Турбины - история изобретения, виды и устройство

В этом докладе раскроем тему устройства, принципа работы турбины и подготовим сообщение об истории изобретения турбин. Они применяются в энергетике, металлургии, во многих сферах промышленности, в том числе и ЖКХ. Что такое турбина и каков ее принцип действия рассказывается в учебнике «Физика» за 8 класс. Постараемся раскрыть данную тему подробнее.

Устройство и принцип работы турбины

Турбина (от латинского «turbo» в переводе на русский – смерч, круговое движение) – это двигатель, когда при вращающемся роторе энергия пара, воды и газа трансформируется в механическую работу. 

Когда водные или паровые потоки действуют на специальные звенья — лопасти, то эти они начинают двигаться. Лопасти расположены по всему диаметру ротора.

Рассмотрим пример водяного колеса, на нём закрепляются лопасти, а поверх течёт поток воды. 

Колесо под воздействием центробежной силы начинает вращаться.

Если направление потока воды, пара или газа идёт параллельно оси турбины – то их называют осевыми, а если перпендикулярно – то радиальные.

Используется в качестве части двигателя и увеличивает его мощность. Широко используется в транспортных средствах. На электростанциях является приводом электрогенератора.

Виды турбин

Типы определяются в зависимости оттого, какой вид энергии преобразуется в них – на основе пара или на основе газа:

1. Паровая турбина – нагретый водяной пар расширяется и, поступая в проточную часть, заставляет вращательно работать ротор. Потоки пара воздействуют на лопасти, тем самым происходит движение. Такие турбины могут вырабатывать помимо электрической ещё и тепловую энергию.

2. Газовая турбина – в ней сжатый и нагретый газ преобразовывается в механическую работу на валу. Состоит из лопастей, закрепляющихся на дисках (ротор), и направляющих лопастей, которые закрепляются в корпусе (статор).

Под давлением и воздействием высокой температуры, газ проходит по сопловому устройству в область низкого давления, в пути сильнее расширяется и ускоряется. После поток газа доходит на лопасти, отдаёт часть своей кинетической энергии. 

Лопасти передают крутящий момент через диски на вал. Газовая турбина вращает вал генератора, так и проявляется его КПД. Используются на ТЭЦ.

Краткий исторический обзор развития турбин

Попытки изобрести турбины предпринимались во все времена. Самые ранние результаты датируются первым столетием нашей эры, и представление о паровой турбине дошло до нашего времени.

Кратко рассмотрим этапы создания в хронологическом порядке.

130 год нашей эры – эта дата служит самым первым упоминанием изобретения паровой турбины, сохранилось тому документальное подтверждение. Грек Герон Александрийский, математик и механик, разработал и построил простейшую турбину и дал ей название «эолипил».

Эолипил выглядел так: полностью залатанный котёл, на поверхности которого торчали две трубки. На эти трубки был установлен пустотелый шар, а на нем два сопла в форме буквы «Г». В котёл наливалась вода, которую затем грели на огне. 

Как только температура воды повышалась, появлялся пар, который проходил в шар по трубкам, под воздействием выбрасывался из сопел, и шар начинал вращение. Но в бытность Герона изобретение не снискало признания, так как практического применения эолипилу не нашлось, потому относились к нему как к игрушке.

1500 г. – итальянский ученый и изобретатель Леонардо да Винчи упоминал в своих работах приспособление, похожее на турбину. Посредством огня подогревался воздух, который вращал лопасти.

1551 г. – сириец Таги-аль-Дин из Дамаска в своём отчёте «Высокие методы воздушных машин» описал механизм турбины. Машина представляла собой следующее: закрытый котел из меди был наполнен водой и на огне доводился до кипения.

Струя пара из сопла подавалась на колесо, которое крутило вертел барбекю. В Германии в музее Института истории исламской науки находится копия этого аппарата.

1629 г. – инженер из Италии Джованни Бранк простроил прототип мельницы. Концепция была такова, что мощный поток заставлял вращать турбину.

1678 г. - фламандец Фердинанд Вербист изобрел подобие самоходного транспортного средства на основе паровой машины. Но доказательств тому не значится.

1791 г. – учёный из Англии Джон Барбер запатентовал настоящую газовую турбину. Она могла работать на нефти, угле и древесине.

1872 г. – Франц Столц из Венгрии изобрел первым турбинный двигатель на основе газа.

1890 г. – конструктор Густаф де Лаваль разработал сопло. Оно использовалось для подачи пара в турбину.

1894 г. – британец Чарльз Парсонс запатентовал концепцию парохода, который двигался с помощью турбины.

1895 г. – в Британии освещали бульвары Кембриджа, рабочие установили три генератора по 4 тонны, мощностью сотню киловатт.

1903 г. – скандинав Эджидиус Эллинг первым построил турбину на основе газа. Она вырабатывала энергии больше, чем необходимо было для неё самой, но этот факт остался без внимания.

1913 г. – инженером и изобретателем Николой Тесла была запатентована своя турбина. Она не была похожа на все предыдущие изобретения, в ней не было лопастей, а её принцип основывался на принципе пограничных слоёв.

1918 г. – американский бренд General Electric первый наладил собственное производство.

1920 г. – британский ученый Алан Гриффит поменял принцип прохождения потоков газа по аэродинамической плоскости.

1930 г. – британский ученый Фрэнк Уиттли изобрел реактивную газовую турбину. А весной 1937 г. прошли первые испытания.

1934 г. – Рауль Патерас Пескара из Аргентины стал создателем поршневого двигателя, который являлся источником энергии в газовой турбине.

1936 г. – группа немецких учёных М. Хан и Х. фон Охайн в одно время с британцем Фрэнком Уиттли разрабатывали двигатель на основе реактивной турбины.

Современный мир не может обойтись без применения турбин, а с каждым днём их роль всё больше растет. Эти устройства надежны, модернизируются и трудятся на благо населения земли, ведь наука не стоит на месте и возможны новые прорывы в истории развития турбостроения.