Развитие теплоэнергетики

Малая мощность и довольно большой расход пара (6—7 кГ/л. с. ч.) в турбинах Лаваля ограничили их применение областью привода маломощных агрегатов с большим числом оборотов. Сейчас мы расцениваем эти турбины как первые машины, в которых были в частной форме решены основные задачи турбостроения и вместе с тем дано направление дальнейшим работам по освоению и совершенствованию принципиально нового типа парового двигателя.

В конце XIX и начале XX вв. далеко не все сумели увидеть в турбине Лаваля росток нового, которому предстоит большое будущее. Так, в 1900 г. уже упоминавшийся ученый котлостроитель проф. Г. Ф. Депп, испытавший в Петербурге турбину Лаваля, писал, что у этой турбины слишком «... большой расход пара. Поэтому паровые турбины ( здесь Депп сделал ошибочное обобщение —Авт.) вытеснить другие паровые машины не могут, а являются необходимыми только в некоторых частных случаях, хотя по лестным условиям их действительные, хотя и второстепенные качества являются существенными». В то же время находились инженеры, предвидевшие будущее турбины. К числу их принадлежал А. А. Радциг (впоследствии 
член-корреспондент АН СССР), основавший кафедру паровых турбин и воспитавший в нашей стране первые кадры теплотехников-турбинистов, исключительную роль в развитии советского турбостроения.

Паровые турбины для привода электрических генераторов.

Быстроходная паровая турбина, не имеющая частей,  совершающих   возвратно-поступательное движение,  заключала в себе замечательное свойство— возможность концентрации громадных мощностей в одном агрегате. Это свойство турбины могло проявиться только при ее объединении с агрегатом, имевшим большие перспективы в связи с увеличением потребляемой мощности,—с генератором электрического тока В этом направлении начал свои работы английский инженер Ч. А. Парсонс. В 1884 г. он получил в Англии патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 6 л.с. - при 1 000 об/мин (рис. 7-19). Для уравновешивания осевых усилий пар подводился в кольцевое пространство в средней части турбины, откуда через венцы подвижных и неподвижных лопаток он проходил к концам турбины.

Размеры всех лопаток были почти одинаковыми, так что рост сечения для прохода пара практически отсутствовал (он заметен, например, на рис. 7-17 в турбине Турнера).

В течение почти 15 лет, с 1885.no 1899 г., Парсонс строил паровые турбины самых разнообразных конструкций, постепенно вводя новые и новые улучшения, снижая расход пара, достигавший в первых образцах громадной величины около 60 кг/квт-ч. К 1889 г. турбины Парсонса имели расход пара порядка 12 кг/кет ч, и около 300 таких турбин было использовано для привода электрогенераторов Турбины эти развивали мощность 60—75 кВт при 4 800—5 000 об/мин. В 1887 г. были  впервые применены лабиринтовые уплотнения, использованные для разгрузочного поршня, с введением которого турбины начали строить однопроточными. К 1896 г. в турбине мощностью 400 кВт был достигнут расход пара пара 9,2 кг/квт ч. К этому году общая установленная мощность турбин составляла уже 40 000 кВт.

Однако на европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенераторов только с 1899 г. В этом году в немецком городе Эльберфельде на электрической станции для привода генераторов трехфазного переменного тока впервые были применены турбины Парсонса мощностью 1 000 квт (рис. 7-20). Заказ на английские турбины при высоком уровне строительства паровых машин в Германии приковал пристальное внимание мировой технической общественности к Эльберфельдской станции, испытание которой было поручено лучшим и авторитетнейшим немецким специалистам.  Опубликованный ими в 1900 г. обстоятельный отчет установил неоспоримое преимущество паровой турбины перед другими типами двигателей, служивших для привода генераторов электрических станций. Турбины работали паром со средним давлением 10,5 ата, температурой 200° С и показали расход пара 8—9 кг/кВт ч при полной нагрузке агрегата. Дальнейший прогресс турбостроения можно иллюстрировать следующим фактом: в 1913 г. расход пара в турбине Парсонса мощностью 25 000 кВт, работавшей паром 14 атм при температуре 304° С, составил 5 кг/кВт ч. Значительное место в снижении удельных расходов пара имело примененное впервые в турбинах завода Парсонса углубление вакуума посредством «струйных элементов», явившихся предшественниками современных пароструйных эжекторов.

Паровые турбины начинают развиваться во всех передовых в техническом отношении странах.

В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже французам профессором Огюстом Рато были представлены чертежи и детали паровой турбины мощностью 1 000 л. с, сконструированной на принципе разбивки общего перепада давлений на отдельные активные ступени, в каждой из которых срабатывался лишь незначительный перепад давлений. Многоступенчатая турбина Рато (рис. 7-21) была ее автором подвергнута технической   инверсии и превращена в осевые турбокомпрессоры и воздуходувки. Эти машины в свою очередь положили начало новой области применения паровых турбин, которые использовались теперь для привода компрессоров и воздуходувок.

В 1903 г. инженер завода Эшер-Висс в Швейцарии Генрих Целли коренным образом усовершенствовал турбину Рато,       уменьшив  число активных ступеней давления с 16 - 20 до 7—10, что в значительной степени упрощало и удешевляло турбину. Немедленно образовался синдикат из ряда крупных машиностроительных заводов для постройки турбин по патенту Целли (рис. 7-22).

Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 г. американский инженер Чарльз Кертис. По его предложению пар, покидающий сопло с большой скоростью, отдает активному венцу не всю, а только половину своей скоростной энергии, для чего лопатки венда движутся не с половинной, а с четвертной скоростью по сравнению со скоростью струи пара; вышедший из первого венца и отдавший ему половину своей скорости пар поворачивается без изменения его параметров на неподвижных лопатках направляющего аппарата и затем поступает на лопатки второго рабочего венца, которому он отдает всю свою скорость, так как второй венец движется в 2 раза медленнее струи пара. Таким образом, абсолютная скорость первого венца оказывается равной абсолютной скорости второго венца, а поэтому они могут быть объединены на одном колесе-диске, получившем название диска Кертиса (рис. 7-23 заимствован из патентной заявки Кертиса).

Первые годы XX в. знаменуются началом турбостроения в ряде стран: Германии, Франции, США, Швейцарии, Швеции, Австро-Венгрии (па заводах Шкода в г. Брно, Чехословакия) .

В дореволюционной России паровые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом (ныне ЛМЗ). До 1917 г. завод выпустил всего 26 паровых турбин суммарной мощностью 9 000 кВт с наибольшей мощностью отдельной турбины 1 250 кВт. С началом внедрения паровых турбин на судах военно-морского флота в России был специально оборудован на Балтийском заводе в Петербурге турбинный' цех, стоявший на одном уровне с турбинными цехами крупнейших зарубежных заводов и обеспечивавший турбинами строившиеся в России суда.

Судовые турбины.

Морской флот определил еще одну широкую область применения паровых турбин, в которой паровая машина исчерпала свои возможности установкой мощностью 35 000 л. с. (2х17 500 л. с, 1900 г.). Первое опытное судно «Турбиния» с турбинами радиального типа, развивавшими 8 000 об/мин, было сооружено Ч. Парсонсом в 1894 г. Явление кавитации при работе винта с 8 000 об/мин, вызвало перестройку «Турбинии»; оборудованная осевыми турбинами с 2 200 об/мин «Турбиния» показала рекордную скорость 32 узла (около 60 км/ч). С 1900 г. паровые турбины начали применяться на миноносцах. Правда, первые два турбинных миноносца - английские «Кобра» и «Випера»—погибли в 1901 г. от неустановленных причин. Но это не помешало английскому адмиралтейству заказывать новые турбинные миноносцы («Велокс», 1902 г., «Эмден», 1903 г. и др.). В 1911 г. паровые турбины были впервые установлены на пассажирском, пароходе «Король Эдуард» водоизмещением 650 т, с чего начался быстрый прогресс судового турбостроения. В 1905— 1906 гг. был построен первый крупный броненосец—дредноут, после которого линейные корабли строились только с паровыми турбинами. В 1906 г. были спущены на воду «Лузитания» (погибшая во время войны 1914 - 1918 гг. от торпеды, пущенной немецкой подводной лодкой) и «Мавритания» (пошедшая в результате мирового кризиса 1929— 1932 гг. на слом). Эти пассажирские суда — «лайнеры»— имели водоизмещение по 41 000 т и мощность турбинных установок 70 000 л. с, вдвое превосходящую максимальную мощность судовой паросиловой установки при посредстве поршневых машин. К этому же периоду относится сооружение первой крупной комбинированной установки с поршневым двигателем в части высокого давления и паровыми турбинами в части низкого давления. Такой установкой был оборудован «Титаник», погибший в 1911 г. во время своего первого рейса от столкновения с айсбергом.

Судовые установки с большой разницей в оптимальном числе оборотов турбины (1500—3 000 об/мин) и гребных винтов (100—200 об/мин) поставили проблему редуцирования, решенную тремя различными методами: механическая передача, гидравлическая передача и электрическая передача (турбоэлектроходы).

3.4 Развитие двигателей внутреннего сгорания.

Двигатели низкого сжатия.

Во второй половине XIX в. Происходила постепенная специализация двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь по виду применяемого в них горючего.

Газовые двигатели, возникшие в самом начале рассматриваемого периода (см. гл. 3), получили значительное развитие, в особенности в тех случаях, когда они выгодно сочеталось с технологическими условиями их использования. В этом направлении особое значение получило использование газов доменных печей. В 1900 г. завод Коккериль (Бельгия) демонстрировал на Парижской выставке газовый двигатель на доменном газе мощностью 600 л. с, а к 1906 г. единичная мощность таких двигателей превысила 2 000 л. с. Они находили применение для привода доменных воздуходувок, прокатных станов и электрогенераторов станций крупных металлургических заводов; к 1906 г. мощность таких двигателей в одной только Германии превысила 375 000 л. с.

Освоение жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания осуществлялось по двум отдельным путям: по одному пути шло развитие двигателей, использующих керосин, по другому - легкие погоны нефти, преимущественно бензин. Керосиновые двигатели конструктивно выполнись в виде калоризаторных двигателей (рис. 7-24) с зажиганием взбрызгиваемого в полость цилиндра керосина от полого чугунного шара — калоризатора. Этот шар разодевался от керосиновой горелки перед пуском двигателя, а в процессе работы двигателя он нагревался за счет вспышек в полости цилиндра. Двигатели такого типа достаточно простые в производстве и эксплуатации, надежные и недорогие, получили широкое распространение в качестве мелких двигателей небольших мастерских, в сельском хозяйстве и (в вертикальном исполнении) на множестве небольших, преимущественно  рыболовецких   судов.

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей был запатентован в Германии Г. Даймлером в 1885г. для применения в автомобиле. Таким образом, сразу же определилась основная сфера использования бензинового двигателя, получившая свое колоссальное развитие уже в XX в., когда этот двигатель стал применяться в авиации.

Двигатели высокого сжатия.

Особую линию развития двигателей внутреннего сгорания начал немецкий инженер Рудольф Дизель, получивший немецкий патент в 1892 г. на двигатель нового типа, общие основы которого были изложены им в небольшой брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя»; вышедшей в 1893 г.

Предложение Дизеля сводилось к осуществлению в полости двигателя высокого сжатия воздуха с целью повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Будучи подано в полость двигателя в конце хода сжатия, горючее воспламенится от нагретого воздуха и, нагнетаемое постепенно, осуществит процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно(см. гл. 3). Дизель сознательно упростил цикл Карно в части процесса сжатия, ограничившись одним адиабатическим сжатием, но расчет вел на изотермическое горение в соответствии с циклом Карно. Произведя тепловой расчет своего двигателя мощностью 100 л. с, он получил температуру в конце сжатия 1 073° К, давление 250 ата и к. п. д., равный 0,73.

Предлагая свой рациональный двигатель, Дизель предполагал, что широкое распространение его «будет противодействовать развитию централей», что мелкая промышленность будет размещаться вне больших городов, а не будет «...централизованной в городах без света, без воздуха и без достаточного пространства...», и, таким образом, разделял ненаучные взгляды на возможность прекращения капиталистической концентрации производства (см. гл. 3).

Работа Дизеля получила широкий отклик среди ученых-теплотехников. Правда, Келер, крупный немецкий  специалист по газовым двигателям, предупреждал Дизеля, что один термический к. п. д. еще не определяет экономической эффективности двигателя, а при высокой степени сжатия, предложенной Дизелем, и соответственно большой затрате механической работы на осуществление процесса этого сжатия механический к. п. д. двигателя, а следовательно, и экономический его коэффициент могут оказаться весьма невысокими. Но наряду с отрицательными отзывами имелся ряд положительных отзывов, принадлежавших весьма авторитетным ученым, среди которых были К. Линде, Г. А. Цейнер и М. Шредер.

Линде являлся крупнейшим авторитетом по холодильным установкам, изобретателем и конструктором первых холодильных машин, послуживших «сходной базой для возникновения хладотехники как широкой отрасли промышленности.

Цейнер — крупнейший в Германии и общепризнанный специалист по паровым машинам. Шредер—немецкий ученый теплотехник, автор теоретических работ -по .паровым машинам в термодинамике, .участник работ комиссии по испытанию паротурбинной установки на Эльбер-фельдской электростанции в 1899 г.

Положительные отзывы о работе Дизеля дали ему возможность заинтересовать своим изобретением два крупных капиталистических предприятия: известную всему миру «фабрику смерти» Крупна и Общество аугсбургских машиностроительных заводов. В I квартале 1893 г. были подписаны договоры, но которым фирма Круппа брала на себя финансирование опытов по новому двигателю; Аугсбургский завод предоставлял помещение и оборудование в одном из своих цехов.

Первый двигатель, отличавшийся рядом необычных особенностей, был готов летом 1893 г. Он должен был работать на угольной пыли, вводимой в полость двигателя насосом в конце хода сжатия, когда давление в полости достигало 90 ата, а температура 800° С. Охлаждение двигателя отсутствовало, так как предполагалось, что горение по изотерме не вызовет большого повышения температуры, а эффективность цикла будет настолько велика, что не превращенное в работу тепло будет успешно эвакуироваться из полости двигателя с выхлопными газами. Двигать был запущен от трансмиссии и взорвался, чуть не покалечив изобретателя. В этом же месяце (что говорит об интересе к новому двигателю и прекрасных условиях, в которые был поставлен Р. Дизель) был готов второй двигать в котором Дизель на основании неудач первого опыта отказался от угольной пыли, и ввел водяное охлаждение; в этом двигателе удавалось получить не более одной вспышки при впрыскивании бензина. В августе испытанию подвергся третий опытный двигатель, который был в состоянии делать несколько оборотов на холостом ходу, что позволило получить индикаторные диаграммы сразу же показавшие справедливость сомнений Келера. При сгорании, близком к изотерме, как это предусматривается циклом Карно, площадь индикаторной диаграммы и соответствующая ей работа (рис. 7-25) были настолько малы, что целиком расходовались на преодоление вредных сопротивлений холостого хода.