TURBINEN. Slik man så på den i 1934

Fra boken MASKINLÆRE av K. GLEDITSCH (2nen utgave)

Turbinen

         For turbinene gjelder som for stempelmaskinene at de kan være høitrykks- eller fortettingsmaskiner, og at de kan skilles i fulltrykks- og ekspansjonsturbiner. For-tettingsturbiner efter ekspansjonsprinsippet er det almindeligste ved skibsturbinene. Videre kan også de være opdelt så dampen arbeider i flere trin, både hastighetstrin og trykktrin, og de kan være bygget i ett eller flere efter hinannen følgende turbinhus, som man da på samme måte som ved stempelmaskinens cylindre benevner høitrykks-, mellem-trykks- og lavtrykksdelen.

         I en turbine er der altså ikke noget stempel med frem-og tilbakegående bevegelse, men bare en rotor (d. v. s. en som går rundt), men denne rotor kan da ha ett eller mange skovlhjul, og hvis det første skovlhjul får damptilstrømning på hele kransen, så sies turbinen å være en fullturbin, mens den kalles en partialturbin, hvis der bare er delvis pådrag av damp. Så skilles også turbinene ad efter den hovedret­ning dampen har gjennem huset i de aksiale (dampretning langs akselen), de radiale (dampretning radialt på akselen) og de tangentiale (dampen kommende som en tangent inn mot rotoren). Helt rene tangential-turbiner kan dog ikke bygges, men den av De Laval konstruerte og som er vist i fig. 158 er dog så nær det tangentiale som man kan komme det.

Fig 158. De-Laval konstuksjon

Fig. 159. Innløpsdyse

A er akselen og L er rotoren som her består av bare ett hjul, og D er tutene hvori gjennem dampen ledes inn på hjulets skovler. I fig. 159 er en av disse tuter vist noget større, og sammen med den en regulærventil for dampen, således som hver tut må være forsynt med.

Fig. 160 Aksialturbin

         En typisk aksialturbin er vist i fig. 160. Dampen kommer inn i løpet til høire og arbeider sig gradvis i akselens retning til utløpet til venstre. Et eksempel på en enhjulet radialturbine er vist i fig. 161. Dampen kommer inn oventil og grener sig så først av i to løp, og fra hvert av disse løp passerer den så skovlene på dette ene hjul fire ganger, radialt-innover og utover, til den går ut av huset nederst til høire. —

Fig. 161. Enhjulet radialturbin

         Det største skille mellem de forskjellige turbiner ligger dog i om de er bygget efter aksjons- eller reaksjonsprinsippet. I en aksjonsturbine skal dampen meddele rotoren den levende kraft som den besitter kun gjennem den hastighet som den selv har opnådd. Når man lar damp ekspandere i ledetutene, vil den derunder senke sitt trykk, men øke sin hastighet, og så går den over mot rotorens skovler og meddeler disse sin hastighet, og under dette faller ikke dampens trykk videre, fordi rummene mellem skovlene på rotoren er uforandret like store fra innløpssiden til utløpssiden. Derfor kalles også aksjonsturbinene for liketrykksturbiner.
         I en reaksjonsturbine vil man at dampen skal drive rotoren rundt ved at den trykker på rotorens skovler med sitt overtrykk, og derfor kalles disse turbiner også for overtrykksturbiner. Fullt ut rene overtrykksturbiner lar sig imidlertid ikke bygge. Man må alltid ta hastighetsprinsippet noget til hjelp, og man snakker derfor om overtrykksturbiner med f. eks. ¼ aksjonsgrad, hvilket da vil si at dampen avgir 1/4 av sin levende kraft gjennem hastighetstap og de resterende 3/4 gjennem sitt trykkfall. For lettere å forstå forskjellen heri kan man gjøre en sammenligning med vannturbinene. Man må da bare huske på at en væskes hastighet

Fig. 162

Fig. 163

økes ved at man minsker dens rør eller tut-tverrsnitt, mens det for dampen er omvendt. I fig. 162 er vist en vannturbin efter aksjonsprinsippet. Vannet føres frem gjennem en innsnevret tut som skaper en stråle som slår an mot skovlene og derved jager hjulet rundt. Omkring et slikt løpehjul behøver der ikke være tett hus, for når vannet har slått an mot skovlene og avgitt sin levende kraft, så faller det dødt ned. Det samme gjelder for en dampturbine efter dette prinsipp, hvis den bare har ett hjul, men bygges den for flere trin, altså med flere hjul, så må der være tetninger mellem de rum som adskiller de forskjellige hjul således som vist i fig. 163. —

         I fig. 165 er skjematisk vist en vannturbin efter reaksjons- eller overtrykksprinsippet. De benyttes hvor fallhøiden er liten, så man ikke kan opnå nogen stor hastighet på vannet, og vannet driver da hjulet rundt kun med det større trykk som blir mot skovlene på vannets innløpsside enn på dets avløpsside,

Fig. 164

Fig. 165

men det vil lett forståes at for å få nyttiggjort dette overtrykk hos vannet, må hjulet gå så tett som mulig mot husets vegger, og det samme blir da også tilfelle ved

Fig. 166

Fig. 167. Atlas-turbin (dansk)

dampturbiner som er bygget efter dette prinsipp. Hvorledes damptrykket, damphastigheten og hjulenes periferihastighet vil variere gjennem en sådan turbine er vist i fig. 166. Det ligger i sakens natur at rotoren i disse reaksjonsturbiner alltid må få mange løpehjulskranser, da trykkfallet for hver krans ikke kan bli så stort, for da vil meget damp lekke forbi. Et lignende diagram for en flerhjulet aksjonsturbin er vist i fig. 164.

Fig. 168. Parsons-turbin

         De Lavals turbine var en aksjonsturbine og likeså den aksiale danske Atlas-turbine, mens den aksiale Parsons-turbine og den radiale Ljungstromsturbine er reaksjonsturbiner. Atlasturbinen er vist i fig. 167, Parsons i fig. 168 og Ljungströms (også kallet STAL-turbinen) er vist i fig. 169. Her kommer dampen inn ved akselen og arbeider sig utover mot periferien hvor den forlater hjulet.

         Det skulde ligge nær å spørre hvilket av disse prinsipper — aksjon eller reaksjon som stempelmaskinen arbeider efter, og svaret faller ikke vanskelig, for i stempelmaskinen skal jo dampen drive stemplet frem nettop ved sitt trykk, og derfor må jo også stemplet som før forklart slutte helt tett til cylinderveggen. Stempelmaskinen er en ren reaksjons-maskine. Overalt i den søkes damphastigheten holdt nede på det minst mulige.

Fig. 169. Ljungströms-turbin (STAL-turbin).

Dampturbinens enkelte deler.

         På grunn av forskjellen mellem aksjons- og reaksjons-prinsippet vil flere av turbinenes enkelte deler bli noget forskjellig efter det prinsipp som de arbeider efter, men de fleste deler blir dog så temmelig like.

Huset

         eller trommen, eller undertiden, men også meget feilaktig kallet cylinderen, er den beholder som omslutter rotoren og inne i hvilken kraftutviklingen skal foregå. Det er støpt av jern eller stål, eller for meget små turbiner av bronse. Det er delt i to efter akselens centerlinje i en øvre og undre halvdel. Den underste del er forsynt med sterke labber for befestelse til fundamentet og med påstøpte stusser for innløp og avløp, avtapning o. s. v. De to halvdeler forbindes med flenser til hverandre helt damptett, og ved begge ender er de dessuten formet så at de der i sammensatt stand danner for det første tetningsbokser, så dampen ikke blåser ut, og dessuten lagrene hvori den roterende dels aksel skal hvile. Huset er dreiet innvendig, så der er minst mulig klaring utenom rotoren, og langs innersiden er så ledetutene eller ledeskovlene anbragt.

Løpehjulet

         — eller hjulene når der er flere, — sitter på en aksel og bærer ute i sin periferi skovlene som skal drive det rundt. Ved aksjonsturbinene blir løpehjulene gjort som tynne skiver anbragt efter hverandre på akselen bare med så meget mellemrum at ledetutene kan få plass i mellem. De enkelte skiver er nesten alltid av stål og skovlene av krom-nikkelstål som er særlig sterkt og mindre tilbøielig til å ruste enn almindelig stål. Deres anbringelse og fastsettelse i skovlkransen er vist i fig. 170.

Fig. 170. Skovlens feste til rotor

         Ved reaksjonsturbinene blir løpehjulet gjort som en stor trommel av støpejern med skovlene festet inn i dens omkrets. Skovlene selv kan også her være av stål, men hyppigere ser man dem av en eller annen bronseblanding.

         Når hele rotoren er ferdig sammensatt, må den nøiaktig avbalanseres. Den anbringes da lett svingbar i fine lagre eller på spissen i en dreiebenk, og ved avmeislinger hist og her sørger man så for at den ikke er tyngre på nogen kant enn på andre.

Ledeapparater

         Ved reaksjonsturbinene ledes dampen mellem ledeskovler hvorav der i hver krans er like mange som der er skovler i hver tilsvarende krans på løpehjulet. De sitter festet i spor som er inndreiet i husets innerside.

Fig. 171 Ledeskovle og løpeskovle med innfesting

         De er i almindelighet av bronse, og deres form og befestelse som det fremgår av fig. 171. I aksjonsturbinene derimot er, der ikke egentlige ledeskovler, men tuter, som oftest støpt av stål eller bestående av stålplater innstøpt i godset, så de danner tuter, og deres antall er alltid meget mindre enn det tilsvarende antall løpeskovler. Klaringen mellem lede- og løpeskovlene i en reaksjonsturbine er alltid meget små, ned-til en brøkdel av en mm, men så er der heller ingen tetningsmiddel mellem rotor og huset. Ved aksjonsturbinene derimot er klaringene meget større, 3 til 5 mm, men så må der tetninger til inne ved rotorens aksel, således som vist i fig. 163. —

Impulshjul

         Meget ofte finner man at reaksjonsturbinene også er forsynt med ett eller et par aksjonshjul som dampen da passerer først for der å avgi sin største hastighet. — Disse første hjul kalles da for turbinens impulshjul, og selve turbinen sies å være en reaksjonsturbine med impulshjul eller aksjonshjul. Disse hjul får da også tuter i likhet med hvad der er på en almindelig aksjonsturbine.

Tetninger

         For at ikke dampen skal lekke ut langs akse­len i begge ender av huset, må der være tetninger, og disse utføres almindeligst som ringer av fint kunstkull som ligger nøiaktig og tett an mot akselen, men i nogen avstand fra hinannen innbyrdes. — Når dampen søker ut denne vei, må den derfor forbi den ene ring efter den annen, og det blir en så lang og besværlig vei for den å presse sig frem at den imens mister sitt trykk. Ikke desto mindre ser man alltid at der pipler litt damp ut, og det bør der gjøre, for så vet man at alle kullringene får litt damp, og det må de ha til sin smurning. Der tilføres nemlig ingen olje til dem. En akseltetning er vist i fig. 172.

Fig. 172. Akselens damptetning (Gland)

Lagerne

         Ved begge ender av rotoren skal for det første bære denne, og dernest skal de holde akselen sikkert på sin plass i lengderetningen. Derfor er også akselen forsynt med ringer som passer nøiaktig i tilsvarende spor i lagrene. Ved større turbiner ser man også ofte at hvert lager er forsynt med et eget apparat, hvorpå man til enhver tid kan avlese om der er nogen nedsliting eller endeveis-forskyvning. Viser der sig nedsliting eller forskyvning, kan det rettes med fine stilleskruer uten å åpne turbinhuset, noget som i det hele tatt ikke skal behøves uten ved besiktelser

Aksialtrykk

         Ved alle aksiale reaksjonsturbiner vil der på grunn av dampens trykk mot rotorens skovler bli et så stort trykk i akselens lengderetning at de ovenfor nevnte styreringer i bærelagrene ikke blir tilstrekkelige til å opta det, og det må derfor optaes eller opheves på en eller annen måte. — Det enkleste er da å la trykket opta av et trykk-lager anbragt utenfor bærelagret. Det gjøres, og lagret er da så godt som alltid et Michell-lager. Ved større turbiner søker man dog heller å

Fig. 173

opheve det, og det kan gjøres ved at der på rotorens aksel anbringes stempler eller ringer som vist i fig. 173. Hver av disse stempler har da en diameter som er like stor som de største diametre utenpå skovlene i forskjellige trin, og gjennem kanalene e vil så dampen virke på stemplene. Forøvrig vil dampens gang kunne følges på figuren fra innløpet a til dens utløp. — f er labyrinttetninger på disse kompensasjonsstempler.

         En annen måte å opheve aksialtrykket på er vist i fig. 174. Her er hele turbinen bygget med dobbelt sett av løpe-skovler, idet dampen kommer inn midt på rotoren og går til begge sider, stadig over parvis like store trin av skovler.

Fig. 174. Turbin med utligning av aksiale krefter.

Utvekslinger

         De første De Laval turbiner gjorde ca. 30.000 omdreininger pr. minutt, og ennu bygges der turbiner av denne type med omdreiningstall som ligger op imot dette, men det er da ikke til drift av propelleraksler direkte. Det lar sig nemlig ikke gjøre å få en brukbar skibspropeller til å gå med et så stort omdreiningstall. Allerede ved ca. 300 omdreininger vil dens virkningsgrad bli så dårlig at man må arrangere sig noget anderledes. Grensen for omdreiningstallet vil dog alltid avhenge av skrogets form. — Skulde man tenke på å utnytte en turbine med ca. 30.000 omdreininger til å drive propelleren med, så måtte der altså skytes inn en utveksling mellem dem på ca. 100, og det vil være vanskelig å opnå. Alle skibsturbiner — altså til drift av propellere, konstrueres derfor nu med et maksimums omdreiningstall på ca. 4.000, og enda blir det da nødvendig å ha en utveksling på 20 á 30 derimellem. — Disse utvekslinger kan være forskjellige. Enten består de helt av tannhjul, altså mekaniske, og det er for tiden det almindeligste, eller utvekslingen foregår hydraulisk eller elektrisk med mer eller mindre benyttelse av tannhjul samtidig

         De hydrauliske utvekslinger er ennu nokså sjeldne, de har vesentlig vært anvendt i krigsskib. Av elektriske utvekslinger finnes derimot adskillige også i handelsskib, både passasjerskib og lastebåter.

         Ved benyttelse av tannhjul alene kan forskjellen i om-dreiningstall mellem 2 aksler være opnådd ved bare et hjul-par, et lite på turbinakselen med sine tenner i direkte inn­grep med et stort hjul på propellerakselen. Man sier da at man har en enkel utveksling. — Settes turbinens omdrei-ningstall til 4000 og propellerakselens til 200, så må der være 20 ganger så mange tenner på det store hjul som det lille, og da dette vanskelig kan gies mindre enn 40 à 50 tenner, så vil det store få ca. 1000 tenner. Det samme fodhold som er mellem tanntallene blir der også på hjuldiametrene, og derav vil det forståes at dette ikke vil gi en praktisk løsning i almindelige lastebåter. Der benyttes så godt som alltid dobbelte utvekslinger, hvor der er innskutt en tredje aksel, . en mellemaksel, og den får da et stort hjul til å gå sammen med turbinakselens lille og ved siden av dette igjen et lite hjul til å gå sammen med propelleraksens store hjul.

— I fig. 175 er vist en liten enkel utveksling, mens fig. 176 viser en dobbelt utveksling. — På disse figurer sees dobbelt sett av hjul på alle aksler. — Det har ikke noget med utvekslingsforholdet å gjøre, men har en annen årsak. For at disse tannhjul, som jo tildels

får ganske store omdreinings-tall samtidig som de overfører store krefter, skal kunne arbeide uten for stor friksjon eller gjøre for meget støi, er alltid tennene lagt på skrå på hjulene, så flere tenner samtidig skal komme i inngrep med hver andre. Dessuten blir alltid disse tenner freset og godt smurt, så de er fine og glatte, men følgen av disse 2 ting er da også, at når det kommer kraft på, så vil der også opstå krefter som vil forsøke å forskyve akslene i sine lengderetninger, og det er for å motvirke dette at der er dobbelt sett hjul med sine tenner i motsatt skråning. — Se figurene. —

Fig. 175. Enkel utveksling

         Ved hydrauliske utvekslinger er prinsippet at turbinen direkte koblet til sin aksel driver en rundgående pumpe av en eller annen konstruksjon, og denne sender så væsken til en langsomtgående vannturbine som står direkte på propellerakselen. — Ved en returledning bringes væsken til å gå tilbake til pumpen, så det blir den samme væske som benyttes om igjen og om igjen i et lukket kretsløp. Når systemet ikke ennu er blitt mer anvendt, er det sikkert fordi det byr på flere tekniske vanskeligheter, blandt annet at det er vanskelig å bygge en roterende pumpe for så stort omdreiningstall som turbinen gjerne har, og likeså en vannturbine med så lite omdreiningstall som propelleren bør ha, når samtidig begge 2 skal få en rimelig virkningsgrad. — Man må da allikevel skyte inn tannhjulsutvekslinger i begge forbindelser.

         Ved elektriske utvekslinger lar man turbinen drive en eller 2 dynamoer direkte koblet til dens aksel. — Disse leverer da elektrisk strøm, og så føres den gjennem kabler til en eller flere elektriske motorer som sitter direkte på propellerakselen eller har tannhjulsutvekslinger imellem.

Fig. 176. Dobbel utveksling

Fig. 177. Figuren viser et arrangement med eget motorrom for el.motorer til fremdrift

— Fig. 177 viser et slikt arrangement. - Motorrummet er helt akterut, og der sitter 2 elektriske motorer merket I og II direkte på akselen (fig. 178), men med en løsbar kobling i mellem. Dette arrangement er valgt, fordi vedkommende skib er bygget for en rute, hvor det til sine tider skal gå med 15 mils fart, mens det til andre tider bare behøver å ha 12 mils fart. — Nu er det vanskelig å bygge en elektrisk motor for 2 så forskjellige kraftutviklinger som der kreves hertil, og dessuten vil man ved å ha 2 motorer alltid ha den ene i reserve, om den andre skulde bli ubrukbar.

Fig. 178 Maskinrumarrangement forstørret

Ved den her valgte ordning har man fått en motor på 2.700 hk for bruk under stor fart og en på 1800 hk for bruk ved mindre fart. - Motorrummet akter og maskinrummet midtskibs er noget forstørret vist i fig. 178. Ved å benytte elektrisk overføring av energien til propellerakselen kan man nemlig også sløife hele akselledningen, om man vil, og dermed hele tunnellen i akterskibet, således som det er gjort her. — I maskinrummet er der opstillet 2 turbiner av Ljungströms prinsipp, som hver især igjen driver 2 dynamoer, en ved hver ende. Den elektriske strøm føres ved kabler til motorrummet akterut. Det kan også ha sin interesse å legge merke til at viften for den kunstige trekk til kjelene suger til sig luften fra dynamoene. Luften i en dynamo vil nemlig alltid bli en del opvarmet, og i stedet for å kaste denne varme lar man den på denne måte komme

Fig. 179 Elektromotor arrangement

trekkluften til kjelen tilgode.

         Et annet arrangement med det elektriske motorrum akterut er vist i fig. 179. Der er også 2 motorer, men de arbeider samtidig inn på propellerakselen med en felles tann-hjulsutveksJing imellem. Ved dette arrangement får man både lettere, og billigere motorer, men en hjulutveksling mer å passe, —

Gangskiftinger.

         Som nevnt under stempelmaskinen blir det også for turbinmaskineriet, at når det benyttes til fremdriftsmaskineri i et skib, så må det være ordnet slik at skibet kan gå begge veier, og dette kan som nevnt opnåes ved å ha gangskiftingsror, vridbare propellerblader eller gangskiftingsgear eller man kan la hele maskinen skifte gangretning

Gangskiftingsror og vridbare propellervinger anvendes bare ved meget små fartøier, derimot er der for turbinskib utført adskillige anlegg hvor gangskiftingen opnådd ved skiftegear.

Fig. 180 Tannhjulsutveksling

I fig 180 er vist en ren tannhjulsutveksling med skiftegear, og gearet er bygget som et kombinert tannhjuls- og lamellegear, og i fig. 181 er vist hvorledes dette gear virker. — Turbinen er også her en Ljungstrøms turbine.

         Noget lignende kan også opnåes ved en hydraulisk utveksling. En vannturbine lar sig bygge for begge dreieretninger, men da må man ved en gangskifting bytte om inn-og avløp, og da dette faller tungvint, benytter man i så fall heller 2 vannturbiner, en for hver dreieretning. Det vil også gi en bedre virkningsgrad for dem begge.

         Har man derimot elektrisk utveksling, så lar gangskiftingen sig ordne meget enkelt, idet elektriske motorer uten vanskelighet lar sig bygge for begge gangretninger uten å tape i virkningsgrad. I en lettvint gangskifting ligger nettop disse anleggs største fordel.

Fig. 181

Fig. 182. Manøverventil

         Det almindeligste ved større turbinmaskinerier er imidlertid ennu å la hele maskineriet skifte dreieretning, men det har vist sig ganske umulig å konstruere dampturbiner hvis dreieretning kan skiftes, og man har derfor måttet gå til å innstallere egne bakkturbiner på samme aksel som forover-turbinen, og gangskiftingen foregår da ved at tilløpet til foroverturbinen stenges, hvorefter tilløpet til akteroverturbinen åpnes. — Dette kan skje med 2 almindelige av hinannen uavhengige ventilratt på manøverplassen, men ofte er det dog innrettet så at det hele kan foregå bare ved ett ratt. Ventilene er da bygget sammen, og åpne- og stengemekanismen utført som i fig. 182 vist, således at man derved formår å stenge den ene ventil før man åpner den andre.

         Et slikt arrangement med dobbelt sett turbiner faller selvfølgelig dyrt, det tar stor plass og veier meget, og for å fådet billigst og lettest mulig blir da akteroverturbinen ofte gjort betydelig mindre enn foroverturbinen, helt ned til 50 %

derav, og da går det naturligvis sterkt ut over skibets bakkeevne. Bakkturbinen må være anbragt i et eget hus som under forovergang kan settes i forbindelse med fortetteren. Derved kommer løpehjulene til å gå i vakum, hvorved de gjør mindre motstand, og de vil ikke gå varme.