Густав Лаваль

Развитие турбины Лаваля и ее значение

Как только в мастерских Лаваля были изготовлены первые турбины и произведено их испытание, доказавшее не только возможность, но и выгодность их практического применения, изобретатель, нисколько не сомневаясь в том, что вслед за тем на новые двигатели последует рыночный спрос, приступил к постройке небольшого специального паротурбинного завода.

Этот завод был построен и оборудован близ Стокгольма к концу 1892 года. По чертежам Лаваля он начал изготовлять первые турбины мощностью в десять и двадцать сил. Главным образом эти турбины предназначались для вращения динамомашин. В те времена еще только начиналось бурное распространение электрического освещения, и почти не существовало мощных электрических станций, которые могли бы удовлетворить запросы всех потребителей. Отдельные предприятия стремились к постройке собственных электростанций для освещения.

Современная турбина акционерного общества «Паровая турбина де Лаваля» мощностью в 30 000 киловатт

Двадцатисильные, а затем сорока- и шестидесятисильные турбины Лаваля как нельзя более отвечали запросу времени. Предприятия, имевшие паровые котельные установки, чрезвычайно охотно шли на постановку удобных, простых, не требующих специальных машинистов новых двигателей для освещения, и завод Лаваля работал очень хорошо.

Впрочем, питая глубокое отвращение к административному и финансовому делячеству, Лаваль неизменно шел по пути, указанному когда-то Ламмом, и сдавал все свои предприятия в руки акционерных обществ. Как только были закончены опытные работы с турбиной, производство их перешло к организованному Лавалем в 1893 году акционерному обществу «Паровая турбина де Лаваля», существующему и до сих пор.

Хотя первое пятилетие директором общества числился сам Лаваль, фактически оно находилось в руках шведских коммерсантов: коммерческого директора Карла Янсона и главного директора Гуго Мартина, бывших директоров «Сепаратора». Они быстро реализовали акции общества, выпущенные на общую сумму в 1200 тысяч крон, построили в том же Кюнгельсхольмене собственный завод и, руководясь опытом «Сепаратора», энергично принялись распространять и внедрять в промышленность соседних стран лавалевские турбины.

При главном заводе было организовано конструкторское бюро, которому удалось впоследствии построить даже пятисотсильную турбину. Однако уже и эта турбина оказалась более дорогой, чем многоступенчатая турбина, так называемая турбина «Лаваль-мультипль», сконструированная инженером Хедлундом в соответствии с теми принципами, которые ввели в турбостроение современники Лаваля, пошедшие по указанному им пути.

Помехой для дальнейшего развития собственно лавалевых турбин послужила дорогая, сложная, крайне неудобная передача, снижающая на валу рабочей машины скорость самой турбины. Турбины Лаваля даже по внешнему своему виду представляли собой уродливое сооружение: в них зубчатая передача своими размерами значительно превосходила размеры самой турбины, и этот придаточный подсобный механизм раз в пять по размеру был больше основной части машины — турбинного колеса.

Современная геликоидальная передача Лаваля для судовой турбины мощностью в 6 000 лош. сил

Геликоидальная передача, одно из смелых и очень интересных изобретений Лаваля, впоследствии явилась самостоятельным объектом производства акционерного общества «Паровая турбина де Лаваля», так как подобного рода передачи сделались необходимой частью судовых паровых турбин и решили вопрос о применении турбин в качестве судовых двигателей. Зубчатой передачей, как и многими другими отдельными частями лавалевой турбины, пользовались все остальные строители паровых турбин в тех случаях, когда исполнительные машины требовали резкого снижения числа оборотов турбины.

С появлением турбин Парсонаса, Рато, Целли и Кертиса область применения лавалевских турбин ограничилась областью машин, требующих для себя, как исполнительных механизмов, большого числа оборотов. Такими механизмами являются всякого рода центробежные машины, насосы, вентиляторы, которые и стали главных образом выпускаться обществом «Паровая турбина де Лаваля».

Во всех остальных областях своего применения турбина Лаваля должна была уступить место турбинам, сконструированным другими членами «кооперации современников», работавшими над разрешением проблемы: им удалось, распределяя давление пара на ряд ступеней, добиться снижения числа оборотов в самой турбине и тем самым, освободившись от неудобной передачи, перейти к соединению на одном валу турбины и генератора электрического тока.

Появление этих турбин стало возможным, разумеется, только после того, как Лавалем при конструировании своей турбины были разрешены основные вопросы турбостроения вообще, а именно: работа пара в расширяющемся сопле, проблема гибкого вала, диск равного сопротивления, шаровые подшипники, применение специальных материалов — никелевой стали для дисков и лопаток — и, наконец, зубчатая передача.

Гибкий вал Лаваля

Особенное значение получили в технической литературе вопросы о расширяющемся сопле Лаваля, гибкой оси его турбин и о форме дисков.

Целый ряд выдающихся теоретиков, вслед за опубликованием первых сведений о турбине Лаваля, в течение ближайших лет посвятил себя исследованию задач, практически разрешенных гениальным изобретателем. Так, теория расширяющегося сопла была дана в 1899 году знаменитым немецким ученым Цейнером. Сначала она не получила общего признания и даже вызвала много возражений со стороны авторитетных исследователей. Но после появления работ Лоренца, Бюхнера, Прандтля и особенно Стодола она сделалась общепризнанной и легла в основу теории паровых турбин.

Гибкий вал турбины Лаваля возбудил с самого своего первого появления чрезвычайный интерес широких технических кругов. Уже в 1894–1895 годах появились первые теоретические работы Феппля и Дункерлея, посвященные ему. А затем вопрос этот создал обширную литературу, систематизированную и самостоятельно обработанную профессором Цюрихского политехникума — Стодола. Эти исследования повели к созданию методов расчета турбинных валов, которые полностью применяются и в настоящее время.

Наконец общая теория прочности быстро вращающегося диска была установлена Грюблером. Она привела к разработке целого ряда методов расчета турбинных дисков, развитых и систематизированных тем же Стодола, и составляет в настоящее время одну из главных частей конструктивной теории паровой турбины.

Итак, оказавшись сама по себе вполне работоспособной, турбина Лаваля, возбудив к себе огромный интерес частностями своей конструкции, чрезвычайно облегчила вообще пути дальнейшего развития турбостроения.

Независимыми от работ Лаваля проходили лишь первоначальные работы английского инженера Чарльза Парсонса, одновременно с Лавалем построившего реактивную турбину, произведшую решительный сдвиг в деле применения паровых турбин на электрических станциях.

Идя от аналогии водяной и паровой турбины, Парсонс совершенно правильно предположил, что, распределением падения давления пара на ряд простых турбин, можно добиться того, что результат, получаемый в каждой из них, будет приблизительно одинаковым с результатом, получаемым в турбине, где работает несжимаемая жидкость, например, вода, и что таким образом ряд этих простых турбин даст требуемый коэффициент полезного действия, равный приблизительно коэффициенту полезного действия водяной турбины.

Именно это распределение давления пара на ряд простых турбин, помещенных на одном валу, Парсонс и считал своим изобретением. В 1884 году он сконструировал свою турбину. Она состояла из ряда венцов, лопаток особой конструкции, помещавшихся на одном валу. Между этими вращающимися с валом рабочими лопатками помещались такие же неподвижные лопатки, укрепленные в кожухе турбины, но загнутые в противоположную сторону. Эти так называемые реактивные лопатки и являются основным изобретением Парсонса. Реактивные лопатки представляли собой тот аппарат, в котором происходило превращение потенциальной энергии пара в кинетическую и превращение ее в механическую работу вала турбины. Парсонс придал своим лопаткам такую форму, что сечения междулопаточных каналов уменьшаются по направлению течения пара, и таким образом лопатки образуют как бы насаженные на вал сопла, из которых, расширяясь, истекал пар, реактивной силой своей, как в эолипиле Герона, приводящий во вращательное движение венцы лопаток и вал.

Парсонс и его реактивная турбина

Механическая работа получается в таких турбинах столько же за счет реактивного действия паровой струи, сколько и за счет активного ее действия, т. е. степень реактивности равна половине,

Помещенные между рабочими движущимися лопатками лопатки неподвижные служат для того, чтобы направлять пар на рабочие лопатки следующего венца.

Таково было в общих чертах устройство этой реактивной турбины, построенной одновременно и совершенно независимо от лавалевской активной турбины. Основным достоинством турбины Парсонса было распределение давления пара на ряд ступеней, снижавших число оборотов турбины: для турбин Парсонса не было никакой нужды применять передачу. В те времена еще мало что знали о работе динамомашин, и потому Парсонс, первые турбины которого имели около 17 тысяч оборотов в минуту, не сомневаясь в успехе, соединил вал турбины с валом динамомашины и создал турбогенератор.

Изобретение турбины и соединение ее на одном валу с генератором вызывали восхищение и при тогдашнем уровне знаний рассматривались как величайшее изобретение.

Обладая большими материальными средствами, терпением и единой целеустремленностью, вложив в дело огромный конструкторский талант, Парсонс в течение всей своей жизни занимался вопросом турбостроения и добился огромных результатов: его турбины получили широкое распространение в качестве стационарных и судовых двигателей и достигли в своем развитии высокой экономичности при огромных мощностях, дошедших до 50 тысяч киловатт, т. е. до 66 тысяч лошадиных сил.

Хотя несомненно, что энергия, настойчивость и конструкторский талант Парсонса, как и некоторые черты его характера, имели огромное значение для успешного завершения его многолетней работы над созданием практически годной и выгодной турбины, все же решающую роль играли не личные достоинства изобретателя, а высокое развитие машиностроительной техники на родине Парсонса.

Если сепаратор Лаваля как нельзя более удовлетворял запросам шведской промышленности, чем и объясняется его успех, то состояние других отраслей промышленности на родине Лаваля, в особенности машиностроения, никак не могло способствовать успешному развитию и распространению изобретенной им турбины.

Не случайно, конечно, что с первого же момента своего появления турбины Лаваля возбудили к себе огромный интерес именно со стороны ученых и техников стран с высокоразвитой промышленностью и даже находили себе применение за пределами Швеции.

В совершенно других условиях проходила деятельность Парсонса, как равно и деятельность прямых продолжателей дела, начатого Лавалем, Кертиса, Рато и Целли.

Американский инженер и адвокат Чарльз-Гордон Кертис, занимаясь ведением патентных дел, пришел к мысли, изучив патенты Лаваля и Парсонса, что турбину Лаваля можно освободить от мешавшей ее развитию передачи, применив принцип ступеней, принятый Парсонсом, к активной турбине. В 1896 году он и взял патент на активную турбину со ступенями скорости и построил вслед затем турбину своей конструкции. Заброшенная таким образом Лавалем идея «скоростных серий», как называл он их в своих заметках, заново родилась на другом конце света и получила свое осуществление.

Кертис и его турбина со ступенями скорости

Кертис в своей турбине направил пар, отработавший в первом ряду лопаток, на второй ряд рабочих лопаток, сидящих на том же самом диске и таким образом, разлагая его энергию последовательно на два и на три ряда рабочих лопаток, создал ступени скорости. Ступени скорости понизили число оборотов турбины и сделали для турбины Лаваля ненужной зубчатую передачу.

Одновременно с Кертисом профессор Высшей политехнической школы в Париже, Огюст Рато, после многих теоретических расчетов и размышлений, разработал конструкцию активной турбины со ступенями давления, найденными Парсонсом. В 1900 году заводом Сотте — Гарле в Париже турбина Рато была построена. Цилиндр турбины был разделен на ряд камер специальными диафрагмами. В каждой камере помещалось одно рабочее колесо турбины, в лопатках которого пар и производил работу, заставляя вращаться колесо. Переходя из одной камеры в другую, пар расширялся в распределительных лопатках диафрагм, являвшихся своеобразными соплами Лаваля, и давление пара постепенно падало, так что в результате скорость вращения вала турбины снижалась до практически приемлемого числа оборотов и турбина не нуждалась в передаче.

Рато и его турбина со ступенями давления в 15 000 киловатт

Дальнейшие усовершенствования в турбину Рато внес швейцарский инженер Генрих Целли, сократив в ней число камер и тем самым сделав ее более удобной и менее громоздкой.

Целли и его турбина мощностью в 500 киловатт

С разрешением ряда основных вопросов турбостроения многочисленные предприятия, начавшие их производство, комбинируя отдельные достижения изобретателей, создали комбинированный тип турбины Рато — Целли с колесом Кертиса. Эти комбинированные турбины в настоящее время достигли огромных мощностей. Величайшая из турбинных установок в Чикаго на предприятиях «Гаммонд», построенная фирмой «Дженерал электрик компани», имеет мощность в 208 тысяч киловатт, или около 266 тысяч лош. сил.

Величайшая в мире паротурбинная установка в Чикаго мощностью в 208 000 киловатт

Клостерская идея Лаваля получила таким образом в руках пошедших по пути Лаваля современников исключительное развитие. Турбины не только создали турбогенераторы, — применение их в качестве судовых двигателей привело к созданию быстроходного флота; применение их в качестве стационарных двигателей привело к созданию теплосиловых установок, коэффициент полезного действия которых доходит до 85–90 процентов.

Эти теплосиловые установки, в основу которых кладется принцип использования отработавшего в турбине пара для других нужд производства, появились сравнительно недавно и стали возможны только после того, как техника перешла к использованию высоких давлений пара.

Замечательно, что и в этой области техники, стоящей сейчас в центре внимания научных технических кругов и мировой промышленности, первый шаг был сделан Лавалем.

Со щедростью и предвидением гения он извлекал из своего воображения, обогащенного знаниями, одну идею за другой и немедленно начинал их осуществление со свойственной ему решительностью и смелостью.

Не обладая единством своих устремлений, он оставлял их по большей части практически недоработанными, предоставляя другим вести дальнейшую черную, кропотливую работу с сопротивлением материалов, природы, среды, борьба с которыми требует людей другого характера, другого склада.