Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Именно на этом принципе, как вы уже знаете, и работает Геронов шар. Пар, выходя из трубок шара, отталкивает эти трубки, вследствие чего весь шар получает вращение. Но не только Геронов шар, который так и остался игрушкой, но и настоящие двигатели работают на этом принципе.
Совершенствование паровой турбины пошло как по линии использования активного действия пара, так и по линии применения реактивного принципа.
После первых успехов Лаваля турбиной стали заниматься во многих странах, и постепенно, шаг за шагом, инженеры всё больше и больше совершенствовали новый двигатель.
  
Активная турбина Рато
 
Среди творцов турбин значительное место принадлежит французскому инженеру и ученому Огюсту Рато.
Огюст Рато родился в 1863 году и так же, как и Лаваль, получил широкое техническое образование, окончив два учебных заведения: Политехническую школу и Высшую горную школу. В 1888 году двадцатипятилетний инженер становится профессором в той же Высшей горной школе, которую он недавно до того окончил. Уже в 1890 году появляются его первые работы по паровым турбинам. В 1900 году на Международном конгрессе по прикладной механике, в Париже, молодой ученый и инженер доложил о предложенной им конструкции активной паровой турбины. Такая турбина уже строилась по чертежам Рато. На Всемирной выставке в Париже в том же 1900 году демонстрировались эти чертежи и даже отдельные части нового двигателя.
Это была многоступенчатая паровая турбина, работающая так же, как и турбина Лаваля, на активном принципе. Лавалю из-за большого числа оборотов рабочего колеса не удалось создать двигатель мощностью больше 500 лошадиных сил. Рато же свою первую многоступенчатую турбину рассчитал на 1000 лошадиных сил. Это стало возможным благодаря тому, что Рато, используя кинетическую энергию пара, не развивал таких огромных оборотов своего вала, как турбина Лаваля.
Как же удалось инженеру Рато обойти основное затруднение, мешавшее турбинам конкурировать с паровыми машинами? В отличие от Лаваля, Рато направил струю пара не на одно рабочее колесо, а на несколько. При этом он заставил пар расширяться постепенно, — так, что скорость струи, поступающей на одно колесо, оказывалась уже не столь высокой.
Чтобы понять этот принцип, обратимся к рисунку. Здесь изображена активная турбина Рато с тремя рабочими колесами, закрепленными на общем валу. Между колесами стоят неподвижные перегородки. Каждое колесо с лопатками вращается в своей отдельной камере. В каждой перегородке имеется направляющий аппарат — ряд сопел, причем, обратите внимание, — в первой перегородке слева сопла менее широкие, чем во второй, а во второй перегородке менее широкие, чем в третьей. Пар из котла подводится в приемную камеру турбины. Этот пар имеет достаточно высокое давление. Проходя через сопла первой перегородки, он несколько расширяется, его давление на какую-то долю уменьшается, а скорость возрастает. С этой скоростью пар и поступает на первое рабочее колесо. Однако первый ряд сопел сделан так, чтобы пар не расширялся полностью, то есть до давления конденсатора, а лишь частично. Поэтому и скорость, которую пар успевает приобрести в первых соплах, не очень велика. А стало быть, и скорость вращения первого колеса окажется значительно меньшей, чем у колеса Лаваля, на которое пар выходил полностью расширившись.
Но означает ли это, что не вся кинетическая энергия, которую мог бы пар передать колесу, здесь используется? Да, если говорить об одном колесе. Но колес в турбине Рато много. На втором ряде сопел пар заставляют дальше расширяться — опять не до конца, а как раз настолько, чтобы на второе колесо выйти с такой же скоростью, как и на первое. С оставшимся давлением пар входит в третий ряд сопел, где в случае турбины, изображенной на рисунке, он уже расширяется до конца, то есть до давления атмосферы или конденсатора. Рассчитаны сопла так, чтобы на все три колеса пар поступал с одинаковой скоростью.
 Активная турбина Рато с тремя рабочими колесами. 
Таким образом, кинетическая энергия пара развивается не сразу, а как бы по частям. Но так как все три колеса сидят на одном валу, то и части эти складываются, создавая необходимую мощность турбины. Почему размеры сопел от ряда к ряду увеличиваются? Да потому, что пар всё расширяется и расширяется. А следовательно, и путь для него должен становиться всё шире и шире.
Заметим, что на лопатках рабочего колеса никакого изменения давления пара не происходит, — имеет место лишь потеря его скорости.
Турбина, предложенная Рато, совершенствовалась далее другими инженерами. Много улучшений в конструкцию внес швейцарский инженер Целли.
  
Ступени скорости
 
Иначе решил задачу совершенствования активной паровой турбины американский инженер Чарльз Кэртис.
В 1900 году, почти одновременно с Рато, Кэртис предложил свою конструкцию. Борясь, так же как и Рато, с недостатками турбины Лаваля и прежде всего с чрезмерно быстрым вращением рабочего вала, Кэртис нашел другой способ снижения этих оборотов. Всю энергию пара в виде его полной кинетической энергии подавать на один ряд рабочих лопаток нельзя. К этому выводу Кэртис пришел так же, как и Рато, детально изучив свойства активной турбины. Но Рато, как мы знаем, предложил постепенно снижать первоначальное давление пара в рядах неподвижных сопел, между которыми вращаются однолопастные рабочие диски, получающие кинетическую энергию по частям. Такую турбину стали называть активной турбиной со ступенями давления.
Кэртис же предложил другую многоступенчатую активную турбину — со ступенями скорости.
В двухступенчатой турбине Кэртиса пар поступает из парового котла в сопловой аппарат. Здесь он сразу, как и в турбине Лаваля, расширяется полностью, то есть до того давления, с которым он покидает турбину. Это означает, что, как и в турбине Лаваля, пар выходит из первого ряда сопел с наибольшей скоростью. Однако здесь вся кинетическая энергия пара, соответствующая этой скорости, не передается только одному ряду лопаток. Кэртис предложил на рабочем колесе турбины располагать два, три или больше рядов лопаток. А между рядами лопаток Кэртис предложил поставить неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара, выходящая с большой скоростью из сопел, встречается сначала с первым рядом лопаток. Затем, не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые ее направляют на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдает второму, и так далее.
В результате оказывается, что пар может передать колесу со многими рядами лопаток ту же энергию, что и колесу с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения колеса, — ведь пар как бы распределил свою энергию одновременно на несколько колес, сидящих на одной оси.
Если вы вспомните, как распределение энергии пара по ступеням происходило в турбине Рато, то вам сразу станет ясно, в чем разница между той турбиной и этой.
 Турбина Кэртиса с двумя ступенями скорости. 
Рато не давал полностью расшириться пару в первом ряде сопел, — он использовал ступенчатое расширение. Кэртис, наоборот, расширяет пар сразу до нижнего предела давлений и сразу получает наибольшую скорость. Но эту наибольшую скорость он не сразу использует на первом же венце лопаток, — он заставляет скорость снижаться постепенно, ступенями.
Турбины со ступенями скорости начали строиться в Америке. Но вскоре обнаружился их недостаток: они обладали малым коэффициентом полезного действия.
Вскоре инженеры нашли, что одновременное применение и ступеней скорости и ступеней давления имеет особые преимущества. Можно уменьшить общее количество ступеней, если первыми ступенями сделать ступени скорости и на них использовать значительную часть давления. А дальше ступенями давления уже доводить пар до полного расширения.