В электроэнергетике все решают… лопатки

Наталья Нифантова – 03 марта 2014

Если вы думаете, что под этим заголовком скрывается краткий экскурс в историю картофелеводства или теория и практика строительства замков из песка, то глубоко заблуждаетесь. Это рассказ о том, как первый парус, поставленный безвестным древним корабельщиком на свое незамысловатое судно, превратился в ревущие турбины электростанций, а затем и отправился в космос. Это история приводных лопаточных машин.

Наверняка сначала человеку пришло в голову, что, используя плоскость достаточной площади, можно воздействовать на жидкость и газ, буквально отталкиваясь от воздуха или воды. Так появилось весло – прообраз всех нагнетательных лопаточных механизмов, давший начало вентиляторам, компрессорам и насосам. Несложно было и продолжить мысль: если лопатка может толкать вещество, то верно и обратное. Так на свет явился парус, а человек научился использовать природную энергию в собственных интересах, открыв эру приводного машиностроения. На дворе стоял примерно III век до н. э. – первые корабли отправились в плавание по Евфрату и Нилу.

Пока древние египтяне готовят почву (вернее, воду) для открытий Магеллана и бесчинств Генри Моргана, мы отправимся в другой очаг древней цивилизации – в Грецию, разумеется – на родину великих математиков и инженеров.

Одним из них был Герон Александрийский, в 150 году до н. э. написавший трактат «Пневматика», где под красивым номером 50 значился эолипил, то есть шар Эола. Последний, как мы помним, был богом ветра. Шар, названный изобретателем в его честь, представлял собой, по сути, первую в мире паровую турбину. Пока, правда, без лопаток.

Принцип действия устройства был прост. Упомянутый шар либо соединен с котлом, либо сам наполнен водой и нагревается. При этом он снабжен выводными трубками с загнутыми концами (их может быть любое количество, но обычно две или четыре). Вода превращается в пар, пар под давлением вырывается из трубок – шар раскручивается в заданной плоскости.

Изобретение Герона могло бы стать революционным, если бы не наличие в Древней Греции дешевой рабской силы, снимающей необходимость строить хитрые агрегаты для совершения механической работы. Не оцененный современниками, эолипил был использован только самым инженером в его, как это принято говорить, «игрушках» – то есть устройствах не столько полезных, сколько занимательных. Но что это были за игрушки! Чего стоит один только механический театр кукол, в котором двигались и «актеры», и декорации. А автоматические раздвижные двери (почти как те, что встречают нас сегодня в каждом супермаркете)? На энергии пара! Напомним, это все – II век до н. э.

Увы, античные разработки по преобразованию энергии пара в механическую работу были преданы забвению практически до XVII–XVIII веков. На протяжении средних веков был заморожен прогресс и в развитии лопаточных механизмов. Фактически, они существовали лишь в виде ветряных и водяных мельниц. Существуют свидетельства лишь единичных разработок, так и не ушедших дальше чертежей и прототипов. Не обошлось здесь, конечно, без главного европейского гения Леонардо да Винчи. Среди оставшихся после него чертежей, наряду с парашютами, вертолетами и прочими «несвоевременными» аппаратами, есть модель устройства, получившего название «дымовой зонт». Оно представляло собой ряд соединенных между собой лопастей, через который проходил горячий воздух от очага или костра и… вращал вертел для жарки мяса. Почти автоматический гриль.

Справедливости ради добавим, что несколько позже в XVI веке подобное устройство было предложено изобретателем с Востока – арабским астрономом, философом и инженером Таги-аль-Дином. А в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка опубликовал свою книгу о машинах (вообще, публикация подобных трактатов была популярным занятием среди ученых и самоучек), где, в том числе, разместил схему весьма любопытного устройства. В исторических источниках его обычно обозначают как «мельницу». Но если присмотреться к механизму, можно сделать вывод, что это, скорее, прадедушка современных кухонных комбайнов. Опять же, приводимый в действие паром. Как видно на схеме, из нагревающегося котла (вдобавок имеющего форму человеческой головы – вот так дизайнерский ход!) вырывается струя пара, которая, попадая на лопасти колеса, раскручивает его. Движение через цевочную передачу (колеса с зубьями на боковой поверхности) сообщается двум пестам для измельчения. Хочешь – муку мели, хочешь – картофельное пюре делай на всю семью.

Все эти по-своему остроумные изобретения имели один общий недостаток – низкий КПД. Поток пара, к чему бы его ни приспосабливали, был неконцентрированным, а произведенная работа по сравнению с затраченной тепловой энергией – ничтожной. Дальнейшее развитие приводных лопаточных машин требовало серьезного теоретического подхода.

Его к механике машин применил в XVIII веке один из самых талантливых и знаменитых математиков всех времен Леонард Эйлер. Его перу принадлежат труды «О наивыгоднейшем применении простых и сложных машин» (1747), «О машинах вообще» (1753), «Принципы теории машин» (1763). Именно Эйлер впервые назвал три главные части любой машины: двигатель, передачу, рабочий орган. Он же заложил основы теории лопаточных машин и выделил самостоятельную дисциплину, описавшую основные схемы работы лопаточных аппаратов.

Этого было достаточно, чтобы в 1791 году английский изобретатель Джон Барбер смог получить патент за номером 1833 – на настоящую паровую турбину. В схеме, предложенной Барбером более 200 лет назад, уже были учтены почти все элементы, из которых состоят современные турбины электростанций: газовый компрессор, камера сгорания и собственно турбина, то есть рабочее колесо с лопатками. Устройство предполагало одновременно и нагрев, и сжатие газа, что делало его во много раз эффективнее, чем все предшествующие модели. Интересно и то, что сам инженер хотел использовать турбину для движения безлошадных повозок. То есть фактически паровых автомобилей!

Однако узнать, работает ли его устройство, самому изобретателю так и не довелось. Единственная действующая модель турбины Барбера была построена только 1972 году немецкой фирмой Kraftwerk-Union AG для промышленной выставки в Ганновере.

Настоящие работающие газовые турбины появились на свет лишь почти 100 лет спустя. И здесь у нас есть определенный повод для гордости. Потому что пионером в этом деле стал русский инженер Павел Дмитриевич Кузьминский. В 1864 году Кузьминский окончил Морской корпус в Петербурге, служил во флоте, а после выхода в отставку трудился на Балтийском судостроительном заводе. Именно в это период, в 1887–1892 годах, Павел Дмитриевич сконструировал и построил первую в мире 10-ступенчатую газотурбинную установку для использования на морских судах. К сожалению, особого интереса в царской России работа Кузьминского не вызвала. В итоге, когда в 1900 году изобретатель скончался, испытания турбины еще не были завершены, а претендовать на первенство в применении газотурбинных установок было уже поздно…

22 июня 1897 года, в день, когда Британия праздновала Бриллиантовый юбилей королевы Виктории, на морской парад в честь Ее Величества вышел миноносец «Турбиния», заложенный тремя года ранее. Первый полностью работоспособный корабль, оснащенный паровой турбиной в качестве двигателя, при длине корпуса всего в 30 метров, развил на параде скорость в 34,5 узла, оставив в кильватере всех морских тяжеловесов, и стал самым быстроходным судном своего времени. А еще пару лет спустя, в 1899-м, первая паровая турбина для вращения трехфазного электрогенератора была установлена на Эльберфельдской электростанции. И то, и другое стало заслугой британского инженера и бизнесмена Чарльза Парсонса (Charles Algernon Parsons).

Не стоит удивляться столь стремительному развитию событий. Конец XIX века – то самое время, когда придерживаться единой хронологической линии в истории лопаточных машин становится просто невозможно. Зреют предпосылки, которых так не хватало этой области машиностроения для того, чтобы сделать рывок к практическому применению: во-первых, развитие сопутствующих знаний о свойствах материалов и газодинамике, во-вторых, экономическая необходимость наращивать производственные мощности. В 1891 году уже была проведена первая линия электропередач между городами Лауфен и Франкфурт, а уже годом раньше наше родное Царское Село стало первым городом в Европе, который «сплошь и исключительно освещен электричеством». В общем, людям нужна была электроэнергия. Много электроэнергии. Безостановочно крутить катушки многочисленных электрогенераторов могла только армия неутомимых велосипедистов или турбина. Так что перечисление фамилий инженеров, которые в этот период предлагали свои варианты конструкции газотурбинных установок, займет, пожалуй, не одну страницу.

Пальма первенства же досталось Парсонсу. Были ли его разработки самыми эффективными, сейчас значения не имеет. На волне перемен – кто первый встал… в общем, вы поняли.

Так паровые турбины прочно заняли нишу в электроэнергетике, практически полностью оставив транспортную сферу, за исключением, пожалуй, судостроения, поршневым двигателям, в том числе внутреннего сгорания.

И в этом месте можно было бы поставить точку, если бы здесь не начиналось самое интересное. Вы забыли спросить: «А при чем тут лопатки?»

А лопатки, дорогой читатель, в энергетике решают все. Ну, хорошо. Не все, но многое.

Вернемся «немного» назад – лет так на 500. Как мы помним, главной проблемой первых паровых турбин был низкий КПД из-за неконцентрированного потока газа. Ее принципиальное решение предложил Джон Барбер, добавив в конструкцию компрессор. Но на стадии прикладных исследований выявился казус: именно компрессор в итоге и «сжирал» основную часть энергии, которую вырабатывала турбина. Получался замкнутый круг. Чем сильнее мы нагреваем газ и чем выше его давление, тем лучше крутится турбина, но тем больше «ест» компрессор. Чем больше энергии, тем меньше энергии…

Добавьте сюда, что газовый поток, двигающийся под давлением, штука своенравная – он имеет привычку создавать внутри себя завихрения, на которые тоже тратится энергия. И это не считая естественных потерь тепла, которое все норовит уйти в окружающую среду. В итоге повышение эффективности всего агрегата становится вопросом, во-первых, «хитрости» – уходящее тепло можно использовать в рабочем цикле, а можно помещения им «топить» (чем, собственно, и занимаются, например, на современных ТЭЦ, так что зимой их КПД растет), а во-вторых – грамотного применения знаний по газодинамике. За это как раз и отвечают лопатки.

Наверное, все в той или иной мере имеют представление о том, как развивалась авиация. О попытках изучать аэродинамику крыла птиц, о первых неудачных опытах и невероятных успехах, вроде преодоления звукового барьера. Так вот эволюция и современное производство лопаток имеют с этим процессом много общего. Фактически лопатка паровой турбины – то же крыло, но, в отличие от того, под которым «поет зеленое море тайги», оно работает в гораздо более непростых условиях. Давление газа в турбине отличается не только на разных ступенях (вы же не думаете, что современный мегаполис, скажем, может обеспечить электричеством одинокое рабочее колесо, как в турбинах XVIII века?), но даже в разных по удаленности от оси вращения точках самого колеса. И это лишь проблемы ротора – подвижной части турбины. А ведь есть еще и статор – «внешняя», неподвижная часть – она представляет собой не просто кожух, на ней располагаются сопловые лопатки. Лопатки есть рабочие, поворотные, направляющие… Но тут уж не будем вдаваться в частности. Каких только функций не выполняют эти лопасти.

– Рабочие лопатки – это один из самых ответственных узлов паровой и газовой турбины, – объясняет Виктор Новиков, заместитель генерального директора торгово-промышленной группы «ПетроСити», которая больше 10 лет занимается изготовлением запчастей и оборудования для электростанций. – Лопатки вращаются с довольно большой окружной скоростью. В паровых турбинах это 3000 оборотов в минуту. Поскольку лопатки работают в сложных условиях высоких температур, больших динамических нагрузок, требования к ним высокие. Все стадии изготовления сопровождаются контрольными операциями – ‘то непременное условие. Лопатки проверяются на соответствие химическому составу стали, заданным механическим свойствам, вибрационным характеристикам, отсутствие трещин на поверхности.

Кроме того, в турбине установлено несколько ступеней лопаток. И в каждой ступени лопатки отличаются друг от друга геометрическими размерами, формой, посадочными местами. Например, в паровой турбине высота лопаток меняется от 50 до 1100 мм в зависимости от мощности турбины и количества ступеней. При этом от того, как изначально просчитан профиль лопатки, ее геометрические размеры (а в дальнейшем – от правильности изготовления, соответствия размерам чертежа), зависит КПД турбины. Есть размеры, допуск на которые измеряется в сотых долях миллиметра. Поэтому для изготовления этих лопаток используются исключительно высокоточные станки и обрабатывающие центры.

И напоследок еще один повод для гордости. Футуристический.

Сначала лопаточные механизмы работали от давления жидкости, затем – пара и газа. А есть вероятность, что не в таком уж далеком будущем они станут работать от давления света!

Идея использования солнечного паруса для перемещений космических кораблей по Солнечной системе возникла в 1920-е годы в России и принадлежала одному из родоначальников современного ракетостроения Фридриху Артуровичу Цандеру. Суть в том, что фотоны – частицы света – передают свой импульс освещаемой поверхности, то есть оказывают на нее давление. Конечно, в начале XX века применения этот принцип не нашел, но обрел новое звучание в начале 1990-х.

В 1992 году под эгидой Конгресса США, в честь 500-летия открытия Америки, даже чуть не состоялась космическая регата на солнечных парусах. Однако технические и финансовые сложности так и не позволили этому проекту состояться. Впрочем, один солнечный парус тогда все-таки был построен – как раз российский, за что и получил первую премию. В 1993-м в качестве эксперимента он даже был развернут на корабле «Прогресс М-15».

Сегодня в разработке находятся проекты, в которых такой парус (правда, под воздействием лазера, а не солнечного света) мог бы «толкать» космические корабли за пределы Солнечной системы. Так что последняя глава в истории одной лопатки еще не написана.