Принцип работы турбовоза. Виды турбин

 

По теме "турбовоз"

Cпециальные проекты

Реклама

Партнеры и спонсоры

Что еще?

История паровых турбин

Характерная черта нашего времени — быстроходность машин. Мы заставляем наши машины работать как можно быстрее, производить как можно проворнее и больше нужных нам вещей.
Древние машины приводились в действие мускульной силой людей и животных. Естественно, что они работали и медленно и малопродуктивно.
Первые механические двигатели, в том числе и паровые, заменяли живую силу. Понятно, что такой двигатель и работал немногим скорее, чем рабочий.

Эолипил Герона
Двигатели обслуживали прядильные и ткацкие станки, лесопильные машины, мельничные жернова, работавшие также не очень проворно: конструкция их создавалась в эпоху ручного труда, когда о паровых двигателях не было и помина.
В эпоху промышленного капитализма, с ростом производительных сил понадобились быстроходные машины в производстве булавок и на орудийных заводах для расточки пушечных жерл, а такие машины потребовали и соответствующей скорости двигателя
К концу прошлого века появились центробежные насосы, центрифуги, сепараторы — машины, вращавшиеся с неслыханной скоростью. Затем были изобретены динамомашины, генераторы, вырабатывающие электрический ток. При этом оказалось, что генераторы работают нормально, делая три тысячи оборотов в минуту. Таким машинам нужны двигатели с равным числом оборотов, чтобы, не прибегая к передачам, соединять на одном валу двигатель и рабочую машину.
Паровой двигатель Уатта — самая тихоходная машина. При всём совершенстве техники скорость его едва-едва доведена до 400 оборотов в минуту. Легко видеть, как безнадёжно отстал он по быстроходности. Двигатели внутреннего сгорания оказались более проворными машинами; однако в самых совершенных авиационных моторах, в том числе и дизельных, число оборотов остаётся в пределах между одной и двумя тысячами в минуту. Надо думать, что добиться больших скоростей в двигателях с прямолинейно-возвратным движением поршней вообще невозможно без снижения срока их службы, а долговечность моторов и так невелика.

Машина Бранка
Движение поршня в цилиндре происходит ведь попеременно взад и вперёд: от одного крайнего положения до другого. При каждой перемене направления в конце хода, когда скорость меняет своё направление, обращаясь в нуль при мгновенной остановке поршня, достигает максимума и сила инерции. Если число ходов поршня в минуту будет значительным, скажем, более 300, то сила инерции достигнет очень больших величин. Действуя несколько сотен раз в минуту вправо и влево поочерёдно, она расшатывает все движущие части машины и даже её раму. По мере износа и истирания частей в промежутках образуются зазоры, расшатавшаяся машина становится ненадёжной, небезопасной и выбрасывается в лом. Таким образом, прямолинейно-возвратное движение поршней в машине обращается в неустранимое препятствие для её быстроходности.
Самым простым и удобным движением является не прямолинейно-возвратное, а вращательное вокруг неподвижной оси, не изменяющей своего положения. При этом условии возможно, хотя бы только приблизительно, достигнуть того, что вследствие самого движения не будет проявляться никаких вредных сил инерции. Нужно только самым точным образом уравновесить вращающиеся части, сбалансировать их, как выражаются техники. Самое ничтожное повышение веса в какой-нибудь маленькой частичке колеса при вращении его со скоростью в несколько тысяч оборотов в минуту приведёт к развитию таких сил инерции, что не точно сбалансированное колесо разлетится на куски. Тихоходные двигатели с непосредственным вращательным движением были известны человечеству испокон веков. Такими двигателями являются водяные колёса и ветряные мельницы.

Активная турбина Лаваля
Даровой энергией воды и ветра пользоваться, конечно, выгодно. Конструкция водяных и ветряных колёс очень проста. Но беда в том, что работают эти двигатели не там, где нужно человеку, а где есть река, и не тогда, когда нужно, а когда есть ветер,
В середине прошлого века некоторым конструкторам удалось превратить водяное колесо в очень совершенный двигатель, получивший название турбины. В гидравлических установках такого рода поток воды направляется наивыгоднейшим образом в металлическое колесо с лопатками, и работа турбины совершается под полным контролем человека.
Но творческому разуму не под силу найти средство для того, чтобы заставить ветер дуть на железное колесо с необходимой силой и постоянством. Вид мельницы, окружённой возами с зерном, но стоящей неподвижно из-за безветрия, скорее внушает мысль о создании искусственного ветра, чем и может стать струя водяного пара.
Уже при пяти атмосферах первоначального давления пар вырывается из сосуда, в котором он заключён, со скоростью 500 метров в секунду, тогда как быстрота ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду. Пар давлением в десять атмосфер направляется в конденсатор со скоростью вдвое большей скорости пули, выпущенной из современной винтовки. Перегретый пар обладает значительно большей стремительностью движения.
Мысль об использовании кинетической энергии пара для получения вращательного усилия возникла очень давно, — гораздо раньше того, чем были накоплены теоретические знания о свойствах пара. Любители техники строили такие машины-игрушки для собственного развлечения на много лет раньше того, как паром начали заниматься Ползунов и Уатт.

Реактивная турбина
Уже в одном из древнейших трудов, затрагивающих вопросы механики, именно в труде Герона Александрийского, — а он жил две тысячи лет назад, — описан прибор, называемый эолипилом. Он состоит из пустого шара с двумя трубками: одна загнута вперёд, а другая назад. Осью, на которой установлен шар, служат трубки, соединённые с котлом, где кипит вода. По этим осевым трубкам пар наполняет шар и вращает его, вытекая из загнутых трубок. Это всё та же «сила отдачи», которая заставляла двигаться повозку Ньютона в подтверждение им открытого закона: всякое действие равно противодействию и противоположно ему по направлению.
Эолипил Герона представляет собой простейшую форму реактивной паровой турбины.
Другой прибор, в котором работа производилась за счёт кинетической энергии пара, известен под названием машины Бранка, описанной в труде Джиованни Бранка, вышедшем в Риме в 1629 году. Этот прибор состоит из парового котла, крышкой которому служит бюст человека с тонкой трубкой во рту. Из этой трубки вырывающийся под давлением пар струёй направляется на лопатки горизонтального колеса с ячейками и вращает его со значительной скоростью.

Паровая турбина для прямого и обратного хода на турбовозе
Машина Бранка представляет собой простейший вид активной паровой турбины. Герон и Бранка не только указывали, каким путём можно обратить кинетическую энергию пара в механическую работу, но и предлагали опытные конструкции таких машин.
Тем не менее в продолжение многих лет создания Герона и Бранка оставались только моделями и игрушками. Существовало упорное, хотя и неправильное мнение, что скорость пара не силах вызвать мощное движение колеса.
Это, наверное, единственный случай в истории техники, когда отлично выполненные и хорошо действовавшие модели увели людей в сторону от правильного пути, а не привели к нему. Впрочем, виновато здесь не только влияние установившегося мнения. Более важное значение имело то обстоятельство, что до поры до времени паровой двигатель Уатта удовлетворял потребностям промышленности, и никто не требовал лучшего. Но как только хозяйство стало ощущать нужду в быстроходном двигателе, взоры конструкторов невольно обратились к старым моделям Герона и Бранка. Добавим, что к этому времени налицо уже были и научные знания свойств пара и техническая возможность строить быстроходные машины.
Паровая турбина была создана одновременно, но независимо друг от друга в Швеции Густавом Лавалем и в Англии Чарльзом Парсонсом.
По принципу действия эти турбины были совершенно различны: Лаваль направил струю пара на колесо с лопатками и построил активную турбину; Парсонс, впуская пар в ряд лопаток особой формы, укреплённых на одном валу, заставил вал, или ротор, турбины вращаться, пользуясь реактивной силой пара, выходящего из этих лопаток, отчего турбина и получила название реактивной.
Паровые турбины имеют ряд преимуществ перед паровой машиной: большую экономичность, быстроходность, лёгкость установки. Но в них оказался и крупный недостаток, а именно: чрезвычайно большая скорость. Турбина Лаваля делала около 30 тысяч оборотов в минуту, а турбина Парсонса — 18 тысяч. Двигатели с такими скоростями не могли иметь применения нигде, и оба изобретателя начали думать, как бы снизить число оборотов.

Турбовоз
Лаваль, не убавляя скорости самого турбинного колеса, что было бы невыгодно, поставил зубчатую передачу, а Парсонс снизил скорость вращения ротора тем, что заставил пар терять давление постепенно в венцах лопаток, разделив их на особые группы.
Вслед за Лавалем и Парсонсом над усовершенствованием турбин и приспособлением их для разных целей начал работать целый ряд изобретателей.
В течение двух десятилетий паровая турбина сделала огромные успехи. Вслед за стационарными турбинами, оказавшимися очень удобными для электростанций, Парсонс начал строить судовые турбины, а Целли первым попытался установить турбину на локомотив.
Первый турбовоз Целли мощностью в тысячу лошадиных сил в течение пяти лет подвергался всякого рода испытаниям.
Скорость турбовоза — около 80 километров в час, и в отношении быстроходности он не имеет никаких преимуществ перед современными паровозами. Хотя турбина экономичнее парового двигателя, но устройство её сложнее, а применение передачи лишает машину гибкости и увеличивает количество трущихся частей, непроизводительно расходующих энергию на преодоление трения.
Кроме того, паровые турбины не имеют реверса. Поэтому на турбовозе приходится ставить две турбины: одну для переднего, а другую для заднего хода.
Однако турбовозы внесли в историю локомотивостроения существенно важное и интересное новшество: практически была доказана возможность установки безвакуумных конденсаторов на транспортной машине и открыт новый своеобразный путь к повышению экономичности паровой тяги. На очередь встал вопрос о постройке паровозов с конденсаторами для приспособления паровой тяги к работе в маловодных местностях и пустынях.
С наибольшей широтой и размахом строительство конденсационных паровозов было предпринято в Советском Союзе.

Рекомендовать эту статью

Термины, пояснения и исторические справки

Новости из интернета

  

Места на карте, упоминающиеся на сайте 1520mm.ru

Будьте в курсе наших новостей


© 2002—2017 Nicos
Страница сгенерирована за 0,0051 сек.
Rambler's Top100 Яндекс.Метрика