Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Этот комбинированный принцип и лег в основу дальнейшего развития паровых турбин.
Однако наряду с активными турбинами получили свое развитие и турбины реактивные.
  
Реактивная турбина Парсонса
 
Англичанин Чарльз Парсонс вошел в историю техники как создатель промышленной турбины реактивного типа.
Парсонс родился в 1854 году и так же, как Лаваль и Рато, был широко образованным инженером, окончившим один из старейших английских университетов в Кембридже. Не случайно, что новый паровой двигатель создавался не мастерами-самоучками, как паровая машина, а инженерами, обладающими большими теоретическими знаниями.
Это был двигатель более высокого класса. Его создание требовало сложных математических расчетов, требовало применения специальных материалов, требовало точной механической обработки деталей. Новый двигатель можно было создать не случайными техническими находками, а научными изысканиями, последовательно ведущими инженера от одного технического решения к другому.
Новый двигатель создавался на пороге XX века, века быстро развивающейся науки и совершенствующейся техники.
Свою первую небольшую турбину в 6 лошадиных сил Парсонс построил в 1884–1885 годах, несколько раньше Рато. Это была тоже многоступенчатая турбина, но ее принцип действия отличался от принципа Лаваля или Рато, — ее нельзя было считать чисто активной турбиной. Вот посмотрите на рисунок, на котором схематично показаны три ряда лопаток. Пар из котла подводится к первому ряду. Здесь пар, проходя между двумя неподвижными лопатками, образующими коническое сопло, стремится расшириться, увеличивая свою скорость течения.
 Схема реактивной турбины Парсонса. 
Однако Парсонс не дает пару в первом же ряде сопел расшириться полностью. Он так же, как и впоследствии Рато, вначале использует только часть давления пара, не доводя скорость истечения из сопла до наибольшей.
«Значит, и у Парсонса были ступени давления?» — спросите вы. Да, были. Но, кроме расширения в неподвижных соплах, Парсонс ввел расширение и в каналах рабочих лопаток.
Если вы внимательно посмотрите на второй ряд лопаток — а это как раз лопатки, сидящие на рабочем колесе, — то вы заметите, что и между ними, так же как и между направляющими лопатками, образуется конический канал-сопло. Значит, проходя по рабочим лопаткам, пар продолжает увеличивать свою скорость и расширяться.
Как же в этом случае пар воздействует на рабочее колесо? Прежде всего, как и в активных турбинах, пар, входя на рабочие лопатки, передает им часть своей кинетической энергии. Но затем, проходя по суживающимся каналам между рабочими лопатками, он, как уже сказано, увеличивает скорость.
Таким образом, вдоль лопаток пар движется в конце с большей скоростью, чем в начале. Теперь обратите внимание на то обстоятельство, что более узкая горловинка канала рабочих лопаток направлена в сторону, обратную вращению.
Когда пар покидает рабочие лопатки с несколько повышенной скоростью, он как бы дополнительно отталкивается от их вогнутых поверхностей. То есть, создается реактивное действие струи пара. Здесь происходит такое же явление, с которым мы уже знакомились, рассматривая устройство и работу реактивной водяной турбины. Рабочее колесо паровой турбины Парсонса получает дополнительную энергию и от реактивного действия пара.
Далее пар поступает в третий ряд лопаток, — эти лопатки образуют собой новый ряд сопел. Здесь происходит дальнейшее расширение пара. Затем пар поступает на новый ряд рабочих лопаток, и так далее.
Итак, в турбине Парсонса используется не только активный принцип, но и реактивный. Следовало бы эту турбину называть «смешанной», — это было бы правильнее. Однако в технике принято именовать ее турбиной реактивной.
А нельзя ли всё же создать и чисто реактивную турбину? Парсонс пробовал строить и такие турбины. Одну из них он даже назвал «Герон». Эта турбина почти точно воспроизводила принцип шара Герона. Здесь, однако, не было самого шара. Здесь на общем валу сидело несколько дисков, полых внутри. На ободах этих дисков ставились сопла, направленные в сторону, обратную направлению вращения. Пар подводился через канал, просверленный внутри вала, в полость дисков. Оттуда же пар выходил через сопла, заставляя диски вращаться в обратную сторону.
Построив такую турбину, Парсонс убедился в том, что ее коэффициент полезного действия оказывается очень низким, — составляет всего 70 % от коэффициента полезного действия ранее описанной турбины смешанного типа. Это заставило Парсонса больше не возвращаться к идее чистой реактивной турбины и дальнейшие искания направить на создание экономичной, надежной турбины смешанного типа.
Таким образом, турбина Парсонса, получившая название реактивной, на самом деле использует и тот и другой принцип действия паровой струи. Первые турбины Парсонса были еще далеки от совершенства и тоже не могли конкурировать с паровой машиной. Однако Парсонс, так же как и Лаваль, упорно работал над своей турбиной.
Но почему всё же так настойчиво пытались заменить паровую машину турбиной? Ведь к началу XX века паровая машина достигла совершенства и, казалось, удовлетворяла промышленность? Ее мощность была вполне достаточной, чтобы приводить в движение механизмы весьма крупных заводов.
И тут мы снова должны сделать отступление и сказать несколько слов о появившемся к тому времени новом виде энергии — электричестве, с помощью которого стало возможно получать и механическую энергию.
  
Вторичный двигатель
 
Русский академик Борис Семенович Якоби в 1834 году построил первый в мире электродвигатель, показав, как можно с помощью электрического тока получать механическую работу вращения.
Паровая машина только начала внедряться в промышленность, а академик Якоби уже предвидел, что она должна уступить свое исключительное место другим двигателям. Он указывал на неоспоримые преимущества нового электрического мотора:
«Механизм мотора весьма несложен, по сравнению с паровой машиной: нет цилиндров, поршней, клапанов… Машина эта даст непрерывное, постоянное, круговое движение, которое гораздо проще преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное движение».
Это было написано в 1835 году. С того времени медленно, но верно стал завоевывать право на жизнь еще один двигатель — электромотор.
Вряд ли кто-либо из читателей этой книги не знаком с электромотором. На уроках физики, вероятно, не раз демонстрировалась эта внешне простая, но очень важная электрическая машина.
Современный электромотор по своему устройству, конечно, отличается от того, что предлагал в свое время Якоби.
Рассмотрим, как работает простейший современный электродвигатель — двигатель постоянного тока.
 Схема электромотора постоянного тока. 
В каждом электродвигателе имеется неподвижная часть — корпус, или статор, и подвижная, вращающаяся, — ротор.
Статор имеет выступы — полюсы, между которыми вращается ротор. Вокруг полюсов намотана проводящая электричество металлическая проволока в изоляции. Это обмотка статора.
Имеется обмотка и на роторе. Если теперь направить электрический ток и в обмотку статора и в обмотку ротора, то получится следующее.
Из физики известно, что ток, проходя по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле. Значит, такое поле возникнет и вокруг статора и вокруг ротора. Это будет означать, что внутри одного магнита оказался другой. А в этом случае, как известно, магниты будут стремиться встать друг против друга своими разноименными полюсами. Северный полюс ротора устремится к южному полюсу статора — возникнет движение ротора. И это движение будет происходить всё время, пока идет ток по обмоткам, потому что у ротора положение полюсов определяется неподвижными щетками, по которым подводится ток, и такого момента, когда разноименные полюса статора и ротора притянутся, не наступает. Как только один виток обмотки ротора, стоящий возле щеток, повернется, следом за ним подойдет к щеткам другой виток и тоже повернется. Так возникает сила, поворачивающая ротор. Эту силу можно использовать, соединив вал ротора с любой машиной или станком.