Dom » Radijatori za grijanje » Ko je stvorio turbinu. Istorija pronalaska parnih turbina

Ko je stvorio turbinu. Istorija pronalaska parnih turbina

12. vijek je obilježen pojavom prve parne mašine. To je bio događaj kada su se u industriji i tehnologiji pojavile mehanizirane mašine koje su postepeno zamijenile ljudski rad. Razvoj industrije nije stajao mirno. Cijelu povijest njegovog razvoja karakterizira potraga za rješenjima pronalazača različitih zemalja za jedan problem - stvaranje pora turbine.

Može se tvrditi da istorija pronalaska turbina datira još od 19. veka, kada je švedski naučnik Carl Patrick Laval izumeo separator mleka. U potrazi za rješenjem za pitanje povećanja brzine u ovom uređaju, Karl je izumio parnu turbinu, koja je dizajnirana krajem 19. stoljeća. Turbina je izgledala kao točak sa lopaticama, mlaz pare koji je izlazio iz cevi pritiskao je ove lopatice i točak se okretao. Naučnik je dugo birao cijevi za dovod pare raznih veličina i oblika, a kao rezultat dugih eksperimenata zaključio je da cijev treba biti konusnog oblika. Ovaj uređaj se i danas koristi, a zove se Laval mlaznica. Unatoč činjenici da je Lavalov izum na prvi pogled bio prilično jednostavan uređaj, postao je čudo inženjerstva. I nakon određenog vremenskog perioda, naučnici - teoretičari su dokazali da izum parnih turbina pomoću Loval mlaznice daje najveći rezultat.

Dalje, istorija pronalaska turbina seže do početka 20. veka, kada je francuski pronalazač Auguste Rato dizajnirao višestepenu parnu turbinu, u kojoj su izračunati optimalni padovi pritiska za svaki od stepeni turbine.

Uostalom, američki naučnik Glenn Curtis razvio je turbinu koja je koristila potpuno novi sistem, imala je malu veličinu i pouzdan dizajn. Ove turbine korišćene su u projektovanju brodskih pogonskih sistema, postavljane su prvo na razarače, zatim na ratne brodove i na kraju na putničke brodove.

Dakle, istorija pronalaska turbina otkriva nekoliko načina na koje su naučnici 19. veka tražili pogodan i ekonomičan toplotni motor. Neki pronalazači su razvili način na koji bi gorivo sagorevalo u cilindru, pa bi se takav motor dobro uklapao u vozila. Drugi naučnici su ga poboljšali kako bi povećali njegovu snagu i efikasnost.

Do danas, istorija izuma turbina počinje sa velikim imenima kao što su Laval, Parsons i Curtis. Svi ovi naučnici i pronalazači dali su ogroman doprinos razvoju industrije i transportnih komunikacija širom svijeta. Sva njihova dostignuća bila su od velikog značaja za čitavo čovečanstvo. A najvažnije je bilo širenje ove vrste energije kao što je električna energija. Trenutno se izumi ovih naučnika široko koriste širom svijeta u izgradnji brodova i elektrana.

Turbina je motor u kojem se energija vode, pare i plina pretvara u mehanički rad kroz rotacijsko kretanje rotora. U turbini mlaz vode ili pare djeluje na posebne elemente - lopatice i pokreće ih. Lopatice se nalaze duž cijelog obima rotora.

Ovisno o smjeru strujanja vode, pare ili plina kroz turbinu, dijele se na aksijalne - kada se tok kreće paralelno s osi turbine, i radijalne - tok se kreće okomito na osu.

Turbina se koristi u kopnenom, zračnom i pomorskom transportu kao sastavni dio motora, čime se povećava njegova snaga. Turbina se može koristiti i u elektranama, gdje služi kao pogon za električni generator.

Dugo su se ponavljali pokušaji stvaranja raznih varijanti turbina. Opis parne turbine, koju je dizajnirao Heron Aleksandrijski u 1. veku nove ere, došao je čak do naših dana. Ali tek krajem 19. stoljeća, kada je nivo termodinamike, metalurgije i mašinstva dostigao potrebne visine, Charles Parsons i Gustaf Laval samostalno su izumili prve parne turbine pogodne za proizvodnju.

Ispod, hronološkim redom, je kratka istorija stvaranja različitih tipova turbina.

Prvi vek nove ere je najraniji sačuvani dokumentarni dokaz o stvaranju parne turbine od strane Herona Aleksandrijskog. Nažalost, ovaj izum se dugo smatrao igračkom i puni potencijal ove turbine nije u potpunosti istražen.

1500. - Leonardo da Vinci je u svojim crtežima razmatrao takozvani "dimni kišobran", čiji je princip bio sljedeći: vatra je zagrijavala zrak, koji se potom uzdizao kroz lopatice povezane jedna s drugom. Ove oštrice su rotirale konvencionalni ražnju za pečenje.

1551. - Tagi-al-Din je konstruirao parnu turbinu koja se koristila kao izvor energije za samorotirajuću ražnju.

1629 - Italijanski inženjer Giovanni Branca stvorio je mlin koji je radio zahvaljujući tome što je jak mlaz pare rotirao turbinu i rotaciono kretanje se prenosilo sa turbine na zupčanik - pogonski mehanizam.

1678 - Flamanski naučnik Ferdinand Verbiest razvio je prvo samohodno vozilo zasnovano na parnom stroju. Međutim, ne postoje dokazi koji bi potvrdili da je zaista izgrađen.

1791 - Englez Džon Barber razvio je pravu gasnu turbinu za pogon zaprežnih kola bez konja i dobio patent za svoj izum.

1872 - Mađarski pronalazač Franc Stoltz stvorio je prvi gasnoturbinski motor.

1890 - Švedski inženjer i pronalazač Gustaf de Laval izumio je mlaznicu koja je bila dizajnirana da dovede paru u turbinu. Kasnije je dobio njegovo ime i koristi se do danas u istu svrhu.

1894 - Englez Charles Parsons dobio je patent za ideju broda - parobroda, koji pokreće parna turbina. Ovaj princip vuče se danas široko koristi.

1895 - U elektrani Kembridž postavljena su tri Parsonsova generatora radijalnog fluksa snage 100 kW od četiri tone, koji su služili za električno osvetljenje gradskih ulica.

1903 - Norvežanin Edgidius Elling izgradio je prvu plinsku turbinu koja je mogla proizvesti čak i više energije nego što je bilo potrebno za njen rad. U to vrijeme se to smatralo ozbiljnim dostignućem, jer u to vrijeme nisu imali pojma o termodinamici. Takva plinska turbina proizvodila je 11 KS. pomoću rotacionih kompresora.

1913 - Nikola Tesla je dobio patent za svoju Teslinu turbinu zasnovanu na efektu graničnog sloja.

1918 - General Electric, danas jedan od vodećih proizvođača turbina, pokrenuo je vlastitu proizvodnju za daljnju prodaju plinskih turbina.

1920. - Engleski inženjer Alan Arnold Griffith promijenio je teoriju strujanja plina u teoriju strujanja plina na aerodinamičkoj površini, koja je bila više formalizovana i primjenjiva na turbine.

1930. - Engleski konstruktor Frank Whittle dobio je patent za univerzalnu plinsku turbinu dizajniranu za mlazni pogon. Motor s takvom turbinom prvi put je korišten u aprilu 1937. godine.

1934 - Argentinski inženjer Raul Pateras Peskara patentirao je novi izum - klipni motor koji je generator za gasnu turbinu.

1936 - Njemački dizajneri Max Hahn i Hans von Ohain razvili su i patentirali svoj vlastiti novi mlazni turbinski motor u Njemačkoj. Razvijali su ga u isto vrijeme kad i Frank Whittle u Velikoj Britaniji.

Istorija tehnologije puna je primera pronalazača iz različitih zemalja koji rade nezavisno na rešavanju zajedničkog problema. Upečatljiv primjer takve "međunarodne saradnje" je stvaranje parne turbine.

Prvi važan korak u razvoju novog tehničkog alata koji je zamijenio parnu mašinu napravio je švedski inženjer Carl Gustav Patrick Laval (1845-1913).

Po poreklu je bio Francuz, ali njegovi preci još u 16. veku. otišao iz Francuske u Švedsku kako bi izbjegao vjerski progon. Zahvaljujući svom oštrom umu i izuzetnim sposobnostima, Laval je briljantno odbranio doktorsku disertaciju odmah nakon diplomiranja na Univerzitetu u Upsali 1872. godine. Njegovi prvi izumi bili su poboljšanja u hemijskim i rudarskim tehnologijama. Za ove izume, inženjer je dobio nekoliko desetina patenata. Godine 1878. Laval je dizajnirao separator mlijeka (od lat. separator - “separator”). Princip rada uređaja je jednostavan. Posuda za mlijeko mora se okretati brzinom većom od 100 o/min. Centrifugalna sila će gurnuti vodu na zidove posude, lakša mast će se skupljati u sredini, kao rezultat toga, pavlaka i obrano (obrano) mlijeko će se odvojiti. Ali kako postići pravu brzinu? U potrazi za odgovorom na ovo pitanje, naučnik je izumeo parnu turbinu. Sagrađena je 1889.

Lavalova parna turbina je točak sa lopaticama. Mlaz pare nastao u kotlu izlazi iz cijevi (mlaznice), pritiska lopatice i okreće kotač. Eksperimentirajući s različitim cijevima za dovod pare, dizajner je došao do zaključka da bi one trebale biti u obliku stošca. Tako se pojavila Lavalova mlaznica koja se koristila do danas (patent 1889). Pronalazač je došao do ovog važnog otkrića prilično intuitivno; trebalo je još nekoliko decenija da teoretičari dokažu da mlaznica ovog posebnog oblika daje najbolji efekat.

Sljedeći korak u razvoju turbina napravio je izumitelj iz Engleske Charles Algernon Parsons (1854-1931).

Kada je Laval već radio na stvaranju turbine, Parsons je još studirao na Univerzitetu Kembridž. On je, kako i priliči predstavniku aristokratske porodice (njegov otac Lord Ross bio je poznati astronom i javna ličnost), dobio je svestrano obrazovanje. Turbinama je počeo da se bavi 1881. godine, a tri godine kasnije dobio je patent za sopstveni dizajn.Parsons je parnu turbinu povezao sa generatorom električne energije. Uz pomoć turbine postalo je moguće proizvoditi električnu energiju, što je odmah povećalo interes javnosti za parne turbine.

Kao rezultat 15 godina istraživanja, Parsons je stvorio najnapredniju višestepenu mlaznu turbinu u to vrijeme. Napravio je nekoliko izuma koji su povećali efikasnost ovog uređaja (završio je dizajn zaptivki, metode pričvršćivanja lopatica u točku, sistem kontrole brzine).

Ubrzo nakon toga, francuski naučnik Opost Rato (1863-1930), sumirajući iskustvo koje je već imao, stvorio je sveobuhvatnu teoriju turbomašina.

Razvio je originalnu višestepenu turbinu, koja je uspješno demonstrirana na Svjetskoj izložbi, održanoj u glavnom gradu Francuske 1900. godine. Za svaki stepen turbine, Rato je izračunao optimalni pad pritiska, koji je osigurao visoku ukupnu efikasnost mašine. .

Od 1900. godine poznata kompanija Westinghouse počela je proizvoditi turbine novog sistema američkog izumitelja Glenna Curtisa (1879-1954). U njegovom automobilu, brzina turbine je bila manja, a energija pare je iskorištena potpunije. Stoga su Curtisove turbine bile manje i pouzdanije u dizajnu.

Jedna od glavnih primjena parnih turbina je pogon brodova. Prvi brod s motorom s parnom turbinom, Turbinia, koji je izgradio Parsons 1894. godine, dostizao je brzinu do 32 čvora (oko 59 km/h).

Od 1900. godine počele su se ugrađivati turbine na razarače, a nakon 1906. svi veliki ratni brodovi su opremljeni turbinskim motorima. Iste, 1906. godine, porinuta su dva velika putnička transatlantska broda s turbinskim instalacijama, Lusitania i Mauritanija.

Krajem prošlog veka industrijska revolucija je dostigla prekretnicu u svom razvoju. Stoljeće i po ranije, parne mašine su se značajno poboljšale - mogle su raditi na bilo koju vrstu goriva i pokretati razne mehanizme. Veliki uticaj na poboljšanje dizajna parnih mašina imalo je takvo tehničko dostignuće kao što je pronalazak dinama, koji je omogućio dobijanje električne energije u velikim količinama. Kako je ljudska potražnja za energijom rasla, tako je rasla i veličina parnih mašina, sve dok njihove dimenzije nisu bile ograničene ograničenjima mehaničke čvrstoće. Za dalji razvoj industrije bio je potreban novi način dobijanja mehaničke energije.

Ova metoda se pojavila 1884. godine, kada je Englez (1854-1931) izumio prvi turbogenerator pogodan za industrijsku upotrebu. Deset godina kasnije, Parsons je počeo proučavati mogućnost primjene svog izuma na vozila. Nekoliko godina teškog rada se isplatilo: parobrod Turbinia, opremljen turbinom, postigao je brzinu od 35 čvorova - više od bilo kojeg broda u Kraljevskoj mornarici. U poređenju sa klipnim parnim mašinama, turbine su kompaktnije i jednostavnije. Stoga, vremenom, kada snaga i efikasnost turbine su značajno porasle, zamijenile su motore prethodnih dizajna. Trenutno se parne turbine koriste širom svijeta u termoelektranama kao pogoni za generatore električne struje. Što se tiče upotrebe parnih turbina kao motora za putničke brodove, njihova nepodijeljena dominacija je stavljena na kraj u prvoj polovini našeg stoljeća, kada su dizel motori postali široko rasprostranjeni. Moderna parna turbina naslijedila je mnoge karakteristike prve mašine koju je izumio Parsons.

Reaktivni i aktivni principi u osnovi rada parne turbine. Prvi od njih korišten je u uređaju "eolipil" (a), koji je izumio Heron Aleksandrijski: sfera u kojoj se nalazi para rotira se zbog djelovanja reakcionih sila koje nastaju kada para napusti šuplje cijevi. U drugom slučaju (b), mlaz pare usmjeren na lopatice se odbija i zbog toga se kotač rotira. Lopatice turbine (c) takođe odbijaju mlaz pare; osim toga, prolazeći između lopatica, para se širi i ubrzava, a rezultirajuće sile reakcije guraju lopatice.

Rad parne turbine zasniva se na dva principa stvaranja obimne sile na rotoru, poznata od davnina - reaktivnom i aktivnom. Još 130. godine pne. Heroj Aleksandrije izumio je uređaj pod nazivom eolipil. Bila je to šuplja sfera ispunjena parom s dvije mlaznice u obliku slova L smještene na suprotnim stranama i usmjerene u različitim smjerovima. Para je isticala iz mlaznica velikom brzinom, a zbog nastalih reakcionih sila sfera je počela da se okreće.

Drugi princip se zasniva na pretvaranju potencijalne energije pare u kinetičku energiju, koja obavlja koristan rad. To se može ilustrovati na primjeru mašine Giovannija Branchija, izgrađene 1629. godine. U ovoj mašini mlaz pare pokreće točak sa lopaticama, koji podseća na točak vodenog mlina.

Parna turbina koristi oba ova principa. Mlaz pare pod visokim pritiskom usmjerava se na zakrivljene lopatice (slično lopaticama ventilatora) postavljene na disk. Kada teče oko lopatica, mlaz se skreće, a disk sa lopaticama počinje da se okreće. Između lopatica para se širi i ubrzava svoje kretanje: kao rezultat toga, energija pritiska pare se pretvara u kinetičku energiju.

Prve turbine, poput Brancine mašine, nisu mogle razviti dovoljnu snagu, jer parni kotlovi nisu bili u stanju da stvaraju visok pritisak. Prvim radnim parnim mašinama Thomasa Saveryja, Thomasa Newcomena i drugih nije bila potrebna para visokog pritiska. Para niskog pritiska istisnula je vazduh ispod klipa i kondenzovala se stvarajući vakuum. Klip se pod dejstvom atmosferskog pritiska spustio, proizvodeći koristan rad. Iskustvo u izgradnji i korištenju parnih kotlova za ove takozvane atmosferske motore postupno je dovelo inženjere da dizajniraju kotlove koji mogu stvarati i održavati tlakove koji su daleko veći od atmosferskog.

Pojavom mogućnosti dobijanja pare pod visokim pritiskom, pronalazači su se ponovo okrenuli turbini. Isprobane su različite mogućnosti dizajna. Inženjer Richard Trevithick je 1815. godine pokušao ugraditi dvije mlaznice na rub kotača parne lokomotive i kroz njih propuštati paru iz kotla. Trevitikov plan nije uspeo. Pilana koju je 1837. godine izgradio William Avery u Sirakuzi u New Yorku, bila je zasnovana na sličnom principu. Samo u Engleskoj, preko 100 godina, od 1784. do 1884., patentirano je 200 izuma, na ovaj ili onaj način vezanih za turbine, a više od polovine ovih izuma je registrovano u dvadesetogodišnjem periodu - od 1864. do 1884. godine.

Nijedan od ovih pokušaja nije rezultirao industrijski upotrebljivom mašinom. Djelomično, ovi kvarovi su nastali zbog nepoznavanja fizičkih zakona koji opisuju širenje pare. Gustoća pare je mnogo manja od gustine vode, a njena "elastičnost" je mnogo veća, pa je brzina mlaza pare u parnim turbinama mnogo veća od brzine vode u vodenim turbinama, koju su izumitelji morali baviti se. Utvrđeno je da je efikasnost turbina postaje maksimalna kada je brzina lopatica približno jednaka polovini brzine pare; stoga su prve turbine imale vrlo velike brzine rotacije.

Veliki broj okretaja bio je uzrok niza neželjenih efekata, među kojima je važnu ulogu imala opasnost od uništenja rotirajućih dijelova pod djelovanjem centrifugalnih sila. Brzina rotacije turbine mogla bi se smanjiti povećanjem prečnika diska na koji su pričvršćene lopatice. Međutim, to nije bilo moguće. Protok pare u ranim uređajima nije mogao biti veliki, što znači da ni poprečni presjek izlaza nije mogao biti veliki. Zbog toga su prve eksperimentalne turbine imale mali prečnik i kratke lopatice.

Drugi problem vezan za svojstva pare bio je još teži. Brzina pare koja prolazi kroz mlaznicu mijenja se proporcionalno omjeru ulaznog i izlaznog tlaka. Međutim, maksimalna brzina u konvergentnoj mlaznici se postiže pri omjeru pritiska od približno dva; dalje povećanje pada pritiska više ne utiče na povećanje brzine mlaza. Stoga dizajneri nisu mogli u potpunosti iskoristiti mogućnosti pare pod visokim pritiskom: postojalo je ograničenje količine energije pohranjene parom pod visokim pritiskom koja se mogla pretvoriti u kinetičku energiju i prenijeti na lopatice. Godine 1889. švedski inženjer Carl Gustav de Laval koristio je mlaznicu koja se širi na izlazu. Takva mlaznica omogućila je postizanje mnogo većih brzina pare, a kao rezultat toga, brzina rotora u Laval turbini se značajno povećala.

Parsons je stvorio fundamentalno novi dizajn turbine. Odlikovao se manjom brzinom rotacije, a istovremeno je maksimalno iskoristio energiju pare. To je postignuto zahvaljujući činjenici da se u Parsons turbini para postepeno širila dok je prolazila kroz 15 stupnjeva, od kojih je svaki bio par krunica lopatica: jedna je bila fiksirana (sa lopaticama za navođenje pričvršćene na kućište turbine), a druga bio pomičan (sa lopaticama rotora) na disku montiranom na rotirajućoj osovini). Oštrice fiksnog i pokretnog oboda bile su orijentirane u suprotnim smjerovima, tj. tako da kada bi obje krune bile pokretne, para bi ih natjerala da se rotiraju u različitim smjerovima.

Krune lopatica turbine bile su bakreni prstenovi sa lopaticama pričvršćenim u prorezima pod uglom od 45°. Pomične krune su bile pričvršćene na osovinu, fiksne su se sastojale od dvije polovine čvrsto povezane s tijelom (gornja polovica tijela je uklonjena).

Naizmjenični pokretni i fiksni rubovi lopatica (a) određuju smjer kretanja pare. Prolazeći između fiksnih lopatica, para se širila, ubrzavala i usmjeravala se na pokretne lopatice. I ovdje se para širila, stvarajući silu koja je gurala oštrice. Smjer kretanja pare prikazan je na jednom od 15 pari krunica (b).

Para usmjerena na fiksne lopatice širila se u međulopatskim kanalima, povećavala joj se brzina, a odbijala se tako da je padala na pokretne lopatice i tjerala ih da se rotiraju. U međulopatskim kanalima pokretnih lopatica para se također širila, na izlazu se stvarao ubrzani mlaz, a rezultirajuća reaktivna sila gurala je lopatice.

Uz mnogo pokretnih i fiksnih rubova oštrica, velika brzina rotacije postala je nepotrebna. Na svakom od 30 rubova Parsonsove višestepene turbine, para se lagano širila, gubeći dio svoje kinetičke energije. U svakoj fazi (par krunica) pritisak je pao za samo 10%, a kao rezultat toga, ispostavilo se da je maksimalna brzina pare jednaka 1/5 brzine mlaza u turbini sa jednim stepenom. Parsons je vjerovao da se s tako malim padom tlaka para može smatrati blago stišljivom tekućinom, sličnom vodi. Ova pretpostavka mu je omogućila da izvrši proračune brzine pare, efikasnosti, sa visokim stepenom tačnosti. turbina i oblika lopatica. Ideja stepenastog širenja pare, koja je u osnovi dizajna modernih turbina, bila je samo jedna od mnogih originalnih ideja koje je utjelovio Parsons.

Drugi izum bio je novi tip ležaja dizajniran posebno za brzo rotirajuću osovinu. Iako je Parsons uspio smanjiti brzinu rotacije turbine, ona je i dalje ostala deset puta veća od brzine drugih motora. Stoga je pronalazač morao da se suoči sa fenomenom poznatim kao "otkucaj osovine". Već u to vrijeme bilo je poznato da svaka osovina ima svoju karakterističnu kritičnu brzinu rotacije, pri kojoj čak i mala neravnoteža stvara značajnu silu savijanja. Pokazalo se da je kritična brzina rotacije povezana sa prirodnom frekvencijom poprečnih vibracija osovine (na ovoj frekvenciji osovina počinje da rezonira i kolapsira). Parsons i de Laval su nezavisno otkrili da se pri brzinama većim od kritične, osovina stalno rotira. Uprkos tome, mali disbalans je ipak doveo do odstupanja osovine od ravnotežnog položaja. Stoga, kako bi se izbjeglo oštećenje vratila, treba ga ugraditi u ležajeve koji bi omogućili njegove male bočne pomake.

U početku je Parsons pokušao koristiti konvencionalni ležaj montiran na opruge, ali je otkrio da ovaj dizajn samo povećava vibracije. Na kraju je smislio ležaj koji se sastojao od seta prstenova. Parsons je koristio dvije veličine prstena: jedan prilijepljen uz unutrašnju školjku ležaja (kroz koju je prolazilo vratilo), ali nije dodirivao kućište; smjenjivali su se s drugim prstenovima koji su čvrsto prianjali uz kućište bez dodirivanja košuljice. Cijeli sistem prstenova u uzdužnom smjeru bio je komprimiran oprugom. Ovaj dizajn je omogućio male bočne pomake osovine i istovremeno potisnuo vibracije zbog trenja između dvije vrste podloški.

Ležaj na osovini je omogućio male bočne pomake osovine, ali je ublažio vibracije. Sastojao se od naizmjeničnih prstenova: jedni su čvrsto pokrivali košuljicu (unutar koje je prolazila osovina), ne dodirujući kućište turbine, drugi su čvrsto pritiskali kućište bez dodirivanja košuljice. Cijeli set prstenova bio je komprimiran oprugom. Pumpa sa vijkom (lijevo) je dovela ulje (žuto) u ležaj.

Ovaj dizajn je funkcionisao uspešno, a oni koji su videli turbinu izloženu na izložbi pronalazača u Londonu 1885. primetili su kako je radila glatko u poređenju sa drugim parnim mašinama tog vremena. Potonji je toliko uzdrmao temelj da su se vibracije osjetile čak i na znatnoj udaljenosti od stroja.

Parsonsov turbinski generator, izgrađen 1884. godine, bila je prva parna cijev koja je puštena u industrijsku upotrebu. Para je pod visokim pritiskom ulazila u turbinu kroz pravougaoni otvor koji se nalazi blizu sredine osovine. Ovdje je podijeljen i usmjeren na suprotne krajeve osovine, prolazeći kroz krune oštrica. Para koja se širi rotirala je pokretne (radne) prstenove, čvrsto postavljene na središnju osovinu. Između pokretnih prstenova nalazili su se rubovi fiksnih lopatica pričvršćenih na unutrašnju površinu kućišta turbine. Fiksne lopatice usmjeravale su paru na lopatice pokretnih kotača.
U međulopatičnom prostoru svakog točka, para se širila. Princip višestepenog širenja pare omogućio je Parsonsu da u potpunosti iskoristi energiju pare pod visokim pritiskom i izbjegne velike brzine. Osovina je rotirala dinamo, odnosno električni generator (desno).

U Parsonsovoj turbini, para je dovođena kroz kontrolni ventil u srednji dio osovine. Ovdje je tok pare bio podijeljen i išao kroz dva kanala: jedan je para išao na lijevi kraj okna, drugi na desni, zapremina pare u oba kanala je bila ista. Svaki mlaz je prolazio kroz krune lopatica u turbini.

Jedna od prednosti razdvajanja protoka bila je ta što su uzdužne (aksijalne) sile nastale pritiskom pare na lopatice turbine bile tačno izbalansirane. Dakle, nije bilo potrebe za potisnim (aksijalnim) ležajem. Opisani dizajn se koristi u mnogim modernim parnim turbinama.

Pa ipak, Parsonsova prva višestepena turbina razvila je veliku brzinu - 18.000 o/min. Pri takvim brzinama centrifugalna sila koja je djelovala na lopatice turbine bila je 13 tisuća puta veća od sile gravitacije. Kako bi smanjio rizik od lomljenja rotirajućih dijelova, Parsons je razvio vrlo jednostavan dizajn: svaki disk je napravljen od jednog bakrenog prstena; prorezi, koji su uključivali lopatice, bili su locirani po obodu diska i bili su prorezi orijentisani pod uglom od 45°. Pokretni diskovi su bili montirani na osovinu i pričvršćeni na njegovu ivicu. Fiksne krune su se sastojale od dva poluprstena, koji su bili pričvršćeni odozgo i odozdo na kućište turbine. Povećanje zapremine pare tokom njenog stepenastog širenja zahtevalo je da se dužina lopatica duž toka pare poveća tri puta uzastopno - od 5 do 7 mm. Rubovi lopatica su zakošeni kako bi se poboljšale karakteristike mlaza.

Problem smanjenja brzine rotacije osovine doveo je do drugih izuma. Brzine su bile toliko velike da je bilo nemoguće riješiti ovaj problem korištenjem tada postojećih mehanizama prijenosa (poput zupčanika). Također je bilo nemoguće koristiti jednostavan centrifugalni regulator koji se nalazio u ranijim dizajnima parnih motora: kuglice regulatora bi jednostavno bile otrgnute centrifugalnom silom. Parsons je razvio potpuno novi tip regulatora. Na osovinu turbine postavio je centrifugalni ventilator povezan sa sistemom cijevi koje sadrže zrak. Rotirajući ventilator isisavao je zrak iz cijevi, stvarajući u njima vakuum. Ovaj vakuum je reagovao pomoću kožne membrane koja se nalazi na drugoj strani sistema cevi i povezana sa kontrolnim ventilom koji je kontrolisao dovod pare u turbinu. Ako se brzina rotacije turbine poveća, razrjeđivanje zraka u cijevima se povećava i dijafragma se više izvija; kao rezultat toga, ventil spojen na membranu smanjio je dovod pare u turbinu i njena rotacija se usporila.

Regulator je radio dobro, ali nije bio previše osjetljiv. Parsonsova turbina pokretala je dinamo (električni generator). U vrijeme kada je Parsons napravio svoju turbinu, jedna svjetiljka sa žarnom niti koštala je čak četvrt tone uglja. Kako bi se spriječilo da lampe pregore pri naglim promjenama električne struje (što se često dešavalo ako se koriste parne mašine), dinamo je morao osigurati konstantan napon sa tačnošću od 1-2%. U tu svrhu, Parsons je svojoj turbini obezbijedio poseban mehanizam za fino podešavanje koji je direktno reagirao na promjene napona na dinamu.

Napon na namotu dinamo proporcionalan je jačini magnetskog polja stvorenog na polovima. Parsons je napravio jaram od mekog gvožđa i pričvrstio ga preko stubova dinamo pričvršćivanjem opruge na njega. Rocker, savladavajući otpor opruge, nastojao je da se okrene u pravcu magnetskog polja; ugao rotacije zavisio je direktno od jačine polja, što je zauzvrat bilo povezano sa naponom na namotajima dinamo. Zajedno sa klackalicom okrenuo se i bakarni ventil. Ovisno o svom položaju, centrifugalnim ventilatorom je u većoj ili manjoj mjeri prekrivao otvor cijevi uključene u sistem regulatora,

Ako je jačina magnetnog polja rasla, ventil je počeo postupno blokirati otvor cijevi. Ovo je smanjilo pristup vazduha sistemu regulatora i povećalo vakuum koji stvara centrifugalni ventilator. U isto vrijeme, kožna membrana je savijena, a kontrolni ventil je smanjio dovod pare u turbinu. Dakle, brzina rotacije turbine zavisila je od napona na namotajima dinamo. Parsonsov mehanizam za fino podešavanje bio je jedan od prvih servomotora, uređaja za povratnu spregu koji kontroliraju utrošak velike količine energije dok troše njen mali dio.

Para visokog pritiska (tamno crvena) ulazi kroz rupu na sredini osovine i prolazi kroz krune oštrice do oba kraja osovine. Izduvna para (svijetlocrvena) ulazi u dvije šupljine povezane izlaznim kanalom na dnu kućišta. Još dalje od centra duž ose osovine nalaze se dvije druge šupljine povezane kanalom u gornjem dijelu kućišta; drže se pod djelimičnim vakuumom (plavo).

Spojnice, čvrsto pritisnute na unutrašnju površinu kućišta zbog razlike u pritisku između šupljina sa ispušnom parom i delimičnim vakuumom, ne dozvoljavaju ispušnoj pari da izađe kroz otvore blizu površine rotacionog vratila. Podmazivanje se vrši pomoću vijčane pumpe (lijevo) koja pumpa ulje (žuto) u ležaj na osovini i na druge ležajeve. Ulje dospijeva do središnjih ležajeva kroz kanal unutar osovine dinamo (srednja i desna). Regulator koristi centrifugalni ventilator (lijevo) koji stvara vakuum (plavo) u sistemu cjevovoda. Kožna membrana spojena na ventil koji regulira dovod pare u turbinu privlači ih kada je vakuum u cijevima.

Mehanizam za fino podešavanje nalazi se na vrhu dinamo. Ovaj mehanizam mijenja protok zraka u sustav cijevi u zavisnosti od napona na namotajima dinamo. Pod dejstvom vakuuma stvorenog u vazdušnim cevima, ulje iz ležajeva teče nazad u vertikalni rezervoar (levo).

Centrifugalni ventilator, koji je dominirao Parsonsovim regulatorom, također je igrao važnu ulogu u sistemu podmazivanja. Velika brzina rotacije osovine turbine zahtijevala je apsolutno pouzdano podmazivanje. Na kraju osovine, Parsons je ojačao spiralnu spiralu, koja je bila uronjena u rezervoar ulja i obezbedila mazivo za ležajeve na osovini. Cijevi su usmjeravale ulje na krajnji kraj osovine gdje se nalazio dinamo, a kanal unutar osovine dinama prenosio je ulje do središnjih ležajeva i hladio unutrašnjost dinamo. Pod uticajem gravitacije, ulje se vratilo u centralni čvor. Glavni rezervoar ulja bio je povezan vertikalnom cevi sa sistemom vazdušnih cevi koje se nalaze direktno na ventilatoru. Vakum koji stvara ventilator primorao je ulje da teče iz centralnog sklopa nazad u rezervoar za ulje, tako da je nivo ulja bio dovoljan za rad vijčane pumpe.

Još jedan Parsonsov izum, koji se također koristio u modernim turbinama, bio je metod za uklanjanje curenja pare kroz praznine između osovine i kućišta turbine. Svaki pokušaj da se kvačilo čvrsto pričvrsti za osovinu bio bi neuspješan, jer bi se pri kritičnim brzinama stvorilo veliko trenje kao rezultat otkucaja tokom ubrzanja. Spojnica, koju je dizajnirao Parsons, čvrsto je pristajala osovini i istovremeno omogućavala male pomake. Po dostizanju radne brzine, kvačilo je djelovalo kao pouzdan zatvarač, zadržavajući izduvnu paru unutar kućišta turbine.

Čim je turbina postigla radne brzine, kvačilo je čvrsto pritisnuto uz osovinu pod utjecajem razlike tlaka između izlazne cijevi i komore, gdje se održavao djelomični vakuum. Izduvna para je išla iz dvije šupljine (po jedna na svakom kraju osovine) kroz izlazni kanal na dnu kućišta turbine. Druge dvije šupljine bile su locirane dalje od sredine osovine od svake izlazne šupljine. Kanal u gornjem dijelu tijela povezivao je ove ekstremne šupljine. Unutar svake od dvije unutrašnje šupljine, Parsons je postavio rukav koji čvrsto zatvara osovinu. Da bi održao djelomični vakuum u ekstremnim šupljinama, Parsons je koristio parnu mlaznu pumpu. Pri malom broju okretaja turbine, spojnice su se slobodno rotirale zajedno s osovinom. Po dostizanju radne brzine nastala je razlika u pritisku između unutrašnjih šupljina (u koje je ulazila izduvna para iz turbine) i spoljašnjih šupljina (gde se održavao delimični vakuum). Pod dejstvom pada pritiska, spojnice su čvrsto pritisnute uz kućište turbine i odvojile su šupljine jedna od druge.

Pod kojim uslovima se formirao Parsonsov talenat, zahvaljujući kojem je uspeo da prebrodi poteškoće na putu stvaranja turbine? Parsons je bio najmlađi sin posjedovne porodice u Birru, u okrugu Offaly, u Irskoj. Njegov otac, treći grof od Rosa, bio je talentovan naučnik. Dao je veliki doprinos tehnologiji livenja i poliranja velikih ogledala za teleskope. Godine 1845. u radionici na svom imanju sagradio je teleskop ogledalo, koji je nekoliko decenija ostao najveći teleskop na svijetu. Sa ovim teleskopom, Parsons stariji je otkrio brojne spiralne magline. Od 1849. do 1854. bio je predsjednik Kraljevskog društva u Londonu. Kao član parlamenta, kupio je kuću u Londonu kako bi prisustvovao sastancima. Jedan dio godine ovdje je živjela cijela porodica, priređujući prijeme na koje su pozivani predstavnici naučne zajednice.

Parsonovi nisu slali svoju djecu u školu. Njihovi učitelji bili su astronomi, koje je grof pozivao na noćna posmatranja teleskopima; tokom dana ovi učenjaci su podučavali djecu. Djeca su na sve moguće načine podsticana da učestvuju u kućnim radionicama. Zanat, u koji je Čarls bio upoznat od detinjstva, odigrao je izuzetno važnu ulogu u periodu kada je pravio svoju turbinu.

Charles je upisao Trinity College u Dublinu, a zatim se prebacio na St. John's College na Univerzitetu Cambridge, koji je diplomirao 1877. Studirao je matematiku kod Edwarda E. Root-a, koji je u to vrijeme proučavao uslove za očuvanje ravnomjernog kretanja, posebno korištenje raznih mehaničkih regulatora za ove svrhe.

Sve do tog vremena, Parsons je uživao u plodovima svog privilegovanog odgoja. Prekretnica u njegovom bogatstvu nastupila je kada je postao šegrt kod Georgea Armstronga, poznatog proizvođača pomorskih oružja, i počeo da radi u njegovoj fabrici Elswick u Newcastle upon Tyne. Razlozi koji su naveli Parsonsa na takvu odluku ostali su nepoznati: u to vrijeme djeca iz bogatih porodica rijetko su birala karijeru inženjera.

Parsons je stekao reputaciju Armstrongovog najvrednijeg učenika. Tokom svog šegrtovanja dobio je dozvolu da radi na najnovijoj inovaciji - parnoj mašini sa rotirajućim cilindrima - i to između 1877. i 1882. godine. Patentirao je nekoliko svojih izuma. Ako proučite ove patente, možete otkriti da je on koristio ideju podmazivanja pod pritiskom deceniju ranije od A. Paynea, koji je poznat po svojim izumima u ovoj oblasti. Prije Parsonsa, kapaljke su korištene za podmazivanje ležajeva, tako da su ležajevi zahtijevali stalni nadzor. Ideja prisilnog podmazivanja odigrala je izuzetnu ulogu u stvaranju strojeva velike brzine, posebno turbina.

Ideja o stvaranju turbine Parsons je, očigledno, došao dok je još bio student. Lord Rayleigh prenosi riječi jednog od Parsonsovih poznanika iz Kembridža, kojem je budući pronalazač pokazao motor igračke od papira: kada je Parsons dunuo na točkove igračke, oni su se rotirali. Parsons je rekao da će brzina rotacije ove mašine biti "deset puta više od bilo kojeg drugog."

Parsons je započeo svoje prve prave eksperimente sa turbinama dok je radio za Armstronga. Od 1881. do 1883. godine, tj. odmah nakon stažiranja, sarađivao je sa Džejmsom Kilsonom na razvoju torpeda na gas. Armstrong je uglavnom bio povezan s proizvodnjom pomorskog oružja i vjerovatno je podržavao napore za razvoj nove vrste torpednog pogona. Posebnost ovog pokretača bila je u tome što je goruće gorivo stvaralo mlaz plina pod visokim pritiskom. Mlaz je udario u impeler, uzrokujući njegovo rotiranje. Propeler je zauzvrat rotirao propeler torpeda.

Parsonsove bilježnice ne navode eksplicitno dizajn impelera, ali se neka ideja o tome može steći ispitivanjem malog čamca koji je Parsons napravio od lima bakra. Čamac je pokretao trokraki propeler koji se nalazio ispod trupa. Vijak se nalazio unutar velikog prstena sa 44 spiralna utora. Gas koji je izlazio u mlazu prolazio je kroz ove proreze, a zbog sile stvorene otklonom toka, prsten je počeo da se okreće. Zajedno s njim, rotirao se i propeler, gurajući čamac naprijed.

Dakle, Parsons je svoje rane eksperimente izvodio s plinskim turbinama, a ne s parnim turbinama. Prestao je da radi na njima 1883. godine, iako njegov patent iz 1884. opisuje savremeni ciklus gasne turbine. Kasnije je dao objašnjenje za to.

"Eksperimenti izvedeni prije mnogo godina - napisao je, - a djelomično usmjeren na provjeru realnosti plinske turbine, uvjerio me je da bi s metalima koje smo imali na raspolaganju ... bila greška koristiti užareni mlaz plinova da dovede lopatice u rotaciju - bilo u čistom obliku ili pomiješan s vodom ili trajektom."

Bila je to pronicljiva primedba: tek deset godina nakon Parsonsove smrti pojavili su se metali pogodni za proizvodnju gasnih turbina.

Početkom 1884. Parsons je postao mlađi partner u Clarke Chapman and Company. Nakon što se nastanio u Gatesheadu, krenuo je s projektiranjem parne turbine. Njegovi zapisi eksperimenata o stvaranju torpeda, koji se odnose na kolovoz 1883. godine, ukazuju da u to vrijeme još nije došao na ideju o potrebi da se brzina rotacije lopatica dovede do brzine gasnog mlaza. . Ni problem stvaranja mlaznice sa velikim omjerom pritisaka na ulazu i izlazu nije mu zaokupljao pažnju. Ali već u aprilu 1884. prijavio je dva preliminarna patenta, au oktobru i novembru iste godine dao je potpuni opis pronalaska.

Bio je to nevjerovatno produktivan period za Parsonsa. Morao je ne samo da eksperimentiše sa osovinama velike brzine i drugim dijelovima turbine, već i da razmišlja o mogućim načinima korištenja energije svoje mašine. Sa brzinom rotacije od 18.000 o/min, nije se mogao koristiti u uobičajene svrhe. Parsons je također odlučio da stvori dinamo, pokretan turbinom pri velikim brzinama, što malo koja moderna električna mašina može postići. Nakon toga, Parsons je često ponavljao da je ovaj izum jednako važan kao i stvaranje same turbine. Do danas je glavna primjena parne turbine bila pogon električnih generatora.

PRVE parne turbine nisu bile posebno efikasne. Sve dok njihova izlazna snaga nije odgovarala ekonomičnosti konvencionalnih parnih mašina, morali su biti učinjeni privlačnim za kupce na račun drugih karakteristika. Takve atraktivne karakteristike su njihova mala veličina, stabilnost električnog napona, pouzdan rad u nedostatku kontrole i niski operativni troškovi. Sve ove karakteristike posedovala je prva turbina.

U novembru 1884. godine, kada je stvoren prvi prototip turbine, časni Charles A. Parsons imao je samo 30 godina. Inženjerski genij i njuh za potrebe tržišta sami po sebi nisu bili dovoljni uslovi da njegovo potomstvo uspešno uđe u život. U nekoliko faza, Parsons je morao da uloži sopstvena sredstva kako urađeni posao ne bi bio uzaludan. Tokom suđenja 1898. za produženje važnosti nekih od njegovih patenata, otkriveno je da je Parsons potrošio 1.107,13 funti 10 d. ličnog novca na turbinu.

Turbinia je prvi parobrod sa turbinskim motorom. Pokrenut je 1894. godine.
Parobrod je razvio rekordnu brzinu - do 35 čvorova.
Nakon toga, turbine su se počele koristiti na velikim brodovima.

Parnoturbinsko postrojenje je termička jedinica koja neprekidno radi, čiji su radni fluid voda i para. Parna turbina je motor u kojem se potencijalna energija pare pretvara u kinetičku energiju, a kinetička energija se zauzvrat pretvara u mehaničku energiju rotacije rotora. Rotor turbine je direktno ili pomoću zupčanika povezan sa radnom mašinom. U zavisnosti od namjene radne mašine, parna turbina se može koristiti u raznim industrijama: u energetici, u transportu, u pomorskoj i riječnoj plovidbi itd. Uključuje parnu turbinu i pomoćnu opremu.

Istorija parne turbine

Rad parne turbine zasniva se na dva principa stvaranja obimne sile na rotoru, poznata od davnina - reaktivnom i aktivnom. Još 130. godine pne. Heroj Aleksandrije izumio je uređaj pod nazivom eolipil. U skladu sa slikom 2.1, to je bila šuplja kugla ispunjena parom s dvije mlaznice u obliku slova L smještene na suprotnim stranama i usmjerene u različitim smjerovima. Para je istjecala iz mlaznica velikom brzinom, a uslijed nastalih reakcijskih sila sfera se rotirala.

Drugi princip se zasniva na pretvaranju potencijalne energije pare u kinetičku energiju. To se može ilustrovati primjerom mašine Giovannija Branca, izgrađene 1629. godine i prikazane na slici 2.2. U ovoj mašini, mlaz pare pokreće točak sa lopaticama, koji podseća na točak vodenog mlina.

Parna turbina koristi oba ova principa. Mlaz pare pod visokim pritiskom usmerava se na zakrivljene lopatice postavljene na diskove. Kada teče oko lopatica, mlaz se skreće, a disk sa lopaticama počinje da se okreće. Krećući se između lopatica u kanalu koji se širi (na kraju krajeva, debljina lopatica se smanjuje kako se približava dršci), para se širi i ubrzava. U skladu sa zakonima održanja energije i količine gibanja, na turbinski točak djeluje sila koja ga okreće. Kao rezultat, energija pritiska (potencijalna energija) pare se pretvara u kinetičku energiju rotacije turbine.

Prve turbine, kao i Brancina mašina, imale su ograničenu snagu, jer parni kotlovi nisu mogli da stvaraju visok pritisak. Čim je postalo moguće dobiti paru pod visokim pritiskom, pronalazači su se ponovo okrenuli turbini. Inženjer Richard Trevithick je 1815. godine ugradio dvije mlaznice na rub kotača parne lokomotive i protjerao paru kroz njih. Na sličnom principu zasnivao se i uređaj pilane, koju je 1837. godine izgradio Amerikanac William Avery. Samo u Engleskoj tokom 20 godina, od 1864. do 1884. godine, patentirano je više od stotinu izuma, na ovaj ili onaj način koji se odnose na turbine. Ali nijedan od ovih pokušaja nije rezultirao stvaranjem mašine pogodne za industriju.

Djelomično su ovi kvarovi nastali zbog nerazumijevanja fizike parne ekspanzije. Činjenica je da je gustina pare mnogo manja od gustine vode, a njena "elastičnost" je mnogo veća od elastičnosti tečnosti, pa je brzina parnog mlaza u parnim turbinama mnogo veća od brzine vode. u vodenim turbinama. Eksperimentalno je utvrđeno da je efikasnost Turbina dostiže svoj maksimum kada je periferna brzina lopatica približno polovina brzine mlaza pare. Iz tog razloga su prve turbine imale vrlo velike brzine rotacije.

Ali velika brzina rotacije često je dovodila do uništenja rotirajućih dijelova turbine zbog djelovanja centrifugalnih sila. Smanjenje ugaone brzine uz održavanje obodne brzine moglo bi se postići povećanjem prečnika diska na koji su lopatice bile pričvršćene. Međutim, bilo je teško implementirati ovu ideju, jer količina pare pod visokim pritiskom nije bila dovoljna za veliku mašinu. U tom smislu, prve eksperimentalne turbine imale su mali prečnik i kratke lopatice.

Drugi problem vezan za svojstva pare bio je još teži. Brzina pare koja izlazi iz mlaznice proporcionalna je odnosu pritisaka na ulazu i izlazu iz mlaznice i dostiže svoju maksimalnu vrednost pri omjeru pritiska od približno dva. Dalje povećanje pada pritiska više ne dovodi do povećanja brzine mlaza. Stoga dizajneri nisu mogli u potpunosti iskoristiti prednost pare visokog pritiska kada su koristili mlaznicu sa stalnim ili suženim otvorom.

Godine 1889. švedski inženjer Carl Gustav de Laval koristio je mlaznicu koja se širi na izlazu. Takva mlaznica omogućila je postizanje mnogo veće brzine pare, a kao rezultat toga, brzina rotacije rotora turbine također se značajno povećala.

Slika 2.4 prikazuje Lavalovu parnu turbinu. U njemu para ulazi u mlaznicu, postiže značajnu brzinu u njoj i usmjerava se na radne lopatice koje se nalaze na obodu turbinskog diska. Kada se mlaz pare okreće u kanalima radnih lopatica, nastaju sile koje okreću disk i s njim povezano vratilo turbine. Za proizvodnju potrebne snage u jednostepenoj turbini potrebni su vrlo visoki protok pare. Promjenom konfiguracije ekspanzivne mlaznice bilo je moguće postići značajan stupanj ekspanzije pare i, shodno tome, veliku brzinu (1200 ... 1500 m / s) izlaza pare.

Kako bi bolje iskoristio velike brzine pare, Laval je razvio dizajn diska koji je mogao izdržati obimne brzine do 350 m/s, a brzina nekih turbina je dostigla 32.000 min-1.

Turbine, kod kojih se cijeli proces širenja pare i povezano ubrzanje toka pare odvija u mlaznicama, nazivaju se aktivnim. Takvi uređaji, posebno, uključuju Branca turbinu.

Potom je unapređenje aktivnih parnih turbina išlo putem upotrebe sekvencijalnog širenja pare u nekoliko faza koje su locirane jedna za drugom. U takvim turbinama, koje je krajem prošlog stoljeća razvio francuski naučnik Rato, a poboljšao dizajner Celli, određeni broj diskova postavljenih na zajedničku osovinu razdvojen je pregradama. U ovim pregradama postavljene su profilisane rupe - mlaznice. U svakoj od ovako izvedenih faza koristi se dio energije pare. Transformacija kinetičke energije strujanja pare odvija se bez dodatnog širenja pare u kanalima lopatica rotora. Aktivne višestepene turbine se široko koriste u stacionarnim instalacijama, kao i kao brodski motori.

Uz turbine kod kojih se tok pare kreće približno paralelno sa osovinom turbine i koje se nazivaju aksijalne turbine, stvorene su i takozvane radijalne turbine kod kojih para teče u ravnini okomitoj na osu turbine. Među ovom vrstom turbina, najveći je interes turbina braće Jungström, predložena 1912. godine.

Na bočnim površinama diskova lopatice mlaznih stupnjeva su raspoređene u prstenove postepeno rastućeg promjera. Para se dovodi do turbine kroz cijevi, a zatim se kroz rupe na diskovima usmjerava u centralnu komoru. Para teče od njega do periferije kroz kanale lopatica postavljenih na diskove. Za razliku od konvencionalne turbine, u dizajnu braće Jungström ne postoje fiksne mlaznice ili vodeće lopatice. Oba diska rotiraju u suprotnim smjerovima, pa se snaga koju razvija turbina prenosi na dvije osovine. Turbina opisanog dizajna pokazala se vrlo kompaktnom.

Pa ipak, uprkos brojnim novim dizajnerskim rešenjima koja se koriste u jednostepenim aktivnim turbinama, njihova efikasnost je bila niska. Osim toga, potreba za reduktorom za smanjenje brzine rotacije pogonskog vratila električnog generatora ometala je širenje jednostepenih turbina. Stoga su Lavalove turbine, koje su se u ranoj fazi izgradnje turbina široko koristile kao jedinice male snage (do 500 kW), kasnije ustupile mjesto turbinama drugih tipova.

Parsons je stvorio turbinu fundamentalno novog dizajna. Odlikovao se manjom brzinom rotacije, a istovremeno je u njemu maksimalno iskorištena energija pare. Činjenica je da se u Parsonsovoj turbini para postepeno širila dok je prolazila kroz 15 stupnjeva, od kojih se svaki sastojao od dvije krune lopatica: jedna je bila fiksirana (sa lopaticama za navođenje pričvršćene na kućište turbine), druga je bila pokretna (sa lopatice rotora na disku). pričvršćene na rotirajuću osovinu). Ravnine oštrica fiksnog i pokretnog oboda bile su međusobno okomite.

Para usmjerena na fiksne lopatice širila se u interskapularnim kanalima, njena brzina se povećavala, a kada je pala na pokretne lopatice, tjerala ih je da se rotiraju. U međulopatskim kanalima pokretnih lopatica para se dalje širila, brzina mlaza se povećavala, a rezultirajuća reaktivna sila gurala je lopatice.

Zahvaljujući uvođenju pokretnih i fiksnih rubova oštrica, velika brzina rotacije postala je nepotrebna. Na svakom od trideset oboda Parsonsove višestepene turbine, para se lagano širila, gubeći dio svoje kinetičke energije. U svakoj fazi (par krunica) pritisak je pao za samo 10%. Postepeno širenje pare, koja podupire moderne dizajne turbina, bila je samo jedna od mnogih originalnih ideja koje je Parsons utjelovio.

Još jedna plodna ideja bila je organizacija dovoda pare u srednji dio okna. Ovdje je tok pare bio podijeljen i išao u dva smjera na lijevi i desni kraj okna. Protok pare u oba smjera bio je isti. Jedna od prednosti podjele protoka bila je da su uzdužne (aksijalne) sile zbog pritiska pare na lopatice turbine bile uravnotežene. Dakle, nije bilo potrebe za potisnim ležajem. Opisani dizajn se koristi u mnogim modernim parnim turbinama.

Pa ipak, Parsonsova prva višestepena turbina imala je preveliku brzinu od 18.000 min-1. Centrifugalna sila koja je djelovala na lopatice turbine bila je 13.000 puta veća od gravitacije. Kako bi smanjio rizik od lomljenja rotirajućih dijelova, Parsons je došao do jednostavnog rješenja. Svaki disk je napravljen od čvrstog bakrenog prstena, a prorezi u koje su ulazile oštrice nalazile su se po obodu diska i bile su prorezi orijentisani pod uglom od 45°. Pokretni diskovi su bili montirani na osovinu i pričvršćeni na njegovu ivicu. Fiksne krune su se sastojale od dva poluprstena, koji su bili pričvršćeni odozgo i odozdo na kućište turbine. Lopatice Parsonsove turbine bile su ravne. Kako bi se kompenziralo smanjenje protoka pare kako se kreće u posljednje faze, u prvoj Parsons mašini implementirana su dva tehnička rješenja: prečnik diska se povećavao u koracima, a dužina lopatica sa 5 na 7 mm. Rubovi lopatica su zakošeni kako bi se poboljšali uslovi strujanja mlaza.

Parsons je bio najmlađi sin porodice koja je dobila zemlju u Irskoj. Njegov otac, grof Ros, bio je talentovan naučnik. Dao je veliki doprinos tehnologiji livenja i poliranja velikih ogledala za teleskope.

Čarls je upisao Triniti koledž u Dablinu, a zatim se preselio na St. John's College na Univerzitetu Kembridž, koji je diplomirao 1877. godine.

Prekretnica u Parsonsovom bogatstvu došla je kada je postao šegrt kod Georgea Armstronga, poznatog proizvođača pomorskih oružja, i počeo da radi u njegovoj fabrici Elswick u Newcastlepon Tyneu. Razlozi koji su naveli Parsonsa na takvu odluku ostali su nepoznati: u to vrijeme djeca iz bogatih porodica rijetko su birala karijeru inženjera. Parsons je stekao reputaciju Armstrongovog najvrednijeg učenika. Tokom pripravničkog staža dobio je dozvolu da radi na najnovijoj inovaciji - parnoj mašini sa rotirajućim cilindrima - i to između 1877. i 1882. godine. Patentirao je nekoliko svojih izuma.

Parsons je započeo svoje prve eksperimente sa turbinama dok je radio za Armstronga. Od 1881. do 1883. godine, tj. odmah nakon pripravničkog staža radio je na izradi torpeda na gas. Posebnost torpednog pogona bila je u tome što je goruće gorivo stvaralo plinski mlaz visokog pritiska. Mlaz je udario u impeler, uzrokujući njegovo rotiranje. Propeler je zauzvrat pokrenuo propeler torpeda u rotaciju.

Parsons je prekinuo rad na gasnim turbinama 1883. godine, iako njegov patent iz 1884. opisuje savremeni ciklus takve turbine. Kasnije je dao objašnjenje za to. “Eksperimenti provedeni prije mnogo godina,” napisao je, “i djelomično usmjereni na provjeru stvarnosti plinske turbine, uvjerili su me da bi s metalima koje smo imali na raspolaganju... bila greška koristiti užareni mlaz gasovi - bilo u čistom obliku, ili pomešani sa vodom ili parom. Bila je to predviđanja: tek deset godina nakon Parsonsove smrti pojavili su se metali koji su posjedovali potrebne kvalitete.

U aprilu 1884. prijavio je dva privremena patenta, au oktobru i novembru te godine dao je potpuni opis pronalaska. Bio je to nevjerovatno produktivan period za Parsonsa. Odlučio je da stvori dinamo, pokretan turbinom pri velikim brzinama, koji je dostupan malom broju modernih električnih mašina. Nakon toga, Parsons je često ponavljao da je ovaj izum jednako važan kao i stvaranje same turbine. Do danas je glavna primjena parne turbine bila pogon električnih generatora.

Podijeli: