Развитие первичной энергетики

Сложившиеся конструктивные формы первичных агрегатов теплоэнергетики - паровых котлов - продолжали развиваться по линии повышения производительности и котельного давления; глубокие принципиальные изменения в котлостроении произошли уже только в XX в. Для последней трети XIX в. характерно развитие двух основных типов котельных агрегатов: "вертикальные" и "горизонтальные" водотрубные паровые котлы (рис. 6-10).

Рис. 6-10. Принципиальные конструктивные схемы водотрубных паровых котлов: а - 'горизонтальный'; б - 'вертикальный'

Для "горизонтальных" котлов в этот период характерен переход к секционным котлам, у которых камеры разделялись на секции, в каждую из которых ввальцовывалось от двух и более труб. Типичным котлом такого вида, получившим за рубежом и в России широкое распространение, явился котел фирмы "Бабкок и Вилькокс". Имена авторов этого котла скрыты за маркой фирмы, по данным которой работа по постепенному совершенствованию конструкции котла длилась много лет и имела 20 периодов развития котла.

Рис. 6-11. Схема водотрубного секционного котла В. Г. Шухова: 1 - топка; 2 - барабан; 3 - коллекторы - секции с ввальцованными в них пучками труб; 4 - пароперегреватель; 5 - заслонка, регулирующая температуру перегрева путем пропуска части топочных газов мимо пароперегревателя. Стрелками показан путь топочных газов

Другим представителем секционных котлов явился котел В. Г. Шухова (рис. 6-11). Каждая секция этого котла представляла короткий барабан, в стенку которого ввальцовывалось от 19 до 21 труб (рис. 6-12). Съемные крышки барабанов давали легкий доступ сразу к целому пучку труб. Шухов нашел оригинальный способ соединения отдельных секций на болтах, что делало котел его конструкции разборным и удобным для перевозки.

Рис. 6-12. Водотрубный секционный котел В. Г. Шухова. (Макет. Государственный Политехнический музей. Москва.)

Рис. 6-13. Водотрубный котел Стирлинга с изогнутыми трубками: 1 - топка; 2 - отражательный свод; 3 - пароперегреватель. Стрелками показан путь топочных газов

Наиболее распространенными "вертикальными" котлами были котлы Стирлинга (рис. 6-13) с изогнутыми и Гарбе (рис. 6-14) с прямыми трубами. В судовых установках, кроме шотландских котлов (гл. IV), распространились водотрубные котлы с тремя барабанами, соединенными пучками прямых (Ярроу) или изогнутых (Торникрофт и др.) труб (рис. 6-15) с расположением топки внутри шатра, образуемого пучками труб.

Рис. 6-14. Водотрубный котел Гарбе с прямыми трубками: 1 - механическая цепная топка; 2 - отражательные своды; 3 - пароперегреватель; 4 - регулирующая заслонка. Стрелками показан путь топочных газов

Кроме показанных наиболее эффективных типов паровых котлов конца XIX в., условия капиталистической конкуренции выдвинули громадное разнообразие котлов, отличающихся иногда только какой-либо мало существенной деталью, позволявшей фирме обойти патент другой фирмы, разработавшей более удачную конструкцию котла. Фирменные секреты исключали обмен опытом работы, теория котла была в зачаточном состоянии, в наиболее развитых капиталистических странах с кафедр технических вузов рекламировались достоинства конструкций той фирмы, которая финансировала этот вуз. В этом отношении отставшая Россия предоставляла больше творческих возможностей работникам высшей школы и практики, и поэтому не удивителен тот факт, что в нашей стране были сделаны существенные вклады в теорию и практику котлостроения.

Рис. 6-15.Судовые водотрубные котлы шатрового типа (без обмуровки, перед отгрузкой с котлостроитльного завода)

Специфические условия России, богатой ресурсами жидкого топлива, предопределили решение задачи о его сжигании в промышленных условиях! Еще в 1867 г. А. И. Шпаковский разработал метод сжигания жидкого топлива в мелко распыленном состоянии, применив его в котле сконструированной им пожарной лодки "Русская". 80-е годы ознаменовались целой серией форсунок для разнообразных условий сжигания жидкого топлива. Замечательная форсунка Шухова, и поныне находящаяся в эксплуатации, форсунка Данилина с внутренним подводом распыливающегося пара, форсунка Ленца с плоским факелом горения, форсунка Береснева с плоским факелом, действующим на все 360°, бесшумная форсунка Иванова, механическая форсунка Тентелевского завода, как писал инженер Гулишамбаров, означали, что "... в деле нефтяного отопления Россия далеко оставила за собою все остальные государства и наши приборы для этой цели постоянно служат предметом удивления американцев, приезжающих в Баку".

В этот же период в России стали зарождаться наиболее прогрессивные идеи в котлостроении, некоторые из них были осуществлены в большом масштабе только в советское время. Так, В. Г. Шухов впервые предложил экранирование топок, а Г. Ф. Депп - пылеугольное отопление. И то и другое широко применяется лишь в наши дни.

Особенного внимания заслуживает стремление русских ученых исследовать "физику котла", рассматривать котел как "сложный физический прибор". Эти стремления позднее; уже в советский период, вылились в передовую школу теплового моделирования.

Параллельно с развитием паровых котлов складывались реальные предпосылки к становлению нового теплового двигателя - паровой турбины. Возможность получения механической энергии за счет работы струи пара пытались реализовать уже давно, но безуспешно. Причина этого стала понятной, когда в 1839 г. Сан-Венан исследовал истечение струи пара и нашел, что пар движется со скоростью сотен метров в секунду. Опыт эксплуатации и теории водяных турбин, в которых также используется энергия движения, показал, что для получения наибольшего эффекта необходимо, чтобы лопатка турбины двигалась со скоростью, равной половине скорости струи жидкости или пара.

При громадных скоростях движения пара оказалось, что для эффективной работы необходимо придать ротору турбины свыше 6000 ^об/_мин.

Из этих соотношений стало очевидно, что, во-первых, паровая турбина - двигатель быстроходный по своей природе и, во-вторых, что освоение турбины - это освоение техники высоких скоростей.

Предпосылкой практического внедрения паровой турбины могло явиться и в действительности явилось возникновение машин-орудий с высоким числом оборотов. К ранним быстроходным машинам-орудиям относятся дисковые пилы, для привода которых стали применять примитивные турбины в форме сегнерова колеса. Большой расход пара в этих турбинах компенсировался использованием отбросного топлива деревообделочных заводов, где применялись дисковые пилы.

Рис. 6-16. Схема работы активной одно-венечной турбины Лаваля: 1 - вал турбины; 2 - рабочие лопатки турбинного колеса; 3, 4, 5 - сопла; 6 - выход пара с рабочих лопаток

Большой вклад в дело возникновения и начального развития паровой турбины был сделан шведским инженером Лавалем. Лаваль изобрел сепаратор для отделения сливок от молока, требовавший 6-7 тысяч оборотов в минуту, и сконструировал для его привода одновенечную активную турбину (рис. 6-16). В этой небольшой турбине Лаваль решил ряд важнейших задач турбостроения. Он изобрел расширяющееся сопло, дающее возможность превращать энергию давления пара в энергию скорости; сконструировал рабочий диск турбины так, что при его вращении он не только сопротивлялся разрывающим его громадным силам инерции, но напряжение материала диска было постоянным при любом удалении от центра вращения. Лаваль дал смелое решение, построив свою турбину с гибким валом, прогибающимся от веса диска вовремя покоя турбины, и на опыте подтвердил свою гипотезу о том, что при быстром вращении гибкий вал становится прямым; устроил шаровые опоры под подшипники гибкого вала, чтобы не мешать свободному изменению его прогиба при изменении числа оборотов; построил к своей турбине редуктор - систему шестерен для уменьшения числа оборотов и впервые начал вводить специальные сплавы для лопаток турбин, испытывающих громадные силовые и тепловые нагрузки.

Решив эти проблемы для частного случая небольшой одновенечной турбины с громадным числом оборотов, Лаваль поставил эти проблемы для всего последующего турбостроения, и многие ученые, в том числе известный турбостроитель чешский профессор А. Стодола, работали над теоретическими обоснованиями частных решений Лаваля.

По-другому работал над проблемой паровой турбины английский инженер Ч. Парсонс. В 1884 г. он впервые соединил свою реактивную многоступенчатую турбину (рис. 6-17) с валом электрического генератора, положив этим начало основному агрегату крупнейших электростанций - турбогенератору. Он же впервые заменил судовую паровую машину турбиной на небольшом быстроходном судне "Турбиния".

Рис. 6-17. Один из первых турбогенераторов Парсонса. Справа - электрогенератор с высокими электромагнитами; слева - турбина со снятой крышкой'

К концу XIX в. завод Парсонса освоил выпуск надежных в эксплуатации турбин, и 1899 г. явился поворотным в вопросе внедрения нового двигателя. В этом году были установлены и испытаны две паровые турбины на электростанции в г. Эльберфельде (Германия) для привода генераторов трехфазного тока. Несмотря на то что по расходу пара эти турбины мощностью по 1000 л. с. каждая еще отставали от поршневых паровых машин, по всем другим показателям они зарекомендовали себя как наиболее удобный и экономичный для станций в целом двигатель для привода быстроходных генераторов электрического тока. Так началось использование паровых турбин, применяющихся и в технике нашего времени.

К концу XIX в. паровые турбины начали строить в Германии, Швейцарии, Франции, США и Австро-Венгрии (на заводах Шкода в г. Брно, ныне Чехословакия).

Так в XIX в. было положено начало последующему громадному росту турбиностроения, этого сложного производства, характеризующего техническую зрелость страны.

Существенный сдвиг произошел в конце XIX в. и в развитии двигателей внутреннего сгорания, обусловленный на этот раз не столько требованиями практики, сколько развитием теории тепловых двигателей.

Согласно выводам этой теории, сделанным еще в 1824 г. французским инженером Сади Карно, существует такой цикл работы тепловых двигателей, такая очередность отдельных процессов, составляющих цикл, и такое их течение, при которых двигатель будет наиболее экономичным. Трудно достижимый на практике цикл этот, получивший наименование цикла Карно, стал эталоном экономичности двигателя, теоретическим пределом возможностей, предоставляемых природой в распоряжение техники.

К концу XIX в. в связи с ростом техники машиностроения создалась возможность реализации на практике цикла Карно с его высокими давлениями и температурами. Эта возможность была оценена немецким инженером Р. Дизелем. Зная низкий к. п. д. парового двигателя того времени (8-12%), Дизель в небольшом исследовании "Теория и конструкция рационального теплового двигателя", опубликованном в 1893 г., решительно поставил задачу о практическом осуществлении двигателя, работающего по циклу Карно. Работа Дизеля заинтересовала фирму Круппа, которая стала финансировать постройку опытных образцов двигателя. Первый из них был готов в 1893 г.

Испытание первого двигателя показало необходимость многое изменить, от многого отказаться. Дизелю не удалось осуществить свою идею о сжигании в полости цилиндра двигателя распыленного каменного угля, которая возникла у него в связи с отсутствием на территории Германии ресурсов жидкого топлива. Затем пришлось ввести охлаждение стенок цилиндра водой, так как процесс преобразования теплоты в работу оказался далеко не таким полным, как рассчитывал Дизель. Но главное расхождение теории с практикой обнаружилось в том, что цикл Карно, являясь самым экономичным, по природе своей дает небольшую работу на единицу рабочего объема цилиндра, едва достаточную для того только, чтобы осуществить холостой ход двигателя.

Рис. 6-18. Опытный двигатель Р. Дизеля в разрезе: 1 - цилиндр; 2 - полости водяной рубашки; 3 - компрессор; 4 - пусковой баллон сжатого воздуха; 5 - форсунка для впрыскивания горючего в полость двигателя; 6 - валик с кулачками, управляющий форсункой и клапаном 7, через который засасывался воздух и удалялись продукты сгорания

К 1896 г. в работе опытного двигателя (рис. 6-18) от цикла Карно осталось только высокое сжатие. Осуществляемое более упрощенным способом, чем в теоретическом цикле, но более приемлемым в практических условиях, высокое сжатие сыграло свою роль в повышении к. п. д. двигателя Дизеля. Уже в 1897 г. был достигнут к. п. д. 25% - больший, чем у других видов тепловых двигателей того времени, а через десятилетие к. п. д. "дизеля", как стали называть этот двигатель, достиг 35%.

Следует отметить, что в изобретательской деятельности Дизеля отчетливо выявлена новая форма взаимосвязи между наукой и техникой. Дизель берет научные данные в качестве исходной основы для своих исканий, поставив задачу осуществления цикла Карно. Вместе с тем в деятельности Дизеля сказался отрыв от производственных условий, в силу чего он допустил ошибки в проектировании своего "рационального" двигателя, впоследствии исправлявшиеся и преодолевавшиеся в практике работы ведущих заводов. В частности, развитию двигателя Дизеля много способствовали инженеры и техники русских заводов, обогатившие технику первыми в мире дизельными судами - теплоходами.

В области развития двигателей высокого сжатия - дизелей, как и в области развития паровых турбин, в XIX в. закончился подготовительный период, ставший отправной базой для их быстрого прогресса в XX в.

Конец XIX в. ознаменовался возникновением четвертого типа тепловых двигателей - газовой турбины. Возможность построения такого двигателя привлекала внимание ученых и инженеров, поскольку газовая турбина совмещала ряд положительных качеств уже освоенных тепловых двигателей.

Приведенная таблица показывает основы классификации тепловых двигателей по двум основным признакам: по рабочему веществу (пар, газ) и по принципу передачи энергии от рабочего вещества воспринимающим эту энергию деталям двигателя (поршень, воспринимающий потенциальную энергию давления; ротор с лопатками, воспринимающими кинетическую энергию скорости).

Паровые двигатели существенно усложняются и удорожаются необходимостью сооружать для них генератор пара - паровой котел. Поршневые двигатели с возвратно-поступательно движущимися частями ограничены по быстроходности, особенно при возрастании мощности двигателя. Газовая турбина свободна от этих недостатков, но ее строительство на практике столкнулось с большими трудностями, главными из которых являются получение жароупорных сталей и создание экономичного компрессора.

В качестве первой ступени к преодолению этих трудностей предлагались двигатели, работающие на парогазовой смеси. Поршневой двигатель на парогазовой смеси, предлагавшийся рядом изобретателей, в том числе русским морским инженером Шмидтом, оказался неприемлемым в связи с истиранием рабочих поверхностей цилиндра остающимися в смеси твердыми частицами.

Рис. 6-19. Газопарород П. Д. Кузьминского: 1 - место расположения топливной форсунки; 2 - место расположения факела горения; 3 - подвод воды; 4 - выход водяного пара, смешивающегося с продуктами сгорания; 5 - выход парогазовой смеси

Первая опытная газовая турбина была построена морским инженером П. Д. Кузьминским в Кронштадте в 1893-1897 гг. В 1895 г. Кузьминский получил привилегию на камеру сгорания для генерации парогазовой смеси, названную им "газопарород" (рис. 6-19). В передней стенке камеры на продольной ее оси устанавливалась форсунка, факел которой занимал коническое пространство внутри камеры. Вода под давлением 50 ат поступала в камеру через змеевик, постепенно нагреваясь и превращаясь в пар на входе в камеру. Здесь из смеси газа (продукта горения) и пара получалась рабочая смесь, поступавшая на лопатки турбины. Работа Кузьминского тормозилась отсутствием жароупорных сплавов, и он не смог довести до конца оборудование газовой турбины предоставленного в его распоряжение парового катера. В 1900 г. Кузьминский скончался. Дальнейшее развитие газовой турбины было осуществлено уже в XX в.

Гидроэнергетика также вела своеобразную подготовку к периоду комплексной энергетики, когда электрические передачи раскрепостили ее от локальной зависимости, дав возможность производить на отдаленных водных источниках громадные количества электрической энергии, передаваемой по проводам к отдаленным потребителям.

Рис. 6-20. Рабочие колеса радиально-осевых турбин: а - тихоходное, б - нормальное, в - быстроходное

Турбина Френсиса подвергалась значительному усовершенствованию. Благодаря работам Свана (1869 г.), Корника (1876 г.) и других конструкторов и изобретателей, радиально-осевая турбина приобрела свойства специальных турбин, отличающихся в широких пределах в зависимости от формы рабочих лопаток по своей быстроходности (рис. 6-20).

Рис. 6-21. Первая гидравлическая турбина со спиральной камерой, подводящей воду к направляющему аппарату (1886 г.)

Значительным шагом в повышении к. п. д. турбины и удобства ее регулирования явилось изобретение проф. Финка, предложившего в 1880 г. применять радиальный направляющий аппарат с большим количеством лопаток, поворачивающихся на своей оси и тем самым регулирующих количество поступающей на рабочие лопатки воды. В 1886 г. на заводе Фойта (Германия) была построена первая турбина, получившая последний существенный элемент современных гидравлических турбин - спиральную камеру для подвода воды к направляющему аппарату (рис. 6-21).

Радиально-осевая турбина в конце XIX в. стала вытеснять другие типы реактивных гидравлических турбин, чему немало способствовала деятельность ряда заводов: Фойта в Германии, Эшера и Висса в Швейцарии, Г. Пирвица в России, Рива в Италии.

Рис. 6-22. Схема развития ковшей активной ковшевой турбины: а - начальный вариант; б - колесо сдвинуто; в - ковши расположены в шахматном порядке; г - ковш получил современную форму

Активные гидротурбины также получили заметное развитие. С 1880 г. в США стали строить для высоких напоров и небольших расходов воды ковшевые турбины, одна из первых конструкций которых была предложена Пельтоном. Конструкция этой турбины возникла постепенно, в результате ряда испытаний отдельных конструктивных образцов на основе случайного события. Сначала турбины имели такое взаиморасположение направляющих воду насадок и самих колес, при котором вода ударяла в центр ковшей, укрепленных на ободе рабочего колеса турбины (рис. 6-22, а). При сдвиге в сторону слабо закрепленного на валу колеса вода стала ударять в край ковша (рис. 6-22, б), причем эффективность работы турбины заметно возросла вследствие безударного подхода воды к поверхности ковша. Однако при этом обнаружилось осевое усилие, стремящееся сдвинуть колесо турбины вдоль его оси. Для локализации этого усилия Пельтон попытался располагать ковши турбины так, чтобы они давали осевые усилия разного направления (рис. 6-22, в), пока, наконец, не осуществил наилучшее решение в виде ковша с ножом в центральной части (рис. 6-22, г). Такой ковш с безударным входом струи и отсутствием осевого усилия стал основой современных ковшевых турбин.

В итоге за период 1871-1900 гг. первичная энергетика по развитию своих старых агрегатов (паровых котлов, гидравлических турбин) и возникновению новых (паровая турбина, дизель, газовая турбина) подготовила материальную базу новой, комплексной энергетики с ее широкими возможностями, вытекающими из электрификации промышленности и транспорта.