Развитие теплоэнергетики

Применение для охлаждения пара соленой забортной воды сделало неудобным устройство смесительных конденсаторов из-за невозможности использования конденсата для питания котлов. Вследствие этого для судовых установок прежде всего начали разрабатываться поверхностные конденсаторы, получившие в наше время широкое применение в конденсационных паротурбинных установках.

С 80-х годов XIX в. для судовых паросиловых установок начали строить машины тройного расширения (рис. 7-14) с применением более высоких давлений пара (до 14 атм); эти машины дают наиболее равномерный крутящий момент на коренном валу. С ростом moihhoct (12 500 л. с. на пароходах «Кампания» и «Лукания», 1892—1893 гг., 14 000 л. с. на пароходе «Император Вильгельм», 1897 г., 17 500 л. с. на пароходе «Дойчланд» 1900 г.) стали разделять у машин тройного расширения отдельные цилиндры (ЦВД или ЦНД) на два, достигая максимума уравновешивания громадных движущихся частей машины. Так, машина 17 500 л. с. — последний крупный судовой поршневой двигатель — имела шесть цилиндров: два ЦВД диаметром по 930 мм, расположенные над двумя ЦНД диаметром по 2 700 мм; между ними располагались два ЦСД с диаметрами 1 870 и 2 640 мм. Общий ход поршня был равен 1 850 мм. Четырехколенчатый вал машины имел внешний диаметр 635 мм, диаметр шеек 255 мм и весил больше 100 т.

Применение перегретого пара.

Большое значение для повышения экономичности паровых машин имело введение перегретого пара. После своих опытов над перегретым паром в 1857 г. Г. А. Гирн писал: «...в более или менее близком будущем, когда в технической механике здравый дух прогресса восторжествует над рутиной, перегретый пар заменит, несомненно, насыщенный везде, где дело будет идти о получении дешевой энергии». В 1886 г. во 2-м издании своей «Термодинамики» Г. А. Цейнер. во многом расходившийся с Гирном, вполне соглашался с ним в вопросе применения перегретого пара. Он писал: «...наблюдения и опыты (между которыми высшее место занимают известные прекрасные опыты Гирна) показывают, что паровые машины с перегретым паром будут все более и более применяться в виду тех выгод, которые они представляют в отношении расхода топлива».

Однако внедрение пароперегрева встречало большие трудности. Если относительно невысокий перегрев не представлял особых затруднений при введении пароперегревателей в газоходы паровых котлов, то трудности его использования в цилиндрах паровых машин оказались более значительными. Эти трудности заключались в том, что смазка и уплотнения, хорошо зарекомендовавшие себя при использовании насыщенного пара, не выдерживали перегретого пара. Далее, перегретый пар вызывал коробление плоских золотников, особенно двойных, широко применявшихся в регулируемых машинах, приводил к заклиниванию или пропускам в крановых распределительных механизмах. Нужна была длительная работа по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, по освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, по конструированию новых типов уплотнений, в частности уплотнений с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому до 200—250° С. В 1892 г. немецкий инженер В. Шмидт сделал смелое предложение о Повышении температуры перегрева сразу на 100° С (до 350° С вместо достигнутого в практике максимального значения 250°С). Для этого ему пришлось внести ряд конструктивных изменений в его машину (рис. 7-15): использовать цилиндрические золотники, расположенные в зоне высоких температур — головке цилиндра, и совершенно обойти вопрос об уплотнении штока путем применения двухцилиндровой машины простого расширения с непосредственным соединением поршня, имеющего форму стакана, с шейкой кривошипа посредством шатуна.

Прямоточная паровая машина.

Последним крупным шагом в развитии паровых поршневых двигателей явилось   изобретение   «прямоточной» каровой машины (рис. 7-16). Это изобретение было сделано немецким профессором Штумпфом в 1908 г., когда паровая машина должна была бороться за теряемую ею монополию в связи с внедрением паровых турбин и двигатели Дизеля. Как видно из схемы, у этой машины в отличие от обычных пар выпускался из цилиндра через широкое выходное сечение (ряд окон, расположенных по окружности  посредине цилиндра и открываемых кромкой бочкообразного поршня). Свободный выход пара позволял прямоточной   машине   работать с  более  глубоким  (до 0,075 ата)  вакуумом, чем у обычных  машин  (порядка 0,2 ата), что в сочетании с возможностью высокого сжатия значительно сокращало расход пара. Меньшее значение имел принцип прямоточности в силу применения высокого перегрева пара (до 330°С перед впускным клапаном), малых вредных пространств и значительного числа оборотов. Расход пара составлял 4,6 кГ/инд. л. с. ч. Прямоточный принцип был использован в ЦНД «полупрямоточных» судовых машин двойного расширения, для того чтобы получить возможность работать на более глубокий вакуум.

Паровые машины для привода электрогенераторов.

Чтобы   больше   не   возвращаться к паровым  машинам,   утратившим свое место и значение в энергетике, следует, несколько забегая вперед, остановиться на последнем этапе их развития, когда паровые машины начали применяться в качестве двигателя электрогенераторов электрических станций (с 80—90-х годов XIX в. по 10-е годы XX в.).

Генератор электрического тока предъявил к первичному двигателю требования, заключавшиеся в большом числе оборотов, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности. Последнее требование однозначно решило борьбу в пользу паровой турбины, мощность которой в 20-х годах XX в. достигла 20 000 кет. В агрегатах до 2 000 л. с. использовалась паровая машина, и в указанный период конструкторы паровых машин решали проблемы быстроходности и равномерности.

Решение проблемы быстроходности свелось к применению вертикальных многоцилиндровых машин тройного расширения (см. рис. 7-14). Достигнутые максимальные показатели такого рода машин были таковы: вертикальная машина тройного расширения завода Делоне-Бельвиль мощностью 1 750 л. с. с числом оборотов 250; вертикальная машина тройного расширения (четыре цилиндра) завода Борзиг мощностью 2 200 л. с. с числом оборотов 83,5. При этом следует отметить, что чем больше мощность машины, тем труднее сделать ее быстроходной вследствие увеличения инерции больших движущихся масс.

Возможности горизонтальных машин были еще меньше. Так, четырехцилиндровая горизонтальная машина тройного расширения Аугсбургского завода мощностью 1 900 л. с. развивала только 72 об/мин.

Большая работа была проведена по расчету и конструированию регулирующих систем, подготовившая базу для регулирования более сложных паровых турбин. Центробежные регуляторы, применявшиеся со времен Уатта, получили дальнейшее развитие в связи с предложением схемы ре-регулирования с обратной связью (Фарко, 1873 г.) и теоретической разработкой регуляторов прямого и непрямого действий (И. А. Вышнеградский, 1878 г.). Увеличение мощности машин потребовало увеличения мощности регулятора, а позднее — введения непрямого регулирования. В так называемых «плоских» регуляторах был использован инерционный принцип, получивший широкое распространение в последних моделях быстроходных машин, предназначавшихся для привода электрических генераторов.

Приведенные пределы технических возможностей поршневого парового двигателя — паровой машины,— являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX в., показывают, что эти возможности не соответствовали потребностям, возникшим в конце ХIХ в.

Новые потребности привели в конечном счете к началу развития нового теплового двигателя — паровой турбины.

3.3 Возникновение паровой турбины.

Первые опыты построения паровых турбин.

Возникновение    и    последующее внедрение в производство новой техники   всецело   определяются   острой потребностью в ней, когда существующая техника перестает удовлетворять новые нужды, возникающие в производстве. Потребность в паровой турбине возникла в промышленности в связи с начавшимся применением рабочих машин, обладающих высокой скоростью вращения: дисковых шил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов сепараторов, наконец, генераторов электрического тока. 

Ряд попыток построения паровых турбин, основанных на реактивном принципе, показанном еще Героном в его «эолипиле», начался в 1791 г. (Садлер) и продолжался до 1837 г. (Жакме). Опыты Сен-Венана и Вантцеля над истечением пара показали, что имелись большие трудности в осуществлении паровой турбины, связанные с высокими скоростями пара. Открытое на основе эксплуатации гидравлических турбин рациональное отношение между скоростями движущей среды и воспринимающей работу лопатки показало, что паровая турбина может эффективно работать только при очень больших числах оборотов.

В опубликованной в 1853 г. работе Делоншана указывалось, что «...пар, как бы ни было мало его давление, имеет чрезвычайно большую скорость при истечении из сосуда, в котором он заключался. Для того чтобы дать хороший к. п. д., скорость на окружности колеса, приводимого в движение паром, не должна быть меньше половины скорости пара, и это обстоятельство мешало до сих пор употреблению реактивных колес. Действительно, водяной пар при 5 атмосферах начального давления вытекает в воздух со скоростью 500 м/сек. Колесо, которое этим паром приводится в движение, должно иметь скорость на окружности около 300 м/сек. Следовательно, если диаметр этого колеса был бы равен 0,95 л, то оно должно было бы делать 6 000 об/мин и ось этого колеса при каком угодно диаметре вращалась бы с такой быстротой, какой не могли бы выдержать никакие подшипники, так как они загорелись бы через короткий промежуток времени».

Таким образом, перед изобретателями паровых турбин намечались два возможных пути: изыскание способов снижения числа оборотов паровых турбин без потери к. п. д. и разработка конструкций, способных работать с большим (несколько тысяч в минуту) числом оборотов.

Первое направление в принципе было намечено Леруа еще в 1840 г. Оно заключалось в применении многоступенчатой турбины. Более отчетливо принцип многоступенчаты турбин в качестве метода снижения числа оборотов был высказан в записке Турнера, рассмотренной в 1853 г. на заседании Парижской академии наук.

«Упругие жидкости, — писал Турнер,— (т. е. газы и пары) приобретают громадные скорости даже при слабых давлениях. Чтобы надлежащим способом использовать эти скорости на простых колесах, аналогичных водяным турбинам, нужно было бы допустить чрезвычайно большие скорости вращения и сделать очень маленькими площадки для прохода даже большого количества пара. Можно избегнуть этих трудностей, заставляя газ или пар терять свое давление или постепенно, или сразу отдельными, частями и действовать несколько раз на лопатки паровых турбин, размешенные соответствующим образом.

Если разность давлений велика (как это имеет место в паровой машине), то станет ясно, что нужно иметь большое, число турбин для достаточного уменьшения скорости рабочей жидкости. Легкость и небольшие размеры движущихся частей позволяют притом допускать скорости вращения, значительно большие по сравнению со скоростями обыкновенных машин».

На схеме конструкции, предложенной Турнером (рис. 7-17), видна проточная часть (пар идет сверху вниз) с четырьмя рядами сопел (К, Н, I) и четырьмя рядами рабочих лопаток.

Кроме Турнера, многоступенчатый принцип был предложен рядом изобретателей (Жирар, 1855 г., Перриго и Фарко 1864 г., Эдвардс, 1871 г. - и многие другие). Все увеличивающееся количество различных конструкций паровых турбин, разработанных в течение второй половины XIX в., свидетельствует о возникновении и постепенном обострении противоречия между тихоходной паровой машиной и растущим паркам быстроходных рабочих машин. Изобретателям был дан специальный заказ на новый двигатель. Однако достаточную остроту этот заказ приобрел только в 80-х и 90-х годах XIX в. До этого применение паровых турбин носило единичный характер. В 30-х годах XIX в. в г. Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Эти турбины представляли собой модификацию «эолипила» Герона, и громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. В 50-х годах в Англии для подобных же целей была применена турбина Шиле кустарного изготовления. В 1869 г. У. Горман получил патент на турбину, которая согласно указанию У. Ренкина была применена в Глазго на лесопильне.

Подлинный стимул к развитию паровых турбин возник с началом электроэнергетики, хотя ряд принципиальных вопросов турбостроения был поставлен и в частной форме разрешен еще ранее в трудах шведского инженера Густава Патрика Лаваля, Лаваль был сторонником интенсификации техники, в частности увеличения числа оборотов технических агрегатов; большое число оборотов (6 000—7 000 в минуту) было успешно использовано им в конструкции первого сепаратора непрерывного действия, запатентованного им в 1878 г. Для непосредственного привода своего сепаратора Лаваль в 1883 г. предложил сначала использование простейшей турбины в виде героновского еолипила. Стремясь повысить к. п. д. турбины, Лаваль в 1889 г. изобрел расширяющееся сопло, носящее и поныне его имя и позволяющее понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость. Сопло Лаваля предоставило возможность повышать начальное давление пара, что увеличивает экономичность парового двигателя.

Пойдя по пути освоения высоких скоростей, Лаваль осуществил активную одновенечную турбину, срабатывавшую скоростную энергию пара на одном рабочем колесе, которое вращалось с громадным числом оборотов (порядка 30 000 в минуту). В процессе конструирования такой турбины Лаваль должен был решить ряд сложнейших проблем (рис. 7-18). Это проблемы: расширяющегося сопла; гибкого вала; турбинного колеса — диска в форме тела равного сопротивления инерционным силам, возникающим при громадном числе оборотов; подшипников гибкого вала, получивших шаровую опору; специальных материалов (им впервые применена была никелевая сталь для лопаток дисков); автоматического останова турбины при переходе за допускаемую предельную скорость вращения (решенного им в виде «разрушителя вакуума»), наконец проблема редуктора в виде механического зубчатого зацепления пары колес с шевронными геликоидальными зубцами.

Лаваль дал лишь частные ответы на возникшие перед ним проблемы турбостроения: его ответы не имели теоретических обоснований и были применены к частному случаю конструирования турбин небольшой мощности (максимальная мощность турбины Лаваля была 500 кВт). Общие теоретические решения перечисленных проблем изыскивались многими учеными. Теория расширяющегося сопла была дана Г. А. Цейнером (1899 г.), однако получила широкое признание значительно позднее, после опубликования работ ряда ученых, особенно чешского профессора А. Стодола. Теория гибкого вала сложилась в 1894— 1895 гг. в результате трудов Феппля и Дж. Дунверлея; позднее большое количество работ по этому вопросу было систематизировано и самостоятельно переработано А. Стодола. В 1879 г. Грюблер установил общую теорию прочности быстро вращающегося диска, после которой разрабатывался ряд методов практического расчета турбинных дисков, значительно развитых и систематизированных тем же А. Стодола, который создал подлинную энциклопедию паровых турбин.