Турбины

Турбины

В то время, как часть изобретателей всех стран и многих поколений работала над созданием двигателей с прямолинейно-возвратным движением, другая часть их, направляясь по иному пути, трудилась над созданием двигателей без цилиндра и поршня, двигателей с непосредственным вращательным движением, исходя из другой технической формы, также известной с древнейших времен.

Двигатели эти получили название турбин, и прототипами их являются водяное колесо и ветряная мельница.

Первую попытку более совершенного использования кинетической энергии воды для получения механической работы на водяном колесе следует отнести к 1750 году, когда в Геттингене Сегнером было сконструировано получившее его имя так называемое «сегнерово колесо», представляющее собой механизм, вращающийся вследствие реактивного действия струи, выходящей из концов загнутых по периферии круга трубок. Истинным же творцом водяной турбины, напоминающей по конструкции современные ее типы, был французский инженер Бенуа Фурнейрон, установивший первую водяную турбину на металлургическом заводе в Ду в 1827 году. Этот водяной двигатель тогда же и получил название турбины, предложенное профессором Бурденом, учителем Фурнейрона.

Сегнерово колесо

При всех конструктивных усовершенствованиях, внесенных в гидравлическую турбину Жонвилем, Жираром, Пельтоном, Френсисом и рядом других изобретателей, этот водяной двигатель, в силу своего органического порока, а именно зависимости от местонахождения эксплуатируемого им потока, никогда бы не смог удовлетворить крупную промышленность, если бы электротехника не перешла к соединению на одном валу с турбиной генератора электрического тока.

Крупнейшие технические революции во всех областях промышленности, начиная с восьмидесятых годов прошлого века, обязаны в первую очередь электрическому току. Внедрение электрической энергии в каждой отрасли народного хозяйства приводило к коренным изменениям как в производственно-техническом строении этих отраслей, так и в самых производственных процессах.

С гениальной прозорливостью, более полувека назад, по поводу брошюры Фольмара, в письме к Бернштейну Энгельс писал:

«Дело это имеет чрезвычайно революционный характер. Паровая машина учит нас превращать теплоту в механическое движение, но пользование электричеством открывает нам путь превращения всех форм энергии, теплоты, механического движения, электричества, магнетизма, света одной в другую и обратно и промышленного пользования. Круг замкнут. И новейшее открытие Депрэ, что электрические токи очень высокого напряжения со сравнительно слабой потерей силы могут передаваться по простой телеграфной проволоке на неслыханные до сих пор расстояния и быть примененными на конечном пункте — дело это находится еще в зародыше — окончательно освобождает промышленность почти от всех местных границ, делает возможным употребление даже самых отдаленных водяных сил. И если даже вначале этим воспользуются только города, в конце-концов, оно должно стать самым могущественным рычагом для уничтожения антагонизма между городом и деревней. Но что вместе с этим производительные силы примут такие размеры, при которых они перерастут руководство буржуазии, совершенно очевидно»[7].

Это предвидение Энгельса полностью оправдалось в настоящее время.

Электроцентрали сделали доступными процессу индустриализации даже те районы, которые вовсе были лишены каких-либо энергетических ресурсов. Электроцентрали освободили источники водной энергии от их органического недостатка, поскольку стало возможным добытую электрической установкой энергию передавать по высоковольтной сети в потребительские районы, отстоящие на значительном расстоянии от установки.

Можно говорить с полным основанием, что главным производственно-техническим фактором, с которым непосредственно связывается путь развития производительных сил монополистического капитализма, является турбогенератор, т. е. агрегат, в котором двигатель непосредственно соединен на одном валу с генератором электрического тока.

Наиболее совершенным двигателем этих агрегатов являются паровые турбины, в создании которых совершенно исключительная роль досталась на долю Лаваля.

Возникновение водяных колес и ветряных мельниц, использующих живую силу потока и ветра, относится к глубокой древности, и уже на ранних ступенях развития народного хозяйства делались попытки овладения потоком воды для наиболее выгодного использования ее кинетической энергии. В современных водяных турбинах сила и направление потока находятся всецело под контролем человека, и регулирование работ турбин производится в очень широких пределах.

Но творческая фантазия человека никогда не посягала на живую силу ветра, не поддающуюся никакому регулированию, никакому контролю. Вид мельницы, осаждаемой заказчиками, но бездействующей из-за отсутствия ветра, скорее внушал мысль о применении искусственного ветра для приведения в движение этого двигателя.

Таким искусственным ветром становится водяной пар даже при невысоком давлении, если его выпускать из сосуда, в который он заключен. Уже при пяти атмосферах первоначального давления он вытекает в воздух со скоростью около 500 метров в секунду, т. е со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, в то время как сила ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду.

Идея использования ветровой силы водяного пара, т. е. его кинетической энергии, для получения вращательного движения возникла, очевидно, также в глубокой древности. По крайней мере в древнейшем из дошедших до нас трудов, в котором затронуты вопросы механики, а именно в труде Герона Старшего из Александрии, жившего две тысячи лет назад, описан прибор, называемый эолипилом: он представляет собой полый шар с двумя трубками, загнутыми в противоположных направлениях, из которых одна трубка расположена наверху, а другая — внизу шара. Осью, на которой вращается этот шар, служит полая трубка, концы которой соединены с сосудом, представляющим паровой котел. По этим осевым трубкам пар из котла наполняет шар и, вытекая в воздух из загнутых трубок, приводит шар в движение. Шар вращается благодаря реактивной, или противодействующей, силе вытекающего наружу пара.

Этот прибор представляет собой прототип так называемой реактивной паровой турбины.

Эолипил

Другая машина, использующая кинетическую энергию пара для своего вращения, известная под названием «машины Бранка», описана в труде Джиованни Бранка, выпущенном в Риме в 1629 году. Она состоит из парового котла, крышкой которого служит бюст человека с тонкой трубкой во рту: из этой трубки вытекал пар на лопасти горизонтального колеса с ячейками, которое от этой активно действующей силы пара вращалось с значительной быстротой. Машина Бранка, судя по рисунку, употреблялась даже в качестве двигателя для приведения в движение толчейного стана.

Машина Бранка

Эта машина представляет собой прототип так называемой активной турбины.

Надо заметить, что долгое, время при упоминании машины Бранка добавлялось, что струей пара никогда нельзя получить какой-либо значительной силовой мощности. Ошибочности этого мнения способствовало, конечно, отсутствие теоретических знаний о свойствах газа и пара и о законах их истечения.

Тем не менее мысль об использовании активной и реактивной силы пара для получения в двигателе непосредственно вращательного движения не покидала изобретателей. Однако все предлагавшиеся ими машины представляли лишь измененные типы эолипила и никакого практического значения не имели. Лишь с появлением водяных турбин и теоретически разработанных принципов их работы, данных Понселе, и после опытов Сен-Венана и Вантцеля над истечением газов и пара начали постепенно появляться правильные представления о скоростях, которые должны возникать в паровых турбинах, и о причинах неудач изобретателей в этой области.

Но, несмотря на прогресс в понимании работы паровых турбин, сопровождавшийся появлением целого ряда новых конструкций, построенные паровые турбины не имели практического применения, и турбостроение не выходило из стадии элементарных опытов. Причина этого лежала не только в отсутствии знаний и низком уровне техники, но и главным образом в том, что всякое изобретение появляется в результате ряда экономических условий. Паровые турбины появились только тогда, когда требование на них было предъявлено техникам всех наций со стороны промышленности монополистического капитализма.

Развитие электротехники и электрических станций потребовало быстроходных и мощных двигателей для генераторов электрического тока. В восьмидесятых годах прошлого века такими двигателями могли быть лишь паровые машины. Одновременно с развитием электростанций начали усиленно строиться быстроходные паровые двигатели, но число оборотов их достигало всего 400–500 в минуту, в то время как генераторам нужна была значительно большая скорость. К тому же эти быстроходные паровые машины не имели больших мощностей и большие электростанции обслуживались все теми же тихоходными паровыми машинами, пожиравшими огромное количество топлива, что удорожало стоимость электроэнергии.

Таким образом, острая потребность в специальном быстроходном и экономичном двигателе для электростанций возникла с первых же шагов, успешно сделанных электротехникой, и возрастала с каждым новым шагом вперед. Разумеется, к этому времени, когда потребность в новом двигателе назрела, значительно поднялся и уровень машиностроительной техники и возросли знания в виде теоретических исследований Цейнера и ряда других ученых о свойствах водяного пара и законах его истечения.

Всецело подтверждая на практике справедливость марксова положения об экономической обусловленности появления всякого изобретения, эту задачу решили одновременно, но совершенно независимо друг от друга и совершенно различными методами, в Англии — Чарльз Парсонс и в Швеции — Густав де Лаваль. И совершенно так же, утверждая марксово положение о том, что всякий научный труд, всякое открытие и изобретение являются общим трудом и очень мало принадлежат тому или иному отдельному лицу, — паровые турбины являются результатом предварительной работы многих лиц, живших в разные времена и в разных странах. Если же история современного турбостроения открывается биографией Лаваля, то лишь благодаря тому, что его гениальной находчивости обязано турбостроение разрешением труднейших технических задач.