Паровая турбина — это машина , которая извлекает тепловую энергию из пара под давлением и использует ее для выполнения механической работы на вращающемся выходном валу. Его современное воплощение было изобретено Чарльзом Парсонсом в 1884 году . [1] [2] Изготовление современной паровой турбины включает в себя передовые металлоконструкции для формирования прецизионных деталей из высококачественных стальных сплавов с использованием технологий, которые впервые стали доступны в 20 веке; непрерывный прогресс в долговечности и эффективности паровых турбин остается центральным элементом экономики энергетики 21 века.
Паровая турбина представляет собой разновидность теплового двигателя , термодинамическая эффективность которой во многом достигается за счет использования нескольких стадий расширения пара, что приводит к более близкому приближению к идеальному обратимому процессу расширения. Поскольку турбина генерирует вращательное движение , она особенно подходит для привода электрического генератора — около 85% всего производства электроэнергии в Соединенных Штатах в 2014 году приходилось на паровые турбины. [3] Паровая турбина, соединенная с электрогенератором, называется турбогенератором .
По состоянию на 2021 год среди крупнейших паровых турбин в мире находятся паровые турбины Arabelle, произведенные GE по оригинальной конструкции Alstom . [4] Турбина Арабель имеет диаметр 7 м, весит 4000 тонн и вращается со скоростью 1500 об/мин. Для типичной ядерной установки требуется еще 4000 тонн несущей стальной конструкции, а также 1000 тонн насосов, клапанов и труб. [4]
Технические проблемы включают дисбаланс ротора , вибрацию , износ подшипников и неравномерное расширение (различные формы теплового удара ). В крупных установках даже самая прочная турбина может развалиться при работе с нарушением дифферента.
Первое устройство, которое может быть классифицировано как реактивная паровая турбина, было не более чем игрушкой, классическим эолипилом , описанным в I веке Героем Александрийским в римском Египте . [5] [6] В 1551 году Таки ад-Дин в Османском Египте описал паровую турбину с практическим применением вращения косы . Паровые турбины были также описаны итальянцем Джованни Бранка (1629 г.) [7] и Джоном Уилкинсом в Англии (1648 г.). [8] [9] Устройства, описанные Таки ад-Дином и Уилкинсом, сегодня известны как паровые домкраты .. В 1672 году Фердинанд Вербист сконструировал автомобиль с импульсным приводом от турбины . Более современная версия этого автомобиля была изготовлена где-то в конце 18 века неизвестным немецким механиком. В 1775 году в Сохо Джеймс Уатт сконструировал реактивную турбину, которая была запущена там. [10] В 1807 г. Поликарп Залесов спроектировал и сконструировал импульсную турбину, использовав ее для работы пожарного насоса. [11] В 1827 году французы Реал и Пишон запатентовали и сконструировали составную импульсную турбину. [12]
Современная паровая турбина была изобретена в 1884 году Чарльзом Парсонсом , чья первая модель была связана с динамо -машиной , вырабатывавшей 7,5 киловатт (10,1 л.с.) электроэнергии. [13] Изобретение паровой турбины Парсонса сделало возможным дешевое и обильное электричество и произвело революцию в морском транспорте и морской войне. [14] Дизайн Парсонса был реактивным . Его патент был лицензирован, и вскоре после этого турбина была увеличена американцем Джорджем Вестингаузом .. Турбину Парсонса также оказалось легко масштабировать. Парсонс был удовлетворен тем, что его изобретение было принято на всех крупных электростанциях мира, а размер генераторов увеличился с его первых 7,5 киловатт (10,1 л.с.) до блоков мощностью 50 000 киловатт (67 000 л.с.). При жизни Парсонса генерирующая мощность блока была увеличена примерно в 10 000 раз, а общая мощность турбогенераторов, построенных его фирмой CA Parsons and Company и их лицензиатами только для наземных целей, превысила тридцать миллионов лошадиных сил. [13]