Введение в теорию турбомашин

Турбина (франц. turbine от лат. turbo - вихрь, вращение с большой скоростью) - первичный двигатель с вращательным движением рабочего органа - ротора, преобразующий в механическую работу кинетическую энергию подводимого рабочего тела - пара, газа, воды.

Предшественниками турбин условно можно считать водяные и ветряные мельницы, однако их развитие пошло по другому пути: первые «превратились» в ветряные установки, а вторые в турбины гидроэлектростанций.

Первой паровой турбиной принято считать т.н. паровой шар Герона (рис. 1.1.). Этот механизм впервые реализовывал принципы преобразования энергии в турбомашине. Известны некоторые примеры реализации приводных устройств (на лесопилках в восточной части США в 1883-1885 гг. для привода дисковых пил), построенных по принципу шара Герона, но существенного влияния на развитие турбостроения эти конструкции не оказали.

Рис. 1. Паровой шар Герона- эолипил. Вторая половина первого века н.э.

Прародителем газовых турбин называют устройство, изображенное в 1500 году Леонардо да Винчи – это схема гриля, который использует принцип газовой турбины (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Гриль Леонардо да Винчи

С началом индустриальной революции в Европе, после широкого практического внедрения паровой машины Джеймса Уатта, изобретатели стали присматриваться к паровой турбине.

Создание паровой турбины требовало глубокого знания физических свойств пара и законов его истечения. Изготовление ее стало возможным только при достаточно высоком уровне технологии работы с металлами, поскольку потребная точность изготовления отдельных частей и прочность элементов были существенно более высокими, чем в случае паровой машины. Об амбициозности и сложности задачи создания первых турбин можно судить по словам, произнесенным создателем паровой машины Дж. Уаттом: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?» (около 300 м/с).

Тем не мене во конце XIX века были созданы реальные работоспособные и конкурентоспособные конструкции турбомашин.

Создателями турбомашин принято считать Карла-Густава-Патрика де Лаваль (1845 — 1913. Швеция) и Чарлза Алджернона Парсонса (1854—1931. Великобритания).

Толчком к созданию паровой турбины Лавалем стала необходимость создания привода для сепаратора , поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин.

1893 г. - на международной выставке в Чикаго была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 л.с. с частотой вращения 30 000 об/мин (рис. 1.3.).

Столь высокая частота вращения была связана с тем, что ещё в 50-х годах XIX века было установлено, что для эффективного использования кинетической энергии пара окружная скорость лопаток турбины на периферии должна быть не менее половины скорости обдувающей струи.

Интересной особенностью творчества Лаваля можно считать его «голый эмпиризм»: он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие (Стодола А.).

Лавалем в ходе работы на созданием турбины было разработан и предложен целый ряд решений, которые опережали свое время:

• гибкий вал;

• диск равного сопротивления;

• способы закрепления лопаток в диске.

Мощность своих турбин Лаваль довел до 500 л.с., однако высокая частота вращения и, следовательно, необходимость применения громоздких зубчатых понижающих передач помешала широкому внедрению турбин де Лаваля.

Рис. 1.3. Конструкция турбины Лаваля

Чарлз Алджернон Парсонс — аглийский инженер и промышленник, изобретатель многоступенчатой паровой турбины, модификации которой применяют в современной энергетике.

Первую паровую многоступенчатую турбину (6 л.с.) Парсонс построил в 1884 г (рис. 1.4). Она предназначалась для работы совместно с электрическим генератором.

Рис. 1.4. Первая турбина Парсонса

К 1889 г. число построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность пока еще не достигла 100 л.с. при частоте вращения около 5000 об/мин. Такие турбины применялись преимущественно для привода электрических генераторов.

Благодаря работам Чарльза Парсонса и его сотрудников Англия оказалась впереди всей планеты: если в других странах к паровым турбинам только присматривались, то в Соединенном Королевстве общая мощность построенных в том же 1896 г. турбин превысила 40 000 л.с.

В 1901 году фирма «Броун-Бовери» (Швейцария. Ныне «ABB») приобрела лицензию на производство турбин Парсонса.

Лицензий на производство паровых турбин были куплены и другими фирмами («Вестингауз» и др.).

1903 г. наибольшая мощность турбины составляла 6500 кВт, 1909 г. - 10 МВт, в 1915 г. – 20 МВт, а в 1917 г. – 30 МВт!

В настоящее время самой мощной быстроходной (с частотой вращения 3000 об/мин) паровой турбиной является К-1200-23,5 производства Ленинградского металлического завода (г. Санкт-Петербург), а самой мощной тихоходной (с частотой вращения 1500 об/мин) – SST-9000 SIEMENS. Их мощности составляют 1200 и 1900 МВт соответственно. Обе созданы в единственных экземплярах.

Газовые турбины стали появляется несколько позже паровых. Хотя еще в 1791 английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной.

Особенность ГТД заключается в том, что около 60% работы, развиваемой ГТ тратится на подготовку рабочего тела и лишь 40% идет на совершение полезной работы.

1903. Норвежец Эджидиус Эллинг построил первую газовую турбину, которая могла произвести больше энергии, чем требовалось для её работы, что рассматривалось как значительное достижение в те времена. Используя вращающиеся компрессоры и турбины, она производила 11 л.с.

Однако для создания конкурентоспособной газовой турбины необходима была достаточно высокая ее экономичность, что было возможно при выполнении следующих условий:

- иметь высокий относительный КПД турбины и компрессора;

- работать с высокой температурой газа на лопатках (более высокой, чем у паровых турбин).

Выполнение первого требования было подготовлено успехами паротурбостроения,— с одной стороны, и аэродинамики — с другой. Уже в 30-х годах ХХ века научились строить паровые турбины с относительным к. п. д. 80—85%, появились и осевые компрессоры с к. п. д. 80— 85%.

Только 16 января 1930 года Сэр Фрэнк Уиттл (1 июня 1907-9 августа 1996) выдающийся английский инженер-конструктор и отец турбореактивного авиационного двигателя регистрирует первый в мире патент Великобритании № 347206 на работоспособный газотурбинный (турбореактивный) двигатель.

Второе условие удалось выполнить лишь к середине 40-х годов, что сделало возможным создание первых самолетов с турбореактивными двигателями (рис. 1.5) – истребитель Ме-262А с двигателями Юмо-004 совершил первый полет 18 июля 1942 года

Рис. 1.5. Конструктивная схема ТРД Юмо-004 (Германия). Тяга 900 кгс

Дальнейшее развитие газотурбинных двигателей шло довольно интенсивно (см. табл. 1.1.). В настоящий момент можно говорить о том, что потенциал дальнейшего развития ГТД заключается не в повышении начальных параметров рабочего тела перед турбиной, а в повышении ресурса двигателя при этих условиях.

Табл. 1.1.

На современном уровне развития КПД турбомашин может достигать 90% и даже превышать его, что делает турбоагрегаты одними из самых совершенных механических систем, созданных человеком!

Естественно, что создание высокоэффективной турбомашины невозможно без хорошего знания термодинамики, теоретической механики, сопромата, математики, физики, материаловедения и др.

Закончить вводную лекцию хотелось бы словами генерального конструктора НПО «Сатурн» М. Кузменко:

«ГТД – это чрезвычайно сложная механическая система и чрезвычайно напряженная. При этом концентрация энергии в единице объема предельная - выше, чем в ядерном реакторе».