На первый взгляд даже кажется странным, что турбину не изобрели в древности, сразу после самого колеса, ведь появилась она только в 19‑ом веке. Удивительно, почему люди целыми столетиями шли к этому изобретению, без которого совершенно немыслима современная жизнь.

Однако при более близком изучении темы становится ясно, что турбина как технологическая реальность, изменившая энергетический облик мира, возникла не только тогда, когда дозрел изобретательский гений и произошло развитие сопутствующих технологий, но и когда у человечества сформировался спрос на большую энергетику.

Турбина — второе по значимости технологическое изобретение человечества, после колеса.

Турбина — это двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора и непрерывным рабочим процессом. Она нужна для преобразования тепловой энергии водяного пара или продуктов сгорания различных типов топлива (дизельного, природного или синтетического газа) в механическую работу.

Если рабочим телом турбины служит пар, то это паровая турбина, если продукты сгорания топлива — газовая, если вода — гидравлическая.

Но за простотой описания принципа действия скрывается крайняя сложность и трудоемкость изготовления. Умение воплощать «в железе» миллионы гидро- и термодинамических, материаловедческих и прочих штучек считается важнейшим показателем технологической развитости государства, а сама турбина — это олицетворение технического совершенства, высший пилотаж человеческого мастерства.

Прототурбину, предка современной турбины, придумал великий греческий механик и математик Герон. Во II веке до нашей эры он соединил паропроводящими стойками котел и шар с загнутыми выводными трубками. Пар из нагретого котла попадал в шар, который вращался под действием реактивной тяги, создаваемой выходящим через трубки паром. Будто развлекаясь, Герон сумел приспособить изобретение, в качестве привода, приводившего в движение фигурки на алтаре храма и открывавшего двери. После чего назвал изобретение эолипилом в честь бога ветра Эола.

Сведения о прообразах турбин снова появляются в позднем Средневековье. Было бы удивительно, если в чертежах неуемного Леонардо да Винчи не нашлось рисунка такой турбинки. Называлась она дымовым зонтом. В дымоходе печи устанавливалось турбинное колесо, которое крутили исходящие газы (то есть по сути это была уже активная газовая турбина), а оно, в свою очередь, вращало вертел с тушей.

1680

годом датируется изобретение парового котла, без которого существование паровой турбины было бы бессмысленным

Французский физик и изобретатель Дени Папен, работал с великим Христианом Гюйгенсом в Париже над поршневым паровым насосом для создания приборного вакуума. Именно он понял, что сначала технологичнее пар генерировать в котле, после чего подавать офтдельно в механизм, который этот пар потребляет. Пришел 18 век, открывший эпоху двигателестроения. В 1750 году венгр Янош Сегнер, профессор Геттингенского университета, выдвинул идею водяного двигателя, в котором наряду с напором и весом использовалась бы энергия реактивного движения водяной струи. Великий Леонард Эйлер, член Петербургской академии наук в нескольких работах высказал замечания по поводу этой идеи. Он предложил способы усовершенствования турбодвигателя,— и тем самым предопределил создание эффективной реактивной гидротурбины в 1832 году французским инженером Бенуа Фурнероном.

Известно, что британец Джеймс Уатт в 1769 году, за пять лет до официального изобретения паровой машины, также просчитывал варианты постройки паровой турбины. Но технологические риски по тем временам были велики. Для турбины были нужны высокопрочные быстровращающиеся узлы и детали (тогда еще не могли посчитать закономерности утечки пара из сопел и его поведения в турбине, то есть физику процесса, но уже было ясно, что паровая турбина эффективна именно при быстрых оборотах), парогенераторы-котлы высокого давления и много чего другого. Просчитав все эти риски, Уатт сосредоточился именно на универсальных паровых машинах, ставших технологической опорой промышленной революции. В итоге именно паровые машины подготовили индустриальную базу для создания паровых и газовых турбин.

Спустя десятилетия, когда над изобретением Уатта нависла конкурентная угроза со стороны турбин, тот, говоря о невозможности развития такого сценария, приводил аргумент, что такие высокие скорости движения элементов машины вообще недостижимы: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?»

Любопытно, что в самый разгар паромашинной революции в 1791 году англичанин  Джон Барбер получил первый патент на изобретение газотурбинной установки (ГТУ). Он собирался использовать ее в качестве двигателя для самобегущей повозки. Но хотя турбина Барбера обладала уже всеми признаками современной ГТУ, она едва ли могла появиться тогда на свет. Это было не только из-за недостатков конструкции: ни наука, ни металлургия, ни машиностроение не достигли той зрелости, которая позволила бы создавать столь сложные, работающие при огромных температурах механизмы.

Благодаря ей вовсю шла промышленная революция. Если верить историкам, к 1810 году в Великобритании насчитывались уже около 5 тыс. паровых машин. В промышленности все шире начали использоваться металлообрабатывающие станки, увеличилось производство машинного оборудования, и в 1788–1820 годах примерно в шесть раз вырос спрос на чугун, а за 50 лет с 1785 года в десять раз увеличилось потребление угля. Все это требовало новых транспортных технологий, и они не замедлили явиться — именно в середине 20‑х годов позапрошлого столетия появились паровозы, железная дорога и пароходы.

В начале XIX века казалось, что паровая машина побеждает 

Но уже к последней трети XIX века стало ясно, что прежней гегемонии паровых машин приходит конец. Инноваций в двигателестроении требовали две отрасли. Судостроители поняли, что паровые поршневые машины практически достигли своего предела. Уже нельзя было удовлетворять возрастающие требования судов к энергетике за счет увеличения мощности двигателя — паровой машины, становящейся бессмысленно громоздкой и тяжелой. Вторая отрасль — электроэнергетика — только зарождалась, но ее победное шествие уже началось. В 1888 году русский инженер Михаил Доливо-Добровольский построил трехфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем — основу современной электроэнергетики и предложил асинхронный электродвигатель трехфазного переменного тока — новый базовый универсальный двигатель для промышленности.

До разработки паровой турбины для производства электричества служили в основном генераторы, работающие на гидротурбинах, прежде всего фурнероновских, КПД которых достигал 80%. Использование паровой машины с 3–5‑процентным КПД для выработки электричества делало бессмысленным само существование паросиловой электроэнергетики. В то же время гидроэлектростанцию, в отличие от тепловой, невозможно построить в любом месте. Машина Уатта имела крайне низкий КПД — 3–7% — из-за сложного процесса получения вращательного движения. Сначала пар толкал поршень, от которого движение передавалось через шток, шатун и кривошип уже на главный вал. Из-за многочисленных механических преобразований более 90% энергии топлива в прямом смысле вылетало в трубу. По сравнению с поршневыми паровыми машинами, использующими возвратно-поступательное движение поршня, турбины более компактны и проще устроены. При равном расходе пара мощность и экономичность турбины в разы выше, чем у паровой машины. 

в 1883

году шведскому инженеру Густаву Лавалю удалось создать первую работающую паровую турбину

Он сконструировал ее для молочного сепаратора, которому нужен был движитель, вращающийся с огромной скоростью. Лаваль разработал гибкий ротор, который мог работать с подшипниковым механизмом при скоростях в несколько тысяч оборотов в минуту. Вторым его изобретением стало конусное сопло, вытекая из которого пар расширялся, резко увеличивался его объем, за счет чего в разы увеличивалась скорость паровой струи, идущей на лопатки, и вся турбина вращалась с очень высокой окружной скоростью 419 м/с.

Настоящий успех паровых турбин в энергетике и судостроении связывают с именем англичанина Чарльза Парсонса, который был не только талантливым изобретателем, но и весьма предприимчивым коммерсантом. Чарльз Парсонс создал экономичную многоступенчатую турбину. На ее валу лопатки разных размеров располагались в несколько рядов. В основе лежала простая идея, что всю энергию пара следует разделить на несколько порций и срабатывать последовательно, в каждой отдельной ступени. Этот принцип используется во всех современных турбинах. Промышленное использование паровых турбин началось, как только Парсонс в 1884 году создал первую многоступенчатую паровую турбину мощностью 10 л. с. (18 000 об/мин) с КПД 12%. Интересно, что он сразу рассчитывал использовать свою турбину для работы с электрогенератором. В 1889 году уже около трехсот таких турбин работали на электростанциях, а в 1899 году была построена первая электростанция с паровыми турбинами на территории немецкого Эльберфельда. Если электрические заказы шли в гору, то более консервативные кораблестроители выжидали. Но Парсонс был первоклассным пиарщиком. После строительства в 1894 году катера «Турбиния» — первого судна с приводом от паровой турбины, развивавшим скорость 59 км/ч, он рискнул своим положением и свободой. Во время морского праздника в честь юбилея восшествия на престол королевы Виктории катер Парсонса выскочил перед самым носом королевского флота. Ни один боевой катер ее величества не смог догнать нахальную «Турбинию». Чины из Адмиралтейства, игнорировавшие Парсонса ранее, сразу же заказали два военных корабля с турбинными установками мощностью по 11 500 л. с.

В 1904 году в серию пошли самые быстрые в мире боевые миноносцы «Дредноут». С этого времени паровые турбины легли в основу тепловой электроэнергетики и мощной судовой энергетики. В наше время паровые турбины, КПД которых достигает 47%, на ТЭС и АЭС вырабатывают более 70% мировой электроэнергии, а их установленная мощность достигает 2500 ГВт.

И совершенно другая история — турбины газовые. О них можно поговорить в следующий раз.