Густав Лаваль

Борьба с природой и полная победа

Лаваль возвратился к работам над осуществлением своей турбины в полной уверенности, что решение труднейшей задачи им найдено.

Опыт сепаратора приводил к убеждению, что следует расположить вращение всей системы вокруг центра тяжести турбинного колеса. Вся эта гибкая система должна была состоять из обладающего одинаковой прочностью во всех точках турбинного колеса, представляющего собой «диск равного сопротивления», гибкого вала и подвижных шарикоподшипников.

Ведь и собственный сепаратор Лаваля в начале опытов с ним, при скорости в 6–7 тысяч оборотов в минуту легко начинал вибрировать. Это продолжалось до тех пор, пока Лаваль, по мысли одного из своих помощников, не ввел в конструкцию шарикоподшипников, незадолго до того, именно в 1879 году, впервые появившихся и получивших широкое распространение в велосипедах.

Самым сложным вопросом, требовавшим предварительных экспериментов, был вопрос о применении длинного, сравнительно тонкого и, следовательно, гибкого вала. Идея эта была очень смелой. Для людей, опиравшихся на грубый повседневный опыт, казалось бесплодным конструировать машину такого рода: если жесткие, мощные валы вибрировали при лавалевских скоростях, то тонкий, гибкий вал, очевидно, должен был просто-напросто привести к катастрофе при первом же испытании машины.

Только уважение к Лавалю заставляло удерживаться от того, чтобы не сказать ему:

— Ваши большие скорости неосуществимы, и надо бросить все это дело, дорогой Густав!

Из осторожности Лаваль не стал, как обычно, строить сразу машину, но предварительно произвел опыт с обычным камышовым прутом, насадив на него тяжелый деревянный диск. Этот диск с камышовым валом был приведен во вращение с большой скоростью на старом токарном станке, находившемся в мастерских. К величайшему удивлению присутствующих Лаваль оказался прав: гибкая система при таких скоростях оправдывала полностью свое назначение, и тонкий камыш оказался более стойким в работе, чем жесткий деревянный негнущийся вал.

Робсам, бывший теперь ближайшим сотрудником Лаваля, пожал ему руку. Лаваль даже не улыбнулся. Он только заметил:

— Надо спешить с постройкой машины. Завтра я дам чертежи.

Это было 17 февраля 1889 года. В этот день Лаваль коротко отметил в своей записной книжке:

«Опыт с камышовкой вполне удался».

Наутро он явился в мастерские с готовыми чертежами турбины, и постройка опытной машины была произведена с лихорадочной быстротой.

Оставалось, однако, сделать еще один и очень большой шаг на пути к практическому применению турбины: нужно было добиться возможности снизить слишком большое число оборотов до такой величины, которую можно было бы применять для работы трансмиссий и динамомашин.

Так же, как ранее, к слишком уже совершенно действующему сепаратору Лаваль должен был вносить поправку своим эмульсорном, так и в этой быстроходной турбине следовало что-то сделать, чтобы уменьшить ее скорости, радовавшие сердце изобретателя, но практически никому не нужные.

Являясь простейшей активной турбиной с одной ступенью давления и одной ступенью скорости, т. е. турбиной, где вытекающий из сопла пар всю потенциальную энергию давления превращает в кинетическую энергию движения, которая в свою очередь превращает всю свою скорость в работу на одном венце рабочих лопаток, — турбина Лаваля для наивыгоднейшего и полнейшего использования «парового ветра» должна была развивать скорость до 30 тысяч оборотов в минуту, скорость практически не применявшуюся ни в одной современной рабочей машине.

Снижения числа оборотов турбины можно было достигнуть или непомерным увеличением диаметра турбинного колеса, — что практически тоже никуда не годилось, так как сделало бы всю установку неприемлемо громоздкой, — или же применением специальных передач.

Во время опытных работ Лаваль пошел по этому второму пути. Снижение числа оборотов турбины производилось при опытах с помощью зубчатых передач, канатов, ремней и фрикционных муфт. Наиболее практической оказалась зубчатая передача, и Лаваль остановился на ней.

Он применял сначала прямые зубцы с чрезвычайно малым шагом, а затем исключительно углообразные косые зубцы.

Надо отметить, что эта конструкция была также очень смелой, ввиду того, что скорость на окружности турбинного колеса во много раз превышала скорости, применявшиеся до сего времени на практике.

Но Лаваль теперь уже имел полное право не считаться с техникой своего времени и шел впереди ее. Правда, эта геликоидальная зубчатая передача в турбине Лаваля, уменьшавшая в зависимости от размеров турбины и давления пара примерно в десять-четырнадцать раз число оборотов рабочей машины, соединенной непосредственно с турбиной, против числа оборотов вала турбины, — явилась основным недостатком турбины, но выяснилось это значительно позднее.

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.

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

Так как число оборотов этих турбин было непомерно велико для непосредственного привода от вала турбины, то оно обычно уменьшалось в 10–30 раз геликоидальной передачей (l), которая и передавала уже энергию рабочим механизмам или непосредственно, или дальнейшей передачей при помощи ремней.

Для приведения в действие механизмов, работающих при большом числе оборотов, как например центробежных насосов, центрофуг и вентиляторов, передача не применялась, и тогда получалась установка, занимавшая очень мало места при сравнительно большой мощности.

Весьма чувствительный центробежный регулятор, приводимый в действие одним из передаточных приводов, действовал при посредстве рычага на паровыпускной клапан и поддерживал постоянную скорость вращения при самых разнообразных изменениях нагрузки.

Коэффициент полезного действия турбин Лаваля оказался очень значительным, причем при высоких давлениях пара он, как и в паровых двигателях, повышался, но в турбинах можно было пользоваться более высокими давлениями пара, так как в них не было подвижных, непропускающих пара частей, вроде поршней и сальников паровых двигателей.

Турбины от 5 до 40 лошадиных сил расходовали, работая без конденсатора, при давлении в котле в шесть атмосфер, от 20 до 25 килограммов пара на лошадиную силу в час. При давлении в котле в двадцать атмосфер, работая без конденсатора, стосильные турбины расходовали пара вдвое меньше.

При наличии конденсатора работа турбин была еще экономичнее: двадцати- и сорокасильные турбины при давлении пара в котле, равном пяти-шести атмосферам, расходовали около 12–13 килограммов пара на силу в час, т. е. столько же, сколько расходовали наилучшие паровые машины больших мощностей.

Эти весьма благоприятные, по сравнению с поршневыми паровыми машинами, результаты, вместе с большой простотой работы турбин, их обслуживания, легкостью установки и небольшим местом, занимаемым ими, — обеспечивали новым двигателям широкое распространение.

Как только выяснились преимущества новых двигателей, к постройке турбин по лицензиям Лаваля приступили машиностроительные заводы других стран. В Германии и Франции эти предприятия вскоре стали выпускать турбины Лаваля мощностью в 200 и 300 лошадиных сил.

На Всемирной выставке 1900 года в Париже, где появились одновременно с двигателями Дизеля и турбины Парсонса, была выставлена турбина Лаваля, мощностью в 350 лошадиных сил.

Однако и эти турбины уже явились пределом мощности, достигнутой собственно лавалевыми турбинами.

Еще задолго до этого беспокойный изобретательский гений Лаваля обратился к решению совершенно иных проблем.

В его записных книжках после его смерти были обнаружены заметки, в которых высказывались идеи применения в турбине ступеней скорости, осуществление которых совершенно изменило бы судьбу его турбины, развитию которой мешала ее неудобная передача.

Но всем своим дальнейшим развитием активная турбина была обязана уже не ему, а его последователям — Кертису, Целли и Рато.

Тем не менее значение турбины Лаваля в истории развития современного турбостроения исключительно велико. Как и всякий новатор, Лаваль указал основной путь, по которому дальше его и с большим практическим успехом могли пойти другие.