科学家们仍在努力寻找最有效的产生电流的方法-从原电池到第一个发电机，蒸汽，核能，再到现在的太阳能，风能和氢能发电厂，已经取得了进展。 如今，最庞大，最方便的发电方式仍然是由蒸汽轮机驱动的发电机。
蒸汽轮机是在人类了解电的本质之前就发明的。 在这篇文章中，我们将简单地讨论蒸汽轮机的结构和操作，同时回顾一下古希腊科学家提前15个世纪是如何发生的，涡轮机工程中的政变是如何发生的以及东芝为何认为应制造精度为0.005毫米的30米涡轮机。
汽轮机如何工作
蒸汽轮机的工作原理相对简单，并且其内部结构在一个多世纪以来从未发生根本变化。 为了理解涡轮机的工作原理，我们将考虑火力发电厂的工作原理-火力发电厂将化石燃料（天然气，煤炭，燃料油）转换为电能。
蒸汽轮机本身不工作，它需要蒸汽才能起作用。 因此，发电厂以锅炉开始燃烧，在锅炉中燃烧燃料，并通过蒸馏水将热量释放到锅炉中。 在这些细管中，水变成蒸汽。
火力发电厂运行的清晰方案，为住宅供热，同时产生电能和热量。 资料来源：Mosenergo
涡轮机是带有径向间隔开的叶片的轴（转子），就像一个大风扇。 定子安装在每个此类磁盘的后面-具有不同形状的叶片的类似磁盘，该定子不是安装在轴上，而是安装在涡轮机体上，因此保持静止（因此称为定子）。
一对带有叶片和定子的旋转盘称为台阶。 一台汽轮机中有几十个级-不要让蒸汽仅经过一个级就解开3至150吨重的汽轮机重轴，因此这些级被串联在一起以提取蒸汽的最大势能。
高温高压下的蒸汽被供应到涡轮机入口。 蒸汽压力区分了低压（最高1.2 MPa），中压（最高5 MPa），高压（最高15 MPa），超高压（15-22.5 MPa）和超临界（22.5 MPa以上）压力的涡轮机。 为了比较，在乘用车的汽车轮胎中，香槟酒瓶内部的压力约为0.63 MPa-0.2 MPa。
压力越高，水的沸点越高，这意味着蒸汽的温度。 过热至550-560°C的蒸汽被供应至涡轮机入口！ 为什么这么多？ 当蒸汽通过涡轮时，蒸汽会膨胀以保持流量并失去温度，因此您需要留有余量。 为什么不使上方的蒸汽过热？ 直到最近，这还被认为是极其复杂且毫无意义的–涡轮机和锅炉的负载变得至关重要。
传统上，用于发电厂的蒸汽轮机具有多个带有叶片的气缸，向其中供应高，中，低压蒸汽。 首先，蒸汽通过高压缸，使涡轮旋转，同时改变出口处的参数（压力和温度降低），然后进入中压缸，再从那里进入低压。 事实是具有不同参数的蒸汽的步骤具有不同的叶片尺寸和形状，以便更有效地提取蒸汽的能量。
但是存在一个问题-当温度下降到饱和点时，蒸汽开始饱和，这降低了涡轮机的效率。 为了防止这种情况，高压锅之后和低压锅中的蒸汽在锅炉中被重新加热。 此过程称为中间过热（工业过热）。
一个涡轮中可以有多个中低压气缸。 蒸汽既可以从圆柱体的边缘（顺序通过所有叶片）供应到它们，也可以在中心向边缘扩散，从而平衡轴上的负载。
涡轮机的旋转轴连接至发电机。 为了使网络中的电力具有所需的频率，发电机和涡轮轴必须以严格定义的速度旋转-在俄罗斯，网络中的电流具有50 Hz的频率，并且涡轮以1500或3000 rpm的速度运行。
简而言之，发电厂产生的电力消耗越高，发电机抵抗旋转的能力就越强，因此您必须向涡轮提供更大流量的蒸汽。 涡轮速度控制器可即时响应负载变化并控制蒸汽流量，从而使涡轮保持恒定速度。 如果网络中的负载下降且调节器未减少供应的蒸汽量，则涡轮机将迅速提高速度并坍塌-如果发生此类事故，叶片很容易穿透涡轮机体，火力发电厂的屋顶并飞散几公里远。
汽轮机是如何产生的
大约在公元前十八世纪，人类已经驯服了元素的能量，将其转化为机械能来完成有用的工作-这些就是巴比伦风车。 公元前二世纪。 e。 自来水厂出现在罗马帝国，其车轮由来自河流和溪流的无尽水流驱动。 早在公元一世纪 e。 人利用水蒸气的潜在能量，借助其推动了人造系统的运动。
亚历山德里亚·杰伦的埃隆比卢斯（Eolipilus）是未来15个世纪以来第一台也是唯一的反应式蒸汽轮机。 资料来源：美国机械词典/维基媒体
希腊数学家和亚历山大的机械师Geron描述了eolipil的怪异机制，eolipil是一个固定在轴上的球，管从该球成一定角度发散。 从沸腾的锅炉进入球的蒸汽用力离开管子，使球旋转。 赫伦当时发明的机器似乎是没有用的玩具，但实际上，这位远古科学家建造了第一台蒸汽喷射涡轮机，其潜力仅在十五个世纪后才被估计出来。 现代的eolipil复制品的速度高达1,500 rpm。
在16世纪，叙利亚天文学家塔基尤丁·沙米（Takiyuddin al-Shami）重复了被遗忘的苍鹭的发明，但轮子没有转动，而是带动了轮子，蒸汽直接从锅炉中喷出。 1629年，意大利建筑师乔瓦尼·布兰卡（Giovanni Branca）提出了类似的想法：一股蒸汽使桨轮旋转，该桨轮可用于锯木厂的机械化。
布兰卡主动式蒸汽轮机至少做了一些有用的工作-它“自动化”了两个迫击炮。
尽管有几位发明者描述了将蒸汽能转化为功的机器，但它仍然远非有用的实现方式-当时的技术不允许创建具有实际可用功率的蒸汽轮机。
涡轮革命
多年以来，瑞典发明家古斯塔夫·拉瓦尔（Gustaf Laval）提出了一种构想，即可以使轴以极高的速度旋转的发动机的想法-拉瓦尔乳汁分离器的运行需要这样做。 当分离器通过“手动驱动”工作时：齿轮系统将手柄上的40 rpm转换为分离器中的7000 rpm。 1883年，拉瓦尔设法适应了苍鹭的eolipil，为发动机提供了一个牛奶分离器。 这个主意很好，但是蒸汽轮机的振动，可怕的高成本和不经济性迫使发明人重新进行计算。
拉瓦勒涡轮机叶轮出现于1889年，但其设计一直延续至今。
经过多年的艰苦试验，拉瓦尔能够制造出一台活跃的单碟蒸汽轮机。 将蒸汽供应到带有四个带有喷嘴的管的叶片的圆盘上，并在压力下进行。 蒸汽在喷嘴中膨胀和加速时，蒸汽撞击磁盘的叶片，从而使磁盘运动。 随后，发明人生产了第一批功率为3.6 kW的商用涡轮机，将涡轮机与发电机连接起来发电，并在涡轮机设计方面获得了许多创新的专利，其中包括当今时代中作为蒸汽冷凝器的组成部分。 尽管起步艰难，但后来与古斯塔夫·拉瓦尔（Gustaf Laval）的合作进展顺利：他离开了之前的公司从事分离器的生产，他成立了一家股份公司，并开始提高设备的生产能力。
与拉瓦尔同时进行的是他在蒸汽轮机领域的研究，由英国人查尔斯·帕森斯爵士进行，他能够重新思考并成功地补充了拉瓦尔的思想。 如果第一个涡轮机的涡轮中使用了一个带叶片的圆盘，那么帕森斯申请了多级涡轮机的专利，该涡轮机串联了多个圆盘，不久之后，他在结构中增加了定子以平衡流量。
帕森斯涡轮机具有三个连续的汽缸，分别用于具有不同叶片几何形状的高压，中压和低压蒸汽。 如果拉瓦尔依靠主动式涡轮机，那么帕森斯会创建反应性组。
1889年，帕森斯售出了几百台涡轮机，为城市电气化；另外五年后，建造了实验船Turbinia，其时速达到63 km / h，这是蒸汽机以前无法达到的。 到20世纪初，蒸汽涡轮机已成为地球快速电气化的主要引擎之一。
现在“ Turbinia”在纽卡斯尔的一家博物馆展出。 注意螺钉的数量。 资料来源：TWAMWIR / Wikimedia
东芝涡轮-世纪之路
日本
电气化铁路和纺织工业的飞速发展，迫使该国通过建造新的电厂来应对日益增长的电力消耗。 同时，日本汽轮机的设计和生产工作也开始了，其中第一台于1920年代交付给日本。 东芝（当时：东京电装和芝浦制作所）也参与了此案。
东芝第一台涡轮机于1927年发布，功率适中，只有23千瓦。 在不到两年的时间内，日本制造的所有蒸汽轮机都离开了东芝工厂，总装机容量达到7,500 kW。 顺便说一下，东芝还为1966年开设的
日本第一个地热站提供了蒸汽轮机。 到1997年，所有东芝涡轮机的总容量为100,000 MW，到2017年，交付量增长得如此之快，以至于等效容量为200,000 MW。
该需求归因于制造精度。 重达150吨的转子以3600 rpm的速度旋转，任何不平衡都会导致振动和事故。 转子的平衡精度为1克，与目标值的几何偏差不应超过0.01毫米。 CNC设备有助于将涡轮机生产中的偏差减小到0.005毫米-尽管允许的安全误差大了一个数量级，但东芝员工与目标参数之间的差异被认为是一种很好的形式。 此外，每个涡轮机都必须以提高的速度进行压力测试-对于3600 rpm的设备，该测试可提供至4320 rpm的加速度。
一张了解蒸汽轮机低压级尺寸的好照片。 这是东芝京滨产品运营工厂的最好的主人团队。 资料来源：东芝
汽轮机效率
蒸汽涡轮机的优点在于，随着其尺寸的增加，所产生的功率和效率将显着增加。 在大型火力发电厂中安装一个或几个单元可以在长距离网络上分配电力，在经济上要比用小型涡轮机发电的地方火力发电厂要多得多，该小型火力发电厂的功率从几百千瓦到几兆瓦。 事实是，随着尺寸和功率的减小，以千瓦为单位的涡轮机成本有时会增加，效率会下降两到三倍。
过热的冷凝式涡轮机的电效率在35-40％的范围内变化。 现代火力发电厂的效率可以达到45％。
如果将这些指标与表中的结果进行比较，事实证明，蒸汽轮机是满足大量电力需求的最佳方法之一。 柴油是一个“家”故事，风车价格昂贵且低功耗，水力发电厂价格昂贵且具有地理参考意义，而我们已经写过的
氢燃料电池是一种新颖的，可移动的发电方式。
有趣的事实
最强大的蒸汽轮机：这样的名称可以同时正确地由两种产品佩戴-德国西门子SST5-9000和美国通用电气拥有的ARABELLE制造的涡轮机。 两台冷凝式涡轮机均可提供高达1900 MW的功率。 只有在核电厂才能实现这种潜力。
记录容量为1900 MW的西门子SST5-9000涡轮机。 创纪录，但对这种电源的需求非常小，因此东芝专门生产功率只有一半的设备。 资料来源：西门子
最小的蒸汽轮机是几年前由乌拉尔联邦大学的工程师在俄罗斯制造的-直径仅为半米的PTM-30，容量为30 kW。 通过利用其他过程中剩余的多余蒸汽，婴儿可以用于当地生产电力，从而从中获得经济利益，而不是将其释放到大气中。
俄罗斯的PTM-30是世界上最小的发电用蒸汽轮机。 资料来源：UrFU
蒸汽轮机
最不成功的应用是蒸汽轮机-蒸汽机车，其中锅炉产生的蒸汽进入涡轮机，然后机车在电动机或机械传动下运动。 从理论上讲，蒸汽轮机的效率是传统蒸汽机车的许多倍。 实际上，事实证明蒸汽涡轮机车仅在时速超过60 km / h时才显示出其优势，例如高速和可靠性。 在较低速度下，涡轮机消耗过多的蒸汽和燃料。 美国和欧洲国家在机车上试验了蒸汽轮机，但糟糕的可靠性和可疑的效率将蒸汽轮机的使用寿命缩短到10至20年。
煤蒸汽涡轮机车C＆O 500几乎每次旅行都中断，这就是为什么在其发布一年后将其送去报废的原因。 资料来源：Wikimedia