Без помощи Бога

Они остаются ключевыми технологиями для энергетики и промышленности и в новом тысячелетии.

Турбина, наверное, второе по значимости технологическое изобретение человечества после колеса. В наши дни на первый взгляд даже кажется странным, что турбину не изобрели в древности, сразу после самого колеса, что появилась она только в XIX веке. Удивительно, почему люди столетиями, в несколько подходов шли к этому изобретению, без которого совершенно немыслима современная жизнь. Но при более близком знакомстве с темой становится ясно, что турбина как технологическая реальность, изменившая энергетический облик мира, возникла не только тогда, когда дозрел изобретательский гений и произошло развитие сопутствующих технологий, но и когда у человечества сформировался спрос на большую энергетику.

Горячий привет из Античности

Согласно Большой советской энциклопедии турбина — это двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора и непрерывным рабочим процессом. Служит она для преобразования тепловой энергии водяного пара или продуктов сгорания различных типов топлива (дизельного, природного или синтетического газа) в механическую работу. В водяных, или, по-другому, гидравлических турбинах в энергию вала турбины преобразуется механическая энергия воды. Работает турбина совсем просто: поток воды, водяного пара или продуктов сгорания поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, крутит этот самый ротор. Получившуюся механическую энергию можно снять через ротор для чего нужно: для вращения электрического турбогенератора, для различных механизмов и приводов. Если рабочим телом турбины служит пар, то это паровая турбина, если продукты сгорания топлива — газовая, если вода — гидравлическая.

Но за простотой описания принципа действия скрывается крайняя сложность и трудоемкость изготовления. Умение воплощать “в железе” миллионы гидро— и термодинамических, материаловедческих и прочих штучек считается важнейшим показателем технологической развитости государства, а сама турбина — это олицетворение технического совершенства, высший пилотаж человеческого мастерства.

Прототурбину придумал великий греческий механик и математик Герон из Александрии. Во II веке до нашей эры он соединил паропроводящими стойками котел и шар с загнутыми выводными трубками. Пар из нагретого котла попадал в шар, который и вращался под действием реактивной тяги, создаваемой выходящим через трубки паром. Будто развлекаясь, Герон сумел приспособить изобретение, названное им эолипилом по имени бога ветра Эола, в качестве привода, который приводил в движение фигурки на алтаре храма и открывал двери. Сведения о прообразах турбин снова появляются в позднем Средневековье. Было бы удивительно, если бы в чертежах неуемного Леонардо да Винчи не нашлось рисунка такой турбинки. Называлась она дымовым зонтом. В дымоходе печи устанавливалось турбинное колесо, которое крутили исходящие газы (то есть по сути это была уже активная газовая турбина), а оно, в свою очередь, вращало вертел с тушей.

Изобретение парового котла, без которого существование паровой турбины было бы бессмысленным, датируется 1680 годом. Французский физик и изобретатель Дени Папен, работавший с великим Христианом Гюйгенсом в Париже над поршневым паровым насосом для создания приборного вакуума, понял, что технологичнее пар сначала генерировать в котле, а уж потом подавать отдельно в механизм, этот пар потребляющий.

Пришел XVIII век, открывший эпоху двигателестроения. В 1750 году венгр Янош Сегнер, профессор Геттингенского университета, выдвинул идею водяного двигателя, в котором наряду с напором и весом использовалась бы энергия реактивного движения водяной струи. В нескольких критических работах замечания по поводу этой идеи высказал великий Леонард Эйлер, член Петербургской академии наук, предложив способы усовершенствовать этот турбодвигатель, — и тем самым он предопределил создание эффективной реактивной гидротурбины в 1832 году французским инженером Бенуа Фурнероном.

Известно, что британец Джеймс Уатт в 1769 году, всего за пять лет до своего официального изобретения паровой машины, просчитывал и варианты постройки паровой турбины. Но технологические риски по тем временам были велики. Для турбины были нужны высокопрочные быстровращающиеся узлы и детали (тогда еще не могли посчитать закономерности истечения пара из сопел и его поведения в турбине, то есть физику процесса, но уже было ясно, что паровая турбина эффективна именно при быстрых оборотах), парогенераторы-котлы высокого давления и много чего другого. Просчитав все эти риски, Уатт сосредоточился именно на универсальных паровых машинах, ставших технологической опорой промышленной революции и в итоге подготовивших индустриальную базу для создания тех же паровых и газовых турбин.

Через десятилетия, когда Уатту указывали на потенциальную конкурентную угрозу его изобретению со стороны турбин, тот, говоря о невозможности развития такого сценария, приводил аргумент, что такие высокие скорости движения элементов машины вообще недостижимы: “О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?”

Мировой хит с КПД 3%

Любопытно, что в самый разгар паромашинной революции в 1791 году англичанин Джон Барбер получил первый патент на изобретение газотурбинной установки (ГТУ). Он собирался использовать ее в качестве двигателя для самобегущей повозки. Но хотя турбина Барбера обладала уже всеми признаками современной ГТУ, она едва ли могла появиться тогда на свет, и не только из-за недостатков конструкции: ни наука, ни металлургия, ни машиностроение не достигли той зрелости, которая позволила бы создавать столь сложные, работающие при огромных температурах механизмы.

В начале XIX века казалось, что паровая машина побеждает. Благодаря ей вовсю шла промышленная революция. Если верить историкам, к 1810 году в Великобритании насчитывались уже около 5 тыс. паровых машин. В промышленности все шире начали использоваться металлообрабатывающие станки, увеличилось производство машинного оборудования, и в 1788—1820 годах примерно в шесть раз вырос спрос на чугун, а за 50 лет с 1785 года в десять раз увеличилось потребление угля. Все это требовало новых транспортных технологий, и они не замедлили явиться — именно в середине 20−х годов позапрошлого столетия появились паровозы и железная дорога, пароходы. К концу XIX века установленная мощность паровых машин составляла: в Германии — 4,5 млн л. с., во Франции — 3,0 млн л. с., в Австрии — 1,5 млн л. с. (по данным Берлинского бюро статистики). Помимо этого в мире работало 105 тыс. паровозов с суммарной мощностью паровых котлов 3,0 млн л. с.

Но уже к последней трети XIX века стало ясно, что прежней гегемонии паровых машин приходит конец. Инноваций в двигателестроении требовали главным образом две отрасли. Судостроители поняли, что паровые поршневые машины практически достигли своего предела. Возрастающие требования судов к энергетике уже нельзя было удовлетворять за счет увеличения мощности двигателя — паровой машины, становящейся бессмысленно громоздкой и тяжелой. Вторая отрасль — электроэнергетика — только зарождалась, но ее победное шествие уже началось. В 1888 году русский инженер Михаил Доливо-Добровольский построил трехфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем — основу современной электроэнергетики и предложил асинхронный электродвигатель трехфазного переменного тока — новый базовый универсальный двигатель для промышленности.

Для производства электричества до разработки паровой турбины служили в основном генераторы, работающие на гидротурбинах, прежде всего фурнероновских, КПД которых достигал 80%. Использование паровой машины с 3—5−процентным КПД для выработки электричества делало бессмысленным само существование паросиловой электроэнергетики. В то же время гидроэлектростанцию, в отличие от тепловой, невозможно построить в любом месте. Машина Уатта имела крайне низкий КПД — 3—7% — из-за сложного процесса получения вращательного движения. Сначала пар толкал поршень, от которого движение передавалось через шток, шатун и кривошип уже на главный вал. Из-за многочисленных механических преобразований более 90% энергии топлива в прямом смысле вылетало в трубу. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. При равном расходе пара мощность и экономичность турбины в разы выше, чем у паровой машины. По данным профессора дублинского университета Тринити Уильяма Гаррета Скейфа, в одной лишь Англии с 1784−го по 1884 год было запатентовано 200 изобретений, так или иначе относящихся к турбинам, причем больше половины этих изобретений было зарегистрировано с 1864−го по 1883 год.

Рекламный ход “Турбинии”

В 1883 году шведскому инженеру Густаву Лавалю удалось создать первую работающую паровую турбину. Он сконструировал ее для молочного сепаратора, которому нужен был движитель, вращающийся с огромной скоростью. Лаваль разработал гибкий ротор, который мог щадяще работать с подшипниковым механизмом при скоростях в несколько тысяч оборотов в минуту. Вторым его главным изобретением стало конусное сопло, истекая из которого пар расширялся, резко увеличивался его объем, за счет чего в разы увеличивалась скорость паровой струи, идущей на лопатки, и вся турбина вращалась с очень высокой окружной скоростью 419 м/с.

Настоящий успех паровых турбин в энергетике и судостроении связывают с именем англичанина Чарльза Парсонса, который был не только талантливым изобретателем, но и весьма предприимчивым коммерсантом. Чарльз Парсонс создал экономичную многоступенчатую турбину. На ее валу лопатки разных размеров располагались в несколько рядов. В основе лежала простая идея, что всю энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать последовательно, в каждой отдельной ступени. Этот принцип используется во всех современных турбинах. Промышленное использование паровых турбин началось, как только Парсонс в 1884 году создал первую многоступенчатую паровую турбину мощностью 10 л. с. (18 000 об./мин.) с КПД 12%. Интересно, что он сразу рассчитывал использовать свою турбину для работы с электрогенератором. В 1889 году уже около трехсот таких турбин работали на электростанциях, а в 1899 году в немецком Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами.

Если электрические заказы шли в гору, то более консервативные кораблестроители выжидали. Но Парсонс был первоклассным пиарщиком. После строительства в 1894 году катера “Турбиния” — первого судна с приводом от паровой турбины, развивавшим скорость 59 км/ч, он рискнул своим положением и свободой. Во время морского праздника в честь юбилея восшествия на престол королевы Виктории катер Парсонса выскочил перед самым носом королевского флота. Ни один боевой катер ее величества не смог догнать нахальную “Турбинию”. Чины из Адмиралтейства, до того игнорировавшие Парсонса, сразу же заказали два военных корабля с турбинными установками мощностью по 11 500 л. с.

В 1904 году пошли в серию самые быстрые в мире боевые миноносцы “Дредноут”. С этого времени паровые турбины легли в основу тепловой электроэнергетики и мощной судовой энергетики. В наше время паровые турбины, КПД которых достигает 47%, на ТЭС и АЭС вырабатывают более 70% мировой электроэнергии, а их установленная мощность достигает 2500 ГВт.

Ирик ИМАМУТДИНОВ