Файл: Курс лекций для студентов электроэнергетиков Направление подготовки 140400 Электроэнергетика.doc

В 1763 году И.И. Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проект первой в мире универсальной паровой машины, мощность 1,8 л.с. (рис. 2.3).


Рис. 2.3. - Универсальная паровая машина Ползунова:

1 - двухцилиндровый двигатель, 2 - воздуходувные меха, 3 - аккумулятор давления, 4 – сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам
В отличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий периодического действия (например, водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работу непрерывно, то есть была спроектирована как универсальная. Им были применены два цилиндра (би-система), поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС). Ползунов также разработал специальное автоматическое устройство, производящее распределение пара и воды.

Джеймс Уатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды и водяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонта модель машины Ньюкомена.

Рис. 2.4. - Схема машины Д. Уатта:

1, 2, 6, 8 - клапаны, 3 - насос, 4 - емкость с водой, 5 - конденсатор пара,

7 - паровая рубашка, 9 - котел

 

Внимательно изучив машину, он правильно определил большой ее недостаток: из-за впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины сильно охлаждался, а при подаче в него пара его необходимо было снова нагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важных усовершенствования: конденсатор пара 5 (пар конденсировался не в цилиндре, а в конденсаторе), паровую рубашку 7 вокруг цилиндра (рис. 2.4). Это существенно повысило КПД машины.

Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 году на Корнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 году все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта (Патент 1769 г.).

Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности

---

, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков.

Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 году. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежный регулятор и индикатор. Начал применяться давно известный кривошипно-шатунный механизм.

Через 20 лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороны поршня – появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавался отработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе пар отдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим для перемещения заслонки в паропроводе, это нужно для поддержания постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давление пара в котле).

Двигатели Уатта начали решительно вытеснять водяное колесо. Если за 70 лет до 1769 г. было установлено около 140 паронасосных установок, из которых около 100 работали по откачке воды на рудниках и шахтах, а остальные - в водопроводных схемах различного назначения (городские, промышленные, парковые), то, начиная с 1775 года, количество паровых установок резко возросло. Началась специализация тепловых силовых установок.

Количественное увеличение и внедрение в промышленность (водоподъемники, воздуходувы, прессы и молоты) и транспорт (пароходы, паровозы) тепловых установок, характерное для конца XVIII и всего XIX столетия, сопровождалось увеличением единичной их мощности и повышением коэффициента полезного действия[8].

После 1800 года, когда окончился десятилетний срок привилегий фирмы «Уатт и Болтон», доставивших компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели паровых двигателей получили, наконец, свободу действий. И почти сразу были реализованы запатентованные, но не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.

На последнем этапе развития паровых машин их начали применять в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций (с 80-90-х годов XIX в. по 10-е годы XX в).

К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности. Следует отметить, что с ростом мощности машины все труднее было увеличить ее быстроходность из-за увеличения инерции движущихся масс. Кроме этого, увлечение мощности машин требовало значительных затрат на материалы, а также увеличения мощности регуляторов. Рост мощностей установок приводил к большим нагрузкам и биениям на валах машин. Приведенные пределы технических возможностей поршневых машин не позволили им выдержать конкуренцию с паровыми турбинами, первые опытные образцы которых, были разработаны в конце XIX века [18].

---

В 1883 году шведу Густафу Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того, чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче. Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар. В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель. Едва появившись, турбина Лаваля завоевала всеобщее признание. Она была намного экономичнее старых паровых двигателей, очень проста в обращении, занимала мало места, легко устанавливалась и подключалась. Особенно большие выгоды турбина Лаваля давала при ее соединении с высокоскоростными машинами: пилами, сепараторами, центробежными насосами. Ее с успехом применяли как привод электрогенератора, но для него она имела чрезмерно большую скорость и поэтому могла действовать только через редуктор (систему зубчатых колес, понижавших скорость вращения при передаче движения от вала турбины на вал генератора).

В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину, получившую в дальнейшем широкое применение на тепловых электростанциях. В 1889 году уже около трехсот таких турбин использовалось для выработки электроэнергии, а в 1899 году в Эльберфельде была построена первая электростанция с паровыми турбинами Парсонса. Между тем Парсонс старался расширить сферу применения своего изобретения. В 1894 году он построил опытное судно «Турбиния» с приводом от паровой турбины. На испытаниях оно продемонстрировало рекордную скорость – 60 км/ч. После этого паровые турбины стали устанавливать на многих быстроходных судах. Паровая турбина оказалась очень удобным двигателем для привода ротативных механизмов (генераторы электрического тока, насосы, воздуходувки) и

---

судовых винтов; она была более быстроходной, компактной, лёгкой, экономичной и уравновешенной, чем поршневая паровая машина. Развитие паровых турбин шло чрезвычайно быстро как в направлении улучшения экономичности и повышения единичной мощности, так и по пути создания специализированных турбин различного назначения.

Следующий этап развития энергетики связан с использованием нового вида энергии – электричества.

Электрические и магнитные явления наблюдались еще в глубокой древности [18]. История электротехники насчитывает немногим более полутора столетий. Свое начало она ведет с момента создания первого электрохимического генератора (1800 г.). До 1800 года были сделаны только первые шаги по созданию простейших электроста­тических машин и приборов и установлению некоторых закономерностей в области статического электричества и магнетизма. В этот период происходит становление электростатики. В 1785 г. Ш.О. Кулону удалось установить закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Создание первых электроизмерительных приборов положило начало установлению количественных закономерностей в области электромагнитных явлений. Большое значение имели работы, установившие электрическую природу грозовых явлений в атмосфере, а также разработка теорий электричества (М.В. Ломоносов, Б. Франклин) и создание разнообразных молниеотводов (М.В. Ломоносов, Б. Франклин и чешский ученый П. Дивиш).

С 1800 по 1830 г.г. происходило изучение действий электрического тока, был установлен ряд закономерностей в области электромагнетизма, а также проведены первые опыты по практическому применению электричества. В это время разрабатываются основы электродинамики, закладывается фундамент электротехники. В 1799 году итальянским ученым А. Вольта был создан первый электрохимический генератор – вольтов столб. Он представлял собой простейшую батарею гальванических элементов с одной жидкостью: между парами цинковых и медных пластин (дисков) прокладывались суконные кружки, смоченные щелочью или кислотой. Эксперименты ряда ученых (Г.С. Ом, А. Ампер, Т. Зеебек, Х. Дэви, В.В. Петров и др.) с вольтовым столбом уже в течение первых двух-трех лет после его создания привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий электрического тока.

Второй этап развития электротехники (1831-1870 г.г.) начался с открытия М. Фарадеем закона электромагнитной индукции, а завершился созданием первого промышленного электрического генератора. Поскольку все первые потребители электрической энергии, питались исключительно постоянным током и этот род тока был наиболее изучен, то и первые электрические машины были машинами постоянного тока. Причем развитие электрических генераторов отставало от развития электрических двигателей, для питания которых использовались химические источники тока. Набольшую известность в области создания двигателей постоянного тока получили работы У. Риччи, Дж. Генри, Т. Девенпорта, А. Пачинотти, а также российского ученого академика Б.С. Якоби.

---

Первоначально электрические генераторы создавались с возбуждением от постоянных магнитов, такие генераторы получили в то время название магнитоэлектрических машин. Занимаясь усовершенствованием методов электрического взрывания мин, Б.С. Якоби построил в 1842 г. первый используемый в практической деятельности генератор, названный им «магнитоэлектрической батареей». Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получив­шие применение на маяках в связи с развитием морского транспорта. Еще в 1849 г. профессор Нолле (Бельгия) принялся за построение мощного магнитоэлектрического генератора для установки на маяках. Для производства таких генераторов была организована в Париже электропромышленная компания «Альянс». В течение 1857-1865 гг. в эксплуатации было около 100 машин «Альянс». Генератор «Альянс» нагляднее, чем другие меньшие по размерам машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций постоянные магниты быстро размагничивались, в связи с чем электродвижущая сила генератора уменьшалась, и его мощность снижалась.

Следующий этап развития генераторов связан с изобретением генераторов сначала с независимым возбуждением, а затем с самовозбуждением [17]. Первое предложение о замене постоянных магнитов электромагнитами, возбуждаемыми током от магнитоэлектрической машины, было сделано в 1851 г. В.И. Зинстеденом. Принцип самовозбуждения был практически одновременно открыт датским изобретателем С. Хиортом, венгерским физиком Аньошем Иедликом, английским физиком Ч. Уитстоном, английскими инженерами Кромвелем и Сэмьюэлем Варли, немецким предпринимателем В. Сименсом.

Третий этап в развитии электротехники (1870-1891 г.г.) продолжался с момента внедрения в промышленность электромашинного генератора постоянного тока вплоть до завершения исследований в области многофазных систем [18]. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электроэнергии и начального развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.

Первыми промышленными электроустановками были системы освещения крупных городов. Оригинальные конструкции первых ламп накаливания с угольным стержнем были предложены в1873 г. – А.Н. Лодыгиным, в 1875 г. – П.Н. Яблочковым, в 1879 г. – Томасом Эдисоном, получившим наибольшую известность в мире.

---