汽轮机。发明和生产的历史

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汽轮机是一种将蒸汽能转化为机械功的热机。

在汽轮机的叶片装置中，压缩和加热的水蒸汽的势能转化为动能，动能又转化为机械功——涡轮轴的旋转。来自蒸汽锅炉装置的蒸汽通过固定在转子圆周上的弯曲叶片上的导叶进入，并作用在它们上，使转子旋转。

汽轮机 CHP

随着水轮机，蒸汽轮机的发明和分布对能源和电气化具有重要意义。它们的工作原理类似于水力涡轮机，但不同的是，水轮机是由水射流驱动的，而蒸汽轮机是由热蒸汽射流驱动的。就像水轮机代表了水机历史上的一个新词一样，蒸汽机展示了蒸汽机的新可能性。

在 XNUMX 世纪第三季度庆祝其百年诞辰的旧瓦特机器效率低下，因为其旋转运动是以复杂且不合理的方式获得的。事实上，我们记得，这里的蒸汽并没有推动旋转的轮子本身，而是对活塞施加压力，从活塞通过连杆、连杆和曲柄，将运动传递到主轴。由于多次转移和转换，从燃料燃烧中获得的大部分能量，完全意义上的，毫无任何好处地飞到了管道中。

发明者不止一次尝试设计一种更简单、更经济的机器——蒸汽轮机，其中蒸汽射流将直接旋转叶轮。一个简单的计算表明，它的效率应该比瓦特的机器高几个数量级。然而，工程思想的道路上存在许多障碍。为了使涡轮机真正成为高效发动机，叶轮必须以非常高的速度旋转，每分钟旋转数百转。很长一段时间，这无法实现，因为他们不知道如何为蒸汽喷射提供适当的速度。

仅在 1883 年，瑞典人 Gustav Laval 设法克服了许多困难，并制造了第一台工作的蒸汽轮机。几年前，Laval 获得了牛奶分离器的专利。为了将其付诸实施，需要非常高速的驱动器。当时现有的引擎没有一个不能满足这项任务。拉瓦尔坚信只有蒸汽轮机才能为他提供所需的转速。他开始着手设计，最终实现了他想要的。 Laval 涡轮机是一个轻型轮子，在其叶片上通过几个锐角设置的喷嘴引入蒸汽。

拉瓦尔汽轮机

1889 年，拉瓦尔通过在喷嘴中添加锥形膨胀器显着改进了他的发明。这显着提高了涡轮机的效率，并将其变成了通用发动机。涡轮机的工作原理非常简单。加热到高温的蒸汽从锅炉通过蒸汽管到达喷嘴并喷出。在喷嘴中，蒸汽膨胀到大气压。由于伴随这种膨胀的体积增加，流出速率显着增加（当从 5 个大气压膨胀到 1 个大气压时，蒸汽射流的速度达到 770 m/s）。因此，蒸汽中包含的能量被传递到涡轮叶片。

喷嘴的数量和蒸汽压力决定了涡轮的功率。当排出的蒸汽不直接排放到空气中，而是像蒸汽机一样被送到冷凝器并在减压下液化时，涡轮机的功率最高。因此，当蒸汽从 5 个大气压膨胀到 1/10 个大气压时，射流速度达到了超音速值。

尽管看起来很简单，但拉瓦尔涡轮机是一个真正的工程奇迹。想象一下叶轮在其中所经历的负载就足以理解发明者从他的后代实现不间断运行是多么困难。在涡轮高速运转的情况下，即使重心的轻微移动也会导致轴上的强大负载和轴承过载。为了避免这种情况，Laval 提出了将车轮放在一个非常细的轴上的想法，该轴在旋转时可能会略微弯曲。当解开时，它本身会到达一个严格的中心位置，然后以任何旋转速度保持。由于这种巧妙的解决方案，对轴承的破坏性影响降至最低。

拉瓦尔涡轮机一经问世，便获得了普遍认可。它比老式蒸汽机经济得多，操作非常方便，占用空间小，安装和连接方便。拉伐尔涡轮机在连接到带有锯、分离器和离心泵的高速机器时带来了特别大的好处。它也成功地用作发电机的驱动器，但由于它的速度非常高，因此只能通过齿轮箱（一种齿轮系统，在将运动从涡轮轴传递到发电机轴）。

1884 年，英国工程师帕森斯获得了多级喷气涡轮机的专利，这是他专门为驱动发电机而发明的。 1885年，他设计了一种多级喷气涡轮机，后来被广泛用于火力发电厂。她有以下装置，让人想起喷气涡轮装置。一排带叶片的旋转轮安装在中心轴上。在这些轮子之间是固定的轮辋（圆盘），带有相反方向的刀片。

汽轮机
帕森斯涡轮机

高压蒸汽被供应到涡轮机的一端。另一端的压力很小（低于大气压）。因此，蒸汽试图通过涡轮机。首先，他在第一冠的肩胛骨之间的缝隙中行动。这些刀片将其引导至第一个可移动轮的刀片。蒸汽在它们之间通过，导致车轮转动。然后他进入了第二冠。第二冠的叶片在第二可动轮的叶片之间引导蒸汽，第二可动轮也开始旋转。从第二个活动轮，蒸汽在第三个冠的叶片之间流动，依此类推。所有叶片都具有这样的形状，即叶片间通道的横截面沿蒸汽流动方向减小。可以说，叶片形成了安装在轴上的喷嘴，蒸汽从这些喷嘴中膨胀流出。这里使用了有功功率和无功功率。旋转，所有的轮子都转动涡轮轴。在外面，该设备被封装在一个坚固的外壳中。

1889 年，大约有 1899 台这样的涡轮机已经用于发电，1894 年，第一个配备帕森斯蒸汽涡轮机的发电站在埃尔伯费尔德建成。与此同时，帕森斯试图扩大他的发明范围。 60年，他建造了一艘由蒸汽轮机驱动的实验船“Turbinia”。在测试中，它展示了创纪录的 XNUMX 公里/小时的速度。此后，蒸汽轮机开始安装在许多高速船舶上。

作者：Ryzhov K.V.

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