Чарльз Парсонс
Некоторые сведения о характере творческой деятельности Чарльза Парсонса можно почерпнуть из его записок; у него можно многому научиться. Его отец, граф Росский, был любителем техники. Он построил в замке Бирр, где Чарльз провел большую часть детства и получил домашнее воспитание, кузницу и механическую мастерскую, в которых можно было изготавливать любые механизмы и даже телескопы. С отцом и братьями будущий изобретатель конструировал паровые машины, электромагниты и телескопы; для морских прогулок они построили парусную яхту с металлическим корпусом. В те годы в Кембридже не было инженерного отделения, и Парсонс закончил в 1877 году математический факультет. На выпускных экзаменах он был одиннадцатым — он хорошо решал задачи, но плохо запоминал теоремы. Его комнаты были завалены техническими моделями, среди которых был и эпициклоидальный паровой двигатель с очень высоким числом оборотов. Для проверки своих идей Парсонс не прибегал к высшей математике, предпочитая ей арифметические расчеты и прикидки «по порядку величины». Позднее он говорил, что пять лет, отданных изучению математики, были самыми изнурительными в его жизни.
По окончании Кембриджа он провел три года в обучении у сэра Уильяма Армстронга в Ньюкасле, где почерпнул много нового из области инженерной механики и конструирования. Парсонс решил для себя, что будет заниматься не отвлеченной натурфилософией, а практическим конструированием. К тому времени уже существовало понятие к. п. д. тепловых машин и была очевидна необходимость увеличения коэффициента расширения пара в тепловых машинах. Парсонс не мог не видеть недостатков, присущих одноцилиндровому паровому двигателю.
В 1884 году он стал младшим компаньоном Кларка Чепмена в Гейтсхеде, и они начали совместную работу над электрогенераторами для морских судов (тогда предполагалось еще дуговое освещение). Парсонс прекратил прежнюю работу над ракетами и торпедами — он писал, что именно тогда решил сконструировать паровую турбину, которая могла бы непосредственно приводить в движение высокооборотный электрогенератор. В 1885 году он построил турбину, развивавшую мощность 6 л. с. при 18 000 об/мин и расходе пара 68 кг на 1 кВт-ч. К 1889 году, когда изобретатель решил расстаться с Чепменом, на его счету уже были турбины мощностью 20 л. с. при расходе пара 28,5 кг на 1 кВт-ч.
Как активные, так и реактивные турбины тогда не были новинками; Лаваль в то же время работал в Стокгольме над конструкцией реактивной турбины по типу турбины Герона, у которой пар выходил с большой скоростью из концов S-образной трубки наподобие фейерверочной шутихи. Вскоре Лаваль разработал активную турбину с несколькими неподвижными паровыми соплами, которые сужались к середине и расширялись вблизи выходного отверстия. Пар со сверхзвуковой скоростью выходил из сопла и попадал на лопатки турбины. Теория сопла Лаваля была разработана к 1888 году. Лаваль также первым использовал гибкий вал для самобалансирования ротора активной турбины, вращающегося с огромной скоростью (в идеале скорость движения лопаток равна половине скорости истечения пара). Мощность таких турбин была доведена до 500 л. с.
Парсонс также употребил гибкий вал, но ему пришла в голову блестящая мысль о многоступенчатом расширении пара — это исключало необходимость доводить скорость пара до сверхзвуковых величин (порядка 1000 м/с), как в одноступенчатой турбине. Такой расчет позволил значительно увеличить мощность турбин — до многих сотен мегаватт—без риска разрыва лопаток центробежными силами. Струя. пара равномерно проходит через такую турбину от одной ступени к другой; нет нужды прибегать к клапанам и подвижным парораспределителям.
Вначале турбины Парсонса потребляли больше пара, чем поршневые паровые машины, и имели лишь то преимущество, что были компактными и быстро-вращающимися, это позволяло соединять их с генераторами постоянного тока без промежуточного редуктора. Однако Парсонс поставил своей целью экономию топлива, и к 1897 году разработал близкие к оптимальным требования к форме и расположению лопаток. Ему удалось достигнуть тысячекратного расширения пара без промежуточных потерь, в то время как теоретический к. п. д. поршневой паровой машины с тройным расширением составляет всего 16%.
В тот же период Парсонс разработал турбину с параллельным потоком, у которой пар поступал посередине и выходил с обеих сторон; таким образом компенсировалась осевая реактивная сила. Изобретатель также понял необходимость делать лопатки ротора длиннее по мере расширения пара. Он экспериментировал с турбинами, ступени которых были концентрическими и лежали в одной плоскости, но обнаружил, что они уступают турбинам с осевым расположением ступеней.
Парсонс вынужден был реконструировать генератор, чтобы полнее использовать преимущества машин с большим числом оборотов. Он применил в генераторе относительно слабый магнит из чугуна, стремясь уменьшить потери на гистерезис, и разработал регулятор напряжения, управлявший напряженностью магнитного поля. В 1885—1889 годах на военно-морских судах во всем мире было установлено около 400 турбогенераторов мощностью до 75 кВт, дававших постоянный ток низкого напряжения при большой токовой нагрузке. К 1885 году потребление пара было доведено до 15,6 кг на 1 кВт-ч.
В 1889 году Парсонс решил отделиться от Кларка Чепмена и основать собственную фирму, но по соглашению, заключенному в ту пору, когда Парсонс и Чепмен были партнерами, все патенты принадлежали фирме. Тяжба длилась три года, и все это время Парсонс пытался доказать, что его патенты стоят очень мало (каких-нибудь 2000 фунтов стерлингов), а Чепмен старался оценить их подороже. Эксперты Парсонса утверждали, что его идеи не новы. Им удалось откопать патент, выданный в 1848 году Роберту Уилсону на роторные двигатели, размещенные на общем валу и приводимые в движение последовательно паром одного котла. В свою очередь сэр Уильям Томсон, эксперт Кларка Чепмена, заявил, что Парсонс самостоятельно пришел к этой идее и сделал ее работоспособной, разработав удачный способ смазки, обеспечив динамический баланс с помощью полужесткого подшипника, а также применив схему параллельного потока и неподвижные лопатки криволинейного профиля для отклонения и ускорения струи пара на входе в следующую ступень.
Конец тяжбе положил Кларк Чепмен. Он заявил, что для того, чтобы продемонстрировать свою уверенность в значимости патентов, он будет работать над их практическим осуществлением. Самостоятельно Парсонс сделал попытку создать турбину с радиальным потоком, но столкнулся с большими трудностями. Он сумел выкупить свои патенты у Чепмена лишь в 1894 году.
По свидетельству Дугалда Кларка, патентного агента Парсонса, свои новые идеи изобретатель обычно излагая ему как минимум минут двадцать, пока, наконец, удавалось понять, что же именно он имеет в виду,— Парсонс явно не обладал умением выражать суть дела двумя словами. Как легко заметить, основная заслуга Парсонса состоит в том, что он отчетливо представлял себе конкретную задачу, например смазки, утечки пара, конденсации, вибрации, прочности и формы лопаток. Всесторонне изучив проблему, он решал ее либо с помощью оригинальной технической мысли, либо посредством нового конструктивного подхода, основанного на ясных физических представлен ниях. Так, идеи, лежащие в основе создания турбины, не были новыми, но Парсонс сумел реализовать их на практике за счет целого ряда дополнительных изобретений. Он упорно работал над уменьшением удельного расхода пара, пока к. п. д. турбины значительно не превзошел к. п. д. поршневой машины с тройным расширением.
Когда в 1898 году Парсонс попросил продлить срок действия патента, выданного ему в 1884 году, выяснилось, что его затраты на эксперименты превысили общий доход (с учетом 7% годовых на капита-» ловложения),— иными словами, труды почти полутора десятков лет не принесли ему никакой выгоды. Только личное состояние изобретателя позволило ему продолжать разработку турбины вопреки глубоко безразличному, а подчас просто враждебному отношению окружающих. От турбоэлектрогенератора Парсонс перешел к применению турбины в качестве основного судового двигателя: в 1894 году корабль «Турбиния» развил скорость в 35 узлов. Срок действия патента Парсонса удалось продлить на пять лет, так как судебная комиссия палаты лордов сочла, что автор не получил достаточного вознаграждения. По мнению членов комиссии, если обладатель патента в течение срока его действия получил меньше 10 000 фунтов стерлингов, то срок действия следовало продлить.
Стремясь продемонстрировать преимущества турбины в качестве судового двигателя, Парсонс в 1894 году основал акционерную компанию «Марин стим тэрбин» с капиталом 25 000 фунтов стерлингов и построил 33-метровое судно «Турбиния», оснащенное радиальной турбиной мощностью 1000 л. с. После успешных испытаний судна («Турбиния» развила скорость 32,25 узла на мерной дистанции в одну милю) в 1897 году была создана новая компания «Парсонс марин стим тэрбин» с начальным капитал лом в 240 000 фунтов стерлингов.
При предварительном проектировании «Турбинии» Парсонс проводил модельные испытания корпуса судна (на моделях длиной 0,6 м и 2 м), причем его особенно интересовали возможности перехода на глиссирование и необходимая для этого эффективная мощность двигателя. Мощность он изучал с помощью гребного винта, приводимого в движение резиномотором со скоростью 8000 об/мин, и на основании модельных испытаний предсказал мощность, необходимую для «Турбинии», с точностью до 3%. Гребные винты испытывались в натуральную величину. Наилучших результатов после 31 испытания семи конструкций Парсонс добился, применив три винта на одной оси. Измеряя момент вращения с помощью пружинного датчика, он принял решение установить винты на раздельных валах, каждый из которых приводился в движение осевой турбиной. Это позволило ему довести скорость судна до 34 узлов. Мой отец был младшим морским офицером на одном из судов во время смотра 1897 года в Спитхеде, когда Парсонс описывал на «Турбинии» круги вокруг строя кораблей. Прошло почти восемь лет, прежде чем военно-морское ведомство решило признать турбину в качестве судового двигателя. Было это в марте 1905 года.
Другая история рисует Парсонса в совершенно ином свете (она относится уже к более позднему времени). 3 ноября 1912 года лорд Фишер писал Парсонсу: «...хотелось, чтобы Вы продолжили работу над своей турбиной, применив к ней принципы двигателей внутреннего сгорания». А 21 ноября того же года, выступая в Королевской комиссии по двигателям и топливу, Парсонс сказал: «Я не думаю, что когда-либо появится газовая турбина. Газовые турбины совершенно нереальны».
Потребовалось четверть века, прежде чем Уиттл и другие исследователи доказали, что можно сконструировать воздушный компрессор, который имел бы достаточно высокий к. п. д., чтобы не отбирать у турбины всю полезную мощность.
|
|
Читайте в рубрике «Европейские изобретатели»: |
Военная техника | Телекоммуникации | Электроника | Энергетика | Физика | Химия | Биология | Математика | Психология | Физиология | Экономика | Металлургия | Строительство | Сельское хозяйство | Медицина | Культура и искусство | Виды двигателей | Машины и механизмы | Воздушный транспорт | Водный транспорт | Автотранспорт | Ж/д транспорт | Физики | Химики | Математики | Биологи | Европейские изобретатели | Американские изобретатели | Российские изобретатели | Советские изобретатели | Методология науки | Развитие креативности | Как стать изобретателем | Изобретения будущего