Машина-двигатель

От молочного сепаратора к паровой турбине

Идея Герона Александрийского, так же как и проект Джиованни Бранка, к началу XIX века вновь привлекла к себе внимание инженеров и изобретателей. Большинство рабочих машин требовало от двигателя вращательного движения.

Казалось заманчивым попытаться использовать энергию пара для получения механической работы не в поршневой машине, где приходится возвратно-поступательное движение поршней превращать во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма, а в машине-турбине, где пар должен, выходя из котла, сразу создавать вращательное движение рабочего колеса.

Пытались повторять «Геронов шар», используя реактивное действие струи пара, пытались предлагать двигатели, очень напоминающие колесо Бранка, где имеется в виду использование активного действия струи пара, — множество всяких проектов появлялось.

За первые две трети XIX века насчитывают более двухсот предложений паровых турбин. Но ни один проект не мог быть практически осуществлен, — еще не знали, как правильно рассчитывать такие турбины, какие формы придавать лопаткам и каналам, направляющим пар на лопатки. Слишком большие скорости вращения, большие диаметры колес, повышенные требования к материалам затрудняли применение таких двигателей на практике.

Паровая турбина интересовала и русских изобретателей. Одним из первых — в 1806–1813 годах — Поликарп Залесов сооружал на Алтайском Сузунском заводе модели паровых турбин. Однако эти начинания, как и многие другие, не получили нужной поддержки в царской России.

Первой турбиной, которую можно было практически использовать, была турбина, построенная шведским инженером Лавалем в 1890 году.

Карл-Густав-Патрик де Лаваль принадлежал к старинной французской семье, переехавшей в Швецию еще в конце XVI века — в тот темный период, когда господствующие религии не стеснялись огнем и мечом подавлять своих «братьев во Христе», имеющих несколько отличные религиозные взгляды. Учинив невиданную резню в ночь на святого Варфоломея, французские феодалы-католики сломили сопротивление своих религиозных противников — гугенотов. Оставшиеся в живых поспешили покинуть Францию. Так семья Лавалей оказалась в Швеции.

Будущий изобретатель первой промышленной паровой турбины родился в 1845 году.

Лаваль получил хорошее, разностороннее образование, окончив два высших учебных заведения: технологический институт и университет.

Обладая широким техническим кругозором и нужными математическими знаниями, Лаваль с первых же дней своей практической деятельности посвятил себя разработке новых машин и устройств, совершенствующих самые различные области техники.

Интересно отметить, что свои работы по созданию турбины Лаваль начал с конструирования сепаратора молока. Чтобы сообщить сепаратору большую скорость вращения, Лаваль применил способ Герона, — через две отогнутые трубки выходил пар, отчего эти трубки вместе с цилиндром сепаратора быстро вращались.

Далее Лаваль стал совершенствовать турбину и в конце концов отошел от реактивного принципа Герона и построил свою первую промышленную турбину на активном принципе Бранка. Однако, обладая глубокими инженерными знаниями, Лаваль, естественно, не пошел по примитивному пути Бранка.

Рабочее колесо турбины Лаваля с четырьмя пароподводящими трубками — соплами.

Лаваль изучил, как лучше всего направлять пар на лопатки, используя его скорость; он разработал новый вид направляющих трубок-сопел, придав им специальную коническую форму. При таких соплах пар мог выходить на колесо турбины с огромной скоростью, превышающей скорость звука.

Рабочий диск турбины Лаваля имел по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкали четыре неподвижные трубки, по которым пар подводился из котла к лопаткам. Трубки эти и называются «соплами». Выходящий с огромной скоростью (свыше километра в секунду) пар передавал свою кинетическую (скоростную) энергию колесу, заставляя последнее вращаться с большим числом оборотов.

Так, первая турбина Лаваля при мощности в 5 лошадиных сил развивала 30 000 оборотов в минуту.

Паровые поршневые машины давали большие мощности и лучший КПД при более низких оборотах (от 125 до 1500 оборотов в минуту), которые как раз и нужны были для привода рабочих машин. Поэтому первая турбина Лаваля еще не могла с ними конкурировать. Но изобретатель упорно работал над своим двигателем, и через десять лет он уже стал строить турбины до 500 лошадиных сил при 10 000 оборотов в минуту. А чтобы и эти обороты снизить до оборотов рабочих машин, Лаваль пристраивал к своим турбинам редуктора, то есть шестеренчатые передачи, которые постепенно от вала турбины до выходного рабочего вала понижали скорость вращения.

Однако и после этого турбина еще не могла конкурировать с паровой машиной, — одноступенчатая турбина с редуктором была громоздка, дорога и обладала низким КПД.

Итак, Лаваль, начав свои работы с использования реактивного принципа Герона, пришел к конструкции турбины активного действия.

Уясним еще раз, в чем отличие двух этих принципов использования пара в турбине для получения механической работы вращения.

Подойдем к биллиардному столу. Вот игрок нацелился и кием отправил один из шаров так, что тот, быстро разогнавшись, ловко коснулся другого шара. Второй шар, получив толчок, сам покатился. При этом первый шар, отдав часть своей кинетической (скоростной) энергии второму шару, стал замедлять движение. Похожее явление наблюдается и при поступлении пара на лопатки колеса активной турбины. К соплам пар подводится из котла под некоторым давлением. Проходя сопла, пар расширяется в них и приобретает большую скорость. Обладая этой большой скоростью, струя пара, состоящая, в сущности, из множества мельчайших частичек-шариков, встречается с выгнутыми в виде совочков лопатками подвижного колеса. Скользнув вдоль вогнутой поверхности лопаток, струя отдает часть своей кинетической энергии колесу и затем покидает турбину. Вслед за первой струей на лопатки поступит сразу же следующая, и колесо получит непрерывное вращение. Таков принцип работы активной турбины.

…Подойдем теперь к артиллерийскому орудию и проследим, как оно себя ведет в момент выстрела. Вот артиллерист зарядил орудие снарядом, навел его на цель и нажал спускной рычаг. Прогремел выстрел — снаряд устремился вперед. Но и орудие не осталось неподвижным. Вы заметили, как оно вздрогнуло во время выстрела, а затем казенная часть и ствол откатились немного назад по специальным направляющим дорожкам. Взорвавшийся порох стал давить внутри ствола во все стороны. Но снаряд вылетел — и тогда в передней части ствола стенки не оказалось, — газ стал выходить, а в задней части стенка восприняла давление, и орудие откатилось. Получилось впечатление, что газ, вылетая вслед за снарядом, как бы отталкивается от стенки затвора, отводя при этом орудие назад. То есть, происходит примерно так же, как если бы с плота прыгал человек: человек прыгнул бы вперед, а плот оттолкнулся бы назад. Такое действие называется реактивным.

Именно на этом принципе, как вы уже знаете, и работает Геронов шар. Пар, выходя из трубок шара, отталкивает эти трубки, вследствие чего весь шар получает вращение. Но не только Геронов шар, который так и остался игрушкой, но и настоящие двигатели работают на этом принципе.

Совершенствование паровой турбины пошло как по линии использования активного действия пара, так и по линии применения реактивного принципа.

После первых успехов Лаваля турбиной стали заниматься во многих странах, и постепенно, шаг за шагом, инженеры всё больше и больше совершенствовали новый двигатель.

Активная турбина Рато

Среди творцов турбин значительное место принадлежит французскому инженеру и ученому Огюсту Рато.

Огюст Рато родился в 1863 году и так же, как и Лаваль, получил широкое техническое образование, окончив два учебных заведения: Политехническую школу и Высшую горную школу. В 1888 году двадцатипятилетний инженер становится профессором в той же Высшей горной школе, которую он недавно до того окончил. Уже в 1890 году появляются его первые работы по паровым турбинам. В 1900 году на Международном конгрессе по прикладной механике, в Париже, молодой ученый и инженер доложил о предложенной им конструкции активной паровой турбины. Такая турбина уже строилась по чертежам Рато. На Всемирной выставке в Париже в том же 1900 году демонстрировались эти чертежи и даже отдельные части нового двигателя.

Это была многоступенчатая паровая турбина, работающая так же, как и турбина Лаваля, на активном принципе. Лавалю из-за большого числа оборотов рабочего колеса не удалось создать двигатель мощностью больше 500 лошадиных сил. Рато же свою первую многоступенчатую турбину рассчитал на 1000 лошадиных сил. Это стало возможным благодаря тому, что Рато, используя кинетическую энергию пара, не развивал таких огромных оборотов своего вала, как турбина Лаваля.

Как же удалось инженеру Рато обойти основное затруднение, мешавшее турбинам конкурировать с паровыми машинами? В отличие от Лаваля, Рато направил струю пара не на одно рабочее колесо, а на несколько. При этом он заставил пар расширяться постепенно, — так, что скорость струи, поступающей на одно колесо, оказывалась уже не столь высокой.

Чтобы понять этот принцип, обратимся к рисунку. Здесь изображена активная турбина Рато с тремя рабочими колесами, закрепленными на общем валу. Между колесами стоят неподвижные перегородки. Каждое колесо с лопатками вращается в своей отдельной камере. В каждой перегородке имеется направляющий аппарат — ряд сопел, причем, обратите внимание, — в первой перегородке слева сопла менее широкие, чем во второй, а во второй перегородке менее широкие, чем в третьей. Пар из котла подводится в приемную камеру турбины. Этот пар имеет достаточно высокое давление. Проходя через сопла первой перегородки, он несколько расширяется, его давление на какую-то долю уменьшается, а скорость возрастает. С этой скоростью пар и поступает на первое рабочее колесо. Однако первый ряд сопел сделан так, чтобы пар не расширялся полностью, то есть до давления конденсатора, а лишь частично. Поэтому и скорость, которую пар успевает приобрести в первых соплах, не очень велика. А стало быть, и скорость вращения первого колеса окажется значительно меньшей, чем у колеса Лаваля, на которое пар выходил полностью расширившись.

Но означает ли это, что не вся кинетическая энергия, которую мог бы пар передать колесу, здесь используется? Да, если говорить об одном колесе. Но колес в турбине Рато много. На втором ряде сопел пар заставляют дальше расширяться — опять не до конца, а как раз настолько, чтобы на второе колесо выйти с такой же скоростью, как и на первое. С оставшимся давлением пар входит в третий ряд сопел, где в случае турбины, изображенной на рисунке, он уже расширяется до конца, то есть до давления атмосферы или конденсатора. Рассчитаны сопла так, чтобы на все три колеса пар поступал с одинаковой скоростью.

Активная турбина Рато с тремя рабочими колесами.

Таким образом, кинетическая энергия пара развивается не сразу, а как бы по частям. Но так как все три колеса сидят на одном валу, то и части эти складываются, создавая необходимую мощность турбины. Почему размеры сопел от ряда к ряду увеличиваются? Да потому, что пар всё расширяется и расширяется. А следовательно, и путь для него должен становиться всё шире и шире.

Заметим, что на лопатках рабочего колеса никакого изменения давления пара не происходит, — имеет место лишь потеря его скорости.

Турбина, предложенная Рато, совершенствовалась далее другими инженерами. Много улучшений в конструкцию внес швейцарский инженер Целли.

Ступени скорости

Иначе решил задачу совершенствования активной паровой турбины американский инженер Чарльз Кэртис.

В 1900 году, почти одновременно с Рато, Кэртис предложил свою конструкцию. Борясь, так же как и Рато, с недостатками турбины Лаваля и прежде всего с чрезмерно быстрым вращением рабочего вала, Кэртис нашел другой способ снижения этих оборотов. Всю энергию пара в виде его полной кинетической энергии подавать на один ряд рабочих лопаток нельзя. К этому выводу Кэртис пришел так же, как и Рато, детально изучив свойства активной турбины. Но Рато, как мы знаем, предложил постепенно снижать первоначальное давление пара в рядах неподвижных сопел, между которыми вращаются однолопастные рабочие диски, получающие кинетическую энергию по частям. Такую турбину стали называть активной турбиной со ступенями давления.

Кэртис же предложил другую многоступенчатую активную турбину — со ступенями скорости.

В двухступенчатой турбине Кэртиса пар поступает из парового котла в сопловой аппарат. Здесь он сразу, как и в турбине Лаваля, расширяется полностью, то есть до того давления, с которым он покидает турбину. Это означает, что, как и в турбине Лаваля, пар выходит из первого ряда сопел с наибольшей скоростью. Однако здесь вся кинетическая энергия пара, соответствующая этой скорости, не передается только одному ряду лопаток. Кэртис предложил на рабочем колесе турбины располагать два, три или больше рядов лопаток. А между рядами лопаток Кэртис предложил поставить неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара, выходящая с большой скоростью из сопел, встречается сначала с первым рядом лопаток. Затем, не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые ее направляют на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдает второму, и так далее.

В результате оказывается, что пар может передать колесу со многими рядами лопаток ту же энергию, что и колесу с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения колеса, — ведь пар как бы распределил свою энергию одновременно на несколько колес, сидящих на одной оси.

Если вы вспомните, как распределение энергии пара по ступеням происходило в турбине Рато, то вам сразу станет ясно, в чем разница между той турбиной и этой.

Турбина Кэртиса с двумя ступенями скорости.

Рато не давал полностью расшириться пару в первом ряде сопел, — он использовал ступенчатое расширение. Кэртис, наоборот, расширяет пар сразу до нижнего предела давлений и сразу получает наибольшую скорость. Но эту наибольшую скорость он не сразу использует на первом же венце лопаток, — он заставляет скорость снижаться постепенно, ступенями.

Турбины со ступенями скорости начали строиться в Америке. Но вскоре обнаружился их недостаток: они обладали малым коэффициентом полезного действия.

Вскоре инженеры нашли, что одновременное применение и ступеней скорости и ступеней давления имеет особые преимущества. Можно уменьшить общее количество ступеней, если первыми ступенями сделать ступени скорости и на них использовать значительную часть давления. А дальше ступенями давления уже доводить пар до полного расширения.

Этот комбинированный принцип и лег в основу дальнейшего развития паровых турбин.

Однако наряду с активными турбинами получили свое развитие и турбины реактивные.

Реактивная турбина Парсонса

Англичанин Чарльз Парсонс вошел в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа.

Парсонс родился в 1854 году и так же, как Лаваль и Рато, был широко образованным инженером, окончившим один из старейших английских университетов в Кембридже. Не случайно, что новый паровой двигатель создавался не мастерами-самоучками, как паровая машина, а инженерами, обладающими большими теоретическими знаниями.

Это был двигатель более высокого класса. Его создание требовало сложных математических расчетов, требовало применения специальных материалов, требовало точной механической обработки деталей. Новый двигатель можно было создать не случайными техническими находками, а научными изысканиями, последовательно ведущими инженера от одного технического решения к другому.

Новый двигатель создавался на пороге XX века, века быстро развивающейся науки и совершенствующейся техники.

Свою первую небольшую турбину в 6 лошадиных сил Парсонс построил в 1884–1885 годах, несколько раньше Рато. Это была тоже многоступенчатая турбина, но ее принцип действия отличался от принципа Лаваля или Рато, — ее нельзя было считать чисто активной турбиной. Вот посмотрите на рисунок, на котором схематично показаны три ряда лопаток. Пар из котла подводится к первому ряду. Здесь пар, проходя между двумя неподвижными лопатками, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость течения.

Схема реактивной турбины Парсонса.

Однако Парсонс не дает пару в первом же ряде сопел расшириться полностью. Он так же, как и впоследствии Рато, вначале использует только часть давления пара, не доводя скорость истечения из сопла до наибольшей.

«Значит, и у Парсонса были ступени давления?» — спросите вы. Да, были. Но, кроме расширения в неподвижных соплах, Парсонс ввел расширение и в каналах рабочих лопаток.

Если вы внимательно посмотрите на второй ряд лопаток — а это как раз лопатки, сидящие на рабочем колесе, — то вы заметите, что и между ними, так же как и между направляющими лопатками, образуется конический канал-сопло. Значит, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает увеличивать свою скорость и расширяться.

Как же в этом случае пар воздействует на рабочее колесо? Прежде всего, как и в активных турбинах, пар, входя на рабочие лопатки, передает им часть своей кинетической энергии. Но затем, проходя по суживающимся каналам между рабочими лопатками, он, как уже сказано, увеличивает скорость.

Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Теперь обратите внимание на то обстоятельство, что более узкая горловинка канала рабочих лопаток направлена в сторону, обратную вращению.

Когда пар покидает рабочие лопатки с несколько повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей. То есть, создается реактивное действие струи пара. Здесь происходит такое же явление, с которым мы уже знакомились, рассматривая устройство и работу реактивной водяной турбины. Рабочее колесо паровой турбины Парсонса получает дополнительную энергию и от реактивного действия пара.

Далее пар поступает в третий ряд лопаток, — эти лопатки образуют собой новый ряд сопел. Здесь происходит дальнейшее расширение пара. Затем пар поступает на новый ряд рабочих лопаток, и так далее.

Итак, в турбине Парсонса используется не только активный принцип, но и реактивный. Следовало бы эту турбину называть «смешанной», — это было бы правильнее. Однако в технике принято именовать ее турбиной реактивной.

А нельзя ли всё же создать и чисто реактивную турбину? Парсонс пробовал строить и такие турбины. Одну из них он даже назвал «Герон». Эта турбина почти точно воспроизводила принцип шара Герона. Здесь, однако, не было самого шара. Здесь на общем валу сидело несколько дисков, полых внутри. На ободах этих дисков ставились сопла, направленные в сторону, обратную направлению вращения. Пар подводился через канал, просверленный внутри вала, в полость дисков. Оттуда же пар выходил через сопла, заставляя диски вращаться в обратную сторону.

Построив такую турбину, Парсонс убедился в том, что ее коэффициент полезного действия оказывается очень низким, — составляет всего 70 % от коэффициента полезного действия ранее описанной турбины смешанного типа. Это заставило Парсонса больше не возвращаться к идее чистой реактивной турбины и дальнейшие искания направить на создание экономичной, надежной турбины смешанного типа.

Таким образом, турбина Парсонса, получившая название реактивной, на самом деле использует и тот и другой принцип действия паровой струи. Первые турбины Парсонса были еще далеки от совершенства и тоже не могли конкурировать с паровой машиной. Однако Парсонс, так же как и Лаваль, упорно работал над своей турбиной.

Но почему всё же так настойчиво пытались заменить паровую машину турбиной? Ведь к началу XX века паровая машина достигла совершенства и, казалось, удовлетворяла промышленность? Ее мощность была вполне достаточной, чтобы приводить в движение механизмы весьма крупных заводов.

И тут мы снова должны сделать отступление и сказать несколько слов о появившемся к тому времени новом виде энергии — электричестве, с помощью которого стало возможно получать и механическую энергию.

Вторичный двигатель

Русский академик Борис Семенович Якоби в 1834 году построил первый в мире электродвигатель, показав, как можно с помощью электрического тока получать механическую работу вращения.

Паровая машина только начала внедряться в промышленность, а академик Якоби уже предвидел, что она должна уступить свое исключительное место другим двигателям. Он указывал на неоспоримые преимущества нового электрического мотора:

«Механизм мотора весьма несложен, по сравнению с паровой машиной: нет цилиндров, поршней, клапанов… Машина эта даст непрерывное, постоянное, круговое движение, которое гораздо проще преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное движение».

Это было написано в 1835 году. С того времени медленно, но верно стал завоевывать право на жизнь еще один двигатель — электромотор.

Вряд ли кто-либо из читателей этой книги не знаком с электромотором. На уроках физики, вероятно, не раз демонстрировалась эта внешне простая, но очень важная электрическая машина.

Современный электромотор по своему устройству, конечно, отличается от того, что предлагал в свое время Якоби.

Рассмотрим, как работает простейший современный электродвигатель — двигатель постоянного тока.

Схема электромотора постоянного тока.

В каждом электродвигателе имеется неподвижная часть — корпус, или статор, и подвижная, вращающаяся, — ротор.

Статор имеет выступы — полюсы, между которыми вращается ротор. Вокруг полюсов намотана проводящая электричество металлическая проволока в изоляции. Это обмотка статора.

Имеется обмотка и на роторе. Если теперь направить электрический ток и в обмотку статора и в обмотку ротора, то получится следующее.

Из физики известно, что ток, проходя по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле. Значит, такое поле возникнет и вокруг статора и вокруг ротора. Это будет означать, что внутри одного магнита оказался другой. А в этом случае, как известно, магниты будут стремиться встать друг против друга своими разноименными полюсами. Северный полюс ротора устремится к южному полюсу статора — возникнет движение ротора. И это движение будет происходить всё время, пока идет ток по обмоткам, потому что у ротора положение полюсов определяется неподвижными щетками, по которым подводится ток, и такого момента, когда разноименные полюса статора и ротора притянутся, не наступает. Как только один виток обмотки ротора, стоящий возле щеток, повернется, следом за ним подойдет к щеткам другой виток и тоже повернется. Так возникает сила, поворачивающая ротор. Эту силу можно использовать, соединив вал ротора с любой машиной или станком.

Но для того, чтобы электромотор мог вырабатывать механическую энергию и приводить в движение рабочие машины, к нему нужно подвести электрический ток.

К сожалению, электрическая энергия в природе не находится в таком же свободном виде, как энергия воды или ветра, не может быть получена так же легко, как тепловая, путем сжигания топлива. Чтобы вырабатывать электрическую энергию, то есть получать электрический ток, обычно нужны специальные машины. Об этих машинах мы уже говорили в связи с гидротурбинами. Они называются, как нам уже известно, электрогенераторами. Внешне они похожи на электромоторы, только если электромоторы электрическую энергию превращают в механическую энергию вращения, то они, наоборот, механическую энергию вращения превращают в электрическую энергию.

Так, например, двигатель, о котором говорилось выше, можно было бы обратить в электрогенератор следующим образом.

Необходимо было бы по прежнему посылать ток только в обмотку статора. В обмотке ротора же, если ротор чем-либо привести во вращение, появился бы свой электрический ток. Ведь при вращении обмотка ротора пересекала бы магнитное поле статора и, что так же известно из физики, в витках этой обмотки возникал бы электрический ток.

Ток от ротора можно отводить и использовать для любых нужд, в том числе и для питания электродвигателей. Значит, чтобы выработать электрический ток, надо чем-то вращать вал электрогенератора. Полученный электрический ток будет использован в электромоторах, и вновь произойдет превращение электрической энергии в механическую.

Вот и выходит, что электромоторы не «самостоятельные» двигатели. Они именуются двигателями вторичными. Для выработки электрического тока всё равно нужны «первичные» двигатели, которые смогли бы вращать электрогенераторы, то есть нужны двигатели такие, как гидротурбина, паровая машина, паровая турбина или двигатель внутреннего сгорания, о котором будет сказано дальше.

Электромоторы же удобны тем, что, коль скоро электрическую энергию можно передавать по проводам на расстоянии, они могут стоять прямо возле каждого станка или каждой машины. Тут не требуется сложных передач — валов, шкивов, ремней и прочего, — с помощью которых передавалось бы движение на рабочие машины от любых других двигателей.

Способ приводить в движение каждую рабочую машину с помощью своего электромотора инженеры называют «индивидуальным приводом».

Итак, появившийся электромотор требовал создания станций, на которых бы вырабатывался электрический ток. Но, может быть, вам покажется слишком сложной такая комбинация из первичного двигателя, электрогенератора и вторичных двигателей — электромоторов? Быть может, вы считаете, что приводить рабочие машины по-старому, с помощью одного первичного двигателя, всё же проще, удобнее и дешевле?

Но не забудьте, что электрический ток потребовался не только для электромоторов. Ведь с 1875 года, после того, как на лондонской выставке наш русский инженер Павел Николаевич Яблочков продемонстрировал новый источник света — «электрическую свечу», электрическое освещение стало всё шире и шире распространяться по всему миру. Значит, нужно было вырабатывать ток и для освещения.

А потом всё больше и больше электричество стало входить и в промышленность, и в быт, и в транспорт.

Вопрос о создании электростанций с мощными первичными двигателями уже в конце XIX века стал одной из важнейших проблем техники. Электростанции строились в городах, при крупных заводах.

В 1882–1883 годах первая электростанция появилась и в России. Она была размещена на барже и стояла на реке Мойке, в Петербурге. Электрогенераторы приводились в движение шаровыми машинами. Мощность этой станции была всего 150 киловатт (204 лошадиных силы). Более совершенные и мощные электростанции появились в России в 1887–1888 годах.

Основной двигатель тепловых электростанций

Вы уже знаете, что для привода электрических генераторов можно использовать водяные двигатели — гидротурбины. Но нельзя забывать, что электрический ток хоть и можно передавать на расстояние, но не на любое, а на сравнительно небольшое, иначе в проводах будет потеряно много полезной энергии. Кроме того, не на всякой реке выгодно строить гидростанцию, — река должна быть полноводной, требуется водохранилище — озеро, из которого пополнялась бы река в периоды спада воды. Наконец, чтобы построить гидростанцию, надо выполнить большие работы по сооружению плотины, специального здания и так далее. Поэтому вместе с созданием гидростанций с конца XIX века широко развернулось строительство и теплостанций. Даже теперь, когда в нашей стране только за годы советской власти построено и введено в действие 90 гидростанций большой и средней мощности и множество мелких гидростанций, но еще до сих пор 80 % всей электроэнергии вырабатывают у нас тепловые электростанции. На этих электростанциях в качестве первичных двигателей используются двигатели тепловые.

Сначала таким двигателем служила паровая машина. Но вот, на пороге XX века, в 1900 году наступил перелом.

Заводу Парсонса были заказаны две турбины мощностью по 1000 киловатт каждая для электростанции немецкого города Эльберфельда. Этот заказ удивил очень многих, — в новый двигатель не верили; казалось, что паровая машина, проверенная практикой, надежнее.

Парсонс понимал ответственность и постарался особенно тщательно выполнить заказ. И действительно, испытания прошли успешно. Новый двигатель, правда, еще несколько уступал лучшим паровым машинам по экономичности, — он потреблял несколько больше пара на киловатт-час, но для привода электрогенератора оказался очень удобен: вращался равномерно, плавно; легко обслуживался.

С этих пор многие заводы Европы и Америки начали строить паровую турбину, и не прошло десятилетия, как она стала основным двигателем на тепловых электростанциях, крупных военных кораблях и даже на торговых морских судах.

Так, перешагнув порог XX века, паровая машина почти полностью уступила свое место другому паровому двигателю — турбине.

Современная паровая турбина в одном агрегате может развивать мощность до 200 000 и даже до 300 000 киловатт! Ни один поршневой двигатель на такие мощности не строится. И лишь гидравлическая турбина способна соревноваться с нею.

Паровой турбине и в будущем предстоит сыграть немаловажную роль. Она, наряду с газовой турбиной, позволит человеку использовать неисчерпаемый запас энергии, сосредоточенный в атомном ядре.

Современные турбины работают на паре высокой температуры и, значит, высокого давления. Они, как и рекомендовал Карно, используют более горячий «верхний источник тепла». При выходе пара из турбины ставят охлаждаемый водой конденсатор.

Одна из современных паровых турбин.

В директивах XX съезда КПСС по шестому пятилетнему плану имеется специальное указание о том, чтобы советские энергетики всемерно повышали начальные давления и температуру пара. В решениях сказано, чтобы широкое применение нашло паротурбинное оборудование, работающее при давлении пара в 130 атмосфер и температуре 565 °C. Но, кроме этого, директивами устанавливается необходимость освоения еще более высоких значений давления и температур — 220 атмосфер и 600 °C, а один агрегат должен быть введен в действие даже на 300 атмосфер при температуре 650 °C.

Директивами XX съезда дается задание нашей промышленности и по строительству мощных паровых турбин.

В Советском Союзе сейчас изготовляется много паровых турбин. Пока наиболее мощные из них могут развивать 150 тысяч киловатт. По заданию партии советские турбостроители создадут турбины на 200 тысяч и даже на 300 тысяч киловатт.

В шестой пятилетке значительно увеличится и количество выпускаемых нашей промышленностью турбин.

Один только Ленинградский Металлический завод увеличит к 1960 году выпуск турбин по сравнению с 1955 годом на 648 %.

Современная паровая турбина представляет собой сложное сооружение. На изготовление паровых турбин идут особые, жаропрочные металлы. Как выглядит современная паровая турбина? На рисунке (на странице 81) изображена установка с турбиной мощностью около 30 000 киловатт. На валу турбины сидит ряд дисков с рабочими лопатками. Первый слева диск — колесо Кэртиса. Здесь два ряда лопаток на одном диске и направляющие каналы между ними представляют собой ступень скорости. Остальные диски вращаются между перегородками с соплами. Это ступени давления.

Пар поступает к камере, откуда через клапан он может получить доступ к группе сопел на первой стенке корпуса. Таких клапанов несколько. Если не требуется снимать полную мощность с турбины, то часть клапанов закрывают и пар подается на колесо Кэртиса не по всей окружности, а лишь в некоторых пунктах. Потом пар, пройдя ступень скорости, заполняет весь объем цилиндра турбины, постепенно расширяясь и отдавая остальную энергию ступеням давления. Через патрубок отработанный пар уйдет в конденсатор.

На рисунке видно, как размер рабочих дисков и лопаток на них от ступени к ступени увеличивается, обеспечивая нужные проходы для расширяющегося пара.

На рисунке видно и устройство конденсатора. Он представляет собой большой резервуар, через который проходит пучок трубок. Пар из турбины выпускается в резервуар, а по трубкам циркулирует охлаждающая вода. Сконденсировавшийся пар (конденсат) собирается в нижней части резервуара и специальным насосом откачивается снова в паровой котел.

Вал турбины лежит на подшипниках и имеет очень сложные уплотнения по концам, через которые пар не может просочиться вдоль вала.

Регулирование подачи пара клапанами производят автоматически с помощью специального регулятора — вроде уаттовского.

Турбины более высоких мощностей устроены еще сложнее. Самой ответственной деталью турбины является рабочая лопатка. Эти лопатки трудно изготовить, — они имеют очень сложные формы. Их трудно закрепить, — ведь при большой скорости вращения они стремятся оторваться от диска. Наконец, они находятся всё время в контакте с горячим паром и должны быть сделаны из очень прочного, жаростойкого металла.

Таков современный паровой двигатель, являющийся основным первичным двигателем тепловых электростанций.

Но вместе с совершенствованием парового двигателя совершенствовался и паровой котел. Современные котлоагрегаты совсем не похожи на первые паровые котлы Папена или даже более поздние.

Наиболее простой паровой котел — цилиндрический. Он относится к первым образцам котлов, которые стали применяться в промышленных установках прошлого века и применяются кое-где даже сейчас.

Цилиндрический паровой котел.

Его устройство несложно. Огромный цилиндрический резервуар, похожий на железнодорожную цистерну, покоится на кирпичной подушке. Под котлом — топка, где сжигается топливо. От топки внутри кирпичных стенок, окружающих котел, идут каналы, отводящие дым, — дымоход. Сверху к котлу приклепан небольшой резервуар — сухопарник. Здесь скапливается отделяющийся от воды пар и далее отводится через трубу к паровому двигателю. На сухопарнике установлен предохранительный клапан. Он откроется в том случае, если давление пара в котле вдруг поднимется выше допустимого значения. Иначе, без клапана, давлением пара котел может разрушиться. Пополнение новой водой идет через трубку, входящую в котел сверху.

Такой котел был неэкономичным, — много сжигалось топлива и мало образовывалось пара. Кроме того, в таком котле нельзя было получать пар высокого давления, — стенки цилиндра не выдерживали.

Через много усовершенствований прошел котел до наших дней. Одним из наиболее совершенных котлов современных теплоэлектростанций является так называемый прямоточный котел.

Схема прямоточного парового котла.

Здесь нет совсем цилиндра, то есть нет котла в собственном смысле слова. Имеется лишь система змеевиков из труб. Топка — почти всё пространство, в котором размещены змеевики. Форсунки, подающие жидкое топливо, расположены в нижней части левой камеры. Здесь горит топливо. Горячие газы (дым) проходят сначала мимо первого змеевика, затем мимо второго и, наконец, мимо третьего. Затем дым отсасывается прочь специальным вентилятором-дымососом. Вода поступает в змеевик, который омывается газами в последнюю очередь и потому оказывается самым холодным. Здесь вода подогревается. Затем подогретая вода поступает в первый, главный змеевик. Проходя снизу вверх, вода нагревается и к выходу из змеевика превращается в пар. Пар далее попадает в змеевик, где происходит перегрев пара. Перегретый пар направляется к турбине. В такой котел вода подается непрерывно и под большим давлением и нагревается до высокой температуры.

Так создается в современных паросиловых установках пар высокого давления и высокой температуры.

Представим себе, как выглядит вся паросиловая установка современной тепловой электростанции.

Очевидно, пар из котла должен проходить через пароперегреватель и затем поступать в турбину. Из турбины уже отработанный пар попадет в конденсатор. Конденсат, то есть вода, в которую превратился пар, насосом вновь будет подан в котел.

Значит, на всякой теплоэлектростанции есть котел, пароперегреватель, турбина, конденсатор, питательный насос. Как будто бы не так-то и много оборудования. Но это только схема. В действительности современная теплоэлектростанция — это огромный комбинат производственных цехов.

Так, например, чтобы котел бесперебойно снабжать топливом и водой (в конденсат превращается не весь пар — есть утеки, есть отбор пара на отопление и т. д. — приходится восполнять убыль воды), существуют цехи топливоподготовки и водоподготовки. Это большие цехи, оборудованные специальными устройствами.

Большим цехом является и котельный. Современный котел — сложное сооружение. Он имеет много вспомогательных механизмов, управляется автоматически, оборудован сложными приборами. Так, например, котел, снабжающий паром турбину в 200 000 киловатт, должен испарять в час 600–700 тонн воды. Он имеет высоту десятиэтажного дома, и для привода его вспомогательных механизмов требуются электромоторы мощностью в несколько тысяч киловатт. Такие мощности развивали электростанции крупных губернских городов царской России.

Следующий цех — машинный зал. Здесь стоят турбогенераторы со всеми обслуживающими механизмами.

Наконец, последний цех — распределительный. Здесь стоят распределительные щиты, на которые подается ток генераторов и откуда электроэнергия распределяется. Сложная аппаратура, размещенная здесь, помогает четко управлять всей теплоэлектростанцией.

Итак, паровая машина уступила место паровой турбине на электростанциях большой мощности, на мощных кораблях… Но для небольших силовых установок еще нужна и паровая машина. Вот. скажем, паровоз… Его движет паровая машина.

Небольшие установки паровых машин с электрогенераторами очень удобны и в сельском хозяйстве: любое топливо, какое только есть в этом районе, можно сжигать в топке котла и получать электроэнергию.

Время, конечно, принесло изменение в конструкцию паровых машин. Сейчас они строятся быстроходными, работающими на паре повышенной температуры и давления.

Время же призвало к жизни и другие тепловые двигатели, среди которых значительное место заняли двигатели внутреннего сгорания.

Вот к ним-то теперь и перейдем.