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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Turbine à vapeur. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une turbine à vapeur est un moteur thermique qui convertit l'énergie de la vapeur en travail mécanique. Dans l'appareil à aubes d'une turbine à vapeur, l'énergie potentielle de la vapeur d'eau comprimée et chauffée est convertie en énergie cinétique, qui à son tour est convertie en travail mécanique - la rotation de l'arbre de la turbine. La vapeur de l'unité de chaudière à vapeur pénètre par les aubes directrices sur les aubes courbes fixées autour de la circonférence du rotor et, agissant sur elles, provoque la rotation du rotor.
Avec turbines hydrauliques, l'invention et la distribution des turbines à vapeur ont eu une grande importance pour l'énergie et l'électrification. Le principe de leur fonctionnement était similaire à celui des hydrauliques, à la différence cependant que la turbine hydraulique était entraînée par un jet d'eau et la turbine à vapeur par un jet de vapeur chauffée. De la même manière que la turbine à eau représentait un mot nouveau dans l'histoire des machines à eau, la machine à vapeur a démontré les nouvelles possibilités de la machine à vapeur. L'ancienne machine Watt, qui fêtait son centenaire dans le troisième quart du XIXe siècle, avait un faible rendement, car le mouvement de rotation y était obtenu de manière complexe et irrationnelle. En fait, comme on s'en souvient, la vapeur n'a pas déplacé la roue en rotation elle-même ici, mais a exercé une pression sur le piston, du piston à travers la tige, la bielle et la manivelle, le mouvement a été transmis à l'arbre principal. À la suite de nombreux transferts et transformations, une grande partie de l'énergie reçue de la combustion du carburant, au sens plein du terme, s'est envolée dans le tuyau sans aucun avantage. Plus d'une fois, les inventeurs ont essayé de concevoir une machine plus simple et plus économique - une turbine à vapeur, dans laquelle un jet de vapeur ferait directement tourner la roue. Un calcul simple a montré qu'elle devait avoir un rendement supérieur de plusieurs ordres de grandeur à la machine de Watt. Cependant, il y avait de nombreux obstacles dans la voie de la pensée de l'ingénierie. Pour qu'une turbine devienne vraiment un moteur très efficace, la turbine devait tourner à très haute vitesse, faisant des centaines de tours par minute. Pendant longtemps, cela n'a pas pu être réalisé, car ils ne savaient pas comment donner la bonne vitesse au jet de vapeur. Ce n'est qu'en 1883 que le Suédois Gustav Laval réussit à surmonter de nombreuses difficultés et à créer la première turbine à vapeur en état de marche. Quelques années plus tôt, Laval avait obtenu un brevet pour un séparateur de lait. Pour le mettre en action, un entraînement à très grande vitesse était nécessaire. Aucun des moteurs alors existants ne satisfaisait à la tâche. Laval était convaincu que seule une turbine à vapeur pouvait lui donner la vitesse de rotation nécessaire. Il a commencé à travailler sur sa conception et a finalement réalisé ce qu'il voulait. La turbine Laval était une roue légère, sur les pales de laquelle de la vapeur était induite par plusieurs tuyères disposées à angle aigu.
En 1889, Laval améliore considérablement son invention en ajoutant des expanseurs coniques aux buses. Cela a considérablement augmenté l'efficacité de la turbine et l'a transformée en un moteur universel. Le principe de fonctionnement de la turbine était extrêmement simple. La vapeur, chauffée à haute température, est venue de la chaudière à travers le tuyau de vapeur jusqu'aux buses et a éclaté. Dans les buses, la vapeur s'est détendue jusqu'à la pression atmosphérique. Du fait de l'augmentation de volume accompagnant cette détente, une augmentation significative du débit sortant a été obtenue (lors de la détente de 5 à 1 atmosphère, la vitesse du jet de vapeur atteignait 770 m/s). Ainsi, l'énergie contenue dans la vapeur était transférée aux aubes de la turbine. Le nombre de buses et la pression de la vapeur déterminaient la puissance de la turbine. Lorsque la vapeur d'échappement n'était pas rejetée directement dans l'air, mais était envoyée, comme dans les machines à vapeur, vers un condenseur et liquéfiée à pression réduite, la puissance de la turbine était la plus élevée. Ainsi, lorsque la vapeur se détendait de 5 atm à 1/10 atm, la vitesse du jet atteignait une valeur supersonique. Malgré son apparente simplicité, la turbine Laval était une véritable merveille d'ingénierie. Il suffit d'imaginer les charges que la roue a subies pour comprendre à quel point il était difficile pour l'inventeur d'obtenir un fonctionnement ininterrompu de sa progéniture. À des vitesses énormes de la roue de turbine, même un léger déplacement du centre de gravité provoquait une forte charge sur l'essieu et une surcharge des roulements. Pour éviter cela, Laval a eu l'idée de mettre la roue sur un axe très fin, qui, une fois tourné, pourrait se plier légèrement. Lorsqu'il n'était pas tordu, il arrivait lui-même à une position strictement centrale, qui était alors maintenue à n'importe quelle vitesse de rotation. Grâce à cette solution ingénieuse, l'effet destructeur sur les roulements a été réduit au minimum. Dès son apparition, la turbine Laval est universellement reconnue. Elle était beaucoup plus économique que les anciennes machines à vapeur, très maniable, peu encombrante, facile à installer et à raccorder. La turbine Laval offrait des avantages particulièrement importants lorsqu'elle était connectée à des machines à grande vitesse avec des scies, des séparateurs et des pompes centrifuges. Il a également été utilisé avec succès comme entraînement pour un générateur électrique, mais néanmoins, pour celui-ci, il avait une vitesse excessivement élevée et ne pouvait donc agir que par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses (un système d'engrenages qui abaissait la vitesse de rotation lors du transfert du mouvement de l'arbre de la turbine à l'arbre du générateur). En 1884, l'ingénieur anglais Parsons a reçu un brevet pour une turbine à réaction à plusieurs étages, qu'il a inventée spécifiquement pour entraîner un générateur électrique. En 1885, il conçoit une turbine à réaction à plusieurs étages, qui sera ensuite largement utilisée dans les centrales thermiques. Elle avait l'appareil suivant, rappelant un appareil à turbine à réaction. Une rangée de roues rotatives à aubes était montée sur l'arbre central. Entre ces roues étaient fixées des jantes (disques) avec des lames qui avaient la direction opposée.
De la vapeur sous haute pression était fournie à l'une des extrémités de la turbine. La pression à l'autre extrémité était faible (inférieure à la pression atmosphérique). Par conséquent, la vapeur cherchait à traverser la turbine. Premièrement, il a agi dans les espaces entre les omoplates de la première couronne. Ces pales le dirigeaient vers les pales de la première roue mobile. De la vapeur passait entre eux, faisant tourner les roues. Puis il est entré dans la deuxième couronne. Les aubes de la deuxième couronne dirigeaient la vapeur entre les aubes de la deuxième roue mobile, qui entraient également en rotation. De la deuxième roue mobile, la vapeur s'écoulait entre les pales de la troisième couronne, et ainsi de suite. Toutes les aubes ont reçu une forme telle que la section transversale des canaux inter-aubes a diminué dans le sens de l'écoulement de la vapeur. Les pales, pour ainsi dire, formaient des buses montées sur l'arbre, à partir desquelles, en se dilatant, la vapeur s'écoulait. La puissance active et la puissance réactive ont été utilisées ici. En tournant, toutes les roues faisaient tourner l'arbre de la turbine. À l'extérieur, l'appareil était enfermé dans un boîtier solide. En 1889, environ trois cents de ces turbines étaient déjà utilisées pour produire de l'électricité, et en 1899, la première centrale électrique avec des turbines à vapeur Parsons a été construite à Elberfeld. Pendant ce temps, Parsons a tenté d'élargir la portée de son invention. En 1894, il construit un navire expérimental "Turbinia" mû par une turbine à vapeur. Lors des tests, il a démontré une vitesse record de 60 km/h. Après cela, des turbines à vapeur ont commencé à être installées sur de nombreux navires à grande vitesse. Auteur : Ryzhov K.V.
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