5. Паровая турбина

Небольшая самодельная паровая турбина (таблица 36, рис. 1) может приводить в движение модели кораблей.

Таблица 36. Конструкция паровой турбины.

Турбина проста по устройству, и построить ее нетрудно.

Но прежде чем приступить к постройке турбины, разберемся, как устроена и как работает настоящая паровая турбина.

Первая паровая турбина, пригодная для практического применения, была построена в 1883 году шведским инженером Лавалем. Главная часть турбины Лаваля (рис. 2) — это колесо, или диск, с закрепленными по ободу лопатками.

Лопатки изогнуты в виде желобков и имеют заостренные края. Пар из котла под большим давлением подводится к трубкам-наконечникам, расположенным сбоку колеса под некоторым углом к лопаткам турбины. Эти трубки называются соплами. Струи пара вырываются из сопел с громадной скоростью и бьют в лопатки турбины. Проходя между лопатками, пар оказывает на них сильное давление. Под давлением пара лопатки вместе с колесом начинают вращаться.

Диск турбины Лаваля вращается с громадной скоростью, от 10 тысяч до 30 тысяч оборотов в минуту. При таком быстром вращении в колесе турбины возникают огромные напряжения. Если колесо турбины не сделано из особо прочного материала, оно может разлететься на куски.

Турбины Лаваля строят небольших размеров, а следовательно, и небольшой мощности. Кроме того, громадное большинство машин и станков требует значительно меньшего числа оборотов, их нельзя соединять непосредственно с валом турбины Лаваля, а приходится применять промежуточную зубчатую передачу — редуктор.

Чтобы уменьшить число оборотов турбины Лаваля и увеличить ее мощность и экономичность, американский инженер Кертис предложил использовать скорость пара не в одном ряде лопаток, а постепенно в двух или трех рядах, называемых ступенями скорости и отделенных друг от друга неподвижными направляющими лопатками. В такой турбине (рис. 3) струя пара, пройдя первый ряд лопаток, делает поворот, так как встречает на своем пути другой, неподвижный направляющий ряд лопаток, соединенный уже не с ободом колеса, а с корпусом и крышкой турбины.

По выходе из этого ряда пар входит в следующий ряд лопаток, опять прикрепленных к ободу колеса, насаженного на вал турбины. Струя пара давит на эти лопатки в том же направлении, что и на лопатки первого колеса. Этим она отдает колесу еще некоторую долю своей энергии.

Наша маленькая турбина примерно копирует турбину Кертиса с двумя ступенями скорости. На рис. 4 она показана в полуразобранном виде. Два диска 7 и 2 с рабочими лопатками закреплены на валу 3. Неподвижный диск с направляющими лопатками состоит из двух частей 4 и 5, закрепленных в верхней и нижней частях кожуха 6 и 7.

Турбинка имеет два сопла 8 и 9. Вал с дисками вращается в двух разъемных подшипниках 10 и 11.

Проходя между лопатками рабочих дисков, пар оказывает на них, кроме основного давления, направленного на вращение дисков, еще некоторое давление, направленное вдоль оси турбины. Это давление называется осевым. Чтобы под влиянием этого давления вал с рабочими дисками не перемещался вдоль оси, устанавливается упор 12. Этот упор является одновременно подшипником малого вала 13, на котором закрепляется большая шестерня 14, сцепляющаяся с маленькой шестеренкой 15, закрепленной на валу турбины. Смещению вала с рабочими дисками в обратную сторону препятствует стенка 16, закрепляющая паропроводы сопел. Вся турбина вместе с шестереночной передачей устанавливается на деревянной подставке 17.

При постройке турбины особое внимание обратите на изготовление самых ответственных частей ее — сопел и лопаток. От правильного изготовления их зависит мощность турбины.

Проходя через сопло, пар должен приобрести большую скорость. От скорости струи пара, выходящей из сопла, будет зависеть сила, с которой пар будет давить на лопатки турбины: чем больше скорость пара, тем больше эта сила.

Скорость выхода пара из сопла в большой мере зависит от формы сопла. Если мы сделаем сопло в виде прямой трубочки (рис. 5, А), то до какого бы большого давления мы ни доводили пар в котле, мы не получим большой скорости выхода пара из сопла, так как пар будет идти не струей, а вырываться клубами. Такое устройство сопла неправильное.

На рис. 5, Б показано сопло Лаваля. Проходя по такому соплу, пар постепенно расширяется, при этом частички пара приобретают все большую скорость, вылетают из сопла ровной струей с громадной скоростью и не клубятся. Выходное отверстие в сопле лучше делать не круглым, а прямоугольным. Такое отверстие дает лучшее распределение пара по длине лопатки.

Сопла (рис. 5, В) для нашей маленькой турбинки можно изготовить из чистого и гладкого кусочка латуни или, в крайнем случае, жести. Полоска латуни сгибается вдвое. Вплотную к изгибу вставляется узенький, тоже латунный, угольничек (рис. 6). Если перерубить зубилом латунь по краю угольничка, верхний слой латуни под давлением острия зубила обожмет находящийся внутри угольничек, и получится полый внутри конус. Место соединения краев латуни в сопле пропаивается.

Узкий конец сопла немного спиливается напильником (рис. 7, А), и в нем тонкой булавкой делается маленькое отверстие (рис. 7, Б). Концы сопел должны иметь косые срезы, для того чтобы их можно было поставить как можно ближе к лопаткам. Эти срезы делаются напильником (рис. 7, В). После спиливания концов образовавшиеся в отверстиях заусенцы осторожно соскабливаются.

Когда оба сопла изготовлены, их впаивают в изогнутую медную трубочку (таблица 37, рис. 8).

Таблица 37. Изготовление кожуха, колес и других деталей паровой турбины.

Чтобы легче было изогнуть трубочку, ее нагревают докрасна и опускают в холодную воду. После этого она становится мягче. Гнуть трубку надо заполненной песком.

Сопла устанавливаются под углом в 18–20° к плоскости диска турбины и закрепляются при помощи деревянной накладки — стенки 16 —с канавками для паропроводных трубок. В стенках верхней и нижней частей кожуха для сопел делаются небольшие прорезы.

Форма лопаток также сильно влияет на мощность турбины. На рис. 9, А показано действие струи пара на плоскую лопатку, а на рис. 9, Б — на изогнутую желобком. Струя пара, ударяя вкось о плоскую поверхность лопатки, отражается от нее. Часть пара ударяет в обратную (тыльную) сторону следующей лопатки, задерживая вращение диска. Пройдя первый ряд таких лопаток, пар разлетается во все стороны. Плоские лопатки плохо используют энергию пара. Вот почему сейчас все турбины строятся с лопатками, изогнутыми желобками.

Попадая на правильно изогнутые лопатки, струя пара плавно изменяет направление и не разбивается. Пройдя первый ряд лопаток и потеряв часть своей скорости, пар может быть использован во втором и третьем ряду. Кроме того, изогнутые лопатки можно ставить значительно чаще, что также увеличивает мощность турбины. Края лопаток должны быть обязательно заостренными: если они тупые, то струя пара, ударяясь о них, бесполезно теряет часть своей энергии.

В нашей маленькой турбине диск и лопатки изготовляются из одного куска жести или тонкой латуни. Каждый диск с лопатками составляется из двух или трех дисков, сложенных вместе (рис. 10, Г). Это делается для того, чтобы лопатки были расположены возможно более часто. При редком расположении лопаток много пара будет бесполезно проходить мимо лопаток и турбина будет работать с меньшей мощностью. Для простоты и скорости изготовления все диски делаются одного размера и с одинаковым числом лопаток.

Лопатки размечаются при помощи циркуля и транспортира сначала на одном диске (рис. 10, А). По первому диску размечаются остальные. После разметки в дисках сверлят отверстия, ножницами делают прорезы, а затем выгибают лопатки. На рис. 10, Б показано устройство приспособления для выгибания лопаток.

После выгибания лопатки на всех дисках поворачиваются круглогубцами (рис. 10, В). Поворачивать лопатки надо аккуратно, чтобы можно было сложить вместе два или три диска. Боковые края лопаток заостряются напильником. Сложенные диски скрепляются несколькими заклепками из маленьких гвоздиков. Когда диски с рабочими лопатками готовы, к лопаткам припаивается обод из полоски жести или нескольких витков проволоки (рис. 10, Г).