный и осуществленный человеком, был ближе всего по кон­струкции именно к турбине. В самом деле, простей­шая турбина — это колесо с лопатками, на которые «дует» пар, а самый старый двигатель — водяное ко­лесо— тоже колесо с лопатками, приводимое в дви­жение струей воды.

И паровая турбина была придумана раньше порш­невой машины. Итальянский инженер Джованни Бранка в своей книге о машинах, вышедшей больше трехсот лет тому назад, в 1629 году, описывает ори-

5

Гинальную толчею. Она должна приводиться в движе­ние струей пара, ударяющей на лопатки колеса (рис. 1). Конечно, турбину Бранка осуществить не­льзя было потому, что она расходовала бы слишком много пара, но идея Бранка оказалась воплощенной в современных паровых турбинах.

Современные паровые турбины строятся огром­ных мощностей. Ленинградский механический завод им. Сталина построил уже турбины мощностью свыше 65 ООО лошадиных сил, а скоро специальный Харьков­ский турбогенераторный завод будет выпускать тур­бины мощностью почти в 300 ООО лошадиных сил. Ни­какой другой двигатель не в состоянии развить та­кую огромную мощность в одной машине.

И для многих моделей луч­ше всего делать именно па­ровые турбины. Если посмо­треть на чертежи простой од­ноколесной турбины, порш­невой машины и электромо­тора, сразу видно, что турби­на проще всех. Но не только у нас в Союзе, а и за грани­цей модели с паровыми тур­бинами почти не строились. Почему? Потому что при кажущейся простоте, оказы­вается, очень трудно изгото­вить хорошее колесо турби­ны. Нельзя же считать турби­ной детскую игрушку, пока­занную на рис. 2. Эта «турбина» только сама себя вертит, а привести в движе­ние какую-нибудь модель ей не под силу. Значит, трудность задачи Рис. 2. в том, чтобы разработать
такую конструкцию колеса турбины, которую легко было бы изготовить в мастерской юного техника.

Нам удалось разрешить эту задачу. Двадцативось — милопастное колесо нашей турбины можно сделать меньше чем за два часа.

Особенно удобно ставить турбину на модели судов: на вал ее можно без всяких передач насадить гребной винт. Ее можно ставить и на всякие другие модели. Она занимает очень немного места и расходует го­раздо меньше пара, чем поршневая машина такой же мощности.

Читать «Самодельные электрические и паровые двигатели» — Коллектив авторов — Страница 19

Рис. 109. Схема соединения золотника с эксцентриком.

Рис. 110. Маховое колеса

Чтобы уменьшить трение между вилками шатунов и шейками вала, оберните шейки 5—б витками медной проволоки и уже на эти подшипники наденьте вилки шатунов С наружных сторон обоих подшипников припаяйте на вал проволочные кольца. Проверьте, хорошо ли идут поршни при вращении вала, и можете наконец установить эксцентрик. Поверните вал так, чтобы колена его были расположены горизонтально. Пусть поршеньки золотника в это время плотно закрывают отверстия впуска пара в цилиндры. Привинтите эксцентрик точно против середины трубки золотника в таком положении, когда линия, идущая через два центра эксцентрика (настоящий центр кружка и экс- центр) , получается вертикальной. Откусите кусачками лишнюю часть тяги золотника. Ее конец должен быть на расстоянии 1,5—2 мм от концов хомута. Наденьте на тягу заготовленный контакт от выключателя (без гайки) нарезанной стороной, а ту сторону, где сбоку ввернут винт, наденьте на концы хомута (рис. 109).

Остается только отлить свинцовое маховое колесо (рис. ПО), припаять его к валу — и можете пробовать работу машины. Если отпустите винт, удерживающий эксцентрик на валу, и повернете эксцентрик на полоборота (на 180°), изменится направление вращения вала — он станет вращаться в обратную сторону.

Когда эту машину питает паром двухлитровый котел (рис. 111), вал ее невозможно остановить пальцами: очень уж сильной она получается.

Рис. 111. Фото. Двухцилиндровая паровая машина, работающая от котла из кастрюли.

Цилиндры этой машины можно установить вертикально, так же как и в одноцилиндровой. На рисунках 112 и 113 показаны две конструкции вертикальных двухцилиндровых машин. В одной расположение частей по сравнению с горизонтальной машиной не изменено, а в другой золотник помещен сбоку цилиндров. Такая машина красивее, чем вертикальная с золотником посредине, но сделать ее труднее.

Рис. 112. Вертикальная двухцилиндровая машина.

Рис. 113. Другая конструкция вертикальной машины.

Двухцилиндровую машину можете установить на большую модель колесного или винтового парохода. сЭта машина может вращать маленькую динамомашину — получится электростанция. Можете придумать конструкцию установки ее на модель паровоза.

Только помните, что котел должен давать много пара, иначе машина совсем плохо работает. При хорошем котле получите прекрасный двигатель, а где применить его, сами найдете.

Паровая турбина и котел к ней

Выбор двигателя

При постройке всякой действующей модели очень серьезный вопрос — выбор двигателя. Двигатель должен быть легким, мощным и действовать продолжительное время.

Есть легкие двигатели, работающие сжатым воздухом. Но их трудно изготовить и неудобно иметь на модели большие баллоны, а с маленькими баллонами двигатель работает недолго.

Резиномотор, который часто ставится на различные движущиеся модели, тоже работает очень недолго, и от него можно добиться работы модели только в течение одной минуты, самое большее. Если устроить шестереночную передачу, можно увеличить время действия резиномотора, но при этом сильно уменьшается мощность.

Очень хороши для установки на модели электромоторы, но не всегда удается решить вопрос об источнике тока. Гальванические элементы громоздки и не дают большой силы тока; аккумуляторы достать трудно, и они так тяжелы, что, установив их, трудно добиться от модели хороших результатов. Можно пользоваться городским током, но при этом модель «связывается» проводами.

Конечно, при постройке моделей, идущих по рельсам, например модели трамвая или аэропоезда, самый лучший двигатель для них — электромотор.

Для приведения в движение таких моделей можно пользоваться городским током; можно подвести к электромотору ток большой мощности, и модель будет работать прекрасно.

Но, пользуясь городским током, нельзя осуществить постройку модели автомобиля или какого-нибудь судна. Тут уж поневоле приходится ставить двигатель с независимым питанием. Можно построить, например, поршневую паровую машину. Но по сравнению с электромотором поршневые паровые машины довольно трудно изготовить точно, не пользуясь токарным станком. Из-за неточного изготовления они расходуют так много пара, что приходится ставить большие котлы. Большой котел заставляет сильно увеличивать размеры модели, утяжеляет ее, а мощность машины оказывается недостаточной.

Правда, для большой модели парохода вес котла не имеет особенного значения, но сухопутную модель с паровой машиной осуществить значительно труднее. А построить модель глиссера с поршневой паровой машиной особенно трудно: глиссер должен быть легким, а машина его — мощной; тут большой котел испортит все дело.

За последние пятьдесят лет в «настоящей» технике поршневые паровые машины все быстрее вытесняются. Другой паровой двигатель — турбина — прошел победный путь. Настоящие паровые турбины создали Лаваль в Швеции и Парсонс в Англии. Турбины оказались много выгоднее поршневых машин. Сейчас во всем мире не осталось ни одной мощной электростанции, на которой генераторы электрического тока вращались бы поршневыми паровыми машинами.

Основная разница между турбиной и поршневой машиной в том, что поршневая дает, как говорят инженеры, прямолинейно-возвратное движение, которое нужно затем преобразовать в непрерывно-вращательное, а турбина сразу обращает энергию пара во вращательное движение, без дополнительных передач.

Интересно, что первый двигатель, придуманный и осуществленный человеком, был ближе всего по конструкции именно к турбине. В самом, деле, простейшая турбина — это колесо с лопатками, на которые «дует» пар, а самый старый двигатель — водяное колесо — тоже колесо с лопатками, приводимое в движение струей воды.

И паровая турбина была придумана раньше поршневой машины. Итальянский инженер Джованни Бранка в своей книге о машинах, вышедшей больше трехсот лет назад, в 1629 году, описывает оригинальную «толчею». Она приводится в движение струей пара, ударяющей по лопаткам колеса (рис. 114). Конечно, турбину Бранка осуществить нельзя было потому, что она расходовала бы слишком много пара, но идея Бранка оказалась воплощенной в современных паровых турбинах.

Рис. 114. Рисунок из книги Бранка.

Рис. 115. Игрушечная паровая турбинка.

Современные паровые турбины строятся огромных мощностей. Ленинградский механический завод имени Сталина построил уже турбины мощностью свыше 65 000 л. с.; наши турбогенераторные заводы могут выпускать турбины мощностью в 300 000 л. с. Никакой другой двигатель не в состоянии развить такую огромную мощность в одной машине.

И для многих моделей лучше всего делать именно паровые турбины. Если посмотреть на чертежи простой одноколесной турбины, поршневой -машины и электромотора, сразу видно, что турбина проще всех. Однако и у нас и за границей модели с паровыми турбинами почти не строились. Почему? Потому что очень трудно изготовить хорошее колесо турбины. Нельзя же считать турбиной детскую игрушку, показанную на рисунке 115. Эта «турбина» только сама себя вертит, а привести в движение какую-нибудь модель ей не под силу.

Значит, трудность задачи в том, чтобы разработать такую конструкцию колеса’ турбины, которую легко было бы изготовить в, мастерской юного техника.

1. Появление первых паровых двигателей и их особенности. История развития паровых двигателей

Похожие главы из других работ:

Анализ деятельности Новомосковского авторемонтного завода

3.4 Сборка двигателей

ОАО «НАРЗ» в течении долгого времени собирает двигатели из новых запасных частей. Располагая высококвалифицированным рабочим персоналом и современным оборудованием…

История развития ВАЗ 2101

1. Появление «копейки»

2 апреля 1966 года в г. Турине (Италия) в общественном центре фирмы «ФИАТ» широкой публике был представлен новый автомобиль компании — ФИАТ-124…

История развития ВАЗ-2106

1. Появление «шестерки»

Не каждый автомобиль готов похвастаться своей тридцатилетней историей и миллионными тиражами, которые были у выпущенного в 1976 году Волжским автозаводом ВАЗ 2106. Эта легендарная модель…

История развития паровых двигателей

3. Создание паровых машин непрерывного действия Джеймсом Уаттом

Паровые машины конструкции Ньюкомена успешно использовалась для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях более 50 лет. В то же время эта конструкция имела внушительные размеры и требовала постоянного пополнения запасов угля…

История развития паровых двигателей

4. Особенности использования паровых двигателей на транспорте

Изобретение Джеймсом Уаттом нового парового двигателя не только ускорило развитие существующих отраслей промышленности (например, текстильной), но и вызвало появление принципиально новых. В частности…

История развития паровых двигателей

5. Современные тенденции развития научных исследований и технологий создания паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания…

Организация ремонта грузовых автомобилей марки КАМАЗ 5320

3.1 Обкатка двигателей

Автомобильный транспорт имеет широкий спектр применения в различных средах и различных климатических условиях и в связи с этим подвергаются нагрузкам. Поэтому техническое состояние автомобиля…

Особенности летно-технической эксплуатации экипажем противообледенительной системы ВС Ил-76ТД

1.4 ПОС воздухозаборников двигателей

Противообледенительная система воздухозаборников двигателей является составной частью ПОС силовой установки. Кроме воздухозаборника на двигателе от обледенения защищены кок и входной направляющий аппарат [3], [4]. ..

Проектирование пассажирского дальнемагистрального самолета на 300 пассажиров с дальностью полета 9000 км

2.7 Выбор двигателей

Для выбора двигателей самолета необходимо назначить тип двигателей, их количество, размещение и основные параметры двигателя. Тип двигателя: Турбореактивный двигатель двухконтурный (ТРДД) — воздушно-реактивный двигатель…

Развитие систем автономной навигации для беспилотных летательных аппаратов

3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ПЕРВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Для пояснения идеи инерциальной навигации рассмотрим задачу о движении материальной точки в неинерциальной системе координат…

Разработка программы мероприятий по безопасности движения на участках концентрации ДТП на дорогах общего пользования Архангельской области

1.1 Появление потребности в системе контроля дорожной безопасности

Вопросы обеспечения безопасности движения приобретают все большую актуальность для дорожных организаций по мере роста интенсивности движения на дорожной сети. Расширение сети дорог, рост темпов автомобилизации…

Разработка программы мероприятий по безопасности движения на участках концентрации ДТП на дорогах общего пользования Архангельской области

1.2 Появление и распространение систем контроля качества как условия выживания в конкурентной среде

Мир стал стремительно меняться во второй половине XX века, когда конкуренция на мировом рынке заставила мировых производителей искать пути для снижения производственных затрат при одновременном повышении качества своей продукции…

Разработка технического процесса ремонта двигателя ВАЗ-2114

2.3 Особенности обслуживания и профилактики двигателей

В процессе эксплуатации автомобиля происходит ухудшение его технического состояния вследствие изнашивания трущихся поверхностей деталей, нарушения регулировочных параметров, старения резинотехнических изделий и других явлений…

Судовой двигатель внутреннего сгорания L21/31

6.
4.4 Особенности конструкции форсунки двигателей MAN&BW L-MC

Конструкцию распылителя форсунки судовых дизелей Бурмейстер и Вайн (рис. 6.4.5., а) с незначительными изменениями применяли до тех пор, пока не была создана принципиально новая форсунка с другим распылителем (рис. 6.4.5., б). В конструкции…

Технология технического осмотра и ремонта автомобиля КамАЗ-5460 с восстановлением коленчатого вала

1.2 Конструктивные особенности и характеристика двигателей КамАЗ

Конструкция дизельного двигателя КамАЗ-740 по сравнению с существующими дизельными двигателями обладает рядом преимуществ. Он имеет малую массу, небольшие габаритные размеры (почти в два раза меньше, чем у двигателя ЯМЗ-238), большую мощность…

как горячий пар превращается в электричество / Хабр

Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.

Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.

Как устроена паровая турбина

Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.

Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.


Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго

Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).

Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.

На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.

Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.

Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.

Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).

Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.

Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.

Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.

Как появились паровые турбины

Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.


Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia

Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.

В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.


Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.

Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.

Турбинная революция

Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам.



Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.

Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.

Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.

Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.

В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.


Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia

Турбины Toshiba — путь длиной в век

Стремительное развитие

электрифицированных железных дорог

и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).

Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.

Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.


Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba

Эффективность паровых турбин

Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.

Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.

Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.

Интересные факты


Самая мощная

паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.


Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens

Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.


Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ

Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.


Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia

История изобретения турбин Выполнила Голицына Ксения 8 Бн

История изобретения турбин Выполнила: Голицына Ксения, 8 «Бн» класс Москва, 2016 г.

Турбиной называют вращающееся устройство, которое приводится в действие потоком жидкости или газа. Самый простой пример турбины – водяное колесо. Представим себе вертикально поставленное колесо, на ободе которого закреплены черпаки или лопасти. На эти лопасти сверху льётся поток воды. Под действием воды колесо вращается. А вращением колеса можно приводить в действие другие механизмы. Так, в водяной мельнице колесо вращало жернова, которые мололи муку. На гидроэлектростанциях турбины вращают генераторы, которые вырабатывают электрическую энергию. На тепловых электростанциях лопасти турбин приводятся в движение тепловой энергией, которая освобождается при сжигании топлива (газа, угля и т. п. ). Ветровые генераторы заставляет вращаться энергия ветра.

«Героновский эолипил» Древнегреческий ученый Герон Александрийский показал наглядно, что пар может быть полезным. Его изобретение представляло собой шар, который вращался силой струи пара.

Герон воспользовался тем, что пар занимает больший объем, чем вода. В металлическом сосуде, плотно закрытом крышкой, воду нагревали до кипения. Пар через трубу LK попадал в шар, укрепленный так, что мог вращаться вокруг оси O. Когда вода закипала, пар вырывался через трубки M, N и шар начинал вращаться. Этот прибор представлял лишь интересную игрушку, однако принцип работы сходен с принципом работы паровой турбины.

В начале XVII столетия описывается нечто похожее на паровую машину, хотя и очень примитивную. Французский ученый-изобретатель, инженером при королевском дворце, Соломон де Ко в своих трудах описывает пустотелый металлический шар с двумя трубками, одна из которых служит для подведения, а другая — для отведения воды. И если нагреть шар, то вода по трубке начнет движение вверх. В шар А вода попадала через кран В. Шар нагревался, и скопившийся над жидкостью пар давил на нее и выталкивал воду сосуда через отверстие С Позднее идея паровых насосов была использованная для откачивания воды из шахт.

В 1629 году изобретателем и механиком Джованни Бранка была собрана первая паровая турбина. Принцип действия базируется на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую и совершении ею полезной работы. Сущность его изобретения заключалась в том, что струя пара своим давлением приводила в движение колесо с лопастями, подобно колесу водяной мельницы. Но такого рода турбины были очень ограничены в мощностях, поскольку невозможно было создать высокое давление струи. Таким образом, история изобретения паровой турбины приобретает новый виток после длительного перерыва.

В 1663 году Сомерсет опубликовал небольшое сочинение, в котором описывал 100 открытий, отчасти сделанных им самим, отчасти им усовершенствованных. Он не дал точных описаний этих изобретений, а привел лишь краткие описания, смешивая невыполнимые проекты с действительно полезными указаниями. Нет ничего удивительного поэтому, что его считали шарлатаном, желавшим обратить на себя внимание своими сочинениями и ничего не понимавшим в тех вещах, о которых он писал. В этом сочинении описано и действие машины для подъема воды, которая, в отличие от обычного насоса, могла поднимать воду на любую высоту. Главное, чтобы используемые сосуды были достаточно прочны. Сосуды наполняются водой через воронку. В одном сосуде вода нагревается, закипает и превращается в пар, после чего открывается кран, соединяющий этот сосуд с тем, из которого под действием давления пара холодная вода будет выходить. Сомерсет утверждал, что вода в этой установке поднималась на высоту 40 футов. Установкой мог управлять один рабочий, он должен был лишь поворачивать краны для того, чтобы, наполнять резервуары и открывать путь пару. Этот же рабочий поддерживал огонь равномерным.

Английский инженер Ричард Трейсвик в 1815 г. на ободе паровозного колеса установил два сопла и пустил по ним пар.

В 1884 г. английский инженер и промышленник Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл многоступенчатую реактивную паровую турбину. В такой турбине имелось несколько рядов рабочих лопаток, которые назывались ступенями. Парсон запатентовал идею корабля, который приводился в действие этой турбиной.

С 1864 г. по 1884 г. инженерами были запатентованы сотни изобретений, относящихся к турбинам. И только в 1889 г. шведский инженер Густаф Лаваль создал паровую турбину, которую можно было использовать в промышленности. В турбине Лаваля струя пара, выходящая из сопел неподвижного статора, давила на лопатки, закреплённые на ободе колеса. Колесо под давлением пара вращалось. Такая турбина называлась активной. В турбине Лаваля сопло расширялось на выходе. Это увеличивало скорость выходящего пара и, как следствие скорость вращения турбины. Сопло Лаваля стало прообразом современных ракетных сопел.

С точки зрения физики, турбины – это устройства, которые преобразовывают энергию пара, ветра, воды в полезную работу. В зависимости от того, какой вид энергии преобразуется в турбинах, различают паровые турбины и газовые. Газовая турбина отличается от паровой тем, что в движение её приводит не пар из котла, а газ, который образуется при сгорании топлива. А все основные принципы устройства паровых и газовых турбин одинаковы.

Первый патент на газовую турбину был получен в 1791 г. англичанином Джоном Барбером. Барбер разработал свою турбину для движения безлошадной повозки. Элементы турбины Барбера присутствуют в современных газовых турбинах.

В 1903 г. норвежец Эджидиус Эллинг изобрёл газовую турбину, производящую больше энергии, чем затрачивалось на её работу. Принцип её работы был использован английским инженером-конструктором сэром Фрэнком Уиттлом, который в 1930 г. запатентовал газовую турбину для реактивного движения.

В 1913 г. инженер, физик и изобретатель Никола Тесла запатентовал турбину, устройство которой принципиально отличалось от устройства традиционной турбины. В турбине Тесла не было лопастей, которые приводились в движение энергией пара или газа. Вращающаяся часть турбины — ротор, представляла собой набор тонких металлических дисков, закреплённых на валу и разделённых шайбами. Поток газа или рабочей жидкости поступал с внешнего края дисков и проходил к центру по зазорам, закручиваясь. Если поток жидкости или газа направить по плоской поверхности, то поток начинает увлекать за собой эту поверхность.

https: //www. youtube. com/watch? v =Qc. YMFma 2 Gc 8

Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Ворчестерский: finnskij — LiveJournal

Некоторое время назад возник небольшой спор с коллегами по первородству парового двигателя. В направлении — мы — они — Полузнов — Уатт. К этому спору сделал для себя такую вот выборку из всяких данных в сети. Она совсем не академическая, неточности и ошибки могут быть. Но вдруг кому интересно:

Идеи:


80 год н.э. (примерно). Идея паровой турбины, Герон Александрийский, Древняя Греция.
15хх год. Идея паровой машины. Таги-аль-Диноме, Египет.
1629 год. Дальнейшее развитие паровой турбины. Джованни Бранка, Италия.

Реализация:
1663 год, Эдвард Сомерсет, Англия. Проект и действующий паровой двигатель для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан.

1698 год, Томас Севери, Англия. Водяной поршневой насос с паровым приводом. Патент. Паровой цилиндр — под избыточным давлением пара, цикл — сжатие при конденсации пара, конденсация пара — охлаждением поршня водой снаржи. Широкого развития не было. Первое применение — пожарный насос.

1707, Россия. Насос Севери был куплен Петром I и установлен в Летнем саду в Петербурге для подачи воды в один из фонтанов.

1712 год, Томас Ньюкомен, Англия. Первая массовая паровая машина (паровой атмосферный двигатель, паровой вакуумный двигатель). Паровой цилиндр — пар при атмосферном давлении, цикл — сжатие при конденсации пара, конденсация пара — впрыск воды в цилиндр, модификация машины Севери. Первое применение — откачка воды из шахты. Дальнейшее применение аналогично — приводы водоотливных насосов, водоподъемных насосов. Активно строилась и применялась более 50 лет. КПД на уровне 1%.

1738 год, Георг Вольфганг Крафт, Россия, академик Санкт-Петербургской академии наук. Выходит книга «Краткое руководство к познанию простых и сложных машин», первое на русском языке (книга на немецком, затем был перевод) описание насоса Севери.

1760 год, Россия, Иван Андреевич Шлаттер. Выходит книга «Обстоятельное наставление рудному делу», первое на русском языке описание машины Ньюкомена.

1766 год, Иван Иванович Ползунов, Россия. Двухцилиндровая вакуумная паровая машина (сделана по аналогии с  машиной Ньюкомена). 1763 — начало проектирования, 1764-1766 — строительство, наладка, эксплуатация. Применение — привод  воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах. Никакого развития не получила, работала несколько месяцев. Когда И. Полузунов умер, машина через некоторое время немного поломалась, чинить не стали, забросили.

1775 год, Россия. Машина Ньюкомена применяется в Кронштадте, осушение доков.

1776 год,  Джеймс Уатт, Мэттью Боултон, Англия. Усовершенствованная вакуумная (атмосферная) паровая машина Ньюкомена (разработана во врем ремонтов этой машины Ньюкомена в период 1763-1776 г.г.) — вынесение конденсации пара в отдельную камеру, обогрев цилиндра паровой рубашкой, повышение эффективности за счет «не охлаждения» цилиндра во время конденсации. КПД — 2%.

1782 год, Джеймс Уатт, Англия. Первая паровая машина двойного действия — попеременная подача пара с обоих сторон поршня, цикл — уже расширение пара с атмосферного давления в одной части цилиндра, в другой части — пониженное давление, он связан с конденсатором. Переключением клапанов — смена верхнего-нижнего цилиндров, поршень давление пара перемешает вверх-вниз. Появились конденсатор, конденсатный насос (поршневой), двойные стенки цилиндра с обогревом паром, уплотнение штока поршня, смазка уплотнения тавотом.

1790 год, Чарльз Гаскойн, Россия. Первое в России изготовление поршневых паровых машин (машины Уатта). Олонецкие заводы, Александровская мануфактура. Машины были установлены на Воицком руднике, Кемь (1791), на устье Кронштадтского канала (1791–1792), 1797–1799 годах — на Петербургском монетном дворе.

1800 год, Ричард Тревитник, Англия. Первые паровые машины высокого давления. Модификация машины Уатта, для работы ее с котлами Корниша. Давление пара над поршнем достигло 2,8 атмосферы, это дало  основную мощность.

И дальше дело пошло само, массово и активно. Насосы, приводы станков, паровозы, пароходы, тракторы, локомобили. Повышение КПД до максимально-возможных величин в 25-30 процентов и, затем, полное отмирание этого направления в технике в 50-е годы прошлого века.

А теперь — теперь можно купить себе домой только личную маленькую действующую паровую машинку с котлом, клапанами, манометром:

Jensen Steam Engine Model 65, где-то $160

Или такую, еще и с генератором и лампочкой:

D18 Steam Engine, где-то $300.

И баловаться этими модельками длинными зимними вечерами…

Белой акации цветы эмиграции… Опубликовано в http://finnskij.dreamwidth.org/87766.html. Перебираемся! Это легко!

Классификация паровых турбин, основные уравнения и инструменты расчета.

В 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка сконструировал первую импульсную паровую турбину. Импульсное движение включает в себя тип конструкции лопастей турбины, который вызывает вращение лопастей и вала, когда высокоскоростной пар из внешнего источника давит на лопасти. Инновационная конструкция Бранка направляла высокоскоростной пар на лопасти. Импульсная конструкция используется в современных паровых турбинах. Технические усовершенствования конструкции паровой турбины позволили повысить эффективность и мощность.

Основной принцип работы турбины заключается в преобразовании энергии пара в механическую энергию, которая может использоваться для привода вращающегося оборудования. Паровая турбина — это устройство (привод), преобразующее кинетическую энергию (паровую энергию движения) в механическую энергию. Паровые турбины имеют специально сконструированный ротор, который вращается при ударе о него паром. Это вращение используется для работы различного оборудования с приводом от вала. Турбины используются в основном в качестве приводов для насосов, компрессоров, океанских судов, турбоэлектрических локомотивов, военно-морских судов и для производства электроэнергии.

Когда пар высокого давления поступает в турбину, он проходит через устройство, называемое соплом. Сопла ограничивают поток и увеличивают скорость пара. Сопло направляет этот высокоскоростной пар на лопасти гребного колеса, заставляя его вращаться. Когда пар проходит через чередующиеся наборы неподвижных и вращающихся лопастей, он постоянно расширяется по мере своего движения. Вращающееся крыльчатое колесо прикреплено к валу, а лопасти и вал вместе составляют ротор. Импульсное или реактивное движение возникает, когда пар ударяется о ротор, преобразуя энергию пара в механическую энергию.Количество энергии пара, необходимое для выполнения полезной работы, зависит от диапазона давления, в котором расширяется пар.

Пар, используемый для работы паровой турбины, производится в котле. Котлы производят пар, который может поступать в турбину при температуре до 538°C (в среднем от 1000 до 1050°F) и давлении до 3500 psi на входе и 200 psi на выходе. (Паровые турбины также могут работать в вакууме.) Пар под высоким давлением медленно подается в турбину, чтобы нагреть ее и удалить конденсат (влага, образующаяся при конденсации).

Паровые турбины используются для привода электрогенераторов на современных электростанциях. Многоступенчатая паровая турбина считается одним из самых мощных двигателей в мире. Современная турбинная техника включает 50 и более ступеней, соединенных по горизонтальному валу. Каждая ступень состоит из набора подвижных и неподвижных лопастей. Изогнутые лопасти каждой ступени сконструированы таким образом, что промежутки между лопастями действуют как сопла и увеличивают скорость пара. Когда пар движется зигзагами между неподвижными и движущимися лопастями, он начинает расширяться в 1000 раз по сравнению с первоначальным объемом.Современная конструкция турбины увеличивает размер каждой ступени, придавая турбине коническую форму.

Паровая турбина работает на основных принципах термодинамики с использованием цикла Ренкина. Перегретый пар (или сухой насыщенный пар, в зависимости от применения) выходит из котла при высокой температуре и высоком давлении. На входе в турбину пар приобретает кинетическую энергию, проходя через сопло (неподвижное сопло в турбине импульсного типа или неподвижные лопасти в турбине реактивного типа).Когда пар выходит из сопла, он движется с большой скоростью к лопаткам ротора турбины. На лопастях создается сила из-за давления пара на лопасти, заставляющего их двигаться. Генератор или другое подобное устройство можно разместить на валу, и энергия, которая была в паре, теперь может быть сохранена и использована. Пар выходит из турбины в виде насыщенного пара (или парожидкостной смеси в зависимости от применения) при более низкой температуре и давлении, чем при входе, и направляется в конденсатор для охлаждения.

Паровые турбины с механическим приводом подразделяются на:
• Одноступенчатые или многоступенчатые
• Конденсирующие или неконденсирующиеся выхлопные газы
• Отбор или впуск
• Импульсные или реактивные

В одноступенчатой ​​турбине пар ускоряется через один каскад стационарных сопел и направляется во вращающиеся лопатки или лопатки на колесе турбины для выработки энергии.

В многоступенчатой ​​турбине используется первая ступень Curtis или Rateau, за которой следуют одна или несколько ступеней Рато.

Конденсационные турбины – турбины, у которых давление выхлопа ниже атмосферного. Они обеспечивают самый высокий общий коэффициент давления в турбине для данного набора условий на входе и, следовательно, требуют самого низкого расхода пара для производства данной мощности. Для полной конденсации пара требуется охлаждающая среда.

Без конденсации или с противодавлением турбины с отработавшим паром при давлении выше атмосферного и обычно применяются, когда отработанный пар может быть использован в другом месте.

Пар извлекается из турбины или поступает в нее в какой-то точке между входом и выходом.

В импульсной турбине перепад давления для всей ступени происходит на неподвижном сопле. В реакционных конструкциях перепад давления на ступень делится поровну между стационарными соплами и вращающимися лопастями.

Части паровой турбины можно разделить на четыре группы: ротор, неподвижные части, механизм управления и система смазки

ٌ Ротор : Паровые турбины имеют набор вращающихся лопастей и ряд фиксированных лопастей в форме полумесяца. Вращающиеся лопасти в форме колеса расположены между неподвижными лопастями. Операторы обычно называют сборку, состоящую из вала и вращающихся лопастей, ротором

.

Неподвижные части : Основными неподвижными частями паровой турбины являются неподвижные лопасти; дроссельный клапан; паронепроницаемый корпус; паровая грудь; сопло; и подшипники, кольца и уплотнения.

Неподвижные лезвия: Неподвижные лезвия изготовлены из прочной нержавеющей стали, подвергнутой прокатке и волочению. Неподвижные лопатки представляют собой кольцо в форме полумесяца, расположенное в нижней части турбины и зажатое между подвижными лопатками.Когда неподвижная и вращающаяся лопатки выровнены в правильном положении, через колесо турбины образуются паровые каналы.

Корпус: Корпус состоит из основания и покрытия из углеродистой стали или турбинного чугуна. Основание и покрытие предназначены для образования паронепроницаемых соединений. Прокладки обычно не требуются при использовании усиленных фланцев.

Паровой ящик: в паровом ящике находится регулирующий клапан и паровой фильтр (механическое устройство, удаляющее примеси из пара).Он состоит из углеродистой стали или железа и крепится болтами к нижнему корпусу.

Форсунка: Форсунки и блок форсунок представляют собой прецизионный инструмент, изготовленный из цельного блока высокопрочной углеродистой кремниевой стали, который направляет высокоскоростной пар на ротор. Форсунки крепятся болтами к паровой камере. Сопло имеет перекрывающиеся выходы, которые позволяют струям пара сходиться, прежде чем они будут направлены на лопатки ротора.

Подшипники: Подшипники обеспечивают радиальную и осевую поддержку вала паровой турбины.Радиальные подшипники (также называемые подшипниками скольжения) предназначены для предотвращения перемещения ротора паровой турбины из стороны в сторону или вверх и вниз. Каналы подачи масла встроены в радиальный корпус, либо подшипники смазываются маслоотражательным кольцом. Когда вал вращается, смазка образует тонкую пленку между валом и подшипником, что позволяет системе плавать. Подшипник этого типа обычно располагается рядом с упорным подшипником на одном конце турбины и рядом с уплотнением вала на другом.

Уплотнения: Углеродные кольца и лабиринтные уплотнения вала расположены на конце каждого корпуса вдоль ротора.Эти устройства используются для минимизации внешней утечки пара под давлением и внутренней утечки воздуха. Углеродные кольца предотвращают утечки между валом ротора и корпусом. Подпружиненный кольцевой сальник из нержавеющей стали установлен в коррозионностойкой втулке, которая удерживается от вращения стержнем, проходящим через нижнюю часть корпуса. Лабиринтные уплотнения состоят из ряда гребней и замысловатых путей, предназначенных для остановки потока.

Механизм управления : Регулятор предназначен для автоматического регулирования скорости вращения турбины.Регулятор вала расположен внутри и закреплен на валу. Центробежная сила заставляет грузы вращаться. Грузы ограничены
пружиной. По мере увеличения центробежной силы грузы удаляются от центрального вала, сжимая пружину. Вращающийся шпиндель прикреплен к неподвижной втулке, которая управляет рычагом шарнира. Рычаг используется для позиционирования регулирующего клапана.

Система смазки : Смазочное масло выполняет пять функций. Смазывает подшипники и шестерни.Он охлаждает смазываемые детали. Он передает тепло трения. Он действует как гидравлическая среда для регулятора. Он действует как гидравлическая среда для приведения в действие
регулирующих клапанов и предохранительных устройств.

 

1-СПРАВОЧНИК ТЕХНИЧЕСКИХ ДАННЫХ Ассоциации поставщиков газоперерабатывающих предприятий
2-Технология процессов – оборудование и системы Чарльз Э. Томас

Паровой двигатель в Древнем Риме – Путеводитель по предвидению

50 CE: Паровой двигатель в Древнем Риме

Герой Эолипил (50 г. н.э.)

В категории STEEPS это Научный , Технологический и Политический контрфактический. Мог ли в 50 г. н.э. Герой Александрии изобрести первый практический паровой двигатель для перекачки и транспортировки воды, за шестнадцать столетий до того, как Джованни Бранка (1629 г.) и Джон Уилкинс (1648 г.) изобрели импульсные паровые турбины ? Это, конечно, так кажется.

Герой был плодовитым автором (написал семь известных книг) и выдающимся инженером. Мы думаем, что он изобрел первый торговый автомат, первый шприц, первые ветряные машины и многие другие механические приспособления.Наиболее известно, что он построил примитивный роторный (реакционный) паровой двигатель Aeolipile и опубликовал его схемы (справа) в своей работе Pneumatica. Он даже использовал это устройство, чтобы открывать двери храма. Герой, возможно, даже не был первым изобретателем этого устройства, поскольку эолипил был упомянут (хотя был ли у него вращающийся двигатель, не было описано) римским инженером Витрувием в I веке до н. э. в его невероятной книге о древней инженерии. Архитектура .

Насос Ктесбия двухтысячелетней давности и пожарный (водоструйный) шланг, найденные в медном руднике в Испании (Museo Arqueológico Nacional de Madrid)

Hero также повысил эффективность ручного водяного насоса , который был первоначально изобретен греческим инженером Ктесибием около 200 г. до н.э. Римляне даже использовали насос Героя и механический пожарный шланг для тушения пожаров. Посмотрите на этот удивительный образец (слева) насоса Ктесибия/Героя, сифон , описанный в древних текстах Плинием и Витрувием, найденный в идеальном состоянии после двух тысяч лет под землей.Его использовали римские бдительные, или пожарные, для тушения пожаров из цистерны, запряженной лошадьми и наполняемой бригадами ручных ведер (справа).

Водяной насос Ктесибия/Героя и пожарный шланг с принудительной струей, использовавшиеся римскими пожарными

Легко утверждать, что версия водяного насоса Героя в сочетании с более эффективной паровой машиной могла привести его к первому большому применению паровой машины, паровому   перекачиванию воды , прогрессу, столь ценному, как мы думаем. он нашел бы широкое применение в римских городах, несмотря на социальную оппозицию.Значительная выгода от любой такой технологии, вероятно, была бы необходима, потому что ко времени Империи римляне не доверяли технологиям. Они позволяли этому продолжаться только тогда, когда это явно служило их целям.

В 2015 году Теодосис Тассиос опубликовал, что Герой, должно быть подключил свой Аолипил к своему насосу, создав первый в мире (непрактичный) водяной насос с паровым приводом. Он всегда искал способы сделать технику практичной. Удивительно, но все, что нужно было сделать Герою, чтобы сделать его аолипил практичным, — это превратить его вращающийся шар в маленькую ветряную мельницу , вращающуюся на оси внутри единственной выходной струи из его котла.В качестве альтернативы (и менее мощной) даже система многочисленных паровых струй, ударяющих по чашеобразным лопастям ветряной мельницы внутри силовой камеры, могла бы быть достаточно эффективной (рисунок справа).

 В любом случае была бы создана первая в мире импульсная турбина и практичный водяной насос с паровым приводом. Лучший способ накачивать воду в цистерны  значительно улучшил бы римские водопроводные сооружения и акведуки, которые высоко ценились римской знатью и обеспечивали лучшее орошение их полей, больше римской сантехники, бань, туалетов и канализации системы.Еще одним очевидным преимуществом этого насоса для любой семьи, у которой он был, были бы не только цистерны с водой на крыше, обеспечивающие подачу воды под давлением, но и цистерны с горячей водой на крыше для бань римской знати. Еще горячие стоки из котла могли собираться в отдельную цистерну и периодически перекачиваться одним и тем же водяным насосом в изолированные цистерны с горячей водой на крышах римских вилл, а также в массивные римские общественные бани , которые отапливались как дровами, так и углем.И греки, и римляне использовали для утепления пробку, асбест, пустотелые стены, воздушные зазоры и даже специальные кирпичи. Таким образом, изолированные цистерны с горячей водой для сточных вод насоса – это очевидный способ повысить ценность насоса. С такими преимуществами очень легко утверждать, что паровые водяные насосы быстро распространились бы как по Республике, так и по Империи.

Геройский ветряной орган

Как вы думаете, Герой не мог совершить мысленный прыжок от вращающегося эолифила к паровой турбине? Я бы сказал, что он был всего в одном сне от этого. Напомним, что Герой построил первые ветряные машины. Посмотрите на этот (справа), который он использовал для запуска первого ветряного органа. В представлении этого конкретного художника эти лопасти выглядят точно так же, как сегодняшние лопасти паровой турбины!  Мне бы хотелось увидеть, как банда Разрушителей мифов или какой-нибудь любопытный мастер построят версию эолипила с импульсной турбиной, используя уменьшенную версию лопастей деревянной ветряной мельницы Героя. Герой, вероятно, построил бы свои первые лопасти турбины из бронзы или даже из дерева в прототипе, но вскоре он перешел на железо , самое прочное из известных тогда веществ. Скорее всего, он поставил бы свой котел над римским кузнечным очагом , самым горячим огнем в Александрии в то время. Бьюсь об заклад, этот двигатель, подключенный к его насосу, перекачивал бы воду как сумасшедший и намного превосходил бы водяные насосы с ручным приводом, использовавшиеся в то время. Кто-нибудь хочет построить?

Водяной насос Героя с паровым приводом и достаточным количеством древесины, собранной рабами, создал бы большое давление воды для целых кварталов в римских городах. Такие насосы были бы намного эффективнее при заполнении высоких цистерн, чем ручные цепные насосы, которые использовались в то время. Водонапорные цистерны, как знали все римские инженеры, представляют собой массивные накопители энергии. Течение воды из высоких цистерн в низкие, в водопроводе, может быть использовано не только для орошения, бани и канализации, но и для запуска всевозможных небольших двигателей, для распиловки дров, для измельчения хлеба и для многого другого. В дополнение к Pneumatica , Герой написал бы дополнительную книгу Hydraulica о потоке воды, чтобы делать еще больше полезных вещей, поскольку вода является несжимаемой жидкостью с гораздо большей плотностью, чем воздух.Гидравлические двигатели Героя могли сначала работать с водяными колесами , которые были распространены в то время, но его команда вскоре научилась использовать свои недавно изобретенные вращающиеся турбинные лопасти , работающие внутри водопроводных труб, а не внутри сопел паровых котлов.

Способность быстрее пересекать свою империю также представляла бы огромный интерес для римских лидеров. Таким образом, легко представить, что паровые гребные винты (турбины) для римских военных кораблей были бы еще одним ранним экспериментом с этими двигателями инженеров, поддерживаемых дворянством.Первые военные пароходы могли даже появиться раньше водяной помпы, так как повышение скорости римских триер представляло большой военный интерес. Было бы неплохо найти способ улучшить акведуки и водопровод, но наличие более быстрых кораблей было бы жизненно важно как для Республики, так и для Империи.

Римские триеры 90 002 года имели 170 гребцов и, как правило, были очень легкими, но многие из них имели массивную переднюю часть для тарана других кораблей. Большинство из них были оптимизированы для движения со скоростью шесть узлов на очень большие расстояния через Средиземное море.В конце концов, паровые турбины для кораблей были изобретены Чарльзом Парсонсом для британского флота в 1884 году. Максимальная скорость первого парового корабля Парсона составляла 34 узла. Я также хотел бы, чтобы кто-нибудь поместил почти открытый импульсный паровой турбинный двигатель Героя на трирему, добавив внешний «винт мельницы» к оси , еще один правдоподобный ранний мысленный скачок, чтобы увидеть, будет ли он надежно работать быстрее, чем шесть узлов. . Бьюсь об заклад, можно легко построить версию, которая будет работать на в два раза быстрее, чем , на очень большие расстояния. Кто-нибудь хочет построить?

Тассиос также опубликовал аргументы, что греческие инженеры могли изобрести паровой двигатель примерно в 200–100 годах до н. э. Это может быть правдой, но с нашими нынешними знаниями истории мы голосуем за Героя как за наиболее вероятного инженера, создавшего практичный паровой двигатель в древние времена, поскольку мы можем видеть , насколько близко он был к использованию этого великого природного источника энергии. Он был достаточно близко, чтобы мы немного поплакали, что его упустили.

Цифровая реконструкция антикитерского механизма, построенного около 205 г. до н. э. (любезно предоставлено Тони Фритом, 2013 г.)

Историки иногда утверждают, что трудосберегающие машины вообще не были нужны во времена рабов и что большинство ранних греческих и римских философов относились к ним предвзято.В первом пункте есть доля истины, но это преувеличение, а последний пункт верен, но не имеет значения. История показывает, что и в греческой, и в римской культурах использовалось множество сложных машин для работы и спасения мозгов, когда они служили своим целям, и множество греческих и римских инженеров, таких как Ктебий и Герой, построили такие машины. Это правда, что инженеры, как правило, были ужасно бедны, потому что их навыки не были должным образом оценены знатью. Но они много изобретали. Возможно, самый известный пример — антикитерский механизм, планетарный и аналоговый компьютер, построенный греками примерно в 90 году до н. э., чтобы оценить масштаб греческой механической изобретательности.Сложность и интеллект, встроенные в это устройство, захватывают дух. Недавние ученые считают, что он был построен в Греции около 205 г. до н.э., а не 100 г. до н.э., как первоначально предполагалось.

Как мы уже говорили, римские рабы использовались для сбора огромного количества древесины для запуска паровых двигателей Героя. Когда римляне собирали большое количество древесины, паровые лесопилки  были бы еще одним очевидным следующим шагом. Посмотрите это видео о паровой лесопилке DeLoach 1890-х годов. Легко представить, что Герой или его команда создают примитивную версию.

Участок Аппиевой дороги с брусчаткой двух размеров

Помимо скорости на море, римляне хотели бы использовать пар, чтобы двигаться быстрее по суше. Это тоже, вероятно, произошло вскоре после появления первой работающей паровой машины. Давайте посмотрим, почему.

Сегодня нам трудно оценить огромный масштаб  наземных инженерных подвигов Рима. Согласно History.com, за 700 лет римляне построили более 55000 миль мощеных дорог по всей Европе. Этой дороги достаточно, чтобы опоясать всю Землю, дважды ! Это поистине невероятный подвиг, а также потрясающий фокус и масштаб инженерной мысли, если подумать.

Аппиева дорога , самый популярный пример, представляла собой красивую плоскую дорогу, протянувшуюся на 350 миль через Италию. Римские дороги могли быть гладкими или неровными в зависимости от размера брусчатки и тщательности строительства. См. изображение небольшого участка Пути с брусчаткой двух размеров справа.

Железная дорога Диолкос в Греции (600 г. до н.э. — 100 г. н.э.)

Наиболее очевидно, что римляне могли построить паровую железную дорогу , поскольку даже железные дороги, как это ни удивительно, в то время также широко использовались. Поставить тяжелый паровой котел на гусеницы и заставить его вращать колеса, установленные на гусенице с низким коэффициентом трения, — очевидное применение, если у вас есть хороший двигатель.

Изобретательные греки уже построили железную дорогу с приводом от людей, Диолкос , которая протянулась на 8 км через Коринфский перешеек на Пелеппонесском полуострове в течение как минимум семисот лет, с 600 г. до н.э. по 100 г. н.э.Археологи говорят нам, что Диолкос переправлял лодки через перешеек по 8-километровому пути, поднимающемуся на 75 метров над уровнем моря в верхней части. На этом изображении (слева) показан очень большой корабль, который рабы тянут на Diolkos . На самом деле, большинство переправлявшихся кораблей, вероятно, были намного меньше – личные корабли знати переправлялись через холм, чтобы сэкономить время плавания. Римляне взяли на себя управление этой железной дорогой, когда они превратили Грецию в провинцию в 146 г. до н.э., и вскоре после этого у них была по крайней мере одна известная железная дорога, работающая на золотом руднике Трес-Минас в Португалии, и, вероятно, многие другие, о которых мы не знаем. , для перемещения камней и других тяжелых предметов по гусеницам.

Чтобы быстро запускать свои двигатели, римские рабы также должны были создать много древесного угля из дерева. Римляне использовали для отопления и дрова, и древесный уголь, но древесный уголь горит при температуре в пять раз выше, чем древесина, поэтому это самое быстрое топливо для паровых двигателей. Поскольку он трудозатратный, его имеет смысл делать только тогда, когда действительно нужны высокие температуры, как для кузнечного дела, и работающие на большой скорости паровые машины. Вскоре они даже стали бы добывать огромное количество угля , который горит почти так же жарко, как древесный уголь, но его гораздо легче добывать.Удивительно, но к концу II века до н. Китайцы также использовали уголь для отопления еще в 1000 г. до н.э.

Aeolipile Chariot (Courtesy Jason Torchinsky, 2012, Jalopnik.com)

Римляне могли даже построить паровую колесницу . Взгляните на созерцательную модель колесницы, управляемой эолипилом Джейсона Торчинского (справа). Если бы Герой создал эолипил с импульсной турбиной, его вариант без средних опорных колес и с передним колесом, перемещенным непосредственно под рулевой руль, мог бы на самом деле быстро перемещаться по римским дорогам.Наиболее важные дороги должны были стать особенно ровными и, возможно, даже заасфальтированными. Таким образом, Римские железные дороги и Римские автомобили представляют собой альтернативную историю, которая едва не произошла. Кто-то должен написать это как вымышленный рассказ и фильм. Может быть, эта история уже существует? Дайте нам знать, если это так!

Воздействие Рима индустриальной эпохи , конечно, не все было бы положительным. Как и в европейскую индустриальную эпоху, мы бы увидели массовую эксплуатацию рабочих, вырубку лесов, загрязнение окружающей среды, механизированные войны и многие другие негативные последствия.Сама Римская империя тоже могла бы просуществовать немного дольше, хотя она пала в основном по социальным и политическим, а не по техническим причинам. Но я думаю, легко утверждать, что западные Темные века после падения Рима, если таковые имеются, были бы намного короче, и как вид мы научились бы избавляться от излишеств нашего индустриального века намного раньше, переходя в сегодняшний  информационный век на века раньше, чем мы это сделали на самом деле. Предвидение имеет значение!

История науки и техники в исламе

Традиционные истории техники приписывают Джованни Бранка первое описание паровая турбина 1629 года. В 1648 году Джон Уилкинс в своей книге «Математическая магия ». описал паровую турбину для вращения плевать .

Важно знать, что Таки ад-Дин описал в своей книге Ат-Турук ас-сания фи аль-алат аль-рухания (Возвышенные методы духовных машин), которые он завершен в 959/1551 году, паровая турбина в качестве первичного двигателя для вращая вертел. Таким образом, он предшествовал Бранка на 78 лет и Уилкинс на 97 лет.Вот что говорит Таки ад-Дин:

«Часть шестая: Делаем вертел, который переносит мясо над огнем так, что он будет вращаться сам по себе без силы животное. Это было сделано людьми несколькими способами, и один из они должны иметь в конце косы колесо с лопастями, а напротив колеса поставить полый кувшин из меди с закрытой головой и полными воды. Пусть сопло кувшин должен быть напротив лопастей колеса.Kindle Fire под кувшином, и пар будет выходить из его сопла в ограниченную форму, и она повернет крыльчатку. Когда кувшин пустеет от воды поднесите к нему холодную воду в таз и опустите носик кувшина в холодная вода. Жара вызовет всю воду в бассейне быть привлеченным в кувшин и [пар] снова начнет вращать крыльчатку».

Выписка из Аль-Турук ас-сания фи аль-алат ар-рухания (Возвышенный Методы духовных машин).См. Ахмад Й. аль-Хасан, Таки ад-Дин и арабский Машиностроение , Институт по истории арабской науки, Университет Алеппо, 1976 г., стр. 34-35.

См. арабский текст ниже.



Бек, Теодор Бейтраге Зур Gescichte des Maschinenbaues , Берлин, 1900, с.538-539

Нидхэм, Джозеф, Наука и Цивилизация в Китае , Том 4, часть 2, CUP, Лондон, 1965, стр. 226-227.

Путешествие во времени: Как родился двигатель внутреннего сгорания

Собираем части вместе

Однако современные двигатели — это сложные машины, и открытие процесса сгорания — это еще одна часть головоломки. Другие части двигателя внутреннего сгорания уходят корнями в столь же глубокую историю.

Первым известным кривошипом, например, была система шатунов, использовавшаяся римлянами в 3 веке нашей эры. Система преобразовывала мощность вращающейся водяной мельницы в альтернативную линейную мощность, что позволяло управлять двумя пилами по камню.

Даже сегодня, после испытаний многих других систем, шатун остается предпочтительным решением для преобразования альтернативного движения поршня в полезное вращательное движение во всех двигателях внутреннего сгорания.

Изучение силы пара

Пар также играет большую роль в истории двигателя внутреннего сгорания, являясь одним из первых известных способов преобразования силы огня в движение.

Первая зарегистрированная паровая машина была описана Героем Александрийским в римском Египте в I веке нашей эры.

Эолипил представляет собой вращающийся сосуд, в который подается пар из котла, а затем выбрасывается через два тангенциальных сопла, создавая вращающий момент. Полученной механической мощности вращения было достаточно только для компенсации потерь на трение и сопротивление, однако дополнительной мощности не производилось. И, похоже, древние греки рассматривали эолипил не как изобретение, способное изменить мир, а просто как диковинку.

Энергия пара продолжала играть роль на протяжении следующих столетий, хотя и с широким применением. Согласно Уильяму Малмсберийскому, например, в 1125 году в Реймсе находился церковный орган, приводимый в действие воздухом, выходящим из сжатия «нагретой водой», по-видимому, спроектированный и построенный профессором Гербертом.

А в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, возможно, предложил систему, основанную на эолипиле, для приведения в движение больших кораблей с помощью гребных колес без использования энергии ветра.Человек, опередивший свое время?

Следы паровой турбины были заложены в 1551 году в Египте, когда Таки ад-Дин описал самовращающийся вертел, который заложил основу для будущих идей.

Джованни Бранка, итальянский инженер, в 1629 году продемонстрировал концепцию паровой турбины для вращения цилиндрического спускового механизма, который попеременно поднимал и опускал пару пестов, работающих в ступах. Однако поток пара этих первых паровых турбин не был сконцентрирован, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях.Это привело бы к большим потерям энергии, поэтому эта идея никогда серьезно не рассматривалась для промышленного использования.

Большинство этих машин подтверждено, и идеи, лежащие в их основе, работают. Такие изобретения заложили основу для будущих технологий, и мы рассмотрим более свежие творения и концепции в следующей статье этой серии.

Изображение предоставлено Wikimedia Commons

История паровой машины

[ http://www.history.rochester.edu/steam/thurston/1878/Chapter1.html Университет Рочестера, штат Нью-Йорк, исторический онлайн-ресурс «Развитие парового двигателя», глава первая ] ] Поток пара этих первых паровых турбин, однако, не был концентрируется, и большая часть его энергии рассеивается во всех направлениях. Это привело бы к большой трате энергии, поэтому их никогда серьезно не рассматривали для промышленного использования. Кажется, их обычно называли «мельницами».

Говорят, что в 1543 году Бласко де Гарай продемонстрировал потенциал паровой энергии, двигая корабль с помощью гребных колес с включенным в аппарат «сосудом с кипящей водой», но его практичность и стоимость не впечатлили власти, которые финансировали эксперимента, а де Гарай не оставил после себя никаких чертежей или описаний разработанного им механизма.Настойчивые попытки создать машины, которые могли бы обеспечивать мощность с достаточной эффективностью, чтобы надежно выполнять полезную тяжелую работу, пришлось отложить до 17 века. Патент 1606 года другого испанского изобретателя, Херонимо де Аянса-и-Бомона, должен был в конечном итоге повлиять на Томаса Савери. В 1663 году Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер, опубликовал проекты подъема воды между этажами, используя принцип, аналогичный принципу кофеварки. Он установил свое паровое устройство на стене Большой башни в замке Раглан.Пазы в стене, где был установлен двигатель, можно было увидеть еще в 19 веке. Однако никто не был готов рисковать деньгами за такую ​​революционную концепцию, и без покровителей машина так и осталась неразработанной. [ цитировать книгу
последняя = Терстон
первая = Роберт Генри
авторссылка =
соавторы =
название = история роста паровой машины
издатель = Киган Пол и Тренч (перепечатано Адамант 2001)
дата = 1883
location =London
pages = pp21-22
url =
doi =
id =
isbn =1402162057
]

Цилиндры

в закрытом интересующем цилиндре создавался вакуумный цилиндр. а в Париже в середине 1670-х годов он сотрудничал с голландским физиком Гюйгенсом, работавшим над двигателем, который вытеснял воздух из цилиндра, взрывая внутри него порох.Осознавая неполноту вакуума, создаваемого этим средством, и переехав в Англию в 1680 году, Папен изобрел вариант того же цилиндра, который создавал более полный вакуум от кипящей воды, а затем позволял пару конденсироваться; таким образом он смог поднять вес, прикрепив конец поршня к веревке, проходящей через шкив. В качестве демонстрационной модели система работала, но для того, чтобы повторить процесс, весь аппарат пришлось разобрать и собрать заново. Папен быстро понял, что для автоматического цикла пар должен производиться отдельно в котле; однако, поскольку он не развил проект дальше, все, что мы можем сказать, это то, что он концептуально изобрел поршневую паровую машину и, таким образом, проложил путь к двигателю Ньюкомена.Папен также спроектировал гребную лодку, приводимую в движение струей, играющей на мельничном колесе, в сочетании концепций Таки аль-Дина и Савери, и ему также приписывают ряд важных устройств, таких как предохранительный клапан. Многолетние исследования Папена проблем использования пара должны были сыграть ключевую роль в разработке первых успешных промышленных двигателей, которые вскоре последовали за его смертью.

Первые промышленные двигатели

Первой попыткой промышленного применения парового двигателя была «пожарная машина», разработанная Томасом Савери в 1698 году. Это был беспоршневой паровой насос и, по-видимому, не очень эффективный; он также не был очень безопасным, потому что для части его цикла требовался пар под давлением, подаваемый котлом, в то время как плохая технология пластин привела к низкой прочности корпуса под давлением, что сделало котел подверженным взрывам. В 1712 году Томас Ньюкомен и его «атмосферный двигатель» продемонстрировали первый практический промышленный двигатель, удовлетворяющий коммерческий спрос. Ньюкомен, по-видимому, основывал свое развитие на описании Папеном ранних экспериментов в Королевском обществе, к которым он, скорее всего, имел доступ благодаря знакомству с членом общества Робертом Гуком, который сам работал с Папеном.Однако в конструкции Ньюкомена удалось обеспечить постоянную подачу пара отдельно в котле, вероятно, на основе конструкции Савери. Хотя из соображений безопасности давление в котле было лишь немногим выше атмосферного.

Двигатели низкого давления

«атмосферный» двигатель Ньюкомена

Можно сказать, что Томас Ньюкомен со своим «атмосферным двигателем» 1712 года собрал воедино большинство основных элементов, установленных Папеном для разработать первую практическую паровую машину, на которую мог бы быть коммерческий спрос. Он имел форму возвратно-поступательного двигателя, установленного на уровне поверхности и приводящего в движение последовательность насосов. Двигатель, подвешенный на цепях к одному концу качающейся балки, работал по атмосферному или вакуумному принципу. [ http://content.cdlib.org/ark:/13030/kt6r29q3kz/?order=1&brand=oac ]. Такие двигатели работали за счет подачи пара под чрезвычайно низким давлением в силовой цилиндр. Затем впускной клапан закрывался, и пар охлаждался, конденсируя его до меньшего объема воды и создавая таким образом вакуум в цилиндре.Верхний конец цилиндра был открыт для атмосферного давления и смазывался слоем воды, поддерживаемой капельной подачей. Перепад давления между атмосферой и вакуумом перемещает поршень на дно цилиндра.

Поршень был соединен цепью с концом большой балки, вращавшейся около ее середины, с утяжеленными силовыми насосами, соединенными другой цепью с противоположным концом балки, которая создавала ход нагнетания за счет собственного собственного веса и создавала гравитационную силу для подачи воды вверх по трубам и возврата силового поршня в верхнюю часть цилиндра. Охлаждающая вода распылялась непосредственно внутри цилиндра из цистерны, которая также обеспечивала уплотняющую воду для поршня, а еще теплый конденсат стекал в горячий колодец. Вакуумный ход давал достаточную мощность для подъема и заливки насосов. Хотя эти двигатели были неэффективны и чрезвычайно требовательны к углю, они позволяли поднимать гораздо большие объемы воды с больших глубин, чем это было возможно до сих пор.

Отдельный конденсатор Ватта

Затем Смитон улучшил эффективность двигателя Ньюкомена, но большой шаг вперед сделал Джеймс Ватт.В 1770-х годах был представлен двигатель Уатта, в котором пар конденсируется за счет охлаждения отдельного соединенного отсека, а не самого цилиндра. Этот отдельный конденсатор означал, что паровой цилиндр можно было постоянно поддерживать в горячем состоянии, а не использовать пар просто для нагрева цилиндра в начале каждого такта (т. е. первый пар, подаваемый в цилиндр, не сразу конденсировался).

Разработка Джеймсом Ваттом этого двигателя, усовершенствованного и продаваемого с 1774 года в партнерстве и сотрудничестве с Мэтью Бултоном, привела к повышению эффективности за счет использования отдельной конденсационной камеры, погруженной в резервуар с холодной водой, соединенной с рабочим цилиндром трубой. и управляется клапаном.Небольшой вакуумный насос, подключенный к насосной стороне балки, откачивал теплый конденсат и доставлял его в горячий колодец, одновременно помогая создавать вакуум и вытягивая конденсат из цилиндра.

Период разработки был долгим и трудным, первоначально выполнялся Уаттом в Университете Глазго. В 1761 году профессор Джозеф Блэк предложил свою «теорию скрытой теплоты», которая заложила основы для развития технологии паровых двигателей. Уатт применил теорию Блэка к модели двигателя Ньюкомена, которую ему поручили отремонтировать.Вскоре он понял, что многократное охлаждение и повторный нагрев рабочего цилиндра в двигателе Ньюкомена было источником неэффективности. Это привело к разработке отдельного конденсатора, который позволял поддерживать температуру цилиндра на постоянном уровне. Технология Уатта позволила широко использовать стационарные паровые двигатели в коммерческих целях. [ Огг, Дэвид. (1965), «Европа древнего режима: 1715-1783» Fontana History of Europe, (стр. 117 и 283) ].

Хамфри Гейнсборо изготовил модель конденсационного парового двигателя в 1760-х годах, которую он показал Ричарду Ловеллу Эджворту, члену Лунного общества.Гейнсборо считал, что Уатт использовал его идеи для изобретения [ Tyler, David (2004): «Oxford Dictionary of National Biography». Издательство Оксфордского университета. ] ; однако Джеймс Ватт не был членом Лунного общества в тот период, и его многочисленные отчеты, объясняющие последовательность мыслительных процессов, ведущих к окончательному замыслу, скорее опровергнут эту историю.

был достигнут за счет поддержания небольшого количества воды на его верхней стороне. В двигателе Уатта это было невозможно из-за наличия пара, поэтому уплотнение поршня и его смазка были достигнуты с помощью смеси жира и масла.Шток поршня также проходил через сальник на верхней крышке цилиндра, запаянный аналогичным образом. [ http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/energyhall/page19.asp ]

Мощность по-прежнему ограничивалась низким давлением, рабочим объемом цилиндра, скоростью сгорания и испарения и конденсатором емкость. Максимальная теоретическая эффективность была ограничена относительно небольшим перепадом температур по обе стороны от поршня; это означало, что для того, чтобы двигатель Ватта обеспечивал полезную мощность, первые серийные двигатели должны были быть очень большими, и поэтому их сборка и установка были дорогими.

Ваттные роторные двигатели двойного действия

Компания Boulton & Watt усовершенствовала поршневой двигатель в ротационный. В отличие от двигателя Ньюкомена, двигатель Уатта мог работать достаточно плавно, чтобы его можно было соединить с приводным валом — через солнечную и планетарную шестерни — для обеспечения вращательной мощности вместе с конденсационными цилиндрами двойного действия. Самый ранний образец был построен в качестве демонстрационного образца и был установлен на заводе Бултона для работы станков для притирки или полировки пуговиц и т. д.По этой причине он всегда был известен как «Двигатель Лапа». вращательного движения с помощью силы пара с помощью энергии пара (TEE Publishing Ltd. , Лимингтон, Великобритания, 2001 г.) ISBN 1 85761 119 5 ]. В ранних паровых двигателях поршень обычно соединялся штоком с уравновешенной балкой, а не напрямую с маховиком, и поэтому эти двигатели известны как балочные двигатели. По существу, это была паровая машина, которую мы знаем сегодня.

«Сильный пар»

В 18 веке потребовалось более высокое давление; этому решительно сопротивлялся Ватт, который не без оснований не доверял прочности материалов и котловой технологии того времени. Первым известным сторонником «сильного пара» был Леупольд в его схеме двигателя, которая появилась в энциклопедических трудах примерно с 1725 года. В течение века также появлялись различные проекты паровых лодок и транспортных средств. продемонстрировал свой «фардье» (паровой фургон) в 1769 году.Хотя рабочее давление, используемое для этого транспортного средства, неизвестно, небольшой размер котла давал недостаточную скорость производства пара, чтобы позволить кузнецу продвигаться на несколько сотен метров за раз, прежде чем ему придется остановиться, чтобы поднять пар. Были предложены и другие проекты и модели, но, как и в случае с моделью Уильяма Мердока 1784 г., многие из них были заблокированы Боултоном и Ваттом.

Это не применялось в США, и в 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, регулярно курсировал по реке Делавэр между Филадельфией, штат Пенсильвания, и Берлингтоном, штат Нью-Джерси, перевозя до 30 пассажиров.Эта лодка обычно могла развивать скорость от 7 до 8 миль в час и прошла более конвертированных|2000|миль|км|-2 за короткий срок службы. Пароход Fitch не имел коммерческого успеха, так как этот маршрут движения был достаточно покрыт относительно хорошими дорогами для фургонов. В 1802 году Уильям Симингтон построил практичный пароход, а в 1807 году Роберт Фултон использовал паровой двигатель Ватта для приведения в движение первого коммерчески успешного парохода.

Оливер Эванс, в свою очередь, выступал за «сильный пар», который он применял для лодочных двигателей и для стационарного использования.Он был пионером цилиндрических котлов; однако котлы Эванса действительно пострадали от нескольких серьезных взрывов котлов, что, как правило, усугубляло сомнения Ватта.

Важность подъема пара под давлением (с термодинамической точки зрения) заключается в том, что он достигает более высокой температуры. Таким образом, любой двигатель, использующий пар высокого давления, работает при более высокой температуре и перепаде давления, чем это возможно с вакуумным двигателем низкого давления. Таким образом, двигатель высокого давления стал основой для дальнейшего развития поршневой паровой техники.Тем не менее, примерно в 1800 году «высокое давление» соответствовало тому, что сегодня считается очень низким давлением, то есть 40–50 фунтов на квадратный дюйм (276–345 кПа), поскольку рассматриваемый двигатель высокого давления работал без конденсации. исключительно за счет расширяющей способности пара, и после того, как этот пар выполнил работу, он обычно выдыхался при давлении выше атмосферного. Поток отработанного пара в дымоход можно использовать для создания принудительной тяги через колосниковую решетку и, таким образом, увеличения скорости горения, тем самым создавая больше тепла в меньшей печи за счет создания противодавления на выпускной стороне дымохода. поршень.Наиболее важным результатом было то, что двигатели можно было сделать намного меньше, чем раньше, для данной выходной мощности. Таким образом, существовала возможность разработки паровых двигателей, которые были бы небольшими и достаточно мощными, чтобы приводить в движение себя и другие объекты. В результате паровая энергия для транспорта теперь стала практичной в виде кораблей и наземных транспортных средств, которые произвели революцию в грузовом бизнесе, путешествиях, военной стратегии и, по сути, во всех аспектах жизни общества.

21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в Мертир-Тидвиле в Южном Уэльсе был продемонстрирован первый самоходный железнодорожный паровой двигатель или паровоз, построенный Ричардом Тревитиком [ Янг, Роберт: «Тимоти Хакворт и локомотив» ; The Book guild Ltd, Льюис, Ю.К. (2000) (перепечатка изд. 1923 г.), стр. 18-21 ].

Усовершенствование Trevithick для насосного двигателя Watt

s обновляется для соответствия. Многие из этих двигателей поставлялись по всему миру и обеспечивали надежную и эффективную работу в течение многих лет при значительно сниженном потреблении угля. Некоторые из них были очень большими, и этот тип продолжали строить вплоть до 1890-х годов.

Развитие после Тревитика

«Для получения дополнительной информации см. паровой двигатель.»

Ссылки

БРАНКА, Джованни – Сокол Букс

БРАНКА, Джованни Ле машина

Рим, Ad ista[n]za di Iacomo Martuci … per Iacomo Mascardi, 1629

8 500,00 фунтов стерлингов

ПЕРВОЕ ИЗДАНИЕ. 4к. сл. (iii) 77. Латинское и курсивное письмо. Т-р в архитектурном бордюре с херувимами и стоящими фигурами Витрувия и Архимеда, 77 изящных гравюр машин, украшенных инициалами, а.например Легкая возрастная коричневая корочка, местами более густая, прерывистая легкая краевая лисица. Хорошая, четкая, с четкими полями копия на чуть более позднем пергаменте, имя автора тушью на корешке, 4 л. с печатным и мс. С19 библиографические и критические описания, наклеенные на fep, штамп Archivio Storico (?) в углу трех лл., автограф «Час. Л. Кларк, 12 июня 1889 года».

Хорошая, четкая копия первого издания прекрасно иллюстрированной работы Джованни Бранка о машинах. Итальянский архитектор и инженер Бранка (1571-1645) много лет работал над базиликой Лорето, где руководил реставрацией, ремонтом и строительством надгробных памятников.Следуя текстовому жанру «театров машин», который развился в C16, «Машина» демонстрирует его знание механических инструментов, некоторые из которых он также построил сам. В предисловии Бранка объясняет, что в работе представлены физические принципы, обсуждаемые Аристотелем, которые применительно к машинам могут генерировать все возможные виды механического движения. Красивые, реалистичные иллюстрации 63 машин предваряются краткими комментариями, сочетающими абстракцию физики и геометрического описания с потенциальными практическими целями каждой из них. К ним относятся измельчение пшеницы или пороха, выравнивание металлов, изготовление монет и медалей и забор воды из колодца. В то время как большинство машин Бранки приводились в движение силой человека, животных или гидравлической силой, на рис. 25 хорошо показана машина, которая, как и некоторые другие, была разработана для измельчения материалов, но «с чудесным двигателем» — железной головой поверх металлического бюста. наполненный водой и покоящийся на горящих углях; это производило бы изо рта горячее, «сильное дыхание», достаточно сильное, чтобы вращать гребное колесо.Хотя машина оставалась ближе к принципам классического «эолипила», паровой турбины, описанной Героем Александрийским около 1 г. н.э. и позже воспроизведенной Витрувием, это было первое современное упоминание в печати о потенциальных практических применениях парового двигателя. . Вместе с Леонардо да Винчи, турецким инженером Таки Аль-Дином и англичанином Джоном Уилкинсом Бранка внес свой вклад в теоретическую пропаганду идеи паровой машины в начале C18, когда Томас Ньюкомен переосмыслил ее в модель функциональной паровой машины, которая изменил историю.

Этот экземпляр принадлежал Чарльзу Л. Кларку (1853–1941), близкому коллеге Томаса Эдисона и первому президенту Edison Electric Company. Его коллаж заметок об этой работе включает отрывки из технических книг, таких как «Описательная история парового двигателя» (1831 г.).

БЛ СТК С17 с. 144; Брюне I, 1200 г.: «Ouvrage assez recherché»; Грас I, 519; Grölich I, 188–89: «Raro e Ricercatissimo».

В наличии

Узнать сейчас

Реактивные двигатели


Общая хронология реактивного двигателя
120-150 гг. до н.э. Герой демонстрирует принципы реактивной струи.
1232 Китайцы начинают использовать ракеты в качестве оружия.
1500 Леонардо да Винчи нарисовал хитроумное приспособление, домкрат для дымохода, который вращался под действием горячих газов, поднимающихся по дымоходу.
1629 Джованни Бранка разрабатывает штамповочную мельницу, в которой для работы оборудования используются струи пара.
1687 Сэр Исаак Ньютон представляет свои три закона движения.Они составляют основу современной теории движения.
1791 Джон Барбер подает заявку и получает первый патент на простую турбинную машину.
1872 Первый настоящий газотурбинный двигатель, разработанный доктором Ф. Штольце.
1897 Паровая турбина, используемая для питания корабля.
1918 General Electric (GE) запускает подразделение газовых турбин.
1930 Сэр Фрэнк Уиттл из Англии патентует свою конструкцию газовой турбины для реактивного движения.
1936 Ганс фон Охян и Макс Хан из Германии разрабатывают и патентуют собственный дизайн.
1939 В августе компания Ernst Heinkel Aircraft подняла в воздух первый газотурбинный реактивный самолет HE178.
1941 Сэр Фрэнк Уиттл проектирует первый успешный турбореактивный двигатель Gloster Meteor.
1942 Доктор Франц Ансельм разрабатывает осевой турбореактивный двигатель Junkers Jumo 004, который используется в Messerschmitt Me 262, первом в мире боевом реактивном истребителе.
1948 Первый турбореактивный двигатель преодолевает звуковой барьер.
1949 Первое использование турбореактивного двигателя в коммерческих целях.
1955 Первое использование подогрева для увеличения тяги турбореактивного двигателя.

Определения полезных терминов

ФОРСУНКА — Устройство, удваивающее мощность двигателя истребителя. Топливо впрыскивается в выхлопной канал и смешивается с горячим воздухом, выдуваемым двигателем.Затем он воспламеняется, производя мощную «паяльную лампу», которая вырывается из сопла в задней части выхлопной трубы.

СПЛАВ- Смесь двух или более металлов. Сплавы не только выигрывают от лучших свойств каждого из металлов в составе, но иногда обладают повышенной прочностью или гибкостью.

КАРБЮРАТОР — Устройство, используемое в поршневых двигателях для смешивания топлива и воздуха в точном количестве, прежде чем они будут втянуты в двигатель для воспламенения.

ЛИТЬЕ – Процесс изготовления скульптурного куска металла путем заливки расплавленного металла в форму.


Источник: http://www.ueet.nasa.gov
КАМЕРА СГОРАНИЯ Часть реактивного двигателя, в которой воздух под высоким давлением из компрессора смешивается с топливом и затем сжигается.

КОМПРЕССОР-Компрессор находится в центре реактивного двигателя. Он состоит из ряда вращающихся лопастей, которые всасывают воздух через входное отверстие и сжимают его. Затем он передается в камеру сгорания, в которой он сжигается.

CORE- Секция высокого давления реактивного двигателя. Он состоит из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины.

КАПОТА Гладкий металлический кожух, окружающий двигатель.

ДИСК- Часть двигателя, на которой крепятся вращающиеся лопасти реактивного двигателя.

ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА — трубчатая структура в задней части двигателя, которая выпускает горячий воздух реактивного двигателя.

ГЕНЕРАТОР — устройство, производящее электроэнергию для самолета.

ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ- Инструмент, используемый для воспламенения смеси топлива и сжатого воздуха при входе в камеру сгорания.

ФОРСУНКА — Устройство в задней части выхлопного канала, через которое проходит струя перед встречей с атмосферой.

ПИЛОН- Металлическая конструкция, соединяющая двигатель с крылом.

КОРЕНЬ — Часть лопатки компрессора или турбины, которая удерживает ее прикрепленной к диску.

СТУПЕНЬ- Название ряда лопаток в реактивном двигателе.

SUBSONIC- Ниже скорости звука.

СВЕРХЗВУКОВОЙ- Выше скорости звука.

РЕВЕРС ТЯГИ — Устройство, используемое для реверсирования потока воздуха, чтобы помочь снизить скорость самолета при посадке.

ТУРБИНА- Машина, приводящая в действие компрессор. Он работает на горячих газах, вырывающихся из камеры сгорания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.