Турбинное колесо и геликоидальная передача Лаваля

У самого Лаваля только первые опыты с бронзовыми зубцами на большом колесе передачи оказались неудачными, так как зубцы от большого числа ударов крошились. При замене бронзы сталью этот недостаток был устранен, с дороговизной же и общим неудобством передачи Лаваль в это время не имел повода считаться.

Победа над сопротивлением материала, во всяком случае, была Лавалем достигнута.

Первая турбина Лаваля, выпущенная на рынок, появилась в 1890 году. Незначительная мощность машины — всего 5 лошадиных сил — не могла, разумеется, привлечь к ней внимания крупных предпринимателей. Новый двигатель представлял собой лишь любопытный опыт, не имевший большого практического значения.

Сведения в технической литературе о турбине Лаваля были даны английскими журналами в 1892 году, а шведскими немного ранее.

Однако широким техническим и промышленным кругам новый двигатель стал известен лишь с появлением его на всемирной выставке в Чикаго в 1893 году.

На этой выставке демонстрировалась активная одноступенчатая турбина Лаваля, мощностью в 5 лошадиных сил, делавшая до 30 тысяч оборотов в минуту. К этому моменту своего развития турбина Лаваля еще не имела своей позднейшей формы диска равного сопротивления, той формы, которая так характеризует блестящее умение Лаваля пользоваться математикой в наиболее трудных, особенно для того времени, задачах динамики.

Первая турбина Лаваля мощностью в 5 лош. сил

Тем не менее в изумительном машинном павильоне выставки, среди всех новейших достижений мировой техники, турбина привлекала всеобщее внимание. Она открывала техникам всего мира новые пути к использованию кинетической энергии пара и опрокидывала привычные воззрения о неспособности струи пара дать сколько-нибудь значительную силовую мощность, годную для применения в промышленности. В этом было величайшее значение нового двигателя, присланного шведским изобретателем.

Между тем к этому времени не прекращавший дальнейших работ по усовершенствованию своей турбины Лаваль имел в сворм портфеле уже ряд новых патентов в этой области. Одни из них не нашли себе применения в дальнейшем и остались лишь историческими документами, свидетельствующими о той работе, которую вел изобретатель: так, им был взят патент на уменьшение числа оборотов турбины введением в сопло вместе с паром сильно перегретой воды; патент на регулирование с помощью гидравлического сервомотора; патент на введение диффузора для отработанного пара, и ряд других.

Другие же усовершенствования сделались решающими для дальнейшего развития турбины: сюда относится, во-первых, новый способ закрепления лопаток с елочными хвостами между двумя шайбами, составляющими вращающуюся часть турбины, замененный вскоре еще более простым и надежным способом — закреплением лопаток на одном цельном диске, и, во-вторых, применение в турбине конденсатора, описанное в патенте 1891 года за № 20449.

Как известно, конденсатор, т. е. особый аппарат, внутри которого сгущается путем охлаждения отработавший в машине пар, впервые примененный к паровому двигателю Уаттом, чрезвычайно повысил коэффициент полезного действия паровой машины. Еще большее значение конденсатор имеет для паровой турбины.

Конденсация, или сгущение, пара, т. е. превращение его в воду, имеет своей целью получить в конденсаторе некоторый вакуум, т. е. разреженный воздух, пониженное атмосферное давление. Этот способ получения вакуума, впервые открытый все тем же Папином, относится к самым остроумным изобретениям человека. Газообразный пар, наполняющий наглухо закрытый сосуд и, стало быть, вытеснивший оттуда некоторую часть воздуха при охлаждении стенок сосуда водой сгущается в воду, имеющую ничтожный объем, вследствие чего в сосуде атмосферное давление понижается, образуется вакуум.

Так как с увеличением давления пара тепловая энергия его возрастает, а с понижением давления уменьшается, то, подводя к турбине пар высокого давления и отводя его в конденсатор при самом незначительном давлении, можно тем большую разность давлений или тем больший перепад тепла превратить в механическую работу, чем выше давление пара в котле и чем глубже вакуум в конденсаторе.

Опыт паровых машин, работавших с конденсацией пара уже в течение десятков лет, всецело подтверждал справедливость теоретических выводов, сделанных еще Сади Карно. Но применением конденсатора к турбине Лаваль не ограничился.

— Если природой поставлен предел для глубины вакуума, — заметил он однажды Тюко Робсаму, испытывая конденсатор, — до которого мы почти дошли, то я не вижу предела, до которого мы можем доводить давление пара….

— Предел ставит прочность материалов… — ответил Робсам.

— Но и при настоящем состоянии техники, я думаю, можно доводить давление пара и до ста и до двухсот атмосфер… — сказал Лаваль. — А мы до сего времени не переступаем предела десяти-двенадцати атмосфер… — добавил он с презрением. — Как только мы кончим с турбиной, мы займемся вопросом высоких давлений пара…

Идея эта прочно застряла в воображении Лаваля.

— Большие скорости, высокие давления — вот путь современной техники… — стал повторять он все чаще и чаще.

В турбине, где можно устроить широкое сообщение с конденсатором и не надо прибегать к клапанам, как в паровом двигателе, имеется возможность использовать весьма глубокий вакуум, и применение конденсатора к паровой турбине сразу же повысило коэффициент ее полезного действия.

С внесением всех этих усовершенствований Лаваль перешел к постройке более мощных турбин, которые стали находить себе распространение. Они применялись не только для вращения динамомашин, но и употреблялись как обычные двигатели на разного рода небольших предприятиях.

Мощность этих турбин была невелика. Главным образом строились турбины в 20, 40 и 60 лошадиных сил.

Турбина Лаваля со снятым кожухом

Это были активные одноступенчатые турбины с парциальным подводом пара, т. е. с подводом не по всей окружности. К турбинному колесу (Ь), сидящему на тонкой горизонтальной оси (h), пар подводится по нескольким, установленным под острым углом к плоскости колеса, соплам, с коническим расширением на конце (а). Число этих сопл зависело от мощности турбины и давления пара.

Двадцатисильная турбина, например, имела восемь сопл. Пар поступал сплошной струей из оконечника сопла на лопатки, что избавляло от необходимости в особом, непропускающем пара соединении между соплом и турбинным колесом.

Сопла приделывались к закрытому, кольцеобразному каналу (с), присоединенному к главной пароподводящей трубе (d), снабженной паровпускным клапаном. Часть сопл можно было закрывать клапанами с ручным маховичком для того, чтобы при меньшем притоке пара через остальные сопла было возможно работать при полном давлении, не уменьшая его паровыпускным клапаном, что способствовало более экономичной работе турбины.

В турбине утилизировалась только живая сила истекающего из сопла на лопатки колес пара. Расширения пара в самом колесе не происходило, как это имело место в цилиндрах паровых двигателей.

Соплам был придан такой вид, что пар в них уже расширялся до атмосферного давления, соответствующего давлению в кожухе турбины. Благодаря увеличению объема пара получалось значительное увеличение скорости его истечения, и таким образом вся заключавшаяся в паре энергия превращалась в механическую работу на лопатках турбинного колеса.

Скорость истечения пара при давлении в котле в пять атмосфер и давлении в кожухе турбины в одну атмосферу достигала 770 метров в секунду. При наличии же конденсатора с вакуумом, примерно до одной десятой атмосферы, скорость истечения повышалась до 1100 метров в секунду.

Эта очень большая скорость на деле не вполне использовалась в турбинах Лаваля, так как при полном ее использовании скорость по окружности была бы чрезвычайно большой. Окружная скорость построенных Лавалем турбин не превышала 350 метров в секунду. При всей своей изобретательности он не мог выполнить всех требований относительно прочности материалов, предъявляемых центробежной силой при больших скоростях.