От водяного колеса до гидротурбины

 

На изобретение Сегнера обратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинку великий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своих работ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.

В 1832 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину, ещё далеко несовершенную.

В 1837 году уральский мастер Игнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину, имевшую КПД, равный 53% - меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два года тот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую 70%-ный КПД.

Вскоре Фурнейрон построил турбину, имевшую 80% КПД. Эта турбина имела конструкцию, представленную на верхнем рисунке. Она представляла собой два вложенных друг в друга кольца: наружное, неподвижное, являлось направляющим аппаратом (рекомендованная Эйлером и впервые примененная профессором Бюрденом к водяному колесу в 1827 году деталь); внутренним колесом была сама турбина. Турбина работала, используя реактивный принцип, то есть, по сути, представляло собой усовершенствованное колесо Сегнера: вода, попавшая в турбину, вращала её не только за счёт своей кинетической энергии, но, увеличив свою скорость из-за специальной конструкции лопаток, при вытекании как бы отталкивалась от турбины, сообщая ей дополнительную энергию. Главными её отличиями от водяного колеса были постоянное, непрерывное движение воды и отсутствие затрат энергии на преодоление сопротивления струи воды. Турбины этой конструкции оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10 - 15 м. Конструкция этой турбины представлена на нижнем левом рисунке.

Большое распространение получил один из типов реактивной турбины - пропеллерные, имевшие КПД до 94% (наиболее удачные конструкции).

Появился и другой тип турбин - струйные (на нижнем правом рисунке). Первую струйную турбину, имевшую промышленное значение, сконструировал в 1884 году американский инженер Пельтон. Его турбина использовала активный принцип и имела КПД, равный 85%. Турбина представляла собой колесо на горизонтальной оси, к которому подведены сопла. Эта турбина была удобна там, где есть возможность создать сильный напор воды, при котором колесо турбины могло делать до 1000 оборотов в минуту.

После того, как в 80-е годы XIX века была разработана система передачи электроэнергии на большие расстояния, началась новая эпоха в истории водяных двигателей. В соединении с электрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощью которого человек подчинил себе силу, скрытую в реках и водопадах.

 

Тепловые двигатели

 

Теория тепловых двигателей

История тепловых двигателей имеет более глубокие корни, чем многие думают. Кроме вышеупомянутой турбины Герона есть свидетельства, что к созданию тепловых машин приложили руку такие великие учёные, как Архимед, придумавший весьма оригинальную паровую пушку, именуемую как " Архитронито" (" Самый сильный гром" ), и Леонардо да Винчи, от которого осталось два эскиза примитивного парового двигателя. Есть упоминания о неком Джиованни Бранка, в 1629 году опубликовавшем своё изобретение: " толчею для изготовления порошка необычайным двигателем". Этим двигателем была паровая турбина!

Тепловыми двигателями называют машины, в которых происходит превращение теплоты, полученной при сгорании топлива, в механическую работу. Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания - газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством - периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.

 

 

Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке. Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.

КПД любого (в том числе и теплового) двигателя не может быть равен 100%. Для тепловых двигателей эта невозможность определяется из II закона термодинамики: не существует такого термодинамического процесса, единственным результатом которого было бы превращение некоторого количества теплоты в работу. Работа А в тепловых машинах равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданной охладителю, которым чаще всего является либо атмосфера, либо специальное устройство.

 

 

Паровые двигатели

 

Модель Папена

Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим учёным того времени - Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники - исследование свойств пара и создание теплового двигателя.

В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара - его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить - от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.

И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего - его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате - один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё.

Не суждено было найти применение машинам Папена, но другое его изобретение - паровой котёл - являлось отправной точкой для других конструкций, более или менее удачных. Папен также был первопроходцем в области конструирования ДВС, что также является его заслугой.

 

Паровой насос Сэвери

Изобретён английским горным инженером Томасом Сэвери.

Предназначался для откачки воды из шахт. Этот насос имел малую мощность и КПД.

Из-за острой нужды в универсальном двигателе были попытки соединить этот насос и водяное колесо для получения вращательного движения: насос качает воду из нижнего в верхний бак, из которого вода льётся на водяное колесо и возвращается в нижний бак.

Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.

Об этом насосе знал русский царь Пётр I, который хотел применить его при строительстве каналов в Петербурге, но был разочарован его малой мощностью и приказал поставить насос в Летнем саду для обеспечения водой фонтанов.

 

Паровая машина Ньюкомена

Была создана в 1711 году английским изобретателем - кузнечным мастером Томасом Ньюкоменом.

Принципиальное устройство изображено на рисунке.

Машина управлялась вручную, лишь в 1718 году Бейтон придумал механизм, обеспечивающий машине самостоятельность.

Машина имела КПД, равный 1%, и поэтому нашла применение только на угольных шахтах, где было дешёвое топливо.

Применялась для привода водяного насоса, откачивающего воду из шахт.

Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало - поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления.

Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.

 

Паровая машина Ползунова

Паровая машина русского механика И.И. Ползунова была построена за 20 лет до создания Уаттом своей машины, в 1766 году на Алтае. Ползунов был высоко образованным человеком для своего сословия, имел представление об машинах Сэвери и Ньюкомена. Перед конструированием машины механик проделал большую работу - не только расчёты, но и преодоление чиновничьей волокиты. И только посулив большую выгоду от использования своей " огнедействующей" машины, Ползунов смог её построить. Но…тяжёлая болезнь - туберкулёз - погубила не только изобретателя, но и его изобретение. После смерти Ползунова машина проработала 43 суток, не только окупила сама себя, но и принесла большую экономию заводу. Машина встала из-за поломки парового котла, сделанного из меди (для пробы), а не из чугуна. Вскоре она была разобрана " за ненадобностью". Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла. В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем. Несмотря на печальную судьбу как машины, так и её изобретателя, мы не должны забывать, кто первым изобрёл этот так необходимый для промышленности того времени двигатель - выдающийся уральский механик, солдатский сын Иван Иванович Ползунов.

 

Паровая машина Уатта

Более удачливым в конструировании, а также признании универсального двигателя был английский механик Джеймс Уатт.

Уатт был механиком, работавшим в мастерских университета города Глазго. Однажды он получил задание - починить имевшуюся при университете машину Ньюкомена. Уатт выполнил задание, а сам сделал себе модель машины и начал с ней экспериментировать. После нескольких опытов механик выявил её основные недостатки, и решил построить свой тепловой двигатель, который был от них свободен.

Имея не только материальную, но и научную поддержку, Уатт принялся за работу.

Прежде всего, Уатт отказался от конденсации пара в самом цилиндре - на это тратилась дополнительная энергия. Для конденсации он сконструировал отдельный прибор, в котором во время работы машины создавалось разряжение, приводившийся в действие самой машиной.

После нескольких более или менее удачных проектов Уатт сконструировал действительно универсальный тепловой двигатель, устройство которого показано на рисунке (для наглядности опора балансира развёрнута на 180 градусов). Машина имела цилиндр двойного действия: в то время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижней части выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска - выпуска пара то из нижней, то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразным краном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр (" Мал " золотник", да дорог! " ). Точная подгонка всех деталей имела очень важное значение, так как без этого машина не стала бы работать, но для промышленно развитой Англии достижение точности не являлось трудным вопросом. Уатт применил в своей машине ещё одно полезное приспособление - регулятор подачи пара, который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала. Именно Уатт ввёл понятие " лошадиная сила". Двигатель Уатта оказался не только универсальным, но и мощным и компактным, что позволяло его ставить не только на заводы, но и на средства передвижения.

Паровая машина Уатта сыграла значительную роль в истории человечества, т.к. она сумела произвести промышленный переворот, т.е. переход от ручного производства к машинному.

 

 

Паровая турбина

История промышленной паровой турбины началась с изобретения шведским инженером Карлом - Густавом - Патриком де Лавалем …сепаратора для молока. Сконструированный аппарат требовал для себя привода с большим числом оборотов. Изобретатель знал, что ни паровая машина, ни ДВС того времени не могли развить нужное число оборотов. Но он также знал о турбине Герона, и применил его изобретение для своего сепаратора: через две изогнутые трубки выходил пар, и они начинали двигаться, вращая всю конструкцию.

Вскоре Лаваль отошёл от реактивного принципа, и построил турбину по активному. Рабочее колесо этой турбины имело по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкало 4 сопла, из которых со скоростью свыше 1 км/с выходил пар, передавая свою кинетическую энергию турбине, заставляя её вращаться с огромной скоростью. Эта турбина имела мощность 5 лс и развивала 30000 оборотов в минуту, что делало её непригодной для привода рабочих машин (станков и пр). Но после упорной работы Лаваль стал строить турбины мощностью 500 лс при 10000 оборотов в минуту; чтобы ещё снизить число оборотов, Лаваль применял редуктор.

Но и после появления этих турбин новый двигатель не мог конкурировать с паровой машиной: одноступенчатая турбина Лаваля с редуктором была дорога, громоздка и имела не очень высокий КПД.

 

 

Значительно больших успехов в конструировании паровых турбин добились изобретатели других стран.

Основной ошибкой Лаваля было применение только одной ступени, что и вызывало указанные недостатки. Французский инженер Огюст Рато предложил активную турбину с несколькими ступенями, рассчитанную на 1000 лс. Главным новшеством было то, что Рато заставил пар расширятся постепенно, для чего в перегородках между колёсами турбины были проделаны сопла, причём в первой перегородке сопла менее широкие, чем во второй, а те, в свою очередь, менее широкие, чем в третей и так далее, что позволяло использовать всю кинетическую энергию пара, так как он расширялся и терял давление постепенно, увеличивая свою скорость.

Активную турбину несколько другой конструкции построил американский инженер Чарльз Кертис. Он предложил на одном рабочем колесе помещать несколько рядов лопаток, между которыми конструктор расположил неподвижные, связанные со стенками корпуса турбины направляющие каналы. Таким образом, струя пара встречается с первым рядом лопаток, но не успев передать всю энергию колесу и значительно снизить свою скорость, струя попадает в неподвижные каналы, которые направляют пар на второй ряд рабочих лопаток. Отдав часть энергии первому ряду, другую часть струя пара отдаёт второму и так далее. В результате пар передаёт турбине Кертиса ту же энергию, что и турбине с одним рядом лопаток, но при меньшей скорости вращения. Эта турбина имеет один недостаток - низкий КПД.

Не был забыт и реактивный принцип. Англичанин Чарльз Парсон вошёл в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа. Свою первую турбину, используя реактивный принцип, Парсон построил в 1884 - 1885 годах. В этой конструкции использовался и активный принцип. Это была многоступенчатая турбина. Пар в этой турбине, проходя между неподвижными лопатками направляющего аппарата, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость. Но, кроме расширения в направляющих аппаратах, Парсон ввёл расширение и в каналах лопаток рабочего колеса, следовательно, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает расширяться. Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Когда пар покидает рабочие лопатки с повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей, создавая реактивное действие на рабочие лопатки, сообщающее им дополнительную скорость, а, следовательно, и дополнительную энергию.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: