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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Turbina a vapore. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Una turbina a vapore è un motore termico che converte l'energia del vapore in lavoro meccanico. Nell'apparato a pale di una turbina a vapore, l'energia potenziale del vapore acqueo compresso e riscaldato viene convertita in energia cinetica, che a sua volta viene convertita in lavoro meccanico: la rotazione dell'albero della turbina. Il vapore proveniente dalla caldaia a vapore entra attraverso le alette di guida poste sulle lame ricurve fissate lungo la circonferenza del rotore e, agendo su di esse, mette in rotazione il rotore.
Va bene con turbine idrauliche, l'invenzione e la distribuzione delle turbine a vapore è stata di grande importanza per l'energia e l'elettrificazione. Il principio del loro funzionamento era simile a quelli idraulici, con la differenza però che la turbina idraulica era azionata da un getto d'acqua, e la turbina a vapore da un getto di vapore riscaldato. Allo stesso modo in cui la turbina ad acqua ha rappresentato una nuova parola nella storia delle macchine idrauliche, la macchina a vapore ha mostrato le nuove possibilità della macchina a vapore. La vecchia macchina Watt, che celebrava il suo centenario nel terzo quarto dell'Ottocento, aveva una bassa efficienza, poiché in essa il movimento rotatorio era ottenuto in modo complesso e irrazionale. Infatti, come ricordiamo, qui il vapore non muoveva la ruota rotante stessa, ma esercitava pressione sul pistone, dal pistone attraverso lo stelo, la biella e la manovella, il movimento veniva trasmesso all'albero principale. A seguito di numerosi trasferimenti e trasformazioni, gran parte dell'energia ricevuta dalla combustione del carburante, nel vero senso della parola, è volata nel tubo senza alcun beneficio. Più di una volta, gli inventori hanno cercato di progettare una macchina più semplice ed economica: una turbina a vapore, in cui un getto di vapore avrebbe fatto ruotare direttamente la girante. Un semplice calcolo ha mostrato che dovrebbe avere un'efficienza di diversi ordini di grandezza superiore alla macchina di Watt. Tuttavia, c'erano molti ostacoli nel modo di pensare ingegneristico. Affinché una turbina diventasse davvero un motore altamente efficiente, la girante doveva ruotare a una velocità molto elevata, facendo centinaia di giri al minuto. Per molto tempo questo non è stato possibile, perché non sapevano dare la giusta velocità al getto di vapore. Solo nel 1883 lo svedese Gustav Laval riuscì a superare molte difficoltà e creare la prima turbina a vapore funzionante. Alcuni anni prima Laval aveva ottenuto un brevetto per un separatore di latte. Per metterlo in azione, era necessaria una trasmissione ad altissima velocità. Nessuno dei motori allora esistenti non soddisfaceva il compito. Laval era convinto che solo una turbina a vapore potesse dargli la velocità di rotazione necessaria. Ha iniziato a lavorare al suo design e alla fine ha ottenuto ciò che voleva. La turbina Laval era una ruota leggera, sulle cui pale veniva indotto il vapore attraverso diversi ugelli posti ad angolo acuto.
Nel 1889 Laval migliorò notevolmente la sua invenzione aggiungendo degli espansori conici agli ugelli. Ciò ha notevolmente aumentato l'efficienza della turbina e l'ha trasformata in un motore universale. Il principio di funzionamento della turbina era estremamente semplice. Il vapore, riscaldato ad alta temperatura, proveniva dalla caldaia attraverso il tubo del vapore fino agli ugelli ed esplose. Negli ugelli, il vapore si espandeva fino a pressione atmosferica. A causa dell'aumento di volume che accompagna questa espansione, è stato ottenuto un aumento significativo della velocità di deflusso (in espansione da 5 a 1 atmosfera, la velocità del getto di vapore ha raggiunto 770 m/s). Pertanto, l'energia contenuta nel vapore è stata trasferita alle pale della turbina. Il numero di ugelli e la pressione del vapore determinavano la potenza della turbina. Quando il vapore di scarico non veniva rilasciato direttamente nell'aria, ma veniva inviato, come nelle macchine a vapore, ad un condensatore e liquefatto a pressione ridotta, la potenza della turbina era la più alta. Pertanto, quando il vapore si espande da 5 atm a 1/10 atm, la velocità del getto raggiunge un valore supersonico. Nonostante la sua apparente semplicità, la turbina Laval era una vera meraviglia dell'ingegneria. Basta immaginare i carichi che ha subito la girante per capire quanto fosse difficile per l'inventore ottenere un funzionamento ininterrotto dalla sua prole. A velocità elevate della ruota della turbina, anche un leggero spostamento del baricentro ha causato un forte carico sull'asse e il sovraccarico dei cuscinetti. Per evitare ciò, Laval ha avuto l'idea di mettere la ruota su un asse molto sottile, che, ruotato, potrebbe piegarsi leggermente. Quando non è attorcigliato, è arrivato a sua volta in una posizione rigorosamente centrale, che è stata poi mantenuta a qualsiasi velocità di rotazione. Grazie a questa ingegnosa soluzione, l'effetto distruttivo sui cuscinetti è stato ridotto al minimo. Non appena è apparsa, la turbina Laval ha ottenuto il riconoscimento universale. Era molto più economico dei vecchi motori a vapore, molto facile da maneggiare, occupava poco spazio ed era facile da installare e collegare. La turbina Laval ha dato grandi benefici soprattutto quando è stata collegata a macchine ad alta velocità con seghe, separatori e pompe centrifughe. Fu utilizzato con successo anche come azionamento per un generatore elettrico, ma tuttavia, poiché aveva una velocità eccessivamente elevata e quindi poteva agire solo attraverso un riduttore (un sistema di ingranaggi che abbassava la velocità di rotazione quando si trasferiva il movimento dall'albero della turbina al l'albero del generatore). Nel 1884, l'ingegnere inglese Parsons ricevette un brevetto per una turbina a getto multistadio, che inventò appositamente per azionare un generatore elettrico. Nel 1885 progettò una turbina a getto multistadio, che in seguito divenne ampiamente utilizzata nelle centrali termiche. Aveva il seguente dispositivo, che ricorda un dispositivo a turbina a reazione. Sull'albero centrale era montata una fila di ruote girevoli con lame. Tra queste ruote erano fissati cerchi (dischi) con lame che avevano la direzione opposta.
Il vapore ad alta pressione è stato fornito a una delle estremità della turbina. La pressione all'altra estremità era piccola (inferiore a quella atmosferica). Pertanto, il vapore ha cercato di passare attraverso la turbina. In primo luogo, ha agito negli spazi tra le scapole della prima corona. Queste lame lo dirigevano verso le lame della prima ruota mobile. Il vapore passava tra di loro, facendo girare le ruote. Quindi è entrato nella seconda corona. Le lame della seconda corona dirigevano il vapore tra le lame della seconda ruota mobile, anch'essa entrata in rotazione. Dalla seconda ruota mobile scorreva vapore tra le lame della terza corona e così via. A tutte le lame è stata data una forma tale che la sezione trasversale dei canali tra le lame è diminuita nella direzione del flusso di vapore. Le lame, per così dire, formavano ugelli montati sull'albero, dai quali, espandendosi, usciva vapore. Sia la potenza attiva che quella reattiva sono state utilizzate qui. Ruotando, tutte le ruote facevano ruotare l'albero della turbina. All'esterno, il dispositivo era racchiuso in un robusto involucro. Nel 1889 circa trecento di queste turbine erano già utilizzate per generare elettricità e nel 1899 fu costruita la prima centrale elettrica con turbine a vapore Parsons a Elberfeld. Nel frattempo, Parsons ha cercato di ampliare la portata della sua invenzione. Nel 1894 costruì una nave sperimentale "Turbinia" azionata da una turbina a vapore. Nei test, ha dimostrato una velocità record di 60 km / h. Successivamente, le turbine a vapore iniziarono ad essere installate su molte navi ad alta velocità. Autore: Ryzhov KV
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