Storia dell'invenzione delle turbine a vapore. Incredibile turbina a vapore
Immaginiamo un recipiente metallico chiuso (caldaia) parzialmente riempito d'acqua. Se accendi un fuoco sotto, l'acqua inizierà a riscaldarsi e poi a bollire, trasformandosi in vapore. La pressione all'interno della caldaia aumenterà e, se le sue pareti non sono abbastanza resistenti, potrebbe persino esplodere. Ciò dimostra che la coppia ha accumulato una riserva di energia, che alla fine si manifesta in un'esplosione. È possibile forzare il vapore a svolgere un lavoro utile? Questa domanda ha occupato gli scienziati per molto tempo. La storia della scienza e della tecnologia conosce molte invenzioni interessanti in cui l'uomo ha cercato di utilizzare l'energia del vapore. Alcune di queste invenzioni erano utili, altre erano solo giocattoli intelligenti, ma almeno due invenzioni devono essere definite grandiose; caratterizzano intere epoche nello sviluppo della scienza e della tecnologia. Queste grandi invenzioni sono il motore a vapore e la turbina a vapore. La macchina a vapore, utilizzata a livello industriale nella seconda metà del XVIII secolo, rivoluzionò la tecnologia. Divenne rapidamente il motore principale utilizzato nell'industria e nei trasporti. Ma alla fine del XIX e all'inizio del XX secolo. la potenza e la velocità ottenibili dalla macchina a vapore erano già diventate insufficienti.
Era necessaria la costruzione di grandi centrali elettriche, che richiedevano un motore potente e ad alta velocità. Un motore del genere era la turbina a vapore, che può essere costruita per produrre un'enorme potenza ad alta velocità. La turbina a vapore sostituì rapidamente il motore a vapore delle centrali elettriche e delle grandi navi a vapore.
La storia della creazione e del miglioramento della turbina a vapore, come ogni grande invenzione, è associata ai nomi di molte persone. Inoltre, come di solito accade, il principio di funzionamento di base della turbina era noto molto prima che il livello della scienza e della tecnologia consentisse la costruzione di una turbina.
Il principio di funzionamento di un motore a vapore è sfruttare le proprietà elastiche del vapore. Il vapore entra periodicamente nel cilindro e, espandendosi, funziona spostando il pistone. Il principio di funzionamento di una turbina a vapore è diverso. Qui il vapore si espande e l'energia potenziale accumulata nella caldaia viene convertita in energia ad alta velocità (cinetica). A sua volta, l'energia cinetica del getto di vapore viene convertita in energia meccanica di rotazione della girante.
La storia dello sviluppo delle turbine inizia con la palla di Airone d'Alessandria e la ruota Branca. La possibilità di utilizzare l'energia del vapore per produrre movimento meccanico fu notata dal famoso scienziato greco Erone di Alessandria più di 2000 anni fa. Costruì un dispositivo chiamato palla di Airone (Fig. 1).
La palla poteva ruotare liberamente su due supporti costituiti da tubi. Attraverso questi supporti il vapore proveniente dalla caldaia entrava nella sfera e poi usciva nell'atmosfera attraverso due tubi piegati ad angolo retto. La palla ruotava sotto l'azione delle forze reattive derivanti dal flusso di getti di vapore.
Un altro progetto è descritto nell'opera dello scienziato italiano Giovani Branca (1629). Un tubo è inserito nella parte superiore della caldaia (Fig. 2).
Poiché la pressione del vapore all'interno della caldaia è maggiore della pressione atmosferica dell'aria attorno alla caldaia, il vapore fuoriesce attraverso il tubo.
Dall'estremità libera del tubo fuoriesce un getto di vapore che colpisce le pale della ruota facendola ruotare.
Il modello di Erone e la ruota di Branca non erano motori, ma già indicavano possibili modi per ottenere il movimento meccanico sfruttando l'energia del vapore motore.
C'è una differenza nei principi di funzionamento della palla di Airone e della ruota di Branca. La palla di Airone, come già accennato, ruota sotto l'azione delle forze reattive. Queste sono le stesse forze che spingono un razzo. È noto dalla meccanica che un getto espulso da un recipiente sotto l'influenza della pressione, da parte sua, preme sul recipiente nella direzione opposta alla direzione di deflusso. Ciò è evidente in base alla terza legge di Newton, secondo la quale la forza che spinge fuori il getto deve essere uguale e contraria alla forza di reazione del getto sulla nave.
Nella turbina Branca l'energia potenziale del vapore viene prima convertita in energia cinetica del getto che sgorga dal tubo. Poi, quando il getto colpisce la pala della ruota, parte dell'energia cinetica del vapore viene convertita in energia meccanica di rotazione della ruota.
Se la palla di Airone si muove grazie a forze reattive, la turbina Branca utilizza il cosiddetto principio attivo, poiché la ruota trae energia dal getto attivo.
Il più grande cambiamento nella progettazione della turbina a vapore e nel suo ulteriore sviluppo avvenne alla fine del ventesimo secolo, quando l'ingegnere svedese. Gustav Laval e in Inghilterra Charles Parsons iniziarono autonomamente a lavorare alla creazione e al miglioramento della turbina a vapore. I risultati ottenuti permisero alla turbina a vapore di diventare il principale tipo di motore per l'azionamento dei generatori di corrente elettrica e di essere ampiamente utilizzata come motore per navi civili e militari. Nella turbina a vapore Laval, creata nel 1883, il vapore entra in uno o più ugelli collegati in parallelo, acquisisce una velocità significativa al loro interno e viene diretto alle pale funzionanti situate sul bordo del disco seduto sull'albero della turbina e formando un reticolo di lavoro canali.
Le forze provocate dalla rotazione del getto di vapore nei canali della griglia di lavoro fanno ruotare il disco e l'albero della turbina ad esso associato. Una caratteristica distintiva di questa turbina è che l'espansione del vapore negli ugelli dalla pressione iniziale a quella finale avviene in uno stadio, il che provoca portate di vapore molto elevate. La conversione dell'energia cinetica del vapore in energia meccanica avviene senza ulteriore espansione del vapore solo grazie ad un cambiamento della direzione del flusso nei canali delle pale.
Turbine costruite secondo questo principio, vale a dire le turbine in cui l'intero processo di espansione del vapore e la relativa accelerazione del flusso di vapore avviene in ugelli stazionari sono chiamate turbine attive.
Durante lo sviluppo delle turbine attive monostadio sono state risolte numerose questioni complesse, di estrema importanza per l'ulteriore sviluppo delle turbine a vapore. Sono stati utilizzati ugelli espansori che consentono un maggior grado di espansione del vapore e permettono di raggiungere elevate velocità del flusso di vapore (1200-1500 m/sec). Per sfruttare meglio le elevate portate di vapore, Laval ha sviluppato un progetto di un disco a uguale resistenza che consentiva il funzionamento a velocità periferiche elevate (350 m/sec). Infine, nella turbina attiva monostadio venivano utilizzate velocità così elevate (fino a 32.000 giri al minuto), che superavano di gran lunga le velocità dei motori comuni a quel tempo. Ciò ha portato all'invenzione di un albero flessibile, la cui frequenza delle vibrazioni libere è inferiore alla frequenza delle forze disturbanti alla velocità operativa.
Nonostante una serie di nuove soluzioni progettuali utilizzate nelle turbine attive monostadio, la loro efficienza era bassa. Inoltre, la necessità di utilizzare una trasmissione ad ingranaggi per ridurre la velocità dell'albero motore al livello della velocità della macchina condotta ostacolò anche lo sviluppo delle turbine monostadio e, in particolare, l'aumento della loro potenza . Pertanto, le turbine Laval, avendo ricevuto una notevole popolarità all'inizio dello sviluppo della costruzione di turbine come unità a bassa potenza (fino a 500 kW), in seguito cedettero il posto ad altri tipi di turbine.
La turbina a vapore proposta nel 1884 da Parsons è fondamentalmente diversa dalla turbina Laval. L'espansione del vapore al suo interno viene effettuata non in un gruppo di ugelli, ma in una serie di fasi successive, ciascuna delle quali è costituita da palette guida fisse (serie di ugelli) e pale rotanti.
Le palette direttrici sono fissate nell'alloggiamento fisso della turbina e le pale del rotore sono disposte in file sul tamburo. Ciascuno stadio di tale turbina subisce una caduta di pressione che è solo una piccola frazione della differenza totale tra la pressione del vapore fresco e la pressione del vapore in uscita dalla turbina. Pertanto, è stato possibile operare con basse velocità del flusso di vapore in ogni stadio e con velocità periferiche delle pale del rotore inferiori rispetto alla turbina Laval. Inoltre, l'espansione del vapore negli stadi della turbina Parsons avviene non solo nell'ugello, ma anche nella griglia di lavoro. Pertanto, alle pale di lavoro vengono trasmesse forze causate non solo da un cambiamento nella direzione del flusso di vapore, ma anche dall'accelerazione del vapore all'interno della griglia di lavoro, provocando una forza reattiva sulle pale di lavoro della turbina.
Gli stadi della turbina in cui vengono utilizzate l'espansione del vapore e la associata accelerazione del flusso di vapore nei canali delle pale di lavoro sono chiamati stadi di reazione. Pertanto, mostrato in Fig. 4 era un tipico rappresentante delle turbine a vapore a getto multistadio.
Il principio dell'inclusione sequenziale di stadi, ciascuno dei quali utilizza solo una parte della differenza termica disponibile, si è rivelato molto fruttuoso per il successivo sviluppo delle turbine a vapore. Ha permesso di ottenere un'elevata efficienza nella turbina a velocità moderate del rotore della turbina, consentendo il collegamento diretto dell'albero della turbina con l'albero del generatore di corrente elettrica. Lo stesso principio ha permesso di produrre turbine di altissima potenza, raggiungendo diverse decine e persino centinaia di migliaia di kilowatt in un'unica unità.
Le turbine a getto multistadio sono ormai diffuse, sia negli impianti fissi che nella flotta.
Lo sviluppo delle turbine a vapore attive ha seguito anche il percorso dell'espansione sequenziale del vapore non in uno, ma in una serie di fasi situate una dopo l'altra. In queste turbine, più dischi montati su un albero comune sono separati da setti chiamati diaframmi, nei quali sono posizionate griglie fisse di ugelli. In ciascuno degli stadi costruiti in questo modo, il vapore si espande entro una parte della perdita di calore totale disponibile. Nelle griglie di lavoro avviene solo la conversione dell'energia cinetica del flusso di vapore senza ulteriore espansione del vapore nei canali delle pale di lavoro. Le turbine multistadio attive sono ampiamente utilizzate nelle installazioni fisse; vengono utilizzate anche come motori marini.
Insieme alle turbine in cui il vapore si muove nella direzione dell'asse dell'albero della turbina (assiale), sono stati creati progetti di turbine radiali in cui il vapore scorre su un piano perpendicolare all'asse della turbina. Di queste ultime la più interessante è la turbina radiale, proposta nel 1912 in Svezia dai fratelli Ljungström.
Riso.
1,2 - dischi di turbina; 3 - linee di vapore fresco; 4, 5 - alberi di turbina; 6, 7 - lame degli stadi intermedi
Sulle superfici laterali dei dischi 1 e 2, le pale degli stadi del getto si trovano in anelli di diametro gradualmente crescente. Il vapore viene fornito alla turbina attraverso i tubi 3 e poi attraverso i fori nei dischi 1 e 2 alla camera centrale. Da qui scorre verso la periferia attraverso i canali delle pale 6 e 7, montate su entrambi i dischi. A differenza del design convenzionale, la turbina Jungström non ha griglie di ugelli fisse o alette guida. Entrambi i dischi ruotano in direzioni opposte, quindi la potenza sviluppata dalla turbina deve essere trasmessa dagli alberi 4 e 5. Il principio della controrotazione dei rotori consente alla turbina di essere molto compatta ed economica.
Dall’inizio degli anni ’90, lo sviluppo delle turbine a vapore è proceduto a un ritmo eccezionalmente rapido. Questo sviluppo fu in gran parte determinato dallo sviluppo parallelo altrettanto rapido delle macchine elettriche e dalla diffusa introduzione dell’energia elettrica nell’industria. L'efficienza di una turbina a vapore e la sua potenza in un'unica unità hanno raggiunto valori elevati. La potenza delle turbine superava di gran lunga la potenza di tutti gli altri tipi di motori, senza eccezioni. Sono disponibili turbine con una capacità di 500 MW, collegate a un generatore di corrente elettrica, ed è stata dimostrata la possibilità di produrre unità ancora più potenti, almeno fino a 1000 MW.
Nello sviluppo della costruzione delle turbine a vapore si possono notare diverse fasi che hanno influenzato la progettazione di turbine costruite in periodi di tempo diversi.
Nel periodo precedente la guerra imperialista del 1914, il livello di conoscenza nel campo della lavorazione dei metalli ad alte temperature era insufficiente per l’utilizzo del vapore ad alte pressioni e temperature. Pertanto, fino al 1914, le turbine a vapore furono costruite principalmente per funzionare con vapore a pressione moderata (12 - 16 bar), con temperature fino a 350 °C.
In termini di aumento della potenza di una singola unità, un grande successo è stato ottenuto già nel periodo iniziale di sviluppo delle turbine a vapore.
Nel 1915 la potenza delle singole turbine raggiungeva già i 20 MW. Nel dopoguerra, a partire dal 1918-1919, continua la tendenza all’aumento del potere. Tuttavia, in futuro, i progettisti delle turbine hanno perseguito il compito di aumentare non solo la potenza dell'unità, ma anche la velocità delle turbine ad alta potenza quando le fanno funzionare con un unico generatore di corrente elettrica.
La turbina ad alta velocità più potente del mondo un tempo (1937) era la turbina dello stabilimento metallurgico di Leningrado, costruita a 100 MW a 3000 giri al minuto.
Nel periodo precedente la guerra imperialista del 1914, le fabbriche di turbine producevano nella maggior parte dei casi turbine con un numero limitato di stadi situati in un unico alloggiamento. Ciò ha permesso di rendere la turbina molto compatta e relativamente economica. Dopo la guerra del 1914, la tensione nell’approvvigionamento di carburante che molti paesi sperimentarono richiese un aumento globale dell’efficienza delle turbine.
Si è scoperto che la massima efficienza della turbina può essere ottenuta utilizzando piccole differenze termiche in ciascuno stadio della turbina e, di conseguenza, costruendo turbine con un gran numero di stadi. In connessione con questa tendenza, sorsero progetti di turbine che, anche con parametri moderati di vapore fresco, avevano un numero estremamente elevato di stadi, raggiungendo 50-60.
Il gran numero di stadi portò alla necessità di realizzare turbine con più corpi, anche quando la turbina era collegata ad un unico generatore elettrico.
Cominciarono così a diffondersi le turbine a due e tre casse, che, pur essendo molto economiche, erano molto costose e ingombranti.
Nel successivo sviluppo della costruzione delle turbine si verificò anche una certa ritirata in questo campo verso la semplificazione della progettazione della turbina e la riduzione del numero dei suoi stadi. Per molto tempo le turbine con una potenza fino a 50 MW a 3000 giri al minuto sono state costruite solo con due involucri. Le più recenti turbine a condensazione di questa potenza, prodotte da primarie fabbriche, sono costruite con involucri singoli.
Contemporaneamente ai miglioramenti progettuali delle turbine a pressione moderata (20 - 30 bar), nel periodo dal 1920 al 1940 iniziarono a diffondersi unità ad alta pressione più economiche, che raggiungevano 120 - 170 bar.
L'uso del vapore con parametri elevati, che aumenta significativamente l'efficienza di un impianto a turbina, ha richiesto nuove soluzioni nel campo della progettazione delle turbine a vapore. Sono stati compiuti progressi significativi nell'uso di acciai legati che hanno un carico di snervamento piuttosto elevato e bassi tassi di scorrimento a temperature di 500 - 550 ° C.
Insieme allo sviluppo delle turbine a condensazione, già all'inizio di questo secolo, cominciarono ad essere utilizzati impianti per la generazione combinata di energia elettrica e calore, che richiedevano la costruzione di turbine a contropressione ed estrazione intermedia del vapore. La prima turbina con controllo costante della pressione del vapore estratto fu costruita nel 1907.
Le condizioni di un’economia capitalista, tuttavia, impediscono l’utilizzo di tutti i vantaggi della produzione combinata di calore ed elettricità. La capacità di consumo termico all'estero, infatti, è nella maggior parte dei casi limitata al consumo dell'impianto dove è installata la turbina. Pertanto, le turbine che consentono l'utilizzo del calore del vapore di scarico vengono spesso costruite all'estero per piccole capacità (fino a 10-12 MW) e sono progettate per fornire calore ed energia elettrica solo a una singola impresa industriale. È caratteristico che le turbine più grandi (25 MW, e poi 50 e 100 MW) con estrazione di vapore siano state costruite nell'Unione Sovietica, poiché lo sviluppo pianificato dell'economia nazionale crea condizioni favorevoli per la produzione combinata di calore ed energia elettrica.
Nel dopoguerra tutti i paesi europei tecnicamente sviluppati, così come gli Stati Uniti, hanno visto uno sviluppo energetico sempre più accelerato, che porta ad un aumento sempre maggiore della potenza delle unità energetiche. Allo stesso tempo, continua la tendenza ad utilizzare parametri iniziali del vapore sempre più elevati.
Le turbine di condensazione monoalbero raggiungono una potenza di 500 - 800 MW e con la progettazione a due alberi sono già state costruite installazioni con una capacità di 1000 MW.
All'aumentare della potenza fu opportuno aumentare anche i parametri iniziali del vapore, che furono successivamente selezionati a livello di 90, 130, 170, 250 e, infine, 350 bar, mentre aumentarono anche le temperature iniziali, che ammontarono a 500, 535, 565, 590, ed in alcuni casi fino a 650° C. Occorre tenere presente che a temperature superiori a 565° C è necessario utilizzare acciai austenitici molto costosi e meno studiati. Ciò ha portato al fatto che recentemente si è osservata una tendenza verso un certo ritiro nell'intervallo di temperature che elimina la necessità di utilizzare acciai austenitici, cioè acciai austenitici. temperature a 540° C.
I successi ottenuti nel 1915-1920 furono di grande importanza per lo sviluppo delle turbine a bassa potenza e, in particolare, per lo sviluppo delle turbine a vapore navali. nel campo della costruzione di cambi. Fino a quel momento, le turbine delle navi venivano azionate con un numero di giri pari al numero di giri delle eliche, cioè 300 - 500 giri al minuto, che riducevano l'efficienza dell'impianto e portavano a grandi dimensioni e pesi delle turbine.
Da quando sono state raggiunte la completa affidabilità e l'elevata efficienza nel funzionamento dei riduttori, le turbine delle navi sono state dotate di trasmissioni a ingranaggi e vengono azionate a una velocità maggiore, che corrisponde alle condizioni operative più favorevoli della turbina.
Anche per le turbine stazionarie di bassa potenza si è rivelato consigliabile utilizzare una trasmissione ad ingranaggi tra la turbina e il generatore. La velocità massima possibile con il collegamento diretto degli alberi della turbina e del generatore di corrente alternata a 50 periodi è di 3000 giri/min. Con potenze inferiori a 2,5 MW questa velocità è sfavorevole per una turbina a condensazione. Con lo sviluppo della tecnologia dei riduttori, è diventato possibile produrre turbine a velocità più elevate (5.000-10.000 giri al minuto), il che ha permesso di aumentare l'efficienza delle turbine a bassa potenza e, soprattutto, ridurne le dimensioni e semplificarne la progettazione.
Il XII secolo fu segnato dalla comparsa della prima macchina a vapore. Questo fu l'evento in cui le macchine meccanizzate apparvero nell'industria e nella tecnologia, sostituendo gradualmente il lavoro umano. Lo sviluppo industriale non si è fermato. L'intera storia del suo sviluppo è caratterizzata dalla ricerca di soluzioni da parte di inventori di diversi paesi a un problema: la creazione di una turbina a pori.
Si può sostenere che la storia dell'invenzione delle turbine risale al 19° secolo, quando lo scienziato svedese Carl Patrick Laval inventò il separatore del latte. Alla ricerca di una soluzione al problema dell'aumento della velocità in questo dispositivo, Karl inventò una turbina a vapore, progettata alla fine del XIX secolo. La turbina sembrava una ruota con pale; un flusso di vapore che usciva dal tubo premeva su queste pale e la ruota girava. Lo scienziato ha selezionato per lungo tempo tubi per la fornitura di vapore di varie dimensioni e forme e, a seguito di lunghi esperimenti, ha concluso che il tubo dovrebbe essere a forma di cono. Questo dispositivo è ancora in uso oggi e si chiama ugello Laval. Nonostante il fatto che l'invenzione di Laval fosse a prima vista un dispositivo abbastanza semplice, divenne un miracolo dell'ingegneria. E dopo un certo periodo di tempo, scienziati e teorici hanno dimostrato che l'invenzione delle turbine a vapore utilizzando un ugello Loval dà i risultati più alti.
Inoltre, la storia dell'invenzione delle turbine risale all'inizio del XX secolo, quando l'inventore francese Auguste Rato progettò una turbina a vapore multistadio in cui veniva calcolata la caduta di pressione ottimale per ciascuno stadio della turbina.
Dopotutto, lo scienziato americano Glen Curtis ha sviluppato una turbina che utilizzava un sistema completamente nuovo, di piccole dimensioni e affidabile nel design. Queste turbine furono utilizzate nella progettazione di sistemi di propulsione navale; furono installate prima sui cacciatorpediniere, poi sulle navi da guerra e, infine, sulle navi passeggeri.
Pertanto, la storia dell'invenzione delle turbine rivela diversi modi in cui gli scienziati del 19° secolo potevano cercare un motore termico conveniente ed economico. Alcuni inventori ne hanno sviluppato uno in cui il carburante bruciava nel cilindro, quindi un motore del genere si adattava bene ai trasporti. È stato migliorato da altri scienziati per aumentarne la potenza e l'efficienza.
Oggi, la storia dell'invenzione delle turbine inizia con grandi nomi come Laval, Parsons e Curtis. Tutti questi scienziati e inventori hanno dato un enorme contributo allo sviluppo dell'industria e delle comunicazioni di trasporto in tutto il mondo. Tutti i loro risultati sono stati di grande importanza per tutta l'umanità. E la cosa più importante è stata la diffusione di un tipo di energia come l'elettricità. Attualmente, le invenzioni di questi scienziati sono ampiamente utilizzate in tutto il mondo nella costruzione di navi e centrali elettriche.
Invenzione delle turbine a vapore.
Insieme alle turbine idrauliche descritte in uno dei capitoli precedenti, di grande importanza per l'energia e l'elettrificazione fu l'invenzione e la diffusione delle turbine a vapore. Il principio del loro funzionamento era simile a quello idraulico, con la differenza che la turbina idraulica era azionata da un flusso d'acqua e la turbina a vapore era azionata da un flusso di vapore riscaldato. Proprio come la turbina idraulica rappresentò una novità nella storia dei motori idraulici, la turbina a vapore dimostrò le nuove capacità del motore a vapore.
La vecchia macchina di Watt, che celebrò il suo centenario nel terzo quarto del XIX secolo, aveva una bassa efficienza, poiché il movimento rotatorio veniva ottenuto in modo complesso e irrazionale. Infatti, come ricordiamo, il vapore non muoveva la ruota in rotazione stessa, ma esercitava una pressione sul pistone, attraverso lo stelo, la biella e la manovella, il movimento veniva trasmesso all'albero principale; A seguito di numerosi trasferimenti e trasformazioni, gran parte dell'energia ottenuta dalla combustione del carburante, nel vero senso della parola, è volata via senza alcun beneficio. Più di una volta, gli inventori hanno provato a progettare una macchina più semplice ed economica: una turbina a vapore, in cui un getto di vapore farebbe ruotare direttamente la girante. Un semplice calcolo mostrò che avrebbe dovuto avere un'efficienza di diversi ordini di grandezza superiore a quella della macchina di Watt. Tuttavia, c’erano molti ostacoli nel modo di pensare l’ingegneria. Affinché una turbina diventasse davvero un motore altamente efficiente, la girante doveva girare a velocità molto elevate, compiendo centinaia di giri al minuto. Per molto tempo non riuscirono a raggiungere questo obiettivo, poiché non sapevano come impartire la giusta velocità al getto di vapore.
Il primo passo importante nello sviluppo di un nuovo mezzo tecnico che soppiantò il motore a vapore fu compiuto dall'ingegnere svedese Carl Gustav Patrick Laval nel 1889. La turbina a vapore Laval è una ruota con pale. Il flusso d'acqua generato nella caldaia fuoriesce dal tubo (ugello), preme sulle pale e fa girare la ruota. Sperimentando con diversi tubi di alimentazione del vapore, il progettista è giunto alla conclusione che dovrebbero avere una forma conica. Ecco come appariva l'ugello Laval, utilizzato fino ad oggi.
Fu solo nel 1883 che lo svedese Gustav Laval riuscì a superare molte difficoltà e a creare la prima turbina a vapore funzionante. Alcuni anni prima, Laval aveva ottenuto il brevetto per un separatore di latte. Per alimentarlo era necessaria una trasmissione ad altissima velocità. Nessuno dei motori esistenti a quel tempo soddisfaceva il compito. Laval si convinse che solo una turbina a vapore poteva fornirgli la velocità di rotazione richiesta. Iniziò a lavorare sul suo design e alla fine ottenne ciò che voleva. La turbina di Laval era una ruota leggera, sulle cui pale veniva indotto il vapore attraverso numerosi ugelli posti ad angolo acuto. Nel 1889 Laval migliorò significativamente la sua invenzione aggiungendo espansori conici agli ugelli. Ciò ha aumentato significativamente l'efficienza della turbina idraulica e l'ha trasformata in un motore universale.
Il principio di funzionamento della turbina era estremamente semplice. Il vapore, riscaldato ad alta temperatura, usciva dalla caldaia attraverso un tubo del vapore fino agli ugelli ed esplodeva. Negli ugelli il vapore si espandeva fino alla pressione atmosferica. A causa dell'aumento di volume che accompagnò questa espansione, si ottenne un notevole aumento della portata (con un'espansione da 5 a 1 atmosfera, la velocità del getto di vapore raggiunse i 770 m/s). In questo modo l'energia contenuta nel vapore veniva trasferita alle pale della turbina. Il numero di ugelli e la pressione del vapore determinavano la potenza della turbina. Quando il vapore di scarico non veniva rilasciato direttamente nell'aria, ma veniva convogliato, come nei motori a vapore, in un condensatore e liquefatto a pressione ridotta, la potenza della turbina era massima. Pertanto, quando il vapore si espandeva da 5 atmosfere a 1/10 di atmosfera, la velocità del getto raggiungeva valori supersonici.
Nonostante la sua apparente semplicità, la turbina Laval fu un vero e proprio miracolo dell'ingegneria. Basta immaginare i carichi che ha subito la girante per capire quanto sia stato difficile per l'inventore ottenere un funzionamento ininterrotto dalla sua idea. A velocità enormi della girante della turbina, anche un leggero spostamento del baricentro provocava un forte carico sull'asse e sovraccaricava i cuscinetti. Per evitare ciò, Laval ha avuto l'idea di mettere la ruota su un asse molto sottile, che potrebbe piegarsi leggermente durante la rotazione. Durante lo svolgimento si portava automaticamente in una posizione rigorosamente centrale, che veniva poi mantenuta a qualsiasi velocità di rotazione. Grazie a questa soluzione ingegnosa l'effetto distruttivo sui cuscinetti è stato ridotto al minimo.
Fin dalla sua comparsa, la turbina Laval ottenne un riconoscimento universale. Era molto più economico dei vecchi motori a vapore, molto facile da usare, occupava poco spazio ed era facile da installare e collegare. La turbina Laval offriva vantaggi particolarmente grandi se abbinata a macchine ad alta velocità: seghe, separatori, pompe centrifughe. Veniva utilizzato con successo anche come azionamento di un generatore elettrico, ma aveva comunque una velocità eccessivamente elevata e quindi poteva funzionare solo tramite un cambio (un sistema di ruote dentate che riduceva la velocità di rotazione durante la trasmissione del moto dall'albero della turbina all'albero). l'albero del generatore).
Nel 1884, l'ingegnere inglese Parson ricevette un brevetto per una turbina a reazione multistadio, che inventò appositamente per azionare un generatore elettrico. Nel 1885 progettò una turbina a getto multistadio, che in seguito fu ampiamente utilizzata nelle centrali termoelettriche. Aveva il seguente dispositivo, che ricordava una turbina idraulica a getto. Sull'albero centrale era montata una serie di ruote girevoli con lame. Tra queste ruote c'erano cerchi fissi (dischi) con lame che avevano la direzione opposta. Il vapore ad alta pressione veniva fornito a un'estremità della turbina. La pressione all'altra estremità era piccola (inferiore a quella atmosferica). Pertanto il vapore tendeva a passare attraverso la turbina. Innanzitutto è entrato negli spazi tra le lame della prima corona. Queste lame lo dirigevano verso le pale della prima ruota mobile. Il vapore passava tra di loro, facendo ruotare le ruote. Quindi è entrato nella seconda corona. Le pale della seconda corona dirigevano il vapore tra le pale della seconda ruota mobile, che anch'essa iniziava a ruotare. Dalla seconda ruota mobile il vapore scorreva tra le pale del terzo cerchio e così via. Tutte le pale avevano una forma tale che la sezione trasversale dei canali tra le pale diminuiva nella direzione del flusso del vapore. Le pale sembravano formare degli ugelli montati su un albero, da cui, espandendosi, fuoriusciva vapore. Qui venivano utilizzate sia la potenza attiva che quella reattiva. Ruotando, tutte le ruote facevano ruotare l'albero della turbina. Dall'esterno il dispositivo era racchiuso in un involucro robusto. Nel 1889 circa trecento di queste turbine venivano già utilizzate per produrre elettricità e nel 1899 a Elberfeld fu costruita la prima centrale elettrica con turbine a vapore Parson. Nel frattempo, Parson ha cercato di espandere la portata della sua invenzione. Nel 1894 costruì una nave sperimentale, la Turbinia, alimentata da una turbina a vapore. Durante i test ha dimostrato una velocità record di 60 km/h. Successivamente, le turbine a vapore iniziarono ad essere installate su molte navi ad alta velocità.
Il tempo delle macchine a vapore fu di breve durata. Ma già nell’antica Grecia si sapeva come utilizzare liquidi surriscaldati in guerra. Diversi secoli fa, i nostri antenati hanno dedicato molto tempo e sforzi alla conquista del vapore, questo argomento è interessante ancora oggi;
Eolipile di Geronovsky
La storia dell'invenzione delle turbine risale ai tempi antichi, ma l'uso del vapore a beneficio dell'umanità è stato possibile solo verso la fine del XVII secolo. All'inizio della nostra era, lo scienziato greco Erone d'Alessandria dimostrò chiaramente che il vapore può essere utile. La sua invenzione, chiamata “Geronovsky eolipile” dal nome dell'inventore, era una palla che ruotava con la potenza di un getto di vapore. È così che è apparso il primo prototipo di turbina a vapore.
Il ballo di Salomone
Inoltre, la storia dell'invenzione delle turbine non si è sviluppata così rapidamente. Sfortunatamente, la maggior parte delle invenzioni degli antichi greci rimasero dimenticate e non trovarono ulteriore applicazione. Solo all'inizio del XVII secolo viene descritto qualcosa di simile a una macchina a vapore, anche se molto primitiva. Lo scienziato-inventore francese Solomon de Caux nei suoi scritti descrive una sfera metallica cava con due tubi, uno dei quali serve per fornire e l'altro per scaricare l'acqua. E se riscaldi la palla, l'acqua inizierà a muoversi verso l'alto attraverso il tubo.
Turbina Branca
All'inizio del 1629 l'inventore e meccanico Giovanni Branchi assemblò la prima turbina a vapore. Il principio di funzionamento si basa sulla conversione dell'energia potenziale del vapore in energia cinetica e sull'esecuzione di lavoro utile. L'essenza della sua invenzione era che un getto di vapore, con la sua pressione, metteva in moto una ruota con pale, come la ruota di un mulino ad acqua. Ma le turbine di questo tipo avevano una potenza molto limitata, poiché era impossibile creare un'elevata pressione del getto. Così, la storia dell'invenzione della turbina a vapore riprende una nuova svolta dopo una lunga pausa.
Boom di vapore
Nel 1825, l'ingegnere-inventore Richard Travisic tentò di installare due ugelli sulla ruota di una locomotiva a vapore e di far passare attraverso di essi vapore ad alta pressione. Sugli stessi principi si basava il lavoro della segheria, costruita dal meccanico americano W. Avery. Molti autori vollero che la storia dell'invenzione della turbina includesse i loro nomi. Nella sola Inghilterra, in 20 anni, sono stati rilasciati brevetti per oltre 100 invenzioni relative alle turbine a vapore o ai principi del loro funzionamento.
Turbina nell'industria
Per 5 anni, a partire dal 1884, indipendentemente l'uno dall'altro, lo svedese Carl Gustav de Laval e l'irlandese Charles Parsons lavorarono per creare una turbina a vapore adatta a livello industriale. Laval ha inventato un ugello espandibile, che ha permesso di aumentare significativamente la velocità del vapore in uscita e, di conseguenza, è aumentata anche la velocità di rotazione del rotore della turbina.
Ma grazie all'invenzione di Laval è stato possibile ottenere solo una piccola potenza di uscita, circa 500 kW. Le sue turbine a vapore trovarono largo impiego nella fase iniziale, ma furono presto sostituite da unità più potenti di altro tipo.
Turbina a getto
La storia dell'invenzione delle turbine a vapore comprende anche l'invenzione della turbina a reazione multistadio Parsons. La differenza tra questa invenzione era la velocità di rotazione inferiore e il massimo utilizzo dell'energia del vapore. Tali cambiamenti significativi sono stati ottenuti grazie al fatto che il vapore si è espanso gradualmente, passando attraverso 15 fasi nel sistema a turbina. Pertanto, i lavori dello scienziato hanno trovato applicazione pratica nell’industria. Si conclude così la storia dell'invenzione delle turbine, descrivendo brevemente le principali figure del passato coinvolte nella risoluzione di questo importante problema. Da allora, la turbina Parsons ha subito un gran numero di modifiche e miglioramenti, ma i principi di base sono rimasti invariati.
Invenzione delle turbine in Russia
Anche la storia dell'invenzione delle turbine a vapore è stata scritta in Russia. Nello stabilimento di Suzunsky lavorava il maestro Altai Zalesov, noto negli ambienti professionali. Dal 1803 al 1813 uscì dalle sue mani un gran numero di modelli di turbine. Essendo un professionista con una vasta esperienza, ha notato i difetti nella progettazione delle turbine a vapore, che hanno reso possibile apportare modifiche nelle fasi iniziali della progettazione. Il suo collega nel laboratorio era l'inventore Kuzminsky. Ha lavorato nel campo della costruzione navale e della tecnologia aeronautica ed è giunto alla conclusione che non era appropriato utilizzare un motore a vapore a pistoni nella costruzione navale. Kuzminsky ha inventato e testato una turbina a vapore marina reversibile di sua progettazione.
Aveva un peso ridotto di 15 kg per cavallo. La storia russa dell'invenzione delle turbine, brevemente descritta da Kuzminsky, è caratterizzata come un'epoca in cui le scoperte nazionali caddero nell'oblio. Naturalmente, l'invenzione della turbina a vapore ha dato origine a una nuova era nello sviluppo dell'industria e dell'intera società e ha dato impulso a una serie di scoperte e risultati in altri campi della scienza. Le invenzioni di quei tempi lontani vengono utilizzate ancora oggi, anche se in uno stato notevolmente modificato. Nonostante il fatto che la scienza abbia fatto grandi passi avanti, si basa in gran parte su principi stabiliti in un lontano passato.
Oggi, però, il “cuore” che dà vita alla maggior parte delle macchine create dall’uomo non è sempre stato così.
Dal passato al presente
Prima dell’era dei motori a combustione interna, la turbina a vapore è stata per lungo tempo la pietra angolare del progresso tecnologico. Questo è un caso raro in cui le invenzioni risultano così efficaci da continuare ad essere utilizzate ai nostri giorni, anche se con una serie di miglioramenti. Si noti che le turbine a vapore non devono essere confuse con le classiche macchine a vapore (la stessa locomotiva a vapore). Il loro principio di funzionamento è diverso e la loro efficienza è incomparabile.
Turbina a vapore. Invenzione
Si ritiene che lo svedese P. Laval sia stato il primo a sviluppare una turbina del genere e a realizzarla in metallo. Già nel 1889 nacque la necessità di un motore efficiente in grado di creare una rotazione ad una frequenza di almeno 100 giri al secondo. Il principio di funzionamento della turbina era abbastanza semplice: le pale erano poste sulla superficie di un cilindro fissato all'asse, nel quale colpiva un getto di vapore surriscaldato proveniente da una vicina caldaia. la coppia si trasformava in cinetica, facendo ruotare il cilindro. Laval ha determinato sperimentalmente che i migliori risultati possono essere ottenuti se il vapore scorre attraverso ugelli a forma di cono anziché tubi diritti.
Tuttavia, la turbina a vapore dell'inglese C. A. Parsons è più famosa. Lo sviluppò quasi parallelamente a Laval, ma non solo lo migliorò, ma intuì anche di collegarlo a un generatore elettrico (il prototipo del moderno sistema G-D).
Nel 1894 creò una nave azionata da un motore basato su una turbina a vapore (circa 60 km/h). L'idea ebbe così tanto successo che dopo il 1900 la maggior parte delle navi da guerra furono dotate di motori simili.
Al giorno d'oggi
Naturalmente, dall'invenzione e dai primi modelli, la turbina a vapore è stata modernizzata e i difetti di progettazione sono stati eliminati. Un'installazione classica di una turbina a vapore comprende due componenti: uno statore stazionario con un blocco di ugelli e un rotore rotante (cilindro) con pale posizionate sul suo corpo. A seconda della direzione del movimento del getto di vapore, esistono due tipi di design del rotore: radiale e assiale. I primi sono echi delle soluzioni originali: in essi il vettore di propagazione del vapore è perpendicolare all'asse del cilindro e le pale sono parallele ad esso. In quelli assiali, la direzione del movimento del vapore coincide con l'asse e la rotazione viene creata grazie allo speciale orientamento delle pale.
Un utilizzo più efficiente dell'energia del vapore è possibile nelle turbine a vapore con più cilindri (multicassa). Tuttavia, a causa dell'ingombro e della complessità della progettazione, tali soluzioni vengono utilizzate laddove il loro utilizzo è economicamente giustificato. I cilindri dell'alloggiamento possono essere posizionati su un asse comune o essere meccanicamente indipendenti. Il sistema di guarnizioni e diaframmi impedisce il funzionamento anomalo dell'intero impianto (presa d'aria esterna, fuoriuscita di vapore, bypass di stadi, ecc.).
Sviluppo della tecnologia delle turbine a vapore
A bassi livelli di pressione del vapore e di bassa potenza, le turbine classiche non sono sufficientemente efficienti. Sono stati sostituiti da un motore a vite a vapore. Questo sviluppo russo rappresenta una naturale evoluzione del modello originale. I rotori con pale elicoidali si trovano all'interno dell'alloggiamento. Il vapore in entrata riempie lo spazio tra i denti delle viti più vicine, si verifica una rivoluzione e l'ulteriore alimentazione viene interrotta. Successivamente, nella cavità del vapore, la porzione risultante si espande e lavora per ruotare il rotore a vite. Questo design consente un utilizzo più completo dell'energia del vapore accumulato.
