Использование: в энергомашиностроении при проектировании паросиловых установок поршневого типа. Сущность изобретения: поршневой паровой двигатель содержит рабочий цилиндр с поршнем и соединенные с ним конденсатор, насос-дозатор и теплопередающее устройство, вход которого соединен с насосом дозатором, а выход - с рабочим цилиндром с образованием замкнутого контура циркуляции рабочего тела. Причем теплопередающее устройство выполнено в виде теплообменника-аккумулятора капиллярного типа, а в качестве рабочего тела использована вода, нагретая до температуры выше критической. 1 ил.
Изобретение относится к энергомашиностроению и касается усовершенствования поршневых паровых двигателей.
Наиболее близким к изобретению является поршневой паровой двигатель с насосом-дозатором [1] Недостатком данного двигателя является сложная конструкция Задачей изобретения является упрощение конструкции. Поставленная задача решается за счет усовершенствования теплопередающего устройства и выполнения его в виде теплообменника-аккумулятора капиллярного типа. Изобретение поясняется чертежом. Двигатель содержит насос-дозатор 1, теплообменник-аккумулятор 3, цилиндр с поршнем 4, конденсатор 5, источник тепла 2. Узлы, работа, примерные параметры двигателя. Насос-дозатор высокого давления предназначен подавать воду порциями в тепловой аккумулятор-теплообменник синхронно и синфазно движению рабочего поршня. Вода поступает в насос из конденсатора при температуре несколько ниже 100 градусов. Меняя производительность насоса можно менять мощность двигателя. Тепловой аккумулятор-теплообменник предназначен для накопления и хранения тепловой энергии с возможностью с любой момент вернуть ее в штатном или формированном режиме. В качестве хранителя тепловой энергии является скрытая теплота плавления вещества. А реализовано в виде ванны с расплавленным веществом с температурой плавления несколько выше критической температуры воды, то есть 374oС. Нагрев ванны производится любым внешним источником тепла, превышающим по температуре точку плавления вещества. Через ванну с расплавом проходят капиллярные трубки, одиночные или пучками, в зависимости от мощности. Для каждого цилиндра в отдельности, как и насос-дозатор. Внешняя поверхность капиллярной трубки, принимающая тепло от ванны, значительно больше поверхности столба проходящей в канале воды, что позволяет концентрировать тепловую энергию. Насосдозатор закачивает воду порциями в тепловой аккумулятор при температуре ниже 100oС, а из теплового аккумулятора вода, нагретая выше критической температуры, то есть 374oС, поступает в рабочий цилиндр синхронно и синфазно движению рабочего поршня, где мгновенно превращается в пар. В рабочем цилиндре поршень под давлением пара движется, при этом давление пара и температура падают. В конце рабочего хода открывается окно в конденсатор, и пар при температуре несколько выше 100oС, достаточной для транспортировки поступает в конденсатор, где и превращается в воду. Из конденсатора вода поступает в насос-дозатор. Вся система двигателя замкнута (герметична). В отличие от электрохимических аккумуляторов в двигателе не предусматриваются (исключаются) тяжелые металлы: свинец, кадмий, никель, а также кислоты и щелочи. Тепловой аккумулятор может работать в режиме заряд-разряд и буферном режиме.РИСУНКИ
Рисунок 1Похожие патенты:
Изобретение относится к устройствам, приводимым в действие энергией струи рабочей среды, а именно к паротурбинным устройствам
Изобретение относится к области силовых установок, преимущественно газотурбинных, использующих в качестве рабочего тела пар, генерируемый путем непосредственного перемешивания балластировочного компонента с горячим газом продуктом сгорания водорода в кислороде, а более конкретно, к конструкциям парогенераторов
Изобретение относится к производству тепловой и электрической энергии, наиболее конкретно к паротурбинным установкам, использующим циркуляционные системы охлаждения с градирнями
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по замкнутому регенеративному циклу
Изобретение относится к промышленной теплоэнергетике и может быть использовано при создании и реконструкции парогазовых установок для производства электроэнергии и тепла, работающих на природном газе, преимущественно метане
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по замкнутому регенеративному циклу со сменой агрегатного состояния рабочего тела
Изобретение относится к конструкциям компрессоров динамического действия лопаточного типа, а конкретнее к паровоздушным компрессорам
Изобретение относится к области двигателестроения
Изобретение относится к области автомобилестроения в качестве расширительного устройства, которое производит дополнительную работу для приводной системы
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к паровым прямоточным двигателям, предназначенным для получения электроэнергии и привода машин и механизмов. Содержит корпус, в котором расположен цилиндр с поршнем, соединенным через кривошипно-шатунный механизм с валом двигателя. На торце цилиндра закреплен корпус золотника для впуска пара. В корпусе золотника подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для впуска пара. Впускные паропроводы двигателя сообщены с полостью корпуса золотника и полостью золотника для впуска пара. На торце цилиндра закреплен второй корпус золотника для выпуска пара, в котором подвижно установлен выполненный в виде трубки золотник для выпуска пара, при этом корпус золотника для выпуска пара имеет выпускные паропроводы, сообщенные с полостями второго корпуса и второго золотника. В золотниках выполнены верхние и нижние отверстия, а в корпусах золотников выполнены верхние и нижние отверстия для выпуска пара. Золотник для впуска пара выполнен с глухим верхним торцом. Повышается компактность и упрощается конструкция двигателя. 4 ил.
Устройство относится к двигателестроению, а именно к аксиально-поршневым двигателям с односторонним действием поршней в цилиндрах. В корпусе двигателя размещены от одного до восьми аксиально поршневых цилиндров, зафиксированных шарнирным соединением у основания, для регулирования угла наклона цилиндра во время совершения возвратно-поступательных движений поршней с закрепленными на них поршневыми штоками, шарнирно закрепленных на поршневых рычагах наклонного диска. Поршневой шток помещен в направляющую, зафиксированную в верхней части цилиндра для обеспечения выравнивания поршневых дисков внутри цилиндров. Наклонный диск имеет центральную точку качания, установленную на гибком или Z-образном коленчатом валу. Работой клапанов управляют рычаги, соединенные при помощи шатунов, шарнирно закрепленных на клапанных рычагах, расположенных на наклонном диске. Клапанные шатуны посредством кривошипа соединены с клапанами распределения рабочей смеси в основании цилиндра, при этом точка крепления шатуна на наклонном диске смещена на 90 градусов относительно точки крепления приводного штока поршня, связанного с ним цилиндра. Обеспечивается точная синхронизация фаз впуска и выпуска рабочей смеси клапанами для любого хода поршня. 6 ил.
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в парогазовых установках (ПГУ) со сбросом газов газовых турбин (ГТ) в котел, предназначенных преимущественно для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии
Изобретение относится к паровым двигателям
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии с помощью теплоты внешнего теплоносителя, а также теплоты, аккумулированной в химическом и органическом топливе
Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в механическую с использованием рабочей жидкости, в частности, с целью генерирования электроэнергии, однако не ограничивается этим применением
Поршневой паровой двигатель, паровой поршневой насос
www.findpatent.ru
РОТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
(1629-1940гг.)
Родоначальником роторных двигателей (турбин) можно считать уже известного нам Герона Александрийского (II в. до н. э.). Имеются сведения, что в одном из его автоматов турбинка служила для перемещения символических фигурок на алтаре. Есть основание полагать, что это была обращенная, т. е. работающая на обратном движении воздуха, реактивная турбина. Позднее широко применялся “дымовой вертел”, представлявший собой турбинное колесо, подобное ветряку (рис. 1). Это колесо устанавливалось в дымоходе печи и вращалось потоком дымовых газов. От вала колеса обычно через передачу приводился во вращение вертел для поджаривания мяса.
В 1629 г. в Риме вышла книга Джованни Бранка“Le machine”. На рис. 2 воспроизведена картинка со стр. 25 этой книги, где показано паровое колесо — повидимому, первое изображение активной паровой турбины. Паровой котел выполнен в виде сосуда с человеческой головой. В рот “головы” вставлена трубка, через которую струя пара подавалась на лопатки рабочего колеса турбины. Вода в котел периодически заливалась через завинчивающуюся пробку (колечко на “голове” котла). От вертикального вала рабочего колеса через двухступенчатую зубчатую передачу приводился во вращение барабан, который перемещал пестики ступок так называемой толчеи. Бранка понимал, что частота вращения турбины должна быть во много раз больше, чем у барабана, и использовал в своем редукторе зубчатые называемые цевочные) колеса, которые издавна применялись в ветряных и водяных мельницах.
Первый патент на газовую турбину (вернее, газотурбинный двигатель) был выдан в 1791г. англичанину Джону Барберу. В двигателе Барбера топливо получалось путем перегонки из угля, нефти, дерева и т. п. Горючий газ поршневым компрессором подавался в камеру сгорания, куда таким же компрессором нагнетался воздух. Продукты сгорания поступали в осевую активную газовую турбину, которая через механическую передачу из цепей и балансиров приводила упомянутые компрессоры. Двигатель Барбера, таким образом, содержал все основные элементы газотурбинного двигателя. Была даже предусмотрена система водяного охлаждения турбины. Однако конструкция отдельных элементов свидетельствует о крайне низком уровне знаний в этой области.
В 1837 г. француз Брессон запатентовал газотурбинный двигатель, в котором для сжатия воздуха использовался вентилятор, что было некоторым прогрессом по сравнению с предположением Барбера. Многие изобретатели в то время уже понимали необходимость охлаждения продуктов сгорания перед турбиной, для чего использовалась либо вода (Д. Барбер, В. Фернихоу), либо воздух (Брессон).
В 1848 г. было предложено ван Ратеном (английский патент) расширяющееся сопло, в котором могут быть получены сверхзвуковые скорости.
В 1872г. немецким инженером Штольце была запатентована “огненная турбина”, очень похожая на современные газотурбинные двигатели. Двигатель Штольце (рис. 3) содержал единый ротор, на котором были укреплены лопатки осевого многоступенчатого компрессора и осевой многоступенчатой турбины. Воздух, сжатый компрессором, подогревался вначале в регенеративном теплообменнике, затем подавался в камеру сгорания. Здесь меньшая часть воздуха, так называемый первичный воздух, смешивался с топливом и участвовал в его сжигании. Остальной (вторичный) воздух смешивался с продуктами сгорания, в результате чего температура газа, поступавшего на турбину, снижалась до допустимой величины. Именно этот прием применяется в современных двигателях для охлаждения продуктов сгорания. Штольце, по-видимому, первым применил в газовой турбине регенеративный теплообменник, в котором газы, покидающие турбину, нагревали воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания. Штольце предлагал также охлаждать воздух в компрессоре для обеспечения изотермического сжатия, как в цикле Карно. Необходимо отметить, что регенератор был изобретен еще Стирлингом, охлаждение продуктов сгорания путем смешения со вторичным воздухом предлагал ранее Брессон. Заслуга Штольце в том, что он соединил эти элементы в одном двигателе, создал и испытал его. Правда, испытания состоялись только в 1900—1904 гг. и не дали благоприятных результатов. КПД двигателя был очень низким в связи с неэффективностью компрессора и недостаточно высокой температурой перед газовой турбиной.
В 1883 г. Густав Лаваль взял английский патент на “Турбину, работающую паром и водой”. Идея беспоршневого двигателя - реактивной турбины, подобно эолипилу Герона, возникла у Лаваля при испытаниях пескоструйных аппаратов. Вскоре турбина была изготовлена (рис. 4). Ее ротор представлял собой отлитую из бронзы S-образную обтекаемую трубку с соплами на концах. Втулка ротора насажена на полый вал, по которому к трубке подавался пар. Испытания показали, что турбина надежно работает на частотах вращения до 42 000 об/мин при окружной скорости 200 м/с, однако имеет низкий кпд. Попытки усовершенствовать турбину результатов не принесли.
В чем же была причина низкой экономичности первой турбины Лаваля? Обратимся к рис. 4. В таких турбинах происходит преобразование кинетической энергии газа в механическую работу на валу турбины. Очевидно, мера преобразования кинетической энергии в механическую будет тем выше, чем меньшей кинетической энергией обладает газ, покидающий турбину. Эта остаточная энергия, пропорциональная квадрату абсолютной скорости газа, бесполезно рассеивается в окружающей среде, т. е. представляет собой потери (как говорят турбинисты, потерю с выходной скоростью). Для реактивной турбины эта потеря минимальна при абсолютной скорости газа равной нулю, что соответствует равенству скорости истечения и окружной скорости. Практика подтверждала, что при этом условии КПД турбины действительно близок к максимуму. Условие равенства скорости истечения и окружной скорости нетрудно соблюсти для гидравлических турбин типа сегнерова колеса, поскольку скорость истечения жидкости сравнительно невелика. Так, при давлении Р = 5-105 Па скорость истечения по известной формуле Торричелли составляет 31,4 м/с. Совсем иначе обстоит дело с газами и парами, имеющими плотность, более чем на два порядка меньшую. Так, скорость истечения насыщенного пара при тех же условиях составляет 455 м/с. Таким образом, для обеспечения высокого КПД окружная скорость сопел реактивной турбины даже при сравнительно низком давлении пара должна быть около 450 м/с, что было совершенно недостижимо для техники того времени. Один из путей решения этой проблемы, казалось, был ясен—для того чтобы уменьшить оптимальную, т. е. соответствующую максимуму КПД, окружную скорость, нужно уменьшить скорость истечения, снизив температуру и давление пара. Однако этот путь никуда не ведет, поскольку он связан со снижением термического КПД цикла.
Лаваль, казалось, нашел другой, правильный путь. Это была активная турбина. Мысль о ней зародилась у Лаваля в 1888 г., а в 1889 г. Лавалем была запатентована активная турбина с расширяющимся соплом. Чертеж из этого исторического патента приведен на рис. 5. Турбина состоит из одного или нескольких неподвижных сопел и ротора, состоящего из укрепленного на валу диска с лопатками.
Схематично течение пара в активной турбине показано на рис. 6. Пар разгоняется в одном или нескольких неподвижных соплах, истекая из них с абсолютной скоростью C1. Угол наклона вектора С1 к вектору окружной скорости U настолько мал, что на схеме их направления показаны совпадающими. Для того чтобы получить скорость W1 пара относительно лопаток на входе, необходимо вычесть из вектора C1 вектор U, т.е. Cl = Wl+U. Турбина Лаваля была чисто активной. Так называют турбины, в которых расширение пара происходит только в неподвижных соплах, а давление пара перед рабочими лопатками и за ними одинаково. В рабочих колесах таких турбин пар не разгоняется и не тормозится. Каналы, образованные рабочими лопатками (межлопаточные каналы), по которым протекает пар, имеют примерно постоянное поперечное сечение, и в них, как в изогнутых трубах, пар только поворачивается. При этом угол поворота потока пара в межлопаточных каналах может быть очень большим. На схеме он равен 180°, т. е. вектор W2 равен вектору W1 по величине, но противоположен ему по направлению. Вектор абсолютной скорости на выходе С2 = W2+U. По абсолютной величине C2 = C2 -2U (так как W2 = W1, a W1 = C1- U). Отсюда следует, что режим максимального КПД (С2 = 0) соответствует C1 = 2U, т. е. оптимальная окружная скорость в активной турбине вдвое меньше скорости истечения и соответственно примерно вдвое меньше, чем в реактивной турбине. Это обстоятельство облегчало задачу достижения оптимальной окружной скорости. Важнейшая особенность турбины по патенту Лаваля — это форма сопла. Канал сопла, как это видно на рис. 5, вначале сужается, достигая минимальной площади в так называемом горле, затем расширяется.
Несмотря на то что оптимальная окружная скорость активной турбины меньше, чем реактивной, она все же остается весьма высокой, и для того чтобы приблизиться к ней, Лавалю пришлось преодолеть невероятные трудности. Главными из них были вибрация ротора и огромные напряжения, создаваемые центробежными силами при больших частотах вращения. Первая из этих проблем осложнялась тем, что в то время не существовало эффективных способов устранения неуравновешенности ротора. Это обстоятельство исключило использование в турбине обычного жесткого ротора, в котором даже незначительный дисбаланс вызывал недопустимые вибрации на рабочих оборотах. В решении этой задачи Лавалю помог опыт работы над центробежным сепаратором. Тогда он установил, что вибрация несбалансированного и достаточно гибкого ротора сначала увеличивается с ростом оборотов и достигает максимума при некоторой критической частоте вращения. С дальнейшим увеличением скорости центр масс ротора начинает приближаться к оси вращения и вибрации уменьшаются, т. е. происходит как бы самоцентрирование ротора. Если рабочие обороты значительно (примерно в семь раз, как установил Лаваль) превосходят критическую частоту, вибрация входит в допустимые рамки. Для того чтобы критическая частота была низкой, вал должен быть достаточно эластичным, гибким. Лаваль решил применить в турбине длинный тонкий вал в сочетании с упругими опорами, которые также применялись на сепараторах. Свою идею Лаваль проверял, вращая на токарном станке тяжелый деревянный диск, насаженный на камышовый прут. Гибкий, или сверхкритический, ротор — одно из самых замечательных изобретений Лаваля — был запатентован в 1889 г.
Для решения второй задачи необходимо было сконструировать необычайно прочное и легкое рабочее колесо. И оно было создано в виде специально спрофилированного диска “равного сопротивления” с цилиндрическими пазами на ободе. В этих пазах закреплялись лопатки, хвостовики которых имели соответствующую пазам форму. В первых конструкциях диск изготавливался литым вместе с лопатками. Такая технология не могла обеспечить качество и прочность рабочего колеса. Применение “цилиндрических замков” дало возможность фрезеровать лопатки отдельно с высоким качеством. На рис. 7 показала турбина с гибким валом, диском равного сопротивления и цилиндрическими “замками”. Для изготовления лопаток и диска Лаваль применял высокопрочные никелевые стали. Ряд описанных выше выдающихся, по сути революционных, решений позволил создать турбины с невиданно высокой частотой вращения (до 30000 об/мин) и окружной скоростью, приблизившейся к 400 м/с. Даже сейчас, спустя почти сто лет, эти показатели не вызывают снисходительных улыбок, нечего и говорить, что для того времени эти достижения были фантастическими. Однако необходимая для получения хорошего КПД высокая частота вращения турбин Лаваля, достигнутая с таким трудом, оказалась не только благом, но и проклятием.
Дело в том, что турбины Лаваля использовались главным образом для привода электрических генераторов, а частота вращения у них была значительно меньше, чем у турбин. Поэтому Лавалю пришлось разработать механическую передачу (редуктор) от турбины к приводному агрегату. Первоначально Лаваль применял фрикционные передачи. Однако они работали неудовлетворительно даже при очень малых мощностях. Впоследствии Лаваль сконструировал редуктор с шев ровным и зубчатыми колесами. Такие колеса выполнялись с косыми, или винтовыми, зубьями, причем зубья одной половины колеса были как бы зеркальным отражением зубьев другой половины. Такая конструкция обеспечивала плавность работы передачи и одновременно устраняла осевую нагрузку на вал. При изготовлении этих колес была достигнута высокая точность (порядка 0,01 мм), неслыханная для того времени. Беда, однако, в том, что зубчатая передача получалась очень громоздкой. На рис. 8 видно, что сама турбина представляется карликом по сравнению с редуктором. Нелепо громоздкая зубчатая передача (а ее громоздкость была следствием большого различия оборотов турбины и генератора) оказалась неодолимым препятствием на пути создания турбин большой мощности. Как известно, самая большая турбина, созданная Лавалем, имела мощность 350 л. с. Конструкторскому бюро при обществе “Паровые турбины де Лаваля” в результате упорного многолетнего труда удалось создать турбоустановку мощностью 500 л. с., которая оказалась чрезвычайно дорогой и совершенно неконкурентоспособной. Следует иметь в виду, что турбинам Лаваля присущ еще один серьезный недостаток. В струе пара, вытекающей из сопла, одновременно находится одна или несколько рабочих лопаток — остальные движутся в заполненном паром пространстве, создавая дополнительное сопротивление. Кроме того, как показали позднейшие исследования, явления, связанные с входом лопаток в струю и выходом из нее, а также “несовершенное” обтекание струей рабочих лопаток, расположенных вблизи ее границ,— все это приводит к значительному уменьшению КПД. Следовательно, экономичность турбин Лаваля не могла быть высокой даже при оптимальной окружной скорости. С другой стороны, в турбоустановках Лаваля нецелесообразно было применять пар с высоким давлением и температурой. Это привело бы к увеличению скорости истечения и, следовательно, к увеличению оптимальной окружной скорости, которая уже достигла величины, почти предельной по условиям прочности. Все эти обстоятельства ограничивали область применения турбины Лаваля мощностью несколько сотен лошадиных сил, т. е. исключали ее по настоящему широкое внедрение.
В 1889 г. Лавалем была разработана двухступенчатая турбина, чертеж которой показан на рис. 9. В этой турбине пар, так же как в одноступенчатой, расширялся только в сопле и поступал на рабочие лопатки первой ступени. На выходе этих лопаток были установлены неподвижные направляющие лопатки, которые поворачивали пар и направляли его на второй ряд рабочих лопаток. Рабочие лопатки обеих ступеней укреплялись на одном диске. Таким образом, кинетическая энергия пара, оставляющего первый ряд рабочих лопаток, использовалась для получения дополнительной полезной работы во второй ступени. Если, рассуждая точно таким же образом, как раньше, попытаться определить оптимальную окружную скорость такой турбины, то окажется, что она уже не вдвое, а вчетверо меньше скорости истечения. И в этом случае, как обычно, Ла-валь не ограничился формулировкой идеи. Двухступенчатые турбины мощностью по 100 л. с. были созданы и установлены на энергоустановках, которые использовались для освещения выставки в Стокгольме в 1897 г. В этих установках были применены изобретенные Лавалем прямоточные котлы, рассчитанные на невиданное для того времени давление — до 200 атм. Котлы имели автоматические системы подачи воздуха, топлива и питательной воды. По уровню автоматизации и главным образом по огромному давлению пара эти установки произвели глубокое впечатление на современников. Однако парогенераторы котлов часто выходили из строя.
Многие свои изобретения Лаваль не патентовал. Двухступенчатая активная турбина, которую называют колесом Кертиса, бала разработана Лавалем в 1889г. Кертис получил на нее патент в США лишь семь лет спустя. Главная заслуга Лаваля состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. Турбина Лаваля не стала и, как мы знаем, не могла стать основным типом турбины. Однако она сейчас довольно широко применяется в различных вспомогательных агрегатах, главным образом в авиации. И вот если сравнить современную одноступенчатую активную турбину с ее прабабушкой, созданной Лавалем, то поразит их сходство. Оказывается, что почти за 100 лет совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели, в общем, незначительные изменения. Наверное, это беспрецедентный случай в истории техники. Причем сходство не только внешнее. Сравнительно мало улучшились и характеристики турбины. Вспомним, что Лаваль довел окружную скорость турбины почти до 400 м/с. Современные активные турбины редко работают при более высоких скоростях, а ведь окружная скорость — показатель прочности конструкции.
В 1884 г. Чарлз Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину. В основе лежала простая идея, что всю энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать не всю сразу в одной ступени, а последовательно, каждую в отдельной ступени. Воплощением этой идеи является многоступенчатая турбина, показанная на рис. 10. Турбина состоит из ряда последовательно по ходу пара расположенных ступеней. Каждая из ступеней, подобно турбине Лаваля, состоит из сопел (или соплового аппарата) и рабочего колеса. При этом рабочие колеса укрепляются на одном валу. В такой конструкции очень просто решается главная проблема, мучавшая Лаваля: как уменьшить оптимальную окружную скорость турбины. Энергия пара, приходящаяся на одну ступень в многоступенчатой турбине, может быть выбрана настолько малой, чтобы скорость пара, вытекающего из сопла, и, следовательно, оптимальная окружная скорость рабочего колеса были умеренными. Иными словами, окружную скорость и частоту вращения вала в многоступенчатой турбине можно варьировать, изменяя число ступеней. В одноступенчатой турбине Лаваля, как мы знаем, это было невозможно, Лавалю поэтому приходилось выжимать из турбины максимальную окружную скорость и максимально большую частоту вращения, что приводило к необходимости строить громоздкие зубчатые передачи.
Идея многоступенчатой турбины высказывалась в Англии Гилманом в 1837 г. и Вильсоном в 1848 г., во Франции Леруа (1840 г.) и Турнером в 1853 г., а также многими другими. Особенно ясно эта идея отражена в мемуаре Турнера, представленном Академии наук в Париже. В этом мемуаре Тур-мер пишет: “Упругие жидкости (т. е. газы и пары) приобретают громадные скорости даже при слабых давлениях. Чтобы надлежащим образом использовать эти скорости на простых колесах, аналогичных водяным турбинам, нужно было бы допустить чрезвычайно большие скорости вращения... Можно избегнуть этих трудностей, заставляя газ или пар терять свое давление... отдельными частями. Если разность давлений велика, то станет ясно, что нужно иметь большое число турбин для достаточного уменьшения скорости рабочего тела”. Таким образом, многоступенчатая турбина родилась раньше Чарлза Парсонса. Однако его турбина имела ряд особенностей. Первая особенность состояла в том, что расширение пара происходило не только в соплах, но и в рабочих колесах каждой ступени, т. е. каналы между рабочими лопатками были сужающимися, а относительная скорость пара на выходе была больше, чем на входе. Такие турбины условно называются реактивными (вернее было бы их назвать активно-реактивными в отличие от чисто активной турбины Лаваля — Бранки и чисто реактивной турбины Герена). Такие реактивные турбины, как было установлено впоследствии, аэродинамически наиболее совершенны. Это основной тип турбины, применяющийся в мощных энергетических установках. Другая особенность турбины Парсонса была следствием ее многоступенчатой конструкции. В турбине Лаваля, где в соплах происходило полное расширение пара, его давление перед рабочим колесом и за ним одинаково. Поэтому осевое давление на ротор отсутствует. В многоступенчатой же турбине давление за первым сопловым аппаратом, т. е. перед первым рабочим колесом, значительно больше, чем за последним рабочим колесом. Возникает осевая сила, которая в больших турбинах может достигать десятков тонн. Величина ее, если ротор имеет цилиндрическую форму, равна произведению разности давлений перед и за ротором на площадь поперечного сечения ротора. Так происходит в однопоточной турбине, где все ступени расположены последовательно по ходу пара. Осевая сила воспринимается подшипниками ротора. Если эту силу не устранить или хотя бы не свести к минимуму, проблема работоспособности подшипников чрезвычайно осложняется. Парсонс нашел остроумное решение этой задачи. Он изобрел двухпоточную турбину, в которой пар подводился к средней части ротора. Здесь потоки пара разделялись на две равные половины и направлялись в противоположные стороны к концам ротора. В этой конструкции давление пара с обеих сторон ротора одинаково, так же как в турбине Лаваля, и осевая сила, действующая на подшипники, отсутствует.
Чарльзом Парсоном были созданы и испытаны многоступенчатые чисто реактивные турбины, представляющие собой последовательно соединенные по пару колеса Герона. Одна из таких турбин, которая так и называлась “Герои”, показана на рис. 11. Но по экономичности и ряду других аспектов осевые турбины превосходят радиальные.
Компрессор долго был камнем преткновения создателей газотурбинных двигателей, и на первых порах они вообще старались обойтись без него, изобретая бескомпрессорные двигатели. К бескомпрессорным двигателям относятся газовые турбины взрывного действия, в которых сгорание топлива происходит при постоянном объеме. Камеры сгорания таких турбин имеют входной и выходной клапаны, которые закрывают камеру перед воспламенением топлива — воздушной смеси. После воспламенения (взрыва) смеси давление в камере мгновенно увеличивается в несколько раз, выходной клапан открывается и продукты сгорания поступают в турбину. Если цикл двигателя Штольце с горением при постоянном давлении близок к циклу дизельного двигателя, то цикл взрывной турбины похож на цикл карбюраторного двигателя. Особенно много над взрывной турбиной работал немецкий инженер Гольцварт. Эти работы начались в 1908 г. Гольцварт применил предварительное сжатие воздуха перед подачей в камеру сгорания. Постепенно вносились и другие усовершенствования. Так, по предложению Шюле была применена паровая турбина, вращавшая компрессор для предварительного сжатия. Пар для турбины генерировался в системе водяного охлаждения газовой турбины, а также в теплообменнике, установленном между ее ступенями. За период 1908—1930 гг. Гольцварт построил несколько турбин, эффективный КПД которых достигал 18%. КПД варианта с паровой турбиной приближался к 30%. Однако он был ниже КПД паротурбинных и дизельных двигателей. Кроме того, применение автоматических клапанов, паровой турбины, системы охлаждения чрезвычайно усложнило конструкцию двигателя Гольцварта и лишило его главных преимуществ газовой турбины — простоты и компактности.
Из турбин взрывного горения следует упомянуть турбину, запатентованную в 1906 г. и построенную в 1908 г. В. В. Караводиным. Эта турбина показана на рис. 12. Исключительно интересной особенностью турбины было отсутствие выпускного клапана — наиболее ненадежного элемента взрывной турбины. Вместо этого клапана Караводин использовал длинную газоподводящую трубу, расположенную между камерой сгорания и рабочим колесом турбины. После сгорания столб газа в газоподводящей трубе вследствие инерции как бы закрывает выход из камеры сгорания, обеспечивая повышение давления в ней. Затем газ в газоподводящей трубе постепенно разгоняется и, истекая из нее, создает разрежение в камере. Благодаря этому входной клапан, расположенный в нижней части камеры сгорания, открывается, и в камеру всасывается топливовоздушная смесь. С помощью этого остроумного приспособления Караводину удалось чрезвычайно упростить систему клапанов камеры сгорания и обеспечить их надежность. Впоследствии эта идея Караводина легла в основу пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.
В 1920 годах в области газовых турбин возникло новое течение, казавшееся тогда перспективным. Это были так называемые “мокрогазовые” турбины. Главным элементом такой турбины является одна или несколько камер наподобие цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Роль поршня в цилиндрах играет частично заполняющая их вода. Процессы подачи топлива, воздуха и сгорания смеси точно такие же, как в поршневых двигателях. После вспышки вода выбрасывается из цилиндра в сопла гидравлической турбины, с вала которой и снимается полезная мощность. Казалось, в “мокрогазовой” турбине успешно решаются обе основные проблемы газовой турбины — в ней отсутствует компрессор, а продукты сгорания не контактируют с турбиной и поэтому их не нужно охлаждать. Кроме того, турбина работает на воде, а это позволяет резко уменьшить оптимальную окружную скорость и частоту вращения турбины. Вал такой турбины можно напрямую, без всякой передачи соединить с валом тихоходного приводного агрегата, что в ряде случаев очень выгодно. Одним из изобретателей “мокрогазовых” турбин был инженер Штаубер. Он создал несколько работоспособных конструкций. Однако хороший КПД от “мокрогазовой” турбины получить не удалось, по-видимому, из-за больших тепловых и гидравлических потерь.
Первые патенты на турбореактивные двигатели появились в 20-х гг. нашего века. Одним из первых в 1921 г. турбореактивный двигатель запатентовал француз Гийом. Двигатель Гийома близок к классической современной схеме — он имеет многоступенчатый осевой компрессор, сидящую с ним на одном валу многоступенчатую турбину и камеру сгорания, расположенную между турбиной и компрессором.
В 1930г. английский инженер Френком Уиттлом заявлен турбореактивный двигатель. На рис. 13 приведен чертеж двигателя. Это уже достаточно зрелая конструкция. Особенностью двигателя является так называемый комбинированный компрессор — сочетание осевых ступеней с выходной центробежной. Такие компрессоры позднее нередко применялись в воздушно-реактивых двигателях. В дальнейшем Уиттл использовал преимущественно центробежные компрессоры двухстороннего типа. В этих компрессорах воздух всасывается симметрично с двух сторон ротора, а выбрасывается так же, как в обычной машине, радиально. Такая конструкция позволяет устранить осевую силу, действующую на ротор. Во втором варианте двигателя Уиттла воздух из компрессора поступал в спиральный патрубок, затем в камеру сгорания, а оттуда — в осевую газовую турбину.
В Советском Союзе разработка турбореактивных двигателей началась в 1937 г. Изобретатель и инженер Архип Михайлович Люлька изобрел двухконтурный турбореактивный двигатель, который очень широко используется в современной авиации.
Цифра. Лучшая цифровая печать Киевdvpt.narod.ru
www.freepatent.ru
