Реферат: Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2010
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Московский государственный индустриальный университет
Кафедра промышленной теплоэнергетитки
Е.А. Шакирова
ИСТОРИЯ ЭНЕРГЕТИКИ
Курс лекций для студентов
специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»
МОСКВА 2010
СОДЕРЖАНИЕ
ТЕМА 1. Введение…………………………........................................................................ |
Энергия и энергетика………............................................................................... |
Виды энергии и развитие человеческого общества.......................................... |
Количественные показатели энергетики........................................................... |
Естественные ресурсы………............................................................................. |
ТЕМА 2. Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития энергетики......... |
Предпосылки развития гидроэнергетики…………………............................... |
Водяные колеса………………………………………………………………… |
Гидравлический двигатель…………………………………………………….. |
Гидроэнергетика и теплоэнергетика………………………………………….. |
ТЕМА 3. История теплоэнергетики.................................................................................... |
Предпосылки возникновения теплоэнергетики................................................ |
Начальный период развития теплового двигателя........................................... |
Появление универсального парового двигателя……....................................... |
Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие паровых машин…………………………………………………………………………… |
Паровой котел…………………………………………………………………… |
Возникновение парового транспорта………………………………………….. |
Двигатели внутреннего сгорания………………………………………………. |
Паровая турбина………………………………………………………………… |
Газовая турбина…………………………………………………………………. |
Тепловые машины и их влияние на окружающую среду…………………….. |
ТЕМА 4. Развитие электротехники и электромеханики................................................... |
Этапы развития электротехники......................................................................... |
Первый генератор электрического тока............................................................. |
Электродинамика, основные законы электрической цепи............................... |
Развитие электрических машин постоянного тока…………………………… |
ТЕМА 5. Переход энергетической техники на качественно новый уровень…….......... |
Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики.............. |
Развитие кабельной и изоляционной техники………………………………… |
Развитие генераторов и двигателей однофазного тока………………………. |
Развитие однофазных трансформаторов………………………………………. |
Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током…………………………….... |
Электростанции постоянного и однофазного переменного тока……………. |
Возникновение многофазных систем………………………………………….. |
Трехфазная система…………………………………………………………….. |
Трехфазный трансформатор……………………………………………………. |
Первая трехфазная линия электропередачи…………………………………... |
ТЕМА 6. Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией........................... |
Развитие котлостроения…………...................................................................... |
Развитие паровых турбин………………………………………………………. |
Развитие гидравлических турбин……………………………………………… |
ТЕМА 7. Развитие электростанций………………………………..................................... |
Развитие тепловых электростанций................................................................... |
Развитие гидроэлектростанций........................................................................... |
ТЕМА 8.. Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния........... |
Передача энергии постоянным током………………….................................... |
Передача энергии переменным током................................................................ |
Развитие кабельных и воздушных линий.......................................................... |
Вводная лекция по дисциплине
«История энергетики»
Преподаватель – Шакирова Екатерина Алиевна, ассистент кафедры 37 промышленной теплоэнергетики ГОУ МГИУ.
По истории и прогнозированию развития энергетики опубликовано множество работ отечественных и зарубежных авторов, в которых рассматриваются общие закономерности развития энергетики, раскрывается исторический процесс развития тепло-, гидро- и электроэнергетики, описываются основные варианты применения электроэнергии: средства управления и автоматики.
Особенностью данного курса является описание исторического процесса развития энергетики с глубины веков и до настоящего времени, а также повышенное внимание к влиянию энергетического оборудования на среду обитания человека. К сожалению, это влияние, как правило, негативное.
Цели и задачи учебной дисциплины
Дисциплина «История энергетики» изучается студентами специальности «Промышленная теплоэнергетика».
Целью введения дисциплины является раскрытие исторического процесса развития энергетики во взаимосвязи с достижениями и последствиями этого развития в окружающей среде; на этой основе обращение внимания студентов на необходимость комплексного подхода при решении профессиональных технических задач в процессе проектирования и эксплуатации энергетического оборудования.
Задачей учебной дисциплины является:
• охват максимального числа факторов при поиске оптимального проектного решения и учет основных связей, которым будет подчинен процесс существования и эксплуатации проектируемого объекта;
• определение экономической целесообразности создания объекта, путем сопоставления затрат на создание и убытки при эксплуатации этого объекта;
• прием во внимание исторического опыта развития необходимой области энергетики в профессиональной деятельности.
Общие методические указания
Дисциплина «История энергетики» является важной ступенью учебного процесса. Изучение данной дисциплины начинается в первых семестрах и служит психологической основой необходимости овладения знаниями всех остальных дисциплин учебного плана подготовки инженеров-теплотехников.
Содержание рабочей программы построено на материале различных литературных источников, приведенных ниже.
При самостоятельном изучении материала, по всем возникающим неясным вопросам необходимо обращаться за консультацией на кафедру. Для самопроверки усвоения материала рекомендуется ответить на приведенные вопросы к разделам рабочей программы, а также протестироваться.
По дисциплине «История энергетики» предусмотрено написание реферата по одному из разделов курса. Темы для написания реферата необходимо взять у преподавателя.
При изучении дисциплины рекомендуется руководствоваться программой курса и самостоятельно овладеть теорией по учебникам. Рекомендуется прослушать обзорные лекции по основным разделам курса, которые читаются в период экзаменационных сессий.
В конце курса предусмотрен зачет по дисциплине. Требования, предъявляемые на зачете — знание теории и понимание физической сущности рассматриваемых в курсе вопросов, а также по каждому разделу знание фамилий — основоположников той или иной науки и их основного вклада в энергетику.
Основная литература
1. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Энергетическая техника и ее развитие.-М.: Высшая школа, 1976.-304с.
2. Давыдова Л.Г., Буряк А.А. Энергетика: пути развития и перспективы .-М.: Наука, 1981.-120с.
3. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020г./ Перевод с англ. Под редакцией Ю.Н. Старшинова.-М.: Энергия, 1980.-256с.
4. Воробьев В.Е., Рябуха В.И., Томов А.А. История энергетики и среда обитания человека., Спб., 2004.-76с.
Дополнительная литература
1. Беляев Л. С. Комплексные проблемы развития энергетики СССР / Л. С. Беляев; Ю. Д. Кононов; А. А. Кошелев; д. и. — Новосибирск: Б. и., 1988. — 284с.
2. Веселовский О. Н. Энергетическая техника и ее развитие / О. Н. Веселовский. — М.: Наука, 1976. — 304с.
3. Григорова Л. Ф. От тепла к атому / Л. Ф. Григорова. — Ереван: Б. и., 1976. — 156с.
4. Гуриков В. А. Из истории развития передачи электрической энергии / В. А. Гуриков. //Электро. — 2000. — N1. -С. 50-52.
5. Карцев В. П. Тысячелетия энергетики / В. П. Карцев; П. М. Хазановский. — М.: Знание, 1984. — 224с.
6. Лебедев Б. П. Электроэнергетика мира в 1993 г. / Б. П. Лебедев. //Электрические станции. — 1996. -N6. -С. 63-68.
7. Мелентьев Л. А. Очерки истории отечественной энергетики: Развитие науч. -техн. мысли / Л. А. Мелентьев. — М.: Наука, 1987. — 278с.
8. Савин В. И. Развитие электроэнергетики в России в период до 2010 г. / В. И. Савин //Промышленная энергетика. — 1995. -N4. -С. 2-5.
9. Соколов Е. Я. Развитие теплофикации в России / Е. Я. Соколов. //Горное хозяйство и экология: Изв. Жил. -коммун. акад. — 1994. -N3. -С. 70-78.
10.Ястржембский А. С. Термодинамика: история ее развития / А. С. Ястржембский. — М. -Л.: Б. и., 1966. — 667с.
ТЕМА 1
Введение
1.1 Энергия и энергетика
В процессе своего становления энергетика претерпела много изменений, но из покон веков основной ее элемент- энергия был неизменен. Слово «энергеа» при переводе с греческого означает «деятельность».
Ученые первоначально называли энергией способность различных предметов совершать работу: например, молот, падая, плющит металл.
После того как было непреложно доказано, что движение материи может превращать один вид энергии в другой (движение поднятого молота превращается при ударе о металл в тепло, при этом сам молот и обрабатываемый металл претерпевают механические изменения), можно сказать — энергия выражает общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей.
Стало возможным измерять различные по внешним признакам движения — одним общим «масштабом». Нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие — закон сохранения и превращения энергии.
Иначе говоря, окружающий нас мир есть «вечно» движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается в науке законом сохранения энергии.
Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи [1]. Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной.
Однако, чтобы эта энергия стала нужной человеку, он должен был научиться «обращаться» с ней — преобразовать одни виды энергии в другие.
Преобразование любых энергий (тепловой, механической, молекулярной, ядерной и т.д.) в электрическую энергию и обратно -называется энергетикой.
Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса — это история изобретения и создания этих устройств и машин. Слово «техника» с греческого переводится как «мастерство», можно сказать, что это умение создавать (мастерить) машины (устройства). Достижения техники являются результатом использования для нужд людей фундаментальных открытий науки во все времена.
Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.
Фундаментальной теоретической основой энергетической техники является закон сохранения и преобразования энергии.
1.2. Виды энергии и развитие человеческого общества
В период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека, биоэнергетика энергетика мускульных усилий, господствовала многие тысячелетия. Она сохранила свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, где труд раба ценился не выше, чем работа животных.
Применение в рабовладельческом обществе (I век до н.э.) водяных колес для орршения и энергии ветра в ветряных мельницах не вызывало еще сколько-нибудь серьезных изменений в общем уровне энергетической техники. Уровень общественного сознания также был далек от восприятия технических новшеств, поскольку они не сулили каких — либо существенных изменений и благ в каждодневной деятельности людей. Отдельные технические достижения, сделанные до новой эры, не нашли широкого применения в обыденной жизни. Появление приспособлений и технических устройств (механизмов) находили быстрое применение лишь в военных целях (защиты или нападения). Многие открытия были попросту забыты, а затем открывались заново в эпоху средневековья.
Только в X — XI веке новой эры (н.э.), в эпоху феодального средневековья, начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. К тому времени история развития человечества уже имеет богатейший запас научных и технических решений в вопросах преобразования энергии на уровне достаточно сложных передаточных механизмов. Несколько позднее, в XIII веке, появляются такие сложные механизмы, как часы (первыми были башенные часы с одной стрелкой).
Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, поскольку удалось:
— повысить температуру в печах, меха которых приводились в движение от водяного колеса;
— расширить возможность откачки воды из шахт с помощью насосов, приводимых в движение водяным колесом.
Начиная с XIII века н.э. водяное колесо (гидроэнергетика) становится устройством, характеризующим технический уровень энергетической техники, вплоть до промышленного переворота в конце XVIII века н.э [2].
Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Возникновение машинного производства в конце XVIII века требовало создания мощного и универсального по использованию двигателя. Этот двигатель должен был избавить промышленность от привязанности к природным источникам энергии — к воде, в первую очередь. Таким двигателем явилась паровая машина.
Изобретение универсального парового (теплового) двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота в XVIII веке — на смену гидроэнергетики пришла теплоэнергетика.
Развитие энергетической техники протекало во взаимосвязи с развитием машин и характеризовалось непрерывным возрастанием единичных мощностей энергетических установок [1].
Но, пожалуй, самое главное достижение человека и важнейшая часть энергетики — освоение электрического тока. Этот вид энергии обладает чрезвычайно важным свойством: его относительно легко получать из других видов энергии, передавать на дальние расстояния, дробить на различные «порции», «складывать» или превращать в иные разновидности энергии: механическую, тепловую, световую и так далее. Электрическая энергия помогла человеку освоить другие виды энергии, например ядерную.
Таким образом, качественные ступени развития энергетики можно представить в следующем виде [2]:
— биоэнергетика — использует в качестве источника механической энергии
биологическую (мускульную) энергию человека и животных;
— механическая энергетика (преимущественно гидро- и ветро-) использует
в качестве механической энергии потоки воды или воздуха;
— теплоэнергетика — использует в качестве источника механической работы
теплоту, выделяемую при сжигании топлива;
— современная комплексная энергетика — преимущественно использует в качестве первичной энергии тепловую и гидравлическую, а в качестве вторичной электрическую энергию;
— атомная энергетика — использование энергии ядерных реакций.
1.3. Количественные показатели энергетики
Каждая ступень развития энергетики характеризовалась некоторыми количественными показателями.
Для большинства ступеней таким показателем являлась удельная энергоемкость носителя энергии, выражаемая количеством механической работы (Дж) к единице массы энергоносителя (кг). Единица работы в СИ называется джоулем (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы: 1 Дж = 1 Н*м. Тут следует дать определение мощности. Мощность — физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Единица мощности в СИ называется ваттом (Вт). Ватт равен мощности, при которой совершается работа в 1 Дж за время 1с: 1 Вт = 1 Дж/с.
Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы. Работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, — уменьшению потенциальной энергии тел. Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой. Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики.
Для живых «двигателей» измерить удельную энергоемкость достаточно сложно вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.
Так, например, если для современного судна водоизмещением 80000 тонн использовать вместо двигателя мускульное усилие людей, как это делалось в античном мире, то для мощности в 70000 л.с. потребовалось бы свыше 2 миллионов гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысил бы вес судна и его водоизмещение [1].
Что касается природных энергоносителей, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точно цифрами, что позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.
Носитель гидроэнергии — вода — располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты ее падения в 10, 100, 1000 или 10000 Дж/кг. Рассмотрим такой пример. Для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживающие реки. Под действием силы тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем с помощью электрического генератора в электрическую энергию [3].
Для расчетов производства электрической энергии гидроэлектростанцией прежде всего необходимо уметь определять кинетическую энергию потока воды, направляющегося на лопатки турбины. Так как вода не падает на лопатки турбины вертикально сверху вниз, а движется по колодцам сложной формы, то расчеты изменения скорости воды на каждом участке ее движения с учетом действия силы тяжести и сил упругости были бы очень сложными. Однако в таких расчетах нет необходимости. Так как на воду действуют только силы тяжести и упругости, изменение ее кинетической энергии при любой траектории движения равно изменению ее потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. Изменение потенциальной энергии воды массой при изменении ее высоты h над поверхностью Земли можно связать соотношением m * g * h (здесь g ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с2 ). Силы упругости при движении воды в колодцах работы не совершают, так как их направление в любой точке перпендикулярно вектору перемещения. Поэтому изменение кинетической энергии воды равно изменению ее потенциальной энергии в поле силы тяжести. Иначе говоря, на какую высоту можно поднять воду, такую удельную энергоемкость и получим в соответствии с m * g * h .
Меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии -воздух, энергоемкость которого зависит от высоты над уровнем моря (атмосферного давления) и силы ветра, к тому же погодные условия постоянством не отличаются. «Бесплатно» получаемая таким образом электроэнергия сильно зависит от погодных условий (силы ветра).
Удельная энергоемкость топлива лежит в пределах 8000 — 46000 кДж/кг. Даже если учесть, что КПД тепловых установок в 3 раза ниже гидравлических, высокая энергоемкость горючего даст вам КПД в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.
Энергоемкость электрической энергии понятие несколько условное, поскольку эта энергия вторична. Во всех случаях получения электрической энергии ее количество, отнесенное к весу генерирующего устройства, незначительно.
Использование ядерной энергетики знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Высокая энергоемкость ядерного «топлива» (горючего) выражается в среднем 83·1012 Дж/кг по ядрами тяжелых изотопов и 630 · 1012 по термоядерным реакциям. Это в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять, что в результате возможно использовать только 10% энергии ядерного «горючего», энергоемкость ядерной энергии более чем в 106 раз превосходит энергоемкость обычных видов топлива.
Практическое применение ядерного «горючего» означало бы начало новой эры энергетики, совершенно независимой от «местных» условий [1].
1.4. Естественные ресурсы
Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух, растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и возможностям на данном уровне развития общества [4].
Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например, был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.
Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов наглядно видно на примере «топлива».
Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл. До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.
Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что спасло леса от полного истребления [4]. Да и каменный уголь стремятся все меньше использовать как топливо — тепловые электростанции переводят на низкие сорта мазута.
Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью — нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках. Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего сгорания, и сейчас нефть и нефте — продукты стали главным топливом человечества.
Во многих странах природные и попутные нефти газы не использовались, а сжигались в «факелах» (грели воздух) — технологически не умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на современном этапе могут собирать и транспортировать на любые расстояния.
На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии как «топливо» для ядерных реакторов идет атомная энергия.
В историческом расширении круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и энергию.
С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:
— на возобновляемые (восполнимые);
— невозобновляемые (невосполнимые);
— неисчерпаемые.
Многие ресурсы природы возобновляются естественным путем, в ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п. При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их возобновления [1].
К невозобновляемым ресурсам относятся богатства недр. Месторождения полезных ископаемых образовались давно — в прошлые геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых месторождений становится меньше.
И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных условиях менее выгодно, чем другие более доступные.
Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в пластах.
Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива здесь безгранична: ведь месторождения — это сгустки полезных веществ. В качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и природу Земли — в них в огромном количестве содержится вся таблица Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.
Неисчерпаемые ресурсы. Эту группу образуют самые различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих «вечных» ресурсов природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.
Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества. Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.
Вопросы для самопроверки
1) Дайте современное определение энергии.
2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?
3) Назовите природные носители механической энергии?
4) Что понимают под энергоресурсами?
5) Какие энергоресурсы называются возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.
6) Какие энергоресурсы называются не возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.
7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании не возобновляющихся энергоресурсов?
8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в другой?
9) Что понимают под энергетикой?
10) Что такое энергетическая техника?
ТЕМА 2
Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития
энергетики
2.1. Предпосылки развития гидроэнергетики
Наиболее характерным энергоемким процессом, с которым впервые столкнулся человек, является подъем воды для орошения полей и размола зерна.
Орошение полей и размол зерна требовал от работников длительной, однообразной, изнурительной механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой изнурительной повторяющейся работе, не требовавшей ни мышления, ни мастерства, заключалась возможность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы, и в первую очередь энергии воды. Так возникла гидроэнергетика, приведшая к замене человека-двигателя (животного-двигателя) механическим двигателем.
Первые сведения об использовании водоподъемных устройств можно отнести к 250 году до н.э, когда греческий ученый Архимед создал учение о гидростатике и использовал «винт» для перемещения воды. Но наибольшее распространение строительство водяных и ветряных мельниц получило лишь в X — XI веках н.э [1].
Время применения гидравлических двигателей насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю и может быть разделено на несколько периодов.
Первый, самый длительный, продолжался от постройки первых водяных колес до середины 30-х годов XIX века. Он характеризуется применением водяных колес разной конструкции. Механическая энергия водяных колес использовалась либо на месте ее получения, либо при помощи механических устройств передавалась на небольшие расстояния (несколько десятков метров).
Второй — продолжался от середины 30-х годов до начала 90-х годов XIX века. Был осуществлен переход от водяного колеса к водяной турбине, изучались процессы, происходящие в ней, и усовершенствовалась ее конструкция. Водяное колесо сохранилось лишь в маломощных установках. Механическая энергия водяной турбины также использовалась на месте ее производства либо в непосредственной близости от нее [2].
Только решение проблемы передачи электрической энергии на расстояние положило начало новому этапу (XIX в.) в истории использования гидравлической энергии. При этом осуществлялось превращение механической энергии в энергию электрическую, передававшуюся к месту ее потребления на большие расстояния.
2.2. Водяные колеса
Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимодействия человека с окружающей средой — применение готовой энергии природы (без воздействия на нее).
Ранние водяные колеса очень просто сочленялись с водоподъемными установками: водяное колесо устанавливали на сваях, вбитых в дно реки, в движение оно приводилось сильным потоком воды. На ободе колеса размещались черпаки, поднимавшие и выливавшие воду в отводной желоб. Такие колеса использовали только скоростную составляющую энергии потока воды [1].
Более энергоемким было применение водяного колеса для зерновых мельниц, у которых между жерновами и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивающий вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова — вокруг вертикальной. Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к появлению водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направленная на лопатку колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Но при этом, падая на плоскую лопатку, струя воды сильно разбрызгивалась. Во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных гидравлических турбин.
Увеличивалось число гидравлических установок, накапливался опыт. Недостаток в реках с соответствующей скоростью течения потребовал перехода к более целесообразному использованию водяных ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных комплексов, позволяющих использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более рачительного и эффективного использования гидроресурсов [3].
При наличии плотин использовать можно не только скорость потока, но и энергию положения.
Существенным недостатком водохранилищ является необходимость сбора воды в искусственном резервуаре и связанное с этим использование земельных участков, расположенных в месте создания плотины (затопление земель).
На территориях, не располагавших гидроресурсами, сооружались ветровые двигатели. Использование энергии ветра при движении судов известно с глубокой древности. Позднее появились ветровые установки для размола зерна. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация ветровой «готовой» энергии, а также трудности для дальнейшего аккумулирования механической энергии не позволяли энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.
В сооружении же водяных колес был достигнут значительный прогресс. Для подъема руды из рудников в XVI веке применялись реверсивные водяные колеса.
В 1582 году в г.Лондоне были применены водоподъемные установки на реке Темзе, они состояли из 5 подъемных колес диаметром 6-7 метров, приводивших в движение ряд насосов, перекачивающих в сутки 18000 м3 воды [2].
В середине XVIII века на Алтае была сооружена уникальная гидроустановка для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Это было высшим достижение гидроэнергетики своего времени.
2.3. Гидравлический двигатель
Водяное колесо могло работать только при малых напорах воды, которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водяных потоках со средним (от 8 до 25 метров) и высоким (свыше 25 метров) напором воды. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения громадной энергии таких водяных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса. Водяное колесо приводилось во вращение действием веса воды или ударами струи в лопатки. Но можно было использовать и другие физические явления — силу реакции потока воды на лопасти колеса [1].
Практически сила реакции, создаваемой потоком воды на лопасти рабочего колеса, нашла свое воплощение в так называемом сегнеровом колесе (физик Сегнер). Однако недостаточное понимание сущности физических процессов в таком двигателе не позволили Сегнеру в дальнейшем его усовершенствовать.
Тем не менее в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л.Эйлер усмотрел большие практические возможности.
Уже в своем первом докладе, сделанном в Берлинской академии наук (1750 год), Эйлер дал анализ процессов и указал, что низкий КПД получается вследствие потерь энергии при входе и выходе воды из колеса.
В последующих докладах (1751 — 1754 годы) были показаны преимущества Сегнерова колеса перед другими гидравлическими машинами и изложена теория водяного реактивного двигателя.
На основе уравнений сохранения количества движения он вывел уравнение работы гидравлической турбины. Идеи Эйлера о рациональной конструкции гидравлических турбин получили свое окончательное выражение в его предложении делить гидравлическую машину нового типа на две части — неподвижную и вращающуюся. Через неподвижный направляющий аппарат вода поступает во вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины [2].
В таком виде гидравлический двигатель представлял собой переходную конструкцию от сегнерова колеса к гидравлической турбине. Несмотря на полную научную и техническую обоснованность конструкции водяной турбины, предложенной Эйлером, она в XVIII веке по экономическим причинам не вошла в практику. Лишь в 40-х годах XX века в Швейцарии на родине Эйлера была построена действующая модель его турбины (ее КПД составлял 71 % при частоте вращения 180 об/мин.).
Гидравлические турбины разрабатывались и внедрялись в промышленном производстве Франции. Одним из первых проектов, получившим поощрительную премию, был двигатель профессора К.Бюрдена (1822 год), установленный на мукомольной мельнице и названный гидравлической турбиной [1].
2.4. Гидроэнергетика и теплоэнергетика
Водяное колесо являлось основной энергетической базой промышленного производства примерно в течение с IV по XVIII века. Во второй половине XVIII века гидроэнергетика утратила свое ведущее значение, уступив его теплоэнергетике. Новый подъем гидроэнергетики и переход ее на качественно новую ступень был сделан в самом конце XIX века в связи с решением проблемы передачи энергии на большие расстояния.
Ограниченность потенциала водяного колеса прежде всего сказалась в металлургии и рудном деле.
Для получения железа люди добывали руду, дробили ее в ступах, плавили в домнах, нагнетая в нее воздух, а полученное железо проковывали под молотами. Первоначально все это делалось за счет мускульной силы человека. Но так как для привода не требовалось специальных знаний, человек мог заменить себя более мощным двигателем — водяным колесом. Это позволило увеличить размеры агрегатов.
Теперь мощность молота определялась только мощностью водяного потока. Но в горно-рудном деле кроме энергии необходимыми элементами производства являлись руда и горючее (дрова). Природа редко сосредотачивала все это в одном месте. Поскольку водная энергия не транспортировалась, то доставка руды и топлива к месту источника водяной энергии становится элементом производства, в значительной степени определяющим себестоимость продукции. Так энергетика водяного колеса начинала приходить в конфликт с вызванными ею же новыми производственными возможностями.
Наиболее остро кризис водяного колеса сказался в горно-рудном производстве. Действительно, если отсутствие в одном пункте руды и леса означало лишь удорожание продукции или экономическую нецелесообразность производства металла, то отсутствие энергии делало невозможным его производство. Истощив запасы поверхностных руд, человек вынужден был все глубже проникать в недра земли. Вместе с этим росло потребление энергии на откачивания воды из шахт. Все труднее становилось найти счастливое совпадение в одном месте рудного месторождения и достаточно мощного водяного потока.
Главная ограниченность энергетики водяного колеса заключалась в том, что для его работы необходимы водные ресурсы с определенными параметрами (скорость потока воды, возможность ее подъема при использовании плотин и т.п). Поэтому применение водяного колеса имело чисто локальный характер. Так возникла потребность в новой энергетике. Но водяное колесо, потеряв в XVTII веке свое значение как основы энергетики, сравнительно медленно уступало свои позиции. Так, например, в России к 1917 году было установлено 46000 водяных колес. Их суммарная мощность достигала 40% всей установленной в стране мощности [1].
Вопросы для самопроверки
1) Какую основную черту взаимоотношения человека с окружающей средой отражает ранняя гидро- и ветроэнергетика?
2) Чем был вызван переход от водяных колес с горизонтальным валом к колесам с вертикальным валом?
3) Что дает сооружение платин и деривационных каналов и каково их влияние на окружающую среду?
4) Какие недостатки не позволяют энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе?
5) Какая установка явилась высшим достижением гидроэнергетики середины XVIII века?
6) В течение какого времени водяное колесо являлось основой энергетического производства?
7) Когда и почему гидроэнергетика уступила ведущее место теплоэнергетике?
8) В связи с решением какой проблемы и когда начался новый подъем гидроэнергетики?
ТЕМА 3
История теплоэнергетики
3.1. Предпосылки возникновения теплоэнергетики
В любом двигателе нужно различать:
— его независимость от местных условий;
— степень его возможной применимости для разнообразных нужд промышленности.
Двигатель, отвечающий этим требованиям, называется универсальным.
Водяное колесо не отвечает первому требованию. Решение первого требования во многом и определило поиски источника энергии. Вопрос об универсальности пока не ставился.
Практика эксплуатации водоподъемных установок показала, что всасыванием поднять воду выше определенной высоты нельзя. Объяснение этому было дано в 1643 году Э.Торичелли, установившем величину атмосферного давления. Само открытие атмосферного давления натолкнуло ученых и изобретателей на огромную силу атмосферного давления, которая была вокруг и могла быть использована.
Третьей предпосылкой было изучение свойств водяного пара. Практически еще до н.э. люди знали об упругих свойствах пара, полученного при кипячении воды в закрытом объеме. Правда, знания о свойствах водяного пара не отличались точностью: еще в XVIII веке многие ученые считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании [2].
Источник тепловой энергии — топливо — имел по сравнению с другими источниками, известными в то время, самую высокую энергоемкость. Поэтому поиски нового двигателя неизбежно приводили к тепловому двигателю.
Весь процесс перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике можно разбить на три этапа:
— двигатель неотделим от исполнительного механизма;
— двигатель обособляется конструктивно;
— двигатель становится универсальным.
3.2. Начальный период развития теплового двигателя
Ранние попытки создания теплового двигателя как двигателя, не зависящего от местных условий, были связаны с решением задачи водоподъема. Фактически первые паровые машины использовались для подъема воды из шахт.
Первым последовательность процессов термодинамического цикла парового двигателя описал француз Папен. В машине Папена все основные процессы (образование пара, превращение тепловой энергии в механическую и конденсация пара) протекали в одном агрегате -цилиндре с поршнем. Основными этапами развития парового двигателя явились отделение цилиндра сначала от котла, а потом от конденсатора.
Первой паровой машиной можно считать паровой водоподъемник англичанина Т.Севери, запатентованный в 1698 году. В этой машине двигатель был конструктивно неотделим от потребителя энергии, но сам двигатель был уже отделен от котла. На работу водоподъема затрачивалось 0,5 % теплоты, заключенной в топливе.
Второй этап становления теплового двигателя можно считать этапом отделения теплового двигателя от рабочей машины. Немалая заслуга в этом принадлежит ученым и изобретателям: Папену (Франция), Лейбницу (Германия), Гюйгейнсу и Готфейлю (Голландия) и т.д. Усовершенствованной установкой Севери можно считать двигатель Ньюкомена-Коули. В этой установке двигатель был отделен от насоса, что давало возможность изменять соотношения диаметров поршней и получать высокое давление в насосе при низком давлении в двигателе, а следовательно, поднимать воду с больших глубин при низком давлении пара в котле.
Паровые двигатели на первых этапах развития хоть и имели независимость от местных условий, но в то же время отличались прерывистостью в работе.
Применять эти двигатели для привода промышленных установок было еще рано. Попытки применения паровых машин для перевозки крупных артиллерийских орудий были сделаны во Франции в 1769 году Жозефом Кюньо [1].
Проблема непрерывности передачи работы нашла свое практическое решение путем объединения (суммированием) работы нескольких полостей поршневого парового двигателя.
3.3. Появление универсального парового двигателя
Революция в промышленности началась в середине XVIII в. в Англии с возникновением и внедрением в промышленное производство технологических машин. Промышленный переворот представлял собой замену ручного, ремесленного и мануфактурного производства, машинным фабрично-заводским.
Рост спроса на машины, строившиеся уже не для каждого конкретного промышленного объекта, а на рынок и ставшие товаром, привел к возникновению машиностроения, новой отрасли промышленного производства. Зарождалось производство средств производства.
Широкое распространение технологических машин сделало совершенно неизбежной вторую фазу промышленного переворота -внедрение в производство универсального двигателя.
Если старые машины (песты, молоты и т.д), получавшие движение от водяных колес, были тихоходными и обладали неравномерным ходом, то новые, особенно прядильные и ткацкие, требовали вращательного движения с большой скоростью. Таким образом, требования к техническим характеристикам двигателя приобрели новые черты: универсальный двигатель должен отдавать работу в виде однонаправленного, непрерывного и равномерного вращательного движения.
В этих условиях появляются конструкции двигателей, пытающиеся удовлетворить назревшие требования производства. В Англии было выдано свыше десятка патентов на универсальные двигатели самых разнообразных систем и конструкций.
Однако первыми практически действующими универсальными паровыми машинами считаются машины, созданные русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джеймсом Уаттом [1].
В машине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра с поршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливали водой. Посредством тяг с цепями движение поршней передавалось мехам трех медеплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1765 года. Она имела высоту 11 метров, емкость котла 7 м, высоту цилиндров 2,8 метра, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и была первой универсальной машиной, которую можно было применять для приведения в движение любых заводских механизмов.
Уатт начал свою работу в 1763 году почти одновременно с Ползуновым, но с иным подходом к проблеме двигателя и в другой обстановке. Ползунов начинал с общеэнергетической постановки задачи о полной замене зависящих от местных условий гидросиловых установок универсальным тепловым двигателем. Уатт начинал с частной задачи -повышения экономичности двигателя Ньюкомена в связи с порученной ему как механику университета в Глазго (Шотландия) работой по починке модели водоотливной паровой установки.
Окончательное промышленное завершение двигатель Уатта получил в 1784 году. В паровой машине Уатта два цилиндра были заменены одним закрытым. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором скорости.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий, не превышавший 9%, КПД [1].
3.4. Специализация паросиловых установок и дальнейшее развитие
паровых машин
Расширение сферы применения парового двигателя требовало все более широкой универсальности. Началась специализация тепловых силовых установок. Продолжали совершенствоваться водоподъемные и шахтные паровые установки. Развитие металлургического производства стимулировало совершенствование воздуходувных установок. Появились центробежные воздуходувки с быстроходными паровыми машинами. В металлургии начали применять прокатные паросиловые установки и паровые молоты. Новое решение было найдено в 1840 году Дж. Несмитом, объединившим паровой двигатель с молотом.
Самостоятельное направление составили локомобили — передвижные паросиловые установки, история которых начинается в 1765 году, когда английский строитель Дж. Смитон разработал передвижную установку [1]. Однако заметное распространение локомобили получили только с середины XIX века.
После 1800 года, когда кончился десятилетний срок привилегий фирмы «Уатт и Болтон», доставивший компаньонам громадные капиталы, другие изобретатели получили наконец свободу действий. Почти сразу были реализованы не применявшиеся Уаттом прогрессивные методы: высокое давление и двойное расширение. Отказ от балансира и использование многократного расширения пара в нескольких цилиндрах привели к созданию новых конструктивных форм паровых двигателей. Двигатели двухкратного расширения стали оформляться в виде двух цилиндров: высокого давления и низкого давления, либо как компаунд-машины с углом заклинивания между кривошипами 90°, либо как тандем-машины, в которых оба поршня насажены на общий шток и работают на один кривошип [2].
Большое значение для повышения КПД паровых двигателей имело использование с середины XIX века перегретого пара, на эффект которого указал французский ученый Г.А. Гирн. Переход к использованию перегретого пара в цилиндрах паровых машин потребовал длительной работы по конструированию цилиндрических золотников и клапанных распределительных механизмов, освоению технологии получения минеральных смазочных масел, способных выдерживать высокую температуру, и по конструированию новых типов уплотнений, в частности с металлической набивкой, чтобы постепенно перейти от насыщенного пара к перегретому с температурой 200 — 300 градусов Цельсия.
Последний крупный шаг в развитии паровых поршневых двигателей -изобретение прямоточной паровой машины, сделанное немецким профессором Штумпфом в 1908 году.
Во второй половине XIX века в основном сложились все конструктивные формы паровых поршневых двигателей.
Новое направление в развитии паровых машин возникло при их использовании в качестве двигателей электрогенераторов электрических станций с 80 — 90 годов XIX века.
К первичному двигателю электрического генератора предъявлялось требование большой скорости, высокой равномерности вращательного движения и непрерывно возрастающей мощности.
Технические возможности поршневого парового двигателя — паровой машины — являвшегося универсальным двигателем промышленности и транспорта в течение всего XIX века уже не соответствовали потребностям, возникшим в конце XIX века в связи со строительством электростанций. Они могли быть удовлетворены только после создания нового теплового двигателя — паровой турбины.
3.5. Паровой котел
В первых паровых котлах применялся пар атмосферного давления. Прототипами паровых котлов послужила конструкция пищеварительных котлов, откуда и возник сохранившийся до наших дней термин «котел».
Рост мощности паровых двигателей вызвал к жизни и поныне существующую тенденцию котлостроения: увеличение
паропроизводительности — количества пара, производимого котлом в час.
Для достижения этой цели устанавливали по два-три котла для питания одного цилиндра. В частности, в 1778 году по проекту английского машиностроителя Д. Смитона была сооружена трехкотельная установка для откачивания воды из Кронштадских морских доков [1].
Однако если рост единичной мощности паросиловых установок требовал повышения паропроизводительности котлоагрегатов, то для увеличения КПД требовалось повышение давления пара, для чего были нужны более прочные котлы. Так возникла вторая и поныне действующая тенденция котлостроения: увеличение давления. Уже к концу XIX века давление в котлах достигало 13-15 атмосфер [2].
Требование повышения давления противоречило стремлениям увеличить паропроизводительность котлоагрегатов. Шар — наилучшая геометрическая форма сосуда, выдерживающая большое внутреннее давление, дает минимальную поверхность при данном объеме, а для увеличения паропроизводительности нужна большая поверхность. Наиболее приемлемым оказалось использование цилиндра — следующей за шаром геометрической формы в отношении прочности. Цилиндр позволяет сколь угодно увеличивать его поверхность за счет увеличения длины. В 1801 году О. ЭЬанс в США построил цилиндрический котел с цилиндрической внутренней топкой с чрезвычайно высоким для того времени давлением порядка 10 атмосфер. В 1824 году СВ. Литвинов в Барнауле разработал проект оригинальной паросиловой установки с прямоточным котлоагрегатом, состоящим из оребренных труб.
Для увеличения котельного давления и паропроизводительности потребовалось уменьшение диаметра цилиндра (прочность) и увеличение его длины (производительность): котел превращался в трубу. Существовали два способа дробления котлоагрегатов: дробились газовый тракт котла или водяное пространство. Так определились два типа котлов: жаротрубные и водотрубные.
Во второй половине XIX века были разработаны достаточно надежные парогенераторы, позволяющие иметь паропроизводительность до сотен тонн пара в час. Паровой котел представлял собой комбинацию стальных тонкостенных труб небольшого диаметра. Эти трубы при толщине стенки в 3-4 мм позволяют выдерживать очень высокое давление [2]. Высокая производительность достигается за счет суммарной длины труб. К середине XIX века сложился конструктивный тип парового котла с пучком прямых, слегка наклоненных труб, ввальцованных в плоские стенки двух камер — так называемый водотрубный котел. К концу XIX века появился вертикальный водотрубный котел, имеющий вид двух цилиндрических барабанов, соединенных вертикальным пучком труб. Эти котлы с их барабанами выдерживали более высокие давления.
В 1896 году на Всероссийской ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировался котел В.Г.Шухова. Оригинальный разборный котел Шухова был транспортабелен, имел невысокую стоимость и малую металлоемкость. Шухов впервые предложил топочный экран, применяющийся в наше время. т£Л №№0№lfo 9-1* #5^^^
К концу XIX века водотрубные паровые котлы позволяли получить поверхность нагрева свыше 500 м и производительность свыше 20 тонн пара в час, которая в середине XX века возросла в 10 раз.
3.6. Возникновение парового транспорта
Универсальный паровой двигатель послужил основой технической революции на транспорте, в результате которой на смену гужевому транспорту пришли железные дороги, а на смену парусным судам -пароходы. Новый транспорт, обеспечивший неизмеримо более высокую пропускную способность, явился органическим звеном новой, машинной, системы промышленного производства с ее массовым выпуском широчайшего ассортимента товаров, с ее колоссальной потребностью в перевозках сырья, горючего, продукции.
Вместе с тем сам процесс возникновения парового транспорта сыграл громадную роль в совершенствовании парового двигателя.
Главные требования, предъявлявшиеся к паровому двигателю транспортных систем, сводились к его небольшому весу, реверсивности, возможности запуска с любого положения частей его механизма (отсутствие мертвой точки).
Среди строителей первых паровых повозок известен Ж. Кюньо, в 1769 году спроектировавший установку для транспортировки артиллерийских орудий [1]. Он применил метод суммирования двух цилиндров (как несколько ранее Ползунов), объединил их передаточные механизмы, действующие поочередно на ведущие колеса повозки. Однако котел, который был самой крупной и тяжелой частью повозки, не обеспечивал двигатель достаточным количеством пара.
В 1802 году англичанин Р.Тревитик запатентовал двигатель избыточного давления для применения в самодвижущихся повозках. Однако он нашел менее удачное решение, чем Кюньо. Но Тревитиком был сделан и шаг вперед: он поместил топку внутри жаровой трубы.
Однако из-за низкой паропроизводительности котла паровоз не мог достичь большой мощности. Впервые применил дымогарные трубы, позволившие увеличить удельную паропроизводительность котла, англичанин Дж. Стефенсон. Его паровоз «Ракета» получил приз конкурса 1829 года. Позднее «Ракета» развивала неслыханную по тем временам скорость 45 км/час. Стефенсон первым применил реверсивный механизм, позволявший на ходу переключать парораспределительный механизм машины с переднего хода на задний — «кулиса Стефенсона». В действительности эта кулиса была изобретена работавшим на заводе Стефенсона в Нью-Кастле Вильямсоном, который построил ее в 1842 году.
В России первыми конструкторами паровозов были отец и сын Черепановы. В 1834 году они построили паровоз, перевозивший 3,5 тонны груза со скоростью 15 км/час. Затем ими был построен второй паровоз, который мог перевозить груз массой в 17 тонн. Паровоз был реверсивный и имел котел с большим количеством дымогарных труб.
Таким образом, конструкторы паровозов впервые ввели в паросиловые установки производительные трубчатые котлы, многоцилиндровые двигатели, пар избыточного давления, безбалансирную конструкцию механизма устройства для реверсирования.
Прогресс судовых двигателей был более медленным. Наибольшую известность получил пароход Р.Фултона «Клермонт», хотя двигатель с балансиром и маховиком излишне утяжелял установку.
В России постройка пароходов началась в 1815 году [1]. В 1820 году между Санкт-Петербургом и Кронштадтом курсировали уже четыре парохода, называвшиеся тогда «пироскафами». Позднее судовые машины строились на Ижорском заводе, машины для речных судов — на Пожевском заводе (с 1817 года), на Мальцевских заводах, а позднее — на Сормовском. Ижорскому заводу принадлежит первенство постройки и внедрения безбалансирного двигателя на пароходе «Геркулес» в 1832 году.
Различные виды тепловых машин являются основой современного транспорта. Они приводят в движение автомобили, речные и морские корабли, самолеты и космические ракеты. Одной из наиболее распространенных тепловых машин, используемых в различных транспортных средствах, является двигатель внутреннего сгорания.
3.7. Двигатели внутреннего сгорания
Поиски изобретателей по возможному увеличению КПД паросиловых установок привели к созданию нового дешевого и экономичного двигателя — «машины без котла».
Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.
Отсюда и происхождение названия — «двигатель внутреннего сгорания».
Ускоренной разработке такого двигателя способствовало и то, что к началу XIX века была разработана технология производства газового горючего, а позднее и индукционная катушка, позволявшая зажигать горючую смесь в полости цилиндра искровым разрядом.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Этьеном Лену аром [1], но эта машина была еще весьма несовершенной. Низкая экономичность была следствием нерационального цикла. При всасывании горючей смеси (светильного газа с воздухом) до половины хода поршня расширение ограничивалось второй половиной хода и было всего двухкратным.
В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Но сам Бо де Роша не запатентовал своего предложения и не делал попыток его реализации. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 году первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22 %, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX века дало новые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью.
Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин топливо сжигается для нагрева газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более 3/4 воздуха, испытывает лишь нагревание.
Расширение производства двигателей внутреннего сгорания вызвало их специализацию по областям применения: в качестве судовых, стационарных, газогенераторных, позднее автомобильных и авиационных.
Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей был запатентован в Германии Г.Даймлером в 1885 году для применения в автомобиле. В XX веке бензиновый двигатель стал применяться в авиации.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.
Особая линия в развитии двигателей внутреннего сгорания связана с работами немецкого инженера Рудольфа Дизеля, получившего патент в 1892 году на двигатель нового типа [2]. Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию рабочего тела в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончанию процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600 — 700 градусов Цельсия. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.
Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. После демонстрации на Парижской выставке 1900 года двигателя Дизеля начинается дизелестроение. Сам Дизель до конца своей жизни (1913 год) вынужден был защищать свои патентные права, так как горение топлива при постоянном давлении (правда без высокого сжатия) патентовалось рядом изобретателей в разных странах.
Двигатели Дизеля внедрялись в России при очень благоприятных условиях. В частности, керосин в качестве топлива был заменен сырой нефтью. Особенно много было сделано в области конструирования судовых дизельных двигателей. Первым дизельным судном в мире явился нефтевоз «Вандал» (1903 год). В 1904 году был спущен на воду второй, улучшенный вариант судна под названием «Сармат» с двумя двигателями по 180 л.с, их частота вращения достигала 240 об/мин. В 1908 году была построена подводная лодка «Минога», имевшая реверсивный двигатель. Первое буксирное судно «Мысль» (1907 год) получило быстро привившийся термин — теплоход [1].
Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси у них выше, чем у карбюраторных двигателей. Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах.
3.8. Паровая турбина
Создание паровой турбины стимулировалось в промышленности применением рабочих машин, имеющих высокую скорость вращения: дисковых пил, центрифуг, вентиляторов, центробежных насосов, сепараторов, электрических генераторов. Электрические генераторы в конечном итоге явились самыми главными их потребителями.
Описание принципа действия паровой турбины можно найти в глубокой древности. Еще до н.э. Герон Александрийский сконструировал прибор, названный им «эолипилом». Под действием реакции струи пара шар вращался вокруг оси. В XVII веке итальянец Дж.Бранка предлагал активную паровую турбину для привода пестов.
До 80 годов XIX века применение паровых турбин носило единичный характер. В 30 годах XIX в г.Сиракузах (США) было построено несколько турбин для привода центробежных пил. Турбины представляли собой модификацию «эолипила» Герона. Громадный удельный расход пара в них компенсировался использованием в качестве горючего отходов лесопильного производства. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Густавом Лавалем в 1889 году. В дальнейшем Лаваль создал активную одновенечную турбину, то есть турбину с одним рабочим колесом, которое вращалось со скоростью 30000 об/мин [1].
В 1900 году на Всемирной выставке в Париже французским профессором Огюстом Рато была представлена разработка многоступенчатой паровой турбины мощностью 1000 л.с. Затем автор подверг эту турбину технической доработке и создал осевой турбокомпрессор — воздуходувку.
В 1903 году швейцарский инженер Генрих Цели усовершенствовал турбину Рато, упростив и удешевив ее. Разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 году американский инженер Чарльз Кертис.
В дореволюционной России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С началом внедрения паровых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе в Петербурге был специально оборудован турбинный цех.
Для работы паровой турбины за счет энергии, освобождаемой при сжигании каменного угля или мазута, вода в котле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается до температуры более 500°С и при высоком давлении выпускается из котла через сопло. При выходе пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию струи пара. Скорость струи пара может достигать 1000 м/сек. Струя пара направляется на лопатки турбины и приводит турбину во вращение. На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Таким образом энергия топлива в конечном счете преобразуется в электрическую энергию.
Для производства пара, способного крутить турбину, необходим котел (или место, где его можно получить). Помимо дороговизны и сложности в эксплуатации, котлы первой половины XIX века были взрывоопасны. Частые взрывы нередко сопровождались человеческими жертвами. Развитие котлостроения неразрывно связано с использованием и применением именно паровых турбин. В конечном итоге проблема парообразования была решена к началу XX века.
Современные паровые турбины обладают высоким КПД преобразования кинетической энергии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%. Поэтому электрические генераторы практически всех тепловых и атомных электростанций мира, дающие более 80% всей вырабатываемой электроэнергии, приводятся в действие паровыми турбинами. Температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580°С, а температура пара на выходе из турбины обычно 30°С; поэтому максимальное значение КПД паротурбинной установки как тепловой машины равно 65 %, а реальное значение КПД паротурбинных конденсационных электростанций составляет лишь около 40 % [2]. Мощность современных энергоблоков котел — турбина — генератор достигает 1,2 млн кВт.
Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения.
Коэффициент полезного действия использования топлива в такой электростанции (ТЭЦ) повышается до 60 — 70 %.
3.9. Газовая турбина
Стремление избавиться от котла направило изобретателей на использование воздуха в качестве рабочего тела теплосиловых установок, получивших название «калорических». Примером таких установок является установка шведского инженера Д.Эриксона (середина XIX века), работавшая на одном из заводов в Нью-Йорке. Калорическими двигателями было оборудовано морское судно «Эриксон». Подобный двигатель использовался на заводе Нобиля в Петербурге.
Первая попытка реализации газовой турбины была сделана инженером-механиком русского флота П.Д.Кузьминым в 1897 году [1]. Смерть изобретателя в 1900 году не позволила ему привести свое изобретение к законченному виду и преодолеть трудности, среди которых основной было отсутствие жароупорных сплавов. Только с 30-х годов XX века появилась реальная возможность сооружения экономически выгодных газовых турбин.
Воздушный котел и газовая турбина современного двигателя соответствуют по выполняемым ими функциям цилиндру калорического двигателя с расположенной под ним топкой. В современной газовой турбине используются и теплообменник и компрессор. Несмотря на тождество принципиальных схем, вытекающих из тождества принятых циклов, между калорическими двигателями и газовыми турбинами лежит длительный путь исторического развития, разработки эффективных циклов газового двигателя, исследования и обобщения условий теплообмена, осуществление перехода от поршневых конструкций к роторным, освоение технологии получения жаропрочных сталей, достижение высокого КПД турбокомпрессоров.
Что касается теоретических проблем, то до конца XIX века развитие теплоэнергетики характеризуется значительными успехами в исследовании свойств водяного пара и газов. Среди обобщающих теоретических работ следует отметить труды французских ученых Ж.Б.Фурье («Аналитическая теория тепла », 1822 год) и С.Карно («Размышление о движущей силе огня», 1824 год).
Конструктивно газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5-7 раз.
Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200° С и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, мазут.
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до температур 1500°С — 2000°С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.
Движущийся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения.
Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникающая при этом, может быть использована для движения любого вида транспорта.
3.10. Тепловые машины и их влияние на окружающую среду
Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможность удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания.
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, превышает количество кислорода, потребляемого промышленностью, то, например, в США леса восстанавливают лишь 60 % используемого промышленностью кислорода.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. За последние 30 лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось на 7 %.
Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрачность. Инфракрасное излучение, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению температуры.
В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.
Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн тонн свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды — переход от использования карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца [3].
Возможность глобальной экологической катастрофы, связанной с применением тепловых машин, не исключается учеными разных стран.
Вопросы для самопроверки
1) Какой смысл вкладывается в понятие «универсальный» двигатель?
2) Почему водяной двигатель не отвечает требованию универсальности (применимости для разнообразных нужд промышленности с малой зависимостью от местных условий)?
3) Какие три основные явления, установленные на практике, легли в основу создания теплового двигателя?
4) Какому этапу перехода от гидроэнергетики к теплоэнергетике соответствуют рудничные и шахтные водоподъемные установки на базе теплового двигателя?
5) Какими основными чертами характеризуется паровой поршневой двигатель?
6) Чем отличался паровой двигатель Уатта от других паровых поршневых двигателей?
7) За счет чего паровой котел является производительным, экономичным и надежным парогенератором?
8) Почему на смену гужевому и парусному транспорту пришел паровой?
9) Какое принципиальное отличие от парового двигателя отражается в названии «двигатель внутреннего сгорания»?
10) Какие рабочие механизмы и почему требуют высоких частот вращения?
11) Чем характеризуются газовые турбины по сравнению с паровыми?
12) В каких взаимоотношениях с окружающей средой находится производство тепловой энергии?
ТЕМА 4
Развитие электротехники и электромеханики
4.1. Этапы развития электротехники
Несмотря на то, что электрические и магнитные явления наблюдались еще в глубокой древности, история электротехники насчитывает немногим менее двух столетий. Свое начало она ведет с момента создания первого электрохимического генератора (1800 г.). До этого времени 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 проходило становление электростатики.
С 1800 по 1830 гг. происходило изучение действия 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.
Второй этап развития электротехники (1831 — 1870 гг.) начался с открытия электромагнитной индукции, а завершился созданием первого электрического генератора.
Третий этап (1870 — 1890 гг.) — с момента внедрения в промышленность электромагнитного генератора постоянного тока вплоть до завершения исследований в области многофазных систем. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электрической энергии и начало развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.
Решение проблемы передачи электрической энергии на расстоянии, разработка промышленных типов трансформаторов и асинхронных двигателей создали предпосылки для широкого развития электрификации. С этого времени начинается четвертый этап в развитии электротехники, продолжающийся до настоящего времени.
4.2. Первый генератор электрического тока
Промышленный переворот значительно стимулировал исследования электрических и магнитных явлений.
В 1799 г. итальянским ученым А. Вольта был создан первый электрохимический генератор — вольтов столб [1]. Изучая опыты итальянского анатома Л. Гальвани, обнаружившего сокращение мышц препарированной лягушки при соприкосновении их с двумя разнородными металлами, Вольта не согласился с тем, что это явление вызвано особым, присущим живым организмам, «животным» электричеством. Он утверждал, что лягушка в опытах Гальвани «есть чувствительный электрометр», а источник электричества -контакт двух разнородных металлов.
Однако многочисленные эксперименты показали, что простого контакта металлов недостаточно для получения сколько-нибудь заметного тока. Непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой электрической цепи, составленной из различных проводников: металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).
Вольтов столб представлял собой простейшую батарею элементов с одной жидкостью: между парами цинковых (Zn) и медных (Си) дисков прокладывались суконные кусочки, смоченные щелочью или кислотой.
В течение 2-3 лет после создания вольтова столба рядом ученых было разработано несколько модификаций батарей гальванических элементов. При этом эксперименты с этими батареям привели ученых к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий электрического тока.
В 1800 г. впервые был осуществлен электролиз воды, а затем и других жидкостей. В процессе исследований удалось выявить электрическую проводимость и физико-химические свойства различных веществ.
Большое значение для расширения практического понимания электричества сыграло открытие в 1807 г. (X. Дэви) электролитического способа получения щелочных металлов — калия (К) и натрия (Na), ранее неизвестных в чистом виде. А в 1808 г. Дэви таким же способом получил магний, бериллий, стронций, кальций.
Наиболее эффективным проявлением тепловых и световых действий электрического тока была электрическая дуга, открытая академиком В.В. Петровым в 1803 г. В его труде о гальвано-вольтовских опытах впервые указывается на возможность применения электрической дуги для освещения, плавки металлов и восстановления металлов из окислов.
Существенное значение для установления взаимосвязи между различными явлениями природы, и в частности для открытия закона сохранения и превращения энергии, имело открытие явления термоэлектричества (1821 г. Т. Зибек). В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности применялись лишь для измерения температуры (термоприборы). Только в наши дни достижения полупроводниковой техники позволили разработать более экономичные термоэлементы.
Успехи в области техники электрических измерений позволили в начале 40-х годов установить количественные характеристики теплового действия тока — закон Джоуля-Ленца, открытый в 1841-42гг. независимо друг от друга английским и русским учеными [2].
Особенно важным для развития электротехники оказалось открытие магнитного действия тока. На существующие связи между электричеством и магнетизмом указывали опыты, проводимые еще в XVIII веке (намагничивающие действия молнии). В 1820 г. была опубликована брошюра датского физика Г.Х. Эрстеда, в которой описывались наблюдаемые им отклонения стрелки компаса под действием электрического тока. В том же году было обнаружено (Ф.Д. Араго) явление намагничивания проводника током, а также усиление намагничивающего действия тока при замене проводника спиралью (соленоидом).
Новым важным шагом на пути от качественных наблюдений к определению количественных закономерностей явилось открытие в 1820 г. французскими учеными Ж.Б. Био и Ф. Саварром закона действия тока на магнит.
4.3. Электродинамика, основные законы электрической цепи
Крупным научным событием рассматриваемого периода явились разработка основ электродинамики и установление электрической природы магнетизма А. Ампером (1862-87 гг.) [1].
Основываясь на том, что катушка или кольцевой проводник с током аналогичен магниту, Ампер пришел к выводу об идентичности взаимодействия кольцевых проводников и магнитов. От кольцевых проводников Ампер перешел к линейным и показал, что в зависимости от направления тока в таких проводниках они будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Обнаруженное явление было названо Ампером электродинамическим в отличие от электростатического. Он вывел уравнение, характеризующее силу взаимодействия двух проводников.
Ампер пришел к принципиально новому выводу о причинах явления магнетизма. Основываясь на тождестве действий круговых токов и магнитов, он считал, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в ней. Гипотеза Ампера о молекулярных круговых токах явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
В рассматриваемый период наметился переход от качественных наблюдений явлений к установлению количественных соотношений и основных закономерностей в электрической цепи.
Впервые связь между током и сечением проводника была отмечена 1802 г. В.В. Петровым. В 1821 г. Дэви показал, что проводимость зависит от материала и температуры проводника; он заметил также зависимость проводимости от сечения проводника.
Более глубоко это явление было исследовано немецким физиком Г.С. Омом. Исследуя электрическую цепь, Ом впервые проводит аналогии между движением электричества и тепловым или водяным потоками, при этом разность потенциалов играет роль падений температур или разностей уровней. Основываясь на указанной аналогии, он устанавливает известный закон электрической цепи, носящий его имя.
Спустя два десятилетия (1847 г.) немецким физиком Г.Р. Кирхгофом были сформулированы два закона для разветвленных электрических цепей [1].
Начало нового этапа (2-го) в развитии электротехники относится к 1831 г. и связано с открытием явления электромагнитной индукции, ставшим истоком последующих важнейших достижений в области электротехники. Это выдающееся открытие, как и другие ему подобные, было исторически обусловлено развитием производства и успехами науки об электричестве и магнетизме.
К концу первой четверти XIX в. взаимосвязь между различными явлениями природы и взаимопревращением различных форм движения материи были уже доказаны: установлена связь тепловой и механической; электрической и тепловой; электрической и химической форм энергии. Изучение явлений электромагнетизма также убедительно указывало на связь между электричеством и магнетизмом.
Опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает только при изменении (любым способом) магнитного потока относительно проводника.
Фарадей впервые ввел понятие о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле, как физическую реальность. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.
Фарадей установил и количественное соотношение между индукционными токами и силовыми линиями, подчеркнув, что сила тока пропорциональна скорости движения проводника и количеству пересекаемых силовых линий.
В результате многочисленных опытов Фарадей построил первый электромагнитный генератор, так называемый «диск Фарадея», при помощи которого можно было получить электрический ток (униполярный генератор -генератор постоянного тока).
Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению законов о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832г. Э.Х. Ленцем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или постоянного магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижен, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».
Этот закон позволил Ленцу сформулировать важнейший для электротехники принцип — обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин.
4.4. Развитие электрических машин постоянного тока
Первоначально развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло различными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости был открыт в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов XIX в. Поэтому вполне правомерно рассматривать отдельно историю создания генератора и двигателя в период до 1870 г.
Основные этапы развития электродвигателя.
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.
В развитии электродвигателей постоянного тока можно отметить три основных этапа, достаточно условных, так как конструкции, характерные для одного этапа в отдельных случаях, появлялись много лет спустя, а с другой стороны, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зародышевой форме нередко можно найти на начальном периоде развития электродвигателей.
Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. Однако в основном преобладают конструкции с качательным движением подвижного элемента, названного якорем.
Второй этап (1834-1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с вращательным движением явнополюсного якоря. Момент на валу таких двигателей был резко пульсирующим.
Наиболее важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербургскому академику Б.С. Якоби.
В 1834 г. Якоби построил и описал электрический двигатель, который действовал на принципе притяжения и отталкивания между электрическими магнитами. Двигатель имел две группы П-образных электромагнитов, из которых одна (4 пары) располагалась на неподвижной раме, а другая, аналогичная, — на вращающемся диске. Источником служила батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электрических магнитов применялся специально разработанный коммутатор, который 8 раз за оборот изменял полярность тока в катушках подвижных электрических магнитов.
Стремление увеличить мощность привело Якоби к конструкции двигателя сдвоенного типа. Это, однако, не дало существенного увеличения мощности. Требовалось новое конструктивное решение, которое Якоби и нашел через несколько лет.
В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил двигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные I электромагниты с неподвижными магнитами [1].
Сравнивая двигатели Якоби и Девенпорта, следует отметить, что в принципе Девенпорт сделал шаг назад, заменив электромагниты постоянными магнитами, которые в то время имели большую массу и были подвержены размагничиванию. Однако в конструктивном отношении этот двигатель был более компактным благодаря расположению постоянных магнитов и электромагнитов в одной плоскости.
Испытания указанных двигателей показали возможность практического применения электрических двигателей, но в то же время обнаружили, что в случае питания их от гальванической батареи механическая энергия получается чрезвычайно дорогой. Проводимые опыты, а также теоретические исследования Якоби привели к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии.
Некоторые из двигателей, построенные в 40-60 гг. XIX в., действовали по принципу втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное с помощью шатунно-кривошипного механизма.
Рассматриваемые электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания электрических магнитов. Они снабжались якорями в виде стержня с обмоткой (явнополюсной). Этим электродвигателям были свойственны следующие недостатки: большие габариты при сравнительно малой мощности; большое рассеяние потока и малый КПД. Кроме того, вращающий момент на валу отличался непостоянством.
Третий этап (после 1860 г.) в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом. Первый шаг в этом принципиально новом направлении сделал итальянский ученый А. Пачинотти.
Его электродвигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами, вращался на вертикальном валу. Концы обмотки якоря подводились к пластинам коллектора. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами.
Основные этапы развития электромагнитных генераторов.
Как видно из предыдущего, развитие двигателя опережало на начальных этапах развитие генератора. Отсутствие хорошего экономичного генератора электрического тока тормозило расширение области применения электричества.
Примерно до 1870 г. наиболее распространенными источниками тока были электрохимические, т.е. гальванические, элементы и аккумуляторы.
Простейшими гальваническими элементами были элементы с одной жидкостью. К их числу относится вольтов столб и его видоизменения. Но, вследствие поляризации, действие таких батарей быстро ослаблялось, кроме того, они были неудобны в эксплуатации.
После открытия в 1829 г. А.С. Беккерелем явления поляризации им же была создана более совершенная конструкция элемента с 2-мя жидкостями. По мере совершенствования они получили широкое распространение.
Другим направлением в области создания электрохимических источников тока было построение электрических аккумуляторов или «вторичных элементов» как они долгое время назывались.
Принципиальная возможность аккумулирования электрической энергии была установлена еще в начале XIX в. Но только в 1854 г. немецкий врач В.И. Зинстеден открыл способ аккумулирования. В 1859 г. француз Г. Планте наблюдал (независимо от немецкого ученого) то же явление и на его основе построил свинцовый аккумулятор [2].
Несмотря на то, что электрохимические источники получили до 70-х годов XIX в. значительное распространение, проблема экономичного источника электрической энергии была решена только после создания конструкции электромашинного генератора.
В развитии электрогенератора также можно наметить три основных этапа.
Первый этап (1831-1851 гг.) характеризуется созданием генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Такие генераторы в то время получили название магнитоэлектрических машин.
Открытие в 1831 г. явления электромагнитной индукции указало новый способ получения электрического тока, который нашел свое воплощение в первом униполярном генераторе — диске Фарадея.
Впервые приспособление для выпрямления тока в попеременно-полюсной машине (в отличие от диска Фарадея, где выпрямление не требуется) было применено в генераторе братьев Пикси (1832 г.). При вращении подковообразного магнита наводилась переменная ЭДС в двух неподвижных катушках со стальными сердечниками. Концы последовательно соединенных катушек выводились к зажимам барабанного коммутатора.
Недостаток этой машины и ей подобных — приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. Целесообразнее оказалось сделать их неподвижными, а вращать более легкие катушки. При этом проще получалось и коммутирующее устройство, вращающаяся часть которого была закреплена на валу вместе с якорем. Именно такая конструктивная форма впервые вошла в практику.
Первым генератором такого типа, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор Б.С. Якоби. Занимаясь методами электрического взрывания мин, Якоби в 1842 г. построил генератор. При вращении катушек с помощью зубчатой передачи (вручную) в поле постоянных магнитов в них наводилась переменная ЭДС. На валу имелось коммутирующее устройство в виде 2-х полуцилиндров — простейший двухпластинчатый коллектор. Генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии (для воспламенения минных зарядов).
Стремление повысить мощность магнитоэлектрических генераторов привело к увеличению числа постоянных магнитов. Это уже знакомый путь, аналогичный развитию двигателей.
Известный толчок к построению более мощных магнитоэлектрических генераторов дали дуговые лампы с регуляторами, получившие распространение на маяках.
Для производства таких генераторов в Париже была организована электропромышленная компания «Альянс».
Генератор «Альянс» нагляднее, чем меньшие по размеру машины, показал недостатки, присущие вообще магнитоэлектрическим машинам. Под действием реакции якоря, в результате естественного старения и возможных вибраций постоянные магниты быстро размагничивались, вследствие чего уменьшались ЭДС и мощность. Во всех этих машинах применялись якоря с многослойной обмоткой. При работе, вследствие плохого отвода тепла, они быстро нагревались, что приводило к разрушению изоляции. Вес и габариты, несмотря на небольшую мощность, были весьма значительны, а поэтому крупные машины были сравнительно дорогие. Кроме того, они давали ток, резко пульсирующий по величине.
Исследования в области электромагнетизма показали, что при помощи электромагнита можно получить значительно большую величину индукции в магнитной цепи, нежели с помощью постоянных магнитов и, следовательно, увеличить ЭДС и мощность генераторов.
Так начался второй этап (1851-1867 гг.) развития электрических генераторов. Он характеризуется преобладанием генераторов с независимым возбуждением.
Характерным примером генератора с электромагнитами можно назвать генератор англичанина Г. Уайльда (1863 г.). Он имел П-образный электромагнит. Вместо обычно применявшегося стержневого якоря Уайльд использовал предложенный в 1856 г. немецким электротехником и предпринимателем В. Сименсом якорь с сердечником двутаврового сечения, который являлся разновидностью явнополюсного якоря.
После открытия венгерским физиком А. Йедликом (1856 г.) принципа самовозбуждения в развитии электрогенератора начался третий этап после 1867 г.
Событием, революционизировавшим развитие электрических машин, положившим начало промышленной электротехнике, явилось объединение самовозбуждения с кольцевым якорем.
Разработка самовозбуждающихся генераторов с кольцевым и барабанным якорями и развитыми магнитными системами составила основное содержание третьего этапа.
Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен сотрудником «Альянса» 3. Граммом в 1870 г [1].
Генератор Грамма оказался весьма экономичным источником электрической энергии: его сравнение, например, с машиной «Альянс» показывает, что он имел вес на 1 кВт в 6 раз меньший, чем генератор с постоянными магнитами.
Благодаря своим преимуществам, генератор Грамма быстро вытеснил другие типы и получил широкое распространение. В начале 70-х годов принцип обратимости был уже известен и машина Грамма использовалась как в качестве генератора, так и двигателя. Таким образом, в 70-х годах обе линии развития электрических машин — генератора и двигателя — объединились.
Машина Грамма нуждалась в определенных усовершенствованиях, которые последовали в 70 — 80-х гг. XIX в.
Одно из наиболее существенных улучшений, состоявшее в замене кольцевого якоря барабанным, было осуществлено в 1873 г. немецким электротехником Ф. Гефнер-Альтеником. Основной недостаток кольцевого якоря — плохое использование меди был устранен — теперь обе части витка участвовали в создании ЭДС.
В 1878 г. барабанный якорь стали делать зубчатым, что позволило более надежно крепить обмотки и уменьшило воздушный зазор.
Борьба за снижение потерь в теле якоря привела в 1880 г. известного американского изобретателя Т.А. Эдисона к мысли изготовлять якорь шихтованным.
В том же 1880 г. американский изобретатель X. Максим для улучшения охлаждения якоря предложил разделять его на пакеты.
В 1891 г. Э. Арнольдом была опубликована первая работа, посвященная теории и конструированию обмоток электрических машин.
Так, в течение 70-80х годов машина постоянного тока приобретает все основные черты современной машины. Дальнейшие усовершенствования не затрагивали основных принципов и конструктивных узлов и были направлены на повышение качества.
В рассматриваемый период было положено начало исследованиям процессов в электрических машинах.
В 1840 г. Б.С. Якоби было описано явление противо — ЭДС.
В 1847 г. Э.Х. Ленц открыл явление, получившее название «реакция якоря», предложил сместить щетки с геометрической нейтрали на физическую.
Первый математический анализ процессов в машине с самовозбуждением был сделан в 60-х годах Д.К. Максвеллом.
Огромную роль в развитии электромашиностроения сыграли труды А.Г. Столетова по исследованию магнитных свойств «мягкого железа» (1871 г.)[1].
В 1880 г. после открытия немецким физиком Варбургом явления гистерезиса начались исследования потерь в стали при перемагничивании.
Большое значение имели работы английского электротехника Дж. Гопкинсона, сформулировавшего (в начале 80-х г.) закон магнитной цепи.
Вопросы для самопроверки
1) Назовите временной интервал и содержание первого этапа развития электротехники и электромеханики.
2) С открытия какого закона и когда начинается второй этап развития электротехники и электромеханики?
3) Какой этап и когда завершается созданием промышленного электрического генератора?
4) Какой этап и когда начинается с внедрения в промышленность электромашинного генератора постоянного тока?
5) Окончание какого этапа и когда определяется завершением исследований в области многофазных систем?
6) Начало какого этапа определяется решением проблемы передачи энергии на расстояние, разработкой промышленных типов трансформаторов и асинхронных двигателей?
7) Изучение каких опытов итальянского анатома Л. Гальвани натолкнули итальянского ученого А. Вольта на открытие «контактного электричества»?
8) На чем основан принцип действия Вольтова столба-первого генератора электрической энергии?
9) Перечислите практические применения химического действия электрического тока.
10) Какое открытие и когда сделал Х.Дэви, сыгравшее большое значение для расширения практических применений электричества?
11) На каком открытии Московского университета Ф.Ф.Рейса основан электродренаж?
12) Кем и когда открыты законы электролиза и введены понятия электрод, анод и катод?
13) Эффективным проявлением каких свойств электрического тока является электрическая дуга?
14) Перечислите практические применения электрической дуги.
15) Когда и кем открыто явление термоэлектричества?
16) Когда и кем открыт закон, устанавливающий количественные характеристики теплового действия электрического тока?
17) Какое открытие содержала работа датского физика Г.Х. Эрстеда, опубликованная в 1820г.?
18) Когда был открыт и в чем заключается закон французских ученых Ж.Б. Био и Ф. Савара, уточненный позднее П.Лапласом?
19) Какие явления, обнаруженные Ампером, он называл «электродинамическими»? Когда и где опубликовал А.Ампер свою электродинамическую теорию?
20) Какую связь между током и сечением проводника впервые установил в 1802 году В.В. Петров?
21) Когда немецкий физик Г.С.Ом опубликовал закон электрической цепи, названный его именем?
22) Сформулируйте два закона для разветвленных электрических цепей, установленные в 1847 году немецким физиком Г.Р. Кирхгофом?
23) В чем заключается закон Э.Х. Ленца, сформулированный им в 1832 году (правило Ленца)?
24) До какого времени и почему развитие электродвигателей и электрогенераторов шло различными путями?
25) Чем характеризуется начальный период развития электродвигателей постоянного тока (1821-1834 )?
26) К какому временному интервалу можно отнести второй этап развития электродвигателей? Что было характерно для этого этапа?
27) Почему практическое применение электродвигателей вначале было ограниченным, несмотря на успешные испытания на р.Неве (1839г.) катера с электродвигателем Якоби, конструкции 1838г.?
28) Какое принципиально новое направление открыла конструкция электродвигателя итальянского ученого Антонио Пачинотти (1860г.)?
29) С установления какого принципа возбуждения и когда начинается третий этап развития электромашинных генераторов?
ТЕМА 5
Переход энергетической техники на качественно новый уровень
5.1. Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики
До 70-х годов XIX в. энергетическая техника характеризовалась преимущественно примитивной паровой машиной. Паросиловые установки создавались на каждом, даже небольшом, промышленном предприятии. При этом возникал ряд существенных трудностей: большие затраты на сооружение котельной и машинного отделения; громоздкость установок; их опасность в пожарном отношении. Привод многочисленных отдельных исполнительных механизмов нужно было осуществлять с помощью громоздких трансмиссий. Поэтому все более ощущалась необходимость в экономичных двигателях малой мощности. В результате создаются принципиально новые двигатели -внутреннего сгорания и электрические. Но последние были непригодны для промышленного привода, и поэтому основное применение электроэнергия находит для освещения.
Электрическое освещение — первое массовое энергетическое применение электрической энергии — сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники.
Чем было вызвано такое интенсивное развитие электроосвещения?
В течение первой половины XIX в. господствующее положение занимало газовое освещение, имевшее существенное преимущество перед лампами с жидким горючим: централизация снабжения установок светильным газом; сравнительная его дешевизна; простота газовых горелок и их обслуживания.
Но по мере развития производства, роста городов, строительства крупных производственных зданий, гостиниц, магазинов и прочих помещений оно все менее удовлетворяло требованиям практики, так как было опасно в пожарном отношении, вредно для здоровья, а сила света отдельной горелки была мала.
Особенно эти недостатки стали сказываться на крупных предприятиях с большим числом рабочих, занятых на производстве 12-14 часов в сутки, вызывая резкое снижение производительности труда.
От указанных недостатков было свободно электрическое освещение. Конструирование источников электрического освещения шло в двух направлениях: использование электрической дуги (дуговые лампы) и явления накаливания проволоки током (лампы накаливания).
В ходе разработки дуговых ламп возникла задача регулирования расстояния между электродами. Поэтому вся история дуговых ламп представляет собой по существу разработку конструкций различных регуляторов.
Для питания дуговых ламп пользовались гальваническими батареями или электрогенераторами. Таким образом, электроосвещение было одним из важнейших стимулов развития электрических машин и электрохимических источников тока.
Лампы накаливания до 70-х годов XIX в. не получили сколько-нибудь заметного применения из-за своего несовершенства. Трудность заключалась в подборе дешевого и долговечного материала для нитей накаливания и методов получения вакуума. Необходимо было так усовершенствовать конструкцию самих источников света, чтобы они были простыми, надежными и доступными для широкого потребления.
Успешное решение этой проблемы тесно связано с изобретением в 1876 г. П.Н. Яблочковым «электрической свечи» — дуговой лампы без регулятора [1]. Электроды в этой лампе были расположены параллельно друг другу и разделены изолирующим слоем, в силу чего отпадала необходимость в регуляторе. Электроды выгорали подобно свече, отсюда и название -электрическая свеча, под которым она обошла весь мир. Одна электрическая свеча могла гореть около двух часов. При установке нескольких свечей в одном фонаре, оборудованном переключателем, можно было иметь более длительное бесперебойное освещение.
Изобретение электрической свечи способствовало внедрению в практику переменного тока. До этого вся эта техника базировалась на постоянном токе. При этом в дуговых лампах другой конструкции положительный электрод сгорал быстрее отрицательного, поэтому его приходилось делать большего диаметра.
Яблочков установил, что для питания свечи лучше применять переменный ток. В этом случае при электродах одинакового диаметра обеспечивается вполне устойчивая дуга. В связи с этим значительно возрос спрос на генераторы переменного тока, которые раньше практически не использовались.
Значительному развитию электротехники способствовала также и разработка Яблочковым нескольких весьма эффективных систем «дробления электрической энергии», обеспечивающих возможность включения в цепь, питаемую одним генератором, нескольких дуговых ламп.
Два из способов получили практическое применение: секционирование обмоток якоря генератора и применение индукционных катушек (первичные обмотки включались последовательно в цепь, а на вторичные включались одна, две и более свечей). Таким образом, Яблочков впервые использует индукционную катушку в качестве трансформатора с разомкнутым магнитопроводом. Схема интересна еще и тем, что в ней впервые получила свое оформление электрическая сеть с ее основными элементами: первичный двигатель — генератор — линия передачи — трансформатор — приемник.
Но значение электрической свечи этим не исчерпывалось. Изобретение дешевого приемника электрической энергии, доступного для широкого потребителя, потребовало решения еще одной важнейшей электротехнической проблемы — централизации производства и распределения электрической энергии. Яблочков первым указал на то, что электроэнергия должна распределяться подобно тому, как доставляется потребителям газ и вода.
Дальнейший прогресс электроосвещения был связан с изобретением лампы накаливания, которая оказалась более удобным источником света, имеющим лучшие экономические и световые показатели.
В 1870-75 гг. А.Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания. В первых конструкциях в качестве тела накаливания применялся ретортный уголь, помещавшийся в стеклянный баллон. Для увеличения времени горения затем было предложено ставить несколько стерженьков.
Эдисон, ознакомившись с лампой Лодыгина, также заинтересовался проблемой электроосвещения. В 1879 г. им была предложена конструкция с угольной нитью и винтовым цоколем. Он же разработал основные виды электроустановочных материалов, необходимых для устройства и монтажа освещения лампами накаливания.
В 1893 — 94 гг. Лодыгин запатентовал лампы накаливания с нитями из тугоплавких металлов, в том числе и с вольфрамовой нитью.
5.2. Развитие кабельной и изоляционной техники
Различные области практического применения электроэнергии потребовали разработки электроизоляционных материалов.
К 70-м годам XIX в. закладываются основы новых отраслей техники -кабельной и электроизоляционной.
Начальный период развития кабельной техники тесно связан с работами по минной электротехнике и электромагнитному телеграфу.
Первый подводный электрический кабель (Шиллинг 1812 г.) представлял собой тонкую проволоку, покрытую двумя слоями изоляции (шелком и пенькой). Первый слой (шелк) пропитывался специальным смолистым составом. Затем шла пенька и тот же состав.
Первые подземные телеграфные кабели изготовляли так же (Шиллинг, Якоби и др.). Пропитка: воск, сало, канифоль. Защитной оболочкой служили стеклянные трубки, соединенные резиновыми муфтами, или стальные гильзы. В отдельных случаях стеклянные трубки закладывались в деревянные желоба I (при подземной прокладке).
В начале 40-х годов XIX в. создаются специальные машины для обвивки проводов пряжей; в качестве изоляционных материалов начинают применять резину и гуттаперчу. Существенную роль в улучшении качества изоляции сыграло создание свинцового пресса (1879 г.), с помощью которого изолированный провод покрывался бесшовной свинцовой оболочкой [2].
В 90-х годах все большее применение для силовых кабелей начинает получать многослойная изоляция из бумаги, пропитанной маслом.
Развитие электрических машин и аппаратов вызвало необходимость в развитии специальных термостойких электроизоляционных материалов. Для повышения термостойкости создаются пропиточные составы и покрытия. Для изоляции пластин коллектора начинают применять слюду.
В начале 90-х годов на основе слюды создаются новые материалы: миканит, микалента, микафолий, нашедшие широкое применение для изоляции электрических машин и приборов.
5.3. Развитие генераторов и двигателей однофазного тока
Так как переменный ток долгое время не находил практического применения, то попытки сконструировать соответствующий генератор до конца 70-х годов носили эпизодический характер.
Обычно это были машины постоянного тока, у которых отсутствовал коллектор, а было два кольца.
Наиболее существенный толчок в области генераторов переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова.
Уже в 1878 г. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал несколько однотипных конструкций генераторов переменного тока для питания 4, 6, 16 и 20 свечей.
Серьезные трудности на пути совершенствования генераторов переменного тока возникли из-за нагрева сердечников, которые до 80-х годов не шихтовались.
Таким образом, на лицо две главные тенденции, определяющие развитие генераторов переменного тока: для увеличения мощности увеличивать число катушек якоря, а для снижения потерь в сердечнике уменьшать объем стали якоря.
Последний период развития генераторов переменного тока начинается в 90-х г. XIX в. после того как началось производство 3-х фазных машин с шихтованными сердечниками и барабанными якорями.
Как известно, электрическая машина обратима. С этой точки зрения принципиальных трудностей для построения двигателей переменного тока не было. Уже в 1844 г. Ч. Уитстон построил синхронный двигатель, основанный на взаимодействии постоянных магнитов и электромагнитов переменного тока.
Из-за отсутствия начального вращающего момента пуск всех однофазных СД был затруднен — они нуждались в дополнительных разгонных двигателях и не могли получить широкого распространения.
Большими возможностями применения в сетях однофазного тока располагали коллекторные двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. При их питании переменным током направление основного магнитного потока изменялось одновременно с изменением направления тока в якоре и, следовательно, вращающий момент имел постоянное направление. М. Дери и О. Блатти впервые предложили применять такие коллекторные однофазные двигатели в 1885 г.
Однако широкого распространения они не нашли, так как сильно грелись и имели очень плохую коммутацию. В настоящее время они используются в основном для бытового электропривода.
Еще одну попытку построить однофазный двигатель сделал американский изобретатель И. Томсон — репульсионный двигатель (1886 г.). Однако, в связи с плохой коммутацией при скоростях, значительно отличавшихся от синхронной, такие двигатели строились только на малые мощности (до нескольких кВт) и не получили заметного распространения.
5.4. Развитие однофазных трансформаторов
В развитии трансформаторов также можно выделить несколько характерных периодов.
Первый период (1830-1870 гг.) характеризуется развитием принципов трансформации; созданием индукционных приборов, преобразующих импульсы постоянного тока одного напряжения в импульсы тока другого напряжения.
Принцип индуктивной связи двух катушек, укрепленных на стальном сердечнике, был продемонстрирован еще Фарадеем.
В конце 40-х г. и позже большое распространение получили индукционные катушки (Яблочков, Румкорф и др.), которые сыграли особенно существенную роль в качестве аппаратов системы зажигания ДВС. Следует отметить, что в современном смысле этого слова подобные устройства нельзя назвать трансформаторами.
Второй период (середина 70-х — середина 80-х гг.) характеризуется применением в сетях переменного тока индукционных катушек, которые представляли собой однофазный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом. Первыми такими трансформаторами были индукционные катушки Яблочкова. В дальнейшем подобное применение трансформаторов с разомкнутым сердечником получило развитие в работах И.Ф. Усагина и Э.Д. Гиббса.
В 1882 г. во время Московской промышленной выставки лаборант Московского университета И.Ф. Усагин продемонстрировал устройство, показавшее, что предложенный П.Н. Яблочковым способ распределения электрической энергии с помощью индукционных катушек можно целиком применять для одновременного питания любого типа электрических приемников.
Усагин воспользовался индукционными катушками с разомкнутым сердечником. В зависимости от потребителя катушки имели разные размеры, но коэффициент трансформации был равен 1. В схеме Усагина первичные обмотки семи катушек включались последовательно в цепь однофазного тока, а во вторичные обмотки включались приемники: электродвигатель; нагревательная спираль; дуговые лампы с регулятором; электрические свечи Яблочкова. Все приемники могли работать одновременно, не мешая друг другу.
Заслуга Усагина и заключается в том, что он убедительно показал универсальность переменного тока и безопасность его использования.
Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения энергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 г. Голяром и Гиббсом. Их трансформаторы предназначались не только для «дробления» энергии, но и для преобразования напряжения.
В системах дугового освещения, как правило, регулировалась величина тока в цепи последовательно включенных потребителей. Но после изобретения лампы накаливания и других приемников, для которых важно поддерживать постоянную величину напряжения, более целесообразным стало их параллельное включение. Таким образом, при параллельном включении приемников применение трансформаторов с разомкнутым сердечником становилось технически не оправданным.
В течение третьего периода (с середины 80-х г. до начала становления трехфазных систем в 90-е г.) был разработан промышленный тип трансформатора с замкнутой магнитной системой, а также предложено параллельное включение трансформаторов.
Первая конструкция трансформатора с замкнутым сердечником была создана в Англии братьями Дж. и Эд. Гопкинсон. Сердечник был набран из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, обмотки высшего и низшего напряжений.
Впервые предложение о параллельном включении обмоток трансформатора высказал Р. Кеннеди в 1883 г., но более всесторонне этот способ был обоснован венгерским электротехником М. Дери, который в 1885г. получил патент.
Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания промышленного типа однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой, имевшего достаточно хорошие эксплуатационные показатели.
Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885г. венгерскими электротехниками О. Блатти, М. Дери и К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин «трансформатор».
Важное значение для расширения области применения трансформаторов и улучшения надежности их работы стало введение в конце 80-х г. масляного охлаждения (Д. Свинберн). Первые такие трансформаторы помещались в керамический сосуд, наполненный керосином или маслом.
5.5. Первые экспериментальные и теоретические исследования в области передачи электрической энергии постоянным током
Проблема передачи энергии на расстояние возникла задолго до того, как были построены первые электростанции. Но особенно актуальна она стала в связи с возникновением крупных предприятий.
Раньше всего возникли способы механической передачи (штанги, тяги, канаты), а затем получили распространение разные способы передачи механической энергии посредством систем приводных ремней и канатов. Подобная (трансмиссионная) передача даже теперь не совсем отмерла.
Опыты использования электромагнитного телеграфа неизбежно привели к мысли о возможности передачи по проводам более значительного количества энергии.
Здесь уместно отметить, что международные и национальные выставки сыграли исключительно большую роль в пропаганде научно-технических знаний.
В России первая выставка отечественной промышленности была открыта в 1829 г.
Первая в мире электротехническая выставка была открыта в марте 1880 г. в Петербурге, а первая международная электротехническая выставка -в 1881 г. в Париже.
В 1873 г. в Вене состоялась международная выставка, с которой и начинается история электропередачи.
На ней французский электротехник И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. Между генератором и двигателем он включил барабан с кабелем длиной 1 км (есть много версий, почему он это делал; одна — чтобы уменьшить мощность двигателя). Этим опытом была продемонстрирована реальная возможность передачи электрической энергии на расстоянии. Вместе с тем сам Фонтен не был убежден в экономической целесообразности электропередачи, так как при включении кабеля получил значительное снижение мощности двигателя, т.е. большие потери энергии в кабеле.
Из закона Джоуля-Ленца известно, что потери в проводах составляют
.
Снижение удельного сопротивления проводов практически неосуществимо (медь имеет предельно малое ). Таким образом, имелось только два пути снижения : увеличение сечения проводов или увеличение напряжения.
В 70-х годах был исследован первый путь, так как он казался более естественным и легче осуществимым в техническом отношении.
В 1874 г. русский военный инженер Ф.А. Пироцкий пришел к выводу о целесообразности производства электрической энергии там, где она может быть дешево получена благодаря наличию топлива или гидравлической энергии, и передаче ее по линии к потребителю. В том же году он приступил к опытам по передаче на артилерийском военном полигоне Волкова поля (около Петербурга). Дальность передачи составила 1 км. Для уменьшения потерь в линии Пироцкий предлагал в качестве проводов использовать железнодорожные рельсы. В 1875 г. он провел опыты передачи электроэнергии по рельсам бездействовавшей Сестрорецкой железной дороги длиной около 3,5 км.
Несмотря на нерациональность практического направления избранного Пироцким, его опыты привлекли внимание к возможностям передачи электроэнергии вообще и помогли выявить правильное направление в исследованиях. Предложение же Пироцкого об использовании железнодорожных рельсов позже нашло применение при разработке первых проектов городских электрических железных дорог.
Другой путь решения проблемы передачи электрической энергии (повышение напряжения) длительное время осмысливался теоретически.
Наиболее обстоятельное исследование этого вопроса выполнили в 1880 г. независимо друг от друга французский инженер М. Депре и профессор физики Петербургского лесного института Д.А. Лачинов.
В марте 1880 г. в Парижской академии наук был опубликован доклад Депре «О КПД электродвигателей и об измерении количества энергии в электрической цепи», где он математически доказывал, что КПД установки из электродвигателя и линии передачи не зависит от сопротивления самой линии. Такой вывод самому Депре показался парадоксальным, так как ему не удалось вначале установить, что увеличение сопротивления линии не влияет на эффективность электропередачи только при увеличении напряжения передачи.
Эти условия впервые были указаны Лачиновым в июне 1880 г. в первом номере журнала «Электричество». Лачинов показал, что «полезное действие не зависит от расстояния» лишь при условии увеличения скорости генератора (увеличения Е). Он также установил количественное соотношение между параметрами линии передачи, доказав, что для сохранения КПД передачи при увеличении сопротивления линии в п- раз необходимо увеличить скорость вращения генератора в 4п раз.
Депре к подобным выводам пришел год спустя.
В 1882 г. Депре строит первую линию электропередачи Мисбах-Мюнхен длиной 57 км [1]. Хотя этот первый опыт и не дал благоприятных результатов (КПД передачи не превосходил 25%), эта линия явилась отправным пунктом для дальнейших работ по развитию методов и средств передачи электроэнергии на расстояние.
Отметим интересный факт. Теория телеграфных линий была разработана достаточно хорошо, и было известно, что наибольший эффект в работе приемного устройства достигался тогда, когда его сопротивление вместе с сопротивлением соединительных проводов равно внутреннему сопротивлению источника. Но при этом КПД всей установки составляет 50%. Иными словами, режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке соответствовал КПД лишь 0.5!
Но то, что целесообразно для слаботочной техники становится нецелесообразным для сильноточной. В последнем случае важен экономический эффект и КПД следует всемерно повышать даже в ущерб количеству передаваемой мощности.
Это обстоятельство долгое время оставалось труднодоступным для понимания и любые даже крупные специалисты теряли перспективу в научных поисках и прекращали работу, так как не могли освободиться от привычных рамок теории слаботочных цепей.
В 1885 г. были опять произведены опыты по передаче энергии постоянного тока, но еще в большем масштабе. Были специально построены генераторы дававшие U= 6 кВ.
Тем не менее попытки решить проблемы в 80-е г. не принесли желаемых результатов. Для передачи энергии требовалось получать высокие напряжения, а технические возможности того времени не позволяли строить генераторы постоянного тока высокого напряжения — не выдерживала изоляция. Кроме того, энергию постоянного тока высокого напряжения не представлялось возможным легко использовать потребителям: нужно было иметь двигательно-генераторную установку для преобразования высокого напряжения в низкое.
Еще один путь использования постоянного тока для электропередачи был намечен в указанной выше работе Лачинова: он предлагал для повышения напряжения соединить последовательно несколько машин. В этом случае каждая отдельная машина могла быть рассчитана на низкое напряжение.
Фонтен первым реализовал эту идею в 1886 г.
Трудности, связанные с электропередачей на постоянном токе, направили мысли ученых на разработку техники и теории переменного тока.
Когда основные элементы техники переменного тока были разработаны (генераторы, трансформаторы), начались попытки осуществить промышленную передачу энергии на переменном токе.
В 1883 г. Л. Голяр осуществил передачу мощности 20 л.с. на расстояние 23 км для питания осветительных установок Лондонского метрополитена.
Однако во второй половине 80-х годов уже возникла задача включения в сеть электростанций силовой нагрузки. Таким образом, и при передаче электроэнергии однофазным переменным током снова возникло противоречие не менее серьезное, чем при электропередаче постоянным током. Напряжение однофазного переменного тока можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов практически в любых желаемых пределах, т.е. при передаче энергии затруднений нет. Но однофазные двигатели переменного тока имели совершенно неприемлемые для целей практики характеристики, и сфера применения переменного тока пока ограничивалась исключительно электрическим освещением, что не удовлетворяло требований промышленности.
5.6. Электростанции постоянного и однофазного переменного тока
В 70-80-х годах XIX века процесс производства электроэнергии еще не был отделен от процесса ее потребления. Электростанции, обеспечивающие электроэнергией ограниченное число потребителей, назывались блок-станциями.
В связи с трудностями регулирования системы дугового освещения на первых порах строились специализированные блок-станции: одни для дуговых ламп; другие для ламп накаливания.
Развитие первых электростанций было сопряжено с преодолением трудностей не только научно-технического, но и волюнтаристского и конъюнктурного характера. Так, городские власти запрещали сооружение воздушных линий, опасаясь за внешний вид города. Газовые компании всячески подчеркивали действительные и мнимые недостатки нового рода освещения.
На таких блок-станциях в качестве первичных двигателей поначалу применяли в основном поршневые паровые машины (локомобили), иногда ДВС. Сопряжение производилось с помощью ременных передач, так как поршневые двигатели были низкоскоростные (не более 200 об/мин). Для регулирования натяжения ремня электрогенераторы монтировались на салазках.
Впервые блок-станции («домовые») были построены в Париже для питания свечей Яблочкова на улице «Opera».
В России первой установкой такого рода явилась станция для освещения Литейного моста (в Петербурге), созданная в 1879 г. Яблочковым.
Однако идея централизованного производства электроэнергии была настолько экономически оправданной и соответствовала тенденции концентрации производства, что первые такие станции возникли уже в середине 80-х годов и быстро вытеснили блок-станции.
В 1881 г. несколько предприимчивых американских финансистов под впечатлением успеха, которым сопровождалась демонстрация ламп накаливания, заключили с Эдисоном соглашение и приступили к строительству первой в мире центральной электростанции (в Нью-Йорке). В сентябре 1882 г. она была сдана в эксплуатацию. В машинном зале было установлено 6 генераторов Эдисона мощностью по 90 кВт каждый. Станция была спроектирована очень рационально: генераторы имели искусственное охлаждение; они соединялись непосредственно с приводными двигателями; осуществлялась механическая подача топлива в котельную и механическое удаление золы и шлаков; защита от токов короткого замыкания осуществлялась плавкими вставками; магистральные линии были кабельными. Так что в дальнейшем при сооружении других станций развивались эти правильные принципы.
Исходные величины напряжений первых электростанций, от которых впоследствии были произведены другие, образующие известную шкалу напряжений, сложились исторически.
Дело в том, что в период исключительного распространения дугового освещения эмпирически было установлено, что наиболее подходящим для горения дуги является U = 45 В. Чтобы уменьшить токи короткого замыкания в момент зажигания дуги (при соприкосновение углей) и для более устойчивого горения дуги, последовательно с дуговой лампой включали сопротивление. Также эмпирически было найдено, что величина этого балластного сопротивления должна быть такой, чтобы падение напряжения на нем при нормальной работе составляло — 20 В. Таким образом, получалось U = 65 В, что долго и применялось. Однако часто в одну цепь включали две дуговые лампы, отсюда U= 2 · 45 +20 = 110 В. Это напряжение и было принято почти повсеместно в качестве стандартного.
Уже при проектировании первых центральных электростанций столкнулись с трудностями, которые в достаточной степени не были преодолены в течение всего периода господства техники постоянного тока.
Радиус электроснабжения определяется величиной допустимых потерь напряжения в сети, которые для данной сети тем меньше, чем выше напряжение. Именно это заставляло строить электростанции в центральных частях города, что существенно затрудняло не только обеспечение водой и топливом, но и удорожало стоимость земельных участков для строительства. Этим, в частности, объясняется вид Нью-Йоркской электростанции, где оборудование располагалось на многих этажах. Аналогичная ситуация была и в Петербурге: электростанции, обслуживающие район Невского проспекта, располагались на баржах (рядом вода, не надо земли), стоявших на Мойке и Фонтанке.
Ограничение возможности расширения радиуса электроснабжения привело к тому, что удовлетворять спрос на электроэнергию со временем становилось все труднее.
На центральных электростанциях с ростом их мощности локомобили, применявшиеся в качестве первичных двигателей, постепенно вытеснялись стационарными машинами. Их мощность составляла 100 — 300 л.с. при скорости вращения 100 — 200 об/мин, что приводило к необходимости введения между машиной и генератором ременной или канатной передачи. Давление пара не превышало 10 кг/см. Основным топливом служил каменный уголь, сжигавшийся на плоских колосниках, загрузка была ручной. Расход топлива при таком способе сжигания и отсутствие экономайзера, подогрева воздуха и плохой изоляции в 3 — 4 раза превышал расходы современных станций.
Рост потребностей в электроэнергии эффективно стимулировал повышение производительности и экономичности тепловых станций. Следует отметить решительный поворот от поршневых паровых машин к паровым турбинам.
В России первые паровые турбины были установлены в 1891 г. в Петербурге на Фонтанке [2].
В рассматриваемый период гидроэлектростанции строились редко в связи с трудностями передачи электроэнергии на большие расстояния.
Электростанции — капиталистические предприятия — стремились расширить круг потребителей своего товара — электрической энергии. Было найдено несколько путей увеличить радиус распределения энергии.
Первая идея, не получившая распространения, касалась понижения напряжения электрических ламп. Однако расчеты показали, что при длине сети более 1.5 км экономически выгодней было построить новую электростанцию.
Другое решение, которое во многих случаях могло удовлетворить потребителей, состояло в изменении схемы сети: переход от двухпроводной к многопроводной, т.е. фактически повышение напряжения. Одним из таких решений была трехпроводная сеть: генераторы на станциях соединялись последовательно, и от средней точки шел нейтральный или компенсационный провод (1882 г. Дж. Гопкинсон и Т. Эдисон). При этом обычные лампы сохранялись и включались между линейным и нейтральным проводами, а двигатель для сохранения симметрии нагрузки включался на линейные провода (220 В). При несимметричной нагрузке в нейтральном проводе появлялся ток, но много меньше линейного, что позволяло уменьшить его сечение. Уменьшалось сечение (из-за нейтрального провода) и линейных проводов -экономия меди. Практически это позволяло увеличить радиус электроснабжения до 1200 м.
Третий путь увеличения радиуса электроснабжения предполагал сооружение аккумуляторных подстанций. Они были в то время обязательным дополнением любой электростанции, так как покрывали пики нагрузки. Эти подстанции сооружались вблизи потребителей.
Все возможности увеличения радиуса электроснабжения при постоянном токе довольно быстро были исчерпаны. Многопроводные сети и аккумуляторные подстанции могли удовлетворять потребности малых и средних городов, но совершенно не отвечали нуждам крупного города.
В 80-х г. начинают сооружаться станции переменного тока, выгодность которых с точки зрения радиуса электроснабжения была бесспорной.
Первой постоянно действовавшей электростанцией переменного тока можно считать станцию Гровнерской галереи (Лондон). На ней, пущенной в эксплуатацию в 1884 г., были установлены два генератора переменного тока Сименса, которые через последовательно включенные трансформаторы Голяра и Гиббса работали на освещение галереи. Недостатки последовательного включения трансформаторов (трудность поддержания постоянства тока) были выявлены быстро, ив 1886 г. эта станция была реконструирована по проекту С.Ц. Ферранти. Генераторы Сименса были заменены машинами Ферранти, каждая мощностью 1000 кВт с U= 2.5 кВ. Трансформаторы, изготовленные по проекту Ферранти, включались параллельно и служили для снижения напряжения в непосредственной близости от нагрузки.
Быстроходность паровых поршневых двигателей в то время сильно отставала от быстроходности генераторов. Поэтому последние имели большие диаметры и малые длины. Это характерно сейчас для гидростанций.
Примером крупной гидростанции однофазного тока, питавшей осветительную нагрузку, может служить американская станция, построенная в 1889 г. на водопаде вблизи г. Портленда. Гидравлические двигатели приводили в действие 8 однофазных генераторов общей мощностью 720 кВт. Энергия передавалась на расстояние 14 миль.
Характерная особенность первых электростанций переменного тока -изолированная работа отдельных машин. Синхронизация генераторов еще не производилась, и от каждой машины шла отдельная цепь к потребителям. Легко понять, насколько неэкономичными были такие сети (расход меди и изоляторов).
В России крупнейшие станции однофазного тока были сооружены в конце 80-х начале 90-х годов (1887 г. — Одесса). В том же году началась эксплуатация электростанции в Царском Селе. Протяженность воздушных линий была 64 км. В 1890 г. станция была переведена на переменный ток U = 2 кВ. По свидетельствам современников Царское Село было первым городом в Европе, который был освещен исключительно электричеством.
Крупнейшей в России электростанцией однофазного тока была станция на Васильевском острове в Петербурге, построенная в 1894 г. инженером Н.В. Смирновым [1]. Ее мощность составляла 800 кВт и превосходила мощность любой существующей в то время станции постоянного тока.
5.7. Возникновение многофазных систем
Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам XIX века, когда была решена комплексная энергетическая проблема, соединившая в себе технические основы электропередачи и электропривода.
Это решение было найдено в применении многофазных цепей, из которых многолетняя практика сделала выбор в пользу цепей 3-х фазных.
Наиболее интересными и новыми элементами 3-х фазной системы явились электродвигатели.
Принцип действия асинхронного двигателя с вращающимся полем содержится в опытах Араго (1824 г.): при вращении медного диска под (над) магнитной стрелкой она также приходила во вращение. Но в то время это явление так и не смогли объяснить, назвав его «эффект Араго».
К открытию явления вращающегося магнитного поля в современном его понимании пришли независимо друг от друга итальянский ученый Г. Феррарис и югослав, работавший большую часть жизни в Америке, Н. Тесла (1885 г.).
Они показали, что если две катушки, расположенные под прямым углом, питать двумя переменными токами, отличающимися по фазе на 90", то вектор суммарной магнитной индукции в точке пересечения осей катушек получает равномерное вращательное движение, не изменяясь по абсолютной величине.
Поэтому естественно, что исследование многофазных систем началось с двухфазных.
Двигатель Феррариса развивал мощность 3Вт. Но как получить два тока отличных по фазе на угол 90° или близкий к нему? Феррарис решал эту проблему двумя путями :
— пара катушек включалась в первичную цепь трансформатора с разомкнутой магнитной системой, а другая пара — в его вторичную цепь;
— в цепь первой пары катушек включали добавочное сопротивление, а в цепь второй — добавляли катушки индуктивности.
Таким образом, один путь получения двухфазной системы токов состоял в «расщеплении» обычного однофазного переменного тока. Метод, требовавший дополнительных достаточно сложных устройств, и, кроме того, фазовый угол никогда не составлял 90° — вращающееся поле искажалось.
Но не эти недостатки помешали Феррарису и некоторым его современникам разработать конструкцию двухфазного двигателя. В своих исследованиях он предположил, что электродвигатель, также, как это принято в технике передачи сигналов, должен работать не при максимальном КПД, а при максимальной полезной мощности! Простые расчеты показывают, что этому условию соответствовал двигатель со скольжением 50%. Естественно, что интерес к его работе упал.
По иному пути пошли некоторые другие изобретатели, и среди них наибольшего успеха добился Н. Тесла. Он не прибегал к попыткам получить разность фаз 90° в самих двигателях, а пришел к выводу о целесообразности построения такого генератора.
Основным недостатком двигателя Тесла, сделавшим его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой, обуславливающих большое магнитное сопротивление и неблагоприятное распределение МДС вдоль воздушного зазора. Конструкция обмотки ротора (как выяснилось потом) тоже была неудачной (две взаимно перпендикулярные обмотки).
Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значительную долю стоимости установки для передачи электроэнергии составляют затраты на линейные сооружения — в частности на провода — четыре провода (в два раза больше, чем в однофазном токе).
5.8. Трехфазная система
В то время как Тесла и его сотрудники пытались усовершенствовать 2-х фазную систему, в Европе была разработана более совершенная — трехфазная.
Документы свидетельствуют, что в 1887-1889 гг. многофазные системы разрабатывались несколькими учеными и инженерами.
В Америке Ч. Бредли, стремясь изготовить электрическую машину с лучшим использованием активных материалов, конструировал 2-х и 3-х фазные генераторы. Не зная о явлении вращающегося магнитного поля, он предполагал, что потребители в его многофазных системах должны включаться как однофазные.
Немецкий инженер Ф. Хазельвандер подошел к 3-х фазной системе токов с других исходных позиций. Зная, что коллектор у генератора и двигателя постоянного тока выполняют взаимообратные функции, он решил его устранить. Для этого те точки обмотки якорей каждой из машин, от которых идут отпайки к пластинам коллектора, соединил соответственно друг с другом. Это удобно сделать у обращенной машины, якоря которых неподвижны, а полюсы вращаются. Стремясь уменьшить при этом число линейных проводов, он нашел минимальный вариант — три провода. Однако он не сумел увидеть всех возможностей этой системы и создать пригодные для практики конструкции машин [1].
Наибольших успехов в развитии многофазных систем добился М.О. Доливо-Добровольский, сумевший придать своим работам практический характер. Поэтому он по праву считается основоположником 3-х фазной техники.
Осенью 1888 г. Доливо-Добровольский, тогда еще молодой инженер, познакомившись с содержанием доклада Феррариса, не согласился с его выводами о практической непригодности индукционного двигателя. Еще до этого он заметил, что если замкнуть обмотки якоря двигателя постоянного тока, то возникает тормозной момент большой величины. Он понял, что если сделать вращающееся поле по методу Феррариса и поместить туда такой короткозамкнутый якорь с малым сопротивлением, то он скорее сгорит, чем будет вращаться с небольшим числом оборотов.
Первым шагом, который сделал Доливо-Добровольский, было изобретение ротора с обмоткой в виде беличьей клетки.
Важным этапом в трудах Доливо-Добровольского явилась замена 2-х фазных систем 3-х фазными. Он совершенно справедливо отмечал, что при увеличении числа фаз улучшается распределение МДС по окружности статора. Дальнейшее увеличение числа фаз не являлось целесообразным, так как привело бы к значительному увеличению расхода меди на провода.
Для получения 3-х фазной системы в результате исследований Доливо-Добровольский сделал ответвление от 3-х равноотстоящих точек обмотки якоря машины постоянного тока. Таким образом были получены токи с разностью фаз 120°. Таким путем была найдена связанная 3-х фазная система, отличающаяся той особенностью, что она требовала для передачи и распределения электроэнергии только три провода. В 2-х фазной системе Тесла также можно было обойтись тремя проводами, но достоинства 3-х фазной системы подкрепилось преимуществом двигателей.
Дальнейшее увеличение числа фаз привело бы к некоторому улучшению использования электрических машин, но вызвало бы дополнительный расход меди. Поэтому 3-х фазная система оказалась оптимальной.
Весной 1889 г. был построен первый 3-х фазный асинхронный двигатель мощностью примерно 100 Вт. Он питался от 3-х фазного одноякорного преобразователя и показал хорошие результаты. Вслед за этим был создан другой более мощный одноякорный преобразователь, а затем началось изготовление 3-х фазных синхронных генераторов.
Уже в первых синхронных генераторах применялись два основных способа сопряжения фаз: звезда (условное обозначение -Y) и треугольник (условное обозначение — А).
Важным достижением Доливо-Добровольского явилось также то, что он отказался от выполнения асинхронного двигателя с выступающими полюсами, а сделал обмотку статора распределенной по всей окружности. В результате уменьшилось магнитное рассеяние по сравнению с двигателем Тесла.
Вскоре Доливо-Добровольский заменил кольцевой тип обмотки статора барабанным. Так асинхронный двигатель приобрел современный вид.
Новое затруднение в развитии 3-х фазной техники возникло в связи с ограниченной мощностью первых источников 3-х фазного переменного тока. Дело в том, что пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в несколько раз превышает номинальный ток.
Анализ возникших затруднений привел к созданию так называемого двигателя с фазным ротором.
5.9. Трехфазный трансформатор
3-х фазная система не получила бы в первые же годы своего существования быстрого распространения, если бы она не решила проблемы передачи энергии на большие расстояния.
Но электропередача выгодна при высоком напряжении, которое в случае переменного тока получается при помощи трансформатора.
3-х фазная система не представляла принципиальных затруднений для трансформации энергии, но требовала трех однофазных трансформаторов вместо одного при однофазной системе. Такое увеличение числа довольно дорогих устройств не могло не вызвать стремления поиска более удовлетворительного решения.
В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел 3-х фазный трансформатор [1]. В начале это был трансформатор с радиальным расположением сердечника (рис.1, А). Его конструкция еще напоминает электрическую машину, где отсутствует воздушный зазор.
Затем было предложено несколько конструкций призматических трансформаторов, где удалось получить более компактную форму магнитопровода (рис.1, Б).
Наконец, в октябре 1891 г., была подана заявка на 3-х фазный трансформатор с параллельными стержнями (рис.1, В).
В принципе эта конструкция сохранилась до настоящего времени.
Целям электропередачи отвечали также работы, связанные с изучением схем 3-х фазной цепи.
Рис.1
В 80-90-х годах XIX века значительное место занимала осветительная нагрузка, которая часто вносила существенную несимметрию в систему. Кроме того, часто надо было иметь не одно, а два напряжения: одно — для осветительной нагрузки; другое, повышенное, — для силовой.
Чтобы иметь возможность регулировать напряжение в отдельных фазах и располагать двумя напряжениями в системе (фазным и линейным), Доливо-Добровольский разработал в 1890 г. 4-х проводную схему 3-х фазной цепи -систему с нейтральным проводом. Сразу же он указал, что в ряде случаев вместо нейтрального провода можно использовать «землю».
Свои предложения Доливо-Добровольский обосновал доказательством того, что 4-х проводная 3-х фазная система допускает иметь определенную асимметрию нагрузки, поскольку позволяет сохранять в каждой фазе неизменное напряжение.
Для регулирования напряжения в отдельных фазах 4-х проводной системы он предложил использовать изобретенный им 3-х фазный автотрансформатор.
Таким образом, в течение трех лет были конструктивно разработаны все основные элементы 3-х фазной системы электроснабжения [1].
Из всех возможных конструкций многофазных синхронных генераторов, принцип действия которых был известен задолго до того, получил широкое практическое применение лишь 3-х фазный синхронный генератор.
Так зародилась и получила свое начальное развитие 3-х фазная система электрического тока.
Изучение истории техники 3-х фазных цепей показывает, что решающую роль в ее зарождении и развитии сыграли труды М.О. Доливо-Добровольского.
Несомненно, столь быстрый и полный успех его трудов во многом определялся тем обстоятельством, что его труды отвечали основным направлениям эпохи.
Кроме того, нельзя упускать из виду, что Доливо-Добровольский работал в условиях наиболее развитой в то время электротехнической промышленности -германской и, являясь одним из технических руководителей крупнейшей электротехнической фирмы, располагал большими возможностями для экспериментальных исследований и практической реализации своих изобретений. В то время как другим его современникам не доставало инженерного подхода к решению возникающих проблем (Бредли, Тесла) либо материально-технической базы (Хазельвандер), у Доливо-Добровольского было и то и другое, помноженное на глубокие знания и огромную работоспособность.
5.10. Первая трехфазная линия электропередачи
Генеральным испытанием 3-х фазной системы явилась Лау фен-Франкфуртская экспериментальная электропередача. Этот выдающийся для своего времени эксперимент был приурочен к Международной электротехнической выставке и Международному конгрессу электротехников, которые проводились в 1891г. во Франкфурте-на-Майне (Германия) [1].
Организаторы выставки предложили фирме АЕГ, где в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на реке Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина полезной мощностью около 300 л.с.
До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных, не превышала 15 км, и ряд специалистов полагали, что КПД установки может оказаться меньше 50%.
Доливо-Добровольскому предстояло в течение года спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и 3-х фазные трансформаторы мощностью 100 — 150 кВА. Изготовление генератора было поручено главному инженеру швейцарского завода «Эрликон». Задачи были очень серьезные: испытание новой системы перед лицом всего мира; невиданные масштабы; двигатели и трансформаторы на такие мощности еще никогда не строились.
В августе 1891 г. на выставке впервые зажглись 1000 ламп накаливания, питаемых током Лауфенской гидростанции, а двигатель привел в действие декоративный водопад. Это символизировало новую победу над природой.
Проблема передачи энергии была решена. По результатам международной комиссии было зафиксировано min = 68,5%; max = 75,2 %; линейное напряжение составляло 15 кВ.
Создание 3-х фазной системы явилось важнейшим этапом в развитии техники. Эта система вывела проблему передачи электроэнергии, а вместе с ней и электротехнику, из кризисного состояния, сложившегося в 80-х годах прошлого века.
Производительные силы получили новую техническую базу, во многом способствовавшую углублению и расширению процесса концентрации и централизации производства.
Электрическая энергия, которая из мест ее дешевого получения теперь могла передаваться в удаленные промышленные районы, вызвала коренную реконструкцию энергохозяйства промышленных предприятий и начала внедряться в технологию.
Вопросы для самопроверки
1) Почему именно электрическое освещение стало первым массовым энергетическим применением электрической энергии?
2) Чем сдерживалось вначале применение электроэнергии в промышленном приводе?
3) Что представляла собой схема распределения электроэнергии, предложенная русским электротехником П.Н. Яблочковым?
4) Для каких целей и кем были применены первые подводные и подземные кабели?
5) Какие изоляционные материалы создаются в начале 90-х на основе слюды?
6) Чем характеризуются современные электроизоляционные материалы на основе различных синтетических высокомолекулярных материалов?
7) Почему на смену однофазному току пришел двухфазный, а затем 3-х фазный ток?
8) Почему эффективность электропередачи зависит от величины напряжения?
9) Какое преимущество имеет электропередача на переменном токе?
10) Каковы причины, ограничивающие величину напряжения электропередачи на уровне нескольких тысяч кВ(технические или из-за вредного воздействия на природу)?
11) Почему с увеличением напряжения растет стоимость энергетического оборудования?
12) Какие проблемы электроэнергетики могут быть решены с применением глубокого охлаждения?
13) Что достигается объединением энергосистем?
14) Какие задачи решает диспетчерская служба?
ТЕМА 6
Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией
«Героический» период электротехники завершился на рубеже XIX и XX столетий.
Все основные технические устройства, предназначенные для производства, распределения и использования электрической энергии, были предложены и доведены до промышленного применения.
Потребность в производстве больших количеств электроэнергии оказала влияние на всю первичную энергетику: теплоэнергетику и гидроэнергетику.
Коренные усовершенствования и в той, и в другой области первичной энергетики были тогда уже, главным образом, связаны не с непосредственным использованием в промышленности тепла и энергии воды, а с созданием первичных двигателей электростанций.
Правда, несколько позднее тепловые электростанции стали рассматриваться как фабрики по производству электрической и тепловой энергии на равных началах (так называемые теплоэлектроцентрали — ТЭЦ).
6.1. Развитие котлостроения
Концентрация (централизация) производства электроэнергии практически оказалась бы неосуществимой на основе старой первичной энергетики «доэлектрического периода».
Если в конце XIX в. крупные предприятия потребляли мощность 500 — 1500 л.с, то в начале XX в. предстояло обеспечить для некоторых заводов мощность примерно 30000 л.с. Для решения этой задачи в условиях старой первичной энергетики надо было бы установить более десятка мощных паровых машин и около сотни паровых котлов.
Для современной тепловой электростанции мощностью 1,2 млн кВт, оборудованной теплотехническими устройствами конца XIX в. потребовалось бы более 3400 паровых котлов и огромные площади для их размещения; число паровых машин составило бы 480 шт.
Таким образом, теплоэнергетика тормозила развитие электростанций, а поэтому достижения последних стимулировало развитие теплоэнергетики.
Трудно назвать другой технический объект, получивший столь коренные конструктивные изменения в первой половине XX в., как паровой котел.
С другой стороны, трудно назвать другой технический объект, который бы с момента своего возникновения и до наших дней развивался бы под действием только двух неизменных тенденций: повышения давления и повышения паропроизводительности. При этом всегда естественно оставалось стремление увеличить КПД.
Под влиянием электрификации эти тенденции сильно обострились, направив внимание исследователей на физические факторы, определяющие напряженность работы котла: температура, скорость газов, воды и пароводяной смеси.
Поиски путей резкого повышения этих параметров привели в первой половине XX в. к коренному изменению конструктивных форм котлоагрегата.
В этот период наблюдается значительный рост относительных топочных объемов, стремление к интенсификации процесса горения, к повышению температуры и полноты сжигания топлива. Рост топочных объемов связан с переходом к камерному сжиганию топлива (топки — камеры) вместо старого слоевого. Повышение температуры горения потребовало защиты топочных стен и сводов — применялись топочные экраны, предложенные в конце XIX в. выдающимся русским инженером В.Г. Шуховым.
Конструкция водяного подогревателя (экономайзера) была усовершенствована, возложив на себя функции подогрева воды почти до парообразования.
В первой половине XX в. в отдельных котлоустановках КПД вырос с 50...60 до 90% .
Для интенсификации сгорания топлива в топку стали подавать воздух, предварительно нагретый до высокой температуры.
Если первые типы котлов имели от 1 до 5 барабанов, то в 30-х г. преобладающими становятся котлы с одним барабаном или же совсем без них (прямоточные котлы). Уменьшение числа барабанов вызывалось тем, что с ростом котельного давления барабан становился самой дорогой частью котла.
Поперечное сечение котельных трубок уменьшилось (Dнap со 100 до 40 мм; Dвнyтp с 90 до 32 мм), а это при одновременном увеличении их суммарной длины и длины контура усложнило задачу обеспечения циркуляции за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси в нисходящих и восходящих циркуляционных потоках. Потребность обеспечить принудительную циркуляцию осуществлялась специальными циркуляционными насосами.
Особое значение приобрел сложный процесс приготовления топлива и воды.
Размол и подсушка топлива для сжигания его в факелах в виде аэропыли потребовали разработки ряда дополнительных технических устройств: угольных мельниц, труб — сушилок, дозаторов, транспортеров, горелок и приборов для контроля за их действием.
Для подготовки воды, к чистоте которой предъявляются исключительно высокие требования, потребовалось создание водоподготовительных цехов со сложным фильтрующим и химическим оборудованием, лабораториями для химического контроля за качеством воды.
6.2. Развитие паровых турбин
Ряд принципиальных вопросов турбостроения был поставлен и в частной форме разрешен в трудах шведского инженера Г.П. Лаваля.
Сторонник интенсификации техники, он довел скорость вращения турбин до 6000 — 7000 об/мин в конструкции первого сепаратора непрерывного действия, запатентованного в 1878 г.
Для увеличения КПД турбин Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло (1889 г.), позволившее понизить давление пара ниже критического, сообщив ему при этом сверхзвуковую скорость.
Пойдя по пути освоения высоких скоростей, Лаваль создал активную одновенечную турбину со скоростью вращения 30000 об/мин. В процессе конструирования этой турбины он решил ряд сложных технических задач, используя такие элементы, как гибкий вал с подшипниками на шаровых опорах, турбинное колесо — диск в форме тела равного сопротивления инерционным силам. Впервые для лопаток и диска были применены специальные материалы — никелевая сталь.
Решения, предложенью Лавалем в области турбостроения, не имели теоретических оснований и носили частный характер применимый, к турбинам небольшой мощности (до 500 кВт).
Теория перечисленных задач еще только начинала разрабатываться. Теория расширяющегося сопла была дана Г.А. Цейнером (1899 г.), однако получила широкое признание значительно позднее, после опубликования ряда работ, в том числе, чешского ученого А. Стодола. Его считают создателем подлинной энциклопедии паровых турбин.
Турбины Лаваля сейчас расцениваются как первые машины, в которых были в частной форме решены основные задачи турбостроения и дано направление дальнейшим работам по освоению и совершенствованию принципиально нового типа парового двигателя.
Быстроходная турбина, не имеющая частей, совершающих возвратно-поступательное движение, позволяла сконцентрировать громадные мощности в одном агрегате. Это свойство турбин могло быть использовано только при ее объединении с электрогенератором.
В этом направлении начал свою работу английский инженер И.А. Парсонс. В 1884 г. он получил патент на многоступенчатую реактивную турбину мощностью около 8 кВт при п = 1000 об/мин. Соединив ее с залом электрогенератора, он получил первый турбогенератор — важный агрегат электростанций.
Парсон строил паровые турбины самых разнообразных конструкций, вводя новые улучшения, снижая расход пара, достигавший в первых турбинах громадной величины — около 60 кг/кВт-ч. К 1896 г. в турбине мощностью 400 кВт был достигнут расход пара 9.2 кг/кВт-ч.
Однако на европейском континенте паровые турбины получили всеобщее признание в качестве двигателя электрогенератора только с 1899 г. В этом году в немецком городе Эльберфельде на электростанции для привода 3-х фазных генераторов были применена турбина Парсонса мощностью 1000 кВт. Испытания установили неоспоримые преимущества паровой турбины перед другими типами двигателей. Турбины работали со средним давлением пара 10.5 атм., t = 200º С и показали расход 8-9 кг/кВт·ч. Уже в 1913 г. расход пара в турбине Парсона мощностью 25000 кВт при давлении 14 атм. при t =304º С составил 5 кг/кВт·ч.
В 1900 г. на Всемирной выставке в Париже были представлены чертежи многоступенчатой паровой турбины французского профессора Огюстена Рато мощностью 1000 л.с [2].
Впервые разбивку скоростного перепада на ряд ступеней скорости ввел в 1896 г. американский инженер Ч. Кертис.
Первые годы XX в. знаменуются началом турбостроения в ряде стран: Германии, Франции, США, Швейцарии, Швеции, Австро-Венгрии.
В России первые турбины выпускались только Петербургским металлическим заводом. С начала внедрения первых турбин на судах военно-морского флота на Балтийском заводе был специально оборудован турбинный цех на уровне с турбинными цехами крупнейших зарубежных заводов.
6.3. Развитие гидравлических турбин
Глубокие изменения во взглядах на возможности гидроэнергетики произошли в связи с опытами во время Франкфуртской выставки 1891 г. С этого момента началась новая эра в области производства электроэнергии на гидравлических электростанциях.
Для характеристики водяных турбин был введен коэффициент быстроходности, который определял число оборотов при напоре один метр и мощности одна л.с. В первых радиально-осевых турбинах он составлял 60 — 70 об/мин, а к концу XX в. вырос до 320 об/мин.
Для повышения этого коэффициента стали стремиться распределить мощность между несколькими рабочими колесами. Появились горизонтальные и вертикальные турбины сдвоенного типа. Но это был не единственный путь повышения коэффициента быстроходности.
В 1914 г. профессор Дубе (Швейцария) доказал, что при значительном увеличении зазора между направляющим аппаратом и рабочим колесом и одновременным уменьшением длины лопаток рабочего колеса можно довести коэффициент быстроходности до 500 в обыкновенной (не сдвоенной) турбине. Но при работе колеса с неподвижными лопатками при такой реконструкции нельзя было сохранить высокий КПД.
Значительное увеличение коэффициента быстроходности было достигнуто в 1914 — 16 гг., когда профессор В. Каплан (Чехословакия) осуществил радиальный подвод воды в направляющий аппарат и осевое прохождение воды через рабочее колесо при большом зазоре между направляющим и рабочим колесами.
Гидравлические турбины Каплана для низконапорных установок в процессе своего развития прошли 2 стадии.
Стремясь устранить всякие детали, могущие усложнить прохождение воды через рабочее колесо, Каплан в патенте 1916 г. предложил турбину без обода и придал рабочему колесу форму судового гребного винта. Коэффициент быстроходности достиг 1000, а КПД 80 — 82 % при полном давлении, которое регулировалось поворотными лопатками направляющего аппарата. Однако испытания показали, что при неполном подводе воды к рабочему колесу КПД резко падает. Вследствие этого был предложен поворотный тип лопаток рабочего колеса. В настоящее время турбины этого типа называются поворотно-лопастными.
После Днепровской ГЭС, где были установлены американские и отечественные турбины, отечественное гидростроение занимает ведущее место в мире.
Самые крупные поворотно-лопастные турбины установлены на Саратовской ГЭС (диаметр рабочего колеса 10,3 м) [1].
Рекордные мощности (126 МВт) и КПД (94%) были достигнуты в поворотно-лопастных турбинах Волжских ГЭС. Они были отмечены пятой Международной энергетической конференцией в Вене в 1956 г. как высшее достижение мирового гидротурбиностроения.
Вопросы для самопроверки
1) Назовите основные тенденции (направления) развития парового котла с момента его создания и до настоящего времени.
2) Какие основные модернизации претерпел паровой котел с конца XIX до конца ХХ в в.?
3) Дайте определение паровой турбине.
4) Что дает применение расширяющегося сопла в паровой турбине?
5) Какая величина была введена в конце XVII века для характеристики водяных турбин?
6) В качестве какого элемента электрогенератора могут быть использованы паровые турбины?
7) Почему исследователи, ученые стремились повысить коэффициент быстроходности водяных турбин, к чему это привело?
8) Какие причины способствовали развитию теплоэнергетики в начале ХХ века?
9) Что предложил для совершенствования В. Каплан в 1914-1916 годах?
ТЕМА 7
Развитие электростанций
7.1. Развитие тепловых электростанций
Тепловая часть электростанций на каждом этапе своего развития определяется прежде всего техническим уровнем основных агрегатов теплоэнергетического оборудования: паровых котлов и паровых двигателей.
В зависимости от мощности, параметров и габаритов этого оборудования решались вопросы компоновки станций, в развитии которых можно выделить 4 этапа.
Первый этап характеризуется применением ручных топок со слоевым сжиганием топлива на плоских колосниковых решетках, расположенных под котлами разных типов — от жаротрубных до горизонтальных водотрубных. Паропроизводительность водотрубных котлов 3 т/ч и мощность паровых двигателей до 5000 кВт. Применяли пар давлением до 15 атм. с перегревом до 300 °С.
Этот этап для наиболее развитых в экономическом отношении стран относится в основном к концу XIX века.
Первая четверть XX века характеризуется качественными изменениями в трех направлениях:
— механизация топок, так как ручная загрузка становится непосильной при возросшей производительности: для бурых углей разработана конструкция ступенчатых топок, для каменных — топок с цепными решетками;
— переход к водотрубным котлам с меньшими диаметрами барабанов и большим количеством труб в связи с ростом давления пара и производительности котла. Основные типы котлоагрегатов в этот период -горизонтально и вертикально водотрубные котлы;
— замена паровой машины паровой турбиной. Количественные характеристики значительно возрастают: паропроизводительность достигает 30 т/ч, мощность турбогенераторов — 30 000 кВт. Качественные характеристики: давление пара до 40 атм., перегрев до 420 °С.
Для второго этапа характерно соотношение между числом турбин и котлов 1: 5 -г 1: 8. Необходимость установки 5-8 котлов на одну турбину сказывалась прежде всего на компоновке тепловой части электростанций с 2-х рядным размещением котлов.
На третьем этапе наблюдался переход к факельному сжиганию угольной пыли в громадных камерных топках, экранированных для защиты облицовки радиационными поверхностями нагрева, которые увеличивали удельную паропроизводительность. Стремление интенсифицировать процесс горенья вызывает введение воздухоподогревателей. Паропроизводительность котлов достигает 400 т/ч, мощность турбогенераторов — 120 ООО кВт. Давление пара возрастает до 125 атм., что вынуждает применять промежуточный перегрев пара во избежание слишком большого его увлажнения на последних дисках конденсационных турбин. Температура пара перед турбиной достигает 525°С.
Для этого периода характерно применение однобарабанных и безбарабанных котлов. Их количество на турбину снижается и доходит до одного, а котельные становятся однорядными, расположенными параллельно машинному залу. Так происходит возникновение «блочных» станций (блок: котел-турбина).
Развитие блочных установок характеризует четвертый этап. Современный этап отличается высокой паропроизводительностью котлоагрегатов (до 2 500 т/ч и больше), способных снабжать паром находящуюся в блоке турбину мощностью 300, 500 и 800 МВт. Сверхкритические параметры пара требуют осуществления его двойного промежуточного перегрева [1].
Основными типами тепловых электростанций являются: паротурбинные конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ).
Основными направлениями их развития всегда являлось укрупнение мощности устанавливаемого на них энергетического оборудования.
При этом если в 20 — 30 годы XX века единичная мощность энергетического оборудования ограничивалась размерами возможного резерва -в энергетической системе ограниченной мощности выход из строя крупного агрегата мог повлечь за собой весьма серьезные последствия для всей системы, то теперь, по мере создания крупнейших объединенных энергетических систем, эти ограничения были сняты — теперь мощность одного агрегата ограничивается не возможностями электроэнергетики, а достигнутым уровнем металлургической и машиностроительной промышленности.
В последние годы развитие конденсационных электростанций во всех развитых странах идет по блочной схеме (самый современный блок — один котел и одновальная турбина). Мощность таких блоков уже достигает 800 МВт (Славянская ГРЭС), а мощность самих электростанций достигает 3000 — 4000 МВт.
Все большее распространение в мировой теплоэнергетике получают теплофикационные электростанции. Их особенность состоит в том, что пар, отбираемый из нескольких участков проточной части паровых теплофикационных турбин, отдает свое тепло воде, проходящей через ряд водоподогревателей и затем отправляемой в теплофикационную сеть для использования промышленными и городскими потребителями.
В области комбинированного производства тепловой и электрической энергии наша страна всегда занимала ведущие позиции. Первой такой электростанцией была электростанция №3 в Ленинграде (1924 г.).
Мощность одной теплоэлектростанции достигает 1000 МВт и более. Однако мощность ТЭЦ не может возрастать выше определенной величины, которая ограничивается потребностями не в электроэнергии, подаваемой в энергетическую систему, а потребностями в тепловой энергии и допустимыми протяженностями тепловых сетей. Например, в городах с населением менее 1 млн чел. целесообразно сооружать ТЭЦ с турбоагрегатом мощностью 250 МВт.
Все более заметную роль в современной электроэнергетике играют атомные станции.
Первая промышленная атомная электростанция (АЭС) мощностью 5 МВт вступила в строй в июне 1954 года в городе Обнинске.
Опыт работы атомных электростанций у нас и в таких густонаселенных странах, как Англия, Франция, Германия, Япония, показывает, что при выполнении ряда определенных технических требований соблюдается полная радиационная безопасность для персонала станций и населения близлежащих районов.
Для АЭС не требуется строить громоздкие склады топлива и предусматривать большие территории для золо- и шлакоотвалов.
По техническим и экологическим соображениям следует ожидать быстрого прогресса в строительстве АЭС [4].
Достижение нового уровня развития какой — либо отрасли техники всегда порождает и новые проблемы. Так, наращиванье мощности электростанций за счет ввода крупных блоков при сверхкритических параметрах пара сделало актуальным решение проблемы регулирования суточных графиков нагрузок. Для покрытия пиков нагрузок велись разработки новых типов электростанций и агрегатов. За последние годы в теплоэнергетике началось использование газотурбинных и парогазовых установок.
В газотурбинных установках (ГТУ) роль генераторов газа повышенного давления играют турбореактивные двигатели, в частности отработавшие свой ресурс авиационные и судовые двигатели. Они весьма маневренны, запускаются за несколько минут, значительно проще в эксплуатации и дешевле паротурбинных. Отсутствие котельных агрегатов и ряда вспомогательных систем, а также указанные выше достоинства делают ГТУ экономичными и перспективными.
Другим примером нового достижения на пути повышения экономической эффективности теплового цикла и маневренности являются парогазовые установки (ПГУ), соединяющие в себе преимущества ГТУ (высокие начальные температуры цикла) и паротурбинных (низкие конечные температуры).
К числу новых способов использования природных энергетических источников можно отнести строительство геотермальных электростанций. В 1966 году на Камчатке был введен в эксплуатацию экспериментальный турбогенератор мощностью 2 500 кВт. Однако в ближайшем будущем широких масштабов строительства геотермальных электростанций не предвидится, в частности, из-за большого количества минеральных солей, содержащихся в геотермальных водах, с отложениями которых весьма трудно бороться.
Напротив, исключительно большие преимущества открываются в новейшей области энергетики высоких температур: использование плазмы в целях преобразования тепловой энергии в электрическую, минуя обычный тепловой цикл. Ближайшая реализация этого направления состоит в использовании магнитогидродинамических генераторов (МГД -генераторов).
В МГД — генераторе поток «горячих» электропроводящих газов направляется в межполюсное пространство мощных электромагнитов. Движение такого газа равносильно движению якоря с проводниками в магнитном поле, только ЭДС наводится в «мысленных» проводниках, образованных в слое газа. При помощи электродов, установленных по всей длине канала, электрическая энергия отводится во внешнюю цепь. Таким образом преобразование тепловой энергии происходит без турбины, без каких либо вращающихся частей.
Работа при высоких температурах (~2500 °С) позволяет весь цикл сделать исключительно экологичным. Применение МГД — генераторов в большой энергетике позволит примерно в 1,5 раза сократить затраты топлива на производство электроэнергии по сравнению с обычными тепловыми станциями. Замечательной особенностью МГД — генераторов является то, что они не требуют охлаждения водой и, следовательно, не загрязняют водоемы, а меньший относительный расход топлива и более полное его сгорание уменьшают загрязнения атмосферы. У нас уже работает МГД — генератор на 200 кВт, сооружается промышленная электростанция с МГД — генератором мощностью 25 МВт [4].
Дальнейшим развитием применения плазмы является создание термоядерного генератора, в котором будет использован сверхнагретый поток водорода в сверхсильном магнитном поле, образованном электромагнитами со сверхпроводником в качестве обмотки возбуждения.
7.2. Развитие гидроэлектростанций
Гидроэлектростанции (ГЭС) по сравнению с тепловыми обладают рядом достоинств, связанных с экономией топлива, с рациональным решением не только проблем энергетики, но и ряда других: судоходство, агрегация, мелиорация, водоснабжение и т.п.
Опыт эксплуатации первых ГЭС показал, что они имеют большую маневренность, хорошую надежность, малые эксплуатационные расходы, требуют немногочисленного персонала, допускают полную автоматизацию.
Современные гидравлические турбины обладают КПД до 93 %. Энергия, производимая ГЭС, дешевле, чем тепловых электростанций.
В техническом и эксплуатационном отношениях очень важным является то, что гидроэлектрические установки обладают маневренностью. Это особенно важно для крупных энергетических систем, так как резкий прирост нагрузки, особенно при аварийных ситуациях в системе, можно быстро компенсировать включением резервных гидроагрегатов. Таким образом, гидроагрегаты очень удобны для покрытия пиков нагрузки в системах, сочетающих как тепловые, так и гидроэлектростанции. Кроме того, конструкция агрегатов ГЭС проще, чем тепловых станций, а процесс производства электроэнергии менее сложен.
Недостатком ГЭС является их «локальность». Она преодолевается передачей электроэнергии на расстояние, однако в некоторых случаях передача энергии перевозкой топлива более оправдана, особенно при применении нефтепроводов и газопроводов. Первоначальные затраты на сооружение ГЭС выше, чем на тепловые.
Отечественные энергетики решили многие сложные задачи, связанные с ГЭС, в частности проблемы сооружения:
— электростанций на равнинных реках с мягкими грунтами (Свирская ГЭС, Днепровская);
— новые ГЭС создавались не только на равнинных реках, но и высоконапорные, в горных районах. Сложными и интересными с точки зрения прогресса гидростроительства явились такие станции как, Ингурская ГЭС в Закавказье с бетонной плотиной высотой 271 м.; Нурекская ГЭС на р.Вахш (Таджикистан) с каменно-набросной плотиной высотой 300 м. и подземным зданием станции; Вилюйская ГЭС, построенная в зоне вечной мерзлоты.
В настоящее время сооружаются ГЭС:
— деривационные;
— приплотинные.
На деривационных ГЭС существенная часть напора создается деривационными водоводами, являющимися искусственными сооружениями в виде открытых каналов, лотков, туннелей или трубопроводов. Водяные турбины ставятся на деривационных водоводах. Такие ГЭС подходят для горных рек.
Приплотинные ГЭС устроены так, что напор в них создается искусственно сооруженной плотиной, которая поддерживает уровень воды, создает верхний бьеф. Здание ГЭС обычно располагается вблизи плотины: вода из водохранилища подходит к турбинам по напорным водоводам, проходящим через тело плотины, либо под плотиной, либо непосредственно из верхнего бьефа. Затем использованная вода из турбин отводится в русло. Для пропуска избытка воды устанавливаются особые водосливные плотины.
В развитии гидростроительства наблюдается общая для электроэнергетики традиция укрупнения агрегатов и увеличения мощности ГЭС.
Если в тридцатые годы XX века единичная мощность крупнейших агрегатов составляла несколько десятков МВт, то мощность крупнейших, например Волжских ГЭС равна 115 МВт, Братской — 225МВт, Красноярской -500 МВт, Саяно-Шушенской — 650 МВт.
Крупнейшими ГЭС являются: Братская — 4 млн кВт, Красноярская 6 млн кВт, Саяно-Шушенская 6,4 млн кВт [1].
Новейшим направлением в области гидроэлектростроительства являются приливные и гидроаккумулирующие электростанции.
Уже работает приливная электростанция (ПЭС) на Ла-Манше мощностью 240 тыс. КВт.
С 1967 года ведется активная эксплуатация второй в мире приливной электростанции — Кислогубской в Баренцевом море.
Плотина ПЭС отгораживает часть моря так, что во время прилива образуется перепад в несколько метров. В нужный момент открывается затвор и вода направляется на лопасти турбины, выравнивая уровни моря и замкнутого пространства. При отливе образуется верхний бьеф со стороны бассейна и нижний со стороны моря и вода направляется в обратную сторону. ПЭС предназначена для покрытия пиков нагрузки. Их мощность может составлять от тыс. до миллионов кВт.
Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) также предназначены для покрытия пиков нагрузки, когда они работают как обычные электростанции. Но они также и потребляют электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями системы. В те часы, когда электроэнергия дешева, когда имеется ее избыток, например в поздние ночные часы, ГАЭС превращает свои обратимые турбины в насосы, перекачивающие воду из нижнего в верхний бассейн. Так происходит аккумулирование энергии в форме потенциальной энергии воды, поднятой на определенную высоту. Первая такая станция в СССР была построена под Киевом и имеет мощность 225 тыс. кВт [2].
Вопросы для самопроверки
1) Сколько и какие этапы можно выделить в развитии тепловых электрических станций?
2) Назовите основные типы тепловых электрических станций.
3) Почему в последние время единичная мощность энергетического оборудования не ограничивается размерами возможного резерва?
4) Где в России была построена первая ТЭЦ и в каком году?
5) Где в России была построена первая АЭС и в каком году?
6) С какой целью применяются ГТУ и ПГУ?
7) Назовите примеры использования альтернативных источников энергии для производства электрической энергии.
8) Имеют ли преимущества ГЭС по сравнению с ТЭС, если да, то перечислите их.
9) В деривационных и приплотинных ГЭС напор создается одинаковым способом? Если нет, то объясните принцип его создания.
10) Какая тенденция наблюдается в последнее время для увеличения мощности ГЭС?
11) Назовите мощность крупнейших ГЭС России.
12) Что такое ПЭС? Принцип работы.
13) Для чего предназначены гидроаккумулирующие станции?
14) Где была построена первая в СССР ГАЭС и в каком году?
ТЕМА 8
Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния
Характерным в развитии электропередачи всегда являлись: увеличение передаваемых мощностей, протяженности линий и как следствие — увеличение напряжения.
Повышение этих параметров на каждом новом этапе ставило новые и более сложные задачи перед учеными и инженерами, перед конструкторами электрических машин, линейных устройств и коммутационной аппаратуры.
Практически возможными являлись два метода электропередачи -постоянным или переменным токами.
Оба эти метода с различными успехами разрабатывались на протяжении всей истории электроэнергетики.
Основными средствами передачи электрической энергии являлись воздушные и кабельные линии со всем необходимым оборудованием.
8.1. Передача энергии постоянным током
В развитии электропередачи постоянным током можно выделить два основных направления:
получение высокого напряжения без преобразования рода тока;
использование преобразовательной техники.
Наибольших достижений в развитии техники передачи электроэнергии постоянным током удалось добиться швейцарскому инженеру Рэне Тюри.
Он реализовал идею Фонтена, введя небольшое усовершенствование: выходившая из строя электрическая машина специальным автоматом отсоединялась от линии, а концы последней соединялись между собой. На приемном конце линии сооружалась подстанция, на которой последовательно включались двигатели. Каждый из этих двигателей приводил в действие генератор низкого напряжения. Таким образом, «система Тюри» представляла собой линию высокого напряжения, присоединенную своими концами к двум системам последовательно включенных машин.
Первая электропередача по системе Тюри была осуществлена в Генуе в 1893 г. Она работала сначала на напряжении 5-6, затем 10 и даже 14 кВ при мощности 325 кВт. Общая длина линий достигала 60 км [1].
Опытами передачи по системе Тюри завершилось первое направление в развитии электропередачи постоянным током.
Второе направление возникло в 1918 г. К этому времени, как будет показано ниже, уже успешно действовала мощная 3-х фазная электропередача высокого напряжения (до 150 кВ).
Но уже к концу второго десятилетия текущего столетия наметились контуры новой и весьма неожиданной проблемы. Дело в том, что при значительных расстояниях передачи при высоком напряжении начинала существенно сказываться емкостная проводимость линий и значительно возрастал емкостной ток. При передачи энергии на расстояние более 300 — 500 км этот емкостной ток уже трудно было компенсировать.
Первым важность наметившейся проблемы оценил М.О. Доливо-Добровольский, и в ноябре 1918 г., за год до смерти, выступил с докладом на тему «О границах применения переменных токов для передачи энергии на большие расстояния». На основании технико-экономических расчетов он показал, что возможности переменного тока для целей электропередачи ограниченны и будущее в этом вопросе принадлежит постоянному току. В качестве примерной границы он указал напряжение ~ 200 кВ и расстояние порядка несколько сотен км. С современной точки зрения они являются конечно заниженными, но это ни в коей мере не умаляет важности принципиальной постановки задачи.
Замечательным является то, что еще в 1918 г. Доливо-Добровольский указывал, что одной из вероятных схем передачи энергии может быть линия постоянного тока, присоединенная на своих концах к преобразовательным подстанциям. Таким образом, он указывал на вероятность того, что генерирование и распределение энергии в будущем будут производиться переменным током, а ее передача — выпрямленным током высокого напряжения. В качестве одного из вариантов решения проблемы преобразования переменного тока в постоянный Доливо-Добровольский назвал применение ртутных выпрямителей.
Рост мощностей электростанций и дальности электропередачи, укрупнение энергосистем были столь быстрыми, что уже в 1920 — 1922 гг. в США, а затем и в других странах серьезно изучался вопрос об устойчивости параллельной работы синхронных генераторов. Известно, что нарушение устойчивости при каких-либо более или менее резких изменениях режима работы вызываются расстройством синхронной работы генераторов на связанных линиями электростанциях. Крупнейшая авария в 1965 г. в Нью-Йорке [1] показала, что нарушение устойчивости линий электропередачи переменного тока может привести к «распаду» даже очень крупную энергетическую систему. Глубокое изучение этого вопроса привело к тому, что наряду с другими методами повышения устойчивости параллельной работы стала рассматриваться и такая радикальная мера, как осуществление межсистемных связей линиями постоянного тока. В этом случае две связанные такой линией системы могут работать и не синхронно друг с другом.
При всех своих преимуществах электропередача постоянным током обладает крупными недостатками:
— она требует применения сложных и дорогих выпрямителей и инверторов;
— затрудняется решение задачи об отборе энергии в промежуточных пунктах линии, так как современная техника пока практически не располагает выключателями постоянного тока высокого напряжения.
В конце 30-х начале 40-х годов в разных странах было построено несколько опытных линий передачи постоянного тока напряжением 30-90 кВ.
8.2. Передача энергии переменным током
Многолетняя борьба за выбор рода тока закончилась в свое время полной победой переменного тока, причем решающую роль в этой победе сыграла 3-х фазная система.
В настоящее время передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется, за редким исключением, только переменным током.
Уже отмечалось, что вся история электропередачи сопровождалась увеличением передаваемых мощностей, напряжений и протяженностью линий.
На первом этапе преобладающей по важности проблемой было уменьшение потерь в линии, что требовало повышение напряжения.
В течение первого десятилетия XX века на первый план выдвинулась проблема изоляции линий. Применявшиеся штаревые изоляторы не позволяли поднять напряжение выше 60 — 70 кВ. Это ограничивало пропускную способность линий: для увеличения мощности передачи приходилось сооружать несколько параллельных цепей, что было весьма дорого. Только изобретение в конце 1906 г. подвесных изоляторов (Хьюлетт, США) позволило увеличить применявшееся напряжение.
В 1908 — 1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии 110 кВ, а следующее десятилетие дало увеличение напряжения еще в два раза (1920 Г.-165 кВ, 1922 Г.-220 кВ) [2].
Новое затруднение на пути роста напряжения возникло в связи с увеличением потерь на корону. Многочисленные теоретические исследования, проводившиеся в 1910 — 1914 годах (В.Ф. Миткевич в России, Пик в Америке, Г. Капп в Англии и другие) показали, что уменьшение потерь на корону (повысить критическое коронное напряжение) можно путем увеличения действительного или «электрического» диаметра провода. Первое направление привело к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большого диаметра. Второе направление (В.Ф. Миткевич) расширило указанные возможности применения расщепленных проводов, когда каждая фаза линии состоит, например, из трех проводов. При этом увеличивается «электрический» диаметр провода и к тому же снижается индуктивность проводов. Последнее обстоятельство оказалось очень важным в дальнейшем развитии техники электропередачи.
Первая линия 220 кВ с расщеплением фазы на 2 провода была построена в 1956 г. на Урале, а затем с расщеплением на 3 провода стали строить все линии 400 и 500 кВ.
Следующим этапом борьбы за освоение высоких напряжений явилась разработка методов компенсации индуктивного падения напряжения в линии. При напряжении больше 110 кВ и дальности больше 150-200 км индуктивное падение напряжения принимает такие размеры, что становится невозможным поддерживать постоянным напряжение в конце линий. Эта проблема была решена путем применения статических конденсаторов и синхронных компенсаторов. Впервые синхронный компенсатор был использован по предложению Доливо-Добровольского еще в 1892 г. на линии Бюлах-Эрликон (Швейцария) [1].
Наконец, одной из наиболее серьезных проблем в развитии электропередачи явилась возникшая в 20-х гг. проблема устойчивости параллельной работы электростанций.
Известно, что при нарушении статической (при малых нарушениях режима работы) или динамической (при резких и глубоких нарушениях) устойчивости синхронные генераторы на станциях выпадают из синхронизма и происходит распад энергетической системы.
Если при протяженности линий 200 — 300 км нет опасений за нарушение статической устойчивости и удается обеспечить динамическую устойчивость при быстром (0,1 сек. и меньше) отключении аварийного участка, то при дальности передачи 500 — 1000 км наиболее сложной задачей является обеспечение статической устойчивости.
Основополагающие работы по анализу этой проблемы выполнили в 30-е годы А.А. Горев, П.С. Жданов и другие в СССР; Парк, Робертсон и другие в США. В результате удалось найти ряд методов повышения устойчивости (регулирование турбин, аварийная разгрузка системы по частоте, фазировка возбуждения, внедрение быстродействующих защит, компенсация параметров линии и др.).
8.3. Развитие кабельных и воздушных линий
На заре развития электроэнергетики многие конструкции и схемы заимствовались из области неэнергетических применений электричества. Особенно много дала в этом отношении телеграфная техника. В связи с развитием телеграфа родилась и получила начальное развитие кабельная техника.
В первые годы строительства силовых электросетей наиболее естественной казалась подземная проводка, которая лучше защищена от механических повреждений и не портит внешнего вида улиц.
Решающую роль в развитии кабельной техники сыграло применение пропитанной бумажной изоляции.
Недостатки кабелей с поясной изоляцией привели к созданию кабеля с экранированными жилами (1913 г.). Такие 3-х жильные кабели на напряжение, равное 60 кВ, начали изготовляться в 1918 — 1919 гг.
Другим вариантом 3-х жильного кабеля высокого напряжения является изобретенный в 1924 г. (СССР) кабель с отдельно освинцованными жилами. Он был более гибок и надежен в эксплуатации. Такой кабель на напряжение 33 кВ был проложен в 1924 г. в Ленинграде (Ленинградское кабельное кольцо) [1].
Борьба за повышение напряжения на кабельных линиях привела к созданию маслонаполненных кабелей, изобретенных в 1919 г. и выпускавшихся с 1923 г. В СССР маслонаполненный кабель на напряжение в ПО кВ был проложен в 1931 г. вблизи г.Ленинграда.
В 1926 — 28 гг. стали появляться газонаполненные кабели, а затем с 1930 г. — маслостатические: три экранированные жилы находятся в стальной трубе, которая заполняется маслом под давлением 15 атмосфер.
Прогрессивным направлением в развитии кабельной техники явилось постепенное расширение перехода от свинцовых оболочек к более дешевым алюминиевым. В настоящее время уже более 80% силовых кабелей выпускается с алюминиевыми оболочками. Резко расширен выпуск кабелей с пластмассовой оболочкой.
В настоящее время кабельные линии прокладываются главным образом в городах и поселках городского типа и на территории промышленных предприятий, т.е. там, где это необходимо по технико-экономическим соображениям (высокая концентрация мощных нагрузок), а также по соображениям безопасности и эстетики.
Маслонаполненные кабели среднего давления (на напряжение 110-220 кВ) используются для глубоких вводов энергии в центры городов и крупных промышленных предприятий.
Кабель высокого давления (на напряжение ПО — 500 кВ) широко применяется для устройства переходов через водные пространства, а также на мощных ГЭС для передачи энергии от повышающих трансформаторов к открытым распределительным устройствам, размещенным на берегах рек.
Одной из важнейших задач, решаемых в настоящее время, являются разработка конструкций и освоение производства кабелей на напряжение 750 кВ (переменного тока) и 1500 кВ (постоянного тока).
Для электропередачи большой протяженности преимущественное применение получили воздушные линии.
Исторически сложилась основная схема передачи и распределения электрической энергии: от районной электростанции идут одна или несколько цепей линии электропередачи, затем от приемной подстанции — питающие провода, наконец, от трансформаторных пунктов снабжается энергией разветвленная местная сеть. Со временем появились различные модификации основной схемы электроснабжения: замыкании линий в кольцо; перенесение подстанций внутрь цехов промышленных предприятий и т.п.
Особенно удачным оказалось сооружение колец линий высокого напряжения вокруг крупных промышленных городов. Эти кольца играют роль сборных шин, на которые по рабочим линиям вливается энергия от районных электростанций.
Такое кольцо воздушных линий, в частности, создано вокруг Москвы. По его примеру строились кольца для некоторых зарубежных городов.
Широкое применение получил ввод линий высокого напряжения в центры промышленных городов — «глубокий ввод», что значительно снизило потери в электросети крупного города. Одним из первых в мировой практике был глубокий ввод линии Шатура — Москва (1925 г.), которая вошла в самый центр города, к Кремлю [1].
Известно, что основными элементами воздушных линий являются провода, изоляторы и опоры. Это так называемая механическая часть линий передачи вначале целиком была заимствована у телеграфных линий. Опоры выполнялись в виде деревянных столбов, провода были сначала стальными, а изоляторы — штыревыми (стеклянными, а затем фарфоровыми).
Постепенно в 80 — 90-х гг. прошлого столетия стальные провода стали вытесняться медными. Начавшееся в конце прошлого века производство электролитической меди позволило в несколько раз снизить ее стоимость, хотя и до сегодняшнего дня медь считается дефицитным и дорогостоящим материалом. В течение первых десятилетий XX века медь заняла место основного проводникового материала в электротехнике.
Новый этап в развитии механической части линии был связан с переходом к алюминиевым и сталеалюминиевым проводам (центральная стальная жила придает проводу необходимую механическую прочность).
С ростом напряжения изменялась конструкция изоляторов. Уже на рубеже 80 — 90 гг. XIX века применение простых штыревых колоколообразных изоляторов оказалось недостаточным. Для усиления изоляции на штыревых изоляторах стали делать кольцеобразный желоб, заполнявшийся маслом. Так возникли фарфоровые изоляторы. В 1898 г. в Германии получили распространение изоляторы с длинными и тонкими фарфоровыми юбками, названный штыревым изолятором типа «дельта». Он применяется для напряжения до 70 кВ. Позднее на основе теоретических исследований был разработан изолятор типа «фарадоид», поверхность которого очерчивалась по силовым линиям электрического поля.
Повысить напряжение электропередачи выше 60 — 70 кВ удалось после изобретения в 1906 г. подвесных изоляторов, получивших повсеместное распространение для напряжения 35 кВ.
Много внимания уделялось способам подвески проводов. Для уменьшения нагрузки на промежуточные опоры при обрыве провода были разработаны выпускающие зажимы (до войны). Для линий напряжением 330 — 500 кВ были использованы зажимы с ограниченной прочностью заделки, которые позволяют проводу при обрыве проскальзывать, но не выпускают его на землю.
Большое многообразие конструкций характерно для развития опор линий передач. До начала текущего столетия строились исключительно деревянные опоры с горизонтальными траверсами.
В СССР с первых лет электрификации широко применялись деревянные опоры. Были выполнены всесторонние исследования их механической прочности и разработаны весьма удачные конструкции деревянных опор. Основным типом опоры линий 110 и 35 кВ стала деревянная П-образная опора.
В СССР также как и в США, имели место попытки применения деревянных опор даже для линий 220 кВ. Тем не менее все же основным для линий 220 кВ и выше стало применение металлических опор [2].
Прогрессивным направлением в развитии конструкций опор явилось их изготовление из железобетона. В СССР первые железобетонные опоры были разработаны еще в 1933 г., но только в 50-х годах, когда получила большое развитие индустрия железобетонных изделий, этот тип опор стал весьма распространен.
Вопросы для самопроверки
1) Что предложил Рэне Тюри, реализовавший идею Фонтена?
2) Какой ученый показал, что возможности переменного тока для целей электропередачи ограничены и в чем его основные заслуги в электроэнергетике?
3) Перечислите недостатки электропередачи постоянным током.
4) Каким током в настоящее время осуществляется передача электрической энергии на большие расстояния?
5) Кто изобрел в 1906 году подвесные изоляторы?
6) Какую проблему решают путем применения статических конденсаторов и синхронных компенсаторов?
7) На базе какой техники получила развитие кабельная техника?
8) В чем различие воздушных и кабельных линий электропередачи?
9) Какое сооружение колец линий высокого напряжения является особенно удачным и почему?
10) Как выглядит изолятор типа «дельта» изобретенный в Германии в 1898 году?
11) Перечислите основные элементы воздушных линий.
12) Из каких материалов изготавливались опоры линий электропередач раньше и, из каких материалов изготавливаются сейчас?
Темы для рефератов
1. Виды энергии и энергетика.
2. Основные этапы развития теплоэнергетики России.
3. Энергетические ресурсы России. Их классификация.
4. Развитие единой энергетической системы России.
5. Рациональное использование и экономия топливно-энергетических ресурсов.
6. Предпосылки развития гидроэнергетики.
7. Гидроэнергетика и теплоэнергетика, взаимосвязь, пути развития.
8. Использование в топливно-энергетическом балансе нетрадиционных источников энергии.
9. Техническое совершенствование ТЭС на органическом топливе.
10. Комплексное использование гидроэнергетических ресурсов.
11. Комбинированное производство электрической энергии и тепла.
12. Основные виды теплотехнологических процессов и установок современных энергоемких отраслей промышленности.
13. Вторичные энергоресурсы теплотехнологических установок и их использование.
14. Системы производства и распределения энергоносителей промпредприятий.
15. Узловые вопросы энергетической ситуации в России и в мире.
16. Развитие энергетики и экологические проблемы.
17. Мероприятия по защите окружающей среды от выбросов теплоэнергетических производств.
18. Появление и развитие универсального парового двигателя.
19. Специализация паросиловых установок.
20. Двигатели внутреннего сгорания.
21. Паровая турбина.
22. Газовая турбина.
23. Тепловые машины и их влияние на окружающую среду.
24. План ГОЭРЛО, задачи электрификации.
25. Тепловые электрические станции.
26. Развитие систем передачи тепловой энергии.
27. Развитие систем передачи электрической энергии.
28. Развитие теплофикации в России.
29. Этапы развития электротехники.
30. Развитие первичной энергетики в связи с электрификацией (развитие котлостроения, паровых турбин, гидравлических турбин).
31. Влияние развития теплоэнергетики на окружающую среду.
32. Влияние развития электроэнергетики на окружающую среду.
33. Выдающиеся деятели на различных ступенях развития теплоэнергетики.
34. Выдающиеся деятели на различных ступенях развития электроэнергетики.