2.7.2. Парові турбіни
Ідея використання кінетичної енергії пари була вперше реалізована в кулі Герона (120 р. до н.е.), показаній на рис. 2.23. Першою найпростішою активною турбіною було "колесо" італійського вченого Бранка (XVIIв.), зображене на рис. 2.24. В даному пристрої пара подавалася на колесо з осередками і викликала його обертання. Однак для широкої реалізації турбін в тої час не було ні потреби, ні необхідного рівня розвитку техніки. Так само не мали практичного значення розробки турбін П.М. Залєсова (1806 р.) і В.П. Титова (1856 р.). У 30-х рр. XIX в. робилися спроби створення парових турбін у США. Однак була відсутня теорія, тому пропоновані конструкції виявилися невдалими.
90-і рр. XIX в. ознаменувалися широким будівництвом електростанцій. Для привода електрогенераторів був потрібний швидкохідний й економічний двигун. З початку в якості такого використовувалися поршневі парові машини з частотою обертання вала до 200...400 об/хв. Однак вони не відповідали зростаючим вимогам електроенергетики: були малопотужними, неекономічними і недостатньо швидкохідними. У зв’язку із цим, згадали про парову турбіну, яка мала ряд важливих переваг у порівнянні з поршневими машинами (робоче безупинне обертання практично з будь-якою необхідною частотою, потужність до сотень тисяч кВт, більш високий ККД, менші експлуатаційні витрати). Відмічене обумовило те, що парова турбіна стала основним двигуном електростанцій і суден.
Активна робота над створенням парової турбіни на основі теорій термо- і газодинаміки почалася наприкінці XIX в. Найбільш вдалі рішення були дані шведом К. Лавалем (1845 - 1912 рр.) і англійцем Ч. Парсонсом (1854 - 1931 рр.).
Перший патент на реактивну турбіну найпростішого типу Лаваль одержав у 1883 р. У 1889 р. він запропонував одноступінчасту активну турбіну, що складалася з робочого колеса з великим числом увігнутих лопастей, на які з чотирьох сопел подавалася пара (рис 2.25). Сопло, що розширюється, яке отримало назву "сопла Лаваля", було винайденим раніше ван Ратеном. Пара з великою швидкістю проходила по лопатях робочого колеса і створювала тиск, що викликав його обертання. Вже в 1895 р. Лаваль демонстрував турбіну потужністю 5 к.с. при 30000 об/хв, а дещо пізніше – турбіну потужністю 350 к.с. Турбіна Лаваля була недосконалою і подальший розвиток турбін пішов за схемою, запропонованою Парсонсом.
Турбіна Парсонса (1884 р.), показана на рис. 2.26 була реактивною. В ній використовувалася не тільки кінетична енергія струменів пари, але і
потенціальна енергія сил реакції, що виникають при розширенні пари в міжлопатевих каналах робочого колеса. На валу турбіни установлювалися кілька обертових реактивних коліс з лопатями, між якими розміщалися нерухомі ряди таких самих лопатей, спрямованих у протилежну сторону - реактивні лопаті. Форма лопаток була такою, що забезпечувала збільшення перерізу міжлопатевих каналів в напрямку витікання пари, в результаті при відриві струменів їх швидкість збільшувалась. Таким чином, турбіна Парсонса була осьовою багатоступінчастою. У 1913 р. одинична потужність турбін Парсонса досягла 2500 кВт. У 1899 р. французький інженер К.Е.О. Рато (1863 - 1930 рр.) створив активну осьову багатоступінчасту турбіну, що одержала поширення в Європі. Аналогічну турбіну в США сконструював Ч. Кертіс (1878 - 1930 рр.). Основними виробниками парових турбін були: у Німеччині - "Загальна компанія електрики", у Великобританії - "Джон Браун", у США - "Дженерал електрик" і "Вестингауз".
Характеристики турбін швидко поліпшувалися: якщо у 1899 р. турбіна потужністю 1000 к.с. споживала 12 кг пари на 1 кВтгод., то у 1910р. турбіна потужністю 12000 кВт споживала 5 кг пари на 1 кВтгод.
З 1900 р. турбіни стали використовувати на військових кораблях, а з 1906 р. - на пасажирських суднах.
Поряд з осьовими багатоступінчастими турбінами, до 20-х рр. експлуатувалися радіальні багатоступінчасті турбіни Юнгстрема, які мали одне робоче колесо з концентричними рядами торцевих лопатей. Між лопатями рабочого колеса розміщалися концентричні ряди реактивних лопатей, закріплених на торці нерухомого диска. Пара подавалася по осі диска й далі у турбіні радіально розширювалася. Машини даного типу мали порівняно невелику потужність (до 10000 кВт при 3000 об/хв.) і обмежену міцність робочого колеса.
У 1910 р. одинична потужність паротурбінного агрегату складала біля 25000 кВт. У 1950 р. вона підвищилася до 100…150 МВт. З метою підвищення ККД і зниження питомих витрат пари в сучасних турбінах збільшені тиск (до 13...24 МПа) і температура (до 560°С) робочого тіла. При цьому ККД досяг 40%, проти 5...6% у перших турбін і 9...11% - на початку 20-х рр. Подальше підвищення вказаних параметрів пари утруднено, тому що вимагає використання більш жаростійких матеріалів і глибокої демінералізації води.
Одинична потужність одновальних турбін досягла 500...800 тис. кВт. Вони виконуються звичайно багатоступінчастими комбінованими активними або активно-реактивними. У двовальному виконанні потужність турбін підвищилася до 1,2 млн. кВт і вище. У 1978 р. в СРСР була виготовлена парова одновальна турбіна типу К-1200-240, розрахована на потужність 1200 МВт і частоту 3000 об/хв при тиску і температурі пари відповідно 23,5 МПа і 540°С. Це найбільша у світі одновальна машина. Найпотужніша парова турбіна (1400 МВт) побудована фірмою "Броун Бовери". В перспективі розвитку турбін підвищення параметрів пари за рахунок використання нових жароміцних матеріалів.