На протяжении всего XIX века изобретатели упорно, но безуспешно
работали над тем, чтобы добиться возможно большей мощности от
паровой машины. Это надо было сделать для того, чтобы крупные
пароходы могли ходить с высокой скоростью. Рост кораблей обгонял
возможности паровой машины. Все эти старания не дали нужных
результатов.
Однако в конце концов кораблестроители выяснили, что этой цели
можно достигнуть только в том случае, если соорудить паровую
машину таких размеров, что она займет весь пароход.
Ясно, что на такой путь увеличения мощности машины становиться
было нельзя.
Дело в том, что работа пара в самых лучших машинах используется
всего на одну пятую его энергии. Поэтому-то и нельзя было
добиться даже от самой, казалось бы, большой машины мощности
больше 5000 лошадиных сил.
Мы уже знаем, что пар поступает в цилиндр машины через
золотники. Поступает отдельными порциями. Поэтому поршень
цилиндра получает от расширяющегося пара не непрерывный нажим, а
отдельные толчки.
Кроме того, из-за малой высоты цилиндра каждая порция пара
действует очень незначительное время. Да и скорость перемещения
поршня в цилиндре при этом невелика — не более 5—7 метров в
секунду.
Если ставить очень высокий цилиндр, чтобы пар поработал,
разгоняя поршень, подольше, то опять придется увеличивать
размеры машинного отделения и всего парохода в целом.
Вот хорошо бы иметь такой двигатель, в котором пар действовал бы
равномерно в течение всего времени работы этого двигателя! Да и
двигался бы побыстрее. Тогда мощность двигателя неизмеримо
повысилась бы.
Такой двигатель с постоянно действующим паром, названный паровой
турбиной, был создан в конце прошлого столетия. В этом
двигателе, делающем несколько тысяч оборотов в минуту, пар
мчится в 40 раз быстрее, чем в паровой машине.
Так что назвали его турбиной не случайно: по-латыни «турбо»
означает «вихрь». И что интересно: проект турбины одновременно
разработали два человека, совершенно не знавшие друг друга. Это
были шведский инженер Г. Лаваль и англичанин Ч. Парсонс.
Моряки рассказывают такую историю. В 1897 году на Дуврском рейде
для торжественного парада по случаю юбилея королевы Виктории
выстроился английский флот. Могучие броненосцы и стремительные
крейсеры замерли в ожидании яхты королевы. Все было наготове.
И вдруг вместо королевской яхты откуда-то вынырнуло и с
невероятной скоростью промчалось перед строем небольшое узенькое
суденышко.
Самый быстроходный сторожевик бросился в погоню за нарушителем
порядка. Но куда там! Успели только прочитать надпись на корме —
«Турбиния». Скорость хода этого судна была в полтора раза выше,
чем скорость лучших морских ходоков мира.
Вот поэтому-то строителя и владельца судна не только не отдали
под суд «за безобразие на рейде», но наоборот — очень любезно
пригласили в Адмиралтейство.
Строителем оказался инженер Парсонс. На
своем судне он впервые в мире применил паровую турбину.
Пар в турбине работает совсем иначе, чем в паровой машине. Если
направить сильную струю пара, вытекающего из конической трубки —
сопла, в криволинейный канал, то эта струя, протекая по каналу,
будет давить на его вогнутую стенку больше, чем на выпуклую. На
этом простом свойстве и основано действие пара в турбине. Пар из
нескольких сопел под большим давлением устремляется на
криволинейные лопатки, закрепленные по окружности колеса и
вращает его примерно так же, как вода мельничные колеса.
У турбины две основные части: одна неподвижная, называемая
корпусом, или статором, и другая подвижная — это диск, или
ротор, который может вращаться. К внутренней стенке статора
прикреплено множество направляющих лопаток. Обод ротора также
усеян сотнями и даже тысячами рабочих лопаток особой формы. Они
изогнуты в сторону, противоположную изгибу направляющих лопаток.
Промежутки между рабочими лопатками и есть те криволинейные
каналы, куда поступает с направляющих лопаток пар. Давление пара
на рабочие лопатки заставляет вращаться ротор турбины. Так
работает одноступенчатая паровая турбина. Ее и изобрел шведский
инженер Лаваль. Но такая турбина не нашла распространения и в
конце концов уступила место другим, более совершенным.
Произошло примерно то же, что и с паровой машиной, у которой
стали делать несколько цилиндров.
Дело в том, что одноступенчатая турбина не могла иметь хорошего
коэффициента полезного действия. Такой коэффициент в первую
очередь зависит от того, с какой температурой и с каким
давлением пар начинает и кончает свою работу. Оказывается, чем
больше начальное давление и температура и чем ниже давление и
температура пара, покидающего турбину, тем больше механической
энергии для вращения ротора он дает. У современных судовых
турбин пар входит в направляющие лопатки с температурой до 450°
С и давлением в 65 атмосфер и выше. Давление пара в конце его
работы зависит от того, насколько разрежен воздух в конденсаторе
турбины. А давление в конденсаторе в 15—20 раз меньше
атмосферного. Чтобы довести расширяющийся пар с давления в 65
атмосфер до такого ничтожного давления в конденсаторе, пришлось
бы строить турбину огромных размеров.
Так работает одноступенчатая турбина.
1 — подвод пара от котла; 2— направляющие лопатки (сопла); 3 — рабочие
лопатки; 4 — диск (ротор), на котором закреплены рабочие лопатки; 5 —
вал; 6 — выпускной патрубок; 7 — конденсатор; 8 — подача холодной воды,
9 — охлаждающие пар трубки; 10 — отвод воды охлаждения; 11 — отвод
конденсата.
Поэтому современную турбину делают не
одноступенчатой, а многоступенчатой. Такую турбину впервые и
создал Парсонс. В многоступенчатой турбине огромное количество
тепла от пара теряется не сразу, а постепенно, — в
последовательно расположенных ступенях. Как же это происходит?
Многоступенчатая турбина состоит из двух и даже трех корпусов.
Первый по ходу пара корпус называют турбиной высокого давления,
следующий — турбиной среднего давления и последний — турбиной
низкого давления. И внутри каждого корпуса не один, а много
дисков с лопатками. Например, у турбины высокого давления их
бывает до двенадцати. Диски отделены друг от друга перегородками
— диафрагмами,— в которых расположены направляющие лопатки.
Поступая в турбину высокого давления, пар расширяется в
направляющих лопатках и, приобретая значительную скорость, идет
на рабочие лопатки первого диска; затем—в направляющие лопатки
следующей диафрагмы, расширяется в них, снова набирает скорость
и опять идет на рабочие лопатки следующего — второго — диска, и
так далее. Потом, совершив работу в первом корпусе, пар
последовательно переходит в турбину среднего давления, а из нее
— в турбину низкого давления, проделывая там такую же работу.
Здесь давление пара уменьшается постепенно, и в каждом корпусе
пар совершает полезную работу. Так, в турбину высокого давления
он входит с давлением в 65 атмосфер, в турбину среднего
давления—15 атмосфер, а в турбину низкого давления он поступает
с совсем небольшим давлением — не более
2,5 атмосферы. На каждой ступени объем пара с уменьшением
давления растет. Поэтому размеры направляющих и рабочих лопаток
увеличиваются от ступени к ступени. Значит, растут в своих
размерах и диски. Последние диски турбины низкого давления очень
большие.
Многоступенчатое устройство турбин и позволило сооружать их
такой мощности, о которой не могли даже и мечтать в начале
нашего столетия. Теперь мощность судовой турбины достигает 75
000 лошадиных сил.
Для заднего хода судна имеется особая турбина.
Прежде турбины ставили главным образом на быстроходных военных
кораблях и больших трансатлантических экспрессах — лайнерах.
Теперь их начинают применять и на обычных торговых судах. На
одном из судостроительных заводов нашей страны приступают к
постройке торговых судов
(грузоподъемностью в 10 000 тонн), на
которых будет установлена двухкорпусная турбина мощностью в 13
000 лошадиных сил. Она будет сообщать судну очень высокую
скорость — 18,5 узла.
Турбина с зубчатым редуктором вращает винт
парохода.
1 — котел: 2— турбина высокого давления; 3 — турбина низкого давления;
4- турбина заднего хода (на одном валу с турбиной низкого давления); 5 —
главный паропровод; б-зубчатый редуктор; 7 — конденсатор; 8 — подача
забортной воды для конденсатора, 9 - циркуляционный насос; 10 - отвод
забортной воды; 11 — вспомогательные турбонасосы; 12 — упорный
подшипник; 13 и 14 — промежуточные валы; 15 —гребной винт; 16 — руль; 17
— машинный люк; 18 — дымовая труба.
Паровая турбина — быстроходный механизм. Ее вал вращается со
скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту. Что же получится
при вращении гребного винта с такой скоростью? Получится
бесполезная работа, так как лопасти винта будут только
разбрасывать воду по сторонам, образуя вокруг себя пустоту. Тут
уже не будет давления винта на упорный подшипник, а значит, и
пароход не будет двигаться.
Именно так сначала и произошло на «Турбинии». Долго Парсонс
ничего не мог понять: мощная турбина вращала гребной винт с
бешеной скоростью — 2000 оборотов в минуту, а судно двигалось
еле-еле.
Три года мучался Парсонс, переменил десять винтов на «Турбинии»,
пока не выяснил, что гребной винт, для вращения которого и
служит турбина, не должен вращаться с такой скоростью. Для
хорошей его работы нужна скорость вращения не более 250
оборотов. Как же быть в таком случае? Как заставить быстроходную
турбину вращать винт с нужной неторопливостью? Для
этого придумали соединять вал турбины с.
судовым вало-проводом при помощи специальной зубчатой передачи —
редуктора.
Конечно, все вы видели лебедку для подъема или перетаскивания
тяжелых грузов. У такой лебедки два зубчатых колеса, сиепленных
друг с другом. Диаметр того колеса, что ближе к рукоятке
лебедки, в несколько раз меньше другого. Применение таких колес
дает большой выигрыш в силе. При вращении рукоятки предмет
поднимают или тащат легко, но зато очень медленно. Примерно то
же самое получается и с редуктором. Его зубчатые колеса
соединяют вал турбины с судовым валопроводом, а через него — с
гребным винтом. Размеры колес подобраны таким образом, что
судовой вало-провод и гребной винт вращаются во много раз
медленнее вала быстроходной турбины. В последнее время очень
часто вместо такого редуктора применяют электрическую передачу.
Тут зубчатые колеса заменяются электрическим током. Ток подают
тихоходному двигателю, и он спокойно вращает гребной винт с той
скоростью, какая нужна. Суда с электрической передачей от
турбины к гребному винту называют турбоэлектроходами, в отличие
от дизель-электроходов, на которых электропередача передает на
валы работу дизелей. Суда с дизельными установками называют
теплоходами.