Развитие теплоэнергетики

Эффективность увеличения давления становилась все более очевидной уже в 30-е годы XIX в. Изобретатель парового молота английский инженер Нэсмит писал, что в паросиловых установках «..стали применять высокое давление, ... которое заставило бы инженеров старой школы упасть в обморок от страха. Но так как экономический результат

развивалась ускоренно и к концу XIX в. котельные давления достигали значений порядка 13— 15 атм.

Требование к повышению давления вошло в противоречие с требованием роста паропроизводительности котлоагрегатов. Шар — наилучшая геометрическая форма сосуда, подвергающегося большому внутреннему давлению,— дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности необходима развитая поверхность. Наиболее приемлемой мерой для преодоления этого противоречия явилось использование цилиндра — следующей за шаром геометрической формой в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. Возник цилиндрический котел, примененный первыми наиболее решительными и смелыми приверженцами высокого давления. В 1801 г. О. Эванс в США построил паросиловую установку с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 8—10 атм. Котел Эванса имел цилиндрическую форму с цилиндрической же внутренней топкой. В 1824 г. С- В. Литвинов в Барнауле разработал оригинальную паросиловую установку высокого давления с прямоточным котлоагрегатом, состоявшим из оребренных труб. В этой установке насос высокого давления (до 50 атм) должен был подавать питательную воду в нижнюю часть котла 3, названную изобретателем «водокалителем», в которой вода перегревалась без испарения при высоком давлении, а затем через дроссель поступала в «парообразователь» 4, где она при более низком давлении мгновенно испарялась и частично перегревалась. Отработав в цилиндре высокого давления (ЦВД) пар направлялся во второй котел 6, нагревавшийся отходящими газами, из которого он поступал в цилиндр низкого давления (ЦНД) 2 с меньшей влажностью. Из ЦНД пар выходил в конденсатор, а насос низкого давления 8 подавал конденсат во вторичный котел 6. Как видно, в предложении Литвинова имеются некоторые элементы и принципы современных паросиловых установок: ступенчатое испарение, прямоточные котлоагрегаты, регенерация тепла. Установка Литвинова не была осуществлена, так как рецензент признал ее непригодной, исходя из того, что таких конструкций нет в Англии.

С ростом котельного давления и паропроизводительности необходимо было уменьшать диаметр цилиндра (прочность) и увеличивать его длину (производительность): котел превращался в трубу. Эти тенденции проявлялись в форме дробления котлоагрегатов по двум возможным направлениям: дробились или газовым тракт котла, или водяное пространство. Таким образом, определились два основных типа котлов: жаротрубные и водотрубные.

На рис. 3-15 схематически показан исторический процесс развития котлоагрегатов двух основных типов в первой половине XIX в. Исходным типом являлся простой цилиндрический котел. Затем газовые каналы, образуемые кладкой котла, дополняются внутренним каналом — жаровой трубой 2 (корнваллийский котел, названный так по месту первого применения), позднее — две жаровые трубы 3 (ланкаширский котел), а затем — большое количество так называемых дымогарных труб малого диаметра, либо продолжавших движение газов за топочной камерой к задней стенке котла {4 — «пролетный» или локомобильный котел), либо поворачивавших поток газов на 180°С с выходом в передней стенке котла (5 — шотландский котел, получивший широкое применение в XIX в. в качестве судового котла). Наконец, паровозный котел 6 завершил развитие жаротрубных котлов.

Дробление водяного пространства котлов в виде «двоек» 7, «шестерок» 8, «девяток» осуществлялось довольна широко в фабрично-заводских установках, причем в зависимости от расположения нижних труб такие котлы подразделялись на котлы «с кипятильником» и котлы «с подогревателем».

Рост давления привел к необходимости уменьшения диаметра трубок до величины порядка 100 мм. Тонкие трубы представляли широкие возможности компоновок самых разнообразных комбинаций поверхностей нагрева, но при условии обеспечения надежной циркуляции воды по трубам котла. Первые опыты, не учитывавшие роли циркуляции, были. неудачными. Сконструированный немецким инженером Э. Альбаном, работавшим в Англии, однокамерный котел высокого давления (до 40 атм.) показал, что в глухих трубках котла образуются и застаиваются пузыри пара, вызывая пережог  стенок.

Позднее Альбан соорудил двухкамерный котел, расположив трубы с некоторым наклоном для лучшей циркуляции пароводяной смеси. Во второй половине XIX в. двухкамерный котел получил большое распространение в ряде модификаций, предлагавшихся разными фирмами.

Водотрубным котлам предстояло пройти большой путь развития как во второй половине XIX в., так и в XX в. до наших дней включительно, на чем мы остановимся в последующих главах. Что касается жаротрубных котлов, то паровозный и шотландский котлы явились «потолком» их конструктивного развития, так как наружный барабан котлов этого типа имеет большой диаметр, не допускающий повышения давления свыше 20—30 атм.

2.3 Развитие паровых машин.

Повысить единичную мощность паросиловых установок можно не только путем применения более высокого давления, но также увеличением их размеров и числа оборотов, что легко видеть из основного выражения мощности.

Ранние балансирные паровые машины давали по 15—20 ходов в минуту. Описанное выше увеличение числа оборотов путем введения промежуточных валов имело Целью повысить равномерность вращения вала. Рост мощности требовал увеличения числа ходов поршня. К последней четверти XIX в. число оборотов вала паровых машин поднялось от десятков до сотен в минуту, особенно в связи с требованиями транспортных - судовых и паровозных машин. В паровозных машинах средняя скорость поршня достигла величины 5—7 м/сек, во много раз превзойдя начальные значения (порядка 0,5 м/сек). Увеличение числа оборотов давало, кроме увеличения мощности двигателя и снижения металлоемкости конструкции, также некоторое повышение к. п. д. Это происходило вследствие резкого снижения потерь пара от конденсации на стенках цилиндра, которые у тихоходных машин составляли до 50% подаваемого к машине пара.

Большое значение для повышения к. п. д. паросиловых установок имело введение многократного расширения пара последовательно в двух, трех  и реже четырех цилиндрах.

После 1800 г., когда окончился длительный срок привилегий фирмы «Уатт и Болтон», доставивших компаньонам громадные капиталы, разные изобретатели паровых двигателей получили, наконец, свободу действий. Благодаря этому были реализованы запатентованные, но не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. В 1804 г. А. Вульф предложил паровой двигатель, совмещавший положительные характеристики двигателей Дж. Уатта и Дж. Горнблауэра. От первого был заимствован отдельный конденсатор, от второго—двойное расширение пара последовательно в двух цилиндрах (ЦВД и ЦНД).

Потребность в увеличении числа оборотов исходила не только от «внутренних» побуждений к увеличению к. п. д.; налицо имелся и «внешний» стимул: рост числа оборотов технологических машин, двигателей транспортных установок. От балансира стали решительно отказываться. Примёненный в нескольких конструкциях паровозов, он сразу же оказался неудобным и немедленно исчез. Позднее от балансира отказались и в судовых машинах. Дольше всего он продержался в стационарных установках. «Потолок» балансира был продемонстрирован в Филадельфии (США) во время выставки 1876 г. (рис. 3-18). Балансирная машина громадной по тому времени мощности в 2 500 л. с. была сконструирована известным американским конструктором Корлиссом.   Корлисс   достиг   максимального   значения к. п. д., возможного при современных ему условиях, но не увидел «завтрашнего дня» техники. Его машины, рассчитанные на насыщенный пар и небольшое число оборотов, не были в. состоянии следовать за основной тенденцией развития паротехники: парораспределительные краны Корлисса не могли работать при перегретом паре, а балансир— при повышенном числе оборотов.

Отказ от балансира и многократное расширение пара в нескольких цилиндрах обусловили возникновение новых конструктивных форм в паровых двигателях- Двигатели Двукратного расширения стали оформляться или в виде компаунд-машин с углом заклинения между кривошипами 90°, или в виде тандем - машин, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип. Кривошипы машин тройного расширения стали заклинивать под углом 120°. Разбивка мощности на ряд цилиндров повлекла за собой повышение к. п. д. за счет использования высокого перепада давлений и уменьшения теплообмена между паром и стенками цилиндров. Эта мера была полезна также для улучшения динамики двигателя, уравновешивания движущихся масс и способствовала дальнейшему увеличению числа оборотов валов двигателей.

Большое значение для повышения к. п. д. паровых двигателей имело применение с середины XIX в. перегрева пара, на эффект которого еще в 30-х годах указывал французский ученый Г. А. Гирн.

Однако и до применения перегрева пара экономичность паросиловых установок неуклонно возрастала, как это видно из кривой роста производительности на единицу затраченного топлива. Повышение удельной производительности паросиловых устанозок в пэрвой половине XIX в. кривая обобщает данные большого числа испытанных установок в виде усредненного значения паропроизводительности. У лучших установок производительность была на 50—80% выше.

За вторую половину XIX в. сложились в основном все конструктивные формы паровых поршневых двигателей, за исключением прямоточного, предложенного немецким профессором Штумпфом в 1908 г. Были разработаны конструкции смесительных и поверхностных конденсаторов. Первые, как не требующие дополнительного места, получили преимущественное распространение в установках на речных судах (с неограниченным запасом пресной воды). Были сконструированы три принципиально различные системы парораспределительных органов: золотники, краны, клапаны, оказавшиеся более или менее целесообразными для применения в конкретных двигателях в зависимости от числа оборотов, температуры, пара, режима работы и т. п. Были предложены разнообразные системы парораспределительных и реверсивных механизмов и методы их расчета. Разработка конструкций кривошипно-шатунного механизма, уплотнений, смазочных и охлаждающих систем, регулирования, использующего центробежные и инерционные усилия и т. п., имела громадное значение ие только для развития паровых двигателей. Она явилась подготовкой расчетного, конструктивного и технологического материала для освоения в будущем новых типов тепловых двигателей: паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания.

Требования на универсальный двигатель с вращательным движением вала, стимулируя работу изобретателей паровых машин, способствовали использованию не только аккумулирования и суммирования, но и роторного принципа. Время осуществления этого принципа наиболее целесообразным методом использования кинетической энергии пара еще не наступило, так как это было связано с необходимостью освоения крайне высоких чисел оборотов (тысячи и десятки тысяч в минуту). Поэтому изобретатели делали попытки осуществить роторный принцип в конструкции двигателя с использованием потенциальной энергии пара. Такие двигатели называли «коловратными машинами».

«Крыльчатка» коловратных двигателей представляет собой вращающийся поршень, получающий рабочее движение вследствие разности давлений на его поверхностях. Если по одной трубе подводить пар избыточного давления, а другую трубу соединить с конденсатором, то вследствие разности давлений Р₁ и Р₂ крыльчатка будет двигаться, передавая крутящий момент валу двигателя. Трудность конструирования коловратного двигателя заключается в том, что для поддержания разности давлений заслонка 4 должна быть опущена, а для беспрепятственного прохождения крыльчатки — поднятой. Поэтому ни одна из бесчисленных конструкций коловратных двигателей, предлагавшихся от Уатта (патент 1769 г.) до наших Дней, не оказалась способной заменить поршневой двигатель. В наше время конструктивные формы и принцип работы коловратных машин имеют применение во вспомогательных двигателях (серводвигателях) с ограниченным возвратно-качательным движением вала при неподвижной стенке 4 и применением в качестве рабочего тела пара или масла (в ряде систем непрямого регулирования).

2.4 Специализация паросиловых установок.

Расширение сферы применения парового двигателя потребовало от него все более и более широкой универсальности, способности принимать наиболее целесообразные частные формы в соответствии с конкретными нуждами промышленности и транспорта. Началась специализация тепловых силовых установок по отдельным группам, которые можно свести к следующим.

А) Водоподъемные паросиловые установки. В первой половине XIX в. в водоподъемниках преобладал поршневой насос. Поэтому паровые машины здесь сохраняли балансир как наиболее целесообразный вид привода к поршневым насосам. Тепловая часть установок значительно усовершенствовалась путем введения сепаратного конденсатора, двойного расширения пара, повышения давления до 4—6 атм. По данным испытаний лучшие водоподъемные установки давали удельную производительность до 195 000 кГ м на 1 кг сожженного угля, что при калорийности условного топлива 7 000 ккал/кг дает к. п. д., равный 6,5%.

Некоторые отдельные паронасосные установки имеют значительный исторический интерес. К числу их следует отнести сооруженную в 1845—1852 гг. громадную установку для работы по осушению Гарлемского залива в Голландии. Вертикально расположенный цилиндр двигателя диаметром 3 660 мм с ходом поршня 3 450 мм и весом 22 т действовал на 11 балансиров, расположенных по кругу и приводивших в действие 11 насосов. Наибольшая высота подъема, достигнутая паровыми водоподъемниками, составляла 650 м, а наибольший к. п. д. — 8%.

Б) Шахтные подъемные паросиловые установки до середины XIX в. паровые машины, шахтных и рудничных подъемников устраивались по общему стандарту с вертикальным цилиндром и балансиром и дополнялись в ряде случаев промежуточным валом для увеличения числа оборотов канатного барабана подъемного устройства. Специфические условия работы подъемников потребовали решения двух частных задач: тормоза и реверса. Получил применение фрикционный тормоз с канатным или ленточным захватом, заимствованный от подъемников с гидравлическим приводом. Для осуществления реверса использовался механизм переключения через промежуточный вал при нереверсивном двигателе. После разработки реверса в паровозных двигателях он был перенесен на шахтные и рудничные подъемные машины.

В) Воздуходувные паросиловые установки в первой половине XIX в. воздуходувки приводились в движение от балансирных двигателей: паровой и воздушный цилиндры располагались по концам объединявшего их балансира.

Централизация воздухоснабжения привела к чрезвычайному росту мощности и размеров подобных устройств: при 20 оборотах в минуту ход поршня парового цилиндра достигал 3,96 м, воздушного цилиндра — 3,66 м (балансир неравноплечий) и при развиваемой мощности 650 л. с. подавалось 1 246 м³ воздуха в минуту. Громадная инерция движущихся масс поршней и балансира приводила к большой неравномерности движения. Введение маховика для сглаживания этой неравномерности вызывало инерционную нагрузку деталей машины. В середине XIX в. °т балансира отказались, разместив поршни двигателя и воздуходувки на одном штоке по типу «тандем». На Рис. 3-24 показана сдвоенная воздуходувка такого типа с маховиком в качестве замедлителя скорости поршней при подходе к мертвым положениям. Переход к центробежным воздуходувкам с быстроходными паровыми машинами начал осуществляться в конце XIX в.