Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя
Новая наука положила основу совершенствованию не только паровых машин, но и всех тепловых двигателей на многие десятилетия вперед, вплоть до наших дней.
Что же касается паровых машин, то к началу XX века уже стали строить паровые машины мощностью в 6–8 тысяч лошадиных сил, в то время как сто лет тому назад — к началу XIX века, во времена Уатта, машины строились лишь до 50 лошадиных сил. Паровая машина XX века использовала пар высокого давления и высокой температуры, была значительно экономичней первых машин и при большой мощности была сравнительно небольших размеров.
«Была? Почему была, а сейчас разве не строят паровых машин?» — спросите вы.
Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется снова вернуться в XIX век и проследить за появлением еще одного теплового двигателя — паровой турбины.
Глава III. Двигатель тепловых электростанций
От молочного сепаратора к паровой турбине
Идея Герона Александрийского, так же как и проект Джиованни Бранка, к началу XIX века вновь привлекла к себе внимание инженеров и изобретателей. Большинство рабочих машин требовало от двигателя вращательного движения.
Казалось заманчивым попытаться использовать энергию пара для получения механической работы не в поршневой машине, где приходится возвратно-поступательное движение поршней превращать во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма, а в машине-турбине, где пар должен, выходя из котла, сразу создавать вращательное движение рабочего колеса.
Пытались повторять «Геронов шар», используя реактивное действие струи пара, пытались предлагать двигатели, очень напоминающие колесо Бранка, где имеется в виду использование активного действия струи пара, — множество всяких проектов появлялось.
За первые две трети XIX века насчитывают более двухсот предложений паровых турбин. Но ни один проект не мог быть практически осуществлен, — еще не знали, как правильно рассчитывать такие турбины, какие формы придавать лопаткам и каналам, направляющим пар на лопатки. Слишком большие скорости вращения, большие диаметры колес, повышенные требования к материалам затрудняли применение таких двигателей на практике.
Паровая турбина интересовала и русских изобретателей. Одним из первых — в 1806–1813 годах — Поликарп Залесов сооружал на Алтайском Сузунском заводе модели паровых турбин. Однако эти начинания, как и многие другие, не получили нужной поддержки в царской России.
Первой турбиной, которую можно было практически использовать, была турбина, построенная шведским инженером Лавалем в 1890 году.
Карл-Густав-Патрик де Лаваль принадлежал к старинной французской семье, переехавшей в Швецию еще в конце XVI века — в тот темный период, когда господствующие религии не стеснялись огнем и мечом подавлять своих «братьев во Христе», имеющих несколько отличные религиозные взгляды. Учинив невиданную резню в ночь на святого Варфоломея, французские феодалы-католики сломили сопротивление своих религиозных противников — гугенотов. Оставшиеся в живых поспешили покинуть Францию. Так семья Лавалей оказалась в Швеции.
Будущий изобретатель первой промышленной паровой турбины родился в 1845 году.
Лаваль получил хорошее, разностороннее образование, окончив два высших учебных заведения: технологический институт и университет.
Обладая широким техническим кругозором и нужными математическими знаниями, Лаваль с первых же дней своей практической деятельности посвятил себя разработке новых машин и устройств, совершенствующих самые различные области техники.
Интересно отметить, что свои работы по созданию турбины Лаваль начал с конструирования сепаратора молока. Чтобы сообщить сепаратору большую скорость вращения, Лаваль применил способ Герона, — через две отогнутые трубки выходил пар, отчего эти трубки вместе с цилиндром сепаратора быстро вращались.
Далее Лаваль стал совершенствовать турбину и в конце концов отошел от реактивного принципа Герона и построил свою первую промышленную турбину на активном принципе Бранка. Однако, обладая глубокими инженерными знаниями, Лаваль, естественно, не пошел по примитивному пути Бранка.
Рабочее колесо турбины Лаваля с четырьмя пароподводящими трубками — соплами.
Лаваль изучил, как лучше всего направлять пар на лопатки, используя его скорость; он разработал новый вид направляющих трубок-сопел, придав им специальную коническую форму. При таких соплах пар мог выходить на колесо турбины с огромной скоростью, превышающей скорость звука.
Рабочий диск турбины Лаваля имел по окружности множество лопаток. К лопаткам примыкали четыре неподвижные трубки, по которым пар подводился из котла к лопаткам. Трубки эти и называются «соплами». Выходящий с огромной скоростью (свыше километра в секунду) пар передавал свою кинетическую (скоростную) энергию колесу, заставляя последнее вращаться с большим числом оборотов.
Так, первая турбина Лаваля при мощности в 5 лошадиных сил развивала 30 000 оборотов в минуту.
Паровые поршневые машины давали большие мощности и лучший КПД при более низких оборотах (от 125 до 1500 оборотов в минуту), которые как раз и нужны были для привода рабочих машин. Поэтому первая турбина Лаваля еще не могла с ними конкурировать. Но изобретатель упорно работал над своим двигателем, и через десять лет он уже стал строить турбины до 500 лошадиных сил при 10 000 оборотов в минуту. А чтобы и эти обороты снизить до оборотов рабочих машин, Лаваль пристраивал к своим турбинам редуктора, то есть шестеренчатые передачи, которые постепенно от вала турбины до выходного рабочего вала понижали скорость вращения.
Однако и после этого турбина еще не могла конкурировать с паровой машиной, — одноступенчатая турбина с редуктором была громоздка, дорога и обладала низким КПД.
Итак, Лаваль, начав свои работы с использования реактивного принципа Герона, пришел к конструкции турбины активного действия.
Уясним еще раз, в чем отличие двух этих принципов использования пара в турбине для получения механической работы вращения.
Подойдем к биллиардному столу. Вот игрок нацелился и кием отправил один из шаров так, что тот, быстро разогнавшись, ловко коснулся другого шара. Второй шар, получив толчок, сам покатился. При этом первый шар, отдав часть своей кинетической (скоростной) энергии второму шару, стал замедлять движение. Похожее явление наблюдается и при поступлении пара на лопатки колеса активной турбины. К соплам пар подводится из котла под некоторым давлением. Проходя сопла, пар расширяется в них и приобретает большую скорость. Обладая этой большой скоростью, струя пара, состоящая, в сущности, из множества мельчайших частичек-шариков, встречается с выгнутыми в виде совочков лопатками подвижного колеса. Скользнув вдоль вогнутой поверхности лопаток, струя отдает часть своей кинетической энергии колесу и затем покидает турбину. Вслед за первой струей на лопатки поступит сразу же следующая, и колесо получит непрерывное вращение. Таков принцип работы активной турбины.
…Подойдем теперь к артиллерийскому орудию и проследим, как оно себя ведет в момент выстрела. Вот артиллерист зарядил орудие снарядом, навел его на цель и нажал спускной рычаг. Прогремел выстрел — снаряд устремился вперед. Но и орудие не осталось неподвижным. Вы заметили, как оно вздрогнуло во время выстрела, а затем казенная часть и ствол откатились немного назад по специальным направляющим дорожкам. Взорвавшийся порох стал давить внутри ствола во все стороны. Но снаряд вылетел — и тогда в передней части ствола стенки не оказалось, — газ стал выходить, а в задней части стенка восприняла давление, и орудие откатилось. Получилось впечатление, что газ, вылетая вслед за снарядом, как бы отталкивается от стенки затвора, отводя при этом орудие назад. То есть, происходит примерно так же, как если бы с плота прыгал человек: человек прыгнул бы вперед, а плот оттолкнулся бы назад. Такое действие называется реактивным.
