Развитие энергетики

Энергетика прежде других областей техники реализовала техническую возможность концентрации производства. Эта возможность основывалась на укрупнении теплосиловых установок и их отдельных элементов: котлов, двигателей, вспомогательного оборудования. Необходимость укрупнения предъявляла к теплосиловым установкам и их основным элементам требования, невыполняемые на основе предшествующей техники доэлектрического периода.

Постепенный переход от промышленных фабрично-заводских теплосиловых установок к центральным электрическим станциям (ЦЭС), "фабрикам" электроэнергии, сразу же показал невозможность решить возникшую задачу укрупнения путем простого суммирования технических объектов.

Действительно, первый агрегат теплосиловой установки - паровой котел - в последней четверти XIX в. характеризовался следующими усредненными показателями: съем пара с 1 кв. м поверхности нагрева котла был равен 20 кг; суммарная величина этой поверхности - 200 кв. м. Если это оборудование применить для электростанции мощностью 200 000 квт, то при расходе пара в 6 кг на 1 квт, что соответствует технике конца XIX в., потребовалось бы часовое количество пара 200 000*6 = 1200 000 = 1200 ^т/_час, для производства которого старыми котлами потребовалась бы суммарная поверхность нагрева

что при поверхности одного котла в 200 кв. м потребовало бы установить в котельной этой станции

А современная станция дает возможность для мощности в 200 000 квт установить один блок, состоящий из одного котла, одной турбины, одного электрогенератора.

Вот где возникли на новой основе предпосылки обращения к "физике котла", как об этом высказывались еще в конце XIX в. русские ученые - профессора Предтеченский, Депп и Гриневецкий. Необходимы были теоретические основы работы котельного агрегата, которые дали бы верные направления для всемерной интенсификации происходящих в котле физико-химических процессов: горения, теплообмена, парообразования, циркуляции, движения газов, перегрева и сепарации пара.

В 1916 г., обобщая труды многих исследователей, М. В. Кирпичев (впоследствии академик) писал: "Непосредственной причиной совершенствования как турбины, так и котла было проникновение электричества во все отрасли промышленности и общественной жизни и, как следствие этого, появление крупных электрических станций". Указывая далее, что прогресс котельной техники зависит от интенсификации работы котла, а она в свою очередь зависит от процесса теплообмена, М. В. Кирпичев намечал направление дальнейшей работы: "Дальнейший прогресс в расчете парового котла зависит от успешности экспериментального изучения котла, в частности от новых опытных данных о коэффициенте теплопередачи".

Идя по намеченному пути, М. В. Кирпичев в советский период создал прогрессивную научную школу теплового моделирования, дающего возможность на небольших моделях изучать процессы, протекающие в гигантских теплотехнических объектах.

Советская научная школа теплового моделирования - один из прекрасных примеров упрочения и углубления взаимосвязей между наукой и производством. Возникшие электротехника и комплексная энергетика, вызвавшие интенсификацию процессов теплообмена, сделали старые методы расчета парогенераторов совершенно неприемлемыми. Новых методов не было. Первая попытка решить эту задачу принадлежала видному немецкому специалисту профессору Мюнцингеру, который предложил свое решение в виде номограмм, составленных на основе испытания существующих парогенераторов с их возрастающими параметрами - давлениями, температурами, скоростями. Этот метод давал возможность повторять в расчетах новых парогенераторов достижения уже построенных" но не давал проектировщику выхода в новую область физических явлений. Необходимо было в решении новой проблемы исходить не от техники, а от физики. Так именно и поступил академик М. В. Кирпичев, блестяще развив теорию подобия, начатую в работах И. Ньютона. Несколько упрощая сложный и длительный путь в науке, можно сказать, что если первая теорема подобия И. Ньютона устанавливала принципиальную возможность подобных явлений, вторая теорема Букингема устанавливала возможность определения признаков подобия, то третья теорема М. В. Кирпичева устанавливала возможность активного вмешательства в явления подобия, возможность создания подобия таких сложных комплексов физических явлений, которые протекают в парогенераторах. Наука дала технике возможность рассчитывать заранее свойства крупнейших теплотехнических объектов на основе исследования их моделей с полным физическим подобием протекающих процессов. Техника, в свою очередь, дала науке о подобии физико-химических явлений законченность, идущую от установления факта и от сопутствующих ему признаков к воссозданию этого факта в лабораторных условиях.

Генерацию механической энергии старым методом при помощи паровых машин также нельзя было применить в новых условиях. Для рассмотренного примера станции в 200 000 квт потребовалось бы установить 10 громаднейших, металлоемких поршневых машин, тогда как теперь эту мощность генерирует одна турбина.

Новые энергетические установки с их высокопроизводительными паровыми котлами и мощными турбинами не могли эксплуатироваться старыми методами. Если для старых котлов, являвшихся громадными аккумуляторами теплоты, колебания в потреблении пара сглаживались непосредственно кочегаром, то в новых котлоагрегатах с интенсифицированными процессами человек не в состоянии был следить за быстрыми изменениями режима, когда аккумулирующая способность котлов уменьшилась почти в 500 раз.

Если старый поршневой двигатель мог без вреда выдерживать двукратные перегрузки по мощности и полуторные по числу оборотов, то паровая турбина может быть разрушена центробежными силами при увеличении числа оборотов на 10%. Изменение числа оборотов даже в пределах 10% ведет к понижению к. п. д. и ускоренному износу деталей. Еще сложнее обстоит вопрос с регулированием режима теплофикационных паровых турбин, отпускающих потребителям и теплоту, и работу. Здесь задача поддержания заданного режима работы при переменных потребностях двух разных потребителей может быть решена только на базе автоматического регулирования.

Новая теплоэнергетика вызвала к жизни новую область техники - автоматизацию тепловых процессов, строгий и систематический автоматический контроль работы теплоэнергетических установок.

Автоматизация, начавшаяся с теплоэнергетики (регуляторы Ползунова и Уатта), быстро распространилась и на другие области техники, особенно в связи с заменой старых механических систем регулирования гибкими электронными системами. Можно уверенно сказать, что автоматика и телемеханика в науке и в технике стали в XX в. настолько связанными, что между ними трудно провести какую-то разграничительную линию.

Новые требования к теплоэнергетике возбудили большое количество вопросов, на которые практика эксплуатации теплосиловых установок не могла дать ответа. С одной стороны, в связи с ростом давлений и температур потребовалась тщательная работа по экспериментальному исследованию термодинамических свойств рабочих тел: водяного пара, газов, с другой стороны, нужно было исследовать процессы горения, теплообмена, тяги, сопротивлений движению газов, циркуляции и ряд других. Под требованием этих вопросов развиваются теоретические основы теплотехники - сложная техническая наука, состоящая из двух ветвей: технической термодинамики и теплопередачи.

В связи с ростом потребления теплоты теплосиловыми установками возникала топливная проблема. Ежегодно возрастала добыча каменного угля. Развитие автомобилестроения, а позднее - авиации, использование жидкого горючего для военных флотов сделало нефть "черным золотом", в погоне за которым капитализм начал безудержную экспансию в слаборазвитые страны, подчиняя себе их экономику, пользуясь дешевым трудом рабочих-полурабов этих стран. Возникла задача разработки способов эффективного сжигания малокалорийных и зольных топлив: сланцев, бурых углей, торфа,- которая могла быть успешно разрешена также только в результате специальных исследований.

В условиях быстрого роста энергопотребления рост энергетических машин также был невиданно быстрым. Если в 1899 г. турбины первой турбинной электростанции в Эльберфельде имели мощность по 1000 л. с. и потребляли около 12 кг пара на 1 квт*ч,то через двенадцать лет была построена турбина в 12 000 квт с расходом пара в 5 ^кг/_квт*ч.

Разрабатывались новые системы турбин. В 1900 г. французский ученый О. Рато предложил активную турбину со многими ступенями давления пара и показал целесообразность освоения новых агрегатов: турбокомпрессоров и турбовоздуходувок, разработанных им на смену старым поршневым тихоходным конструкциям.

В 1906 г. в США Кертис построил турбину со ступенями скоростей, в которых пар отдавал свою скорость последовательно двум или трем ступеням-дискам с лопатками, что снижало число оборотов вала турбины.

С 1900 г. турбины стали устанавливать на миноносцах, с 1907 г.- на линкорах. В 1906 г., после успешного применения на более мелких судах, паровые турбины были поставлены на двух наибольших пассажирских пароходах-лайнерах того времени "Лузитании" и "Мавритании", водоизмещение которых составляло 41500 тонн у каждого и мощность - по 70 000 л. с. Получение такой мощности с поршневыми машинами было невозможно; предельная достигнутая мощность поршневых машин на морских судах была 17 500 л. с. ("Дойчланд", 1900 г., 2Х17 500 л. с). В 1911 г. паровые турбины были установлены на еще более крупном судне "Титаник", погибшем в первом же рейсе от столкновения с айсбергом.

Были разработаны методы соединения быстроходных турбин (3000 ^об/_мин) с относительно тихоходными (100-200 ^об/_мин) гребными винтами: механическая передача (зубчатые колеса - редукторы), гидравлическая передача (паровая турбина работает на насос, созданный напор вращает гидротурбину, передающую вращение гребному винту) и электрическая (в центре судна ЦЭС вырабатывает электроэнергию в генераторах, вращаемых паровыми турбинами или дизелями, а электродвигатели приводят в движение гребные винты). Так возникли современные "турбоэлектроход" и "дизель-электроход".

Однако возникновение их началось несколько раньше.

На родине двигателя Дизеля - Германии не было благоприятных условий для быстрого его распространения на грани XIX и XX вв.

Крупные заводы имели паровые установки, заводы, строящие паровые машины, не желали затрачивать средств на переоборудование для постройки дизелей, котельные заводы как могли препятствовали внедрению нового двигателя, а главное, в Германии отсутствуют нефтяные месторождения.

Благоприятные условия для развития нового двигателя сложились в России, где были распространены мелкие предприятия, для которых дизель был удобен в качестве силовой установки, где не было развитого котло- и машиностроения, чтобы препятствовать рождению нового двигателя, а главное, имелись богатые ресурсы нефти, удобно связанные водным путем (Каспий) с крупной транспортной артерией страны - Волгой.

В таких условиях не замедлила сказаться творческая мысль русских ученых, инженеров, изобретателей, решивших ряд важнейших проблем нового двигателя. В России в 1899 г. был впервые запущен двигатель дизеля на сырой нефти, разработана бескрейцкопфная конструкция механизма, получено большое снижение удельного веса двигателя.

В 1907 г. был построен на Волге первый буксирный теплоход "Мысль", с пуском которого русская техническая терминология обогатилась термином "теплоход". В 1908 г. был построен первый реверсивный двигатель (подводная лодка "Минога"). В 1910 г. были спущены на воду первые дизельные военные суда "Каре" и "Ардаган" и построены мощные речные мониторы для Амурской речной флотилии с электроприводом на гребные винты. С 1911 г. регулярно стали строиться комфортабельные речные пассажирские теплоходы. Первыми же теплоходами, точнее дизель-электроходами, были построенные в 1903 и 1904 гг. в Петербурге суда "Вандал" и "Сармат".

Рис. 6-32. Турбина Каплана с поворотными лопастями: 1 - лопасти регулирования; 2 - поворачивающиеся лопасти турбины

Значительное развитие получили в первое двадцатилетие XX в. и гидравлические турбины. В 1912 г. чешский ученый В. Каплан предложил первую пропеллерную турбину, а в 1916 г. взял патент на турбину пропеллерного типа с поворотными лопастями (рис. 6-32). Эта турбина давала возможность весьма гибкого регулирования путем поворота лопастей, позволяла пропускать большой расход воды и, следовательно, получать большую мощность в одной машине, позволяла эксплуатировать турбину при широком диапазоне напоров от 5 до 70 м. Под современным названием "поворотнолопастная" эта турбина стала агрегатом мощных гидроэлектростанций, например Куйбышевской ГЭС.

Ко второму десятилетию XX в. единичные мощности гидравлических турбин выросли до 20 000 квт (радиально-осевые) и 30 000 квт (ковшевые).