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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
증기 터빈. 발명과 생산의 역사
증기 터빈은 증기 에너지를 기계 작업으로 변환하는 열 엔진입니다. 증기 터빈의 블레이드 장치에서 압축되고 가열된 수증기의 위치 에너지는 운동 에너지로 변환되며, 이는 다시 기계적인 작업(터빈 샤프트의 회전)으로 변환됩니다. 증기 보일러 유닛에서 나오는 증기는 로터 둘레에 고정된 곡선 블레이드의 가이드 베인을 통해 유입되고 여기에 작용하여 로터를 회전시킵니다.
와 함께 수력 터빈, 증기 터빈의 발명과 보급은 에너지와 전기화에 매우 중요했습니다. 작동 원리는 유압식 터빈과 유사하지만 유압 터빈은 물줄기로 구동되고 증기 터빈은 가열된 증기 제트로 구동된다는 차이점이 있습니다. 수력 터빈이 수차의 역사에서 새로운 단어를 대표했던 것처럼 증기 기관은 증기 기관의 새로운 가능성을 보여주었습니다. XNUMX 세기 XNUMX/XNUMX 분기에 XNUMX 주년을 맞이한 오래된 Watt 기계는 회전 운동이 복잡하고 비합리적인 방식으로 얻어지기 때문에 효율성이 낮습니다. 사실, 우리가 기억하는 바와 같이 증기는 여기에서 회전하는 바퀴 자체를 움직이지 않고 피스톤에 압력을 가하여 피스톤에서 로드, 커넥팅 로드 및 크랭크를 통해 움직임이 메인 샤프트로 전달되었습니다. 수많은 이동과 변형의 결과로 연료의 연소에서 받은 에너지의 상당 부분이 완전한 의미에서 아무런 이점도 없이 파이프로 날아갔습니다. 발명가는 증기 제트가 임펠러를 직접 회전시키는 증기 터빈인 더 간단하고 경제적인 기계를 여러 번 설계하려고 했습니다. 간단한 계산으로 와트의 기계보다 몇 배나 더 높은 효율성을 가져야 함을 알 수 있습니다. 그러나 공학적 사고 방식에는 많은 장애물이 있었습니다. 터빈이 진정한 고효율 엔진이 되기 위해서는 임펠러가 분당 수백 번 회전하는 매우 빠른 속도로 회전해야 했습니다. 증기 제트에 적절한 속도를 제공하는 방법을 몰랐기 때문에 오랫동안 이것은 달성할 수 없었습니다. 1883년이 되어서야 스웨덴의 Gustav Laval이 많은 어려움을 극복하고 최초의 작동하는 증기 터빈을 만들 수 있었습니다. 몇 년 전에 Laval은 우유 분리기에 대한 특허를 취득했습니다. 이를 실행하기 위해서는 초고속 드라이브가 필요했습니다. 당시 기존 엔진 중 어느 것도 작업을 충족하지 못했습니다. Laval은 증기 터빈만이 그에게 필요한 회전 속도를 줄 수 있다고 확신했습니다. 그는 디자인 작업을 시작했고 결국 그가 원하는 것을 달성했습니다. Laval 터빈은 예각으로 설정된 여러 노즐을 통해 증기가 유도되는 블레이드의 가벼운 휠이었습니다.
1889년에 Laval은 노즐에 원뿔형 팽창기를 추가하여 발명품을 크게 향상시켰습니다. 이것은 터빈의 효율성을 크게 높이고 범용 엔진으로 만들었습니다. 터빈의 작동 원리는 매우 간단했습니다. 고온으로 가열된 증기는 보일러에서 증기 파이프를 통해 노즐로 나와 폭발했습니다. 노즐에서 증기는 대기압으로 팽창했습니다. 이 팽창에 따른 부피 증가로 인해 유출 속도가 크게 증가했습니다(5기압에서 1기압으로 팽창할 때 증기 제트의 속도는 770m/s에 도달했습니다). 따라서 증기에 포함된 에너지가 터빈 블레이드로 전달되었습니다. 노즐의 수와 증기압은 터빈의 동력을 결정합니다. 배기 증기가 공기 중으로 직접 방출되지 않고 증기 기관과 같이 응축기로 보내져 감압 상태에서 액화 될 때 터빈의 출력이 가장 높았습니다. 따라서 증기가 5 atm에서 1/10 atm으로 팽창했을 때 제트 속도는 초음속 값에 도달했습니다. 명백한 단순성에도 불구하고 Laval 터빈은 엔지니어링의 진정한 경이로움이었습니다. 발명가가 자손으로부터 중단 없는 작동을 달성하는 것이 얼마나 어려운지를 이해하기 위해 임펠러가 경험한 하중을 상상하는 것으로 충분합니다. 터빈 휠의 엄청난 속도에서 무게 중심이 약간만 이동해도 차축에 강한 하중이 가해지고 베어링에 과부하가 걸립니다. 이를 피하기 위해 Laval은 회전할 때 약간 구부러질 수 있는 매우 얇은 축에 바퀴를 장착하는 아이디어를 생각해 냈습니다. 꼬이지 않았을 때, 그것은 그 자체가 어떤 회전 속도로든 고정된 엄밀한 중심 위치에 도달했습니다. 이 독창적인 솔루션 덕분에 베어링에 대한 파괴적인 영향이 최소화되었습니다. Laval 터빈은 등장하자마자 보편적인 인정을 받았습니다. 기존 증기기관보다 훨씬 경제적이고 취급이 매우 간편하고 공간을 적게 차지하며 설치 및 연결이 용이합니다. Laval 터빈은 톱, 분리기 및 원심 펌프가 있는 고속 기계에 연결될 때 특히 큰 이점을 제공했습니다. 발전기의 구동장치로도 성공적으로 사용되었지만 속도가 너무 빨라서 기어박스(터빈 축에서 터빈으로 운동을 전달할 때 회전 속도를 낮추는 기어 시스템)를 통해서만 작동할 수 있었습니다. 발전기 샤프트). 1884년 영국의 엔지니어인 Parsons는 발전기를 구동하기 위해 특별히 발명한 다단 제트 터빈에 대한 특허를 받았습니다. 1885년에 그는 다단 제트 터빈을 설계했으며, 이는 나중에 화력 발전소에서 널리 사용되었습니다. 그녀는 제트 터빈 장치를 연상시키는 다음 장치를 가지고 있습니다. 블레이드가 있는 회전하는 한 줄의 바퀴가 중앙 샤프트에 장착되었습니다. 이 바퀴 사이에는 반대 방향의 블레이드가 있는 고정 림(디스크)이 있습니다.
고압의 증기가 터빈 끝단 중 하나에 공급되었습니다. 다른 쪽 끝의 압력은 작았습니다(대기보다 낮음). 따라서 증기는 터빈을 통과하려고 했습니다. 첫째, 그는 첫 번째 왕관의 견갑골 사이의 틈새에서 행동했습니다. 이 블레이드는 첫 번째 가동 바퀴의 블레이드로 향했습니다. 증기가 그들 사이를 통과하여 바퀴가 회전했습니다. 그런 다음 그는 두 번째 왕관에 들어갔다. 두 번째 크라운의 블레이드는 두 번째 이동식 휠의 블레이드 사이에서 증기를 유도했으며 회전도 시작되었습니다. 두 번째 가동 바퀴에서 세 번째 크라운의 블레이드 사이에 증기가 흐릅니다. 모든 블레이드는 블레이드 간 채널의 단면이 증기 흐름 방향으로 감소하는 형태로 주어졌습니다. 블레이드는 샤프트에 장착 된 노즐을 형성하여 팽창하면서 증기가 유출되었습니다. 여기에는 유효 전력과 무효 전력이 모두 사용되었습니다. 회전하면 모든 바퀴가 터빈 샤프트를 회전시킵니다. 외부에서 장치는 강력한 케이스로 둘러싸여 있습니다. 1889년에 약 1899개의 터빈이 이미 전기를 생산하는 데 사용되었으며 1894년에는 Elberfeld에 Parsons 증기 터빈이 있는 최초의 발전소가 건설되었습니다. 한편, Parsons는 발명의 범위를 확장하려고 노력했습니다. 60년에 그는 증기 터빈으로 구동되는 실험선 "Turbinia"를 건조했습니다. 테스트에서는 XNUMXkm/h의 기록적인 속도를 보여주었습니다. 그 후 증기 터빈은 많은 고속선에 설치되기 시작했습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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