Турбины ℹ️ определение, история изобретения и создатель, виды, устройство и конструкция парового двигателя, применение изобретения и развитие турбостроения

Устройство и принцип работы турбины

Турбина (от латинского «турбо» в русском переводе — смерч, круговое движение) — двигатель, когда при вращающемся роторе энергия пара, воды и газа преобразуется в механическую работу.

Когда потоки воды или пара воздействуют на специальные звенья — лопасти, они начинают двигаться. Лопасти расположены по всему диаметру ротора.

Рассмотрим пример водяного колеса, на нем закреплены лопасти и по нему течет струя воды.

Колесо начинает вращаться под действием центробежной силы.

Если направление потока воды, пара или газа идет параллельно оси турбины, они называются осевыми, а если перпендикулярно — радиальными.

Он используется как часть двигателя и увеличивает его мощность. Он широко используется в автомобилях. На электростанциях он приводит в действие электрогенератор.

Виды турбин

Виды определяются исходя из вида энергии, которая в них преобразуется — на основе пара или на основе газа:

  1. Паровая турбина: нагретый водяной пар расширяется и, попадая в поток, вращает ротор. Паровые потоки действуют на лопасти, двигаясь. Помимо электроэнергии, эти турбины могут также вырабатывать тепловую энергию.
  2. Газовая турбина: в ней сжатый и нагретый газ преобразуется в механическую работу на валу. Он состоит из лопаток, прикрепленных к дискам (ротору) и направляющих лопаток, которые закреплены в корпусе (статоре).

Под давлением и при высокой температуре газ проходит через сопловое устройство в области низкого давления, расширяется и ускоряется более сильно по пути. После того, как газовый поток достигает лопастей, он отдает часть своей кинетической энергии.

Лопасти передают крутящий момент через диски на вал. Газовая турбина вращает вал генератора, и в этом проявляется ее эффективность. Используется в когенерационных установках.

Турбина Бранки

история изобретения турбин вкратце

В начале 1629 года изобретатель и механик Джованни Бранки собрал первую паровую турбину. Принцип действия основан на преобразовании потенциальной энергии пара в кинетическую энергию и выполнении полезной работы. Суть его изобретения заключалась в том, что струя пара своим давлением приводила в движение колесо с лопастями, подобное колесу водяной мельницы. Но турбины этого типа имели очень ограниченную мощность, так как невозможно было создать высокое давление струи. Таким образом, после долгой паузы история изобретения паровой турбины возобновляет новый цикл.

Значение слова турбина

Количество паротурбинных агрегатов (ПТА), главных турбо-редукторных агрегатов (ГТЗА), паровых двигателей (ПМ) (количество и тип турбин в каждом агрегате: турбина высокого давления (ТВД); турбина среднего давления (ТСД))); турбина низкого давления (ТНД); турбина с крейсерской ступенью (Т с КрСт); круизная турбина (КрТ), компания или организация-разработчик — мощность механизмов в лошадиных силах (л.с.) (сумма договорных или приемочных испытаний) количество машинных залов (МО), количество котлов (рабочее давление; температура; тип и модификация; топливо) количество котельных по КО.

Количество паровых турбин (ПТА); главные редукторы турбины (ГТЗА); паровые машины (ПД) с указанием количества турбин и типа паровых турбин в каждом из агрегатов: турбина высокого давления (ТВД); турбина среднего давления (ТСД); турбина низкого давления (ТНД); турбина с крейсерской ступенью (Т с КрСт); круизная турбина (Т КрХ).

Немного уступают «транспортным результатам» открытия, которые условно можно объединить темой «Рабочие инструменты» (14 изобретений), «Гончарное колесо», «Рычаг, глыба и наклонная плоскость», «Мельница», «Механические часы», «Вертушка», «Опора», «Паровой молот», «Прокатный стан», «Гидравлический пресс», Автомат «Соковыжималка для бутылок» и «Робот». На третьем месте (10 изобретений) оказались достижения в разработке новых материалов. (главы «Камень для сверления, распиловки и шлифования», «Бронза», «Чугун», «Бумага», «Доменная печь», «Стальное литье», «Железобетон», «Электролиз алюминия», «Синтетический каучук» и » Пластмассы »), а также по четвертым 8 изобретениям в области энергетики (главы« Паровой двигатель »,« Электрогенератор »,« Гидротурбина »,« Паровая турбина »,« Газовый и бензиновый двигатель »,« Двигатель электрический »,» Дизель »и« Атомная электростанция»).

иначе сложно объяснить, что ресурс второго гидроагрегата практически истек по всем техническим параметрам, но не заказана новая турбина и не разработан план мероприятий по дальнейшей безопасной эксплуатации турбины, который дошел до конца своей жизни »

развивала 2435 об / мин (турбина высокого давления) и 1568 об / мин (низкое давление), а одноступенчатый редуктор использовался для передачи вращения на вал, который находился в отдельном отсеке между обоими отсеками турбины.

Рабочие и инженеры Красного Путиловца (Кировский завод) создали первый советский трактор, первая советская турбина родилась в цехах металлургического завода, первое советское цветковое растение на Ижорском заводе.

Краткий исторический обзор развития турбин

Попытки изобрести турбины предпринимались постоянно. Первые результаты датируются I веком нашей эры, а идея паровой турбины сохранилась до наших дней.

Кратко рассмотрим этапы создания в хронологическом порядке.

130 г н.э. — эта дата является самым ранним упоминанием об изобретении паровой турбины, о котором сохранились документальные свидетельства. Греческий цапля Александрийский, математик и механик, спроектировал и построил простейшую турбину и дал ей название «эолипил».

Эолипил выглядел так: полностью залатанный котел, на поверхности которого торчали две трубы. На этих трубах был установлен полый шар, а на нем были две насадки в форме буквы «L». В котел наливали воду, которую затем нагревали над огнем.

Как только температура воды повышалась, появлялся пар, который по трубам проходил в шар, под воздействием выталкивался из форсунок, и шар начинал вращаться. Но во времена Герона изобретение не получило признания, поскольку эолипил не нашел практического применения, поэтому они относились к нему как к игрушке.

1500 г. — итальянский ученый и изобретатель Леонардо да Винчи упомянул в своих работах устройство, напоминающее турбину. С помощью огня нагревается воздух, что приводит к вращению лопастей.

1551 — Сириец из Дамаска Таги ад-Дин описывает турбинный механизм в своем докладе «Высокие методы воздушных машин». Устройство было устроено следующим образом: закрытый медный котел наполнялся водой и доводился до кипения на огне.

Струя пара из сопла подавалась на колесо, которое вращало вертел для барбекю. В Германии в музее Института истории исламской науки хранится копия этого аппарата.

1629 — итальянский инженер Джованни Бранк строит прототип мельницы. Идея заключалась в том, что мощный поток заставлял турбину вращаться.

1678 — Фламандский Фердинанд Вербист изобретает подобие самоходной машины на основе парового двигателя. Но подтверждений этому нет.

1791 г. — английский ученый Джон Барбер запатентовал настоящую газовую турбину. Он мог работать на нефти, угле и дереве.

1872 г. Франц Штольц из Венгрии изобретает первый газотурбинный двигатель.

1890 — Конструктор Густав де Лаваль разрабатывает сопло. Он использовался для подачи пара на турбину.

1894 — Британец Чарльз Парсонс патентует концепцию парохода, приводимого в движение турбиной.

1895 г. — в Великобритании освещены Кембриджские бульвары, рабочие установили три 4-тонных генератора мощностью сто киловатт.

1903 — Скандинав Эгидиус Эллинг первым построил газовую турбину. Он производил больше энергии, чем необходимо для себя, но этот факт игнорировался.

1913 — Его турбина запатентована инженером и изобретателем Никой Тесла. Он не был похож на все предыдущие изобретения, у него не было лопастей, и его принцип был основан на принципе пограничных слоев.

1918 г. — американская марка General Electric первой наладила собственное производство.

1920 г. — британский ученый Алан Гриффит изменяет принцип течения газа через аэродинамическую плоскость.

1930 — Британский ученый Фрэнк Уиттл изобретает реактивную газовую турбину. А весной 1937 года были сданы первые испытания.

1934 — Рауль Патерас Пескара из Аргентины создает поршневой двигатель, который является источником энергии для газовой турбины.

1936 г. — группа немецких ученых М. Хана и Х фон Охайна одновременно с британцем Фрэнком Уиттлом разработала двигатель на основе реактивной турбины.

Современный мир не может обойтись без использования турбин, и с каждым днем ​​их роль все больше возрастает. Эти устройства надежны, модернизированы и работают на благо мирового населения, ведь наука не стоит на месте и возможны новые открытия в истории развития турбиностроения.

Типы турбин

На данный момент существует несколько популярных типов компрессоров:

  • Отдельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для выхлопных газов. Первая насадка предназначена для быстрого реагирования, вторая — для максимальной производительности. Конструкция имеет разделенные розетки. Это сделано, чтобы избежать перекрытия каналов при выходе выхлопных газов.
  • Компрессор с регулируемым соплом. Она также известна как турбина с изменяемой геометрией. Используется на двигателях марки Volkswagen TDI. В конструкции 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать подачу выхлопных газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется, что позволяет согласовать принудительное давление воздуха и скорость движения газов со скоростью двигателя внутреннего сгорания.

Для большей производительности на автомобиль можно установить два компрессора. Эти системы получили название «Twin-Turbo».

принцип работы турбины
Эти механизмы устанавливаются последовательно. В этом случае первая турбина работает на малых оборотах, а вторая — на высоких. На V-образных двигателях вентиляторы устанавливаются параллельно (по одной турбине на ряд). Как показывает практика, установка двух маленьких компрессоров намного эффективнее, чем использование одного, но большого.

Основная часть парового двигателя

авиационная турбина

Паровые механизмы образуются так же, как и газовые, с помощью ротора и статора. На первом закреплены лопасти, которые могут двигаться, а на последнем — неспособные.

Движение потока происходит по осевой или радиальной форме, которая зависит от типа направления потоков пара. Осевая форма характеризуется движением пара по периметру оси, которой обладает турбина. В радиальной турбине паровые потоки движутся перпендикулярно. В этом случае лопасти размещаются параллельно оси, вдоль которой происходит вращение. Они могут иметь от одного до пяти цилиндров. Количество деревьев тоже может быть разным. Есть устройства с одним, двумя или тремя валами.

Корпус представляет собой неподвижную часть, называемую статором. Он имеет ряд углублений, в которых устанавливаются диафрагмы, с разъемами, соответствующими плоскости корпуса турбины. По их периферии размещается ряд сопловых каналов (решеток), которые образованы изогнутыми лопастями, залитыми в диафрагму или приваренными к ней.

Тепловые двигатели

Тепловая турбина преобразует работу, выполняемую паром, в механическую работу. Внутри лопаточного устройства потенциальная энергия пара в нагретом и сжатом состоянии преобразуется в кинетическую форму. Последняя, ​​в свою очередь, преобразуется в механическую и определяет вращение вала.

Пар подается через паровой котел и направляется к каждой изогнутой лопасти, закрепленной по окружности ротора. Затем на него воздействует пар, и вместе лопасти вращают ротор. Паровая турбина — элемент СТЮ. Турбинный агрегат образован путем совмещения работы паровой турбины и электрогенератора.

Шар Соломона

Кроме того, история изобретения турбин развивалась не так быстро. К сожалению, большинство изобретений древних греков остались забытыми и не нашли дальнейшего применения. Только в начале 17 века описано нечто похожее на паровую машину, хотя и очень примитивное. Французский ученый-изобретатель Соломон де Кау в своих трудах описывает полую металлическую сферу с двумя трубами, одна из которых служит для подачи, а другая — для отвода воды. А если мяч нагреть, вода по трубке начнет двигаться вверх.

Турбина в промышленности

В течение 5 лет, начиная с 1884 года, независимо друг от друга швед Карл Густав де Лаваль и ирландец Чарльз Парсонс работали над созданием паровой турбины, пригодной для использования в промышленности. Лаваль изобрел расширяемое сопло, которое значительно увеличило скорость выходящего пара, и, как следствие, скорость вращения ротора турбины также увеличилась.

история изобретения паровых турбин
Но благодаря изобретению Лаваля удалось получить лишь небольшую выходную мощность, порядка 500 кВт. Его паровые турбины изначально нашли широкое распространение, но вскоре были заменены более мощными агрегатами другого типа.

Труды Густава Лаваля

Первым создателем паровой турбины был шведский изобретатель Густав Лаваль. Бытует мнение, что желание создать самодельный молочный сепаратор с механическим воздействием, выполняемым без прямого вмешательства человека, привело его к созданию такого механизма. Двигатели того времени не позволяли создать необходимую скорость вращения.

Пар служил рабочим телом в машине Лаваля. В 1889 году он произвел дополнения к турбинным соплам, для которых поставил конические расширители. Его работа стала инженерным прорывом, и это очевидно, потому что анализ величины нагрузки, приложенной к крыльчатке, показывает, что она была суперсильной. Такой удар, даже при малейшем нарушении, приведет к нарушению удержания центра тяжести и вызовет немедленные проблемы в работе подшипника. Изобретателю удалось избежать этой проблемы, используя тонкую ось, которая изгибается во время вращения.

Ремонт турбокомпрессора своими руками причины неисправностей и инструкция

Всего десять лет назад автомобильный турбокомпрессор перешел из разряда особого шика, присущего только избранным автомобилям, в разряд необходимой детали для каждого автомобиля. Он служит для увеличения мощности двигателя и помогает снизить расход топлива. Эти параметры становятся все более популярными при выборе автомобиля. Поэтому сегодня каждому водителю необходимо знать устройство турбокомпрессора и уметь разбираться в его неисправностях, чтобы вовремя сориентироваться и диагностировать неисправность своего автомобиля. Помимо устройства турбонагнетателя следует также знать характеристики своей модели автомобиля, для этого следует ознакомиться с инструкциями по ремонту и эксплуатации своего автомобиля, например, инструкциями по ремонту ГАЗ 3110 и Шевроле Ланос.

Паровой бум

В 1825 году инженер-изобретатель Ричард Трейвисик попытался установить на колесо паровоза два сопла и пропустить через них пар высокого давления. На тех же принципах была построена лесопилка, построенная американским механиком У. Эйвери. Многие авторы хотели, чтобы история изобретения турбины также сохранила их имена. Только в Англии за более чем 20 лет были выданы патенты на более чем 100 изобретений, касающихся паровых турбин или принципов их работы.

Чарлз Парсонс и его работа

Чарльз Парсонс получил патент на изобретение первой многоступенчатой ​​турбины, и он сделал это в 1884 году. Приведение в действие механизма приводит в движение устройство электрического генератора. Год спустя, в 1885 году, он модифицировал свою версию, которая стала широко распространяться и использоваться на электростанциях. Устройство имело выравнивающее устройство, которое образовывалось венцами с лопатками турбины, направленными в противоположную сторону. Сами короны оставались неподвижными. Механизм имел 3 ступени с разными показателями силы нажатия и геометрическими параметрами лопастей, а также способами их установки. Турбина использовала как активную, так и реактивную мощность.

Реактивная турбина

История паровых турбин включает также изобретение многоступенчатой ​​реактивной турбины Парсонса. Отличие этого изобретения заключалось в более низкой скорости вращения и максимальном использовании энергии пара. Столь существенные изменения были достигнуты благодаря тому, что пар постепенно расширялся, проходя в турбинной системе 15 ступеней. Поэтому труды ученого нашли практическое применение в промышленности. На этом завершается рассказ об изобретении турбин, кратко описываются главные герои прошлого, приверженные решению этой важной проблемы. С тех пор турбина Парсонса претерпела огромное количество модификаций и улучшений, но тем не менее основные принципы остались неизменными.

Хронологические данные событий

Давайте теперь посмотрим на некоторые события, связанные с историей изобретения турбины:

  • В I веке н. NS. Герон Александрийский попытался создать паровую турбину, но в течение нескольких столетий она не изучалась из-за ошибочного мнения, что идея была нежизнеспособной.
  • В 1500-х годах можно найти упоминание о «дымовом зонтике» — устройстве, которое поднимает потоки горячего воздуха из пламени через соединенные между собой лезвия и поворачивает вертел.
  • Джованни Бранка в 1629 году создал турбину, лопасти которой поднимались под действием сильной струи пара.
  • В 1791 году Джон Барбер, выходец из Англии, получил право владеть патентом, который позволил ему стать первым владельцем и создателем современной газовой турбины.
  • Водяные турбины были впервые созданы в 1832 году французским ученым Бурденом.
  • В 1894 году была запатентована идея корабля с паровой турбиной, и сэр К. Парсонс стал его владельцем.
  • 1903: Эгидиус Эллинг из Норвегии построил первую в своем роде газотурбинную систему, способную передавать больше энергии, чем требуется для внутреннего обслуживания компонентов турбины. Эта технология была значительным прорывом того времени. Проблемы были вызваны недостаточным уровнем развития термодинамических знаний, но они преодолены.
  • В 1913 году Никола Тесла получил патент на турбину, работающую на основе эффекта пограничного слоя.
  • 1920: Практическая теория течения газового потока через каналы позволила сформулировать четкие данные для развития теоретического понимания процесса течения, в котором газ движется вдоль аэродинамической плоскости. Эту работу выполнил доктор А.А. Гриффитс.
  • Для самолета реактивная турбина была разработана сэром Ф. Уиттлом, а сам двигатель был успешно испытан в апреле 1937 года.

Механизм газовой турбины

Работа турбины осуществляется при пропускании через сопловой аппарат газа под давлением внутрь корпуса, в тех местах, где он небольшой. В этом случае молекулы газа расширяются и ускоряются. Затем они ударяются о поверхность лопастей ротора и передают им процент своей кинетической энергии. Есть сообщение от пары лезвий.

Механическая конструкция газовой турбины может быть намного проще, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Современные турбореактивные двигатели могут иметь несколько валов и сотни лопастей как на стартере, так и на валу. Один из примеров — авиационные турбины. Их особенностью также является наличие сложного расположения труб, теплообменников и камер, предназначенных для горения.

И радиальные, и упорные подшипники являются критическим элементом в этой конструкции. Традиционно использовались гидродинамические шарикоподшипники или шарикоподшипники с масляным охлаждением, но вскоре их обошли и воздушные подшипники. По сей день они используются для создания микротурбин.

турбина что это

Чарльз Алджернон Парсонс

Чарльз Парсонс родился в 1854 году и получил классическое английское образование в Кембриджском университете. Он выбрал машиностроение в качестве своей профессии и в 1976 году начал работать на заводе Армстронг в Ньюкасле. Талант и изобретательность дизайнера в сочетании с финансовыми возможностями его родителей позволили Парсонсу быстро возглавить собственный бизнес. Уже в 1883 году он был совладельцем фирмы «Кларк, Чепмен, Парсонс и Ко» а в 1889 г. — владелец собственного турбинно-динамо-завода в Гитоне.

Парсонс построил первую многоступенчатую паровую турбину струйного типа в 1884 году. Она ни в коем случае не предназначалась для привода относительно маломощных сепараторов, а для работы в сочетании с электрическим генератором. Поэтому с самого первого шага Парсонс правильно предсказал одну из наиболее перспективных областей применения паровых турбин и не стал искать потребителей для своего изобретения в будущем. Чтобы уравновесить осевое усилие, пар подавался к центру вала турбины, а затем стекал к его концам. Первая паровая турбина Парсонса имела мощность всего 6 л.с и подвергалась различным испытаниям. Основными трудностями были разработка рациональной конструкции лопаток и способов их крепления в диске, а также поставка прокладок. Уже в проекте 1887 года Парсонс использовал лабиринтные уплотнения, которые позволили перейти на турбины с однонаправленным потоком пара. В 1889 году количество построенных турбин превысило 300 единиц, их мощность еще не достигла 100 л.с при частоте вращения около 5000 об / мин. Такие турбины в основном использовались для привода электрогенераторов.

Отношения между партнерами Кларка, Chapman, Parsons & Co были далеко не мирными, и Парсонс был вынужден уйти, оставив своим бывшим коллегам и часть авторских прав, которые формально принадлежали компании. В связи с этим он надолго отказался от создания активных (защищенных патентом) турбин и перешел к разработке многоступенчатых радиальных турбин. Усовершенствовав этот тип, конструктору удалось добиться впечатляющих результатов. Таким образом, он снизил удельный расход пара с 44 до 12,7 кг / кВт · ч, но в то же время понял, что предыдущий тип осевой турбины был еще более перспективным. Начиная с 1894 года, после восстановления прав на патент, Парсонс возобновил работу с этими турбинами.

На своем заводе он испробовал самые разные материалы турбинных лопаток, но выбрал бронзу для насыщенного и умеренно перегретого пара, чистую медь для части высокого давления и никелевую бронзу для сильно перегретого пара. Кроме того, были проведены обширные исследования по созданию рациональной конструкции регулятора подачи пара. Чтобы повысить точность, Парсонс применил принцип прерывистого реле для уменьшения трения. Параллельно были внесены другие усовершенствования, которые вместе привели к снижению удельного расхода пара до 9,2 кг / кВтч для турбины мощностью 400 кВт, произведенной в 1896 году.

Компоненты, составляющие конструкцию турбокомпрессора

Кроме того, следует отметить, что температура выхлопных газов бензиновых двигателей намного выше, чем этот параметр для дизельных двигателей, и, как следствие, турбокомпрессоры для дизельных двигателей, при аналогичной конструкции, имеют меньшую, но меньшую теплоотдачу — стойкие материалы. Поэтому мы не рекомендуем использовать дизельные турбокомпрессоры на бензиновом двигателе: вы зря потратите деньги…

Каков принцип работы системы турбонаддува?

Мощность двигателя пропорциональна количеству воздуха и топлива, которые могут попасть в цилиндры. При прочих равных, более крупные двигатели потребляют больше воздушного потока и, как следствие, вырабатывают больше мощности. Если мы хотим, чтобы наш детский двигатель работал так же, как и двигатель-герой, или если нам не нужен маленький двигатель для получения еще большей мощности, наша цель — «протолкнуть» больше воздуха в цилиндр. Установив турбонагнетатель, мы можем значительно повысить производительность двигателя.

Так как же турбо «проталкивает» больше воздуха в двигатель? Начнем с просмотра диаграммы ниже:

1. Впуск «холодной части» турбокомпрессора (также называемый нагнетателем)

2. Выход «холодной части» турбонагнетателя (также называемого компрессором)

3. Интеркулер (интеркулер — интеркулер)

4. Впускной клапан головки цилиндров

5. Выпускной клапан головки цилиндров

6. Впуск «горячей части» турбокомпрессора (он же турбина)

7. Выход «горячей части» турбонагнетателя (он же турбина)

Оцените статью
Блог об изобретениях прошлого