Густав Лаваль

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.