Развитие теплоэнергетики

Дизель с исключительным остроумием вышел из казалось бы безвыходного положения. В ноябре 1893 г. он получил новый патент (являющийся дополнением к основному патенту), который предусматривал метод регулирования мощности двигателя «...путем видоизменения характера кривой процесса сгорания...», как это было показано на приложенном к патенту чертеже (рис. 7-26). Из чертежей видно, что стремление увеличить работу цикла привело отходу от изотермы и постепенному приближению к изобаре (горизонтальной линии постоянного давления). При этом, несмотря на снижение давления в конце сжатия с 90 до 35—40 ата, в связи с чем температура в конце сжатия постигала величины 600°С вместо 900°С, температура в конце сгорания повышалась до 1 500° С. Это потребовало интенсивного охлаждения стенок цилиндра.

Упорное    конструирование   нового  двигателя было продолжено. Двигатель 1894 г. мог работать только на холостой  ход. Двигатель 1895 г. с распыливанием керосина от компрессора  и  хорошим .водяным      охлаждением был   первым    опытным двигателем,     способным работать с небольшой нагрузкой. Только в 1896 г. испытание  нового  опытного   образца   принесло успех. Но в этом образце двигателя (рис. 7-27) был сделан   ряд отступлений от принципов, . изложенных в брошюре  Дизеля в 1893 г.: вместо угольной пыли — керосин,    вместо изотермы - изобара, вместо насоса — компрессор, сжатие вместо 90 ата— 35 ата,  вместо   полного отсутствия охлаждения — интенсивное водяное охлаждение.       Испытание опытного       экземпляра 1896 г. было  проведено в начале 1897 г. М. Шредером и показало, что в части  к. п. д. Дизель не достиг своих предположений: индикаторный к. п. д оказался равным 33,4%, что при сравнительно низком механическом к. п. д. (75,0%) давало экономический к. п. д. 25,0%.

В то время к. п. д. лучших газовых двигателей достигали значения 24,0%, но они были связаны с источником, газа (газогенератор, домна) и не могли работать на транспортных установках. Калоризаторные же двигатели низкого сжатия имели к. п. д., не превышавший 16,0%.

Двигатели, построенные то патенту Дизеля на ряде заводов, оказались неудовлетворительными, и потребовалась систематическая я упорная их «доводка». Ведущая роль в этой работе принадлежала Аугсбургскому заводу. Здесь полезно сослаться на указание автора «Истории теплотехники» А. А. Радцига, который очень хорошо подметил характерное изменение условий развития техники в начальный и последующие периоды капиталистической эпохи. Т. Севери, Д. Папен, Т. Ньюкомен являлись людьми, в полной мере реализовавшими свои изобретения. Реализация машины Дж. Уатте уже была бы неосуществима без участия капиталиста и заводчика М. Болтона. Дж. Стефенсон, как позднее и Ч. Парсонс, сами являлись владельцами заводов, на которых они реализовали свои изобретения при помощи большой группы квалифицированных инженеров. В реализации изобретения Р. Дизеля уже произошло характерное для нашего времени разделение функций изобретателя и исполнителя. Последний представляет собой, как правило, большой и высококвалифицированный коллектив, способный развить и реализовать идею изобретения, так как сам изобретатель не имеет возможности это сделать.

После демонстрации на Парижской выставке 1900 г„ двигателя Дизеля, усовершенствованного Аугсбургским заводом и получившего впоследствии название «дизель», ряд заводов начали дизелестроение. Вначале дизели получили распространение для силовых установок небольших заводов и фабрик, но тенденция капиталистической концентрации стала предъявлять требования к повышению их мощности. Завод Зульцера, сконструировав двухтактный двигатель в первом десятилетии XX в., довел его мощность до 2400 эфф. л. с. (рис. 7-28). Кроме Германии, дизели стали строить в Англии, Дании, Австро-Венгрии.

Сам Дизель был вынужден до конца своей жизни (1913 г.) защищать свои патентные права в ряде стран, так как горение при постоянном давлении (правда, без высокого сжатия), к которому он постепенно пришел, было запатентовано рядом изобретателей в разных странах.

Следует отметить, что в отношении внедрения двигателей Дизеля в России сложились очень благоприятные условия, не замедлившие сказаться в ряде отечественных достижений в дизелестроении. Эти благоприятные усло- 
вия заключались в том, что: а) в России, отстававшей в процессе капиталистического развития от многих других стран, были достаточно широко распространены мелкие и средние промышленные предприятия, имевшие 10 – 100 рабочих, для которых дизель был удобным и экономичным двигателем; б) Россия богата ресурсами жидкого горючего, уже широко эксплуатировавшимися в конце XIX в.; в) в области дизелестроения не могла сильно сказаться конкуренция западноевропейских стран, начинавших эту область производства одновременно с Россией; г) в России не было крупных предприятий по выпуску паровых машин, которые из соображений конкуренции могли бы оказывать противодействие развитию дизелестроения.

Перечисленные общие условия отчетливо проявились в конкретной форме, оказавшей стимулирующее действие на изобретателей и конструкторов. Крупнейший нефтепромышленник в России Э. Нобель заплатил за право использования патента и чертежей двигателя Дизеля громадную сумму с тем, чтобы увеличить сбыт нефти и, в связи с этим специализировал свой завод по производству дизелей. Таким образом, ряд технических работников получил непосредственное задание работать в области конструирования двигателя Дизеля и, в частности, решить задачу перехода этого двигателя с керосина на сырую нефть. Эта задача была успешно решена в 1899 г. Нефтяной двигатель был испытан проф. Г. Ф. Деппом и показал расход нефти 240 г на 1 л. с. ч., тогда как нефтяные двигатели с калоризатором потребляли не менее 400 г. Вскоре была осуществлена первая бескрейцкопфная конструкция двигателя с непосредственным соединением поршня двигателя с шейкой кривошипа коренного вала. Эта конструкция уменьшала высоту двигателя, его вес, металлоемкость и вскоре была принята повсеместно.

Особенно много было сделано в России в области конструирования судовых дизелей. Первым дизельным судном в мире явился нефтевоз «Вандал», построенный в 1903 г. Так как двигатель не имел устройства для реверса, установка предусматривала электрическую передачу энергии на гребной вал судна для получения заднего хода; передний ход достигался непосредственным соединением вала двигателя с валом винта. В 1904 г. был спущен на воду второй, улучшенный экземпляр судна под названием «Сармат» с двумя двигателями по 180 л. с, развивавшими 240 об/мин.

Стремление избегнуть сложной электропередачи побудило конструкторов искать способ непосредственного реверсирования двигателя, который был найден и успешно применен к двигателю подводной лодки «Минога» в 1908 г. Опы ты проф. Н. А. Быкова над этим двигателем показали, что он легко реверсировался за 10—12 сек и, кроме того, расходовал только 200 г нефти на 1 л. с. ч.

В 1907 г. на Волге было спущено первое буксирное судно с двигателями Дизеля — «Мысль», впервые получившее быстро привившееся в технической терминологии наименование «теплоход». В 1910 г. дизельными двигателями (2х500 л. с.) были оборудованы первые военные суда — канонерские лодки «Каре» и «Ардаган», а для Амурской речной военной флотилии — серия мощных речных мониторов с восьмицилиндровыми двигателями суммарной мощностью 1 320 эфф. л. с. и электроприводом на гребные винты. С 1911 г. постройкой первого комфортабельного речного пассажирского теплохода «Бородино» был начат регулярный выпуск судов этого типа, в которых была отлично решена задача уравновешивания инерционных усилий в механизмах двигателей.

Работа над двигателями повысила многие их технические показатели; в частности, сильно снизилась металлоемкость двигателей: вес на 1 л. с. развиваемой мощности был снижен с 224 до 20—25 кг.

Кроме завода Нобеля (впоследствии завод «Русский дизель»), построившего в 1910 г. двигателей на суммарную мощность 11 840 л. с, приступили к выпуску дизелей другие заводы страны, среди них такие, как Коломенский, Сормовский, Николаевский и др.

•Многое для разработки конструкций судовых двигателей было сделано на Сормовском заводе. Здесь, в частности, проводились первые опыты по разработке конструкции бескомпрессорного дизеля, предпринятые с 1898 г. Г. В. Тринклером, который ввел так называемую «открытую» форсунку. Эта форсунка была использована Литценмейером при разработке его системы двигателя, выпускавшегося Сормовским заводом под названием «Литценмейер—Сормово». Об этих двигателях Г. В. Тринклер сообщал, что «...Литценмейер создал «средне арифметическое» между моим двигателем и дизелевским. Он взял то, ^что было хорошего у каждого из нас: от меня — открытую форсунку и (ведение топлива в форсунку при всасывающем ходе поршня, от Дизеля — компрессор».

Нельзя не отметить и работы Коломенского завода. Именно здесь °ыли построены упоминавшиеся теплоходы «Мысль», «Бородино» и Многие другие. Именно здесь проф. В. П. Аршаулов разработал систе-■У Уравновешивания для спроектированной им двухвальной установки ^плохода «Бородино», состоявшей из двух шестицилиндровых двига-по 750 эфф. л. с, которые при 240 o6jmuh позволяли судну разевать скорость 25,5 км/ч. Коломенским заводом в 1908 г. был построен -qP^blih морской теплоход — танкер «Дело» с двумя двигателями по gw эфф. _{л с и пе}редачей на винты по системе инж. Р. А. Корейво.

им же выдающимся инженером был разработан и испытан в готовой 
д_в '"Рукции, выполненной на Коломенском заводе, первый опытный 
^пРел ^КТНЫ^ Д^{вигатель со} встречным движением двух поршней. По 
Ре'хт°^{Жению ИНЖ-} Ф^{илиппова} был построен быстроходный четы-

^актный двигатель двойного действия мощностью 550 л. с, отли-

чавшийся высокой быстроходностью (250 об/мин). Этот двигатель явился прототипом последующих двигателей для крупных судов, работающих на гребные винты через электрические передачи.

Николаевский судостроительный завод выпускал двигатели периодически, однако он достиг значительных успехов « освоении мощных машин, например двухтактных шестицилиндровых двигателей по 1 160 эфф. л. с. для морского танкера.

Рижский завод Фельзера, строивший дизели с 1906 г., был в 1915 г. эвакуирован в Нижний Новгород, где он послужил базой для развития современного завода «Двжатель революции».

Харьковский паровозостроительный завод с 1914 г. начал самостоятельное проектирование двигателей, разработав стационарные установки по 800 л. с. при 170 об/мин и быстроходные восьмицилиндровые двигатели для подводных лодок мощностью по 1 320 л. с.

Двигатели типа «Литценмейер — Сормово» строились также в Киеве на заводе Гретер — Криванек и в Москве на заводе бр. Бромлей; двигатели эти получили широкое распространение на мелких предприятиях. После революции завод Бромлей был реорганизован и развился в первоклассный станкостроительный завод «Красный пролетарий».

Значительное распространение в России имели двигатели Ижорско-го завода, двигатели «Русь» Ревельского (ныне Таллин) завода, двигатели «Урсус» Варшавского завода и двигатели некоторых мелких заводов.

Легкие нефтяные бескомпрессорные двигатели транспортного назначения разрабатывались на заводе Я. В. Мамина в г. Балакове на Волге. Я. В. Мамин, ученик изобретателя гусеничного трактора (1388 г.) Ф. А. Блинова явился в России пионером производства тракторных дизелей.

Совершенствование двигателя внутреннего сгорания, разработка двигателей специальных назначений, удовлетворявших ряду новых требований, создали широкую техническую базу для развития двух новых отраслей крупной промышленности: автомобилестроения и самолетостроения. Их возникновение, вызвавшее колоссальный рост потребностей в легком топливе — бензине и увеличение потребности в сырой нефти как топливе военно-морских флотов, создали новое обострение противоречий между империалистическими странами, включив в сферу их экспансии ряд стран,  обладающих  богатыми  месторождениями   нефти.

В России отсталый русский капитализм, несмотря на наличие в стране огромных ресурсов нефти, не смог основать автостроение и самолетостроение; эти отрасли промышленности были созданы и выросли в советское время.

3.5 Возникновение газовой турбины.

Социальный заказ на рассмотренные ранее типы тепловых двигателей исходил из непосредственных нужд производства: паровую машину вызвал к жизни кризис гидроэнергетики, двигатель внутреннего сгорания — кризис ремесленного производства, паровую турбину—интенсификация производственных процессов, породившая быстроходные технологические машины. Последний по времени возникновения тип тепловых двигателей — газовая турбина— привлек к себе внимание ученых и инженеров задолго до того, как проявилась непосредственная потребность в двигателе такого типа. Это обстоятельство объясняется развитием теоретических основ теплотехники и прикладной механики, подсказывавших специалистам возможности получения высокого эффекта от газовой турбины. Из небольшой таблицы отчетливо видно, что газовая турбина освобождается от необходимости ' иметь паровой котел и, используя кинетическую энергию, от неудобств возвратно поступательного движения. Почему же, несмотря на эти преимущества, она явилась последним по времени возникновения тепловым двигателем? Причина состояла в трудностях практического изготовления газовой турбины. Путь от паровой машины (XVIII в.) к двигателю внутреннего сгорания (середина XIX в.), к паровой турбине (конец XIX в.) и, наконец, к газовой турбине (середина XX в.) представлял собой путь от грубого чугунного литья и Уплотнений поршня в виде пропитанной салом пеньковой веревки к станочной обработке и поршневым кольцам, к освоению громадных чисел оборотов и гидродинамической смазке, и, наконец, к небывалым во всей истории теплового Двигателя требованиям к материалу и технологии, которые предъявила газовая турбина. Отсюда - долгий путь доения газовой турбины. Т. Севери соорудил свой насос и поставил его в рудник для практической работы по откачиванию воды. Работоспособной оказалась и первая машина  Д.   Э.   Ленуара, начавшая историю двигателей внутреннего сгорания. Больше труда потребовала в освоении маленькая турбинка Г. П. Лаваля, несмотря на остроумные и оригинальные решения ее автора. Ряд заводов осваивал двигатель Р. Дизеля; Ч. Парсонс с группой своих инженеров и мастеров полтора десятилетия упорно работал над паровой турбиной, прежде чем ее признали лучшим двигателем электростанций. И, наконец, задолго до возникновения непосредственной потребности в газовой турбине многие ученые и инженеры мира трудились над созданием условий для ее построения.

Подобно тому,  как термодинамический цикл паровой турбины отличается от цикла поршневой паровой машины в основном только величиной абсолютного давления конца расширения (0,1—0,2 ата у поршневых машин и 0,04— 0,05 ата у паровых турбин), и цикл газовой турбины отличается от цикла двигателя внутреннего сгорания возможностью вести расширение газа до атмосферного давления (1,0 ата), тогда как поршневые д. в. с. производят выхлоп при давлении, значительно превышающем атмосферное (до 2,5 ата).