Ha már az előző 3 poszt a gőzturbinákkal foglalkozott, ennek szellemében folytatnám a legkedvesebb hajóimmal foglalkozó sorozatot, méghozzá a XIX. század végének egyik legkülönösebb hajójával, amelynél (az ideális férfihez hasonlóan) valóban nem a méret volt a lényeg, hanem ami belül lakozik. (Ígérem, ez volt az első és utolsó ilyen „poén” :D) Mai témánk a világ első gőzturbinás hajója, a Turbinia.

A Turbinia életútjának megismerésénél akarva-akaratlanul „belebotlunk” a gőzturbinák történetébe is, hiszen a kettő úgy fonódik össze technikatörténeti szempontból, mint mondjuk a Kandó-mozdonyok fázisváltóval. Nem igazán lehet anélkül beszélni az egyikről, hogy a másikról ne szólnánk. Bár a vasúti gőzturbinákkal foglalkozó posztban szóba került a hajó, illetve a gőzturbina története, most részletesebben is megismerkedhetünk mindkettővel, ezért ez az írás részben főhajtás a gőzturbina és feltalálója, Charles Algernon Parsons munkássága előtt.

Noha a XIX. század utolsó harmadában bekövetkezett második ipari forradalom már nem elsősorban a gőzgépek forradalmát jelentette, (megjelentek az első belső égésű motorok, illetve a villanymotorok hétköznapi használata is ezektől az időktől kezdődött, noha feltalálásuk már jó fél évszázaddal azelőtt megtörtént), természetesen a gőzgépek területén sem volt elhanyagolható a fejlődés.

Giovanni Branca itáliai feltaláló gőzturbinája a XVII. századból (Forrás: http://home.cogeco.ca/~obosma/brancaturbine.jpg)

Az már a gőzkorszak korai szakaszában világossá vált, hogy a klasszikus dugattyús gőzgépek egyik legnagyobb hátránya az alternáló dugattyú egyenes vonalú mozgását forgómozgássá alakító szerkezetek kellemetlenségei, illetve a működés közben fellépő tömegerők problémája. Már ezekben az időkben is felmerült az igény egy olyan gőzgépre, amely egyrészt nem alternáló, hanem közvetlenül forgó mozgást állít elő, másrészt pedig nem a gőz nyomását, hanem a sebességét használja energiatermelésre, így ezek a problémák megszűnhettek volna. A gőzturbina lényegében ezeket az előnyöket valósította meg. Kifejlesztésére ugyan kísérletek voltak korábban is, de az 1870-es 80-as évek előtt nem foglalkoztak behatóbban ezzel a kérdéssel (vagy csak nem maradt feljegyzés róluk). Részben a felgyorsult világ, részben pedig az akkor elterjedő elektromos hálózatok új hőerőgépek után kiáltottak. Charles Algernon Parsons angol mérnök volt az, aki ezeket a kiáltásokat meghallotta.

Az ír származású Parsons már pályafutása kezdetétől nagy fordulatszámú gőzgépekkel foglalkozott; úgy gondolta, hogy a klasszikus dugattyús gőzgépeket már nem lehet sokáig fejleszteni, a jövőnek új megoldásra van szüksége. Parsons a gőzturbinák tervezése előtt gyorsjárású bolygódugattyús gőzmotorokkal is foglalkozott, amelyek félig már megoldották az alternáló mozgások problémáját.

A dugattyús gépek hátrányaitól nem szenvedő gőzturbinákkal már sok tudós kísérletezett évszázadok óta, de rengeteg problémája volt a korai daraboknak. A lapátozás hatásfoka szörnyű volt, nem lehetett megoldani a kenést, illetve a megfelelő szabályozórendszerek sem álltak még rendelkezésre. A dugattyús gőzgépek akkoriban még a mai szemmel igen rossz (5-6 %-os eredő) hatásfokuk ellenére is jobbak voltak a gőzturbináknál, ráadásul már akkor kb. egy évszázadnyi fejlesztési tapasztalat állt mögöttük.

Parsons 1884-ben jegyeztette be szabadalmát a gőzturbinára (ezt tartjuk a feltalálás időpontjának). Első ilyen gépezete még igen rossz hatásfokkal működött, és a fent említett hátrányokat sem sikerült még teljesen leküzdeni. 5 év alatt azonban Parsons komoly fejlődést ért el a gőzturbinával. Amellett, hogy a kenést, a lapátgondokat és a szabályozást is sikerült megoldani, elkészülhetett az első, generátorral összekötött gőzturbina, az ún. turbógenerátor (vagyis a ma ismert klasszikus hőerőművek első példánya).

Parsons első turbinája 1889-ből. Teljesítménye 11 lóerő, maximális fordulatszáma 18000 fordulat/perc (Forrás: Adrian Osler-John Thompson – Turbinia c. könyv, 3. oldal)

A 8 kW-os (kb. 11 lóerős) gép turbinája hihetetlen 18 000 fordulat/perces fordulatszámmal forgott (a hasonló teljesítményű dugattyús gőzgépek 500-600-at tudtak csak fordulni percenként). A többfokozatú, axiális átömlésű (a gőz a turbinában a tengellyel párhuzamosan áramlik, innen az angol neve: „parallel flow”) gép még mindig igen sok gőzt fogyasztott, de kisebb generátorok meghajtására már ez is alkalmasnak bizonyult. A gőzturbinát igen hamar intézmények és hajók elektromos ellátásra kezdték használni, de ekkor még nem gondoltak nagyobb léptékű alkalmazásra. Leszámítva persze Parsons-t…

Az első turbógenerátor, 1891. A radiális gőzturbinával felszerelt gép Cambridge közvilágításához termelte az áramot, teljesítménye éppen 100 kW (136 LE), fordulatszáma 4800 1/min volt. A gőzturbina 30 évig működött.  (Forrás: http://www.sciencemuseum.org.uk/images/object_images/535x535/10308704.jpg)

…aki már a turbina fejlesztésének kezdetétől fogva egy gőzturbinás hajó megépülését szerette volna elérni (a képen a feltaláló első hajómodellje az 1880-as évek elejéről. Ennek még nem volt köze a Turbinához, sűrített levegővel hajtott turbinával működött). Tudta, hogy az új gőzgép – ha gyermekbetegségeit kiküszöbölik – sokkal hatékonyabb hajtóegysége lehetne a hajóknak. Mivel a gőzturbinák hatásfoka (kondenzátorral felszerelve) többszöröse a dugattyús gőzgépekének, sokkal kevesebb tüzelőanyag is elég nagyteljesítményű erőgépek üzemeléséhez, ez pedig az egy úton több ezer tonna szenet felhasználó nagy óceánjáróknál egyáltalán nem volt mindegy. Ha a szénnek nem kellett annyi hely, több utast és rakományt lehetett szállítani, sőt, a kisebb tömeg miatt gyorsabban (a hajók karcsúbbak is lehettek, ez a kisebb ellenállás miatt újabb megtakarítást jelentett). Ez volt az egyik nagy előny, a másik pedig az, hogy a gőzturbináknak jobb volt a teljesítmény/tömeg aránya, mint a dugattyús gőzgépeknek, tehát ugyanakkora teljesítményt kisebb gépekkel is el lehetett érni.

A feltaláló nem sokkal az első turbina elkészülése után, 1889-ben „kreatív nézetkülönbségek miatt” otthagyta munkahelyét a turbinagyártó Clark, Chapman & Co. cégnél. Ezzel az volt csak a probléma, hogy az axiális turbinák szabadalma a cég nevére volt bejegyezve, így Parsons nem foglalkozhatott tovább ilyen gépekkel; innentől kezdve a turbógépek másik nagy típusát, a radiális átömlésű gőzturbinákat kezdte továbbfejleszteni. A radiálturbinák (amelyeknél a gőz a turbinatengelyre merőlegesen, sugárirányban áramlik) kevésbé voltak alkalmasak hajók főgépének, de nem volt mit tenni (a képen az egyik Parsons-féle radiálturbina).

1894 januárjában Parsons megalapította a Marine Steam Turbine Co.-t, ezzel együtt megvásárolta az axiális turbinák szabadalmi jogát korábbi munkaadójától, tehát elhárultak a jogi akadályok a gőzturbinás hajó megépülése elől. A jogi akadályok.

Parsons új hajójának eredetileg a prototípusoknál szokásos, halál unalmas nevet adtak: Experimental Launch (le lehet fordítani „kísérleti vízrebocsátás”-ra, de az milyen már…). Parsons javaslatára ezt hamar megváltoztatták, az új név Turbinia lett. Azért ez jobban hangzik, igaz? :)

A Turbinia eredeti tervei 1894-ből. Bocs a rossz minőségért :) (Forrás: Adrian Osler-John Thompson – Turbinia c. könyv)

Mivel a hajó kísérleti járműnek készült, nem kellett nagynak lennie, ráadásul a várható óriási sebesség miatt a Turbinia formája is különbözött a kortárs hajóktól. A Turbinia hajóteste (hosszúság, szélesség, magasság: 100 láb x 8 láb x 5 láb 7,5 hüvelyk, méterben kifejezve 30,5 x 2,4 x 1,8) meglehetősen "agárszerűre" lett tervezve, a merülés is mindössze 90 centi volt (a hajósok a „Sea Greyhound”, azaz a "tengeri agár" becenevet adták neki. Bár tudtommal ezt a nevet a Mauretania és a Lusitania is megkapta). A Turbinia ugyan hosszra kb. egy ligában játszott a balatoni hajózásban ismert motorhajókkal, mint a Hévíz vagy a Keszthely, sokkal-sokkal karcsúbb volt náluk, magassága és merülése is jóval kisebb, (az általam sokat használt, Fonyód és Badacsony között közlekedő Füred katamarán alatt pedig kis túlzással talán át is tudott volna hajózni :) ).

Ezen a képen látszik, mennyire karcsú (felülről szinte kajakszerű) volt a Turbinia. A hajó hossz/szélesség aránya közel 13 volt (Lusitania: 9, Titanic: 9,5, Queen Mary 2: 8,5) (Forrás: http://user29269.vs.easily.co.uk/TurbiniaPlan.jpg)

Írtam ugye, hogy jogi akadályok már nem voltak, műszaki nehézségek viszont bőven akadtak. A hatalmas fordulatszámokhoz új hajócsavarformákat kellett kitalálni, és tervezni, emellett a kondenzátoroknak is helyet kellett szorítani a kicsi hajón (utóbbi miatt a szélességet 1 lábbal, azaz 30 centivel megnövelték).

A Turbinia "felszeletelve" (a kép az 1897-es állapotot mutatja) Forrás: http://www.dkimages.com/discover/Projects/KI758/previews/511667.JPG

A tesztek előtt egy 2 láb hosszú, gumiszalag-meghajtású modellt is építettek, ezt pedig egy 6 láb hosszú, már teljesen funkcionális (mini-gőzturbinás) példány követte. Parsonsék ezzel a nagy fordulatszámú hajócsavarok várható viselkedését próbálták megjósolni, amihez igen pontos modellekkel kellett dolgozni (közel egy évszázaddal később az Admiralitás megismételte a kísérletet, de most már számítógépek segítségével értékelte ki az adatokat: ugyanazokat az eredményeket kapta, mint Parsons, miközben ő egyszerű empirikus úton, modern műszerek nélkül dolgozott).

A Turbina modellje (ez nem az eredeti) (Forrás: http://www.soue.org.uk/souenews/issue8/turbinia1.jpg)

A Turbiniába eredetileg 1000 lóerős gőzturbinát akartak szerelni (ez volt a számítással meghatározott minimális teljesítmény, pontosabban 960 LE), de végül egy 1500 lóerős radiálturbina mellett döntöttek. Ez az altípus ugyan kevésbé volt alkalmas hajózásra, mint az axiálturbinák, de Parsonsnak ez utóbbiból 1894-ben még nem volt készen olyan változata, amely befért volna egy ilyen kicsi hajótestbe ekkora teljesítmény mellett. A gőznyomás 14 bar volt a kazánban, és 12 bar a turbina első fokozatán. A Turbinia nem használt különleges tüzelőanyagot, szénnel üzemelt, mint a hagyományos gőzhajók.

A Turbinia első gőzturbinája Forrás: http://www.dkimages.com/discover/Projects/KI758/previews/512138.JPG

A turbina a hajócsavar(oka)t áttétel nélkül forgatta. Mivel a maximális gépfordulatszám elérte a percenkénti 2000-et, a hajócsavarok is ennyit forogtak. Ez iszonyatosan nagy fordulatszámnak számított, a korabeli gőzhajók csavarjai néhány tucatszor fordultak körbe percenként (persze ez nem teljesen igazságos összehasonlítás: azok sokkal nagyobbak is voltak). Mivel a tömegcsökkentés igen fontos volt, a keskeny hajótestet mindössze 1/16 hüvelykes, azaz kb. 1,5 milliméter vastag acéllemezekből építették össze (a hajófenék 3/16 hüvelykes lemezekből állt). A Turbinia tömege mindössze 44 tonna volt, ennél sok hasonló teljesítményű hajónak csak a gépei többet nyomtak.

Az előző hajós posztban bemutatott SS Great Eastern-nel ellentétben a Turbinia vízrebocsátását nem kísérte különösebb médiafigyelem, ahogy a megépülését sem (hiszen kísérleti példány volt, nem egy hatalmas óceánjáró). A hajót 1894. augusztus 2-án bocsátották vízre. Nem harsantak trombiták, nem szóltak fanfárok, nem volt tömeg. „A jövő elkezdődött.” :)

Parsons a "hídon" (Forrás: http://www.twmuseums.org.uk/engage/blog/wp-content/uploads/2013/06/Parsonsengcab1blog1.jpg)

A hajócsavarok igen sok problémát okoztak, rengeteget kellett variálni az alkalmazott propellerek számán, átmérőjén és emelkedésén. De tényleg rengeteget. Eredetileg egy darab négylapátos hajócsavart alkalmaztak, azonban nagy fordulatszámoknál (1500 1/min felett) a propeller hatásfoka 50 % alá esett. Ez annyira rossz volt (a jó hajócsavarok hatásfoka 90 % körüli), hogy Parsons először arra gyanakodott, hogy a turbina nem működik megfelelően. Hét különböző propeller kipróbálása után a turbinatengelyre egy dinamométert szereltek, amelynek segítségével ki lehetett számolni a leadott teljesítményt. A mérő azonban azt mutatta, hogy a gép rendesen működik, tehát a hajócsavaroknál kellett keresni az elveszett teljesítményt. Ezután még kilenc különböző hajócsavar-elrendezéssel is elvégezték a teszteket. Az eredmény kiborító volt. A legjobb (jobban mondva: legkevésbé rossz) eredményeket akkor mérték, amikor a hajó három darab háromlevelű, közös tengelyre szerelt hajócsavarral haladt. A csavarok közül kettő 22-, egy pedig 20 hüvelyk átmérőjű volt (átszámítva 51, ill. 56 cm; látható tehát, hogy a hajócsavarok sem voltak nagyok, kb., mint egy régi Swift kereke vagy egy hagyományos szobai ventilátor), emelkedésük szintén 22, ill. 20 hüvelyk (az emelkedés megmutatja, hogy a hajócsavar egy fordulat alatt mennyit halad előre vagy hátra a vízben. Az emelkedés és a fordulatszám szorzata megadja az elméletileg elérhető legnagyobb sebességet, a valódi és az elméleti sebesség hányadosa pedig a csavar hatásfokát.). Még ez a konfiguráció is alig több mint 60 %-os hatásfokot tudott elérni. A Turbinia maximális sebessége így 19 ¾ csomó volt (36,5 km/h), messze a várakozások alatt.

Parsons a rossz eredmények mögött egy addig a műszaki gyakorlatban nemigen tapasztalt (de már ismert) jelenséget sejtett: a kavitációt.

Kavitáló hajócsavar (Forrás: http://archive.nrc-cnrc.gc.ca/obj/nrc-cnrc/images/multimedia/picture/images/html/nrc-iot_cavitation_2-lr.jpg)

Hát igen, elkerülhetetlen, hogy az események megértése érdekében ne merüljünk bele valamennyire ebbe a(z egyébként nagyon érdekes) jelenségbe :). A kavitáció (a latin eredetű szó magyar jelentése "üregesedés") egy természeti jelenség, amely főleg nagy sebességgel áramló rendszerekben jön létre. Ilyenkor a folyadékban (az egyszerűség kedvéért legyen víz) gyorsan mozgó testnél (ez pedig legyen egy hajócsavar lapátja) előfordulhat, hogy a víz „nem tudja követni” a lapátot, és valósággal leszakad a felületéről, emiatt a kettő között egy (nagyon) kis nyomású tér jön létre.

A kavitációs gőzbuborék összeroppanása (Forrás: http://eswt.net/wp-content/uploads/2011/10/cavitation.gif)

Mivel ilyenkor a két felület nem érintkezik egymással, a hajócsavar nem tud vonóerőt kifejteni, ezért hatásfoka romlik. És ez még a kisebb probléma, ugyanis a felületek közötti kisnyomású térben kicsi (1-2 milliméteres) gőzbuborékok keletkeznek a vízből (mivel vákuumban a forráspont annyira leesik, hogy a hideg víz is gőzzé alakulhat!). Ezek a buborékok – amint újra nagynyomású tartományokba érnek – azonnal összeroppannak, és ez az összeroppanás – ha a hajócsavar felületén megy végbe – tönkreteszi, gyakorlatilag „megeszi” a legkeményebb ötvözetből készült lapátokat is.

Kavitáció által megrongált hajócsavarlapát (Forrás: http://ebooks.adelaide.edu.au/b/bragg/william_henry/nature-of-things/plates/plate9a.jpg)

Maga a kavitáció ellen nincs orvosság, kialakulása ellen viszont lehet tenni: csökkenteni kell az áramlási sebességet, vagy a hajócsavar áramlási profilját kell megváltoztatni. A jelenséget jellegzetes pattogó, ropogó hang is kíséri. A kavitáció amúgy nemcsak az őrülten forgó hajócsavaroknál fordul elő; mivel már 4-5 bar nyomáskülönbség is előidézheti, akár egy kerti slagnál vagy a kézi autómosó szórófejénél is felléphet (ez okozza azt a jellegzetes pattogást, ropogást, amikor elindul a mosó). Az alábbi videón 1:40-től stroboszkóppal figyelik meg a kialakuló kavitációt.

Parsons a jelenség megfigyelésére elkészíttette a világ első ún. kavitációs csatornáját, (cavitation tunnel) egy olyan víztartályt, amelybe bele lehetett helyezni a hajócsavarokat, és a kialakuló áramlásleválásokat le lehetett fényképezni. Ilyet senki nem csinált azelőtt, a feltalálónak ezért nemcsak a gőzturbinák feltalálását köszönhetjük, hanem a kavitációs kísérletek megszületését is (ma ugyanis sok területen egyenesen hasznossá tették ezt a jelenséget).

A Turbinia új hajtóegysége egy háromtengelyes, 2100 lóerős axiálturbina volt. A képen a hajó gépészeti elrendezése felülről, és a hajó tatja felől nézve (itt még három hajócsavarral). (Forrás: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/38/The_Steam_Turbine,_1911_-_Figs_30-31_-_General_arrangement_of_Turbines_in_Series_in_the_%22Turbinia%22.png)

1896-ban az 1500 lóerős radiálturbinát egy háromtengelyű (magas, közepes és alacsonynyomású házzal felszerelt) axiális átömlésű, 2100 lóerő teljesítményű turbinára cserélték. A kavitációs jelenségek elkerülése érdekében Parsons növelni kívánta a hajócsavarok összfelületét (így kisebb nyomáskülönbség alakul ki). Ezt úgy oldotta meg, hogy a propellereket (több próbálkozás tapasztalatai nyomán) kisebb átmérőjű (18 hüvelyk), de nagyobb emelkedésű (24 hüvelyk) háromlevelű darabokra cserélte (az emelkedést a nagyobb teljesítmény miatt lehetett növelni). Az új hajócsavarokból - mivel felületük egyenként kisebb volt - minden tengelyre 3 darabot szereltetett (ez hozta a legjobb eredményeket), így a Turbiniát összesen 9 csavar hajtotta!

A leghíresebb, 3 x 3 csavaros elrendezés. A Turbinia élete során több tucat propellertípussal és elrendezéssel közlekedett, de a nagy áttörést a 9 darab háromlevelű, 18 hüvelyk (46 cm) átmérőjű, 24 hüvelykes (61 cm) emelkedésű bronz hajócsavarok hozták meg neki (Forrás: http://mw2.google.com/mw-panoramio/photos/medium/12027031.jpg)

Ezzel a konfigurációval a Turbinia meghozta a várt áttörést; már az első teszteken Parsons minden várakozását felülmúló 29,6 csomós (55 km/h!) sebességet ért el 1896 decemberében. Pár hónapra rá (néhány finomhangolás és új hajócsavarok felszerelése nyomán) a hajó már 32,6 csomóval (60 km/h) is tudott haladni, 1897 áprilisában pedig 34 csomót (63 km/h) mértek!

Próba a Tyne-folyón (Forrás: http://www.twmuseums.org.uk/engage/blog/wp-content/uploads/2013/06/Turbiniariverblog.jpg)

A gőzturbina ezzel nemcsak azt bizonyította be, hogy a gyakorlatban is van helye a vízi közlekedésben, hanem azt is, hogy sokkal jobb a hagyományos gőzgépeknél. Az igazi sikerhez azonban még hátravolt a legnehezebb: az emberekkel, a döntéshozókkal elfogadtatni. Parsons nem is akármilyen módját választotta ennek az elfogadtatásnak…

A következő részben megismerhetjük a Turbinia életútját: a híres Gyémánt Jubileumi „debütálástól” kezdve a gőzturbinát népszerűsítő bemutatókon keresztül a sajnálatos balesetét követő leállításig, és az azt követő időkig. Meglátjuk, hogy sikerült ezzel a kicsi hajóval elérni, hogy a gőzturbinák lényegében szempillantás alatt iszonytató sikerre tegyenek szert a vízi közlekedésben (és az energiatermelésben). Remélhetőleg a hétvégén elkészülök vele :)!

Forrás:

Adrian Osler-John Thompson – Turbinia c. könyv (Tyne and Wear City Council Museum, 1981)

http://www.balatonihajok.hu/hajo/fured

http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/energyhall/page164.asp

http://esemenyhorizont.uw.hu/2005/kavitac.html

http://laolaimuv.wordpress.com/2013/04/03/sir-charles-algernon-parsons/

További képek forrása:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e9/Turbinia_At_Speed.jpg

http://www-g.eng.cam.ac.uk/125/1875-1900/images/parsons.jpg

http://farm3.staticflickr.com/2359/2532218280_d02e7072df_s.jpg

http://www.battleships-cruisers.co.uk/images/turbinia.jpg