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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Dampfturbine. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Eine Dampfturbine ist eine Wärmekraftmaschine, in der Dampfenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Im Schaufelapparat einer Dampfturbine wird die potentielle Energie von komprimiertem und erhitztem Wasserdampf in kinetische Energie umgewandelt, die wiederum in mechanische Arbeit – Rotation der Turbinenwelle – umgewandelt wird. Der Dampf aus der Dampfkesseleinheit gelangt durch Leitschaufeln auf gekrümmte Schaufeln, die am Umfang des Rotors befestigt sind, und bewirkt durch seine Einwirkung auf diese eine Drehung des Rotors.
Zusammen mit Wasserturbinenwar die Erfindung und Verbreitung von Dampfturbinen von großer Bedeutung für Energie und Elektrifizierung. Ihr Funktionsprinzip ähnelte dem hydraulischen, mit dem Unterschied, dass die hydraulische Turbine von einem Wasserstrahl und die Dampfturbine von einem Strahl erhitzten Dampfes angetrieben wurde. So wie die Wasserturbine ein neues Wort in der Geschichte der Wassermaschinen darstellte, demonstrierte die Dampfmaschine die neuen Möglichkeiten der Dampfmaschine. Die alte Wattmaschine, die im dritten Viertel des XNUMX. Jahrhunderts ihr XNUMX-jähriges Bestehen feierte, hatte einen geringen Wirkungsgrad, da die Rotationsbewegung in ihr auf komplexe und irrationale Weise erzielt wurde. Tatsächlich bewegte der Dampf, wie wir uns erinnern, hier nicht das rotierende Rad selbst, sondern übte Druck auf den Kolben aus, vom Kolben über die Stange, die Pleuelstange und die Kurbel wurde die Bewegung auf die Hauptwelle übertragen. Infolge zahlreicher Übertragungen und Umwandlungen floss ein großer Teil der Energie, die aus der Verbrennung von Kraftstoff im wahrsten Sinne des Wortes stammt, ohne Nutzen in das Rohr. Mehr als einmal versuchten Erfinder, eine einfachere und wirtschaftlichere Maschine zu konstruieren - eine Dampfturbine, bei der ein Dampfstrahl das Laufrad direkt drehen würde. Eine einfache Berechnung ergab, dass die Effizienz mehrere Größenordnungen höher sein sollte als die von Watts Maschine. Dem technischen Denken standen jedoch viele Hindernisse im Weg. Damit eine Turbine wirklich zu einem hocheffizienten Motor wird, muss sich das Laufrad mit sehr hoher Geschwindigkeit drehen und Hunderte von Umdrehungen pro Minute machen. Lange Zeit war dies nicht möglich, weil man nicht wusste, wie man dem Dampfstrahl die richtige Geschwindigkeit gibt. Erst 1883 gelang es dem Schweden Gustav Laval, viele Schwierigkeiten zu überwinden und die erste funktionierende Dampfturbine zu bauen. Einige Jahre zuvor hatte Laval ein Patent für einen Milchseparator erhalten. Um es in die Tat umzusetzen, war ein sehr schneller Antrieb erforderlich. Keiner der damals vorhandenen Motoren erfüllte die Aufgabe nicht. Laval war überzeugt, dass ihm nur eine Dampfturbine die nötige Drehzahl geben könne. Er begann an seinem Design zu arbeiten und erreichte schließlich, was er wollte. Die Laval-Turbine war ein leichtes Rad, auf dessen Schaufeln Dampf durch mehrere spitzwinklig angeordnete Düsen eingeleitet wurde.
1889 verbesserte Laval seine Erfindung erheblich, indem er den Düsen konische Expander hinzufügte. Dies steigerte den Wirkungsgrad der Turbine deutlich und machte sie zu einem Universalmotor. Das Funktionsprinzip der Turbine war äußerst einfach. Auf eine hohe Temperatur erhitzter Dampf kam aus dem Kessel durch das Dampfrohr zu den Düsen und brach aus. In den Düsen entspannt sich der Dampf auf Atmosphärendruck. Aufgrund der mit dieser Expansion einhergehenden Volumenzunahme wurde eine deutliche Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit erreicht (bei der Expansion von 5 auf 1 Atmosphäre erreichte die Geschwindigkeit des Dampfstrahls 770 m/s). Dadurch wurde die im Dampf enthaltene Energie auf die Turbinenschaufeln übertragen. Die Anzahl der Düsen und der Dampfdruck bestimmten die Leistung der Turbine. Wenn der Abdampf nicht direkt in die Luft entlassen, sondern wie bei Dampfmaschinen einem Kondensator zugeführt und bei vermindertem Druck verflüssigt wird, ist die Leistung der Turbine am höchsten. Wenn sich der Dampf also von 5 atm auf 1/10 atm ausdehnte, erreichte die Strahlgeschwindigkeit einen Überschallwert. Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit war die Laval-Turbine ein wahres Wunderwerk der Technik. Es reicht aus, sich die Belastungen vorzustellen, denen das Laufrad in ihm ausgesetzt war, um zu verstehen, wie schwierig es für den Erfinder war, einen unterbrechungsfreien Betrieb seiner Nachkommen zu erreichen. Bei enormen Drehzahlen des Turbinenrades verursachte bereits eine leichte Schwerpunktverlagerung eine starke Belastung der Achse und Überlastung der Lager. Um dies zu vermeiden, kam Laval auf die Idee, das Rad auf eine sehr dünne Achse zu setzen, die sich beim Drehen leicht verbiegen könnte. Beim Aufdrehen kam es selbst in eine streng mittige Position, die dann bei jeder Rotationsgeschwindigkeit gehalten wurde. Dank dieser genialen Lösung wurde die zerstörerische Wirkung auf die Lager auf ein Minimum reduziert. Die Laval-Turbine erlangte sofort nach ihrem Erscheinen allgemeine Anerkennung. Sie war viel sparsamer als die alten Dampfmaschinen, sehr einfach zu handhaben, nahm wenig Platz ein und war einfach zu installieren und anzuschließen. Besonders große Vorteile brachte die Laval-Turbine in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsmaschinen mit Sägen, Separatoren und Kreiselpumpen. Es wurde auch erfolgreich als Antrieb für einen elektrischen Generator verwendet, hatte aber dafür eine zu hohe Drehzahl und konnte daher nur über ein Getriebe (ein Getriebesystem, das die Drehzahl verringerte, wenn Bewegung von der Turbinenwelle auf die Turbine übertragen wurde) wirken der Generatorwelle). 1884 erhielt der englische Ingenieur Parsons ein Patent für eine mehrstufige Strahlturbine, die er speziell zum Antrieb eines elektrischen Generators erfand. 1885 entwarf er eine mehrstufige Strahlturbine, die später in Wärmekraftwerken weit verbreitet war. Sie hatte das folgende Gerät, das an ein Strahlturbinengerät erinnert. Auf der zentralen Welle war eine Reihe rotierender Räder mit Schaufeln montiert. Zwischen diesen Rädern befanden sich feste Felgen (Scheiben) mit Schaufeln, die die entgegengesetzte Richtung hatten.
Dampf unter hohem Druck wurde einem der Enden der Turbine zugeführt. Der Druck am anderen Ende war gering (weniger als atmosphärisch). Daher versuchte der Dampf, die Turbine zu passieren. Zunächst wirkte er in den Lücken zwischen den Schulterblättern der ersten Krone. Diese Schaufeln leiteten es zu den Schaufeln des ersten beweglichen Rades. Dampf strömte zwischen ihnen hindurch und brachte die Räder zum Drehen. Dann trat er in die zweite Krone ein. Die Schaufeln der zweiten Krone leiteten Dampf zwischen die Schaufeln des zweiten beweglichen Rades, das ebenfalls in Rotation kam. Vom zweiten beweglichen Rad strömte Dampf zwischen die Schaufeln der dritten Krone und so weiter. Alle Schaufeln erhielten eine solche Form, dass der Querschnitt der Zwischenschaufelkanäle in Richtung des Dampfstroms abnahm. Die Schaufeln bildeten sozusagen auf der Welle montierte Düsen, aus denen Dampf ausströmte, der sich ausdehnte. Hier wurde sowohl Wirk- als auch Blindleistung verwendet. Rotierend drehten alle Räder die Turbinenwelle. Außen war das Gerät in einem stabilen Gehäuse eingeschlossen. 1889 wurden bereits rund dreihundert dieser Turbinen zur Stromerzeugung genutzt, 1899 wurde in Elberfeld das erste Kraftwerk mit Parsons-Dampfturbinen errichtet. In der Zwischenzeit versuchte Parsons, den Umfang seiner Erfindung zu erweitern. 1894 baute er ein von einer Dampfturbine angetriebenes Versuchsschiff „Turbinia“. In Tests demonstrierte er eine Rekordgeschwindigkeit von 60 km/h. Danach wurden Dampfturbinen auf vielen Hochgeschwindigkeitsschiffen installiert. Autor: Ryzhov K.V.
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