|
A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre. A dugattyús gőzgépekben a gőz feszítő ereje a dugattyút előre s hátra mozgatja. E mozgást a legtöbb esetben csak forgó mozgássá való áttétel útján lehet munkagépek hajtására felhasználni. A forgó mozgássá való áttétel pedig -át felemészti az energiának.
E veszteség eltüntetése céljából a gépszerkesztők már régen arra törekedtek, hogy olyan gépet állítsanak elő, amely a gőz energiáját közvetetlenül alakítja át forgó mozgássá. Törekvésük, jóllehet megvoltak a forgó mozgást közvetetlenül előállító ősminták (Heron, Branca gépei), egész a múlt század végéig nem járt sikerrel. Csak a nyolcvanas években, amikor már nagy számmal készültek olyan gépek, amelyek helyes működése igen gyors forgást igényelt, pl. a centrifugál-szivattyúknak percenkint , a dinamó-gépeknek fordulatra volt szükségök, tehát amikor a gyakorlat teremtett kényszerítő szükséget, akkor nyert a feladat megoldást, a turbinák révén. A megoldás érdeme az angol Parsons-é és a svéd De Laval-é.
Az elsó turbina szerkesztése óta eltelt esztendő alatt lázas tevékenység folyik a turbina szerkesztés terén. Legalább is kilencven fajta turbina keletkezett. Nagy részök nem életre való. A jobbakról sem alakulhatott még minden tekintetben egységes vélemény, mert többnyire kísérleti stádiumban vannak. De egynéhány már is méltó versenytársa a száz év óta fejlődő dugattyús gőzgépnek, sőt úgy látszik, nemsokára föléje is kerekedik.
Feladatunk lesz a legfontosabb turbinák szerkezete lényegével megismerkedni, működési módjukat megérteni és megállapítani, mi tekintetben előnyösek, vagy hátrányosak a dugattyús gépekkel szemben.
A dugattús gépekben a gőz pusztán a feszítő erejével dolgozik; a turbinákban pedig sebességével, vagy sebessége mellett feszítő erejével is. Sebességével olyanformán dolgozik, mint a víz a Pelton-féle (amerikai 1884.) kerékben (1. ábra).  1. ábra
Itt ugyanis a nagy nyomás alatt sebesen kiáramló víz egy tengely körül forogható kerék lapátjaiba ömlik és energiája nagy részét úgy adja le a lapátoknak. Feszítő erejénél fogva meg olyan formán dolgozik, mint a víz a Segner-féle (magyar 1750.) kerékben (2. ábra).  2. ábra
Itt ugyanis a vízsugár kiömlési helyén a víz oldalnyomása megszűnik, a szemközt lévő falon pedig működik s ez a nyomás forgatja a szerkezetet a víz kiömlésével ellenkező irányban.
A turbinákat aszerint, amint a gőz sebessége, vagy nyomása érvényesül bennök, akciós, illetve reakciós turbináknak nevezik. A tisztán akciós turbinák ősmintája a Branca gépe (Középisk. Math. Lapok. XII. köt. 2. l.), a tisztán reakciósaké a Heron gőzforgója (ugyanott, 1. l.).
Az újabb fejlődés kezdetén a legelső akciós turbinát De Laval készítette 1887-ben. Hogy a turbinát megérthessük, tudnunk kell, hogyan hozta De Laval áramlásba a gőzt és milyen sebességet nyert ezen a réven. Ha egy gőztartóban nagy nyomású gőz van és a tartó falába nyílást vágunk, a gőz kiáramlik a nyíláson és minden irányban expandál. Az energiája e szétszóródás folytán egy bizonyos irányban nem kényszeríthető munka végzésre. De ha a nyíláshoz kúpszerűen vastagodó csövet, úgynevezett fúvócsövet alkalmazunk, az energia szétszóródását megakadályozhatjuk. Ilyen fúvócsövet alkalmazott De Laval. A cső keresztmetszetét a 3. ábra mutatja.  3. ábra
A sebességet, mellyel a gőz a fúvócsövet elhagyja, a következő meggondolással lehet kiszámítani: A gőz a nyíláson való kiömlése és a fúvócsöven való átáramlása közben meleget nem vesz fel és nem ad ki, tehát adiabatikusan változik. E közben munkát sem végez. Tehát az a meleg, amelyet a nagyfokú kiterjeszkedés folytán előálló lehűlés miatt veszít, kizárólag részecskéinek mozgási energiájává alakul át. Ha tehát az elveszített meleget és a rovására fellépett mozgási energiát egyenlősítjük, kiszámíthatjuk a sebességet.
Lássunk egy példát. Tegyük fel, hogy a gőztartóban a kiáramlás előtt gőzben van kalória meleg, a fúvócsöven való végigáramlás után kalória meleg, akkor a veszteség , mely () méterkilogramm munkával equivalens. Ha tehát az áramlás sebességét -vel jelöljük, fennáll, hogy | |
Ha és értékeit gőztáblázatokból kiolvassuk és e képletbe behelyettesítjük, kiszámíthatjuk a sebességet. Pl., ha a gőztartóban légköri nyomású, száraz, telített gőz van, ennek kg-ja kalória meleget tartalmaz. Ha adiabatikusan, munkavégzés nélkül áramlik át a fúvócsöven, s e közben nyomása légköri nyomásra száll le, melegtartalma kalóriára csökken, tehát vesztesége: kalória. Így
Ha a gőz egy légköri nyomásnál alacsonyabb nyomású térbe ömlik, még nagyobb lesz a sebessége, pl. athmoszféra nyomású térbe ömléskor .
A sebesség ily módon számított értékétől, amint Lewicki, dresdai tanár 1903-ban számos kísérlettel igazolta, a tényleges sebesség alig különbözik egy pár (legfeljebb ) századrésznyire.
Ha már most a fúvócsőből kiáramló gőzt lapátos kerékre bocsátjuk, a kerék forgásba jön s e forgás tetszőlegesen felhasználható munkavégzésre. Természetesen, minél nagyobb a gőz sebessége, annál gyorsabb forgásba hozza a kereket s ugyanazon idő alatt annál több energiát ád le. De a kerék sebessége épp oly nagy nem lehet, mint a gőzé, mert akkor a gőz a kerékhez képest nyugalomban lenne s így nem is adhatna le annak energiát. Hanem, tapasztalás szerint, akkor ad le legtöbb energiát, ha a kerék sebessége körülbelül fél akkora, mint a gőz sebessége. Ha tehát csak -os gőzsebességet számítunk is, a legjobb hatásfok elérése céljából kell hogy a kerék lapátjai körülbelül sebességgel haladjanak. (A Manlicher-puskából kilőtt golyó kezdő sebessége nem sokkal több, ). Ez a nagy sebesség olyan óriási centrifugális erőket hoz létre a forgó keréken, hogy a gyakorlatban való megvalósításától eleinte mindenki visszarettent. Bármily tökéletesen legyen ugyanis szerkesztve a kerék, lehetetlen, hogy a súlypontja pontosan beleessék a forgási tengelybe, tehát lehetetlen, hogy a szabad tengelye összeessék a geometriai tengelyével. Ha pedig nem esik össze, minthogy a korong szabad tengelye körül iparkodik forogni, a forgástengely olyan nagy erőnek van kitéve, hogy ennek még a legerősebb anyagból készült tengely sem tud ellent állani.
De Laval e nehézséget mesterien oldotta meg. Ugyanis a forgó korongot igen vékony, ceruzánál vékonyabb, hosszú tengelyre erősítette, a legkisebbeket -es, a legnagyobbakat ( lóerőseket) -es átmérőjűekre és minthogy ez a gyenge, hajlékony tengely a centrifugális erő hatásának enged, a korong forgási tengelyévé lassan-lassan a szabad tengelye válik. (4. ábra.)  4. ábra
Ezek után egészben véve is megértjük a Laval turbináját (5. ábra).  5. ábra  6. ábra
A forgókorong átmérője Lavalnál átlag kicsiny, legfeljebb . Ha e legnagyobb átmérőt tételezzük is fel, kerületi sebesség mellett legalább is percenkinti fordulatszámot kapunk. Ilyen gyors forgást egy gépben sem lehet értékesíteni, azért Lavalnak fogaskerekek alkalmazásával tizedrészére, vagy még kevesebbre kellett redukálni a fordulatszámot.
A fogaskerék-áttétel azonban egyfelől energiát emészt fel, másfelől meg nagy helyet foglal el és erős zajt csap. Riedler és Stumpf, berlini tanárok, úgy segítenek a bajon, hogy a forgó korongot sokkal nagyobb átmérővel ( méteressel) készítik, miáltal a fordulatszámot, ugyanazon kerületi sebesség mellett is, tetemesen csökkentik. Igy -es átmérővel elérik, hogy a fordulatszám, kerületi sebesség mellett is, csak percenkint. Persze, a gép térfogata ezen a réven tetemesen megnövekszik.
Riedler és Stumpf a forgó korong peremét szélesre készítik (7. ábra) s ebbe páronkint, egymás mellett kanálszerű mélyedéseket vésnek. Ezek helyettesítik a lapátokat. A fúvócsövekből ezek közé, középre áramlik a gőz s a gőzsugár kettéválva, beáramlik mind a két mélyedésbe s itt ütközés nélkül adja le az energiáját, úgy, mint a Laval turbinában a lapátoknak.  7. ábra
Minthogy a Laval turbina rendkívül gyors forgásának hasznosítható lassú forgássá való áttétele sok energia veszteséggel jár és minthogy az elég lassú forgású Riedler és Stumpf-féle turbinának szerfelett nagy méretei vannak, arra törekedtek a gépszerkesztők, hogy a lassú forgást más módon tegyék lehetővé. Sikerült is a gőz sebességének vagy nyomásának részletekben való lefokozásával.
A sebességet több módon is szokták lefokozni. Egyik mód az, hogy a fúvócsőből teljes sebességgel kiáramló gőzt elég lassan forgó lapátos kerékre bocsátják, melynek lapátjai közt való átáramlás közben tehát a gőz nem adja le összes energiáját, hanem csak egy részét, pl. felét. A megmaradó sebességével azután egy másik lapátos kerékre ömlik, a hol vagy leadja összes energiáját, vagy megint csak egy részét s aztán egy harmadik kerékre ömlik és így tovább. És minthogy a kerekek valamennyien ugyanazon tengelyre vannak szerelve, az összes energiát egy tengely veszi át. Ilyen berendezésű a Curtis turbina.
A sebesség lefokozásának egy másik módja ugyanezt az elvet valósítja meg, csakhogy egy forgó kerék segélyével. Ugyanis a fúvócsőből teljes sebességgel áramló gőz ráömlik a forgó kerék lapátjaira. Itt az előbb említett oknál fogva nem veszti el egész sebességét, csak egy részét. A megmaradó sebességgel beáramlik egy vezetőcsőbe, amely oly módon görbül, hogy ismét rávezeti a gőzt ugyanazon kerékre, csak távolabb eső lapátjaira. Itt megint csökken a gőz sebessége. Aztán egy új vezető csőbe jut, mely ismét a kerékre tereli és így tovább, amíg csak a sebessége zérusssá nem lesz. Végre az utolsó lapátcsoportról a szabadba jut, vagy a kondenzátorba. Ilyen berendezésű a Kolb-féle turbina (8. ábra).  8. ábra
A friss gőz -nál áramlik be, körülveszi az egész turbinatartót s a fúvócsöveken át a kerékkoszorúra áramlik. Onnan a vezetőcsőbe, ismét a kerékkoszorúra és így tovább. Végre -nál elhagyja a turbinát.
A nyomás lépcsőzetes lefokozása pedig így történik. A fúvócsövet rövidebbre készítik, mint az eddig megismert turbinákban. A rövid fúvócsövön átáramló gőz nyomása nem száll le arra az értékre, amellyel elhagyja a turbinát, hanem az eredetinek csak egy bizonyos hányadrészére.
Tehát a sebesség is csak bizonyos hányadrésze lesz annak, amellyel teljes expanzió mellett jutott volna ki a gőz. Ez a sebesség és nyomás egy kerékkoszorún elvégzi a maga munkáját, azután egy vezetőkoszorún át egy másik kerékkoszorúra áramlik, hol ismét csökken a nyomása és így tovább, míg az utolsó kereket aztán többé nem értékesíthető nyomással és sebességgel hagyja el.
A legelterjedtebb és az eddig szerzett tapasztalok alapján legéletképesebbnek bizonyult turbina a Parsons-féle (9. ábra). Ez lényegében sok, egyazon tengelyre szerelt turbinából áll, amelyeken egymásután halad át a gőz.  9. ábra
Ugyanis egy tengelyre rá van erősítve egy egész sereg lapátos forgókoszorú és e koszorús tengelyt körülveszi egy henger, melynek belső falára a gőzvezető lapátok, a gőzvezető koszorúk vannak erősítve, úgy, hogy két-két forgó koszorú közt van egy-egy fix vezető koszorú. A fix vezető koszorúk és a forgó koszorúk közt -nyi köz van. A gőz beömlik a tengely egyik végénél az első fix koszorúba. Ennek lapátjai közt expandál egy keveset s a nyert sebességgel beömlik az első forgó koszorúba. Ennek lapátjai közt átfutván, sebessége irányt változtat s így jut a második vezető koszorúba, onnan a második forgó koszorúba és így tovább: végre az utolsóból a szabadba vagy a kondenzátorba. Itt tehát a gőz nemcsak sebességével, hanem nyomásával is végez munkát, azért ez akciós és reakciós turbina. Természetesen, minthogy a tengely irányában áramló s mind jobban-jobban expandáló gőznek nagyobb-nagyobb térfogatra van szüksége, a vezető és forgó koszorúk sugarai a tengely azon vége felé, amerre a gőz áramlik, fokozatosan nagyobbodnak. Ez a turbina igen biztos működésű és hosszas használat után sem szorul javításra, mert egyes részei, lapát is lévén egy nagy turbinában; nagy teljesítmény mellett is nagyon kevéssé vannak igénybe véve.
A turbináknak az itt említett fajain kívül még sok más fajtája van. A legtöbbet még kísérleteznek és valamennyi lényegében azon elveken épül fel, amelyekkel itt megismerkedtünk. Ha ezekkel nem is foglalkozunk részletesen, már az eddigiek alapján megállapíthatjuk, mi tekintetben előnyös vagy hátrányos a turbina a dugattyús gépekkel szemben.
Mint láttuk, a turbina a gőz energiáját közvetlenül átalakítja forgó mozgássá. Ezzel elkerülhetők a dugattyús gépeknél nagy szerepet játszó mozgás áttételek és megszűnik az áttételekkel járó energia pazarlás. A forgás egyenletessége folytán a turbina simán jár, az alapot nem rázza, tehát különösen előnyös ott, ahol a rázás kellemetlen hatásának kiküszöbölése feltétlenül kivánatos, mint pl. a hajókon. A sima járás miatt nem is igényel olyan erős alapozást, mint a dugattyús gépek.
A turbina szinte aránytalanul kisebb térfogatot foglal el és sokkal könnyebb, mint az ugyanolyan munkaképességű gőzgép. Így egy lóerős De Laval motor térfogata , egész súlya . A Parsons turbinánál meg egy lóerőre átlag súly esik, míg a dugattyús gépeknél . Ez az előny nagyon fontos a hajóknál, mert tetemesen kisebb lesz a holt súly és a megnyert térfogatot hasznosan lehet kiaknázni.
A turbinában, a tengelyeket leszámítva, egymáson csúszó, vagy egymáshoz súrlódó részek nincsenek. Ezért kopás folytán nem romlik úgy, mint a dugattyús gép. Éveken át tartó használat után is épp oly jól működik, mint új korában s nem pazarol több gőzt, mint mikor új. A dugattyús gép azonban a folyton előrehaladó kopás miatt több-több gőzt pazarol, tapasztalás szerint -kal is többet. Egyszersmind a csúszó és súrlódó részek hiánya miatt sokkal kevesebb kenőolajat fogyaszt, mint a dugattyús gép. Sőt, mivel a gőz olajozott részekkel nem érintkezik, egész tisztán jut a kondenzátorba s így tisztítás nélkül vezethető ismét a kazánba.
A turbinában minden nehézség nélkül lehet alkalmazni igen magas hőmérsékletű gőzt. A dugattyús gépekben azonban legfeljebb . hőmérsékletűt, mert a mai kenőolajok ennél magasabb hőmérsékletet ki nem bírnak. Ez a körülmény jelentékenyen emeli a turbina gazdaságos voltát. Így Lewicki (1901) kísérletei szerint egy turbina, ha a gőzt -on kapta és -on bocsátotta ki, lóerejű volt és óránkint minden lóerőre . gőzt fogyasztott. Ha azonban a gőzt -on kapta és -on bocsátotta ki, lóerejű lett és lóerőnkint csak gőzt fogyasztott.
De van a turbináknak hátrányos oldaluk is. Így
A közlekedő eszközök, vonatok, hajók hajtására szolgáló gépeknél fontos, hogy a rendes járásukkal ellentétes irányban is tudjanak járni, azaz, hogy tudjanak előre is, hátra is hajtani. A dugattyús gépeknél ez a követelmény fényesen van megoldva. A gépkezelőnek csak egy kézmozdulatot kell tenni s a gőz már is ellenkező irányban ömlik a hengerbe. A turbináknál azonban a visszafelé járatás ez idő szerint még lehetetlen. Ezért a hajókon egy-egy tengelyre rendszerint két turbinát szerelnek, ellentett módon. Az előre haladásnál az egyik turbina, a hátra haladásnál a másik működik.
A dugattyús gép lassúbb járatáskor arányosan kevesebb gőzt fogyaszt. A turbina majdnem annyit fogyaszt lassúbb járatásnál is, mint normálisan.
Ha a dugattyús gép fáradt gőze nem a szabadba, hanem kondenzátorba jut, körülbelül -nyi gőzmegtakarítás van. A turbináknál ez a megtakarítás -ot is kitesz. Jó hatásfok elérése céljából tehát feltétlenül szükséges, hogy minél nagyobb ritkítású kondenzátorok alkalmaztassanak. Ezek pedig, a ritkító szivattyúkkal együtt néha nagyobb térfogatúak, mint maga a turbina és állandó működtetésük sok munkát fogyaszt. Ez a körülmény tehát nagy térfogat- és munkaveszteséget idéz elő.
Remélni lehet azonban, hogy a turbina tökéletesítésén fáradozók folytonos munkája hamarosan segít ezeken a bajokon is.
Ezek után még azt említjük meg, hogy a turbina a dugattyús géppel kombinálva, jóval nagyobb hatásfok elérését teszi lehetővé, mint akár az egyik, akár a másik gép magában. Tudjuk ugyanis (lásd Középisk. Math. Lapok XII. köt. 80‐86 l.), hogy a dugattyús gép a -on aluli gőz energiáját nagyon tökéletlenül tudja kihasználni. Mert arra, hogy a gőz a hengerben olyan alacsony hőfokig expandáljon, amilyen a kondenzátorban uralkodik, rengeteg nagy hengerekre lenne szükség, amilyeneknek előállítása lehetetlen. A turbina azonban, ha nagy ritkítású kondenzátor van hozzá kapcsolva, jól kitudja használni ezt az energiát is. Ha tehát a dugattyús gép fáradt gőzét turbinába bocsátjuk, jelentékeny munkanyereségre tehetünk szert. Így pl., ha egy lóerejű kondenzáció nélküli dugattyús gép fáradt gőzét igen alacsony nyomású kondenzátorral ellátott turbinába bocsátják, a turbina maga képes lesz lóerőt leadni. Természetesen, mivel a dugattyú járásának megfelelőleg, szakadozva, (intermittálólag) ömlik ki a fáradt gőz, a turbina pedig folytonos gőzbeömlést kíván, a dugattyús gép és a turbina közé egy gőzakkumulátort kell beiktatni, amely a fáradt gőzt magába veszi és majdnem állandó nyomás alatt, egyenletesen bocsátja a turbinába. A turbináknak ebben a kombinációban olyanforma szerep jut, mint a több folyadékos gépkombinációkban az éteres vagy chloroformos gépnek.
Végül, ami a hatásfokot illeti, arra az eddig szerzett tapasztalatok alapján azt mondhatjuk, hogy a turbinák a melegség alakjában beléjök vezetett energiát ma még nem tudják tökéletesebben felhasználni, mint a dugattyús gépek. A legjobb Parsons-féle turbinák azonban nem maradnak mögötte a modern, többszörös expanziójú gőzgépeknek. És míg az egy folyadékkal dolgozó dugattyús gépeknél egyelőre reménység se igen lehet olyan módosításra, mely a hatásfokot jelentékenyen emelné, addig a turbináknál ezt bizton lehet reményleni.
Források, irodalom: Stodota, Die Dampfturbinen, 3. Auflage. Berlin, 1905. Wagner, Die Dampfturbinen. Hannover, 1904. Musil, Bau dec Dampfturbinen, Leipzig, 1904. Krebs, Moderne Dampfturbinen, Berlin, 1905. Schreber, Die Kraftmaschinen, Leipzig, 1903. Matschoss, Geschichte der Dampfmaschine, Berlin, 1901. Az egyes turbinákról különböző szerzőktól külön-külön füzetek (C. J. E. Volckmann, Rostock). A technika vívmányai (Műveltség könyvtára).
Az izothermikus változást a Boyle-Mariotte-féle egyenlet írja le. Az adiabatikus változást a Poisson-féle egyenlet: , hol az állandó nyomás és állandó térfogat melletti fajmelegek hányadosát jelenti. |
PDF | MathML