Лев Гумилевский - Густав Лаваль
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.
Кроме того при больших скоростях слишком увеличивались потери на трение турбинного колеса о воздух.
Колеса турбин состояли из двух крепких стальных дисков, между которыми были укреплены отдельные лопатки. Диаметр колеса в турбинах мощностью от 5 до 100 лош. сил соответственно достигал 10–60 сантиметров. Двадцатисильная турбина имела колесо в 20 сантиметров диаметром; окружная скорость его достигала 300 метров в секунду; число оборотов доходило до 30 тысяч в минуту.
Турбинное колесо помещалось на весьма тонкой оси: так, у двадцатисильной турбины ось имела диаметр только в 12–13 миллиметров. Эта гибкая ось, уступая при вращении влиянию центробежной силы, сама по себе приходила в строго центральное положение, которое и удерживалось при любой скорости вращения. Благодаря этому получалось спокойное вращение колеса и надежность в работе.
Турбина Лаваля мощностью в 100 лош. сил, соединенная с динамо-машиной
