Какой из названных здесь двигателей обладает наибольшим кпд

Тест по физике Электромагнитные явления 8 класс. 4 вариант

Внимание! Все тесты в этом разделе разработаны пользователями сайта для собственного использования. Администрация сайта не проверяет возможные ошибки, которые могут встретиться в тестах.

Тест состоит из 15 вопросов. время выполнения 45 минут. оценивается по 5 бальной шкале.
Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Вокруг каких зарядов образуется магнитное поле?

Варианты ответов

Любых электрических зарядов
Вокруг всех однонаправленно движущихся зарядов
Только вокруг упорядоченно перемещающихся электронов
Вокруг неподвижных электрических зарядов

Вопрос 2

О чем свидетельствует опыт Эрстеда?

Варианты ответов

О нагревании проводника электрическим током
Об отклонении магнитной стрелки, находящейся около проводника с током, в определенную сторону
О существовании вокруг проводника с током магнитного поля.

Вопрос 3

Правильно ли обозначено на рисунке направление линий магнитного поля проводника с током?

Варианты ответов

да
нет
Определить нельзя, так как неизвестно направление тока в проводнике

Вопрос 4

Чем катушка с током похожа на магнитную стрелку?

Варианты ответов

Наличием полюсов
Формой
Тем, что тоже имеет два полюса и при возможности свободно поворачиваться устанавливается в направлении «север — юг»

Вопрос 5

Каким образом можно изменить направление магнитного поля катушки на противоположное?

Варианты ответов

Изменив направление тока и перевернув ее полюсы
Изменив направление тока или поменяв местами ее полюсы
Повысив напряжение или силу тока в катушке

Вопрос 6

Какой из названных ниже приборов применяется для регулирования силы притяжения магнитом железных предметов?

Варианты ответов

Магнитная стрелка
Амперметр
Вольтметр
Реостат

Вопрос 7

Притягивается к магниту

Контрольная работа по физике 8 класс: Магнитные взаимодействия

Нажмите, чтобы узнать подробности

Проверяемые темы: магнитное поле, магнитное поле прямого тока, магнитные линии, магнитное поле катушки с током, электромагниты и их применение, постоянные магниты, магнитное поле постоянных магнитов, магнитное поле Земли, действие магнитного поля на проводник с током, электрический двигатель.

Цель: проверить усвоение учащимися изученного материала; выяснить теоретические знания по теме и умение применять их при решении качественных и расчётных задач.

Характеристика работы. Работа состоит из четырех вариантов, составленных по принципу ГИА. Содержит задания с выбором ответа ( часть А), задания на установление соответствия ( часть В), задача с развернутым решением ( часть С). Состоит из 13 заданий. Из них в части А- 8 заданий, части В – 3 задания, части С – 2 задания. Время выполнения работы – 40 минут.

Проверяемые ЗУН

Проверяемые знания и умения

Проверяемые разделы курса

Суммарное число по каждому пункту

Знание понятий, определений, терминов

Знание законов и формул

Умение применять законы и формулы к решению задач

Умение интерпретировать графики и схемы

Умение проводить оценочные суждения

Распределение заданий по блокам содержания

Блок содержания

Число заданий

Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов

Магнитное поле Земли

Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель

Структура работы

Знание определения магнитного и электрического полей и их отличий

Проверка знаний определения магнитных линий магнитного поля

Свойства магнитного поля катушки с током

Свойства постоянных магнитов

Магнитное поле Земли

Движение проводника в электрическом поле

Принцип действия устройств, основанных на электромагнитных явлениях

Изобретатели и их изобретения

Силовые линии магнитного поля и их графическое обозначение

Оценка проявлений магнитных свойств

Условные обозначения

ВО – задание с выбором ответа

Б- базовый уровень подготовки

К – задание с кратким ответом

П – повышенный уровень подготовки

Р – задание с развернутым ответом

В – высокий уровень подготовки

Оценивание работы.

Правильное выполнение заданий базового уровня оценивается в 1 балл. Задания повышенного уровня – в 2 балла, задания высокого уровня – 3 балла.

Итого за правильное выполнение работы учащийся может набрать 20 баллов.

Оценка «5» ставится, если учащийся набрал 16 и более баллов;

Оценка «4» ставится, если учащийся набрал от 11 до 15 баллов;

Оценка «3» ставится, если учащийся набрал от 5-10 баллов;

Оценка «2» ставится, если учащийся набрал менее 5 баллов

Таблица правильных ответов

По действию конца спицы на середину другой, если притянутся значит намагничена

Потому что находятся под действием магнитного поля Земли

Земля будет беззащитной от солнечного ветра, потока заряженных частиц из космоса

Нет, поле каждого будет слабее

Чтобы избежать искажения стрелки

А1. На столе находится электроскоп, шару которого сообщен положительный заряд. Какое полк существует вокруг него? Как его можно обнаружить?

В этом случае поле отсутствует;
Электрическое; по мо изменению положения листочков электроскопа, при поднесении к его шару наэлектризованного тела;
Магнитное; по действию на железные опилки;
И электрическое и магнитное; по взаимодействию с наэлектризованным телом и железными опилками.

А2. Какую линию называют магнитной линией магнитного поля?

Ту, которая видна благодаря магнитным опилкам;
Ту, вдоль которых располагаются в магнитном поле оси магнитных стрелочек;
Любую линию, в магнитном поле по которой движется к магниту, притягиваемое к нему тело;
Замкнутые линии вокруг магнита.

А3. Какие места катушки с током называют полюсами?

Находящиеся в средней части катушки; столько, сколько витков провода в этой катушке;
Расположенные в средней части катушки; один – северный;
Находящиеся вблизи концов катушки; два – северный и южный;
Концы катушки; два – северный и южный.

А4. Как взаимодействуют одноименные полюсы магнитов?

Отталкиваются друг от друга;
Притягиваются друг к другу;
Они не взаимодействуют;
Отталкиваются только тогда, когда находятся очень близко друг от друга.

А5. Где находится южный магнитный полюс Земли?

Там, где расположен ее южный географический полюс;
Там, где находится северный географический полюс Земли;
Вблизи северного географического полюса нашей планеты;
Вблизи ее южного географического полюса.

А6. Придет ли в движение проводник, изображенный на рисунке, если замкнуть ключ? Почему?

Нет, так как в цепи не возникнет ток;
Да, поскольку на проводник АВ подействует магнитное поле;
Нет, потому что последовательно с проводником АВ включен реостат;
Да, так как цепь будет замкнута.

А7. Какая физическая величина характеризует энергетическую эффективность электродвигателя?

Его мощность;
Произведенная им работа;
КПД двигателя;
Масса и размеры двигателя.

А8. Какой механизм действует благодаря использованию в его устройстве принципа вращения рамки с током в магнитном поле?

Электромагнит;
Электродвигатель;
Электрочайник;
Электронагревательные приборы.

В1. Установите соответствие между устройствами и принципами их действия. УСТРОЙСТВО ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ А) электромагнит 1) искривление проводника в электрическом поле Б) компас 2) возникновение магнитного поля вокруг Проводника с током; 3) вращение катушки с током в магнитном поле; 4) свойство магнитной стрелки устанавливаться по направлению магнитных линий; 5) нагревание проводника с током. Номера выбранных вариантов запишите в таблицу. Цифры в ответе могут повторяться Ответ:

В2. Установите соответствие между изобретателями и их изобретениями. ИЗОБРЕТАТЕЛЬ УСТРОЙСТВО А) электродвигатель 1) М.Фарадей Б) электрическая лампочка 2) Б.С. Якоби; 3) Лодыгин; 4) Х.К. Эрстед; 5) А.С.Попов Номера выбранных ответов запишите в таблицу.

В3. Выберите правильно изображенный рисунок явления и установите соответствие между ним и указанным явлением. Результаты запишите в таблицу.

С1. Имеются две одинаковые стальные спицы, из которых одна намагничена. Как узнать, какая из спиц намагничена, не пользуясь ничем, кроме самих спиц? С2.Представьте, что Земля «потеряла» бы свое магнитное поле. Каковы были бы последствия? ВАРИАНТ 2А1. Проводник включен в электрическую цепь. Какое поле существует вокруг него?

Электрическое;
Магнитное;
Электромагнитное;
Поле в этом случае не существует.

А2. Какая форма магнитных линий магнитного поля прямого проводника с током?

Замкнутые кривые вокруг проводника;
Отходящие от проводника радиальные линии;
Замкнутые кривые вокруг проводника, расположенные в перпендикулярных ему плоскостях;
Концентрические окружности, охватывающие проводник.

А3. Как можно усилить магнитное поле катушки с током?

Увеличить силу тока в ней;
Сделать ее более длинной;
Увеличить радиус катушки;
Намотать провод на каркас менее плотно.

А4. Какое из названных веществ не притянется к магниту?

Чугун;
Кобальт;
Стекло;
Сталь.

А5. Магнитная буря – это…

…изменение магнитного поля Земли;
…неожиданное усиление магнитного поля планеты;
…резкое кратковременное изменение магнитного поля Земли;
Среди ответов нет верного.

А6. Будет ли двигаться проводник АВ, изображенный на рисунке, если ключ замкнуть? Почему?

Да, так как цепь будет замкнута;
Нет, поскольку отсутствует магнитное поле;
Да, потому что в проводнике АВ возникнет электрический ток;
Нет, так как включенный в цепь реостат уменьшит силу тока.

А7. По какому из названных здесь признаков электродвигатели превосходят тепловые двигатели?

Экологичности;
Мощности;
Массе;
Размеру.

А8. Электромагнит удерживал притянувшийся к нему железный лом. При размыкании электрической цепи тот отпал от электромагнита. Притянется ли он вновь, если цепь замкнуть, изменив направление тока?

Нет;
Да;
Однозначный ответ дать нельзя;
Недостаточно данных для ответа.

В1. Установите соответствие между устройствами и принципами их действия. УСТРОЙСТВО ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ А) электродвигатель 1) искривление проводника в электрическом поле Б) гальванометр 2) возникновение магнитного поля вокруг проводника с током; 3) вращение катушки с током в магнитном поле; 4) свойство магнитной стрелки устанавливаться по направлению магнитных линий; 5) нагревание проводника с током. Номера выбранных вариантов запишите в таблицу. Цифры в ответе могут повторяться Ответ:

В2. Установите соответствие между изобретателями и их изобретениями. ИЗОБРЕТАТЕЛЬ УСТРОЙСТВО А) электродвигатель 1) А.С.Попов Б) электрическая лампочка 2) М.Фарадей; 3) Лодыгин; 4) Х.К. Эрстед; 5) Б.С. Якоби Номера выбранных ответов запишите в таблицу.

С1. Почему стальные рельсы, лежащие на складах, через некоторое время оказываются намагниченными? С2. Полосовой магнит разделили на две равные части и получили два магнита. Будут ли магниты оказывать такое же действие, как целый магнит, из которого они изготовлены? ВАРИАНТ 3А1. Вокруг каких зарядов существует электрическое поле?

Вокруг неподвижных электрических зарядов;
Вокруг упорядоченно движущихся зарядов;
Вокруг любых электрических зарядов;
Вокруг хаотически движущихся зарядов.

А2. Какова форма магнитных линий магнитного плоя катушки с током?

Замкнутые линии вокруг катушки;
Замкнутые кривые, проходящие внутри и снаружи катушки;
Замкнутые кривые, охватывающие все витки, проходя внутрь через отверстия;
Концентрические окружности, охватывающие катушку.

А3. Три катушки различаются только числом имеющихся у них витков провода: у одной – 150, у другой – 75, у третьей-200. Какую из них нужно включить, чтобы получить самое слабое поле?

Первую;
Вторую;
Третью;
Включить их последовательно.

А4. Как взаимодействуют разноименные полюсы магнитов?

Притягиваются друг к другу;
Отталкиваются друг от друга;
Они не взаимодействуют;
Притягиваются только тогда, когда находятся очень близко друг к другу.

А5. Где находится северный магнитный полюс Земли?

Там же, где расположен северный географический полюс.
Там, где находится южный географический полюс планеты;
Около ее северного географического полюса;
Недалеко от южного географического полюса Земли.

А6. Придет ли в движение проводник АВ в установке, показанной на рисунке, при замыкании ключа? Почему?

Да, поскольку по цепи пойдет электрический ток;
Нет, так как у такого магнита поле во внутреннем пространстве отсутствует;
Да, потому что в проводнике АВ возникнет электрический ток, на который будет действовать поле магнита;
Нет, поскольку в цепь включен реостат.

А7. Какие преимущества электродвигателя перед тепловыми двигателями обеспечили ему применение в бытовой технике — пылесосах, кофемолках и т.д.

Быстрота включения и разнообразие внешней формы;
Широкий диапазон мощности и удобство пользования;
Разнообразие его размеров и окраски;
Экологичность.

А8. Что представляет собой электромагнит?

Навитый на каркас провод;
Катушку с проволочной обмоткой и сердечником из магнитного материала;
Катушку с проволочной обмоткой и сердечником из намагниченного материала;
Катушку с любым сердечником.

В1. Установите соответствие между устройствами и принципами их действия. УСТРОЙСТВО ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ А) электромагнит 1) искривление проводника в электрическом поле Б) компас 2) возникновение магнитного поля вокруг проводника с током; 3) вращение катушки с током в магнитном поле; 4) свойство магнитной стрелки устанавливаться по направлению магнитных линий; 5) нагревание проводника с током. Номера выбранных вариантов запишите в таблицу. Цифры в ответе могут повторяться Ответ:

В2. Установите соответствие между изобретателями и их изобретениями. ИЗОБРЕТАТЕЛЬ УСТРОЙСТВО А) электродвигатель 1) Лодыгин Б) электрическая лампочка 2) М.Фарадей; 3); А.С.Попов 4) Х.К. Эрстед; 5) Б.С. Якоби Номера выбранных ответов запишите в таблицу.

С1. К северному полюсу прямого магнита притянулась цепочка гвоздиков. Что произойдет, если на этот магнит положить другой так, чтобы над северным полюсом оказался южный полюс? С2. Можно ли изготовить полосовой магнит так, чтобы на концах его были одноименные полюса?
ВАРИАНТ 4А1. Вокруг каких зарядов образуется магнитное поле?

Любых электрических зарядов;
Вокруг всех однонаправленных зарядов;
Только вокруг упорядоченно перемещающихся электронов;
Вокруг неподвижных электрических зарядов.

А2. Чем катушка с током похожа на магнитную стрелку?

Наличием полюсов;
Формой;
Тем, что тоже имеет два полюса и при возможности свободно поворачиваться и устанавливаться в направлении «север-юг»;
Свойствами.

А3. Каким образом можно изменить направление магнитного поля катушки на противоположное?

Изменив направление тока и перевернув ее полюсы;
Изменив направление тока и поменяв местами полюса;
Повысив напряжение и силу тока в катушке;
Ослабить соединения.

А4. Притягивается к магниту…

Резина;
Шерсть;
Сталь;
Шелк.

А5. Как называют существование необычайно сильного магнитного поля в какой-либо местности Земли?

Магнитное поле Земли;
Магнитная буря;
Магнитное взаимодействие;
Магнитная аномалия.

А6. Будет ли двигаться проводник АВ, изображенный на рисунке, если ключ замкнуть? Почему?

Нет, поскольку отсутствует магнитное поле;
Да, потому что в проводнике АВ возникнет электрический ток;
Нет, так как включенный в цепь реостат уменьшит силу тока.
Да, так как цепь будет замкнута;

А7. Какой из названных здесь двигателей обладает большим КПД?

Реактивный двигатель;
Газовая турбина;
Двигатель внутреннего сгорания;
Электродвигатель.

А8. Что нужно сделать, чтобы прекратить удержание электромагнитом железного предмета?

Уменьшить напряжение на обмотке электромагнита;
Увеличить силу тока в обмотке;
Слегка встряхнуть электромагнит;
Разомкнуть электрическую цепь его обмотки

В2. Установите соответствие между изобретателями и их изобретениями. ИЗОБРЕТАТЕЛЬ УСТРОЙСТВО А) электродвигатель 1) Х.К. Эрстед; Б) электрическая лампочка 2) М.Фарадей; 3); А.С.Попов 4) Лодыгин 5) Б.С. Якоби Номера выбранных ответов запишите в таблицу.

С1. Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить руку? Железный лист? С2. Почему корпуса компасов делают из меди, алюминия, пластмассы и других материалов, но не из железа?

RU2248453C2 — Электростанция и способ получения энергии с комбинированием циклов — Google Patents

Publication number RU2248453C2 RU2248453C2 RU2001108540/06A RU2001108540A RU2248453C2 RU 2248453 C2 RU2248453 C2 RU 2248453C2 RU 2001108540/06 A RU2001108540/06 A RU 2001108540/06A RU 2001108540 A RU2001108540 A RU 2001108540A RU 2248453 C2 RU2248453 C2 RU 2248453C2 Authority RU Russia Prior art keywords steam cycle power plant fluid heat Prior art date 1998-08-31 Application number RU2001108540/06A Other languages English ( en ) Other versions RU2001108540A ( ru Inventor III Виль м Скотт Роллинс (US) III Вильям Скотт Роллинс Original Assignee III Вильям Скотт Роллинс Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 1998-08-31 Filing date 1999-08-24 Publication date 2005-03-20 1999-08-24 Application filed by III Вильям Скотт Роллинс filed Critical III Вильям Скотт Роллинс 2003-04-10 Publication of RU2001108540A publication Critical patent/RU2001108540A/ru 2005-03-20 Application granted granted Critical 2005-03-20 Publication of RU2248453C2 publication Critical patent/RU2248453C2/ru

Images

Classifications

Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
Y02E — REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
Y02E20/00 — Combustion technologies with mitigation potential
Y02E20/14 — Combined heat and power generation [CHP]

Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
Y02E — REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
Y02E20/00 — Combustion technologies with mitigation potential
Y02E20/16 — Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Abstract

Изобретение относится к области энергетики. Предложены электростанция и способ производства энергии по принципу комбинирования циклов, обеспечивающие повышение удельной производительности и гибкость эксплуатационных параметров электростанции, причем без соответствующего увеличения ее тепловой мощности. Процесс улучшения термического КПД комбинированных циклов может обеспечиваться за счет стратегии использования дополнительного топлива и/или подведения тепла. В частности, газовые турбины, выхлопы из которых поступают в парогенератор регенерации тепла, могут обогреваться дополнительно. Предложенная система в целом обеспечивает высокую эффективность электростанции с комбинированием циклов преимущественно за счет цикла Ренкайна (нижнего). Модели реализации изобретения включают нагрузку, ведомую двигателем верхнего цикла, приводимого в действие жидкостью верхнего цикла, сбрасываемой в устройство для регенерации тепла. Устройство для регенерации тепла обогревается при помощи дополнительного топлива и/или от дополнительного источника тепла для образования более энергоемкой жидкости нижнего цикла и/или большего ее количества, служащей источником энергии для двигателя нижнего цикла, приводящего в движение нагрузку (потенциально — та же нагрузка, что и у двигателя верхнего цикла). Энергия жидкости верхнего цикла и жидкости нижнего цикла приводит в действие двигатели, соответственно, верхнего и нижнего циклов, однако эти жидкости и/или выхлопы соответствующих двигателей могут также найти широкое применение при совместном производстве тепловой и электрической энергии. Изобретение позволяет обеспечить существенное увеличение мощности паровых турбин и повышение общей производительности электростанции, причем без ущерба для экономической эффективности. 12 с. и 21 з.п. ф-лы, 51 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к электростанциям, использующим оборудование, которое может функционировать как с комбинированием, так и без комбинирования рабочих циклов. Как будет показано далее, все более увеличивающаяся потребность в более эффективных и экологически чистых способах получения энергии обусловила проведение масштабных исследований с целью создания систем и способов решения задач по этим направлениям. Однако современные технологии в основном достаточно близоруко оценивают совокупное влияние повышения эффективности способов получения энергии на экономику и окружающую среду.

В рамках настоящего изобретения предлагается отойти от традиций и рассмотреть с учетом анализа влияния на экономику и экологию полный комплекс вопросов, необходимых для решения задачи создания энергоблока необходимой мощности. Настоящее изобретение благодаря использованию указанного анализа и применению метода дополнительной регенерации тепла и топлива позволяет значительно сократить экономические затраты и влияние на экологию действующих электростанций за счет уменьшения единиц оборудования при одновременном сохранении на прежнем уровне или допустимом уменьшении объема производимой электроэнергии. В результате такого усовершенствования будет получена более дешевая электроэнергия, более экологически чистым способом, чем это возможно при использовании традиционных энергоблоков, использующих комбинирование рабочих циклов, известных в настоящее время из существующего уровня техники.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Краткий обзор

Электростанции и станции по производству тепла и электричества используют газовые турбины в качестве первичных двигателей для выработки энергии. Газовые турбины работают по термодинамическому циклу Брэйтона (Brayton) и обычно сбрасывают в атмосферу большое количество выхлопов, имеющих достаточно высокие температуры. Эти выхлопы, направленные в паровой котел для регенерации (так называемый парогенератор с регенерацией тепла — ПГРТ (HRSG), образуют пар, который можно использовать для получения дополнительной энергии и/или для текущего процесса. Для выработки дополнительной энергии пар может быть направлен в дополнительную паровую турбину (ST). Таким образом, газовые турбины работают по циклу Брэйтона, а паровые турбины вырабатывают энергию согласно циклу Рэнкайна (Rankine). Этот цикл получил название «комбинированный цикл». В этой схеме цикл паровых турбин Брэйтона называют «верхним циклом», а цикл паровых турбин Рэнкайна — «нижним циклом», так как в рамках «верхнего цикла» вырабатывается энергия, необходимая для работы нижнего цикла. Таким образом обеспечивается функциональная связь упомянутых циклов в рамках известного уровня техники.

Цикл Рэнкайна

Пар используется для получения энергии более века. На более ранних этапах использовали насос для получения необходимого давления воды, паровой котел для нагревания воды до ее превращения в пар, а также паровой двигатель, обычно поршневого типа, для получения механической энергии. Такие установки использовались на заводах, локомотивах, пароходах и в других случаях, когда требовалось получение механической энергии.

С развитием техники тенденция использования паровых двигателей потеряла свое значение и более актуальным стало использование паровых турбин. Одним из преимуществ использования паровых турбин была эффективность их полного цикла, когда они использовались совместно с конденсатором. В этом случае пар достигает атмосферного давления, которое лишь незначительно выше абсолютного вакуума (от 0,5 до 2 фунтов на квадратный дюйм, абсолютное давление (psia). Это позволяет расширяться пару больше, чем в конфигурации с выхлопом в атмосферу, извлекать больше энергии из массы пара, вырабатывать таким образом больше энергии и, соответственно, увеличивать общую эффективность парового цикла. Данный полный паровой цикл, с термодинамической точки зрения, называют циклом Рэнкайна.

На Фиг.1 показан термодинамический режим цикла Рэнкайна. На графике (100) показана диаграмма цикла Рэнкайна в координатах давления и объема. От точки (101) до точки (102) вода находится под давлением при постоянном объеме. От точки (102) до точки (103) вода подвергается кипячению до превращения в пар при постоянном давлении. Отрезок от точки (103) до точки (104) показывает процесс, при котором пар изэнтропически расширяется и непосредственно выполняет работу. Затем от точки (104) до точки (101) пар, находящийся при низком давлении, конденсируется обратно до состояния воды, и цикл завершается.

На графике (110) показана диаграмма цикла Рэнкайна в зависимости от температуры и энтропии. От точки (111) до точки (112) вода находится под давлением. От точки (112) вода подвергается кипению при постоянной температуре до тех пор, пока она вся не превратится в пар, а затем она перегревается до точки (113). От точки (113) до точки (114) показан процесс, при котором пар изэнтропически расширяется и выполняет работу. От точки (114) до точки (111) пар, находящийся при низком давлении, подвергается конденсации до состояния воды при постоянной температуре, и цикл завершается. Информацию о цикле Рэнкайна можно найти в источнике: Eugene A.Avallone, Theodore Baumeister III. — Marks’ Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) / ISBN 0-07-004127-Х, 1987, section 4-20.

Рабочий цикл электростанции

В течение нескольких десятков лет цикл Рэнкайна использовался для выработки большей части электроэнергии в США и многих других странах. На Фиг.2 показана схема базового цикла Рэнкайна, включающая четыре основных компонента: питательный насос (201), паровой котел с испарителем (203) и пароперегревателем (205), паровую турбину (207) и конденсатор (209). Следует обратить внимание, что может использоваться одна или несколько единиц каждого блока, но для простоты демонстрации на Фиг.2 показано по одной единице каждого устройства. Цикл Рэнкайна начинается (давление пара менее 3206,2 psia), когда вода поступает во впускное отверстие (211) питательного насоса (201). Вода под давлением (202) направляется в испаритель (203), в котором происходит нагревание воды под давлением. Обычно нагрев обеспечивается теплом, полученным за счет сжигания топлива в котле, тепло от процесса горения передается воде, которая проходит по трубам и/или проходам котла. Когда вода получает достаточное количество тепла, она закипает и превращается в пар (204). Пар на данном этапе находится в двухфазном состоянии: и пар, и вода сосуществуют при одинаковых давлении и температуре, называемых давлением насыщения и температурой насыщения. В большинстве конструкций, созданных в последние десятилетия, такой пар (204) направляется в пароперегреватель (205), где нагревается до температуры, превышающей показатель температуры насыщения. Такой пар (206) носит название «перегретый» пар. Перегретый пар уменьшает (но не снимает полностью) возможность попадания воды в паровую турбину (207), вызывающей нежелательные эффекты, так как это может существенно повредить внутреннюю часть паровой турбины. Более важным, однако, является то, что перегретый пар обеспечивает более высокую эффективность цикла. Это очень важно в случае крупных центральных электростанций.

После образования перегретый пар (206) через одну или несколько труб направляется в паровую турбину (207). В паровой турбине пар расширяется и приводит во вращение ротор. После прохождения турбины пар теряет давление, выходит из паровой турбины (208) и направляется в конденсатор (209), в котором превращается обратно в воду. Обычно это устройство выполняется в виде трубчатого теплообменника, но может быть выполнено и в ином виде, например, в виде распылительной камеры, воздухоохлаждаемого конденсатора или в виде иных устройств для теплообмена, используемых в аналогичных целях. После отбора тепла из пара низкого давления и его превращения в воду путем конденсации конденсатор собирает воду в отсеки, которые обычно называются сборниками конденсата (210), из которых конденсат обычно при помощи насоса пропускается по линии (211) и направляется вновь в питательный насос котла (201). Механическая энергия, выработанная паровой турбиной, преобразовывается в генераторе (212) в электрическую энергию. Такой цикл прохождения воды от начальной точки через вышеописанную систему и возвращения обратно к начальной точке является простым циклом Рэнкайна.

В современных энергоблоках, использующих пар в качестве рабочего тела, для производства пара обычно используется котел. Котел может подогреваться различными видами топлива, включая нефть, природный газ, уголь, биологическую массу, а также и другие — такие как ядерное топливо. В котлах может использоваться комбинация из нескольких видов топлива. В зависимости от затрат на производство, себестоимости топлива, вопросов технического обслуживания и иных факторов владельцы и инженеры выбирают давление пара и уровень температуры, при которых котел вырабатывает пар.

По причине внушительного размера и веса паровым турбинам требуется значительное время для разогрева. Это объясняется толстым металлическим корпусом и большими тяжелыми винтами, которые используются в их конструкции. Машинам требуется много времени для того, чтобы их тяжелые детали одинаково разогрелись во избежание интерференции между стационарными и движущимися частями, которая происходит из-за различного температурного расширения.

Несмотря на то, что тяжелая конструкция обуславливает медленный процесс разогрева, она обеспечивает дополнительную прочность и стабильность уровня производства энергии. Даже после четырех лет почти постоянной работы показатели работы паровой турбины уменьшаются менее чем на 2%. Такое уменьшение показателей вместе с тем фактом, что питающие насосы потребляют только около 2% энергии, выработанной паровой турбиной, означает, что уровень показателей работы у паровых турбин остается практически на оптимальном уровне в течение длительного срока даже при уменьшении давления, создаваемого питающим насосом. Другими словами, если эффективность работы питающего насоса сокращается с 75 до 65%, затраты энергии на подачу воды увеличиваются с 2 до 2,31%. Это оказывает незначительное влияние в целом на производительность энергоблока, использующего цикл Рэнкайна, что и является одним из его основных преимуществ.

Цикл Брэйтона

Цикл Брэйтона существенно отличается от цикла Рэнкайна, так как основной составляющей цикла является компрессия рабочего тела, в качестве которого используется сжимаемый газ. В ходе данного процесса расходуется большое количество энергии, поэтому эффективная компрессия рабочего тела является неотъемлемым условием эффективности цикла Брэйтона. Распространенными двигателями, в которых используется цикл Брэйтона, являются турбовинтовые авиационные двигатели, двигатели реактивных самолетов и стационарные газовые турбины. Этапы работы двигателя включают: всасывание газа, сжатие его до более высокого давления, обычно в 3-30 раз выше, чем давление окружающего воздуха, последующее увеличение температуры посредством прямого горения (хотя может осуществляться нагрев внешним источником), расширение полученных горячих газов, находящихся под высоким давлением, в турбинном отсеке. Авиационные двигатели сначала создают тягу для поднятия самолета в воздух, поэтому вырабатываемая ими энергия почти никогда не является механической энергией (турбовинтовой газотурбинный двигатель может приводить в движение воздушный винт, а также может обеспечить тягу за счет высокой скорости выхлопа газов).

В случае стационарных газовых турбин целью работы двигателя является выработка механической энергии. Приблизительно 2/3 энергии, выработанной турбиной, тратится на обеспечение работы компрессора, а 1/3 оставшейся выработанной энергии остается для работы с внешней нагрузкой. Этот недостаток газотурбинных систем может быть использован в качестве преимущества в настоящем изобретении, как это будет показано далее в настоящем документе.

В авиационных двигателях используется цикл Брэйтона, поскольку такие двигатели имеют высокие коэффициенты соотношения силы тяги к массе. Это необходимо для минимизации массы самолета с тем, чтобы он мог летать. В случае стационарного применения газовые турбины используются для выработки электрической энергии при максимальной нагрузке. Еще одним преимуществом двигателей, работающих по циклу Брэйтона, по сравнению с циклом Рэнкайна, являются относительно быстрые запуск и остановка. Поскольку паровые турбины являются большими и тяжелыми, их приходится запускать медленно, так как необходим прогрев мощного корпуса во избежание термической деформации и возникновения трения между стационарными и вращающимися элементами. Паровой турбине электростанции может потребоваться 24 часа для разогрева и запуска с нуля до достижения полной мощности. Благодаря более низкому рабочему давлению и более легкой массе, газовые турбины легче запускать и они могут достичь полной мощности в течение нескольких минут.

По этой причине многие коммунальные службы США и других стран используют газовые турбины для выработки электроэнергии в период скачка потребления. Газовые турбины не являются эффективными при непрерывном использовании в рамках дневного цикла (от 25% до 30%), но удовлетворяют потребности в электроэнергии в течение нескольких часов каждый день.

Проектирование паровой турбины

При проектировании паровой турбины для ее использования на электростанции (при постоянной скорости) инженер-проектировщик сначала анализирует требуемые параметры турбины, определенные заказчиком. Это делается потому, что паровая турбина будет спроектирована в соответствии с требованиями заказчика и произведена для заказчика на основании его спецификаций. Паровая турбина проектируется не с нуля, как это можно понять из упоминания о проектировке «по заказу», а с использованием компонентов из «семейства» известных технических средств, но будет обладать уникальной системой распределения пара в каждом конкретном случае. После изучения параметров турбины инженер-проектировщик определяет условия использования пара в рамках конкретной электростанции и на основании полученных данных определяет, как будет происходить поступление рабочего тела в блок высокого давления турбины. Основываясь на этом, инженер-проектировщик выбирает оптимальную обшивку для блока высокого давления в каждом конкретном случае. Таким же образом он выбирает оптимальную обшивку и для камер промежуточного и низкого давления.

Зная о том, какую обшивку использовать, инженер подбирает соответствующий набор лопастей турбины (стационарных и движущихся). Размер лопастей турбины определяется в основном в соответствии с объемом потока (в сравнении с массой потока) пара, проходящего сквозь турбину. После выбора обшивки и лопастей турбины инженер завершает проектирование паровой турбины, выбрав подходящие клапаны, средства управления, аппаратуру и другие устройства, необходимые для работы паровой турбины. Заключительный проект представляет собой разработку высокопроизводительной паровой турбины согласно требованиям заказчика.

В отношении указанной схемы проектирования интересно отметить, что две паровые турбины с одинаковыми параметрами пара, но с сильно отличающимися параметрами мощности (например, 200 МВт и 400 МВт), внешне могут выглядеть практически одинаковыми. Это происходит в силу того, что оптимально подобранная обшивка подходит для обеих турбин. Однако благодаря большой разнице в объеме потока пара, в большой турбине будут использоваться лопасти, вдвое большие по размеру (весу). Также интересно отметить, что в обеих турбинах может использоваться одинаковая обшивка блоков высокого и промежуточного давления. Это означает, что изготовление паровой турбины большего размера даже при значительно больших эксплуатационных параметрах может быть немногим более дорогостоящим, чем изготовление паровой турбины с меньшими эксплуатационными параметрами. Этот факт может рассматриваться как преимущество в настоящем изобретении, что будет показано далее в настоящем документе.

Проектирование газовой турбины

В отличие от паровой турбины газовая турбина не производится индивидуально в соответствии с потребностями каждого заказчика. Хотя такие сопутствующие приспособления, как средства для запуска, устройства охлаждения машинного масла и устройства контроля могут быть заказаны для какого-либо конкретного случая, основной двигатель всегда остается номинальным. Многое из вышесказанного объясняется тем, что газовые турбины являются моноблочными электростанциями, которым требуется только топливо для производства энергии. И наоборот, паровые турбины являются всего лишь компонентом электростанции, и им требуется котел, питательный насос и конденсатор для того, чтобы они составили действующую электростанцию. Компрессорный отсек, камера сгорания и турбинный отсек газовой турбины должны проектироваться таким образом, чтобы они совмещались в единой конструкции. Поскольку проектирование газовой турбины является трудоемкой инженерной задачей, после завершения проектирования и проведения масштабного тестирования турбины запускаются в массовое производство без каких-либо изменений в чертежах основного двигателя. Это лишает заказчика возможности конкретно указывать мощность вырабатываемой энергии с использованием только газовых турбин или с комбинированием циклов в рамках существующего уровня техники. При строительстве электростанций с комбинированием циклов заказчику приходится выбирать из номинальных предложений производителя, которые наилучшим образом отвечают его потребностям в отношении мощности энергоблока, его производительности и стоимости.

Сравнение производительности газовых и паровых турбин

Имеющаяся на сегодняшний день самая большая и наиболее производительная газовая турбина с 60 циклами имеет мощность 250 МВт и эффективность 40% LHV (коэффициент низшей теплоотдачи). Примером такой газовой турбины является турбина Вестингхаус (Westinghouse), модель 501G. Параметры паровых турбин, для сравнения, могут достигать 1500 МВт, а эффективность превышать 45% LHV. Если сравнивать электростанции цикла Рэнкайна с электростанциями цикла Брэйтона, каждая из которых использует самые большие и наиболее производительные турбины, то можно сделать вывод, что одна паровая турбина цикла Рэнкайна имеет мощность приблизительно в шесть раз выше и эффективность на 12,5% больше, чем цикл Брэйтона с использованием лучших газовых турбин. Этот факт может быть приведен как преимущество настоящего изобретения, как это показано далее в настоящем документе.

Цикл производства тепла и энергии

Одной из особенностей газовой турбины является то, что она выбрасывает большие объемы выхлопных газов при высокой температуре. В период арабского нефтяного эмбарго в 1973 году и роста цен в энергетическом секторе много внимания стало уделяться поиску путей использования энергии высокотемпературных выхлопных газов.

Высокие цены в начале 1970-х годов ознаменовали волну строительства небольших электростанций, на которых применялся принцип когенерации. Когенерация может быть определена как одновременное производство механической или электрической энергии совместно с тепловой энергией. Другими словами, двигатель (газовая турбина или иное) используется для производства энергии, а в это время избыточное тепло, получаемое от работы двигателя, используется для другого процесса, что заменяет необходимое для этого процесса топливо. С точки зрения использования топлива, этот метод был очень эффективным и неизменно поощрялся законом США “О политике и регулировании деятельности общественных коммунальных служб” 1978 года, который предписывал местным коммунальным службам приобретать электроэнергию у квалифицированных производителей сопутствующей электроэнергии по цене, которая исключала затраты на новые электростанции.

Сначала станции по выработке тепловой и электрической энергии были небольшие, обычно менее 50 МВт. Они состояли из небольших газовых турбин с ПГРТ для производства пара. Во многих случаях давление пара было относительно низким (менее 600 фунтов на квадратный дюйм), так как пар использовался в технологическом процессе. Некоторые станции включали паровую турбину, другие — нет. С развитием промышленности более крупные электростанции с более высоким давлением пара стали проектироваться с учетом увеличения производительности нижнего цикла. Кроме того, наиболее крупные производители газовых турбин проектировали и строили более крупные и производительные газовые турбины для удовлетворения рыночной потребности в одновременном производстве тепловой и электрической энергии. Вскоре, благодаря высокой производительности, низкому уровню выхлопов и небольшим капитальным затратам, когенерационные электростанции уступили место электростанциям с комбинированием циклов (т.е. электростанции, которые производят только энергию и не обеспечивают выработку полезной тепловой энергии). И до сих пор иногда имеют место предложения о строительстве когенерационных электростанций, только теперь их обычно называют теплоэлектростанциями.

Хотя и имел место постепенный переход от небольших электростанций, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию, к большим электростанциям с комбинированием циклов, общая система и способ производства электроэнергии оставались по большей части неизменными. Газовые турбины являлись основным двигателем, а тепло выхлопных газов использовалось для производства пара с помощью ПГРТ. Оптимизированные для максимального производства электроэнергии паровые турбины вырабатывали дополнительную электроэнергию, которая равнялась приблизительно 50% электроэнергии, произведенной газовыми турбинами. ПГРТ обычно представлял собой котел с двумя или тремя уровнями давления для обеспечения максимальной регенерации тепла, а паровая турбина проектировалась таким образом, чтобы она могла использовать пар всех уровней давления. Обзор производителей номинальных энергоблоков с комбинированием циклов продемонстрирует данную тенденцию. Пособие 1997 года по турбооборудованию (1997 TURBOMACHINERY HANDBOOK / USPS 871-500, ISSN 0149-4147) описывает номинальные электростанции с комбинированием циклов, предлагаемые различными производителями, включая «ABB», «General Electric» и «Westinghouse». Практически в каждом случае вырабатываемая мощность паровой турбины составляет приблизительно от 40% до 60% мощности газовой турбины. В информационном документе компании «General Electric» 1996 года (General Electric informative document GER-3567G, 1996, «GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics,») Фрэнка Дж. Брукса (Frank J. Brooks) описываются газовые турбины, используемые в электростанциях с комбинированием циклов.

Коротко говоря, большинство производителей турбооборудования перешли от изготовления небольших когенерационных энергоблоков, производящих тепловую и электрическую энергию одновременно, к изготовлению энергоблоков с комбинированием циклов. Размеры энергоблоков с комбинированием циклов выросли от небольших когенерационных проектов по выработке менее 50 МВт электроэнергии до больших структурированных энергоблоков, вырабатывающих более 700 МВт электроэнергии (как, например, в случае энергоблока с комбинированием циклов Вестингхаус (Westinghouse) модели 2Х1 501G). Такие энергоблоки в основном являются газотурбинными, где паровая турбина вырабатывает дополнительную электроэнергию, номинально составляющую от 40% до 60% от электроэнергии, выработанной газовой турбиной. Так как газовые турбины являются основным двигателем, требования к параметрам номинальных энергоблоков с комбинированием циклов являются очень жесткими, поскольку газовые турбины являются поточной продукцией, а паровые турбины часто проектируются и производятся в соответствии с требованиями заказчика. Предлагаемая электростанция и способ получения энергии с комбинированием циклов характеризуются более гибкими подходами, одновременно позволяя сохранять такие преимущества энергоблоков с комбинированием циклов, как высокая производительность, низкий уровень выхлопов и низкие капитальные затраты, что найдет благоприятный отклик в промышленности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оптимизация производительности
Нагрев питающей воды

Электростанции, использующие цикл Ренкайна, производят электроэнергии ежегодно на миллиарды долларов и потребляют огромное количество топлива каждый год, что ведет к тому, что большое внимание уделяется разработкам и анализу в направлении оптимизации цикла Ренкайна путем внедрения некоторых небольших изменений в уже существующие конфигурации. Фиг.3 демонстрирует некоторые общие изменения, которые используются для достижения оптимальной производительности цикла Ренкайна. Позицией (303) на Фиг.3 обозначен схематично изображенный первый нагреватель питающей воды. Это устройство обычно выполняется в виде оболочки и трубчатого теплообменника, но может представлять собой пластину и рамку теплообменника, вихревой смеситель теплообменника, который смешивает поступающую воду с небольшими количествами пара, или другое устройство для обеспечения теплообмена. В результате исследований было установлено, что использование получаемого из паровой турбины пара для предварительного нагрева воды до ее поступления в котел увеличивает производительность цикла.

Нагреватель питающей воды для нагрева использует пар, поступающий из паровой турбины на оптимальном для предварительного нагревания воды участке между выходным отверстием конденсатора (319) и впускным отверстием котла (306). Второй нагреватель питающей воды (305) также показан в этом примере. Количество нагревателей и их оптимальные характеристики потока пара определяются, но не ограничиваются, рядом показателей, включая давление на входе в паровую турбину, температуру на входе в паровую турбину, условия перегрева пара, эффективность нагревателя питающей воды, и иных факторов. Обычно количество нагревателей питающей воды, их конструкция и параметры пара, подаваемого в турбину, должны быть определены для каждой электростанции индивидуально с учетом разновидностей конструкций каждого энергоблока и особенностей эксплуатации.

Повторный нагрев

Для одной из разновидностей цикла Ренкайна характерно использование повторного нагрева для повышения эффективности цикла. Этот вариант предполагает расширение пара в паровой турбине в расчетном режиме от впуска до некоторого заданного давления перегрева. При этом некоторая доля энергии пара уже используется для производства механической энергии (мощности по валу в л.с.). Отработанный низкоэнергетический пар затем возвращается в котел, где повторно нагревается. Повторно нагретый высокоэнергетический пар снова направляется в паровую турбину для производства добавочной энергии. В цикле повторный нагрев пара может использоваться более одного раза. С учетом заданных проектных режимов, давления и температуры на входе в турбину, а также при иных условиях такой перегрев применяется с целью повышения экономичности и эффективности цикла.

Иные факторы

Иными факторами, влияющими на эффективность цикла, являются давление и температура пара на входе в турбину, а также давление выхлопов. Обычно повышение входного давления и температуры обеспечивает соответствующее повышение эффективности. Понижение давления выхлопов также приводит к повышению эффективности. Давление выхлопов, как правило, определяется внешними факторами, например температурой речной воды, воздуха или иной жидкости, используемой для охлаждения конденсатора. Эти факторы устанавливают ограничения для давления выхлопов, а конденсатор и сопутствующее оборудование конструируются с учетом указанных ограничений и оценки требуемых параметров — таких как размер охлаждающих устройств, экологические факторы и затраты.

Ограничения конструкции

Давление и температура на входе в турбину обычно определяются разработчиком. Однако существуют накладываемые на конструкцию ограничения. С увеличением входного давления растет давление на трубки котла, обшивку и внутренние детали паровой турбины. Величина давления ограничивается возможностями производить оборудование необходимой прочности или экономической целесообразностью. Кроме того, при давлении пара выше 3206 фунтов на квадратный дюйм сосуществование жидкого и газообразного состояния больше не может продолжаться. Это состояние называется критической точкой пара, так как при более высоком давлении парообразование не происходит. А для производства пара при более высоком давлении требуются сосуществование воды и пара, а также более сложный сверхкритический котел. При увеличении температуры допустимое давление на трубки котла, обшивку и внутренние детали паровой турбины сокращается и приближается к существующим ограничениям, но традиционные материалы паровой турбины быстро теряют свои свойства даже при незначительном увеличении температуры (50 градусов по Фаренгейту — °F). Традиционные большие паровые турбины, сконструированные по последнему слову техники, имеют ограничение по максимальной температуре на входе рабочего тела в турбину на уровне 1050°F.

Оптимизация парового цикла

После выбора температуры и давления в котле необходимо оптимизировать рабочий цикл. Типичный высокопроизводительный паровой цикл предусматривает использование нагревателей питающей воды, пароперегревателя, паровой турбины с промежуточным перегревом, питающих насосов котла и конденсатора. Источником, описывающим оптимизацию цикла, является информационный документ, выпущенный компанией “General Electric” под названием “Оптимизация, оценка и проведение тестирования цикла паровой турбины” автора Джеймса С. Райта (General Electric Reference GER-3642E, 1996 / James S.Wright). Этот документ описывает варианты работы для таких различных параметров цикла, как давление, температура, количество повторных нагревов и количество нагревателей питающей воды.

Пример цикла Ренкайна

На Фиг.3 схематически изображен цикла Ренкайна, включающий как нагрев питающей воды, так и перегрев. Такой субкритический цикл Ренкайна работает путем подачи воды на вход питающего насоса котла (301). Затем при помощи питающего насоса (301) давление воды увеличивается до значения, необходимого для нагнетания воды. Вода под давлением подается по линии для подачи воды (302) в нагреватель питающей воды (303), а затем по линии подачи воды (304) в нагреватель питающей воды (305). Нагреватели питающей воды (303, 305) предварительно подогревают воду до ее поступления в котел через входной патрубок (306). Предварительно нагретая вода поступает в испаритель (307) котла, где вода под давлением дополнительно разогревается.

Пар выходит из испарителя (308) и продолжает двигаться к пароперегревателю (309) и выходит по линии (310). Перегретый пар направляется в зону промежуточного давления паровой турбины (311). Пар расширяется в зоне промежуточного давления по линии (312) и затем возвращается в зону перегрева котла (313), где при помощи дополнительного тепла доводится до температуры на уровне или близкой к уровню входной температуры пара. Далее этот повторно нагретый пар по линии (314) направляется в секцию промежуточного давления (ПД) паровой турбины для создания дополнительного напора. В секции ПД (315) пар расширяется, вырабатывая механическую энергию. После этого пар покидает секцию промежуточного давления и через перепускную трубку (316) попадает в секцию низкого давления (НД) паровой турбины (317).

Из-за потоков большого объема при низком давлении в работе крупных агрегатов секция низкого давления обычно имеет два направляющих отсека, поэтому пар поступает в середину обшивки и для производства большего количества механической энергии перемещается через лопасти как вперед, так и назад. Затем этот пар выходит по линии (318) и попадает в конденсатор (319). Сконденсированный пар, минуя сборник конденсата (330), по линии (320) направляется к впускному отверстию питающего насоса (301) котла. Для нагревания питающей воды пар из секций промежуточного и низкого давления (321) и (324) паровой турбины направляется к нагревателям питающей воды (305) и (303), соответственно, по линиям (323) и (326). В указанных линиях, а также линиях (322) и (325) используются обратные клапаны для предотвращения оттока пара в паровую турбину в случае чрезвычайных обстоятельств (например, внезапного отключения), когда давление в турбине стремительно падает до уровня давления в конденсаторе. Такие клапаны могут быть или открыты, или закрыты и предназначены только для обеспечения безопасности. Пар из этих трубопроводов отбора пара, направляясь в котел, предварительно нагревает питающую воду. При этом он конденсируется в нагревателях питающей воды, а конденсат (327, 328) возвращается к впускному отверстию питающего насоса (301). Механическая энергия, вырабатываемая паровой турбиной, преобразовывается в электрическую энергию генератором (329).

Для более мощных центральных электростанций обычным давлением для субкритических случаев является уровень 1800 и 2400 psia. Для суперкритических условий может также использоваться давление от 3500 фунтов на квадратный дюйм и выше. Входная температура пара для большинства мощных паровых турбин ограничена 1050°F и для входного, и для перегретого потока. Однако в некоторых паровых турбинах, работающих по усовершенствованной технологии, используются входная температура 1070°F для впуска высокого давления и 1112°F для перегрева, как это детально описано в документе о паровых турбинах, выпущенном компанией “General Electric” под названием “Паровые турбины для ультрасверхкритических электростанций” авторов Клауса М. Ретцлаффа и В. Антони Руггера («Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants» by Klaus M.Retzlaff and W.Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945,1996).

Эффективность работы по циклу Ренкайна

В таблице на Фиг.4 на примере паровой турбины с эффективностью 90% проведено сравнение базового цикла Ренкайна (Вариант 1) (за исключением производительности котла и норм помех по мощности), цикла, в котором используется только повторный нагрев (Вариант 2, Вариант 3), и цикла, использующего повторный нагрев наряду с нагреванием питающей воды (Вариант 4 и Вариант 5). Также включены примеры при различном входном давлении и перегреве (Вариант 3), а также с нагреванием питающей воды (Вариант 5). Вариант 6 и Вариант 7 применяются для сверхкритических условий паровых циклов. Вариант 6 отражает сверхкритический паровой цикл с ультрасверхкритическими (температура во впускном отверстии или температура перегрева выше 1050° по Фаренгейту) характеристиками парового потока и двойным повторньм нагревом (пар нагревается дважды, при двух различных уровнях давления в котле). Вариант 7 идентичен Варианту 6 с добавлением нагревания питающей воды. В целях данного сравнения использовались только две экстракции пара, и предполагалось, что давление экстракции было на уровне давления холодного повторного нагрева и переходного давления (второй холодный повторный нагрев для сверхкритических циклов). Использование большего количества нагревателей питающей воды позволит достичь большей производительности циклов. Информационный документ компании “General Electric” под названием “Оптимизация цикла паровых турбин, оценка и тестирование действия” Джеймса С. Райта («Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing Considerations» (General Electric Reference GER-3642E, 1996) by James S. Wright)) приводит данные по выбору оптимального количества нагревателей питающей воды, указывая, что 1,5% штрафной удельный расход тепла оценен из расчета трех нагревателей питающей воды против семи. Таким образом, имеются возможности для улучшения производительности цикла нагревания питающей воды, показанного на Фиг.4 (Варианты 4, 5 и 7). При использовании повторного нагрева, оптимального нагревания питающей воды и ультрасверхкритических условий паровых потоков возможно достижение совокупной производительности цикла электростанции свыше 45%.

Совокупная производительность цикла электростанции (к.п.д.) включает не только производительность базового парового цикла, как показано на Фиг.4, но и производительность котла и нормы помех по мощности в отношении, например, питающих насосов котла и конденсаторных насосов с циркулирующей водой. Как указано в журнале “POWER MAGAZINE” (ISSN 0032-5929, July/August 1998, page 26):

“За последние несколько лет появились новые разработки для увеличения производительности паровых электростанций, и основная часть таких разработок связана с паровой турбиной. Производительность на уровне 45% LHV (коэффициент низшей теплоотдачи) или выше сейчас стала возможной с появлением новейших паровых электростанций, работающих на ископаемом топливе с использованием самых высоких параметров пара, усовершенствованных циклов нагревания питающей воды, достижений металлургии в производстве котлов и турбин и т.д.”.

Достижение уровня совокупной производительности электростанции 45% LHV, включая производительность котла и нормы помех по мощности, обычно означает, что производительность базового парового цикла должна даже превышать 45%. При производительности котла 85%, нормах помех по мощности 2,5%, соотношении по топливу коэффициента HHV (коэффициент высшей теплоотдачи) к коэффициенту LHV, равном 1,11 (что типично для природного газа), а также производительности электростанции 45% (LHV) базовая производительность парового цикла будет рассчитываться как:

Как показано в таблице на Фиг.4, использование цикла перегрева пара при значениях давления согласно таблице может увеличить базовую производительность цикла Ренкайна на 4,79%. Однако использование перегрева, так же, как использование увеличенного входного давления и нагревания питающей воды, может увеличить производительность не менее чем на 10,3% для субкритических условий работы пара. (Необходимо отметить, что улучшение производительности представляет собой отношение производительности конкретного варианта к базовой производительности. Таким образом, цикл с 40-процентной производительностью преобразует в электричество 40% входной энергии. Это в два раза больше, чем в случае 20-процентного цикла. Следовательно, улучшение производительности с 20% до 40% составляет 100% или двойной объем выработанной энергии).

Важнейшее значение для электростанций имеет производительность топлива, и мощные центральные электростанции, использующие сжигание угля, могут расходовать около 140 миллионов долларов ежегодно на топливо из расчета мощности электростанции 1000 MB, тепловой производительности 45% LHV, 2,00 доллара за миллион БТЕ (BTU) для топлива и 8500 рабочих часов в год. Исходя из этого, даже 1-процентное увеличение производительности будет означать большую экономию по топливу (1,4 миллиона долларов ежегодно).

Комбинированный цикл

Несмотря на то, что цикл Ренкайна доказал свою эффективность, сегодняшние более строгие энергетические и экологические стандарты требуют уделять больше внимания вопросам производительности топлива и уменьшения выхлопов от электростанций. Это привело к потребности в разработке и строительстве новых электростанций с комбинированием циклов.

На Фиг.5 изображена концептуальная схема применения принципа комбинирования циклов. В общем комбинированный цикл не ограничивается объединением верхнего цикла Брэйтона и нижнего цикла Ренкайна, но может быть любой комбинацией циклов. Верхним и нижним циклами могут быть одни и те же циклы, использующие различные жидкости. В любом случае применима схема, показанная на Фиг.5. Согласно схеме Фиг.5 жидкость верхнего цикла (501) поступает в двигатель верхнего цикла (502), куда добавляется топливо (503) для повышения ее температуры. Жидкость выполняет работу, которая двигателем верхнего цикла преобразуется в механическую энергию (мощность по валу в лошадиных силах). Эта энергия приводит в движение нагрузку верхнего цикла (504). Этой нагрузкой могут быть электрический генератор, насос, компрессор или иные устройства, которые требуют приложения механической энергии. Жидкость, покинувшая двигатель верхнего цикла, направляется через выхлопной трубопровод (505) в устройство для регенерации тепла (506), а затем поступает в открытый резервуар (507).

В данном примере верхний цикл является открытым циклом. Другими словами, жидкость верхнего цикла поступает из большого резервуара и сбрасывается в тот же резервуар. Устройство для регенерации тепла (506) поглощает часть энергии выхлопов верхнего цикла и переносит ее к жидкости нижнего цикла (508). В рассматриваемом примере жидкость нижнего цикла нагревается при отдельных трех уровнях давления: на линии высокого давления (509), линии промежуточного давления (510) и линии низкого давления (511). Данные жидкости затем поступают в двигатель нижнего цикла (512), где производится механическая энергия для приведения в движение нагрузки нижнего цикла (513). И снова в роли данной нагрузки могут выступать электрический генератор, насос, компрессор и иные устройства, для работы которых требуется механическая энергия.

Из двигателя нижнего цикла жидкость нижнего цикла поступает в теплообменник (514), в котором тепло сбрасывается. Жидкость нижнего цикла затем поступает в насос или компрессор или иное устройство для передачи жидкости (515), откуда она затем возвращается в устройство для регенерации тепла (506). Для данного примера принято за условие, что нижний цикл является закрытым циклом, что означает, что жидкость нижнего цикла постоянно циркулирует по замкнутой петле. В данном процессе можно использовать более двух циклов, и любой из циклов может быть как открытой, так и замкнутой петлей. Это характеризует основные черты применения комбинирования циклов.

ПГРТ в комбинированных циклах

В современном строительстве когенерационных и газо/паротурбинных электростанций понятие электростанции с комбинированием циклов стало означать использование цикла Брэйтона как верхнего цикла и цикла Ренкайна как нижнего цикла. Такие электростанции в качестве первичного движителя (механизм цикла Брэйтона) используют газовые турбины или турбины сгорания с котлом на выходе газовой турбины для регенерации выделяемого тепла. Этот котел обычно называют котлом с нагревом отходящим теплом или парогенератором регенерации тепла (ПГРТ). Он также может включать горелки для увеличения температуры выхлопов газов и образования большего количества пара, чем только от отходящего тепла (дополняющее сжигание топлива). ПГРТ вырабатывает пар, который затем поступает на паровую турбину для производства энергии. Благодаря высоким температурам рабочей жидкости в газовой турбине (приблизительно 2400°F для технологических устройств «F»-класса компании General Electric и 2600°F для стандарта «G»-класса технологических устройств Westinghouse) и регенерации отходящего тепла, электростанции с комбинированием циклов имеют более высокую производительность по топливу, чем традиционные паровые электростанции. Кроме того, с продвижением вперед технологии газовых турбин и использованием дистиллятных нефтепродуктов или природного газового топлива, выбросы электростанций с комбинированием циклов становятся не очень значительными. На Фиг.6 показана типичная схема применения комбинирования циклов.

ПГРТ значительно отличается от традиционного котла, работающего по циклу Ренкайна. Котел цикла Ренкайна работает на различных видах топлива, включая нефть, природный газ, уголь, биомассу и другие. В котлах цикла Ренкайна можно использовать также комбинацию различных видов топлива. ПГРТ в своей работе не может использовать никакой вид топлива, а может только захватывать и использовать отходящее тепло газовой турбины. Если применяется дополняющее сжигание топлива, для ПГРТ потребуются более очищенные виды топлива, например, природный газ или дистиллятные нефтепродукты. Твердые виды топлива, такие как уголь и биомасса, в этих видах котлов обычно не используются.

Как видно из Фиг.6, до ПГРТ существует несколько секций, включая три секции испарения (по одной на каждый уровень давления), экономайзеры, сверхперегреватели и повторные нагреватели. Секции (601) и (602) являются экономайзерами. Они представляют собой большие трубчатые отсеки в ПГРТ, которые предварительно нагревают воду перед ее преобразованием в пар в испарителе. Отсеки (603), (606) и (609) представляют собой испарители низкого, промежуточного и высокого давления, соответственно. Секции (604), (605) и (607) являются нагревателями питающей воды. Секция (608) является сверхперегревателем испарителя промежуточного давления, а секции (610) и (612) — сверхперегревателями испарителей высокого давления. Секция (611) является отсеком повторного нагревателя. Такие ПГРТ обычно обладают большими размером и массой и имеют буквально миллионы трубок внутри.

Пар от каждого уровня давления используется на электростанции там, где это требуется, но в основном большая часть пара используется для производства дополнительной электроэнергии в паровой турбине. Это означает, что пар при нижних уровнях давления должен впускаться в паровую турбину в надлежащем месте, ином, чем впуск пара при высоком давлении. Это также означает, что паровая турбина должна обладать специальными приспособлениями (отверстиями, ответвлениями, соединениями, клапанами и т.д.), через которые пар может поступать, и что в рабочем режиме давление пара в паровой турбине в местах данных сочленений должно быть меньше, чем давление пара от соответствующих секций котла ПГРТ. В противном случае, пар не будет попадать в паровую турбину.

Как видно из Фиг.6 при сравнении с Фиг.3, традиционный цикл Ренкайна подразумевает использование нагревателей питающей воды, забирающих пар из паровой турбины для предварительного нагрева питающей воды, в то время как ПГРТ для обеспечения данной функции использует тепло, выделяемое газовой турбиной. Следовательно, традиционные нагреватели питающей воды с паровым нагревом обычно не используются в системах с комбинированием циклов. В информационном документе компании “General Electric”, озаглавленном “Паровые турбины для систем электростанций с комбинированием циклов СТАГ” М. Босс (GE informative document GER-3582E (1996), entitled «Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems», М.) подтверждается, что нагреватели питающей воды не использовались в рамках имеющегося уровня техники:

“Определение размера выхлопов является важным для любой паровой турбины, но особенно важно для систем с использованием с комбинированием циклов. Там обычно отсутствует отбор пара из паровой турбины, поскольку нагрев питающей воды обычно обеспечивается внутри ПГРТ”.

Еще одним вариантом, обычно использующимся в системах с комбинированием циклов, является использование двух насосов котла (630) и (631), которые принято называть питающими насосами котла низкого и высокого давления соответственно (LP-BFP; HP-BFP). Такая расстановка позволяет насосу низкого давления обеспечивать подачу воды под давлением на уровни низкого и промежуточного давления, а насосу высокого давления подавать воду для уровня высокого давления, что обеспечивает экономию механической энергии насоса. Для мощных систем с комбинированием циклов расположение паровой турбины/конденсатора подобно их расположению в системах, работающих по циклу Ренкайна, показанному на Фиг.3 (хотя, с точки зрения внутренней схемы, маршруты подачи пара совершенно не сходны).

Недостатки ПГРТ / комбинированного цикла
Общие недостатки

В современных технологиях максимальное давление впускного отверстия паровой турбины с комбинированием циклов номинально составляет 1800 psia, а температура поступающего пара достигает 1050°F для входного и перегретого пара. Некоторыми недостатками такой организации ПГРТ систем с комбинированием циклов являются:

1. Производительность парового цикла значительно ниже, чем производительность традиционных паровых электростанций.

2. Требуются многочисленные выпаривающие отсеки для доведения регенерации тепла до максимума. Это приводит к увеличению затрат на оборудование и техническое обслуживание.

3. Многочисленные испарители требуют привлечения операторов электростанции и организации систем контроля для наблюдения и контроля за уровнями цилиндров котла.

4. ПГРТ с многочисленными отсеками обладают большим размером, требуют создания разветвленной инфраструктуры строений большой вместимости, много площадей и мощных фундаментов для поддержания массы генератора.

5. ПГРТ являются дорогостоящими (приблизительно 10 миллионов долларов США за один ПГРТ, достаточный для регенерации тепла одной газовой турбины модели GE Frame 7).

6. С увеличением количества компонентов, секций испарителя, контрольных и прочих устройств увеличиваются требования по техническому обслуживанию.

7. Пар низкого давления (т.е. пар, иной, чем характеризующийся самым высоким давлением) обладает существенно меньшей способностью производить энергию в паровой турбине, чем пар более высокого давления.

8. Частичная нагрузка, операции, не предусмотренные проектом, и иные условия наряду с предусмотренными в проекте, обычно приводят к меньшей регенерации тепла и более низкой производительности цикла.

9. Увеличение количества трубок ПГРТ с целью увеличения регенерации тепла приводит к дополнительным ограничениям для движения потока выхлопов газовой турбины, что создает увеличенное противодавление, уменьшающее производительность и эффективность газовой турбины.

10. Уровни температуры выхлопов газовой турбины недостаточны для обеспечения повышения некоторых параметров рабочих режимов пара, используемых в настоящее время в усовершенствованных паровых циклах (600°C градусов Цельсия, что эквивалентно 1112°F).

11. Существующие проблемы в линиях для повторного нагрева при наличии нескольких газовых турбин (обычно трех или более) затрудняют использование больших паровых турбин в электростанциях с комбинированием циклов при нынешнем уровне техники. Для современных, мощных и эффективных электростанций с комбинированием циклов, как, например, GE S207FA, мощность паровой турбины обычно достигает 190 МВт, что гораздо ниже мощности паровых турбин General Electric, которая может превышать 1200 МВт. Для получения более детальной информации о больших паровых турбинах необходимо обратиться к информационной брошюре, выпущенной компанией “General Electric” (GE) под названием “Паровые турбины для больших электростанций” авторов Джона К. Рейнкера и Пола В. Мейсона («Steam Turbines for Large Power Applications» by John K. Reinker and Paul B. Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)).

Неэффективность работы с неполной нагрузкой

Еще одним недостатком систем с комбинированием циклов является их работа при частичной нагрузке. Когда система, к которой присоединена электростанция, сокращает требования к нагрузке, электростанция должна отреагировать путем уменьшения выработки. Такое модулирование нагрузки предусматривает сохранение постоянной скорости работы оборудования и постоянной промышленной частоты напряжения (т.е. 60 Гц в США и 50 Гц в Европе). Для модулирования нагрузки в условиях электростанции с комбинированием циклов в газовой турбине сжигается меньше топлива, и сокращается выработка энергии. Для этого обычно требуется уменьшение температуры горения в газовой турбине и/или уменьшение количества поступающего туда воздуха.

Работа в условиях частичной нагрузки уменьшает эффективность газовой турбины, таким образом снижая эффективность всей электростанции с комбинированием циклов. На Фиг.7 показана типичная кривая для большой современной газовой турбины с впускными направляющими лопастями для модулирования интенсивности поступления во впускное отверстие воздуха. Даже при увеличенной производительности в условиях частичной нагрузки, обеспеченной впускными направляющими лопастями при нагрузке 60% (Выработка Генератора — в процентном отношении к предусмотренному в рамках проекта), газовая турбина потребляет более 70% топлива, требуемого для работы при полной нагрузке (Потребление Тепла — в процентном отношении к предусмотренному в рамках проекта). Это представляет собой увеличение на 17,5% количества тепла (конкретное потребление тепла). Для газовых турбин без впускных направляющих лопастей такой спад в производительности будет более значительным.

Чтобы попытаться избежать такого рода уменьшения нагрузки, а также обеспечить большую выработку энергии для данного количества аппаратных средств (что иногда называют плотностью мощности), производители могут установить две газовых турбины на электростанции с комбинированием циклов, каждая из которых имеет свой ПГРТ, подсоединенный к одной паровой турбине (так называемая “конструкция 2-в-1”). При такой конструкции (2 газовых турбины и 1 паровая турбина), когда нагрузка электростанции снижается более чем на 50%, одна газовая турбина может быть отключена, а другая может вернуться к выработке около 100%. Такой режим работы увеличивает производительность частичной нагрузки ниже 50% всей нагрузки электростанции, как это показано графически на Фиг.8. На графике показано типовое сравнение двух газовых турбин, взятое из информационной брошюры компании «General Electric» «Производственная линия и производительность с комбинированием циклов «General Electric» авторов Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба В. Смита и Криса Е. Маслака (1996 г.) (GE informative document GER-3574F (1996), entitled «GE Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) по кривым характеристики частичной нагрузки в условиях комбинирования циклов и конструкции 2-в-1. Для конструкции 3-в-1 может происходить переключение с трех до двух газовых турбин при нагрузке чуть менее 67%. Тем не менее, это все равно обеспечивает значительное увеличение количества тепла в условиях частичной нагрузки. Необходимо отметить, что такое увеличение по эффективности частичной нагрузки является результатом более высоких затрат на оборудование. В рамках существующего уровня техники необходимо решить проблему эффективности без необходимости приобретать дополнительное оборудование, увеличивая тем самым совокупные затраты на электростанцию.

Дополнительное сжигание топлива ПГРТ

Еще одним решением для повышения гибкости работы электростанции с комбинированием циклов является использование дополнительного сжигания топлива в ПГРТ. Такой режим работы газовой турбины достигается тогда, когда топливо сжигается в парогенераторе регенерации тепла (ПГРТ) сразу после газовой турбины (или на каком-то промежуточном этапе внутри ПГРТ). Это приводит к увеличению температуры отработавших газов, поступающих в ПГРТ, и количества пара, который может поступать в паровую турбину. Это позволяет электростанции производить больше энергии. Однако количество потребляемого тепла растет и эффективность топлива, соответственно, сокращается. Такой результат описан Муром (Moore), “General Electric”, в патенте США 5649416. Этот патент, а также патент США 5428950 Томлинсона (Tomlinson) упомянут Райсом (Rice) в патенте США 5628183. Поэтому дополняющее сжигание топлива в ПГРТ считается производителями средством для повышения выработки энергии, но за счет понижения производительности. В информационной брошюре “General Electric” (1996 г.) “Производственная линия «General Electric» и производительность с комбинированием циклов” авторов Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба В. Смита и Криса Е. Маслака (GE informative document GER-3574F (1996) entitled «GE Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) говорится, что “нарастающая производительность для энергии, выработанной за счет дополнительного горения, на 34-36% базируется на более низкой теплотворной способности топлива (LHV)”.

В той же самой брошюре в табл.14 указано, что дополнительное сжигание топлива в ПГРТ может увеличивать количество вырабатываемого продукта в условиях электростанции с комбинированием циклов при существующем уровне техники на 28%, но только с увеличением на 9% совокупного количества тепла в комбинированном цикле (конкретное потребление топлива). В существующем уровне техники не было разработано никаких технологических подходов для того, чтобы избежать потерь по теплу, связанных с дополнительным горением.

Кроме того, дополнительное сжигание топлива в рамках предшествующего уровня техники может использоваться для достижения более высоких коэффициентов соотношения паровых и газовых турбин, чем при традиционных комбинированных циклах. Однако работа на таких высоких уровнях мощности паровых/газовых турбин в целях удовлетворения наиболее высоких потребностей в электроэнергии обычно имеет короткую продолжительность, а долгосрочная работа с такими коэффициентами не экономична. Поэтому традиционные электростанции с комбинированием циклов, которые были спроектированы с использованием коэффициентов отношения паровых/газовых турбин, близких к одинаковым, не работают, как электростанции только цикла Ренкайна, а работают в таком режиме для обеспечения временного пика нагрузки, чему всегда сопутствует значительный ущерб, наносимый производительности работы.

Спад производительности газовых турбин

Как указано в разделе обсуждения цикла Брайтона, приблизительно 2/3 энергии, выработанной турбинным отделом газовой турбины, необходимы для приведения в действие компрессорного отсека, а оставшейся 1/3 энергии достаточно для операций приведения в действие нагрузки. Такая энергия, потребляемая компрессором при 67% мощности турбины, значительно выше, чем в примере с циклом Ренкайна, где насосы котла потребляют только 2% мощности турбины. Поэтому газовая турбина подвержена спаду в работе, если компрессор не поддерживает оптимальный уровень производительности.

Для примера, обычная производительность компрессора с осевой подачей воздуха, используемого на большой газовой турбине, может составлять 90%. Поэтому, если компрессор требует 67% выходной мощности турбинного отсека, идеальным уровнем мощности (100% производительности) будет только (0,67×0,90)=0,603 или 60,3%. Если производительность компрессора падает на 2,5%, его новая производительность будет достигать (0,90×0,975)=0,8775 или 87,75%. Требуемая мощность компрессора в этом случае была бы (0,603:0,8775)=0,6872 или 68,72%. Чистый выход энергии турбины уменьшается с 33% (1,00-0,67) до 0,3128% (1,00-0,6872). Это составляет ущерб в размере 5,2% по производительности (0,3128:0,33=0,9479). Поэтому совершенно очевидно, что небольшое уменьшение производительности компрессора газовой турбины ведет к большому спаду производительности и мощности газовой турбины.

Потеря производительности на 5% в сравнении с примером, приведенным выше, типична для многих газовых турбин после периода работы от одного до двух лет. Такой спад производительности в основном обусловлен изношенностью компрессора и эрозией наконечников лопастей компрессора. Новые лопасти и пломбы обычно помогают восстановить производительность компрессора до уровня производительности нового компрессора. Однако такие починки являются дорогостоящими, занимают много времени и могут осуществляться после основных осмотров, которые планируются каждые четыре года для современных газовых турбин. Поэтому владельцы электростанций и операторы должны учитывать спад производительности между основными капитальными осмотрами газовых турбин.

Возможности для усовершенствования в существующем уровне техники

Из сказанного выше видно, что параметры современных определенных технологий, которые могут быть усовершенствованы, являются следующими:

Исходя из потребностей нагрузки при производстве электроэнергии в определенном регионе или на определенном рынке, электростанция общего пользования (распределяющая электроэнергию среди пользователей) определяет спрос на электроэнергию с учетом текущих и ожидаемых потребностей. Например, если ожидаемая нагрузка составляет 850 МВт, в традиционной конфигурации по циклу Ренкайна коммунальная служба/компания-производитель электроэнергии заключает контракт с архитектурно-инженерной фирмой для разработки и строительства такой электростанции.

Котел, насосы, конденсатор, паровая турбина и все остальные вспомогательные устройства электростанции проектируются под заданную мощность 850 МВт. Преимущественно необходимый результат может быть достигнут благодаря тому, что паровые турбины проектируются и производятся в соответствии с нуждами конкретного заказчика. Однако, в связи с тем, что газовые турбины производятся конвейерным способом, а комбинированный цикл внедряется на электростанциях, использующих газовые турбины, для достижения наибольшей производительности и наименьших капитальных затрат, коммунальная служба и/или поставщик электроэнергии не могут только заявлять о требуемом уровне выработки электростанции, но также должны найти наилучший вариант удовлетворения своих потребностей, исходя из имеющихся предложений комбинирования циклов различных производителей. Например, анализ имеющихся электростанций с комбинированием циклов из БРОШЮРЫ О ТУРБОМАШИНАХ 1997 г. (TURBOMACHINERY HANDBOOK (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) указывает, что для применения частоты в 60 Гц на рынке отсутствуют какие-либо электростанции с комбинированием циклов мощностью 850 МВт. Таким образом, гибкость разработчика проекта электростанции ограничивается возможностями современной техники для электростанций, работающих по комбинированному циклу. Это предполагает, что в некоторых обстоятельствах комплект оборудования для установки на определенной электростанции не будет оптимальным из-за ограничений, налагаемых на конфигурации оборудования для электростанций уровнем современной техники.

Производительность

Электростанции с комбинированием циклов характеризуются очень высокой выработкой электроэнергии в сравнении с иными традиционными средствами производства электроэнергии. Однако большая центральная электростанция с комбинированием циклов с расчетной мощностью 1000 МВт при 55% тепловой производительности LHV (коэффициент низшей теплоотдачи), работающая 8500 часов в год при полной нагрузке на топливе стоимостью 3 доллара США за миллион ВТЕ (BTU) топлива, затрачивает около 175 миллионов долларов США ежегодно на приобретение топлива. Увеличение производительности даже на 1 процент будет приводить к большой экономии на топливе (1,75 миллионов долларов США ежегодно).

В патенте США 4333310, выданном Роберту Юраму (Robert Uram), используется метод управления, позволяющий наблюдать за температурой пара в паровой турбине и регулировать работу камеры сжигания отходов (дожигание), обеспечивая управление температурой перегретого пара. С одной стороны, температура впускного отверстия паровой турбины поддерживается на оптимальном уровне, а с другой стороны, такая функция существенно не влияет на нагрузку. В этом патенте Юрам заявляет:

“Желательно, чтобы паровая турбина работала в режиме так называемого “следования за турбиной”, в котором электростанция подает электроэнергию для нагрузки таким образом, чтобы паровая турбина следовала за газовыми турбинами, и дожигание позитивно следует за соответствующей газовой турбиной. Другими словами, тепло, получаемое в результате дожигания, следует за температурой выхлопных газов газовой турбины, а пар, получаемый от газов, производимых в результате дожигания, используется совокупно паровой турбиной”.

Данные уроки существующего уровня техники являются прямым контрастом с настоящим изобретением, в котором вклад тепла от дополнительного сжигания топлива независим от газовых турбин, а газовые турбины проектируются для работы на уровне своей полной оптимальной мощности.

Установленная стоимость

Следующие после стоимости топлива крупные затраты для электростанций с комбинированием циклов обычно связаны с обслуживанием долга. Производители, инженерные фирмы и владельцы обычно заинтересованы в том, чтобы сократить затраты на установку электростанций. При 8% начисляемых процентов и 450 долларов США на киловатт электростанции с комбинированием циклов мощностью 1000 МВт обслуживание долга составит приблизительно 45 миллионов долларов в год в течение 20 лет. Сокращение издержек производства при полном использовании производственных возможностей, с точки зрения соотношения стоимость/произведенная энергия, непосредственно сокращает затраты на обслуживание долга.

Временное увеличение выработки на пике нагрузки

Дилемма, с которой встречаются владельцы электростанций и коммунальные службы, — это правильный выбор мощности электростанции. Выбор электростанции, которая слишком мала, приводит к нехватке электроэнергии, частичному нарушению электроснабжения и/или к необходимости приобретать дорогостоящую электроэнергию у других производителей. Выбор электростанции, которая слишком велика, приводит к работе при низкой производительности во время периода неполной нагрузки и увеличению капитальных затрат на кВт·ч произведенной электроэнергии. Во многих ситуациях проблемой разработчиков электростанций является необходимость обеспечить как возможность удовлетворения потребностей на пике потребления электроэнергии, так и потребления при временных нагрузках. Пик потребления случается только в определенное время года на ограниченный промежуток времени. Обычно часы пикового потребления в самые жаркие дни в летние месяцы по нагрузке являются самым критическим временем для производителей электроэнергии и их систем. Возможность обеспечения избыточной мощности в этот период является крайне желательной, а при намечающихся тенденциях приватизации рынка электроэнергии это может оказаться также очень полезным и привлекательным.

Например, в начале лета 1999 года недостаток электроэнергии на северо-востоке США вызвал обеспокоенность возможностью системы удовлетворять наибольший спрос на электроэнергию. Некоторые местные программы новостей сообщали о стоимости в 30 долларов США за мВт·ч в обычные периоды и до 500-1000 долларов США за мВт·ч в пик сезона. Однако как сообщалось в “POWER MAGAZINE” (ISSN 0032-5929, March/April 1999, page 14) были понесены еще большие затраты: “Резервные запасы сократились по всей стране с 27% в 1992 году до 12% в 1998 г. на основании информации Института электричества Эдисона в Вашингтоне, округ Колумбия, так как нестабильность в связи с приватизацией вызвала приостановку в увеличении мощностей. Существенное увеличение цен на Среднем Западе США до 7000 долларов США за мВт·ч прошлым летом было в центре внимания прессы, но рост цен до 6000 долларов США мВт·ч также имел место в Альберте. ”.

Однако обеспечение производства электроэнергии в пик сезона не будет привлекательным, если владельцы электростанций вынуждены будут платить за такую мощность, а также за обслуживание долга, а еще обеспечивать получение дохода на эту дополнительную мощность только в течение нескольких месяцев в году. Поэтому требуются электростанции, которые могут обеспечивать выработку большего количества электроэнергии в сравнении с обычной в пик сезона для оказания помощи в обеспечении нагрузки системы на пике потребности в электроэнергии.

На Фиг.31В показан график, включающий относительное количество времени, которое типичная электростанция работает в пиковом сезоне, в период промежуточной загруженности и при основных условиях нагрузки. Из этого графика видно, что не будет прибыльным проект электростанции для работы при пиковой загруженности, так как на такой период приходится менее 10% всего времени. В связи с тем, что типичные электростанции существующего уровня техники не способны на различные варианты работы при пиковой мощности, единственным практически применимым вариантом для современных производителей электроэнергии является приобретение энергии сверх плана в сезон наибольшего спроса на нее. Настоящее изобретение представляет систему и способ, позволяющие удовлетворять указанные потребности без закупки дополнительной электроэнергии со стороны, и являющиеся, таким образом, экономически более выгодными по сравнению с известными из уровня техники.

Оборотный резерв

Вопрос увеличения производства электроэнергии в пик сезона затрагивает концепцию оборотного резерва. Оборотный резерв обеспечивает потребность местных государственных коммунальных служб в регуляции преодоления сбоев производства электроэнергии в кризисных условиях за счет использования запасных генераторов быстрого вращения, работающих в автоматическом неавтономном режиме, но в то же время не вырабатывающих энергии. При таком построении, если производитель электроэнергии несет потери производительной мощности, в действие автоматически вводится режим нагруженного резерва, компенсирующий потери и, таким образом, предотвращающий коллапс энергосистемы. С приватизацией предприятий, становящейся все более обычным делом в индустрии по производству электроэнергии в США, вопрос о том, кто обеспечивает оборотный резерв, является принципиальным. В эпоху жесткого регулирования и монополий в энергетической промышленности требовался монополист, представляющий коммунальную службу, для обеспечения автоматического неавтономного режима оборотного резерва. В эпоху приватизации вопрос оплаты такой побочной мощности является очень важным.

Настоящее изобретение решает эту проблему, обеспечивая значительное увеличение мощности электростанции коммунальной службой незамедлительно в случае сбоя или выхода из строя оборудования. Например, согласно настоящему изобретению, можно обеспечить работу девяти электростанций с производительностью на уровне пиковой нагрузки до 111% и компенсировать выход из строя одной станции по выработке энергии. В ряде случаев это позволило бы спланировать энергосистему без оборотного резерва или со значительно сокращенным резервом вращения, что привело бы к уменьшению совокупного размера затрат на производство электроэнергии в целом.

Нелокальное производство электроэнергии / вопросы надежности распределения

Одной из серьезных проблем существующего уровня техники является то, что производительность электростанции в основном существует в относительно неизменном и узком диапазоне управления производством электроэнергии. Когда на план энергосистемы накладываются пиковые потребности в электроэнергии, приходится ее приобретать в иных местах, где потребности в электроэнергии по сравнению с мощностью удаленной электростанции ниже. При таком режиме обеспечения пиковых потребностей в электроэнергии, то есть путем перенаправления мощности удаленных электростанций, существует несколько основных проблем.

Во-первых, убытки, связанные с передачей электроэнергии из удаленных мест к месту требования электроэнергии. Например, одним жарким днем в городе Нью-Йорке может потребоваться передача электроэнергии из Канады или западных штатов США, что может привести к значительным линейным потерям в линиях электропередачи.

Во-вторых, существует неуверенность в надежности приобретения электроэнергии в отдаленных районах энергосистемы в период наибольшей загруженности. Несмотря на то, что в принципе перераспределение электроэнергии является возможным, оно приводит к нестабильности в энергосистеме. Могут произойти небольшие неполадки во всей энергосистеме, что приведет к дополнительному отказу в работе оборудования или вызовет нестабильность напряжения в сети. Подобные события, кажущиеся незначительными в удаленных регионах страны, могут через электросети повлечь за собой серьезные аварии в больших регионах столичного уровня.

Таким образом, с учетом изложенных выше причин, в общем всегда считается лучшей возможность вырабатывать электроэнергию на месте и по потребности. Существующий уровень техники базируется на идеях разделения и распределения электроэнергии, в то время как настоящее изобретение — на идее разработки более надежного способа локального производства электроэнергии в системе производства электроэнергии, являющейся более эффективной и надежной, чем известные из уровня техники. Необходимо подчеркнуть, что ограничения, присущие существующему уровню техники с точки зрения производительности электростанции на пике нагрузки, в основном препятствуют локальному производству энергии, требуемой в пик сезона. Это вынуждает традиционные электростанции нести значительные затраты (от 10-кратных до 250-кратных) при приобретении электроэнергии удаленных станций.

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание

Затраты на оплату труда, топливо, техническое обслуживание, воду, химикаты, запасные части и другие расходные материалы, включая иные затраты на уплату налогов и страховку, входят в состав затрат в целом на эксплуатацию и техобслуживание. С ростом величины электростанции увеличивается и количество единиц оборудования, а с ростом количества единиц оборудования увеличиваются и указанные затраты в целом. В поиске достижения большей производительности используется более прогрессивная и дорогостоящая технология работы газовых турбин. Затраты на техобслуживание в связи с использованием новых экзотических материалов, сложных лопастей и аппаратных средств планируют как значительно превышающие те затраты, которые потребовались бы для чуть менее эффективных перечисленных выше аппаратных средств, зарекомендовавших себя газовых турбин и рассчитанных на них проектов систем выработки электроэнергии.

Для того чтобы быть готовыми к неполадкам в работе оборудования, владельцам электростанции необходимо иметь в запасе большое количество запасных частей. Это приводит к накоплению запасов и, соответственно, высоким затратам с точки зрения неиспользованного капитала и налогов. Владельцы и операторы электростанций всегда преследуют цель сокращения затрат на эксплуатацию и техобслуживание.

Компрессия газового топлива

Согласно имеющимся прогнозам, стабильные запасы и цена на природный газ сохранятся до 2010 года. Этот вид топлива является чистым, эффективным, недорогим и, таким образом, предпочтительным для электростанций с комбинированием циклов. Однако если электростанции расположены вдали от основных газопроводов, природный газ, поступающий при пониженном давлении, необходимо сжимать для достижения давления, достаточного для использования в газовой турбине. Кроме того, газовые турбины повышенной производительности, как, например, модель Westinghouse 501G, требуют более высокого давления природного газа, чем газовые турбины с более низкими соотношениями давления, например, модель компании “General Electric” PG7241FA. Требования относительно более высокого давления природного газа приводят к необходимости использования дорогостоящих компрессоров природного газа и являются обязательными для работы электростанции (работа электростанции без них невозможна). Указанные компрессоры требуют постоянного технического обслуживания, а также потребляют паразитную энергию (энергия, необходимая для работы компрессоров, сокращает полезную мощность, поступающую в электрические сети). Уменьшение потребности в таких компонентах уменьшает стоимость монтажа электростанции, требования к объектам недвижимости, улучшает показатели надежности и увеличивает объем выработанной полезной электроэнергии.

Надежность электростанции

Вопросы энергетической надежности стали аспектом, интересующим как индивидуальных потребителей электроэнергии, так и промышленных пользователей.

Следовательно, технология выработки электроэнергии обязана быть стабильной и надежной. В патенте США 5628183 Райса (Rice) предлагается система электростанции с комбинированием циклов повышенной производительности. Однако указанная система предполагает использование диверторов в ПГРТ, а установки для реформинга природного газа и сверхперегретого пара до 1400°F. Такие системы значительно увеличат стоимость установки и затраты на эксплуатацию и техобслуживание. Кроме того, до настоящего времени вентили котлов, ПГРТ и паровые турбины не продемонстрировали способности к долгосрочной надежной работе при температуре выше 1150°F, а ПГРТ с диверторами и реформингом природного газа еще не имеют стабильной репутации на рынке.

Потребление воздуха

Двигатели газовых турбин потребляют большое количество воздуха. Типичные установки с комбинированием циклов потребляют около 20 Ibs. воздуха на киловатт произведенной электроэнергии. Это соответствует примерно 260 кубических футов (на уровне моря) на киловатт. При этом воздух до его поступления в газовую турбину необходимо пропустить через фильтр, с тем, чтобы избежать неполадок, возможных при попадании посторонних объектов в газовую турбину. Время от времени воздушные фильтры необходимо прочищать и/или заменять. Это увеличивает затраты на эксплуатацию и техобслуживание, а также время простоя электростанции (время, когда электростанция не работает и не производит электроэнергию).

Кроме того, воздух, потребляемый газовой турбиной, поступает в ПГРТ, а затем в виде выхлопов поступает в атмосферу. С потреблением большего количества воздуха большее количество воздуха должно попадать в атмосферу в качестве выхлопов. Это приводит к потере производительности, так как температура выхлопов ПГРТ обычно составляет 180°F. Кроме того, выбрасываемый поток воздуха нагревает атмосферу и является причиной локальных проблем с качеством воздуха.

Выбросы от электростанций

Для того чтобы получить разрешение на эксплуатацию, электростанция сначала должна получить лицензию. Последняя обычно устанавливает допустимые уровни выбросов электростанцией загрязняющих веществ. Электростанции с комбинированием циклов, в сравнении с иными традиционно используемыми системами, являются очень чистыми производителями электроэнергии, но их “бичом” обычно является загрязнитель с установленным предельно допустимым содержанием — закись азота (NOX). Последний обычно регулируется путем впрыскивания пара и/или воды в газовую турбину, системами сухого низкого горения NOX и/или последующей очистки выхлопных газов. В качестве последнего способа обычно используют так называемое “выборочное каталитическое сокращение” (SCR), заключающееся во впрыскивания аммиака (NH₃) в поток выхлопных газов в присутствии катализатора при определенном уровне температуры для обратного превращения NOX, полученного в процессе горения, в N₂ и H₂O.

В патентах 3879616 Бейкера (Baker) и др., 4578944 Мартенса (Martens) и др. и 5269130 Финкха (Finckh) и др. нагрузка электростанции управляется посредством изменения выработки газовой турбины. Однако в случае частичной нагрузки газовой турбины выхлопы NOX обычно увеличиваются. Поэтому для уменьшения выбросов может оказаться необходимым введение большего количества аммония в выхлопные газы. Это приводит к увеличению затрат на эксплуатацию и техобслуживание и может оказаться настолько серьезным препятствием, что на стадии разработки электростанции желаемые газовые турбины не смогут использоваться в связи с высоким уровнем выбросов при работе в условиях частичной нагрузки. Также при работе на полную мощность некоторые электростанции могут не нуждаться в ВКС, а при частичной нагрузке ВКС будет обязательным. Другим фактором, связанным с выбросами в атмосферу, является потребление воздуха. Газовые турбины нуждаются в большом количестве воздуха, а чем больше потребляется воздуха, тем больше возможности выбросов в атмосферу.

Также необходимо отметить, что ученые, изучающие современную тенденцию глобального потепления, обнаружили увеличение в течение прошлого века количества двуокиси углерода, и что с начала технической революции имело место увеличение уровня СО₂ на 1-3 квазипиковых уровня в год, а сегодняшний уровень превышает 350 квазипиковых уровней. Такой рост содержания СО₂ предположительно напрямую влияет на глобальную окружающую среду, а также оказывает пагубное влияние на глобальный климат. Ученые и правительства в настоящее время озабочены определением того, какие должны быть наложены ограничения по СО₂ для разрешения данной проблемы. Исходя из такой тенденции, электростанции будущего должны иметь как можно более высокую эффективность с точки зрения не только выработки NOX, но и СО₂. Настоящее изобретение уделяет особенное внимание вопросам такой эффективности.

В заключение необходимо отметить, что имеют место определенные существенные юридические аспекты (включая штрафы и санкции) для электростанций, нарушающих положения о чистом воздухе в различных государствах, в основном в США. Смотрите статью “Изучение ‘новых источников’” в журнале “Нэшинэл Ло Джорнал” за 23 августа 1999 года (Jonathan S. Martel, ‘»New Source’ Scrutiny», THE NATIONAL LAW JOURNAL, at B6 (August 23,1999)).

Вопросы охраны окружающей среды

Кроме выбросов в атмосферу, возникают иные вопросы влияния на окружающую среду. Для работы паровой электростанции необходим источник чистой воды для обеспечения подпитывающей воды. Такая вода используется для возмещения пара/воды, потерянных в результате утечек, сброса (конденсата, отстоя) или иных причин. На сброс идет вода, которая выделяется из отсеков испарителя ПГРТ и сбрасывается в канализацию. Такая вода обычно берется из нижней точки ПГРТ для удаления питающей воды, в которой имеется высокое содержание минералов и отложений. Этот процесс помогает сохранять проход для пара чистым, обеспечивает минимальные отложения в паровой турбине и неполадки в работе лопастей, возникающие из-за поломок, вызванных коррозией. Сбрасываемая вода должна сливаться в реки, протоки и т.п., на что требуется разрешение, получение которого у государственных органов является трудным и долгим процессом.

Система распределения контроля электростанции (СРК)

Современные электростанции с комбинированием циклов обычно используют систему распределения контроля (СРК (DCS)) для осуществления управления всей электростанцией. Такие СРК интегрированы с индивидуальными системами управления паровыми и газовыми турбинами. С помощью СРК можно наблюдать и осуществлять мониторинг и управление многими другими параметрами. Использование контроля для улучшения производительности или эксплуатации описано в патентах США 3879616 Бейкера (Baker) и др., 4201924 Юрама (Uram) и др. и 4578944 Мартенса (Martens) и др. Ни один из этих патентов, однако, не обеспечивает управления передачей тепла в ПГРТ. В патенте США 5269130 Финка (Finckh) и др. метод использования избыточного тепла в ПГРТ используется для работы при частичной нагрузке газовой турбины. Такой метод, однако, не обеспечивает полного контроля, а только является средством для регенерации низкотемпературной использованной теплоты. Ни одним из вышеназванных патентов не предложен метод регулирования температуры выхлопного газа ПГРТ до оптимальной температуры.

Эффективность эксплуатации электроэнергии

Электростанции с комбинированием циклов в рамках существующего уровня техники, спроектированные для работы с максимальной эффективностью, обычно используют ПГРТ с различными уровнями давления и как правило работают на трех уровнях давления. Для каждого ПГРТ, а также для каждого уровня давления операторам приходится следить за уровнем разделительного барабана котла. Также необходимо наблюдать за такими параметрами, как качество воды и содержание химических веществ в случае каждого ПГРТ. Так как нагрузка системы для каждой электростанции общего пользования разная, необходимо использование электростанций с комбинированием циклов, как и других электростанций, в соответствии с распределением нагрузки, или обеспечение нагрузки в соответствии с потребностями системы электроснабжения. Это означает, что электростанции не будут работать с фиксированной нагрузкой, а требования к их нагрузке будут постоянно меняться, чтобы отвечать нуждам системы. Для увеличения нагрузки можно использовать дополнительное сжигание топлива (дополнительное количество топлива сжигается в/или около впускного отверстия в ПГРТ для пополнения энергии выхлопных газов). Однако это является очень губительным для общей эффективности электростанции. Это отмечено Райсом (Rice) в патенте 5628183 в связи с анализом, проведенным «Westinghouse» и «General Electric». Myp (Moore) в патенте 5649416 указывает, что

“Дополнительное сжигание топлива парового генератора регенерации тепла может увеличить совокупный объем выработанной энергии и количество общего объема энергии, произведенной паровой турбиной, но только при условии уменьшения совокупной тепловой эффективности электростанции». Поэтому обычно в электростанциях с комбинированием циклов дополнительное сжигание топлива используется не часто или же не используется вообще. Поэтому для изменения и соответствия различным нагрузкам системы газовые турбины переводятся из режима работы с полной нагрузкой в режим работы с частичной нагрузкой.

Кроме того, как было отмечено выше, работа при частичной нагрузке приводит к увеличению выбросов в атмосферу, что также пагубно влияет на производительность. На Фиг.7 изображена кривая отношения производительности газовой турбины к ее нагрузке. При 100% нагрузке она потребляет 100% топлива, однако при 60%-ной нагрузке она потребляет 70,5% от топлива, потребляемого при полной нагрузке. Это представляет собой увеличение на 17,5% в потреблении определенного топлива. В случае крупных центральных электростанций это соответствует значительному увеличению дополнительных затрат на топливо. Кроме того, работа при частичной нагрузке газовой турбины приводит обычно к увеличению выбросов NOX, наиболее сложно поддающихся удовлетворению требованиям по допустимому уровню. Режим работы при частичной нагрузке газовой турбины также изменяет поток выхлопных гадов через ПГРТ. Такое изменение потока отрицательно влияет на передачу тепла в ПГРТ, так как это устройство сконструировано из расчета фиксированной площади поверхности теплообменника. Такой феномен вместе с сокращением эффективности работы газовой турбины является фактором, который также пагубно влияет на эффективность электростанции, работающей в режиме частичной нагрузки. Поскольку работа с частичной нагрузкой значительно меняет уровень температуры в ПГРТ, это может привести к неэффективному использованию СРК.

Торцевая нагрузка выхлопа паровой турбины

Кроме ограничений давления и температуры впускного отверстия, еще одним общим ограничением для паровой турбины является торцевая нагрузка выхлопа. Вообще говоря, она является функцией двух параметров: торцевого потока выхлопных газов и давления выхлопов. Эти два фактора определяют объемный расход потока, проходящего через последний отсек лопастей паровой турбины. Для оптимальной работы производители паровых турбин обычно указывают величину объемного расхода. С увеличением объемного расхода могут потребоваться дополнительные, более крупные лопасти и/или большее количество выхлопных отсеков.

Однако в связи с механическими ограничениями (по центробежной силе) после достижения максимальных объемных расходов ограничений для самых больших лопастей возможно добавить дополнительные отсеки и лопасти к выпускному выхлопному отверстию паровой турбины для обеспечения бесперебойного прохождения потока. Это увеличивает стоимость установки и требования по объектам недвижимости в отношении паровой турбины. Благодаря своей конфигурации традиционный комбинированный цикл отправляет пар высокого давления к впускному отверстию высокого давления паровой турбины, затем добавляет пар, поступающий из отсека промежуточного давления ПГРТ к данному потоку на впускном отверстии отсека промежуточного давления паровой турбины, а затем добавляет больше пара из отсека низкого давления ПГРТ к этому потоку во впускном отверстии отсека низкого давления паровой турбины.

Поэтому в таком варианте через отсеки высокого и промежуточного давления паровой турбины проходят относительно меньшие потоки и они обладают более низкой производительностью, чем отсек низкого давления. Такой вариант в результате приводит к работе паровых турбин в режиме, когда уровень выхлопов достигает ограничения или приближается к ограничению торцевого предела выхлопа паровой турбины. Это обеспечивает отсутствие помех для временного увеличения мощности для производства энергии на пике нагрузки, а также не оставляет или почти не оставляет возможности для улучшения технических характеристик паровой турбины в будущем для достижения более высоких параметров энергии. В общем такой вариант паровой турбины является менее эффективным, чем традиционные паровые турбины для электростанций, так как отсеки высокого и промежуточного давления имеют низкие волюметрические потоки.

В информационной брошюре компании “General Electric” GER-3582E (1996) под названием “Паровые турбины для электростанций с комбинированием циклов типа STAG” автора М. Босса («Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems», by M. Boss), рассматривается нагрузка торцевого выхлопа паровой турбины, что отражает существующий уровень техники:

“Размер выхлопов является важным для любой паровой турбины, но особенно важным для комбинирования циклов. Обычно отсутствуют какие-либо экстракции паровой турбины, так как нагрев питающей воды обычно осуществляется внутри ПГРТ. Образование пара на различных уровнях давления (подача пара промежуточного уровня давления и/или низкого давления к дроссельной заслонке) увеличивает массу потока в то время, как пар расширяется внутри турбины. Поток массы на выхлопе звена узла комбинирования циклов в системе с тремя уровнями давления может быть выше на 30%, чем поток перед дроссельной заслонкой. Это находится в прямом противоречии с большинством звеньев с котлами с подводом тепла от сжигания топлива, где масса потока выхлопов примерно на 25-30% меньше, чем масса потока перед дроссельной заслонкой из-за экстракций из турбины для многочисленных этапов нагревания питающей воды”.

Объекты недвижимости

Установка с комбинированием циклов хотя обычно и имеет меньший размер по сравнению с традиционными паровыми электростанциями, тем не менее занимает большую площадь. ПГРТ со стояками особенно велики и требуют много площади (ПГРТ для одной модели газовой турбины Westinghouse 501G — приблизительно 40 футов в ширину, 70 футов в высоту и 200 футов в длину). Учитывая наличие тенденции к приватизации сектора производства электроэнергии, владельцы электростанций будут искать идеальное место для своих электростанций. Во многих случаях эти места располагаются недалеко от мест потребления, которые обычно находятся в урбанистической или промышленной зоне. Таким образом, электростанции располагаются близко к конечному потребителю электроэнергии, и для них не требуются высоковольтные линии передач (что также требует большой площади для размещения объектов недвижимости). Однако в таких районах может быть сложным и дорогостоящим приобретение объектов недвижимости, необходимых для крупных электростанций с комбинированием циклов.

Первостепенными объектами для таких электростанций с комбинированием циклов будут уже существующие электростанции, которые могут быть перенастроены в качестве производственных мощностей с комбинированием циклов. Такие объекты имеют преимущество, поскольку у них имеется надлежащая зона с необходимой электрической и механической инфраструктурой. Недостатком является то, что такой объект может испытывать нехватку в площади для осуществления проекта перевода электростанции в режим работы с комбинированием циклов. Поэтому с точки зрения наличия площади, а также с точки зрения экономии затрат, желательно ограничивать размер электростанции, насколько это представляется возможным.

Уровень шума/общественное мнение

Общественное одобрение становится все более сложно получить для многих проектов электростанций общего пользования. Такие факторы, как шум, увеличение уличного движения, неприглядность ландшафта, загрязнение, вредные отходы и многое другое, увеличивают недовольство электростанциями, расположенными вблизи населенных районов. Предпочтительными являются электростанции меньшего размера, более тихие, с меньшим количеством оборудования, с более низким уровнем выбросов и незаметные по сравнению с большими по размеру и более броскими электростанциями. Поэтому желательными являются электростанции с комбинированием циклов, являющиеся более компактными, имеющие большую “плотность электроэнергии” (энергии на единицу объема).

Однако строящиеся сегодня для обеспечения современных потребностей в электроэнергии традиционные электростанции просто повторяют апробированные проекты электростанций. Никакого внимания не уделяется вопросу о том, можно ли реконструировать электростанции с учетом общественного мнения касательно самих электростанций.

Отвод тепла

Традиционные паровые электростанции и электростанции с комбинированием циклов нуждаются в отводе каким-либо образом тепла. Это обычно необходимо для конденсации обратно в воду пара низкого давления выхлопов паровой турбины. Такой отвод тепла может осуществляться в воздух, реку, озеро или “резервуар”, способный поглощать тепло. Так как такой выброс тепла оказывает влияние на местную экологию и, возможно, на биологическую обстановку (например, наличие рыбы в реке), всегда имеется спрос на методы, позволяющие уменьшить выброс тепла.

Спад характеристик газовой турбины

Хотя электростанции с комбинированием циклов демонстрируют высокую производительность, такая производительность имеет место в случае “новых” электростанций. Так как в существующем уровне техники комбинированный цикл обычно базируется на использовании газовых турбин, уровень его производительности очень подвержен спаду, в результате чего производительность газовой турбины значительно уменьшается (от 2% до 6%) в течение одного или двух лет работы. Это может стать существенным с точки зрения стоимости топлива, так как совокупная производительность электростанции с комбинированием циклов также снижается вместе со спадом характеристик газовой турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, задачи настоящего изобретения направлены на решение проблем существующего уровня техники и сводятся к следующему:

1. Обеспечить разработку электростанции с комбинированием циклов, которая является более гибкой с точки зрения ее проектирования, чем современные предложения, и обладает возможностями для использования современных технологий, приобретаемых по необходимости.

2. Уменьшить общее потребление топлива при номинальной мощности, но особенно в условиях работы с частичной нагрузкой, так как вероятнее всего электростанция будет работать лишь небольшую часть времени в условиях полной номинальной нагрузки.

3. Уменьшить стоимость установки электростанции, с тем чтобы обслуживание долга было значительно сокращено и финансирование банком или иным кредитным учреждением было бы для владельца более легким.

4. Сбалансировать соотношение времени и стоимости с точки зрения капиталовложений, техобслуживания и затрат на приобретение топлива, с тем чтобы создание электростанций было более экономичным, а также по возможности сократить общую стоимость производства электроэнергии.

5. Обеспечить возможность удовлетворения потребностей в электроэнергии в пик сезона при работе в режиме полной нагрузки без уменьшения обычного уровня производительности или значительного увеличения стоимости монтажа.

6. Уменьшить потери и убытки, связанные с передачей электроэнергии на большие расстояния.

7. Увеличить общую надежность сети электроснабжения путем обеспечения возможности выработки электроэнергии рядом с местом потребления в период самой большой потребности в электроэнергии.

8. Сократить затраты на эксплуатацию и техническое обеспечение. Кроме затрат на приобретение топлива, также сократить затраты на техобслуживание, поставки, запасы, страховку и иные эксплуатационные расходы.

9. Сократить потребность в компрессии газового топлива.
10. Увеличить уровень надежности.
11. Снизить потребление воздуха и требования, связанные с очисткой воздуха.
12. Уменьшить выбросы в атмосферу загрязняющих веществ, особенно NOX.
13. Сократить слив в воду сброса от ПГРТ и иных источников.

14. Использовать механизмы управления для максимального увеличения производительности, надежности и регенерации тепла.

15. Упростить способ эксплуатации и разработать методы и/или стратегии для увеличения производительности работы при частичной нагрузке и уменьшить уровень вредных выбросов.

16. Оптимизировать производительность паровой турбины за счет использования проектов с улучшенной волюметрической производительностью и дополнительной мощностью для удовлетворения потребности в электроэнергии в пик сезона.

17. Обеспечить экономное отношение к земельным площадям, необходимым для размещения электростанции, за счет проектирования компактной электростанции с высокой плотностью энергии.

18. Сократить уровень шума, размеры, площади и объем оборудования для уменьшения воздействия электростанции на местное население.

19. Достичь минимального уровня отвода тепла.

20. Обеспечить более выгодно экономически и территориально реконструкцию существующих паровых электростанций и оборудования с комбинированием циклов для уменьшения капитальных затрат и экономических последствий, связанных с монтажом большого количества нового оборудования и объектов недвижимости.

21. Создать экономические стимулы для использования при строительстве новых электростанций экологически чистых проектов.

22. Обеспечить проектирование электростанций с комбинированием циклов, менее восприимчивых к ухудшению характеристик газовых турбин.

Названные задачи могут быть решены в рамках предлагаемого изобретения, которое рассматривается в последующих разделах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Коротко говоря, настоящее изобретение является системой и методом, позволяющими использовать меньшее количество и/или меньшие по размеру газовые турбины (GT) и парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ (HRSG)) в электростанциях с комбинированием циклов. Традиционное оборудование этого типа при использовании комбинирования циклов заменяют на большие по размеру паровые турбины (ST) и парогенераторы регенерации тепла с постоянным поддержанием горения топлива, что обеспечивает ряд экономических, энергоемких и экологических преимуществ.

Представленная технология использует ПГРТ с несколькими уровнями давления для максимизации регенерации тепла из выхлопных газов газовой турбины. Этот вариант используют обычно, поскольку существующий уровень техники учит не применять ПГРТ с постоянным поддержанием горения из-за общей распространенной точки зрения о том, что такие конфигурации обладают более низкой тепловой производительностью. Несмотря на общее убеждение, настоящее изобретение показывает, что ПГРТ с постоянным поддержанием горения могут быть выполнены с тепловой производительностью равно или более высокой, чем известные из современной практики комбинирования циклов. Однако для достижения такого уровня производительности ПГРТ с постоянным поддержанием горения и паровые турбины должны быть спроектированы и выполнены по другому.

В некоторых предпочтительных вариантах использования настоящего изобретения газовые турбины остаются неизменными по отношению к существующему уровню техники, но выхлоп осуществляется в ПГРТ. Такой ПГРТ, однако, проектируется как парогенератор с единым уровнем давления (или первоначально имеющий единый уровень давления), который оптимизирован для обеспечения поддержания постоянного горения и образования пара с более высоким давлением, в отличие от случаев традиционного применения комбинирования циклов. Кроме того, названный ПГРТ проектируется так, чтобы управлять потоками питающей воды через экономайзер/отсеки питающей воды для максимального увеличения регенерации тепла. Кроме того, паровые турбины проектируются имеющими большие размеры, что типично для традиционной электростанции цикла Ренкайна, где перегрев и получаемый пар традиционной паровой турбины поступает в нагреватели питающей воды для максимального увеличения тепловой производительности. Такое преимущество большей по размеру паровой турбины, которая обычно применяется в традиционной паровой электростанции, которая описывается Муром (Moore) в патенте 5649416, принадлежащем компании “General Electric”:

“Традиционные паровые электростанции имеют преимущества как по более низкой себестоимости, так и более высокой производительности по причине экономии диапазона параметров. Традиционное эмпирическое правило относительно стоимости гласит, что удвоение параметров электростанции приводит к уменьшению себестоимости на десять процентов. Себестоимость одной крупной производственной единицы согласно такому правилу предположительно будет на десять процентов ниже, чем себестоимость электростанции, состоящей из двух единиц половинного размера”.

“Уровень производительности также улучшается с увеличением размеров и параметров энергии. Как и в случае турбомашиностроения в целом, собственная производительность паровой турбины является сильной функцией объемных расходов потока на входе, являющихся прямо пропорциональными этим параметрам. Также общеизвестно, что тепловая производительность цикла Ренкайна увеличивается с давлением, при котором образуется пар. Увеличение давления, однако, уменьшает объемный расход поток пара у впускного отверстия турбины, тем самым сокращая мощность внутреннего расширения. Это в результате приводит к тому, что совокупная производительность при низких объемных расходах потока значительно выше совокупной производительности при высоких объемных расходах. Поэтому дополнительным преимуществом увеличения размера турбины, относящимся к рабочим показателям, является то, что более высокое давление пара перед дроссельной заслонкой может использоваться более эффективно”.

С использованием ПГРТ с достаточным запасом топлива для дополнительного горения нижний цикл согласно настоящему изобретению может быть более независимым от работы газовой турбины. Поэтому газовые турбины могут работать при полной нагрузке, в то время как совокупная нагрузка электростанции изменяется в соответствии с ее широкими возможностями работы в режиме полной нагрузки только благодаря изменению параметров дополнительного горения и нагрузки паровой турбины. Это увеличивает общую производительность электростанции с использованием определенного набора газовых турбин, обеспечивает гибкость параметров электростанции с комбинированием циклов путем изменения характеристик дополнительного горения, а также увеличивает общую тепловую производительность электростанции при работе с частичной нагрузкой. Кроме того, это упрощает работу, а также потенциально может влиять на уменьшение выбросов.

Проектирование позволяет создать ПГРТ, обеспечивающие горение при температуре до 2400°F, образцовая простая конструкция “2 в 1”, в котором представлены две газовые турбины и одна большая паровая турбина, заменяет две конструкции “2 в 1” (конструкции “4 в 1” обычно не используют, если применяют перегрев, — из-за проблем балансировки в профиле перегрева). Такая образцовая конструкция экономит две газовые турбины, два ПГРТ, одну паровую турбину, три переключателя, три трансформатора, а также вспомогательное оборудование, объекты недвижимости и техническое обеспечение, необходимое для поддержания данного оборудования. Капитальные затраты для электростанции в долларах США/кВт, таким образом, могут быть значительно уменьшены с использованием настоящего изобретения.

Все это может быть достигнуто с использованием уже опробованных в области турбомашиностроения технологий и аппаратных средств. Использование ПГРТ с постоянным поддержанием горения и единым уровнем давления является новой концепцией для данного устройства, однако также не выходит за рамки ни современной технологической практики, ни возможности внедрения при имеющейся технике. Поэтому с точки зрения надежности отсутствуют или почти отсутствуют какие-либо взаимные противоречия. Общая конструкция для нескольких предпочтительных вариантов изобретения представлена на чертеже Фиг.13, а некоторые примерные варианты с большим количеством деталей показаны на чертежах Фиг.9 и Фиг.15.

Усовершенствования по сравнению с предшествующим уровнем техники

Настоящее изобретение разрешает проблемы предшествующего уровня техники в данной области за счет того, что достигаются следующие цели:

1. Обеспечение большей гибкости при проектировании электростанции с комбинированием циклов таким образом, что разработчики могут добиться высокого уровня производительности, выбирая при этом конкретно заданную мощность.

2. Уменьшение общего потребления топлива при одновременном улучшении производительности в режиме работы с полной и частичной нагрузкой.

3. Уменьшение затрат на размещение и монтаж парка оборудования за счет увеличения плотности энергии оборудования (большее количество выработанной энергии на единицу оборудования).

4. Уменьшение общих затрат на производство электроэнергии за счет снижения трех основных факторов, связанных с ее производством: потребление энергии, капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание.

5. Обеспечение временных мощностей для достижения пиковых нагрузок при использовании дополнительного горения для образования большего количества пара, а также применения режима работы паровой турбины при избыточном давлении (давление на впуске несколько выше номинального) и уменьшения потока выделяемого пара к нагревателям питающей воды.

6. Увеличение эффективности сети энергоснабжения путем обеспечения возможности локального производства электроэнергии в пик сезона. Обеспечение производства электроэнергии в пик сезона на местах позволяет устранить или уменьшить недостатки, связанные с “импортом” электроэнергии из других районов страны или из-за границы. (Имеются в виду потери при передаче по линиям электропередачи).

7. Увеличение надежности сети электроснабжения за счет сокращения передачи электроэнергии на большие расстояния в пик сезона при максимальной нагрузке.

8. Сокращение затрат на эксплуатацию и техническое обеспечение в основном путем уменьшения количества оборудования, систем, а также использования оборудования, требующего меньших затрат на техобслуживание на киловатт выработанной электроэнергии (паровых турбин с низкой потребностью в техобслуживании вместо газовых турбин, аналогичные потребности которых высоки).

9. Минимизация необходимости компрессии топливного газа за счет использования меньшего количества газовых турбин и газовых турбин с более низким давлением топливного газа в цикле вместе с большей по размеру паровой турбиной.

10. Повышение надежности путем упрощения проекта электростанции.
11. Уменьшение потребления воздуха за счет использования меньшего количества газовых турбин.

12. Сокращение выбросов загрязняющих веществ, особенно NOX, за счет использования газовых турбин в стабильном, почти безотходном режиме и применения более чистых газовых турбин и в меньшем количестве.

13. Сокращение до минимума сброса конденсата и иных выбросов в воду за счет использования более производительных циклов, требующих меньшего количество пара на киловатт выработанной электроэнергии.

14. Использование контрольных механизмов в целях повышения производительности, надежности и регенерации тепла.

15. Упрощение работы путем использования газовых турбин в режиме полной нагрузки в широком диапазоне функционирования (общей выработки электростанции при комбинировании циклов) и сокращение уровней давления ПГРТ до единственного.

16. Максимальное увеличение эффективности работы паровой турбины за счет увеличения объемных расходов потока, особенно в отсеках высокого и промежуточного давления.

17. Экономный расход площадей и земельных участков при использовании меньшего оборудования и проектов с более высокой плотностью электроэнергии.

18. Уменьшение шума, размеров и требований к пространству при использовании меньшего числа единиц оборудования.

19. Сохранение отвода тепла на минимальном уровне за счет применения циклов высокой эффективности с меньшим отводом тепла на киловатт выработанной электроэнергии.

20. Создание проекта, основанного на принципе комбинирования циклов, более совместимого с существующими паровыми электростанциями, позволяющего более компактно и эффективно переводить существующие электростанции на использование технологий комбинирования циклов более высокой производительности.

21. Минимальное сокращение потребления воздуха, выбросов загрязняющих веществ, а также выбросов тепла в атмосферу, но обеспечение этих преимуществ с меньшими затратами, чем традиционные комбинированные циклы.

22. Сокращение влияния спада рабочих характеристик газовой турбины путем использования электростанции с комбинированием циклов, которая меньше зависит от газовых турбин и их эффективности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания преимуществ изобретения приводятся следующие чертежи и их описание:
На Фиг.1 показан базовый термодинамический цикл Ренкайна.

На Фиг.2 изображена система производства электроэнергии в соответствии с существующим уровнем техники, использующая базовый цикл Ренкайна.

На Фиг.3 изображена схема цикла Ренкайна, включая цикл перегрева и выделения пара для нагревания питающей воды, согласно использованию в случае традиционной электростанции существующего уровня техники.

На Фиг.4 изображена сравнительная таблица производительности базового цикла Ренкайна, а именно цикла Ренкайна с различными вариантами усовершенствования для повышения производительности.

На Фиг.5 изображена схема основных принципов комбинирования циклов.

На Фиг.6 показана схема предшествующего уровня техники для электростанции с комбинированием циклов, использующей газовые турбины, ПГРТ и паровые турбины.

На Фиг.7 изображена кривая потребления тепла по отношению к генератору выработки энергии для промышленной стандартной газовой турбины компании “General Electric” модели PG7241.

На Фиг.8 показаны зависимости для работы при частичной нагрузке электростанции с комбинированием циклов компании “General Electric” с двумя газовыми турбинами GE C207 при помощи графиков, соответствующих рабочим характеристикам для одной или двух газовых турбин.

На Фиг.9 изображена общая схема установки в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения применительно к его использованию в электростанции.

На Фиг.10 приведена таблица сравнительных данных производительности в соответствии с настоящим изобретением и предшествующим уровнем техники.

На Фиг.11 изображен график типовой зависимости энтальпии пара от температуры при давлении 1800 фунтов на квадратный дюйм, исходя из допущения, что вода является движущей жидкостью.

На Фиг.12 изображен график типовой зависимости энтальпии выхлопных газов газовой турбины от температуры выхлопных газов.

На Фиг.13 изображена блок-схема, иллюстрирующая общие принципы данного изобретения в их применении в установках с комбинированием циклов.

На Фиг.14 изображен график типовой зависимости заданной диаграммы средней разности температур от интенсивности потока жидкости для вариантов со сверхперегревом и перегревом.

На Фиг.15 показана схема, иллюстрирующая модель реализации электростанции с комбинированием циклов с использованием преимуществ настоящего изобретения.

На Фиг.16 изображен график примерной системы контроля, которая может быть использована для контроля над одним или более ПГРТ относительно уроков настоящего изобретения.

На Фиг.17 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для управления всей системой электростанции в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.18 показана блок-схема модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного воздействия на увеличение выработки электростанции в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.19 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного воздействия на уменьшение выработки электростанции в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.20 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного регулирования переходной мощности в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.21 изображены графически источники поступления энергии, убытки и производительность, которые учтены в совокупном анализе потока энергии.

На Фиг.22 показана типовая конфигурация электростанции с комбинированием циклов модели GE 207FA.

На Фиг.23 изображены таблицы эксплуатационных данных для типовой электростанции с комбинированием циклов модели GE 207FA 521 МВт, с учетом типового многофункционального профиля данных тестирования.

На Фиг.24 изображена типовая конфигурация электростанции с комбинированием циклов, модель Westinghouse 2Х1 501 G 715 МВт.

На Фиг.25 изображены таблицы эксплуатационных данных для типовой электростанции с комбинированием циклов модели Westinghouse 2Х1 501G 715 МВт с учетом типового многофункционального профиля данных тестирования.

На Фиг.26 изображена типовая электростанция с комбинированием циклов мощностью 725 МВт, описанная в предпочтительном варианте настоящего изобретения.

На Фиг.27 изображены таблицы эксплуатационных данных для варианта системы мощностью 725 МВт в соответствии с настоящим изобретением, с использованием экранированного ПГРТ, на основе типового многофункционального профиля данных тестирования.

На Фиг.28 изображен график относительных отличий работы при частичной нагрузке при сравнении традиционной системы с комбинированием циклов электростанции и системы по настоящему изобретению.

На Фиг.29 графически показаны данные по нескольким моделям электростанции и их номинальные энергетические характеристики, в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.30 изображен график базового уровня производительности парового цикла, необходимого для модели электростанции, использующей две номинальных промышленных газовых турбины компании “General Electric”, модель PG7241 (FA), для соответствия уровням производительности предшествующего уровня техники по параметрам энергии.

На Фиг.31А изображена диаграмма типичной кривой почасовой нагрузки региональной системы (по данным публикации “Цены на электричество в условиях конкуренции: предельно высокая себестоимость услуг по выработке электроэнергии и финансовый статус коммунальных служб, занимающихся электроснабжением” («Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities» (DOE отчет номер DOE/EIA-0614)));

На Фиг.31В изображена диаграмма типичной кривой продолжительности нагрузки, отражающая общее долгосрочное использование электростанции с расчетной производительностью (информация получена от компании Duke Energy Power Services, Inc.).

На Фиг.32 показаны типичные установившиеся данные по еженедельной диаграмме нагрузки на основе информации Фиг.31А.

На Фиг.33 графически показана производительность при частичной нагрузке нескольких моделей электростанций, использующих настоящее изобретение, а также несколько примеров — с использованием существующего уровня техники.

На Фиг.34 в форме таблицы приведены сравнительные экономические данные для модели электростанции, использующей настоящее изобретение, для электростанции с комбинированием циклов модели GE C207FA и модели Westinghouse 2Х1 501G, оба примера взяты из предшествующего уровня техники.

На Фиг.35 изображена последовательность операций типичного процесса тепловой балансировки для модели электростанции сверхкритического режима в соответствии с настоящим изобретением согласно Фиг.26, 27, 28, 33 и 34.

На Фиг.36, 37 и 38 приведены таблицы некоторых производственных данных, относящихся к Фиг.35.

На Фиг.39 изображена последовательность операций типичного процесса тепловой балансировки для модели электростанции ультрасверхкритического режима в соответствии с настоящим изобретением согласно Фиг.33.

На Фиг.40, 41 и 42 приведены таблицы некоторых производственных данных, относящихся к Фиг.39.

На Фиг.43 графически изображен метод контроля нагрузки электростанции, который может использоваться при комбинировании циклов согласно настоящему изобретению с применением двух или более газовых турбины.

На Фиг.44 приведена таблица сравнительных данных переналадки существующей паровой электростанции на технологию применения комбинирования циклов при использовании предпочтительного варианта настоящего изобретения и предшествующего уровня техники.

На Фиг.45 изображена схема предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, использующей смешанные виды топлива и котел, работающий на горючем топливе.

На Фиг.46 изображена схема предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, использующей смешанные виды топлива, атомный реактор, геотермический генератор пара или иной парообразующий источник энергии.

На Фиг.47 приведена модель проектировки/финансирования технологического процесса для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.

На Фиг.48 приведена модель проектировки/финансирования технологического процесса для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.

На Фиг.49 приведена модель процесса переналадки электростанции для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.

На Фиг.50 приведена модель проведения расчетов по топливу для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции с использованием смешанных видов топлива.

На Фиг.51 показана паровая турбина компании “General Electric” с тремя блоками и четырьмя потоками пара с комбинированным отсеком высокого/промежуточного давления и двумя отсеками низкого давления с двойным потоком.

РЕЖИМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытие информации о примерах использования изобретения

Несмотря на то, что настоящее изобретение может использоваться в различных формах, в настоящей заявке приведены чертежи и будут далее описаны различные подробные варианты изобретения с учетом того, что раскрытая информация должна рассматриваться как примерные принципы изобретения и что представленная информация никоим образом не ограничивает широту использования изобретения теми вариантами, которые продемонстрированы в настоящем документе.

Диаграммы и графики

Необходимо особо отметить в контексте описаний, приведенных в настоящем документе, что схемы, графики, диаграммы и тому подобное могут включать компоненты и/или этапы, которые никоим образом не ограничивают общее направление достижений настоящего изобретения. Также компоненты и/или этапы могут быть удалены и/или смещены в другое место в последующих описаниях без каких-либо потерь в общей направленности изобретения. Такой аспект является особенно важным касательно моделей технологических схем, в которых достижения настоящего изобретения могут использоваться специалистом по компьютерной технике для создания систем контроля, с функциональной точки зрения являющихся аналогичными, несмотря на некоторые замены или изменения в раскрытии этапов или процессов, и обеспечивающих те же результаты, что и при использовании преимуществ настоящего изобретения.

Оборудование

В ходе обсуждения изобретения на протяжении всего настоящего документа будет упоминаться оборудование, произведенное компаниями “General Electric”, “Westinghouse” и иных производителей. Особенно часто упоминается модель электростанции C207FA компании “General Electric”, состоящая из газовых турбин модели PG7241FA компании “General Electric”, а также схожее оборудования компании “Westinghouse” или иных производителей. Такие упоминания являются лишь моделями и представлены читателю, имеющему определенные знания в данном секторе промышленности, для понимания выводов настоящего изобретения.

В настоящем документе была сделана попытка с более практической стороны описать преимущества настоящего изобретения с точки зрения оборудования, знакомого специалистам данной отрасли и использующегося в энергетической промышленности. Ни одно из положений настоящего документа не может толковаться как ограничивающее объем настоящего изобретения до использования какой-либо определенной модели оборудования или ее производителя. Напротив, что касается оборудования, к которому может быть применимо настоящее изобретение, данный документ должен толковаться как можно шире.

Пар использовался для производства энергии в течение десятков лет с момента появления паровых локомотивов, которые сжигали твердое топливо, такое как древесину или уголь для производства энергии. До и в течение 1980-х годов паровые электростанции все еще производили основную долю электроэнергии в США, используя уголь, нефть или атомное топливо.

Однако к 1980-м годам были разработаны и построены меньшие по размеру электростанции с параллельным производством энергии. Такие электростанции использовали газовые турбины в качестве своего основного двигателя с ПГРТ, подсоединенного к выхлопам газовой турбины для регенерации отходов тепла (температура выхлопных газов достигала обычно 900°F до 1200°F) и преобразования выхлопов в пар. Такой пар затем использовался для различных целей, районного обогрева, обработки пара или вырабатывания дополнительной энергии в паровой турбине. Такая конфигурация электростанции, газовой турбины, ПГРТ и паровой турбины стала известна в качестве конструкции с комбинированием циклов, а благодаря своей высокой производительности, низкой себестоимости и легкости конструкции стала предпочтительным вариантом электростанции для новых независимых производителей энергии.

Однако в ходе эволюции такая электростанция с комбинированием циклов стала электростанцией, которая использует газовую турбину в качестве основного двигателя, а паровая турбина является второстепенным двигателем. Изучение стандартных блоков с комбинированием циклов, предлагаемых производителями газовых турбин сегодня, подтвердит такой вывод, так как в большинстве электростанций с комбинированием циклов в рамках предшествующего уровня техники газовые турбины вырабатывают около двух третей всей выработанной энергии, а паровые турбины вырабатывают около одной трети. Обзор предложений производителей стандартных блоков с комбинированием циклов проиллюстрирует такую тенденцию. В брошюре по турбомашиностроению за 1997 год (TURBOMACHINERY HANDBOOK, (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) представлены таблицы стандартных электростанций с комбинированием циклов, предлагаемых различными производителями, включая ABB, General Electric и Westinghouse. Практически в каждом случае паровые турбины вырабатывают от 40 до 60% того количества энергии, которое вырабатывается газовой турбиной. Информационная брошюра компании “General Electric” за 1996 год “Рабочие характеристики сверхмощных газовых турбин компании “General Electric” автора Фрэнка Дж. Брукса (General Electric informative document GER-3567G, 1996, «GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics», by Frank J.Brooks) говорит о производительности газовых турбин, соответствующих электростанциям с комбинированием циклов.

Несколько предпочтительных вариантов настоящего изобретения отдают должное блоку с комбинированием циклов за его высокий уровень производительности, низкую себестоимость и простоту конфигурации. Однако настоящее изобретение несколько иначе рассматривает относительный размер отдельных двигателей. Хотя современные газовые турбины имеют производительность на уровне от 30 до 40%, для них требуется использование ПГРТ и паровой турбины с целью достижения производительности комбинирования циклов от 50 до 60%. Кроме того, для эффективной регенерации тепла выхлопных газов такие ПГРТ обычно имеют три уровня давления пара: высокое, промежуточное и низкое. Использование пара низкого и среднего давления приводит к общей производительности парового цикла только на уровне от 34 до 36%.

Производительность парового цикла современных крупных электростанций, однако, составляет от 45 до 50%. Для достижения такого уровня использование пара низкого давления, как для случая обычного комбинирования циклов, является неприемлемым. Поэтому несколько вариантов настоящего изобретения описывают метод, который использует только пар высокого давления для достижения высокой производительности парового цикла в конфигурации с комбинированием циклов, а также регенерирует столько тепла выхлопных газов газовой турбины, сколько при высокой эффективности технологии с комбинированием циклов предшествующего уровня техники.

Таким путем электростанция с комбинированием циклов новой технологии отходит от типичного варианта предшествующего уровня техники, где газовая турбина была основным (большим по величине) двигателем, а коэффициент соотношения паровой/ газовой турбин составлял приблизительно 1:2. Отдается предпочтение варианту, в котором паровая турбина обычно является основным (большим по величине) двигателем, а соотношение паровой/газовой турбин обычно может быть выбрано в диапазоне от 0,75:1 до 2,25:1 или более. Этот коэффициент легко изменяется за счет изменения конструкции паровой турбины, параметров дополнительного горения и парового цикла.

Во время работы любой электростанции рабочие должны модулировать выработку энергии электростанцией по нагрузке на систему (потребление энергии всеми пользователями системы энергоснабжения). Вместе с изменениями нагрузки системы также должно меняться количество энергии произведенной всеми электростанциями, подсоединенными к данной сети, для удовлетворения таким изменениям, иначе скорость оборудования изменится, а полученная электроэнергия не будет характеризоваться частотой 60 Гц (60 циклов в секунду для электростанций США и т.д.). Это серьезно повлияет на оборудование, которым пользуются конечные потребители электроэнергии (электрические часы не будут показывать точное время, электрические двигатели не будут работать с необходимой скоростью и т.д.). Поэтому работники коммунальных служб и электростанции отвечают за поддержание постоянной частоты или скорости на своем оборудовании. Для достижения данной цели они должны постоянно изменять количество выработанной энергии для соответствия данной системе. Необходимо отметить, что в европейских и других странах номинальной частотой является 50 Гц, а в США и других странах западного полушария, например, в Канаде, -60 Гц.

В жаркие летние и очень холодные зимние дни нагрузка системы почти достигает своего пика. Также в будние дни обычно с 16:00 до 20:00, система достигает своего дневного пика. Однако ночью и в выходные дни нагрузка системы может составлять в среднем 60% от недельного пика. В связи с такими изменениями динамики нагрузки системы для электростанций с распределением электроэнергии (контролируемой коммунальными службами на соответствие нагрузкам системы) необычной является работа в течение длительного времени с номинальной выработкой или при постоянной нагрузке. Наоборот, типична работа с высоким уровнем нагрузки в часы пик на неделе (которая не обязательно соответствует номинальной) и с относительно низкой нагрузкой (приблизительно 60% выработки) в ночные периоды и в выходные дни. Более полная информация представлена на Фиг.31А, 31В и 32 для более полной информации о типичном уровне нагрузки.

Таким образом, чтобы быть эффективной, электростанция должна обладать гибкостью для постоянных колебаний нагрузки от 50 до 100%. Традиционные электростанции с комбинированием циклов являются эффективными, но им приходится отказываться от работы с полной производительностью при частичной нагрузке. Это особенно касается электростанций, где газовые турбины являются основными двигателями. В таких электростанциях для уменьшения нагрузки с более высокого уровня более сложные газовые турбины с направляющими лопастями впускного отверстия уменьшают поток воздуха, проходящий сквозь двигатель, сокращая тем самым соотношение давлений. Кроме того, для дальнейшего уменьшения нагрузки у таких двигателей должна быть уменьшена температура у впускного отверстия турбины (также ее еще называют температурой горения) для работы с частичной нагрузкой. Уменьшение названных давления и температуры значительно сокращает эксплуатационную мощность двигателя газовой турбины.

Для улучшения производительности электростанции с комбинированием циклов, сокращения себестоимости, уменьшения уровня выбросов и требований к объектам недвижимости, а также упрощения работы и технического обслуживания электростанции настоящее изобретение предлагает использовать ПГРТ, оптимизированный для постоянного дополнительного горения, которое использует испаритель (котел) с единым уровнем давления, равным или большим давлению у впускного отверстия паровой турбины, обычно применяемому в комбинированном цикле в рамках предшествующего уровня техники. Кроме того, в настоящем изобретении предлагается использовать некоторые возможности традиционных циклов Ренкайна, которые не используются в обычных комбинированных циклах.

Обратимся к Фиг.9, иллюстрирующей модель реализации нового цикла. Как и в случае типового блока с комбинированием циклов предшествующего уровня техники, новый вариант использует одну или более газовых турбин в качестве энергетического устройства верхнего цикла. Также, как и в случае типового блока с комбинированием циклов, известного из уровня техники, выхлопные газы газовой турбины поступают в ПГРТ. С этого момента, однако, цикл меняется по сравнению с традиционным использованием комбинирования циклов. ПГРТ с единым уровнем давления используется вместо ПГРТ с несколькими уровнями давления. Для увеличения эффективности цикла давление произведенного пара может быть значительно выше, чем обычное номинальное давление 1800 psia. Такое давление при желании может быть сверхкритическим (выше 3206 psia). Для простоты будут рассмотрены субкритические варианты (2400 psia) на конкретных примерах. Однако кривые эксплуатационных характеристик при сверхкритических условиях пара также будут рассмотрены.

Анализ потока энергии

Сначала будет правильно рассмотреть общий поток энергии в варианте применения традиционного комбинирования циклов. Простой энергетический анализ Фиг.21 показывает поток энергии в установке с комбинированием циклов, в то время как Фиг.10 определяет поток энергии для традиционной электростанции с комбинированием циклов на основе параметров существующего уровня техники (см. последующий раздел об оптимизации предпочтительного варианта цикла для уравнений, использованных для расчета параметров Фиг.10). Таблица Фиг.10 отражает эксплуатационные данные газовой турбины модели PG7241 (FA) компании “General Electric” при условиях, соответствующих стандарту ISO при 3,0 дюймах водного столба перепада давления воздуха на вход и 10 дюймах водного столба перепада давления на выхлопе. Условия по стандарту ISO определены как 59°F и 14.696 psia для давления окружающей среды. Согласно Фиг.21, 32,31% (все процентные соотношения даны по основанию коэффициента высшей теплоотдачи HHV) начального топлива на входе в газовую турбину (2101) преобразуются в электричество, являющееся выработкой газовой турбины (2105). В зависимости от потока выхлопного газа газовой турбины и его энтальпии только 56,21% поступившей энергии поступают в ПГРТ (2103), что означает, что 11,46% теряются между газовой турбиной и ПГРТ (2102). Это, вероятно, потери генератора газовой турбины, потери тепла газовой турбины, вспомогательных устройств, работающих от оборудования, вспомогательных устройств, работающих от двигателя, потери от сопротивления воздуха и иные потери. В данном примере не добавляют энергии вспомогательного горения, поэтому такая энергия (2104) принимается за нулевое значение. Из оставшихся 56,21% входной энергии газовой турбины, отправленной на ПГРТ (2103), около 10,7% (что равняется (0,107) (0,5621) или 6,04% начальной энергии газовой турбины) теряются в выхлопной трубе (2107).

Из оставшейся энергии выхлопных газов газовой турбины для производства пара в ПГРТ 1% считается потерянным как тепло, ушедшее в окружающую среду 2106. В отношении энергии на входе газовой турбины это означает потери 6,04% входной энергии газовой турбины для потери на выхлопе и 0,50% входной энергии газовой турбины для потери тепла на ПГРТ. Таким образом, остаются 49,67% входной энергии газовой турбины как энергии, преобразованной в пар (2108), которая может быть преобразована в электричество паровой турбиной после регенерации.

Исходя из опубликованного тепловой мощности 6040 BTU/кВт·ч для электростанции GE STAG C207 FA компании “General Electric” с двумя GE Frame 7s и одной паровой турбиной компании “General Electric”, производительность электростанции, с учетом высшего коэффициента теплоотдачи природного газа (HHV), достигает 50,90%. Если газовая турбина преобразует 32,31% поступившего топлива (2101) в электричество, за вычетом этого, паровая турбина должна преобразовывать в электричество 18,59% поступившего топлива (2101). При производительности генератора паровой турбины 99% (или 1% потерь, (2110) и при вспомогательном факторе нагрузки 97,5%, а также 49,67% поступившего топлива (2108), используемого в цикле паровой турбины, базовая производительность парового цикла составляет 38,78% ((18,59/49,67)/(0,975) (0,99)). Это значительно меньше, чем 46,78% эффективной работы специальных паровых циклов электростанции, использующей только цикл Ренкайна (см. Фиг.4).

Такая производительность парового цикла подтверждается компанией “General Electric” в ее брошюре 1996 года “Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании «General Electric» Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака («GE Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak). В ходе обсуждения дополнительного горения ПГРТ в данном документе говорится:

“. приращение эффективности производства энергии путем использования дополнительного горения составляет 34-36% на основании коэффициента низшей теплоотдачи (LHV)”.

Так как дополнительное сжигание топлива добавляет тепла только в паровой цикл, то производительность парового цикла электростанций с комбинированием циклов General Electric такая, как это указано выше.

Производительность цикла

Следующий вопрос, на который необходимо дать ответ, как достичь уровня производительности традиционного цикла паровой электростанции, используя паровую часть комбинированного цикла. Рассматривая Фиг.4, необходимо отметить, что перегрев помогает улучшить производительность парового цикла. Однако перегрев уже используется во многих комбинированных циклах с высокой производительностью, например, в электростанции C207FA STAG компании General Electric, которая использует две GE Frame 7s и одну паровую турбину компании General Electric для достижения уровня нагревания 6040 BTU/kWh (см. брошюру 1996 года «Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании «General Electric» Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака (GE informative document GER-3574F (1996), entitled «GE Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak). Поэтому иные усовершенствования производительности парового цикла связаны с использованием более высокого давления на впуске паровой турбины с более высокими объемными расходами потока (для более высокой производительности паровых турбин) и нагревания питающей воды. Такие усовершенствования применяются в нескольких вариантах настоящего изобретения.

Большинство современных газовых турбин высокой производительности, например, модель PG7241 (FA) компании «General Electric», имеют температуру внутреннего горения около 2400°F. Такие газовые турбины проектируются для использования температуры выхлопных газов при работе со стандартной нагрузкой на уровне 1100°F. Для PG7241 (FA) в условиях, соответствующих стандарту ISO, скорректированных из расчета потерь 10,0 дюймов Н₂О на выхлопе ПГРТ, температура выхлопов составляет 1123°F. Соответствующий поток выхлопного газа при этом составляет 3,552,000 lb/hr (фунт — сила в час). При входном давлении 1800 psia, входной температуре 1050°F, перегревом до 1050°F, выхлопе при 1,2 дюймов ртутного столба, данный паровой цикл потребовал бы 1642,4 BTU/lb входного тепла (см. Фиг.4, вариант 2). При входной энтальпии выхлопных газов порядка 412,6 BTU/lb и энтальпии газа на выходе 159,2 BTU/lb выхлопные газы несут энергию, достаточную для производства порядка 548,000 BTU/lb парового потока. Однако более детальное изучение выявляет изъян в этой логике. При 1800 фунтов на кв. дюйм пар кипит при 621°F. Поскольку теплота перетекает от более высоких к более низким температурам, целесообразным уровнем температуры для выхлопных газов, покидающих секцию испарителя, будет значение 650°F. Если в испаритель поставлялась вода, предварительно нагретая до энтальпии 648 BTU/lb (оптимальное допущение), энергия, необходимая для выработки пара, составляет 1642,4-648=994,4 BTU/lb.

Однако при 650°F выхлопные газы обладают энтальпией 281,3 BTU/lb. Следовательно, выхлопные газы способны кипеть и перегреваться только 469,000 Ib/hr (3,552,000)(412,6-281,3)/994,4. Таким образом, вопрос превращается в проблему теплообмена, так как имеется недостаточно высокий уровень энергии (высокая температура) для выработки пара при более высоких давлениях.

Наоборот, от температуры выхлопных газов 650°F до выхлопов при 180°F существует достаточное количество энергии для предварительного нагревания воды в количестве 729,000 Ib/hr ((3,552,000)(281,3-159,2)/(648-53)) из горячего резервуара при 53 BTU/lb для энтальпии насыщения 648 BTU/lb. Поэтому использование для регенерации тепла котла с единым уровнем давления, как в уровне техники, неэффективно и либо вырабатывает избыток горячей воды, не применяемой или мало применяемой в производстве электроэнергии, или температура выхлопов ПГРТ значительно превосходит оптимальную. Этот результат повлек внедрение ПГРТ с несколькими уровнями давления в рамках уровня техники. Такой вариант использует энергию нагретой воды или выхлопных газов путем подачи в секцию(и) испарителя низкого давления в ПГРТ, который(е) преобразует(ют) не пригодные к употреблению горячую воду/выхлопные газы в пар низкого давления. Хотя в этом паре содержится меньше энергии и он обладает меньшей способностью производить энергию в паровой турбине, по сравнению с паром высокого давления, пар низкого давления вносит тем не менее свою долю в производство энергии паровой турбиной и используется для уменьшения потребления тепла электростанцией для выработки энергии (тепловая мощность).

Дополнительное горение

Еще одним способом устранения недостатков теплообмена ПГРТ с единым уровнем давления без необходимости увеличения числа уровней давления, как это известно из уровня техники, является способ добавления дополнительной энергии у впускного отверстия или около впускного отверстия ПГРТ за счет обеспечения дополнительного сжигания топлива (дополнительного горения). Однако выводы таковы, что дополнительное горение уменьшает общую тепловую производительность электростанции. Это отмечено Муром (Moore) в патенте 5649416, в котором говорится, что

“Дополнительное сжигание топлива ПГРТ может увеличить общее количество выработанной энергии и часть всей произведенной паровой турбиной энергии, но только при условии уменьшения совокупной тепловой производительности электростанции”.

Кроме того, Райс (Rice) в патенте 5628183 заявляет, что

“Дополнительное горение перед ПГРТ не является правильным решением проблемы увеличения производительности цикла.”

Таким образом, согласно предшествующему уровню техники использование технологии дополнительного горения не является эффективным. Кроме того, Райс упоминает иные документы компаний General Electric и Westinghouse, подтверждающие ту же точку зрения. В информационной брошюре компании “General Electric” под названием «Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании «General Electric» Дэвида Л.Чейса и др. (GE informative literature, GER-3574F (1996), entitled «GE Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) говорится, что

“. производительность в производстве энергии путем использования дополнительного горения составляет 34-36% на основании коэффициента низшей теплоотдачи (LHV)”.

Отсюда следует, что, хотя производительность комбинированного цикла составляет 56% в соответствии с коэффициентом низшей теплоотдачи (LHV) при полной нагрузке, произведенная за счет дополнительного горения энергия добавляется при производительности, равной или меньшей 36% коэффициента низшей теплоотдачи (LHV).

В этом же документе есть информация, указывающая на дополнительное горение как на фактор, снижающий производительность (тепловую мощность), — это таблица 14, согласно которой дополнительное горение ПГРТ может увеличить мощность известных из уровня техники электростанций с комбинированием циклов на 28%, но только при увеличении совокупной тепловой мощности комбинированного цикла на 9% (для потребления конкретного топлива).

Поток энергии в рамках настоящего изобретения

Было бы правильным изучить заново совокупный поток энергии в комбинированном цикле, как это сделано в нескольких вариантах настоящего изобретения. Простой энергетический анализ на Фиг.21 показывает поток энергии в установке с комбинированием циклов, в то время как Фиг.10 определяет поток энергии для традиционной электростанции с комбинированием циклов на основе параметров существующего уровня техники (см. последующий раздел об оптимизации предпочтительного варианта цикла для уравнений, использованных для расчета параметров Фиг.10). Как уже говорилось, эксплуатационные данные газовой турбины приводятся для модели PG7241 (FA) компании “General Electric” при условиях, соответствующих стандарту ISO при 3,0 дюймах Н₂О перепада давления воздуха на вход и 10 дюймах H₂O перепада давления на выхлопе. Согласно Фиг.21, 32,31% (все процентные соотношения даны по основанию коэффициента высшей теплоотдачи HHV) начального топлива на входе в газовую турбину (2101) преобразуется в электричество, являющееся выработкой газовой турбины (2105). В зависимости от потока выхлопного газа газовой турбины и его энтальпии, только 56,21% поступившей энергии поступает в ПГРТ (2103), что означает, что 11,548% теряется между газовой турбиной и ПГРТ (2102). Из этих оставшихся 56,21% входной энергии газовой турбины, направленных в ПГРТ, около 10,7% теряется при проходе через выхлопную трубу (2107), оставляя 50,17% входной энергии газовой турбины для ПГРТ. В этой части нет изменений по сравнению с уровнем техники.

Для обеспечения максимальной регенерации тепла ПГРТ некоторые варианты настоящего изобретения предполагают увеличение потока питающей воды через ПГРТ до тех пор, пока не будет достигнут достаточный баланс тепла, полученного от питающей воды, для соответствия потерям тепла выхлопных газов, необходимым для оптимальной регенерации тепла (то есть уменьшение температуры выхлопных газов ПГРТ приблизительно до 180°F). Во-вторых, путем добавления топлива к впускному отверстию ПГРТ (дополнительное горение) энергия выхлопных газов ПГРТ растет до тех пор, пока ее уровень не станет достаточным для преобразования большей части или всей питающей воды в пар. При использовании варианта 3 на Фиг.4 тепло необходимо добавлять при 1633 BTU/lb для создания необходимых характеристик пара. Так как тепловая производительность выхлопных газов составляет приблизительно 0,25 BTU/lb/°F, a тепловая производительность рециркулирующего конденсата составляет приблизительно 1,0, поток пара должен составлять примерно 0,25 lb пара на lb потока выхлопных газов. Для двух газовых турбин GE frame 7 это означает отдачу парового потока 1,776,000 Ib/hr.

Для образования такого количества пара необходимо 2894 MMBTU/hr (миллион BTU/hr). Учитывая 1% потерь в окружающую среду из ПГРТ (2106), потребность в поступлении тепла достигает 2923 MMBTU/hr. При потере выхлопов энергия ПГРТ, необходимая для производства этого пара составляет 87,99% от входной энергии газовой турбины. Поскольку входная энергия ПГРТ 2103 за вычетом потерь выхлопных газов ПГРТ (2107) составляет 50,17% (56,21-6,04) входной энергии газовой турбины (2101), необходимо добавление энергии, равной 31,78% входной энергии газовой турбины, как тепла от дополнительного сжигания топлива (2104), что составит в целом 81,95% входной энергии газовой турбины (2101). При условии корректировки в 1% потерь в окружающую среду (2106) 31,3% входной энергии газовой турбины (2101) преобразуется в пар. Такой пар на этом этапе готов для его преобразования в электричество в паровой турбине.

При использовании паровой турбины в соответствии с изобретением могут также применяться более высокое давление, перегрев и нагревание питающей воды. Кроме того, характеристики паровой турбины будут оцениваться как превышающие в 2,5 раза характеристики стандартной электростанции с комбинированием циклов. Это поможет конструктору использовать производительность парового цикла 44,38%, как показано на примере варианта 5 Фиг.4 (если следовать Муру, производительность паровой турбины увеличивается по мере увеличения параметров, но для целей демонстрации в данном примере была отставлена совокупная производительность 90%).

При использовании базового парового цикла производительностью в 44,39% 36,01% тепла преобразуется в механическую энергию (мощность по валу в л. с.), с учетом эффективности генератора 99% и множителя 97,5% для расчета побочной нагрузки. Выработанное паровой турбиной электричество составляет 34,76% от входной энергии газовой турбины (2101). При выработке газовой турбины (2105) равной 32,31% входной энергии газовой турбины (2101) выработка паровой турбины равняется 34,76% входной энергии газовой турбины (2101), а при добавочном использовании на входе дополнительного топлива в количестве 31,18% от входной энергии газовой турбины (2101) производительность комбинированного цикла составит (выработка, поделенная на входную энергию) ((0,3231+0,3476)/(1+0,3118)), то есть 50,90%. При использовании только двух нагревателей питающей воды в цикле производительность данной модели равняется производительности традиционной электростанции с комбинированием циклов компании General Electric. Для сверхкритических режимов совокупная производительность комбинированного цикла в некоторых случаях увеличивается до 51,75% и обеспечивает понижение коэффициента низшей теплоотдачи до 5942 BTU/kWh (БТЕ/кВт·ч) (см. Фиг.10 и 21).

Таким образом, с точки зрения совокупного количества энергии очевидно, что дополнительное горение не является пагубным для общей производительности комбинированного цикла, ЕСЛИ добавлению дополнительной энергии в нижний цикл сопутствует соответствующее увеличение производительности нижнего цикла.

Оптимизация предпочтительного варианта цикла

Как говорилось ранее, одним из основных усовершенствований для нескольких вариантов настоящего изобретения является гибкость системы. В случае дополнительного горения новая электростанция с комбинированием циклов может предусматривать наличие нескольких различных газовых турбин наряду с паровой турбиной, изготовленной в соответствии с требованиями заказчика для расширения диапазона эксплуатации новой электростанции с комбинированием циклов.

Так как производительность определена как объем выработки электроэнергии, поделенной на входную энергию, исследование энергетического потока можно использовать для определения требуемой при заданной мощности производительности парового цикла. Поэтому, с точки зрения совокупной производительности комбинированного цикла, выработанной энергией считается комбинация выработки паровой и газовой турбин. Входной энергией является общее количество входной энергии газовой турбины совокупно с энергией, добавленной на горелки за счет дополнительного сжигания топлива. По этой причине в отношении Фиг.21 формула для вычисления производительности (η) комбинированного цикла в соответствии с несколькими предпочтительными вариантами изобретения представлена следующим образом:

GТО — выработка газовой турбины;
STO — выработка парового цикла;
GTI — входная энергия газовой турбины;
SFE — входная энергия ПГРТ за счет дополнительного горения.

Параметры в формуле, приведенной выше, обычно известны. Неизвестной переменной величиной является энергия, произведенная в паровом цикле. Этот показатель является функцией некоторых других поступлений энергии, включая мощность генератора паровой турбины, потерю выхлопных газов ПГРТ, фактор вспомогательной нагрузки и производительность парового цикла. Во-первых, необходимо произвести расчет количества энергии, который передается в пар из ПГРТ. Это определено как пар регенерации (2108) и рассчитывается при помощи следующей формулы:

HRS=[HGI+SFE-HE] (1-HGL) (3)
HRS — энергия ПГРТ, переданная пару;
HGI — теплота выхлопов газовой турбины;
SFE — теплота дополнительного горения;
НЕ — потери выхлопов ПГРТ (ПВ);
HGL — потери теплоты.

По указанной формуле рассчитывают теплоту, переданную в пар, как сумму теплоты выхлопов газовой турбины и теплоты, добавленной в результате дополнительного горения, за вычетом потерь выхлопов ПГРТ, с поправкой на потерю теплоты в окружающую среду. На данном этапе это определяет количество энергии, участвующей в паровом цикле. Для определения выработки электричества из этой энергии, выработки парового цикла (2111) входная энергия должна быть скорректирована по производительности парового цикла (2109), потерям генератора паровой турбины (2110) и вспомогательной нагрузке (2112). Формула для определения мощности генератора паровой турбины приобретает следующую форму:

STO=HRS×SCE×AXF×(1-SGL) (4)
HRS — энергия ПГРТ, преобразованная в пар;
SCE — базовая производительность парового цикла;
AXF — фактор вспомогательной нагрузки;
SGL — потери генератора паровой турбины;
=(1 — SGE (производительность парового генератора))

Величина выхода парового цикла характеризует преобразование паровой энергии в энергию вала паровой турбины, которая затем корректируется по выработке электричества в паровом цикле как путем поправок производительности генератора, так и путем уменьшения выработанной энергии за счет вспомогательной нагрузки.

Зная результаты этих вычислений, а также исходя из заданной величины выработки для данной газовой турбины (см. Фиг.29 для диапазона объемов выработанной электроэнергии для предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения), можно определить требуемую производительность парового цикла, которая составит производительность предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, равную производительности традиционной электростанции, известной из уровня техники и базирующейся на использовании тех же газовых турбин. На Фиг.30 продемонстрированы уровни производительности парового цикла, которые необходимы при увеличении параметров электростанции с комбинированием циклов, описанной в нескольких предпочтительных примерах настоящего изобретения. Обратите внимание, что параметр вдоль горизонтальной оси является отношением энергии, выработанной паровой турбиной, к общей энергии, выработанной всеми газовыми турбинами.

При помощи Фиг.29, 30 и вышеприведенных формул для расчета производительности парового цикла и совокупной производительности электростанции специалист-конструктор может определить, какая комбинация газовых турбин наиболее подходит с точки зрения производительности энергии и экономической выгоды, а также определить относительную сложность парового цикла (сверхкритические условия пара, количество нагревания питающей воды, температуры впуска и т.д.), которые составят желаемую производительность электростанции. Фиг.47-50 иллюстрируют способ проектирования электростанции/сооружения, обеспечивающий выбор, конструкцию и финансирование электростанции в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения.

Гибкость предпочтительного варианта реализации

Как было отмечено ранее, гибкость (трансформируемость) является одним из преимуществ настоящего изобретения. Из анализа Фиг.30 можно увидеть, что при более низком соотношении энергий паровой/газовой турбин для обеспечения такой же производительности электростанции в соответствии с настоящим изобретением может быть использован паровой цикл с более умеренной мощностью. Однако при низком соотношении паровой/газовой турбин было бы возможно использовать ультрасверхкритические режимы пара для увеличения мощности электростанции с комбинированием циклов, известной из предшествующего уровня техники. Если в модели реализации, показанной на Фиг.26, при 725 МВт использовать ультрасверхкритический нижний цикл, тепловая мощность сократится с 6006 BTU/кВт·ч до 5912 BTU/кВт·ч.

Однако, в отличие от предпочтительных вариантов с более высокими соотношениями газовой/паровой турбины, такая конфигурация обладает меньшей функциональной гибкостью. При пониженных соотношениях регулирование предпочтительного варианта будет более похоже на предшествующий уровень техники, когда необходимо модулирование газовой турбины для управления нагрузкой электростанции в высшей рабочей точке электростанции. В зависимости от экономической целесообразности, высокая производительность, низкая производительность или капитальные затраты определяют, какое соотношение паровой/газовой турбин выбирает в конечном итоге разработчик электростанции.

Возможное соотношение ПТ/ГТ и для предпочтительного варианта

На Фиг.30 показано увеличение параметров паровой турбины, достигаемое в соответствии с несколькими предпочтительными вариантами настоящего изобретения. Традиционная электростанция с комбинированием циклов может иметь мощность паровой турбины, номинально составляющую 55% всей мощности газовой турбины. Поэтому общая мощность электростанции может быть определена как 1,55 мощности газовой турбины (1,00 для газовой турбины плюс 0,55 для паровой турбины). По этому примеру в соответствии с настоящим изобретением паровая турбина может быть спроектирована так, чтобы ее мощность в 2,1 раза превышала мощность газовой турбины и совокупная мощность электростанции, таким образом, составляла бы величину в 3,1 больше мощности газовой турбины (1,0 для газовой турбины плюс 2,1 для паровой турбины).

Данный пример варианта реализации настоящего изобретения обеспечивает эффективность в 3,1/1,55=2.0 раза больше, чем известно из уровня техники. Однако, чтобы оставаться на равных с предшествующим уровнем техники по уровню производительности, базовая производительность парового цикла должна быть 48,3% (см. Фиг.30). В сверхкритических режимах работы пара, при усовершенствованных характеристиках пара и при нагревании питающей воды, базовые уровни производительности парового цикла могут достигать указанного значения. Поэтому некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения, при условии использования определенных газовых турбин, способны практически удваивать мощность электростанций с комбинированием циклов в сравнении с предшествующим уровнем техники, значительно уменьшать количество аппаратных средств, которые были бы необходимы в предшествующем уровне техники для достижения той же мощности, и в то же время достигать уровней производительности, сравнимых с предшествующим уровнем техники.

Так как в соответствии с настоящим изобретением предполагается использование ПГРТ с единым уровнем давления, а для эффективного использования ПГРТ с единым уровнем давления поток питающей воды в секции низкой температуры ПГРТ должен быть соответствующим для обеспечения абсорбции энергии выхлопных газов газовой турбины, анализ показывает, что минимальное соотношение паровой/газовой турбины, необходимое для достижения такой цели, должно составлять приблизительно 0,75.

Исходя из того, что относительное количество выработанной энергии газовой турбины равно 1,0, а соотношение паровой/ газовой турбины равно 0,75, совокупная мощность электростанции составляет величину, превышающую мощность газовой турбины в 1,75 раз, что приводит газовые турбины к совокупной выработке энергии равной (1,0/1,75) или приблизительно 0,57, т.е. 57% полной выработки энергии электростанцией.

Ограничения проектирования

Хотя несколько предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения предполагают более широкий диапазон параметров комбинированного цикла для данного комплекта газовых турбин, чем это было доступно в рамках предшествующего уровня техники, тем не менее, существуют ограничения по проекту электростанций с комбинированием циклов, использующих новые технологии. Далее приведены некоторые из таких ограничений:

1. При температуре горения газа в трубках впускного отверстия выше 1600°F ПГРТ потребует более дорогой конструкции водного экрана.

2. С учетом конструкции водяного экрана ПГРТ может ограничиваться температурой горения газа в трубках впускного отверстия на уровне приблизительно 2400°F.

3. Выхлопные газы ПГРТ должны содержать значительное количество кислорода для поддержания горения дополнительного топлива.

4. Горелки, которые обеспечивают поступление дополнительного тепла в ПГРТ, должны иметь возможность поддерживать низкие уровни NOX даже при высоких параметрах горения.

5. Цикл должен быть спроектирован так, чтобы можно было работать в рамках проектных параметров по давлению и температуре паровой турбины.

6. Цикл должен быть спроектирован таким образом, чтобы поддерживалась соответствующая производительность, себестоимость, уровень выбросов, а также любые другие ограничительные параметры, существование которых делает проект приемлемым с экономической и экологической точек зрения.

Принимая во внимание такие ограничения, на Фиг.29 приведен диапазон номинальной мощности для электростанций с комбинированием циклов, описанных в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения. Обратите внимание, что эти электростанции базируются на одной или двух газовых турбинах и покрывают диапазон от менее 150 до 1050 МВт. Фиг.29 не предназначена для демонстрации всех возможных комбинаций, которые могут быть использованы в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, а представляет только примеры различных газовых турбин для иллюстрации.

Влияние экономических аспектов на проект электростанции

Все инженеры-конструкторы, являющиеся специалистами в данной области, изучают многие проекты электростанций, с точки зрения их относительных экономических преимуществ, перед тем, как выбрать окончательную конфигурацию электростанции. Это относится и к известным из уровня техники электростанциям с комбинированием циклов, и электростанциям с комбинированием циклов, использующим систему и способ в соответствии с настоящим изобретением. Новые электростанции должны быть коммерчески целесообразными, если принято решение об их строительстве.

Инженер-конструктор может изучить различные варианты, такие как градирня электролизного типа с низкой себестоимостью и большими вспомогательными нагрузками (электрические вентиляторы с вращательным электроприводом) или градирня с гиперболической поверхностью — с высокой себестоимостью, имеющая единственную небольшую побочную нагрузку (естественная тяга воздушного потока, вентиляторы не требуются). Таким образом, происходит экономическая оценка экономии энергии в зависимости от капитальных затрат, необходимых для такой экономии. На основании настоящих и ожидаемых затрат на энергию, капитальных затрат и иных факторов разработчик проекта отбирает наиболее экономичный вариант. Наиболее эффективный вариант, с точки зрения перспектив сохранения энергии, не всегда является наиболее экономически выгодным выбором.

Те же оценки потребуются и при рассмотрении некоторых предпочтительных вариантов настоящего изобретения. Хотя ультрасверхкритические режимы пара влекут за собой более высокую производительность пара, возросшая экономия топлива может не перевесить добавочные затраты на более сложные аппаратные средства. При высоких процентных ставках некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения обеспечат значительное увеличение мощности только с номинальным увеличением процентных отчислений по цене. При условии низких затрат на топливо приемлемыми могут быть большие по размеру электростанции без соответствующего увеличения производительности парового цикла. Еще раз необходимо отметить, что некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения предоставляют конструктору-специалисту в данной области и разработчику электростанции широкий выбор при поиске наиболее коммерчески выгодного варианта электростанции.

Когда в ряде вариантов настоящее изобретение рассматривается как преимущественно паровая, а не газотурбинная электростанция, совокупность экономических оценок обычно имеет ключевое значение. Так как указанные турбины будут большими по размеру и с сильными концевыми потоками выхлопов, в них обычно используются один, два или три корпуса выхлопной трубы, у каждой из которых имеется двухпоточное выхлопное устройство. Фиг.51 является иллюстрацией паровой турбины компании General Electric согласно информации в брошюре «Паровые турбины для больших электростанций» Джона К.Райнкера и Ппола Б.Мейсона (GE informative document entitled «Steam Turbines for Large Power Applications» by John K.Reinker and Paul B.Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)). Корпус с левой стороны представляет собой комбинированную секцию высокого/промежуточного давления, а с правой — две более крупных выхлопных секции (низкого давления) для двойных потоков. Допускаются различные размеры выхлопных обшивок, проектируемые в соответствии с длиной лопасти на последнем каскаде. Также могут существовать значительные различия себестоимости различных обшивок.

Выбор высоты лопасти последнего каскада паровой турбины, размера выхлопного корпуса и их количества относится к очень общим экономическим оценкам больших паровых электростанций. Паровой цикл может стать более производительным в результате увеличения до следующего большего по размеру выхлопного корпуса или, возможно даже, в результате добавления еще одного выхлопного корпуса. Однако увеличение производительности парового цикла необходимо взвешивать в сравнении с увеличением себестоимости дополнительных аппаратных средств.

Еще одним фактором, который приобретает значение, является размер конденсатора и оборудования для отвода тепла. Еще раз отметим, что более низкое давление выхлопов приводит к достижению более высокой производительности парового цикла, но стоимость оборудования для достижения меньшего давления выхлопов не должна перевешивать размер экономии на топливе.

Рассматривая экономические аспекты, разработчик должен предоставить проектировщику пооперационный сценарий для новой электростанции. Так как электрическая нагрузка системы является очень динамичной и постоянно меняется, необходима информация о профиле нагрузки, которая представляет примеры нагрузки на данной электростанции как функции времени. Фиг.31А взята из отчета Департамента Энергетики США, DOE/EIA-0614, «Цены на электричество в условиях конкуренции: критическое ценообразование систем энергоснабжения и финансовое положение коммунальных служб по вопросам энергоснабжения» (U.S. Department of Energy report numbered DOE/EIA-0614 entitled «Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities»). Фиг.31A иллюстрирует типичный почасовой профиль нагрузки для системы (сети энергоснабжения) в течение дня. На основе еженедельной информации такой профиль свидетельствует о более низкой нагрузке в выходные дни и праздники, а в соответствии с данными за год — о необходимости некоторых корректировок с учетом сезонных изменений. Поскольку большинство электростанций большую часть своего существования работают с частичной нагрузкой, экономически оптимальный вариант получается при проектировке электростанции с расчетом на работу с наибольшей производительностью при средней нагрузке, в противовес номинальной производительности электростанции.

Это подмечено М. Боссом в информационной брошюре General Electric «Паровые турбины для систем энергоснабжения комбинированного цикла STAG» (М. Boss, GE informative document GER-3582E (1996), entitled «Steam Turbines for STAG™ Combined-Cycle Power Systems»). Как объясняется в данной работе, несмотря на то, что производительность парового цикла может быть увеличена до максимальной отметки, если круговая скорость выхлопов паровой турбины у лопасти последнего каскада составляет приблизительно 550 футов в секунду, экономически оптимальное значение достигается обычно при круговой скорости от 700 до 1000 футов в секунду при номинальной производительности паровой турбины. Джеймс С. Райт в информационной брошюре General Electric «Аспекты оптимизации, оценки и тестирования цикла паровой турбины» (James S. Wright, GE informative document GER-3642E (1996), entitled «Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing Considerations») предлагает критерии выбора выхлопного корпуса паровой турбины. В данном примере выбор осуществляется между тремя выхлопными корпусами разного размера, с учетом увеличения эффективности выхлопного корпуса по мере возрастания его размера. Самый большой по величине корпус не выбирают, так как увеличение его эффективности связано с дополнительными стоимостными показателями. Руководствуясь той же логикой, также не выбирают самый маленький корпус. Таким образом, обычно выбирают корпус среднего размера, являющийся оптимальным с экономической точки зрения.

ПГРТ с единым уровнем давления

Для того чтобы сделать результативным ПГРТ в режиме единого уровня давления, необходимо сначала рассмотреть эффективность его проекта. На Фиг.11 представлена кривая энтальпии пара в зависимости от температуры для давления 1800 фунтов на кв. дюйм. Как это можно заметить, теплосодержание (энтальпия) пара не является линейной функцией температуры. Это явление значительно усложняет перенос тепла выхлопными газами, имеющих почти линейную характеристику (см. Фиг.12). Как видно из Фиг.11, в точке кипения при 621°F энтальпия смеси вода/пар возрастает с 648 BTU/lb до 1154 BTU/lb без какого-либо увеличения температуры. Поглощаемое в этой секции ПГРТ (испарителе) количество тепла будет значительно больше, чем в любой другой секции для данного изменения температуры.

Между температурами от 100 и 400°F средняя теплоемкость воды достигает 1,014 BTU/lb/°F. Эта величина обычно является линейной и изменяется незначительно с изменением давления. Поэтому в данной секции передача тепла между водой и выхлопными газами будет относительно постоянной.

Для максимального повышения эффективности регенерации тепла в ПГРТ, а также для обеспечения поступления максимального количества пара в паровую турбину требуется метод системного регулирования, позволяющий оптимизировать поток питающей воды/пара через каждый отдел ПГРТ. Такая схема оптимизации будет заложена в приборные средства системы управления электростанции.

Система регулирования

Существует огромное количество возможных технологий регулирования для паровых турбин, однако популярными являются регулировка потока и регулировка скользящего давления. В случае регулировки потока паровая турбина включает набор клапанов, настроенных на поддержание проектного давления на впуске. В случае регулировки скользящего давления давление на впуске в паровую турбину имеет возможность «скользить» или изменяться с изменением нагрузки (потока пара) паровой турбины. Для электростанций с комбинированием циклов, где используется вариант регенерации тепла, часто преимущественным является использование регулировки скользящего давления. Такой метод управления позволяет использовать высокие объемные расходы потоков паровой турбины путем использования пара с более низким удельным объемом (низкое давление) при частичной нагрузке. Это позволяет поддерживать уровень производительности паровой турбины на проектном уровне или близко к нему. Кроме того, пар более низкого давления кипит при температуре более низкой, чем пар высокого давления, поэтому более низкотемпературные выхлопные газы в ПГРТ, связанном с более низкой нагрузкой, могут обеспечивать большее парообразование.

Использование энергии

Как было ранее показано, для того чтобы производить пар высокого давления в ПГРТ, необходимо не только наличие общего компонента энергии для производства пара (совокупные необходимые BTU), но энергия также должна иметь надлежащую температуру, чтобы вызвать необходимую передачу тепла. Кроме того, желательно максимально использовать отходящую теплоту, а также не производить большого количества горячей воды или не увеличивать значительно температуру выхлопов ПГРТ по сравнению с оптимальными значениями. Использование дополнительного горения становится чрезвычайно полезным для достижения таких целей.

Теперь будет полезно рассмотреть концепцию ПГРТ единого уровня давления, используемого в газовой турбине. Как было показано, такой вариант, будучи разработан для температуры выхлопов ПГРТ 180°F, приводит либо к образованию чрезмерного количества горячей воды, либо к слишком высокой температуре выхлопных газов ПГРТ, известной из уровня техники. Это происходит из-за недостаточности входного тепла — при более высоких температурах, а также из-за избыточности имеющегося тепла — при более низких температурах. Для иллюстрации представьте ПГРТ, который добавил тепло в выхлопные газы без увеличения температуры (не очень вероятный вариант для узла газовая турбина/ПГРТ). Представьте, что для добавления тепла ПГРТ был спроектирован таким образом, что он поглощает больше топлива и воздуха, но без увеличения входной температуры. Такой сценарий предполагает образование большего количества выхлопных газов газовой турбины и, следовательно, большего количества горячей воды. Эффективность ПГРТ не изменится, только его мощность изменится пропорционально добавленному теплу.

Такая концепция является важной, так как она имеет отношение не только к ПГРТ, но также к традиционной практике комбинирования циклов, когда используется дополнительное горение. В существующем уровне техники дополнительное горение увеличивало потоки пара, но не приводило к повышению эффективности парового цикла.

В связи с наличием чрезмерного количества кислорода в выхлопных газах газовой турбины (уровень кислорода сокращается с 21% в окружающем воздухе до приблизительно 12-15% в выхлопах газовой турбины при полной нагрузке) топливо может гореть непосредственно в ПГРТ без необходимости обеспечения дополнительного воздуха. Такая практика позволяет использовать дополнительное горение для увеличения температуры выхлопных газов. Сгорание и процесс регенерации тепла для дополнительного горения является эффективным на 99%, так как только 1% поступившего в ПГРТ тепла теряется в окружающей среде. Это является значительным усовершенствованием по сравнению с котлами цикла Ренкайна, которые могут иметь эффективность всего от 80 до 90%. Основной причиной такой разницы между котлами традиционного цикла Ренкайна и ПГРТ является то, что котлы традиционного цикла Ренкайна поглощают холодный окружающий воздух для горения и могут затем выделять выхлопы при температуре от 350 до 400°F, а в ПГРТ поступают предварительно нагретые выхлопные газы газовой турбины при температуре от 800 до 1200°F, а затем выхлопы при температуре от 160 до 200°F.

Увеличение уровня энергии выхлопных газов в результате дополнительного горения значительно повышает их возможность (способность к передаче тепла) образовывать пар высокого давления и температуры. Кроме того, большая энергия высоко расположенного торца ПГРТ идет в зачет или служит для баланса чрезмерной энергии низко расположенного торца ПГРТ, типичного в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.

Другими словами, дополнительное тепло, поступившее во впускное отверстие ПГРТ, которое увеличивает температуру выхлопных газов, может передаваться в поток питающей воды, у которого было недостаточно энергии для превращения в пар. Увеличивается не только общий поток пара, но также и эффективность парового цикла за счет более высокого пропорционального соотношения пара высокого давления.

Таким образом, добавление топлива в нижний цикл, а также обеспечение дополнительного поступления тепла могут быть использованы для повышения общей эффективности нижнего цикла.

Обзор системы

На Фиг.13 представлена концептуальная схема комбинирования циклов с добавлением тепла в нижний цикл. На Фиг.13 жидкость верхнего цикла (1301) поступает в двигатель верхнего цикла (1302), где для увеличения ее температуры добавляется топливо и/или тепло (1303). Жидкость осуществляет работу, которая преобразуется двигателем верхнего цикла в механическую энергию вала. Эта энергия приводит в действие нагрузку верхнего цикла (1304). Нагрузка представляет собой электрический генератор, насос, компрессор или любое другое устройство, требующее для запуска механическую энергию. Выбрасываемая из двигателя верхнего цикла жидкость направляется через выхлопной трубопровод (1305) в устройство для регенерации тепла (1306). Кроме того, топливо и/или тепло (1314) добавляется в жидкость верхнего цикла в той точке, где она поступает в устройство для регенерации тепла. После прохождения через устройство для регенерации тепла жидкость верхнего цикла выбрасывается в открытый резервуар (1307).

Для данного примера верхний цикл является открытым циклом. Другими словами, жидкость верхнего цикла забирается из большого резервуара и выбрасывается в тот же самый резервуар. Устройство для регенерации тепла (1306) получает часть энергии выхлопов верхнего цикла и передает ее в жидкость нижнего цикла (1308). В этом примере жидкость нижнего цикла нагревается при едином уровне давления, на линии высокого давления (1309). Затем эта жидкость поступает в двигатель нижнего цикла (1310), где она приводит в действие нагрузку нижнего цикла (1311). Снова отметим, что нагрузка представляет собой электрический генератор, насос, компрессор или любое другое устройство, требующее для запуска механическую энергию.

Из двигателя нижнего цикла жидкость нижнего цикла поступает в теплообменник (1312), откуда тепло отводится наружу. Затем жидкость нижнего цикла поступает в устройство передачи жидкости (1313). Для данного примера нижний цикл является закрытым, что означает, что жидкость нижнего цикла постоянно циркулирует в замкнутом цикле.

Вариант настоящего изобретения, показанный на Фиг.13, отличается от Фиг.5 двумя основными моментами:

1. Топливо и/или тепло, добавляемые (1314) в устройство для регенерации тепла 1306, которое не добавляется в соответствии с Фиг 5; и

2. Согласно Фиг.13 имеется только одна жидкость — жидкость высокого давления (1309), поступающая в двигатель нижнего цикла (1312), в то время как в соответствии с Фиг.5 на двигатель нижнего цикла (512) подаются жидкость высокого давления (509), промежуточного давления (510) и низкого давления (511).

С использованием метода добавления в нижний цикл топлива и/или тепла увеличивается не только энергия нижнего цикла, но также эффективность цикла, поскольку тогда жидкости промежуточного и низкого давления переведены на уровень жидкости высокого давления. А жидкость высокого давления на единицу массы потока может выполнять больше работы, чем жидкость промежуточного и низкого давления.

Имеется несколько различных видов текучих сред, которые могут быть использованы в концепции комбинирования циклов, включая воду, воздух, пар, аммиак, охладители, смеси и др. Демонстрация предпочтительной модели этой концепции не имеет целью ограничение количества циклов, используемых в комбинированном цикле, ограничение видов жидкости в комбинированном цикле одним конкретным видом, ограничение давления жидкости, которое может использоваться в цикле, или ограничение любого цикла его открытым или закрытым типом, а лишь показывает, что процесс увеличения термического к.п.д. при комбинировании циклов часто может быть осуществлен посредством стратегического использования дополнительных топлива и/или входного тепла.

Анализ передачи тепла
Секция экономайзера низкого давления ПГРТ

Как было указано ранее, проблема производства пара высокого давления на традиционных электростанциях с комбинированием циклов заключается в распределении энергии между выхлопными газами и выработанным паром. Кроме того, для оптимизации регенерации тепла желательно, чтобы температура выхлопных газов при выходе из ПГРТ была оптимальной. Поэтому необходимо более глубоко изучить процесс регенерации тепла.

Для оптимизации регенерации тепла в более низкотемпературных зонах ПГРТ (приблизительно 470°F — температура входящих выхлопных газов, до 180°F — температура выходящих выхлопных газов) значительное количество тепла необходимо изъять при помощи поступающей под давлением воды. Средней теплоемкостью выхлопных газов в этом диапазоне (от 470 до 180°F) является 0,257 BTU/lb/°F (эта величина может незначительно меняться при изменении содержания кислорода в выхлопных газах/количестве дополнительного горения). При температуре от 100 до 400°F средняя теплоемкость воды составляет 1,014 BTU/lb/°F.

Следовательно, для получения приращения температуры питающей воды, соответствующего уменьшению температуры выхлопных газов, соотношение потоков должно составлять (1,014/0,257) или 3,95 Ibs (фунтов-сил) выхлопных газов на один 1b (фунт-силу) питающей воды в данном диапазоне температур ПГРТ. Соотношение потоков на этом или близком к нему уровне обеспечит оптимизацию регенерации тепла для данной секции ПГРТ. За изменениями параметров, такими, как содержание кислорода в выхлопных газах, температурой питающей воды на впуске, а также иными факторами можно наблюдать при помощи аппаратных средств системы управления электростанцией, а также можно рассчитывать и регулировать оптимальное количество питающей воды через каждую секцию ПГРТ.

Опыт показал, что поддержание температуры холодной воды на впуске секции экономайзера низкого давления (питающей воды непосредственно из конденсатора) может иметь пагубное влияние на долговечность составных частей данной секции. Это обусловливается коррозией в экономайзере в результате того, что трубки и ребра экономайзера более холодные, чем точка росы выхлопных газов ПГРТ. Так как эти составные части обычно конструируют из углеродистой или низколегированной стали, влага конденсата на поверхностях трубок и пластин подвергает их коррозии, уменьшая эффективность теплообменника. Используются два распространенных метода для борьбы с этой проблемой. В одном используют устройство для предварительного нагревания воды, чтобы в экономайзер поступала более теплая вода. Другим способом является изготовление частей экономайзера низкого давления из материала, не подверженного коррозии, например, из нержавеющей стали. Любой из этих способов является приемлемым, и обычно отбирается тот, который определен как оптимальный с экономической точки зрения.

Секция экономайзера ПГРТ высокого давления

Секция экономайзера ПГРТ высокого давления нагревает питающую воду приблизительно от 400°F (выход из секции экономайзера низкого давления) в идеале до температуры насыщения давления в секции испарителя. Для использующегося в данном примере промежуточного давления в 1800 psia, температура насыщения составит 621°F. В таком диапазоне средняя теплоемкость питающей воды составляет 1,230 BTU/lb/°F. Для нагревания этой воды выхлопные газы газовой турбины должны поступить в секцию при температуре приблизительно на 50°F выше температуры питающей воды на выходе, или 671°F. Средняя теплоемкость выхлопных газов в этом диапазоне (от 671 до 470°F) составляет 0,264 BTU/lb/°F (эта величина может незначительно меняться при изменении содержания кислорода в выхлопных газах/количестве дополнительного горения). Поэтому для данной секции ПГРТ соотношение потоков должно составлять (1,230/0,264) или 4,66 Ibs выхлопных газов на lb питающей воды. Так как такое соотношение потоков не согласуется с оптимальным соотношением потоков экономайзера низкого давления, потребуется внесение корректировки для компенсации этого несоответствия (различные оптимальные потоки через каждую секцию).

Секция испарителя ПГРТ

Секция испарителя (субкритический режим использования) является уникальной по сравнению с другими секциями ПГРТ, с точки зрения того, что его входная и выходная температуры являются постоянными величинами (для режима работы при постоянном давлении). Это повышает стабильность процесса теплообмена, а логарифм средней разности температур (LMTD) меньше флуктуирует при различиях потока, чем та же величина в других секциях, поскольку температура выходного отверстия по существу является постоянной. LMTD является нелинейной переменной передачи тепла, которая используется для определения способности передачи тепла теплообменником.

Благодаря этому постоянному температурному параметру, секции, находящиеся под испарителем — экономайзеры высокого и низкого давления, имеют относительно постоянные (с некоторыми изменениями по давлению/нагрузке) входные температуры.

Однако в ряде предпочтительных вариантов дополнительное горение значительно изменяет температуры впускного отверстия секции испарителя, а также секций пароперегревателя и промежуточного нагревателя. Такие увеличивающиеся и уменьшающиеся значения температур определяют поток пара через ПГРТ, следовательно, и выработку паровой турбины. Поэтому в противоположность секциям экономайзера оптимизированное соотношение потоков неприменимо для более высоко расположенных секций ПГРТ.

Поскольку секция испарителя ПГРТ поглощает большую долю имеющегося тепла, а также фактически образует пар, мощность испарителя модулируют в основном входной температурой выхлопных газов, являющейся в общем функцией входной температуры выхлопных газов ПГРТ. Следовательно, управление этой секцией осуществляется в основном через поступающее топливо.

Секции пароперегревателя и промежуточного перегревателя ПГРТ

Обе эти секции похожи, так как они обе нагревают пар до более высокой температуры. Секция пароперегревателя получает насыщенный пар из секции испарителя и нагревает его до входной температуры турбины высокого давления. Для регулировки температуры до требуемой величины на выходе из этой секции используется пароохладитель.

Секция промежуточного перегревателя получает пар из секции низкого давления турбины и перегревает его до входной температуры секции промежуточного давления турбины. На выходе из этой секции для регулировки температуры перегрева может использоваться устройство для отвода тепла перегрева (пароохладитель), что происходит за счет эффективности цикла. Как отмечено авторами Юджином А. Аваллоном и Теодором Баумайстером III в Стандартном руководстве для инженеров-механиков (девятое издание) (Eugene A.Avallone and Theodore Baumeister III in Marks’ Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) (ISBN 0-07-004127-X, 1987)) в разделах с 9-24 до 9-25:

«Терморегуляция перегретого пара путем прямого разбрызгивания воды. приводит к эквивалентному увеличению производства пара высокого давления без термических потерь. Обычно терморегуляторы-разбрызгиватели не используются для контроля температуры перегрева пара, так как их использование приводит к уменьшению общей эффективности тепловых процессов цикла. Однако они часто устанавливаются на случай управления температурой перегрева пара в чрезвычайных ситуациях».

На Фиг.14 показаны кривые, отражающие термические условия секций пароперегревателя и промежуточного перегревателя как функции потока. Кривые не демонстрируют небольшой эффект от пароохладителя, выделенных потоков, потери тепла в трубах или иные небольшие поправки. Необходимо обратить внимание на то, что обе секции требуют пропорционального изменения количества тепла с изменением потока (нагрузка паровой турбины). Поэтому может быть выигрышным, хотя и не обязательным, изготовление этих секций как одной секции в ПГРТ так, чтобы каждая имела свою соответствующую площадь поверхности для теплообмена.

Площадь поверхности ПГРТ

Для получения необходимой передачи тепла из выхлопных газов газовой турбины в воду/пар требуется, чтобы в каждой секции имелась достаточная площадь поверхности для теплообмена. Рабочим уравнением, которое описывает общий процесс теплообмена, является:

Q — переданное тепло, в BTU/hr
U — коэффициент полной передачи тепла, в BTU/hr/ft 2 /°F

А — общая площадь поверхности в кв. футах LMTD — логарифм средней разницы температур при логарифме средней разницы температур, определенном как

GTTD — большая разность температур на выходе;
LTTD — меньшая разность температур на выходе.
Разница температур на выходе, это:

1) температура выхлопных газов, поступающих в секцию ПГРТ, за вычетом температуры воды или пара, находящихся вне секции, и

2) температура выхлопных газов, покидающих секцию ПГРТ за вычетом температуры воды или пара, находящихся внутри секции.

Очевидно, что большей величиной является большая разность температур на выходе и меньшей величиной — меньшая разность температур на выходе. При их равенстве любая из них равна логарифму средней разницы температур. Если большая или меньшая разность температур на выходе становятся слишком малы, площадь поверхности (А) должна быть очень большой для того, чтобы компенсировать недостаток величины. Так как площадью поверхности по существу является вся действующая площадь поверхностей всех трубок и пластин в секции ПГРТ, увеличение площади увеличивает размер, вес и стоимость ПГРТ.

Другой параметр в уравнении теплообмена (U) определяется поверхностным коэффициентом передачи тепла между водой/паром и внутренней стенкой трубы, теплопроводностью материала трубы и ее толщиной, а также поверхностным коэффициентом передачи тепла между выхлопными газами и внешней стенкой трубки.

Для общих целей определяющим параметром в данном уравнении является поверхностный коэффициент между выхлопными газами и внешней стенкой трубы. Это объясняется тем, что именно здесь существует наибольшая сопротивляемость передаче тепла, и подобно тому, как это характерно для группы последовательно соединенных резисторов в электрической цепи, самое большое сопротивление контролирует поток. Следовательно, факторы, наиболее влияющие на изменение коэффициента передачи тепла, представляют наибольшую проблему для инженеров, проектирующих ПГРТ и выбирающих площади поверхностей для каждой секции.

С точки зрения управления, отбор площадей в каждой секции является важным, так как после строительства ПГРТ эти площади уже невозможно изменить, т.е. они становятся фиксированной величиной. Факторами, которые влияют на изменение величины U, являются параметры, изменяющие скорость выхлопных газов на поверхности трубы. Превалирующим отклонением является изменение потока выхлопных газов. Так как газовая турбина является агрегатом постоянного объема, такое изменение имеет место с изменениями температуры окружающего воздуха. Кроме того, оно может происходить с изменением нагрузки газовой турбины. Если бы можно было минимально сократить влияние этих факторов, ПГРТ было бы проще проектировать и оптимизировать для работы в узком диапазоне.

Как будет продемонстрировано в примере предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения, предложенные система и способ позволяют газовой турбине работать с полной нагрузкой (контроль температуры) в широком диапазоне совокупной нагрузки электростанции с комбинированием циклов. Это заметно отличается от предшествующего уровня техники, который использует изменения в нагрузке газовой турбины для модулирования общей нагрузки электростанции с комбинированием циклов. Поэтому в некоторых эксплуатационных моментах единственные значительные изменения в потоке ПГРТ будут отнесены на счет изменений окружающей температуры (топливо дополнительного горения добавляет менее 1% в поток выхлопного газа). При температуре окружающей среды от -20 до 100°F поток выхлопных газов будет меняться приблизительно на ±13%. А в случае газовой турбины, известной из уровня техники, только одни изменения нагрузки могли бы привести к значительным изменениям потока выхлопных газов. Модель газовой турбины компании General Electric PG7241 (FA) при 55% нагрузки производит только 70% полной нагрузки выхлопных газов. При изменениях в окружающей среде такое изменение в общем потоке может достигать только 61% проектируемых потоков ПГРТ. Такое отличие потока от проектного приводит к неэффективности ПГРТ и требует конструкторских компромиссов для согласования с широким диапазоном эксплуатационных условий.

В связи с высокими температурами в ПГРТ, возникающими в результате постоянно поддерживаемого дополнительного горения, логарифмы средней разницы температур, наблюдаемые в ряде вариантов реализации настоящего изобретения, более значительны, чем в предшествующем уровне техники. Следовательно, требуемые площади поверхности уменьшаются, а общий размер ПГРТ может быть меньшим. Это приводит к значительной экономии затрат с точки зрения и строительства и занимаемой площади объекта.

Управление ПГРТ

В предшествующем уровне техники возможности управления ПГРТ для балансировки теплопередачи были ограничены. Контроль отвода тепла перегрева в пароперегревателе и промежуточном перегревателе был общим. Дополнительное горение для управления производством пара обычно не используется в связи с его негативным влиянием на производительность и связанными с ним добавочными затратами. В предшествующем уровне техники иногда использовались обводные трубы вокруг некоторых секций экономайзера и питающей воды.

В некоторых предпочтительных вариантах реализации изобретения производство пара по существу контролируется расходом топлива на дополнительное горение. Большее количество поступившей энергии означает больше выработанного пара. Для более совершенного управления передачей тепла могут быть использованы секции многотрубных горелок, расположенных рядами. Такое расположение позволяет позиционировать подачу топлива (тепла) в более чем одной точке вдоль потока выхлопного газа из ПГРТ и, с учетом ограниченного нагрева и последующего охлаждения секции, в нескольких местах вдоль ПГРТ, служит понижению общих температур ПГРТ (возможно, позволяя избегать сооружения более дорогостоящего водного экрана).

Как и в предшествующем уровне техники, в пароперегревателе будут использованы методы отвода тепла перегретого пара, в то же время отвод тепла перегрева в промежуточном перегревателе пара должен быть ограничен аварийным управлением температурами перегретого пара. Температуры перегретого пара могут удерживаться в равновесии за счет тщательного выбора площадей теплообмена в ПГРТ и путем выверки балансировки потока в многопоточной конструкции пароперегревателя. Поток питающей воды через экономайзер высокого давления регулируется по оптимальному соотношению потоков выхлопных газов/питающей воды, так же, как поток в экономайзере низкого давления. В соответствии с данным вариантом реализации ПГРТ, имеющий шесть секций и работающий при одном уровне давления, является гораздо более простым объектом для управления и корректировки, чем 12-секционный котел, работающий с тремя уровнями давления, согласно Фиг.6, иллюстрирующей предшествующий уровень техники.

Сравнение ПГРТ — Предпочтительный вариант настоящего изобретения и предшествующий уровень техники

ПГРТ в ряде примеров в соответствии с изобретением во многом могут быть похожими на ПГРТ предшествующего уровня техники, в частности в том, что у них имеется большое количество труб для транспортировки питающей воды, регенерации тепла выхлопных газов газовой турбины и передачи его в воду/пар в трубы посредством конвективного теплообмена. Это устройство имеет очень большие размеры. Оба варианта ПГРТ, т.е. вариант настоящего изобретения и известный из уровня техники, размещаются в большом корпусе, направляющем выхлопные газы из выхлопного отверстия газовой турбины в выхлопной стояк ПГРТ. ПГРТ может быть горизонтальным или вертикальным сооружением, в зависимости от требований и механических ограничений конструкции.

Некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения, однако, будут использовать только один уровень давления. Это не исключает использование дополнительных уровней давления, просто единый уровень давления наиболее ярко отражает модель предпочтительного режима варианта реализации изобретения. Такой вариант отличается от предшествующего уровня техники, в котором для максимальной регенерации тепла использовался ПГРТ с многоуровневым давлением.

В случае использования единственного уровня давления и проекта, предполагающего постоянно поддерживаемое дополнительное горение, в предпочтительном варианте реализации ПГРТ может требоваться меньшая площадь для теплообмена, чем в предшествующем уровне техники. Это позволит уменьшить габариты, расстояния в зоне обслуживания, массу и стоимость. Однако некоторые сэкономленные средства пойдут на приобретение более жаропрочных материалов и/или возможное сооружение водного экрана в данном варианте ПГРТ.

При меньшем размере площади полной поверхности в предпочтительном варианте ПГРТ, вероятно, что обратное давление выхлопов, испытываемое газовой турбиной в связи с ПГРТ, будет уменьшено. Это послужит увеличению выработки газовой турбины и ее эффективности. Однако дополнительное горение имеет тенденцию увеличивать это обратное давление, что уменьшало бы некоторые преимущества в работе, достигнутые в результате сниженных ограничений по выхлопным газам.

Благодаря гибкости, которую придает паровому циклу использование настоящего изобретения, газовые турбины будут работать при полной нагрузке в широком диапазоне полной мощности электростанции с комбинированием циклов. Это обстоятельство позволит обеспечить более постоянный поток в ПГРТ, предусмотреть более оптимальную конструкцию и устранить потери эффективности эксплуатации в условиях частичной нагрузки.

При наличии только одного уровня давления условия управления и отслеживания работы ПГРТ в соответствии с изобретением значительно упрощаются. Даже при небольших изменениях потока и/или температур в ПГРТ согласно изобретению возможно вносить небольшие поправки в потоки в секциях питающей воды/пара, компенсирующие эти изменения. При наличии добавочных секций, более значительных изменениях потока выхлопного газа и при менее полной системе контроля известные из уровня техники ПГРТ более подвержены влиянию извне непрерывно меняющихся системных параметров, в противоположность предпочтительному варианту настоящего изобретения, представляющему собой систему с упреждающим регулированием.

Новая электростанция полностью комбинированного цикла

Новая электростанция, полностью работающая в режиме комбинирования циклов, согласно изобретению похожа на электростанцию из уровня техники, но имеет как небольшие, так и значительные отличия. Далее в сравнении с предшествующим уровнем техники будут рассмотрены основные образцы оборудования, их функционирование, а также влияние затрат.

Газовые турбины

Газовые турбины, используемые в ряде предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, могут быть стандартными газовыми турбинами, известными из уровня техники. Единственное отличие касается эксплуатационных режимов, относящихся к степени перепада давлений через ПГРТ по предпочтительному варианту реализации изобретения. Базовый двигатель, управляющие механизмы, компоновка и общая организация могут оставаться неизменными в сравнении с предшествующим уровнем техники. Следовательно, в связи с основными деталями оборудования не последует никаких инженерных или конструкторских затрат. Это позволит использовать зарекомендовавшую себя технологию и поддерживать высокий уровень надежности электростанции. Очевидно, что для повышения к.п.д. газовой турбины могут быть применены такие эксплуатационные улучшения газовых турбин, как охлаждение на впуске, охлаждение испарителя и иные подобные способы.

Парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ)

ПГРТ согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения могут иметь меньшие размеры, быть более компактными, работать при одноуровневом давлении, обеспечивать контролируемую теплопередачу и оптимально подходить для постоянно поддерживаемого дополнительного горения. При наличии единого уровня давления, в отличие от многоуровневого режима давления, функционирование некоторых ПГРТ в соответствии с изобретением проще подвергать наблюдению и контролю. Для оптимизации регенерации тепла и производительности цикла для каждых данных эксплуатационных параметров, могут быть использованы механизмы управления, контролирующие интенсивность горения, потоки в секциях, и/или температуру на выходе секции.

При эксплуатационной гибкости, заложенной в паровой цикл, газовые турбины смогут функционировать при полной нагрузке в широком диапазоне нагрузок электростанции, обеспечивая постоянство потока выхлопных газов в ПГРТ и, таким образом, обеспечивая более эффективную эксплуатацию. Меньшее количество уровней давления, более высокая производительность цикла, более согласованная эксплуатация, — все это приводит к повышению надежности и снижению затрат на эксплуатацию и техобслуживание.

Потребность в более жаропрочных материалах или, возможно, в строительстве водного экрана для ряда случаев реализации ПГРТ в соответствии с настоящим изобретением приведет к увеличению начальной стоимости, а также увеличит затраты на эксплуатацию и техобслуживание. Сомнительно, что такое увеличение затрат будет выше размера средств, сэкономленных в результате устранения лишних уровней давления, связанных с ними контрольных устройств и дополнительной площади для теплообмена.

В настоящее время не были описаны ПГРТ, подобные тем, которые демонстрируют преимущества настоящего изобретения. Однако традиционные котлы паровых электростанций построены на десятилетия, и, конечно, такая технология может применяться в некоторых вариантах ПГРТ согласно изобретению. Кроме того, многие ПГРТ были построены для работы в режиме многоуровневого давления или единого уровня давления, а также многие из них построены в расчете на некоторую степень дополнительного горения (включая сооружение водного экрана от высоких температур). Из всех основных компонентов при реализации согласно изобретению этот потребует наибольших усилий инженеров и проектировщиков. Однако, как было указано ранее, ПГРТ с постоянно поддерживаемым горением и единым уровнем давления является новой концепцией, но не выходит за пределы технологической практики и является доступным для разработки специалистами в данной области.

Паровые турбины

В предшествующем уровне техники паровые турбины проектировались в основном по теплу, регенерированному ПГРТ. Для больших электростанций с комбинированием циклов действует эмпирическое правило, согласно которому мощность паровой турбины достигает приблизительно 50% выработки комбинированной газовой турбины. При использовании дополнительного горения этот процент может увеличиваться, но в связи с негативным влиянием на производительность, которое наблюдалось при использовании аппаратных средств, систем и способов предшествующего уровня техники, такое увеличение обычно было небольшим. В информационной брошюре General Electric “Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании General Electric” Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака (General Electric informative document GER-3574F (1996), entitled «General Electric Combined-Cycle Product Line and Performance» by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak), согласно Таблице 14 следует, что дополнительное горение в ПГРТ может увеличивать выработку электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники на 28%, но только при условии увеличения на 9% тепловой мощности всего комбинированного цикла (при потреблении определенного топлива).

В предшествующем уровне техники основное внимание уделялось ПГРТ с несколькими уровнями давления и паровым турбинам, использующим такой пар. Следовательно, эти паровые турбины характеризовались относительно небольшими потоками высокого давления, средней величины потоками промежуточного давления в связи с добавлением пара промежуточного давления из ПГРТ и относительно большими потоками высокого давления в связи с дальнейшим добавлением пара низкого давления из ПГРТ. Это приводит к более низким коэффициентам объемного расхода для секций высокого и промежуточного давления паровой турбины, а также к потенциальным проблемам с нагрузкой на торцевом выхлопе секций низкого давления. Кроме того, сами паровые циклы были несколько неэффективны, так как пар промежуточного и низкого давления, выработанный ПГРТ, имеет меньший запас потенциальной энергии для осуществления той работы, которую выполняет пар высокого давления. В итоге потоки пара промежуточного и низкого давления негативно изменяют требования к нагрузке на торцевом выхлопе паровой турбины, а также к отводу тепла.

В связи с проблемами коэффициентов объемного расхода и соотношений стоимости/преимуществ номинальные значения давления на впуске для паровых турбин электростанций с комбинированием циклов ограничивались величиной приблизительно 1800 фунтов на кв. дюйм. При применении ПГРТ с несколькими уровнями давления отпала необходимость в использовании традиционного нагревания питающей воды, так как в ПГРТ всегда присутствовало избыточное тепло для выполнения данной функции. Таким образом, повышение производительности парового цикла за счет усовершенствования именно этих признаков обычно не рассматривается.

Паровая турбина, используемая согласно предпочтительному варианту изобретения, может иметь большие размеры и быть более эффективной по сравнению с уровнем техники. Паровая турбина, используемая в соответствии с изобретением, может обеспечивать эффективность приблизительно в 0,75-2,25 (или более) раз большую, чем общая мощность газовой турбины. При эквивалентном количестве газовых турбин и ПГРТ, обеспечивающих горение при температуре до 1400°F, общая мощность электростанции с комбинированием циклов может возрасти в 2,00 раза или более, по сравнению с предшествующим уровнем техники. Это приравнивается к использованию паровой турбины в ряде случаев, соответствующих предпочтительным вариантам изобретения, которые могут быть рассчитаны на номинальные значения в 4,50 раз больше таких же значений паровой турбины предшествующего уровня техники (для паровой турбины, которая была связана с теми же газовыми турбинами).

Паровая турбина в соответствии с изобретением может быть похожа на паровую турбину из предшествующего уровня техники, однако, вероятнее всего, у нее будут более высокие характеристики по входному давлению. Кроме того, паровая турбина в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения может предполагать использование пара, экстрагированного за счет нагревания питающей воды, что увеличит производительность парового цикла. Без использования пара промежуточного и низкого давления от ПГРТ поток пара в секцию высокого давления паровой турбины при стандартных условиях будет максимальным через любую секцию. Это увеличит эффективность по объемным расходам в секции высокого давления. С этой точки зрения, пар будет извлекаться из паровой турбины для направления в различные нагреватели питающей воды, подогреватели топлива, меньшую по размеру паровую турбину, работающую от питающего насоса котла и/или для иных видов работ в рамках электростанции. Эта операция сокращает поток у торцевого выхлопа, уменьшая возможность перегрузок торцевого выхлопа паровой турбины. Все эти признаки являются типичными для паровой турбины, которая использовалась бы на традиционной паровой электростанции.

В связи с большим увеличением номинальных значений (приблизительно от 50% всей мощности газовой турбины до 100-200% всей мощности газовой турбины) паровой турбине могут потребоваться более крупные лопасти последнего каскада и/или большее количество секций низкого давления. Это повлечет относительно небольшое увеличение затрат по мощности в сравнении с затратами на привлечение дополнительных газовых турбин, ПГРТ, переключателей, трансформаторов, фундамента и т.д., которые потребовались бы для увеличения мощности в рамках предшествующего уровня техники.

За исключением большей пропускной способности, высоких номинальных рабочих параметров, улучшенной эффективности и большего комплекта лопастей и/или дополнительных секций низкого давления паровая турбина может выглядеть похожей на паровую турбину в предшествующем уровне техники. Обычно она проектируется для извлечения потока пара из турбины для традиционного нагревания питающей воды, а не для привлечения потока в турбину из секций промежуточного и низкого давления ПГРТ. Однако паровая турбина чрезвычайно похожа на паровую турбину с такими же рабочими параметрами и условиями впуска, как в современных традиционных паровых электростанциях. Поэтому новый способ комбинирования циклов позволяет использовать больше традиционных и более эффективных аппаратных средств паровой турбины и более эффективные циклы паровой турбины. Это максимально увеличивает производительность нижнего цикла, значительно увеличивает мощность, уменьшает общие размеры электростанции с комбинированием циклов и стоимость монтажа оборудования без каких-либо потерь по надежности.

Режим работы

При высоком уровне дополнительного горения (больших соотношениях потока паровой турбины/газовой турбины) и способности варьировать эти параметры горения варианты электростанции в соответствии с изобретением представляют модель, в которой нижний цикл гораздо более независим, чем в предшествующем уровне техники. Благодаря этому явлению, а также тому, что, с точки зрения выбросов и производительности, лучше управлять газовыми турбинами при полной нагрузке, большинство вариантов нагрузки электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением достигается путем изменения уровня дополнительного горения и, следовательно, нагрузки паровой турбины, в то время как газовые турбины продолжают работать в режиме полной нагрузки или близко к полной нагрузке. Это отличается от предшествующего уровня техники, когда дополнительное горение использовалось для получения только небольшого увеличения выработки энергии электростанцией в пик эксплуатации, а управление общей нагрузкой электростанции осуществлялось в основном за счет изменения нагрузки газовой турбины.

В некоторых предпочтительных вариантах изобретения при совокупной полной нагрузке электростанции газовые турбины будут функционировать при полной нагрузке, при этом либо ПГРТ достигнут своего предела по температуре горения, либо паровая турбина достигнет своего предела по давлению на впуске. С этой точки зрения, при уменьшении нагрузки электростанции дополнительное горение также сокращается, уменьшается образование пара и, следовательно, нагрузка паровой турбины также уменьшается. Процесс уменьшения нагрузки продолжается до момента, когда соответствующие потоки не могут больше поддерживаться в ПГРТ.

После того как соответствующие потоки станет невозможно поддерживать в ПГРТ, паровая турбина и/или ПГРТ достигнут эксплуатационного предела. На этом этапе будет необходимо уменьшить нагрузку газовой турбины или нескольких газовых турбин. После сокращения всей нагрузки на газовые турбины может быть увеличена нагрузка на паровую турбину для приведения системы в соответствие с требованиями по нагрузке. Иллюстрация предполагаемого режима эксплуатации с несколькими газовыми турбинами дана на Фиг.43. Такой способ управления может быть использован для уменьшения нагрузки совокупной полной нагрузки электростанции до нижнего предела ПГРТ и/или паровой турбины только путем изменения уровня дополнительного горения и за счет функционирования газовой турбины с полной нагрузкой. После достижения этого нижнего предела одну газовую турбину можно разгрузить и тогда соответствующий ей ПГРТ начнет производить меньше пара. Соответственно, другая газовая турбина может оставаться в режиме полной нагрузки или близко к этому уровню, а соответствующий ей ПГРТ может увеличить уровень дополнительного горения. Это приводит к большему поступлению пара в паровую турбину. Суммарным результатом является переходная зона функционирования, когда на одной газовой турбине нагрузка уменьшается, в то время как паровая турбина компенсирует большую часть этого уменьшения нагрузки. После уменьшения общей нагрузки электростанции до уровня, достаточного для того, чтобы миновать эту переходную зону функционирования, одна газовая турбина выводится из операции (консервируется), при этом оставшиеся ПГРТ будут продолжать осуществлять дополнительное горение на высоком уровне, а паровая турбина будет работать со значительно большей нагрузкой, чем верхний предел переходной зоны. Такая схема функционирования позволяет газовым турбинам оставаться в режиме полной нагрузки или в режиме, близком к этому уровню, в широком диапазоне совокупной ожидаемой выработки электростанции (приблизительно от 50 до 100% производительности) и лишь с небольшой долей, приходящейся на функционирование в переходной зоне, когда одна газовая турбина переводится из режима полной нагрузки в нерабочее состояние. В соответствии с Фиг.43 такая переходная зона находится между 70 и 80% нагрузки электростанции.

Примерная модель структуры управления, выполняющей вышеописанные процедуры, концептуально продемонстрирована на графиках Фиг.16-19. Более подробно описание этой модели приводится далее в настоящем документе.

Эксплуатация

Так как уровень дополнительного горения сравним с предшествующим уровнем техники, производительность паровой турбины значительно увеличивается. При использовании ПГРТ, способных выдерживать на впуске температуры, достигающие 2400°F, паровая турбина может быть спроектирована согласно проекту (для примера) из расчета достижения номинальных показателей приблизительно в 2,25 раза выше мощности всех газовых турбин вместе взятых. Это значительно выше уровня, достигаемого паровыми турбинами из предшествующего уровня техники, где в подобных вариантах номинальная мощность паровой турбины обычно достигала уровня в 0,4-0,6 раз выше мощности всех газовых турбин. Это существенно повышает мощность данной электростанции, поскольку паровая турбина может теперь иметь показатели, в 4,50 раз превышающие те же показатели паровой турбины предшествующего уровня техники. Также, как было указано ранее, функциональная гибкость, достижимая в этом случае, позволяет газовым турбинам работать при полной нагрузке в широком диапазоне общих мощностей электростанции. Это увеличивает производительность электростанции при работе с частичной нагрузкой и понижает уровень выбросов NOX для газовых турбин, для которых обычно характерно повышение уровня таких выбросов при работе с частичной нагрузкой.

При данном увеличении мощности по сравнению с предшествующим уровнем техники, увеличенной функциональной гибкости и уменьшенной стоимости на киловатт энергии данная модель электростанции с комбинированием циклов, с функциональной и экономической точек зрения, более приспособлена для обеспечения современных требований к энергии при сезонных пиковых нагрузках. Кроме того, незначительные функциональные переменные (такие, как изоляция нагревателей питающей воды или функционирование под давлением на впуске секции высокого давления на 5% выше номинального) позволит в этом варианте реализации изобретения достигнуть даже большей мощности, чем номинальная, лишь при незначительном ущербе для нормы выработки. Так как сезонные пиковые периоды длятся лишь несколько дней в году, предложенный способ является недорогим для повышения в эти периоды выработки энергии (которая может быть продана по очень высокой цене при минимальной себестоимости). Увеличенный доход более чем компенсирует недостатки и повышенную стоимость топлива, которая также имеет место во время сезонных пиковых нагрузок. Таким образом, создается экономически выгодная альтернатива для проектировщиков электростанций и коммунальных служб энергоснабжения. Как сказано в POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929, March/April 1999, р. 14):

«Резервные пределы опущены по всей стране. Согласно курсу по Среднему Западу в прессе сообщаются следующие цифры: выше $7000/МВт ($7.00/кВт·ч), и также сообщается курс $6000/МВт ($6.00/кВт·ч), имевший место в Алберте. ”

Иные промышленные вестники приводят также данные о ценах на уровне $10000/МВт ($10.00/кВт·ч).

Хотя согласно предшествующему уровню техники дополнительное горение уменьшает общую тепловую производительность комбинированного цикла, приведенный пример реализации изобретения показал, что такое заявление является неверным. За счет использования добавки топлива в режиме дополнительного горения с целью не только прибавления теплоты, но и для наращивания ресурсов нижнего цикла, становится возможным достигать или превышать общую эффективность комбинированных циклов предшествующего уровня техники. Это происходит за счет использования более высокого давления пара на впуске, больших и более производительных паровых турбин, превращения пара низкого давления, используемого в предшествующем уровне техники, в пар высокого давления и использования традиционного нагревания питающей воды. Эксплуатация при частичной нагрузке также улучшается, поскольку, согласно изобретению газовые турбины будут работать в режиме полной нагрузки (при которой они наиболее эффективны) в течение большей части времени их эксплуатации (за исключением времени, когда они выведены из рабочего состояния).

Работа при частичной нагрузке

При уменьшении системной нагрузки необходимо уменьшить нагрузку электростанции с комбинированием циклов для приведения в соответствие требованиям электрической системы. В предшествующем уровне техники это достигалось путем сокращения нагрузки газовых турбин. Такой режим контроля за нагрузкой приводит к спаду производительности газовых турбин, а также общей производительности электростанций с комбинированием циклов. В некоторых вариантах настоящего изобретения, однако, управление нагрузкой осуществляется посредством изменения уровня дополнительного горения. Таким образом, газовые турбины остаются на полном ходу или близко к этому уровню, оставаясь наиболее эффективными и имеющими наименьший уровень выбросов вредных веществ. Основная часть изменения нагрузки в этом случае происходит за счет уменьшения количества выработанного пара и последующего уменьшения мощности паровой турбины. Такой режим работы обеспечит повышение уровня производительности при работе с частичной нагрузкой для всей электростанции с комбинированием циклов, а также сокращение техобслуживания газовых турбин, как результат сокращения циклического повторения термических операций (собственные температуры газовой турбины обычно изменяются при изменении ее нагрузки).

На Фиг.33 при некоторых уровнях частичной нагрузки отражены уровни ожидаемой производительности традиционных электростанций с комбинированием циклов, известных из уровня техники, наряду с производительностью, которая может быть достигнута при использовании некоторых предпочтительных вариантов в соответствии с настоящим изобретением. Как видно из этих графиков, при уменьшении нагрузки от 100% эксплуатационные показатели комбинированных циклов в предшествующем уровне техники постоянно снижаются от оптимального уровня. Однако для некоторых предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения наблюдается увеличение производительности при начальном уменьшении нагрузки от 100% до момента, когда она начнет опускаться ниже приблизительно 80%. Такая информация о производительности при частичной нагрузке свидетельствует о том, что в случае реализации настоящего изобретения обеспечивается значительная экономия топлива по сравнению с традиционным комбинированием циклов в предшествующем уровне техники.

Эксплуатация при максимальной нагрузке

Настоящее изобретение особенно подходит для обеспечения энергией в периоды пиковой нагрузки. В эти периоды выработка энергии на электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением может временно превосходить уровень своей номинальной нагрузки. Как было указано ранее, это временное превышение нагрузки по сравнению с номинальной может обеспечивать огромное экономическое преимущество, так как энергию в пик сезона можно реализовывать по цене в сотни раз выше обычной цены за энергию, произведенную в обычное время. Следовательно, имеется большой стимул для владельцев электростанций производить такую энергию. Как упоминалось ранее, в предшествующем уровне техники эту проблему пытались решить путем использования дополнительного горения в ПГРТ. Это не только уменьшает эффективность традиционного комбинирования цикла при пиковых нагрузках, известного из уровня техники, но, в связи с потребностью в дополнительной мощности паровой турбины, уменьшается также его базовая производительность при работе в режиме обычной нагрузки вне пика сезона (в отсутствие дополнительного горения паровая турбина уже работает при частичной нагрузке). Таким образом, способность увеличить в пик сезона выработку энергии традиционными электростанциями с комбинированием циклов в условиях различных нагрузок сопровождается потерями общей производительности электростанции.

Мощность паровой турбины может увеличиваться при помощи увеличения массы потока. Соответственно, технология, увеличивающая поток пара через паровую турбину, обычно увеличивает ее общую мощность. Поскольку настоящее изобретение говорит преимущественно о цикле Ренкайна, комбинированный цикл как таковой увеличивает воздействие паровой турбины на более серьезные изменения общей мощности электростанции с комбинированием циклов. Следовательно, это влияние на выработку паровой турбины является намного более действенным, чем в газотурбинных электростанциях комбинированного цикла, как это следует из предшествующего уровня техники.

Согласно таблице, приведенной ниже, при увеличении давления также увеличивается поток пара.

Примеры увеличения объемов пиковой энергии
Входное давление, psia	Входная температура, °F	Удельный объем, ft 3 /Ib	Поток массы/пара, Ib/hr	Объемный расход, ft 3 /hr	Увеличение потока пара, (новый/прежний)
2400	1050	0,338245	2000000	676490	базис
2520	1050	0,320349	2111730	676490	1,055865
2520	1000	0,304021	2225143	676490	1,112571
2520	950	0,286872	2358162	676490	1,179081
2640	1000	0,288236	2346998	676490	1,173499
2640	950	0,271554	2491183	676490	1,245591

Если такое увеличение давления происходит вместе с соответствующим уменьшением входной температуры пара, возможно достижение дальнейшего увеличения массы потока. Вместе с этим изолирование нагревателей питающей воды обеспечит направление большего потока пара на выхлоп паровой турбины, далее увеличивая ее выработку. В отличие от предшествующего уровня техники, такой способ обеспечивает возможность увеличить номинальную пиковую мощность электростанции с комбинированием циклов и внедрить настоящее изобретение без ущерба для общей производительности электростанции при эксплуатации при обычных непиковых нагрузках.

Значительным преимуществом реализации в соответствии с данным предпочтительным вариантом является экономия затрат. Как отмечено ранее, электростанция на ПГРТ с проектными входными температурами до 2400°F благодаря дополнительному горению может легко использовать паровую турбину мощностью в 2,0 раза выше, чем совокупная мощность газовых турбин. Поэтому полная мощность электростанции составляет величину, в 3,0 раза большую (2,0 паровых турбины + 1,0 газовая турбина) мощности газовых турбин. Электростанция с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники включает паровую турбину с номинальной мощностью приблизительно в 0,5 раз больше совокупной мощности газовых турбин. Поэтому соотношение мощностей по существу равно 2,0 (3,0/1,5). Другими словами, электростанция с комбинированием циклов в соответствии с изобретением имеет мощность на 100% выше, чем в предшествующем уровне техники. Пример такого увеличения продемонстрирован на Фиг.39, где показан баланс тепла для варианта на 1040 МВт, использующего две газовые турбины промышленного стандарта модели GE PG7241FA и большую по размеру паровую турбину. На Фиг.22 показан комбинированный цикл из предшествующего уровня техники, использующий тот же состав и модель газовых турбин и стандартную меньшую по размеру паровую турбину, рассчитанную на номинальную мощность 520 МВт.

Отсюда следует, что для обеспечения мощности, равной мощности приведенного примера, электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники нуждается в увеличении единиц оборудования на 100%. Это означает приобретение дополнительных газовых турбин, еще одной паровой турбины, дополнительных ПГРТ, переключателей, трансформаторов и иных необходимых систем и объектов недвижимости, необходимых для поддержания этого оборудования. Это увеличит стоимость монтажа и запуска электростанции на 100%.

В ценах 1999 года стоимость установки современной высокопроизводительной электростанции с комбинированием циклов может быть определена из расчета приблизительно 450 долларов США на один киловатт энергии. Поэтому сооружение электростанции мощностью 720 МВт (720 000 кВт) обойдется в 324 миллиона долларов США. Если же увеличить мощность электростанции до 1050 МВт, стоимость установки достигнет 472 миллионов долларов. В противоположность этому, в соответствии с настоящим изобретением возможно использование меньшего числа единиц оборудования для устранения этого нежелательного удорожания за счет уменьшения стоимости киловатта энергии при номинальной мощности электростанции.

Переоснащение

Еще одной важнейшей характеристикой настоящего изобретения является возможность его использования для модернизации существующих электростанций. Многие существующие сегодня паровые электростанции производят дорогостоящую электроэнергию по сравнению с высокоэффективными электростанциями с комбинированием циклов, которые рассматриваются в настоящем документе. По мере приватизации рынка энергоснабжения для производителей электроэнергии будет особенно важным поддерживать конкурентные цены. Для этого необходимы технологии, которые позволяли бы существующим электростанциям быть конкурентоспособными по сравнению с новыми электростанциями с комбинированием циклов.

Поскольку в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения предполагается использование единого уровня давления (преимущественно), более высокого давления пара, типичного для паровых турбин традиционных паровых электростанций, более высокого соотношения мощности паровой турбины/газовой турбины, а также предусматриваются малые проектные габариты, этот вариант идеально подходит для модернизации существующих паровых электростанций. При использовании настоящего изобретения большие паровые электростанции вполне могут обходиться без своих котлов и использовать пар непосредственно от ПГРТ. Это увеличивает производительность цикла и (во многих случаях) значительно сокращает выбросы. Такой результат может быть достигнут при использовании существующей паровой турбины, конденсатора и иной инфраструктуры, уже имеющейся на электростанции. Таким образом, владельцы могут получить электростанцию с комбинированием циклов большей эффективности при меньших капитальных затратах и минимальных требованиях к объектам недвижимости.

Модель рекомендуемого варианта реализации — типичная конфигурация

Конфигурация некоторых вариантов реализации в соответствии с изобретением схожа с предшествующим уровнем техники тем, что газовые турбины и ПГРТ используются для выработки энергии и преобразования тепла выхлопных газов в пар. Однако в вариантах реализации изобретения используется ПГРТ с постоянным поддержанием горения, производящий значительно большее количество пара, причем в режиме единого уровня давления (или в основном единого уровня давления). Этот увеличенный объем пара (и обычно более высокого давления) приводит в действие паровую турбину, причем значительно большую по размеру в сравнении с паровой турбиной предшествующего уровня техники, связанной с такими же газовыми турбинами.

В связи с большими потоками питающей воды она будет нагреваться в ПГРТ, а также в отдельном замкнутом нагревательном контуре, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством извлечения тепла пара. Для повышения эффективности цикла также используются нагреватели газового топлива.

Разработка

На Фиг.15 представлена схема модели реализации предпочтительного варианта электростанции в соответствии с настоящим изобретением. Выхлопы каждой газовой турбины (1520) направляются в соответствующий ПГРТ (1509) и приводят в действие соответствующий генератор (1521). Эти выхлопные газы производят пар в ПГРТ, который затем производит энергию в паровой турбине и в конечном итоге подвергается конденсации в конденсаторе (1595).

Нагревание питающей воды — Контур нагревания питающей воды ПГРТ

Конденсат из конденсатора (1595) поступает в низконапорный питающий насос котла (1530), где нагнетается до уровня выходного давления. От этой точки клапан управления низконапорной питающей воды (низкого давления) (1560) поддерживает оптимальный поток через экономайзер низкого давления (1501), одновременно направляя избыточные потоки питающей воды в первый из ряда традиционных нагревателей питающей воды (1533). Поток, покидающий экономайзер низкого давления, продолжает двигаться к низконапорному питающему насосу котла (1531) и его давление повышается. Отсюда он проходит через экономайзер высокого давления (1502). Однако после выхода из экономайзера низкого давления часть потока питающей воды направляется через клапан балансировки питающей воды (1561) для поддержания оптимального потока через секцию экономайзера высокого давления (1502). Кроме того, некоторая часть потока направляется к нагревателю газового топлива (1575) через трубопровод (1571). После предварительного нагревания газового топлива этот поток возвращается к впускному отверстию низконапорного питающего насоса котла (1530) через трубопровод (1572). Оставшаяся питающая вода продолжает поступать в экономайзер высокого давления, а поток, выходящий из экономайзера высокого давления, смешивается с потоком питающей воды, выходящим из последнего нагревателя питающей воды (1537). Этот поток находится у клапанов пароохладителей (1510) и (1511), в то время как основной объем потока продолжает двигаться к испарителю (1504).

Нагревание питающей воды — традиционный контур нагревания

В параллельном контуре нагревания питающей воды последняя вода проходит через первый нагреватель питающей воды (1533), где она нагревается. Затем этот поток двигается через второй и третий нагреватели питающей воды (1534) и (1535) соответственно. На выходе из нагревателя питающей воды (1535) поток отклоняется от параллельного контура ПГРТ через клапан балансировки питающей воды (1561), смешивается с этой питающей водой и продолжает двигаться в высоконапорный питающий насос котла (1532), где его давление повышается. Из этой точки поток проходит через четвертый и пятый нагреватели питающей воды (1536) и (1537) соответственно. Вода из этого контура нагревания теперь смешивается с питающей водой из параллельного контура ПГРТ и подается в испаритель (1504) ПГРТ (за исключением потока, необходимого для клапанов пароохладителей (1510) и (1511)).

Испаритель

В секции испарителя вода в результате кипения преобразуется в пар и поступает в секцию пароперегревателя (1505). Если перегретый пар слишком горяч, клапан пароохладителя переводят в положение для распыления конденсата из трубопровода отвода тепла перегрева (1550) в трубопровод питания пароперегревателя и регулирования входной температуры секции высокого давления турбины (1590). В секции высокого давления турбины пар расширяется, пока не произойдет первый отбор пара, когда небольшая порция пара удаляется из турбины через невозвратный клапан (1568) в трубопровод (1558). Этот пар подают в пятый нагреватель питающей воды (1537), предварительно нагревающий проходящую через него воду. Конденсированный пар из пятого нагревателя питающей воды стекает вниз в четвертый нагреватель питающей воды (1536). Пар в секции высокого давления паровой турбины (1590), оставшийся после отбора, продолжает двигаться к точке выхода из данной секции, становясь так называемым холодным перегретым паром. Холодный перегретый пар продолжает движение к секции промежуточного перегрева ПГРТ (1506).

Промежуточный перегреватель

На пути к секции промежуточного перегревателя некоторое количество пара (второй отбор пара) проходит через невозвратный клапан (1564) к трубопроводу (1554). Этот пар поступает в четвертый нагреватель питающей воды (1536), осуществляющий предварительное нагревание проходящие через него питающей воды. Конденсированный пар из четвертого нагревателя питающей воды стекает вниз на вход высоконапорного насоса котла питающей воды (1532).

Холодный перегретый пар теперь проходит через секцию промежуточного перегревателя ПГРТ для возврата в секцию промежуточного давления паровой турбины. Если его температура слишком высока, клапан пароохладителя (1511) переводят в положение для распыления конденсата из трубопровода отвода тепла перегрева (1551) в трубопровод питания пароперегревателя и управления входной температурой секции промежуточного давления турбины (1591). В секции промежуточного давления турбины пар расширяется, пока не произойдет третий отбор пара, когда небольшая порция пара удаляется из турбины через обратный клапан (1567) в трубопровод (1557). Этот пар поступает в третий нагреватель питающей воды (1535), предварительно нагревающий проходящую через него питающую воду. Конденсированный пар из третьего нагревателя питающей воды стекает вниз во второй нагреватель питающей воды. Пар в секции высокого давления паровой турбины (1591), оставшийся после отбора, продолжает двигаться к точке выхода из данной секции, становясь так называемым переходным паром.

Переходной пар

Переходной пар продолжает движение к секциям низкого давления (1592) и (1593) паровой турбины. На своем пути к секции низкого давления некоторое количество пара (четвертый отбор пара) через невозвратный клапан (1565) отклоняется в трубопровод (1555). Этот пар поступает во второй нагреватель питающей воды (1534), осуществляющий предварительное нагревание проходящей через него питающей воды. Конденсированный пар из второго нагревателя питающей воды стекает вниз в первый нагреватель питающей воды (1533).

В секциях низкого давления турбины пар расширяется, пока не произойдет пятый отбор пара, когда небольшая порция пара извлекается из турбины через обратный клапан (1569) в трубопровод (1559). Этот пар поступает в первый нагреватель питающей воды (1533), предварительно нагревающий проходящую через него питающую воду. Конденсированный пар из первого нагревателя питающей воды возвращается через трубопровод (1512) на вход низконапорного питающего насоса котла (1530).

Пар в секциях высокого давления паровой турбины (1592), (1593), который не был извлечен, продолжает движение через секцию к точке выхода из нее у конденсатора (1595). Механическая энергия, выработанная паровой турбиной, приводит в действие генератор (1594), который производит электроэнергию.

Работа при низкой нагрузке

Для работы при низких нагрузках имеется незначительный поток пара высокого давления (поэтому незначительны потоки конденсата из конденсатора) для поддержания оптимальных уровней питающей воды, проходящей через ПГРТ. В таком режиме работы клапаны (1560) и (1561) закрыты. При отсутствии потока питающей воды для удаления тепла все линии отбора пара (1558, 1554, 1557, 1555, 1559) не пропускают поток. Весь поток питающей воды проходит через ПГРТ, так как параллельный контур для поступления воды закрыт.

При уменьшении нагрузки из этой точки путем уменьшения потока пара (сокращения дополнительного горения) поток питающей воды через ПГРТ больше не является достаточным для абсорбции тепла выхлопных газов и одновременного поддержания оптимальной температуры выхлопных газов. Поэтому работа ниже данной точки приведет к увеличению температуры выхлопных газов и понижению производительности комбинированного цикла. На этом этапе инженер-проектировщик должен оценить параметры работы и определить, не является ли более выгодным, с экономической точки зрения, уменьшить на этом этапе работы нагрузку газовых турбин или продолжить модуляцию интенсивности дополнительного горения, позволив температуре выхлопных газов ПГРТ подниматься вверх. На каком-то этапе работы с уменьшенной нагрузкой, однако, становится экономически выгодным уменьшать нагрузку газовых турбин.

Модель варианта реализации изобретения — Электростанция мощностью 725 МВт

Рассмотрим в качестве примера еще одного предпочтительного варианта настоящего изобретения электростанцию с комбинированием циклов номинальной мощности 725 МВт. Этот образец электростанции использует две газовые турбины производства компании General Electric модели PG 7241 (FA). Эти газовые турбины будут выделять выхлопные газы, каждая в свой ПГРТ, с единым давлением номинального уровня 2400 фунтов на кв. дюйм. Паровая турбина промежуточного перегрева номинальной мощности 400 МВт будет осуществлять выхлопы непосредственно через конденсатор, работающий под давлением 1,2 дюймов ртутного столба. В связи с большими потоками питающей воды питающая вода будет нагреваться в ПГРТ. Так же, как и в отдельном контуре нагревания питающей воды, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством подачи отбора пара. Нагреватели газового топлива будут также использоваться для увеличения производительности цикла.

Разработка

Проект газовых турбин компании General Electric имеет проектные мощность 170770 кВт по стандарту ISO, при перепаде в ПГРТ воздушного давления в 3,0 дюйма по воде и перепаде выхлопного давления в 10 дюймов по воде. Общая мощность газовых турбин, таким образом, составляет 341540 кВт. На Фиг.35 схематически изображена такая электростанция. Числа, указанные на различных этапах процесса работы, соответствуют “точкам”, занесенным в таблицы на Фиг.36, 37 и 38. Данные, соответствующие этим “точкам” в таблицах Фиг.36, Фиг.37 и Фиг.38, определяют давление, температуру, энтальпию и поток в соответствующей “точке”. В целом информация, содержащаяся на Фиг.35-38, представляет так называемый “тепловой баланс”, являющийся совокупным балансом массы и энергии для данного цикла. Необходимо обратить внимание, что в данном примере деаэрация (выпуск воздуха) осуществляется в конденсаторе.

Схема расположения

На Фиг.26 представлен топологический чертеж электростанции в соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами настоящего изобретения. Он очень похож на электростанцию с комбинированием циклов модели S207 FA компании General Electric предшествующего уровня техники, показанную на Фиг.22. Наиболее заметным различием между двумя схемами является конфигурация паровой турбины. В предшествующем уровне техники паровая турбина имеет относительно недозагруженную секцию высокого/промежуточного давления и одну секцию низкого давления. В некоторых вариантах изобретения секция высокого/промежуточного давления сравнима с предшествующим уровнем техники, однако имеет значительно увеличенный объемный расход потока. Для иллюстрации эффективного использования более высоких потоков пара при более низком давлении показана вторая секция низкого давления. Однако в зависимости от экономической оценки, эта секция может и не потребоваться.

Сравнение с предшествующим уровнем техники

На Фиг.22 и 24 изображены схемы размещения электростанций S 207 FA компании General Electric и 2Х1 501G компании Westinghouse соответственно. Электростанция производства General Electric требует приблизительно 2,3 акра площади для размещения недвижимости, а электростанция производства компании Westinghouse — приблизительно 3,3 акра. Плотность энергии при этом в этих двух вариантах приблизительно одинакова — 220 МВт на один акр. В то же время некоторые варианты в соответствии с настоящим изобретением могут иметь проектную мощность 725 МВт, как показано на примере на Фиг.26, и плотность энергии 315 МВт на акр, или проектную мощность до 1050 МВт (см. Фиг.29) и плотность энергии 455 MB на акр. То есть электростанция, реализованная в соответствии с настоящим изобретением, позволяет производить значительно больше электроэнергии на данном парке оборудования. Этот фактор не только является преимуществом для новых сооружений, но также имеет и большое значение с точки зрения возможности модификации уже имеющихся электростанций, где парк оборудования начинает действовать выше номинала.

Кроме этого, комбинирование циклов в предшествующем уровне техники также является более дорогостоящим с точки зрения потребления топлива, капитальных затрат и технического обеспечения. Фиг.23 и 25 представляют условные экономические данные балансов электростанций модели S 207 FA компании General Electric и модели 2Х1 501G компании Westinghouse соответственно. Цифры в таблицах включают годовые затраты на топливо, капитальные затраты и техническое обеспечение для каждой электростанции. Фиг.27 также представляет условные экономические данные балансов для электростанции в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Обратите внимание, что в этом случае цифры годовых затрат на топливо, капитальные затраты и техническое обеспечение меньше, чем те же цифры для электростанций с комбинированием циклов из предшествующего уровня техники. Следовательно, при использовании настоящего изобретения стоимость производства электроэнергии уменьшается по всем категориям затрат.

Модель реализации электростанции — Режим сверхкритического пара

В качестве еще одного примера рассмотрим вариант реализации электростанции с комбинированием циклов номинальной мощности 1040 МВт, использующей ультрасверхкритический режим работы пара с завышенной температурой. В этом варианте электростанции используются две газовые турбины производства компании General Electric модели PG 7241 FA. Каждая из этих газовых турбин выделяет выхлопы в свой ПГРТ единого давления, проектного уровня 3860 фунтов на кв. дюйм. В данном варианте будет также использоваться паровая турбина двойного промежуточного перегрева, номинальной мощности 730 МВт, осуществляющая выхлопы непосредственно через конденсатор под давлением 1,2 дюйма ртутного столба. В связи с большими потоками питающей воды эта вода будет нагреваться в ПГРТ, а также в отдельном контуре нагревания питающей воды, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством поступающего отбора пара. Для увеличения производительности цикла будут также использоваться нагреватели газового топлива.

Разработка

Разработка газовых турбин компании General Electric имеет проектную мощность 170770 кВт по стандарту ISO, при перепаде в ПГРТ воздушного давления в 3,0 дюйма по воде и перепаде выхлопного давления в 10 дюймов по воде. Общая мощность газовых турбин, таким образом, составляет 341540 кВт. На Фиг.39 дано схематическое изображение такой электростанции. Цифры, указанные на различных этапах процесса работы, соответствуют “точкам”, занесенным в таблицы на Фиг.40, 41 и 42. Данные, соответствующие этим “точкам” в таблицах Фиг.40, 41 и 42, определяют давление, температуру, энтальпию и поток в соответствующей “точке”. Такой “тепловой баланс” представляет собой совокупный баланс массы и энергии для данного цикла. Необходимо обратить внимание, что в данном примере деаэрация (выпуск воздуха) осуществляется в конденсаторе.

Сравнение с предшествующим уровнем техники

Повышенные температура пара (1112°F) и давление (3860 фунта на кв. дюйм) соответствуют данным, которые используются в перспективных паровых циклах, иногда называемых ультрасверхкритическими. Для получения информации об ультрасверхкритических паровых турбинах и соответствующих циклах (см. информационную брошюру “Паровые турбины для ультрасверхкритических электростанций” Клауса М. Редцлаффа и В. Антони Ройггера (General Electric (GE) Reference GER-3945, 1996) («Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants» by Klaus M. Retzlaffand W. Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945, 1996). Необходимо отметить, что при температуре выхлопов 1123°F стандартная промышленная газовая турбина производства компании General Electric модели PG 7241 FA не имеет достаточно высокотемпературной выхлопной энергии для образования таких температур у пара при требуемых потоках. Таким образом, указанные ультрасверхкритические условия даже не считались доступными в предшествующем уровне техники. Сверхкритическая паровая электростанция сравнима в соответствии с настоящим изобретением с субкритической паровой электростанцией в соответствии с настоящим изобретением, а основным отличием является улучшенная производительность. Более высокое давление пара, более высокие температуры пара, а также использование второго промежуточного перегрева обеспечивают дополнительную мощность для данного варианта. Необходимо отметить, что при таких режимах пара и даже при большом приращении мощности производительность комбинированного цикла в варианте реализации в соответствии с настоящим изобретением приближается к производительности предшествующего уровня техники при использовании той же технологии газовых турбин (6229 BTU/кВт в противовес 6040 BTU/кВт).

Однако производительность является всего лишь одной составляющей экономической формулы. Другие основные расходы, капитальные затраты и техническое обеспечение будут выше для варианта сверхкритического режима по сравнению с субкритическим режимом. Поэтому, как и говорилось ранее, для того чтобы определить оптимальный вариант в индивидуальном варианте реализации электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением, должен быть завершен полный экономический анализ. В целом, когда затраты на топливо велики, варианты сверхкритического режима становятся экономически оптимальными, а в случае малых затрат на топливо, предпочтительными становятся варианты субкритического режима.

Профиль нагрузки электростанции
Электростанции с распределением энергии

Как говорилось ранее, для поддержания постоянной частоты энергии (60 Гц для США) электроэнергия от всех электростанций, объединенных в сеть энергоснабжения, должна быть равна энергии, потребляемой пользователями данной сети. По этой причине электростанции «распределяют» свою мощность или находятся под контролем Объединения энергетических компаний для удовлетворения потребностей системы.

В результате распределения большинство электростанций потратят совсем немного своего рабочего времени при номинальной выработке. Вместо эксплуатации при полной номинальной мощности многие электростанции будут работать со средней нагрузкой и будут делить нагрузку системы со всеми другими электростанциями, объединенными в систему энергоснабжения. Эта статистика может быть визуально подтверждена при изучении продолжительности нагрузки на кривой Фиг.31В, которая представляет данные о типичном долгосрочном распределении используемой нагрузки электростанции по отношению к доле времени в процентах. Необходимо отметить, что с учетом таких долгосрочных наблюдений, большинство электростанций будут работать при пике нагрузки на протяжении менее чем 10% времени, а при средней нагрузке — в течение 70% своего времени.

На Фиг.31А показана информация о типичной почасовой нагрузке для Южно-Атлантического региона США за 24-часовой период. Как видно из этих данных, работа на максимуме нагрузки 62,000 МВт в течение дня значительно превышает время работы в низкой точке нагрузки в 40,000 МВт. Кроме того, полная мощность системы вероятно выше, чем 62,000 МВт, возможно на уровне 70,000 МВт (70 гигаватт, ГВт). Это означает, что, за исключением сезонных пиковых нагрузок (жарких летних дней), даже в самые активные часы вне пика сезона многие электростанции не работают с номинальной мощностью. По этой причине электростанции с распределением энергии могут встречаться со значительными изменениями нагрузки и потенциально тратить только несколько часов в год при работе с номинальной мощностью.

Для определения типичного установившегося профиля нагрузки данные на Фиг.31А разбиты на сегменты. Периоды времени, когда нагрузка была выше 60 ГВт, определялись как пик работы. Периоды при нагрузке между от 50 до 60 ГВт считались эксплуатацией электростанции при средней нагрузке, а периоды при нагрузке ниже 50 ГВт считались работой в ночное время. Такой профиль рассматривался как усредненный дневной профиль эксплуатации электростанции. Для выходных дней восемь часов в день считались средней нагрузкой, а остальная часть — ночной работой (на основе средних показателей будних дней для средней и ночной нагрузки в выходные дни). На Фиг.32 показаны подробные данные этих расчетов. Используя данные расчетов Фиг.32, типичный профиль нагрузки, используемый для сравнения, выглядит следующим образом:

Период	Средняя мощность электростанции (%)	Часы за неделю
Ночной период	60	77
Средняя нагрузка	80	71
Пиковые нагрузки	100	20

Отметим, что, хотя мощность в соответствии с Фиг.32 для пиковых нагрузок составляет всего 87,86%, это число было выровнено до 100,00% для целей данного обсуждения. Поправки ночной и средней мощности составили менее чем 1% от величин на Фиг.32 и корректировались на понижение для компенсации поправки на повышение для работы при пиковых нагрузках.

Модель профиля нагрузки электростанции

Применяя данные приведенной выше таблицы, можно использовать расчетный профиль нагрузки для определения коэффициента годовой мощности и количества потребляемого топлива на данной электростанции с комбинированием циклов, основанные на данных Фиг.33 работы при частичной нагрузке. Очень важно подчеркнуть на основании таблицы выше и Фиг.31В, что эффективность электростанции, использующей технологию предшествующего уровня техники, будет редко достигать (если вообще когда-нибудь будет достигать) оптимальных, с экономической точки зрения, эксплуатационных показателей. В противоположность этому, варианты реализации в соответствии с настоящим изобретением, как следует из Фиг.33, всегда будут более оптимальными, чем модели предшествующего уровня техники.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Экономические соображения

Затраты на эксплуатацию электростанции с комбинированием циклов разнообразны. Однако самыми большими затратами для производителей работ электростанции обычно являются расходы на топливо, капитальные затраты (долговые обязательства) и техническое обслуживание. Эти три вида затрат составляют основную часть себестоимости (выраженную в денежных суммах на киловатт-час) производства электричества на больших электростанциях с комбинированием циклов. Некоторую часть статей расходов составляют заработная плата, налоги, страховка, лицензирование и иные виды затрат. Для осуществления экономического сравнения некоторых вариантов реализации в соответствии с настоящим изобретением и предшествующего уровня техники заострим внимание на трех основных видах расходов: топливе, долговых обязательствах и техническом обслуживании.

Затраты на топливо

Самым большим видом затрат большой современной электростанции с комбинированием циклов являются расходы, связанные с топливом. Независимо от того, используется ли природный газ, нефть или иные горючие виды топлива, электростанция с комбинированием циклов для производства большого количества электричества должна потреблять большое количество топлива. Короче говоря, электростанция фактически преобразует энергию в одной форме (сырье) в энергию в другой форме (электричество). По этой причине, так как функцией электростанцией является осуществление данного преобразования, эффективность процесса преобразования является ключом к экономическому успеху электростанции.

Электростанции предшествующего уровня техники имеют мощность в среднем около 48% (LHV) для более старых электростанций с комбинированием циклов, как, например, General Electric S106B, и до 60% (LHV) для предполагаемой усовершенствованной модели General Electric S107H, которая еще не была реализована в коммерческом варианте. Указанные уровни мощности основываются на коэффициенте низшей теплоотдачи топлива (LHV). Однако такие уровни мощности имеют место при работе с полной нагрузкой, а, как указано на Фиг.31А и 31В, большинство электростанций в течение очень незначительного времени работают при полной нагрузке.

При работе с частичной нагрузкой, согласно Фиг.8 имеется потеря по мощности, которую следует ожидать при уменьшенной нагрузке для электростанций с комбинированием циклов предшествующего уровня техники. С использованием этих данных на Фиг.33 отражено значительное повышение уровня производительности при работе с частичной нагрузкой, реализуемое в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения, по сравнению с комбинированным циклом предшествующего уровня техники (здесь более низкая тепловая мощность указывает на более оптимальное функционирование). Такое повышение производительности в режиме частичной нагрузки вместе с увеличением эффективности в режиме полной нагрузки позволяет в некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением достичь лучших экономических показателей с точки зрения потребления топлива по сравнению с предшествующим уровнем техники.

На основании профиля нагрузки на Фиг.32 и с использованием уровня тепловой мощности (производительности) согласно Фиг.33 на Фиг.34 в таблице сведены годовые затраты на топливо для электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением по сравнению с современными электростанциями с комбинированием циклов, известными из уровня техники. В любом случае многие из вариантов реализации электростанции в соответствии с изобретением используют меньше топлива за год, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.

Капитальные затраты

Вслед за затратами на топливо наиболее значительным видом затрат на новую электростанцию комбинированного цикла являются затраты основного капитала. Это количество денежных средств, необходимых для обслуживания задолженности (кредитные платежи). Хотя производительность станции является важным фактором, общая стоимость электростанции также является важным экономическим аспектом. Как говорилось ранее, необходимо оценивать экономический аспект небольших частей электростанции с комбинированием циклов (т.е. большие по размеру выхлопные секции паровой турбины) так же, как экономический аспект всей электростанции с комбинированием циклов. Небольшие спады тепловой мощности электростанции (или небольшое увеличение эффективности) не должны превышать возмещение путем увеличения основного капитала. По этой причине разработчики электростанции и инженеры стремятся создать лучшую экономическую альтернативу уже имеющимся электростанциям.

Благодаря своей более высокой плотности энергии, использованию меньшего количества единиц оборудования и уменьшенным затратам на сооружение, некоторые варианты реализации настоящего изобретения имеют значительно более низкие капитальные затраты (сокращены до 30%), чем комбинированные циклы в предшествующем уровне техники. На Фиг.34 в таблице указаны капитальные затраты для модели электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением в сравнении с современными электростанциями предшествующего уровня техники. В любом случае электростанция с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением требует значительно меньше финансовых вложений, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.

Затраты на техническое обеспечение

Еще одним большим видом затрат для владельцев электростанции является средняя стоимость ежегодного технического обеспечения, особенно стоимость технического обеспечения в отношении крупных объектов оборудования. Для большой электростанции мощностью 725 МВт предшествующего уровня техники, как показано на примере, эти затраты могут превышать 10 миллионов долларов США в год. Поэтому электростанции с уменьшенным размером стоимости технического обеспечения являются экономически выгодными.

Используя разработку, характеризующуюся высокой плотностью энергии, позволяющую уменьшить количество единиц основного оборудования, а также используя не требующие частого техобслуживания паровые турбины в качестве основных машин по производству энергии вместо газовых турбин, которые нуждаются в частом техобслуживании, настоящее изобретение позволит значительно уменьшить затраты на техническое обеспечение по сравнению с комбинированными циклами предшествующего уровня техники. На Фиг.34 в виде таблицы представлены данные затрат на техобслуживание для электростанции, реализованной в соответствии с настоящим изобретением, в сравнении с имеющимися современными электростанциями с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники. В любом случае электростанция с комбинированием циклов согласно настоящему изобретению требует менее напряженных усилий по техническому обеспечению, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.

Сравнение общей стоимости

Фиг.34 отражает экономическое сравнение примера электростанции с комбинированием циклов, реализованной в соответствии с настоящим изобретением, и современных электростанций с комбинированием циклов, имеющихся в предшествующем уровне техники. Как видно из этих данных, пример электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением является менее дорогостоящим в эксплуатации, чем электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники по всем трем категориям затрат: топливу, капитальным затратам и техническому обеспечению.

Кроме того, по сравнению с электростанцией производства компании Westinghouse, модель 2Х1 501G, выбросы NOX снижены более чем в три раза, или приблизительно на 180 тонн в год. За 20 лет существования электростанция с комбинированием циклов в соответствии с изобретением экономит 469 миллионов долларов США по сравнению с моделью Westinghouse 501G с комбинированием циклов согласно предшествующему уровню техники. Такие размеры экономии превышают начальные затраты в размере 340 миллионов долларов, требуемых на сооружение электростанции 2Х1 501G с комбинированием циклов производства компании Westinghouse, и представляют собой, с экономической точки зрения, существенное преимущество для производителей электростанций в условиях рыночной конкуренции.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример способа управления ПГРТ

С учетом уникального расположения оборудования, использования преимущественно ПГРТ единого уровня давления и необходимости оптимизации регенерации тепла на Фиг.16 показан пример системы управления для удовлетворения всех этих потребностей. Система управления является примером комбинирования циклов, описанного в предпочтительных вариантах изобретения, показанных на Фиг.9 и Фиг.15, хотя эта система может иметь широкое применение и в иных вариантах реализации настоящего изобретения. В этом примере имеется один ПГРТ для каждой газовой турбины. Отметим, что приведенный пример отражает систему управления ПГРТ для данного применения и является демонстрацией принципов управления потоком, оптимальной передачи тепла и объединения ПГРТ и контуров нагрева питающей воды. В других вариантах применения такая схема может быть изменена с учетом частных обстоятельств. Однако многие принципы из данной схемы управления будут также применяться.

Согласно Фиг.16 управление начинается в (1601) и продолжается процессом блока (1602), где начинается управление по контуру регулирования. Контроль затем переходит к операции блока (1603). На этом этапе устройство управления изучает входные данные от операционного блока (1611), которые включают окружающую температуру и нагрузку газовой турбины (в частности, выхлопы газовой турбины в ПГРТ в данном контуре регулирования). В соответствии с характеристической кривой, заложенной в данное программное обеспечение, устройство управления определяет поток выхлопов газовой турбины. Используя входные данные прямой подачи для требуемого паровой турбиной потока пара и потока пара, уже произведенного другими ПГРТ, на операционном блоке (1604) устройство управления рассчитывает заданный поток пара как требуемый паровой турбиной поток за вычетом потока от других ПГРТ. Управление продолжается в направлении блока принятия решений (1605) и сравнивает поток пара, необходимый ПГРТ, с оптимальным потоком для экономайзера высокого давления.

Если электростанция работает с уменьшенной нагрузкой, управление переходит к операционному блоку (1606). На этом этапе работы поток экономайзера высокого давления ниже оптимального, требуемого от ПГРТ. По этой причине в выхлопных газах газовой турбины будет содержаться больше тепла, чем можно регенерировать в ПГРТ. В качестве первого этапа уменьшения нагрузки управление начинает модулировать клапаны (960) и (967) в направлении закрытия для уменьшения потока питающей воды через параллельный контур нагревания. После полного отсоединения данного контура вторая фаза управления понижает выработку энергии газовой турбины. Теперь управление возвращается в начальный операционный блок (1602).

Из блока принятия решений (1605), если поток, необходимый для ПГРТ, выше оптимального потока экономайзера высокого давления, управление переходит к операционному блоку (1620). Если газовая турбина работает при меньшей нагрузке, чем полная, первая фаза управления заключается в увеличении нагрузки газовой турбины. Как только газовая турбина начнет работать с полной нагрузкой, клапан (967) открывается для начала нагрева питающей воды в параллельном контуре. Используя входные данные прямой подачи в операционный блок (1610) о давлении в секции испарителя и температуре на выходе из экономайзера высокого давления, клапан (967) модулируется для обеспечения оптимальной температуры воды на выходе из экономайзера высокого давления. Насос (932) начинает работать, как только поток начнет проходить через клапан (967).

Теперь управление переходит к блоку принятия решений (1621). Если необходимый для ПГРТ поток пара меньше, чем оптимальный поток экономайзера низкого давления, управление переходит к операционному блоку (1622). При данной нагрузке электростанции все еще отсутствует потребность в нагревании питающей воды низкого давления, так как тепло в более чем достаточном количестве для нагрева питающей воды содержится в выхлопных газах экономайзера низкого давления. По этой причине клапан (960) закрыт. Управление возвращается к начальному операционному блоку (1602).

Из блока принятия решений (1621), если необходимый для ПГРТ поток пара больше, чем оптимальный поток пара экономайзера низкого давления, управление затем переходит к операционному блоку (1623). При данной нагрузке традиционной электростанции нагревание питающей воды низкого давления необходимо, так как в выхлопных газах имеется недостаточно тепла для нагрева питающей воды в экономайзере низкого давления. По этой причине клапан (960) изменяется для контроля за потоком через экономайзер низкого давления до его оптимальной величины. Контроль возвращается к начальному операционному блоку (1602).

Пример способа осуществления контроля за всей станцией

При обеспечении логической организации управления всей станцией, некоторые первостепенные задачи включают достижение повышения эффективности и постоянства низкого уровня выбросов. Эти цели являются наиболее достижимыми при эксплуатации газовых турбин при полной нагрузке или близко к полной нагрузке. Логика управления для совокупного управления комбинированным циклом в данном примере будет сосредоточена на достижении именно этих целей. Очевидно, специалисту понятно, что для достижения иных целей эта схема управления может быть легко переориентирована на достижение иных приоритетов.

Основной контур управления

На Фиг.17 управление начинается в (1701) и переходит к операционному блоку (1702), где начинается управление по контуру регулирования. Управление затем переходит к операционному блоку (1704). На этом этапе устройство управления изучает входные данные операционного блока (1703), включающие текущую общую нагрузку станции и ссылку по нагрузке (желаемый уровень нагрузки). В соответствии с этими данными устройство управления определяет требования к изменению нагрузки. На блоке принятия решений (1705) устройство управления изучает необходимость изменения нагрузки. Если такая необходимость в изменении нагрузки отсутствует, управление возвращается в начальный операционный блок (1702).

Если требуется изменение нагрузки, управление переходит к блоку принятия решений (1706), где необходимо определить, требуется уменьшение или увеличение всей нагрузки электростанции. Если ее необходимо увеличить, операционное управление следует передать подпрограмме увеличения выработки (1708). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой на Фиг.18. Если нагрузку необходимо уменьшить, операционное управление следует по процедуре подпрограммы уменьшения выработки (1707). Пример варианта этой процедуры проиллюстрирован блок-схемой на Фиг.19.

Подпрограмма увеличения выработки

Согласно Фиг.18 подпрограмма увеличения выработки начинается с этапа (1801) и переходит к блоку принятия решений (1802). Если электростанция не находится в переходной зоне функционирования (этап, где одна газовая турбина находится в процессе ввода или вывода из эксплуатации), тогда управление переходит к блоку принятия решений (1804). Отметим, что согласно Фиг.43, переходная зона функционирования находится в диапазоне от 70 до 80% нагрузки электростанции. Для достижения различных целей указанный диапазон может меняться специалистами.

Если электростанция находится в переходной зоне функционирования, процесс переходит к подпрограмме переходного регулирования (1805). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой Фиг.20. Затем управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803). Все возвраты процесса к этому блоку (1803) возвращаются к блоку подпрограммы в соответствии с Фиг.17 (1708), и в конце концов — к начальному операционному блоку общего управления всей станцией (Фиг.17, 1702).

От блока принятия решений (1804) при условии работы всех газовых турбин станции процесс переходит к блоку принятия решений (1820). На этом стыке устройство управления определяет, работают ли все газовые турбины с полной нагрузкой. Так как лучшим методом достижения поставленных задач является эксплуатация всех газовых турбин с полной нагрузкой, то, если все газовые турбины не работают с полной нагрузкой, управление переходит к операционному блоку (1821), где нагрузка на одной или более газовых турбинах увеличивается. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).

Из блока принятия решений (1820), если все газовые турбины работают с полной нагрузкой, управление переходит к блоку принятия решений (1822). Этот блок определяет, не работает ли паровая турбина или ПГРТ на своем верхнем пределе функционирования. Для ПГРТ это обычно температура дополнительного горения, для паровой турбины — величина входного давления. Это может быть также функциональным пределом по производительности и иному параметру. Если любой из таких пределов достигнут, управление переходит к операционному блоку (1823), который включает лампочку в диспетчерской, сигнализирующую операторам, что электростанция работает на полную мощность. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).

От блока принятия решений (1822), если паровая турбина или ПГРТ не достигли верхнего предела функционирования, управление переходит к операционному блоку (1824), где увеличивается поток топлива к ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).

От блока принятия решений (1802), если все газовые турбины не принимают участия в работе станции, процесс переходит к блоку принятия решений (1810). На этом стыке устройство управления определяет, все ли газовые турбины, принимающие участие в работе, работают с полной мощностью. Поскольку лучшим методом достижения поставленных целей является работа газовых турбин с полной нагрузкой, в случае если все газовые турбины не достигли полной нагрузки, управление переходит к операционному блоку (1811), где увеличивается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).

От блока принятия решений (1810), если все газовые турбины работают с полной нагрузкой, управление переходит к блоку принятия решений (1812). Этот блок определяет, достигли ли паровая турбина или ПГРТ верхнего предела функционирования. В дополнение к пределу по температуре или давлению это может быть также эксплуатационным ограничением по производительности или иным требованиям системы. Если одно из этих ограничений достигнуто, управление переходит к подпрограмме переходного регулирования, операционному блоку (1813). Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Затем управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1803).

От блока принятия решений (1812), если паровая турбина или ПГРТ не достигли верхнего предела функционирования, управление переходит к операционному блоку (1814), где увеличивается поток топлива к ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).

Подпрограмма уменьшения выработки

В соответствии с Фиг.19 процедура уменьшения выработки начинается с этапа (1901) и переходит к блоку принятия решений (1902). Если станция работает не в переходной зоне (этап, где одна газовая турбина находится в процессе ввода или вывода из эксплуатации), управление переходит к блоку принятия решений (1904). Отметим, что согласно Фиг.43 переходная зона функционирования находится в диапазоне от 70 до 80% нагрузки электростанции.

Если электростанция находится в переходной зоне функционирования, процесс переходит к подпрограмме переходного регулирования (1905). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой Фиг.20. Затем управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1903). Все возвраты процесса к этому блоку (1903) осуществляются в соответствии с Фиг.17 (1707), и в конце концов осуществляется переход к начальному операционному блоку общего управления всей станцией (Фиг.17,1702).

От блока принятия решений (1904) при условии работы всех газовых турбин процесс переходит к блоку принятия решений (1920). На этом стыке устройство управления определяет, работают ли паровая турбина или ПГРТ на нижнем пределе функционирования. Для ПГРТ и паровой турбины эти пределы устанавливаются инженерами станции, которые определяют оптимальную точку для начала отключения газовой турбины. Если ни один из этих пределов не достигнут, управление переходит к операционному блоку (1921), где уменьшается подача топлива в ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

От блока принятия решений (1920), если газовая турбина или ПГРТ находятся на нижнем пределе функционирования, управление переходит к блоку принятия решений (1922). Если выработка электростанции превышает верхний предел переходной зоны функционирования, управление переходит в операционный блок (1924), где уменьшается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

От блока принятия решений (1922), если выработка станции достигла верхнего предела переходной зоны функционирования, управление переходит к (1923), подпрограмме переходного контроля. Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

От блока принятия решений (1904), если все газовые турбины не принимают участия в работе станции, процесс переходит к блоку принятия решений (1910)). На этом стыке устройство управления определяет, работает ли паровая турбина или ПГРТ на нижнем пределе. Для ПГРТ и паровой турбины эти пределы устанавливаются инженерами станции, которые определяют оптимальную точку для начала отключения газовой турбины. Если ни один из этих пределов не достигнут, управление переходит к операционному блоку (1911), где уменьшается подача топлива в ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

От блока принятия решений (1910), если газовая турбина или ПГРТ находятся на нижнем пределе функционирования, управление переходит к блоку принятия решений (1912). Если выработка электростанции превышает верхний предел переходной зоны функционирования, управление переходит в операционный блок (1914), где уменьшается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

От блока принятия решений (1912), если выработка станции достигла верхнего предела переходной зоны функционирования, управление переходит к (1913), подпрограмме переходного контроля. Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).

Функционирование в переходной зоне

В соответствии с Фиг.20 подпрограмма переходного контроля начинается в (2001) и переходит к блоку принятия решений (2002). Если необходимо увеличить нагрузку, операционное управление переходит к блоку принятия решений (2010).

Если электростанция функционирует на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2011) и начинает работать дополнительная газовая турбина. Затем управление возвращается к операционному блоку (2012). На этом этапе нагрузка электростанции изменяется в соответствии с предписанной программой выработки газовой турбины и паровой турбины, в частности в переходный период работы. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).

Если требуется уменьшение нагрузки, операционное управление переходит к блоку принятия решений (2020).

Если электростанция функционирует на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2021), газовая турбина выводится из работы и отключается. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).

Если электростанция не находится на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2022), где нагрузка модулируется в соответствии заданной программой выработки для газовых и паровых турбин для переходной зоны функционирования. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).

Описанный способ управления ПГРТ и электростанцией продемонстрировал, насколько позитивно могут применяться в работе электростанции преимущества настоящего изобретения. Необходимо отметить, что в приведенных примерах систем управления в соответствии с блок-схемами, показанными на Фиг.16-20, могут быть добавлены или опущены некоторые частные этапы, не влияющие на универсальный подход в соответствии с настоящим изобретением или объем изобретения.

Суть преимуществ настоящего изобретения сводится к тому, что между тем, как большое количество схем управления может быть вовлечено в решение задач снижения общих издержек и сбережения окружающей среды, базисное использование ПГРТ с единым уровнем давления (или близким к единому) в соединении с дополнительным горением способно улучшить общие экономические показатели и уменьшить, связанные с охраной окружающей среды в сравнении с технологиями производства существующих электростанций. Более того, предлагаемый новый способ эксплуатации электростанции и получения максимума энергии при широком диапазоне нагрузок и одновременном поддержании режима полной нагрузки газовой турбины (в противоположность предшествующему уровню техники) ставит предлагаемую технологию управления на уровень высоких достижений в области проектирования систем управления электростанциями.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Многочисленные нововведения настоящего изобретения будут описаны с определенными ссылками на предпочтительный вариант реализации, где эти нововведения являются особенно выигрышными для решения специфических проблем электростанций, работающих в режиме комбинирования циклов с высокой плотностью энерговыделения. Однако необходимо понимать, что такой вариант являлся бы всего лишь примером выгодного использования инноваций настоящего изобретения. В целом предложения, содержащиеся в описании настоящего изобретения, не обязательно ограничивают любое из различных заявляемых пунктов патентной формулы. Более того, некоторые утверждения могут относиться к одним признакам изобретения, но не относиться к другим.

Модернизированные системы

Сегодня по-прежнему находят применение многие электростанции, работающие на атомном, угольном или мазутном топливе. С возрастанием влияния конкуренции на рынке электроэнергии, побуждающей к эффективной эксплуатации, факторов озабоченности состоянием окружающей среды с точки зрения парникового эффекта и выбросов загрязняющих веществ, модернизация существующих паровых турбоэлектростанций и трансформирование их в электростанции с комбинированием циклов становится все более подходящим выходом из положения. Однако традиционные электростанции с комбинированием циклов вырабатывают пар на трех уровнях давления, в то время как существующие паровые турбины на традиционных паровых электростанциях спроектированы для использования только пара высокого давления.

В информационной брошюре General Electric “Паровые турбины для систем STAG™ с комбинированием циклов для производства электроэнергии” М. Босса (GER-3582Е, 1996) (GE informative document GER-3582E (1996), entitled «Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems», by M. Boss) автор описывает основное отличие паровой турбины традиционной паровой электростанции от паровой турбины традиционной электростанции с комбинированием циклов:

«Массовый расход в выхлопах электростанции с комбинированием циклов в системе трехуровневого давления может превышать на 30% поток у дроссельной заслонки. Это прямо противоположно условиям многих электростанций с топливньми котлоагрегатами, где поток выхлопа на 25-30% меньше, чем поток у дроссельной заслонки, за счет экстракций пара из турбины тепла в процессе многоступенчатого нагревания питающей воды.»

Указанное явление значительно усложняет модернизацию традиционных паровых электростанций с трансформацией их в традиционные электростанции с комбинированием циклов на основе предшествующего уровня техники. Так как обычные паровые электростанции допускают наличие входного пара только под высоким давлением, они не приспособлены для поступления пара промежуточного и низкого давления, вырабатываемого ПГРТ традиционной системы с комбинированием циклов. Для того чтобы быть эффективными, как уже обсуждалось, традиционные электростанции с комбинированием циклов, известные из уровня техники, имеют соотношение энергий паровой/газовой турбин на уровне приблизительно 0,5:1. По этой причине для модернизации традиционной паровой электростанции мощностью 400 МВт с трансформацией в традиционную электростанцию с комбинированием циклов и увеличения общей мощности электростанции до 1200 МВт потребовалась бы газовая турбина мощностью 800 МВт. Существующая инфраструктура, топливные магистрали, объекты недвижимости (площадь) и, что наиболее важно, высоковольтные линии могут не иметь соответствующих размеров или характеристик для такого повышения рабочих значений (увеличения на 200%).

Кроме того, для получения высокого уровня эффективности в системе с комбинированием циклов предшествующего уровня техники необходимо было бы модифицировать паровую турбину так, чтобы она могла принимать пар промежуточного и низкого давления, а также модифицировать весь паровой тракт (внутренние компоненты, включая вращающиеся или стационарные лопасти), так как коэффициент соотношения выхлопного пара к пару у дроссельной заслонки изменился бы с 0,75 для традиционной паровой электростанции до 1,30 для традиционной электростанции с комбинированием циклов, а это изменение в 1,73 раза (1,3/0,75). Это весьма значительное изменение парового тракта паровой турбины является дорогостоящей процедурой и, возможно, повлечет за собой некоторые ограничения, так как существующий корпус турбины может быть непригоден для переконструирования. Усложняет ситуацию и то, что большая часть имеющегося на реальной паровой электростанции оборудования (конденсаторы, насосы, трубы и т.д.) непригодны для традиционной конструкции системы с комбинированием циклов. А такие объекты, как нагреватели питающей воды, вообще не используются в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.

Многочисленные варианты настоящего изобретения, однако, являются идеальным решением проблемы модернизации традиционных паровых электростанций для трансформации их в электростанции с комбинированием циклов. Так как в ряде случаев в соответствии с настоящим изобретением задается выработка пара в основном высокого давления, настоящее изобретение является идеальным вариантом для такой модернизации. Современная технология комбинирования циклов вырабатывает пар под давлением до 1800 psia, а обычным стандартом коммунальных служб для паровых электростанций является давление 2400 psia, которое как раз является предпочтительным на впуске в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения. Кроме того, поскольку настоящее изобретение допускает использование более высокого соотношения энергии паровой/газовой турбин (например, приблизительно 1,2: 1,0), для модификации традиционной паровой электростанции мощностью 400 МВт в эффективную электростанцию с комбинированием циклов необходимо только 330 МВт мощности газовой турбины, как описано в некоторых вариантах настоящего изобретения. Также многое оборудование традиционной паровой электростанции, включая паровую турбину, нагреватели питающей воды, конденсаторы, насосы и иные вспомогательные объекты оборудования, может быть использовано практически без каких-либо изменений.

Сравнение модернизации — варианта реализации изобретения и предшествующего уровня техники

В патентах США 5375410 и 5442908 Бриш и Костанцо (Briesch and Costanzo) предложена электростанция гибридного стиля, подходящая для использования при модернизации, но и там предлагается использовать ПГРТ трехуровневого давления. Однако в них не предусмотрено использование дополнительного горения, а также охлаждение выхлопных газов ПГРТ питающей водой. Модернизированные таким образом электростанции работают, как традиционные с комбинированием циклов в случае неиспользования котельного топлива. Для сравнения в настоящем изобретении используют котельное топливо и/или дополнительное горение ПГРТ, обеспечивая наилучшие соотношения между видами топлива, экономией затрат по топливу, требованиями частичной нагрузки и/или уровнями выбросов вредных веществ.

Пример для сравнения результатов модернизации существующих паровых электростанций проиллюстрирован Фиг.44. В этом примере модернизации подвергается паровая электростанция, проектные номинальные условия которой составляют давление пара на впуске 2400 psia (фунтов на квадратный дюйм, избыточное давление) при единых температуре повторного нагревания и температуре входной/повторного нагревания на уровне 1050°F. Такие характеристики пара обычно связаны с использованием ископаемого топлива, такого, как уголь или нефть. Хотя паровая турбина электростанции находится в хорошем состоянии, могут возникать трудности, связанные с экологическими стандартами, дорогостоящим ремонтом котла, экономическими факторами рынка электроэнергии. Любой из этих факторов или их совокупность являются для владельцев электростанции стимулом к рассмотрению возможности переоснащения существующей электростанции путем ее трансформации в более экологически чистую и эффективную электростанцию с комбинированием циклов.

Традиционная паровая электростанция мощностью 400 МВт имеет тепловую мощность 7620 BTU/кВт·ч. Если топливо является дорогостоящим, будет рентабельна ее модернизация в электростанцию с комбинированием циклов. Однако электростанция может (частично благодаря пониженной тепловой мощности) иметь низкую оценочную стоимость. В данном примере предполагается, что электростанция оценена в 50 миллионов долларов США, что соответствует только 125 долларов за 1 кВт. При низкой стоимости топлива модернизация может быть экономически неоправданна.

При планировании экономических показателей модернизации необходимо выбрать лучшие комбинации оборудования, которые максимально увеличат эффективность и мощность электростанции. Конструкция большой паровой турбины, как в данном примере, ее конструкция будет подобна показанной на Фиг.51. Как видно из этой иллюстрации, вращающиеся и стационарные лопасти в корпусе высокого/промежуточного давления в левой части изображения гораздо меньше по размеру тех, которые предназначены для корпусов низкого давления — в правой части. Хотя набор лопастей в корпусе низкого давления может быть изменен, это потребует изменения и самого корпуса, что повлияет на фундамент, поддерживающую конструкцию и конденсаторы. Фундамент, поддерживающая конструкция и конденсаторы, имеющие отношение к корпусам низкого давления, это большие тяжелые компоненты, замена которых трудоемка и дорогостояща. По этой причине желательно использовать корпуса низкого давления паровой турбины с небольшими или вообще без каких-либо модификаций и вносить изменения в путь следования пара только в секциях высокого/промежуточного давления.

Для максимального увеличения секции низкого давления существующей паровой турбины желательно привести уровень выхлопов новой электростанции с комбинированием циклов к уровню бывшей паровой электростанции, приблизительно в объеме 1,587,000 Ib/hr. При использовании стандартной модели PG 7241 (FA) компании General Electric в качестве двигателя газовой турбины в данном варианте и ПГРТ трехуровневого давления общее производство пара в данной газовой турбине будет составлять только 528,000 Ib/hr. По этой причине для такой модернизации в предшествующем уровне техники понадобились бы три газовые турбины указанной модели. Такая электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники после модернизации будет иметь мощность приблизительно 800 МВт и тепловую мощность 6040 BTU/кВт·ч. Однако, значительно уменьшив поток в секциях высокого/промежуточного давления существующей паровой турбины, необходимо изменить комплект лопастей в этих секциях. В связи с низкими объемными расходами потока давление на впуске паровой турбины будет уменьшено до 1800 psia. Мощность модернизированной паровой турбины будет составлять 300 МВт. Необходимо отметить, что поскольку комбинированный цикл предшествующего уровня техники не использует нагреватели питающей воды, последние не будут принимать участия в работе. В целом модернизация станции, включая изменения в секции высокого/промежуточного давления паровой турбины, обширна и дорогостояща, и для осуществления такой модернизации паровой турбины выделено 10 миллионов долларов США.

В соответствии с настоящим изобретением имеются по меньшей мере два варианта модернизации, обеспечивающих трансформируемость. В первом варианте используется только одна стандартная промышленная модель газовой турбины General Electric и ПГРТ. Этот вариант требует большой интенсивности дополнительного горения, но также обеспечивает производство большого количества пара. При таком же потоке выхлопов, что и у традиционной паровой электростанции, потоки во впускное отверстие паровой турбины составляют приблизительно 93% уровня традиционного проекта паровой электростанции. Поэтому эта паровая турбина может использоваться без изменения, с уменьшением давления на впуске только на 7% в стандартном режиме. Кроме того, этот проект использует существующие нагреватели питающей воды. Мощность измененной паровой турбины будет составлять приблизительно 375 МВт при уровне тепловой мощности всей электростанции с комбинированием циклов 6235 BTU/кВт·ч.

Второй вариант предусматривает две стандартные промышленные газовые турбины модели PG7241(FA) General Electric и парогенераторы регенерации тепла. В этом варианте поток выхлопов паровой турбины превышает проектный уровень на 15%. Приблизительно в таком же соотношении увеличится давление выхлопов, и общий уровень эффективности будет меньше. В этом варианте реализации изобретения потоки пара впускного отверстия составляют 87% от проектной величины паровой электростанции, поэтому паровая турбина может использоваться без изменений, но с уменьшенным давлением на впуске. Такой проект также сможет использовать существующие нагреватели питающей воды. Мощность измененной паровой турбины для второго варианта составит примерно 395 МВт, а тепловая мощность всей электростанции с комбинированием циклов 6060 BTU/кВт·ч.

В таблице на Фиг.44 приведены данные для различных вариантов модернизации. Как было описано ранее, конечным определяющим фактором является экономическая оценка. Если стоимость топлива или коэффициент использования электростанции невелики, модернизация может быть неоправданна. Повышение стоимости топлива может диктовать условия повышения эффективности электростанции, но при разумном уровне себестоимости. Ограничения по поставкам топлива, мощности линий электропередачи или площадям могут создавать ограничения по выработке энергии или количеству единиц оборудования. В конечном итоге, реализация в соответствии с настоящим изобретением предлагает большее количество вариантов, лучшие эксплуатационные режимы для существующих паровых турбин, меньшие изменения в инфраструктуре и более низкие затраты по сравнению с затратами на модернизацию электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники.

Электростанции с комбинированием циклов

Настоящее изобретение особенно подходит для применения в электростанциях с комбинированием циклов, где в настоящее время имеется тенденция к использованию газовых турбосистем с комбинированием циклов. Характеристики настоящего изобретения привлекательны для таких систем, благодаря уменьшению количества единиц оборудования, сокращению производственных площадей и капитальных затрат. Например, при использовании настоящего изобретения целесообразно проектировать электростанции высокой плотности энергии с комбинированием циклов, если начальный размер капитальных затрат на 25% ниже, чем у такой же системы предшествующего уровня техники.

Так, известная из уровня техники традиционная станция с комбинированием циклов стоимостью 340 млн. долларов (см. Фиг.25) с использованием методов настоящего изобретения может быть построена за 240 млн. долларов капитальных затрат (см. Фиг.27). Первичная экономия составляет 100 млн. долларов. Эта экономия эквивалентна экономии 10 млн. долларов в год, если процентная ставка составляет 8% и амортизация — 20 лет. Предположив, что стоимость топлива для электростанции предшествующего уровня техники мощностью 725 МВт составляет 93,4 млн долларов в год (см. Фиг.25), ежегодная экономия 10 млн долларов соответствует 10,7% совокупных годовых затрат на топливо для такой электростанции. Это означает, что, с точки зрения количества используемого топлива, настоящее изобретение может быть менее эффективно (на 10,7%) по сравнению с современными системами с комбинированием циклов и одновременно более экономически выгодным. Очевидно, что целью настоящего изобретения является достижение эффективности использования топлива и экологической эффективности. Таким образом, можно достичь значительной экономии за весь период существования станции.

Во многих новых конструкциях электростанций или в ситуациях, когда электростанция является модернизированной или усовершенствованной на базе существующей, количество площади для строительства новой станции является фиксированным. Таким образом, возможность при использовании настоящего изобретения обеспечивать равное количество выработанной энергии с меньшими затратами на площадь для электростанции делает изобретение привлекательным, особенно когда общая эффективность станции может поддерживаться на том же или более высоком уровне.

Кроме того, обеспечение возможности работать эффективно в широком диапазоне частичной нагрузки является большим достоинством настоящего изобретения по сравнению с существующим уровнем техники, как с точки зрения эффективности топлива, так и с точки зрения вредных выбросов. В заключение необходимо сказать, что изобретение позволяет уменьшить общий выброс тепла электростанции высокой мощности, что является очень привлекательным моментом с точки зрения снижения негативного влияния израсходованного тепла на окружающую среду, особенно с учетом последних исследований глобального потепления и т.п.

Жидкости транспортировки энергии

Как известно специалистам, предпочтительным для транспортировки энергии является использование жидкостей, состоящих в основном из воздуха в верхнем цикле пара и/или горячей воды в нижнем цикле. В то же время настоящее изобретение допускает использование широкого спектра других видов жидкостей, включая аммиак, хлорированный фторированный углеводород, нефтепродукты и т.д.

Это лишь некоторые примеры видов жидкостей для транспортировки энергии, и в контексте настоящего изобретения, при любом упоминании жидкости для транспортировки энергии, это понятие в соответствии с настоящим изобретением необходимо рассматривать как самое широкое для соответствующего применения.

Горючее топливо и/или источники топлива/тепла

Как известно специалистам, в предпочтительных вариантах используются виды горючего топлива, состоящие в основном из природного газа, при этом настоящее изобретение допускает использование широкого спектра видов другого жидкого топлива, включая топливо на основе углеводорода, ископаемое топливо, топочный мазут, дизельное топливо и керосин. Конечно, разные виды топлива могут быть использованы отдельно или в комбинации, как в системах с использованием смешанных видов топлива, которые также включены в объем настоящего изобретения. В контексте настоящего изобретения упоминаются лишь некоторые виды горючего топлива, но при любом упоминании горючего топлива необходимо учитывать самое широкое применение этого понятия для соответствующего применения в соответствии с настоящим изобретением.

Точно так же любое упоминание термина «топливо/источник тепла», даже конкретное упоминание тепла от сжигания природного газа, может также включать тепло, образованное от сжигания любого топлива, определенного выше, но также может включать полностью или частично тепло, выработанное геотермическим источником, атомным реактором в результате расщепления атомного ядра, косвенного горения и/или иными источниками энергии.

Двигатель газовой турбины

После отказа от регулирования рынка электроэнергии наблюдался всплеск активности среди разработчиков, старающихся первыми вывести на рынок электростанции новой мощности. Стратегия разработчиков заключалась в том, что после строительства достаточного количества электростанций в отдельном регионе банки и иные финансовые учреждения будут неохотно откликаться на предложения о финансировании строительства дополнительных электростанций в этом регионе. Поэтому общая точка зрения такова, что в экономической гонке побеждает тот, кто построит станцию первым.

Такая ситуация на рынке оказала влияние на производителей газовых турбин. В настоящее время (второй квартал 1999 г.) существует очередь приблизительно на три года по газовьм турбинам производства «General Electric». В последние годы ожидание на выполнение заказа на одну такую газовую турбину составляло менее 10 месяцев. Это также подчеркивается в POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929. March/April 1999, h/13):

«Газовые турбины, которые продавались с небольшой прибылью в последние несколько лет, вдруг пользуются спросом на покупку, подобно акциям с «dot-com» адресом, когда коммунальные службы и независимые производители энергии торопятся осваивать мощность по всей Северной Америке. Некоторые компании заказывают десятки турбин, закрывая таким образом производственные мощности основных производителей на многие годы вперед.»

Такой рост спроса на газовые турбины не только значительно поднял их отпускную цену, но затруднил само приобретение некоторых моделей газовых турбин без ожидания в очереди в течение 2-4 лет. Поэтому в рамках настоящего изобретения сделана попытка обойти эту проблему путем производства большого количества энергии в паровой турбине. Это снижает потребность в большой мощности газовой турбины, а в некоторых вариантах настоящего изобретения может быть достигнута удвоенная мощность за счет использования газовых турбин, которые использовались в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.

Двигатель газовой турбины производства Вестингхаус модель 501G

Двигатель газовой турбины модели 501G является следующим шагом в технологии класса «F». Двигатели технологии класса “G” характеризуются большими соотношениями давлений, более совершенными материалами, из которых произведены лопасти, а также температурой горения до 2600°F. Во избежание серьезных тепловых деформаций или иных повреждений в связи с высокой температурой в секции топочной камеры/турбины этих газовых турбин необходимо подавать пар в газовую турбину для охлаждения. Таким образом, в этой новой технологии надлежащее функционирование газовой турбины зависит от парового цикла. Такой вариант организации оборудования обеспечивает более высокую эффективность комбинированного цикла при полной нагрузке, однако в этой технологии имеются и некоторые недостатки. Некоторые из них описаны ниже:

1. Технология еще не была проверена.

2. Цикл не очень приспособляем, так как дополнительное горение ограничено менее чем десятью процентами прироста энергии. Кроме того, дополнительное горение уменьшает общую эффективность электростанции.

3. При более высоких температурах горения NOX формируется быстрее и ожидаемый уровень NOX составляет 42 РРМ по природному газу против 9 РРМ по газовой турбине данной модели.

4. При наличии интегрированной системы охлаждения пара в секции горения модели 501G, возникает потребность в ультрачистом паре. Так как проходы охлаждающего пара в компонентах газовой турбины невелики по размеру, отложения и наросты, которые могут образовываться при нечистом паре не допускаются. Поэтому для производства высокочистого пара необходимы специальные системы тонкой очистки конденсата.

5. Изучение баланса тепла для модели 501G показывает, что некоторая часть этого охлажденного пара потребляется газовой турбиной (возможно при проходе секции турбины). Для электростанции с комбинированием циклов модели 2Х 501G эта часть пара составляет от 35,000 до 45,000 Ib/hr. Это повышает требования к заправочной воде, увеличивает нагрузку на системы тонкой очистки конденсата, а кроме того, это потребление может увеличиваться со временем, так как небольшие протоки, откуда происходит утечка, увеличивается в размере по мере развития тепловых деформаций, эрозии или иных факторов, что пагубно влияет на эффективность.

6. Большинство комбинированных циклов для улучшения эффективности работают с изменяемым давлением в паровом цикле. Однако охлажденный пар, истекающий из котла промежуточного давления в ПГРТ, для адекватного охлаждения должен поддерживаться при почти постоянном давлении. Это снижает производительность в условиях частичной нагрузки по сравнению даже с традиционными электростанциями с комбинированием циклов.

7. С учетом более высокого соотношения давлений при эксплуатации модели 501G необходим уровень давления топливного газа от 600 до 650 psia, в то время как для модели FA производства General Electric — от 350 до 370 psia. Производство трубопроводов в основном не обеспечивает выполнения этих требований, таким образом, потребуются компрессоры топливного газа в тех случаях, когда двигатели технологии класса «F» в них не нуждаются.

8. Таким газовым турбинам требуется более трех часов для достижения режима полной нагрузки, что ограничивает их использование в периоды пиковых нагрузок, тогда как двигатели технологии класса «F» достигают полной нагрузки всего за тридцать минут.

Таким образом, очевидно, что более технологичные двигатели (включая предлагаемые двигатели класса «Н» компании «General Electric») имеют множество возможностей для увеличения производительности системы с комбинированием циклов на несколько процентов, однако для достижения этого относительно небольшого повышения требуют применения ограничивающей, дорогостоящей и сложной технологии. В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы некоторые перспективные двигатели, например, модель 501G (потребовались бы только некоторые изменения для охлаждающего пара), однако в основном рассматривается использование моделей PFA и иных промышленных систем производства компании General Electric, благодаря имеющемуся опыту их использования, простоте, низкому уровню выбросов и улучшенной эффективности.

Сравнение комбинированных циклов: Газотурбинные технологии “G”/»Н»и технология «F»

В свете либерализации рынка производства электроэнергии и, следовательно, возникновения конкурентных условий, вызванных такой либерализацией, промышленность по производству электроэнергии предпочитает теперь более совершенные и сложные средства производства энергии. Особенно среди систем с комбинированием циклов на основе газовых турбин стали предпочтительными газотурбинные технологии класса “G” и “Н”.

Однако использование такой технологии не лишено недостатков, как с экономической, так и с экологической точек зрения. В частности, газотурбинные технологии “G” и “Н” не обеспечивают необходимой гибкости в эксплуатации по сравнению с их предшественником — технологией “F”. Эти новые технологии требуют обязательной интеграции циклов паровой и газовой турбин, так как новые газовые турбины требуют охлаждения внутренних компонентов паром. Без соблюдения этого требования газовые турбины не будут работать. В этом случае паровой цикл не сможет отреагировать на изменение нагрузки так, как это возможно даже в предшествующем уровне техники, поскольку требования охлаждающего пара будут диктовать условия некоторой части произведенного пара.

Для контроля требований по нагрузке новые технологии, как и в существующем уровне техники, ориентированы на изменение функционирования газовой турбины. Однако благодаря существу интегрируемых циклов, эти технологии допускают использование дополнительного горения в небольшом объеме или вообще не допускают его использование. Это обстоятельство вместе с требованиями, предъявляемыми к станции в условиях работы с частичной нагрузкой, приводит к значительному уменьшению тепловой мощности при частичной нагрузке даже в сравнении с более старыми станциями, использующими “F” технологию, где прямая связь между охлаждением газовой турбины и эксплуатацией паровой турбины отсутствует. Таким образом, более новые газовые турбины обычно годятся для использования на электростанциях, работающих со стандартной нагрузкой. Это противоречит условиям работы с нагрузкой, изменяющейся по потребности в течение дня и от сезона к сезону, характерных для многих новых электростанций.

Кроме того, станции с использованием новых технологий имеют более высокие температуры горения, что приводит к необходимости использовать более экзотические материалы при их сооружении. Более высокие температуры, таким образом, приводят к значительно более высоким затратам на техобслуживание, а также к более высоким выхлопам NOX.

Кроме того, новые газовые турбины для достижения более высокой эффективности используют более высокие степени повышения давления в компрессоре двигателя. В результате появляется потребность в более высоком давлении природного газа на впуске, что во многих ситуациях требует введения компрессоров топливного газа. Компрессоры топливного газа потребляют много энергии, что приводит к снижению эффективности, увеличению себестоимости и уменьшению надежности электростанций с комбинированием циклов.

В свете ограничений гибкости в эксплуатации, производительности при работе с частичной нагрузкой, повышенного уровня NOX, требований возможной компрессии топливного газа и наряду с тем, что конструкции в технологиях “G” и «Н» не были проверены даже при краткосрочной эксплуатации, настоящее изобретение обращает внимание на использование более старых газотурбинных технологий, например технологии класса “F”. При этом настоящее изобретение позволяет разъединить газотурбинный и паротурбинный циклы с одновременным обеспечением возможности работы газовой турбины при максимальной эффективности по топливу и выбросам. Настоящее изобретение при использовании технологии “F” обеспечивает создание электростанции, у которой значительно улучшена производительность работы с частичной нагрузкой, гибкость, уменьшены выбросы и общая стоимость установки.

При уровне тепла в 6006 BTU/кВт·ч в соответствии с настоящим изобретением, против уровня 5830 BTU/кВт·ч для технологии “G” компании Westinghouse и 5690 BTU/кВт·ч для технологии «Н» компании General Electric, увеличение эффективности при стандартной нагрузке для этих более совершенных (тем не менее ограниченных с эксплуатационной точки зрения) электростанций с комбинированием циклов из существующего уровня техники составит только 3 и 5,5%. С учетом понижения производительности при частичной нагрузке, дополнительных затрат на техобслуживание, увеличения капитальных затрат и недостатка гибкости в эксплуатации, не очень вероятно, что технологии «G» и «Н» (даже с их значительно более высокой производительностью при работе с полной нагрузкой) предоставят такие экономические преимущества, которые достижимы при реализации настоящего изобретения в применении к электростанциям с комбинированием циклов.

Хотя выводы настоящего изобретения основаны на применении газотурбинной технологии “F”, они также соответствуют технологиям “G” и «Н», но при условии умелого подхода к производству газовых турбин. Необходимо однако обратить внимание, что настоящее изобретение не ограничивается привлечением того или иного производства, определенной модели газовой турбины, но применимо ко всему диапазону известных промышленных газовых турбин.

Предпочтительная модель разработки электростанции

Так как предпочтительный вариант представляет собой более гибкую систему с комбинированием циклов, он обеспечивает высокую эффективность (при полной и частичной нагрузке) и значительные преимущества по стоимости, связанные с большей плотностью энергии в соответствии с данным проектом. Способ выбора электростанции, оптимальной с точки зрения эксплуатации и финансирования, описан ниже.

Согласно блок-схеме Фиг.47 процесс начинается на стартовом блоке (4701) и переходит к блоку принятия решений (4702), где решается, будет ли рассматриваться строительство новой электростанции или переоснащение существующей. Если станция строится заново, операционный контроль переходит к блоку принятия решений (4704). Если электростанция представляет собой проект с использованием смешанного топлива, операционный контроль переходит к подпрограмме проекта смешанного топлива (4705). В противном случае, операционный контроль переходит к блоку (4706), где разработчик станции, используя информацию в (4707) и иную информацию о месте для предполагаемой станции, например — о мощности линий передач, площади местности и коммерческой стоимости электричества, отбирает желательную производительность электростанции с комбинированием циклов (CCR).

Зная производительность электростанции с комбинированием циклов, разработчик переходит к (4708) и, сравнивая полученные из (4709) данные, отбирает газовую турбину для предпочтительного варианта реализации комбинированного цикла из перечня выборок, как, например, на Фиг.29 (примечание — Фиг.29 дает лишь частичный перечень для демонстрационных целей). После выбора газовых турбин, можно определить их общую мощность (GTP). Перейдя к (4710), энергию паровой турбины (STP) можно рассчитать как CCR -GTP.

Исходя из энергии паровых турбин и общей мощности газовых турбин, операционное управление переходит к (4711), где рассчитывается соотношение энергии паровой/газовой турбин (STP/GTP). Операционный контроль теперь переходит к (4712), где определяется желательная эффективность и характеристики пара на основании типичной кривой, подобной той, которая изображена на Фиг.30. Операционный контроль теперь переходит к 4801 для проведения экономической оценки выбранного комбинированного цикла.

Согласно Фиг.48, экономическая оценка начинается в (4801) и переходит в блок (4802), где сравнивается информация о нагрузке, типах топлива, стоимости топлива, и иных факторах, перечисленных в (4803), для определения затрат по топливу и средних годовых затрат на конкретный вид топлива (US$/кВт·ч).

Процесс далее переходит в (4804), где сравнивается информация о стоимости оборудования, установке оборудования, финансировании и иных факторах, перечисленных в (4807), для определения капитальных затрат и среднегодовых капитальных затрат (US$/кВт·ч).

Процесс теперь переходит к (4806), где сравнивается информация о стоимости запасов, техобслуживания, инструментов, и иных факторах, перечисленных в (4807), для определения затрат на техобслуживание и среднегодовой стоимости техобслуживания (US$/кВт·ч).

Процесс переходит в (4808), где сравнивается информация о затратах на заработную плату сотрудникам, налоги, страховку и об иных факторах, перечисленных в (4809), для определения затрат на остальные нужды и их среднегодовой стоимости (US$/кВт·ч).

На основе данных о топливе, капитальных затратах, техобслуживании и данные о затратах на остальные нужды вместе с факторами, перечисленными в (4811), определяется полная экономическая модель для предполагаемой станции с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением.

Процесс переходит к блоку принятия решений (4812) для определения, приемлем ли выбранный вариант. Если да, то процесс переходит к (4813), где этот вариант сравнивается с другими приемлемыми вариантами. Операционный контроль направляется в определительный блок (4814). Если рассчитанный вариант оказывается преимущественным по сравнению с другими приемлемыми вариантами, он становится предпочтительным и сохраняется как таковой (4815). Операционный контроль продолжает двигаться к блоку принятия решений (4816). Если новый вариант не является предпочтительным, операционный контроль переходит к блоку принятия решений (4816), минуя (4815).

Из блока принятия решений (4816), если необходимо новые варианты, операционный контроль возвращается к процессу проектирования/финансирования (4701) на Фиг.47. В противном случае, процесс переходит к (4817), где предпочтительный вариант отбирается в качестве бизнес-плана для проекта комбинированного цикла и процесс заканчивается в (4818).

Модернизированные электростанции

Согласно Фиг.49, процесс переоснащения станции начинается в (4901) и переходит к блоку принятия решений (4902), где определяется, происходит ли модернизация станции для работы на смешанном топливе или нет. Если станция проектируется для гибридного топлива, процесс переходит к подпрограмме проектирования смешанного топлива (4903). После возвращения из этой подпрограммы процесс переходит к (4904) для определения экономических вопросов (см. Фиг.48).

Если станция не предназначена для работы на смешанном топливе, контроль переходит к блоку принятия решений (4905). На этом стыке необходимо определить, будет ли существующая паровая турбина изменена или будет использоваться «как есть». Если планируются изменения, процесс переходит к (4906), где новые параметры паровой турбины определяют в соответствии с данными блока (4907). Из этой точки процесс переходит к (4908). Из блока принятия решений (4905), если паровая турбина будет использоваться “как есть”, операционное управление переходит к (4908).

Сравнивая данные (4909), определяют параметры ПТ предлагаемого комбинированного цикла, и процесс переходит в (4910). При наличии данных о топливе, капитале и иных имеющих значение факторах, перечисленных в (4911), выбирают соотношение энергии паровой/газовой турбин. При переходе к блоку (4912), с использованием данных, подобных данным Фиг.29, можно выбрать газовые турбины. Теперь процесс переходит в (4801), где определяются экономические вопросы (см. Фиг.48).

Электростанции, работающие на смешанном топливе

Электростанции, работающие на смешанном топливе, могут использовать несколько видов горючего топлива для выработки энергии, а также атомные, геотермальные или иные источники тепла. Путем объединения комбинированного цикла, описанного в предпочтительном варианте настоящего изобретения, с циклом работы на смешанном топливе, возможно повышение общей производительности и экономических показателей.

В соответствии с блок-схемой Фиг.50, подпрограмма проектирования смешанного топлива начинается в блоке (5001). Управление переходит к блоку принятия решений (5002), где решается, будет ли использовано горючее топливо или такой источник тепла, как атомный или геотермальный. Если будет использоваться горючее топливо, процесс переходит к (5005), где выбирают газовые турбины для работы электростанции на смешанном топливе — в соответствии со стоимостью топлива, размером паровой турбины, желательными параметрами станции и иными факторами, как указано в (5006). Из этой точки подпрограмма возвращается в точку вызова.

Из блока принятия решений (5002), если используется атомный или геотермальный источник тепла, процесс переходит к (5003), где выбирают газовые турбины для станции, работающей на смешанном топливе, в соответствии со стоимостью топлива, размером паровой турбины, желательными параметрами станции и иными факторами, как указано в (5004). Из этой точки подпрограмма возвращается в точку вызова.

Общие положения

Как было отмечено выше, одним из важнейших преимуществ настоящего изобретения является его эксплуатационная гибкость. Это очевидно не только из возможностей выбора эксплуатационных параметров электростанции с комбинированием циклов, но также и способности осуществлять иные решения, такие как модернизация существующих паровых электростанций или компоновка циклов работы на смешанном топливе. Далее следует описание других вариантов, которые могут успешно использоваться при реализации настоящего изобретения.

Компоновка оборудования

В патенте США 5649416 Джеймс X. Мур (James Н. Moore) описывает различные варианты компоновки оборудования, которые включают газовые и паровые турбины, соединенные и ведомые общим генератором. Хотя вариант в соответствии с Фиг.26 показывает газовые турбины и паровую турбину, каждая со своим соответствующим генератором, нет причины настаивать на таком варианте использования компоновки оборудования. Настоящее изобретение предполагает реализацию новых системы и способа, а компоновка оборудования может соответствовать описанной Муром в его патенте, или при желании использоваться в ином виде. Таким образом, настоящее изобретение предполагает любую комбинацию конфигураций одновальной системы.

Другие верхние/нижние циклы

Настоящее изобретение обсуждалось в основном с точки зрения использования традиционных циклов Брейтона/Ренкайна для работы с комбинированием циклов. Однако необходимо отметить, что преимущества настоящего изобретения применимы также для иных циклов. Какие-либо реальные ограничения по использованию других циклов в настоящем изобретении отсутствуют, однако предполагается, что, в частности, цикл Калина General Electric (нижний цикл) может особенно подходить для использования при реализации настоящего изобретения.

Таким образом, в данном документе термины «нижний» и «верхний» циклы должны толковаться в самом широком смысле относительно возможности использования циклов Брейтона, Ренкайна, Калины и др., известных специалистам. Кроме того, необходимо отметить, что в данной системе с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением особенно предполагается использовать многократно повторяющиеся циклы.

Питающие насосы котла, работающие от небольших паровых турбин

В демонстрационных целях предполагалось, что питающие насосы котла, о которых говорилось в данном документе, работают от электродвигателей. Однако в более мощных паровых электростанциях эти насосы часто работают от небольших паровых турбин, которые называют турбины насосов котла. Турбины насосов котла имеют несколько преимуществ перед двигателями, наиболее важными из которых являются реакция на нагрузку и уменьшение нагрузки на лопасти у выхлопного отверстия.

Так как турбины насосов котла используют пар низкого давления на впуске (обычно меньше 200 psia), они обычно потребляют достаточное количество пара. Этот поток пара, используемого турбинами насосов котла, равен уменьшению пара в секции низкого давления основной паровой турбины. Это уменьшает нагрузку на лопасти последнего каскада и часто приводит к повышению производительности цикла.

Усовершенствованные характеристики пара

В патенте США 5628183 Райс (Rice) рассматривает исследования по более высоким температурам и давлению, проведенные в Европе, а также в США при содействии Министерства энергетики (Department of Energy (DOE)) и научно-исследовательского института электроэнергии (Electric Power Research Institute (EPRI)). Исследования включали работу солнечных турбин в рамках установочного проекта, разработанного для повышенной эффективности цикла с использованием входной температуры пара в паровой турбине 1500°F. Хотя долгосрочного наблюдения не проводилось, поскольку надежность повышенных уровней давления и/или температур пара подтверждены, эта технология может быть легко осуществлена на основе настоящего изобретения.

Прогресс в газотурбинной технологии

Развитие газотурбинной технологии ориентировано на использование более эффективных компрессоров, новой металлургии, более высоких температур горения, более высоких соотношений давления, а также иных способов воздействия на увеличение производительности. По мере развития и доступности этих достижений, газовые турбины будут пригодны для введения в рабочий цикл в соответствии с настоящим изобретением.

Некорродирующая секция низкого давления ПГРТ

Уже рассматривалась проблема вредного воздействия конденсата выхлопных газов газовых турбин и его способность вызывать коррозию трубы и ребер в секции низкого давления ПГРТ. Общедоступным способом избежать этой проблемы является подача в ПГРТ питающей воды, предварительно нагретой до температуры, значительно превышающей точку росы выхлопных газов газовой турбины, что предотвращает образование влаги на поверхностях теплообмена в ПГРТ. Этот способ был продемонстрирован в описании вариантов реализации изобретения в соответствии с Фиг.35 и 39.

Еще одним подходящим способом избежать указанную проблему является использование некорродирующего материала для изготовления труб и ребер в ПГРТ, обычно нержавеющей стали. В этом случае исключается необходимость предварительного нагрева питающей воды и обеспечивается возможность продолжения процесса охлаждения выхлопных газов газовой турбины, что позволяет реализовать регенерацию энергии вышеназванных газов даже на более высоком уровне. Нежелательным, однако, является дополнительная стоимость материала из нержавеющей стали. В ряде случаев эта стоимость может превосходить величину сэкономленной энергии. Но если цены на топливо велики, а стоимость материала относительно мала, такой вариант может быть экономически выгодным.

Комбинированный насос высокого/низкого давления

Для создания в паровом цикле необходимого уровня давлений обычно используется насос, накачивающий питающую воду до надлежащего давления. В некоторых примерах реализации изобретения, включая варианты на Фиг.9, 15, 35 и 39, указаны двойные насосы для обеспечения низкого и высокого давлений. Это могут быть насосы для многократной накачки, как показано на чертежах, или один насос. Во всех случаях они состоят из нескольких рабочих колес, которые последовательно нагнетают питающую воду. Насосное отделение с отверстиями в точках надлежащего давления может обеспечить промежуточное давление питающей воды, тогда как оставшаяся часть воды по-прежнему продолжает поступать в направлении выхода высокого давления. Возможны также иные варианты организации насосов. Предпочтительный вариант в соответствии с настоящим изобретением не ограничивает каким-либо образом размеры или модель насоса, а позволяет использовать любой насос или комбинацию насосов, которые обеспечивают соответствующее обслуживание.

Регенерация сбросной теплоты

При обсуждении электростанций с комбинированием циклов предшествующего уровня техники и характеристике настоящего изобретения упоминались потери, имеющие место из-за неэффективности оборудования в системе в целом. Например, в форме потерь генератора в связи с не идеальным (не нулевым) сопротивлением в его обмотке. В общем, большая часть потерь системы в любой электростанции с комбинированием циклов может исчисляться сбросной теплотой то есть теплотой, образованной, но не преобразованной в механическую или электрическую энергию. Потери в генераторе, питающем насосе котла, смазочных маслах, потери на излучении тепла газовой и паровой турбины в окружающую среду являются лишь некоторыми видами потерь теплоты в традиционной системе с комбинированием циклов. В традиционных системах с комбинированием циклов (известных из уровня техники) предполагается, что такие источники сбросовой теплоты обычно присутствуют, но не компенсируются, так как в таких конфигурациях электростанции стоимость регенерации тепла нерентабельна, а какие-либо стимулы для использования низкоэнергетической сбросовой теплоты в полезном виде отсутствуют.

В связи с избыточным количеством низкоэнергетической теплоты в выхлопных газах газовой турбины, в предшествующем уровне техники для обеспечения максимальной регенерации тепла используют ПГРТ многоуровневого давления. Несмотря на использование постоянно поддерживаемого дополнительного горения, уровень энергии в секции высоких температур ПГРТ равен или превышает уровень энергии в секции более низких температур, при постановке задачи подпитки нагреватели питающей воды при помощи отбора пара из паровой турбины, обычные устройства, работающие по циклу Ренкайна, в традиционных системах с комбинированием циклов предшествующего уровня техники не используются.

При увеличении потребности в низкоэнергетической теплоте в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться иные источники теплоты. В соответствии с Фиг.21, они включают потери в газовой турбине (2102), потери в генераторе паровой турбины (2110), а также иные потери. В этом случае низкотемпературная теплота, например, теплота от смазочного масла двигателя, потери теплоты в генераторе и воздушное охлаждение камеры газовой турбины могут использоваться для предварительного нагревания питающей воды и могут заменить пар, извлеченный для использования в низкотемпературных нагревателях питающей воды. Использование этой теплоты не только увеличивает тепловую мощность электростанции, но и уменьшает требования отвода тепла данной станции.

В указанных обстоятельствах настоящее изобретение в некотором смысле является уникальным, поскольку источники сбросовой теплоты могут использоваться вместе с нагревателями питающей воды (как показано на Фиг.15) для добавления тепла в воду, которая затем подвергается перегреву внутри ПГРТ. Такое практическое применение нагревателей питающей воды в предшествующем уровне техники не было возможным, так как для выполнения данной функции использовался ПГРТ, а нагревание питающей воды не предполагало для системы с комбинированием циклов предшествующего уровня техники создания каких-либо преимуществ. Таким образом, при разумном использовании нагревания питающей воды с дополнительным горением в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ эффективной регенерации тепла, которое в предшествующем уровне техники оставалось сбросовым теплом, не подлежащим регенерации.

Необходимо отметить, что возможность использования сбросовой теплоты на практике можно считать значительным усовершенствованием с точки зрения увеличения эффективности всей системы с комбинированием циклов. Рассмотрим, например, случай, в котором 1-2% сбросовой теплоты, вырабатываемой в системе, регенерируется и направляется на полезное использование. С учетом того, что электростанция с комбинированием циклов мощностью 1000 МВт потратит топлива приблизительно на 175 миллионов долларов США в год, а это означает, что увеличение общей производительности цикла даже на 1% будет приводить к значительной экономии по топливу (1,75 миллионов долларов США в год). За 20 лет существования электростанции, общая экономия топлива составит 35 миллионов долларов США. Таким образом, регенерация сбросовой теплоты при использовании настоящего изобретения представляет собой новый потенциал усовершенствования общей экономической эффективности электростанций с комбинированием циклов, который был практически недоступен при использовании предшествующего уровня техники.

Нельзя не отметить, что регенерация сбросовой теплоты на электростанции с комбинированием циклов является прямым повышением общей эффективности термального преобразования, обеспечивающим прямое уменьшение нагревания атмосферы. В связи с ростом обеспокоенности проблемой глобального потепления вопрос регенерации потерянного тепла должен стоять у разработчиков на одном уровне с вопросами уменьшения выбросов NOX и иных загрязняющих веществ. Поскольку согласно расчетам более 100,000 МВт дополнительных мощностей энергоустановок будет введено в эксплуатацию в последующие десять лет, вопросы сбросовой теплоты заслуживают пристального внимания лиц, заинтересованных в сохранении окружающей среды. Кроме того, поскольку заметная часть сбросовой теплоты электростанций с комбинированием циклов попадает в окружающую среду, это может серьезно повлиять на растительную и животную жизнь.

Рост числа геотермальных станций

Настоящее изобретение во многом применимо там, где существующие или предполагаемые электростанции с низким уровнем производительности будут дополнены газовой турбиной (1) для дополнения производства геотермальной энергии в целях удовлетворения требований заданных нагрузок; или (2) для замещения потерь или спада производства геотермальной энергии в случае существующей геотермальной электростанции. Так как количество единиц оборудования для геотермического монтажа как правило фиксированное, потеря эффективности или спад в производстве энергии существующей геотермальной электростанции может привести к нерентабельности ее эксплуатации. В некоторых случаях, спад потока геотермальной энергии может привести к закрытию электростанции, так как количество произведенной электроэнергии может упасть ниже критичной отметки, после которой работа электростанции считается непрактичной.

Настоящее изобретение может успешно применяться к этим ситуациям, в целом таким же образом, как оно применяется в случае регенерации сбросовой теплоты традиционной электростанции с комбинированием циклов. Единственным отличием является то, что «сбросовая теплота», используемая в настоящем изобретении, регенерируется из геотермального источника. Результатом использования геотермальной теплоты в соединении с газовой турбиной при оптимальном уровне горения является производство стабильного количества энергии (независимо от качества или стабильности самого геотермального источника энергии). Так как преимущества настоящего изобретения в значительной степени связаны с дополнительным горением в ПГРТ, источник геотермальной энергии в этом применении может быть использован через теплообменники для снабжения такого дополнительного горения в ПГРТ, заменяя таким образом топливо и/или тепло, которые обычно подаются с этой целью. Таким образом, уменьшение выработки и/или эффективности геотермального источника энергии приведет только к адекватному увеличению дополнительного горения от других топливных и/или тепловых источников. Параметры производительности электростанции остаются постоянными, и даже могут увеличиваться для модернизированных электростанций, рассмотренных в других разделах настоящего документа.

Применение для теплоэнергетических систем

Как указывалось ранее, настоящее изобретение применимо для теплоэнергетических систем и вариантов связанного производства тепла и энергии, в которых и ведущий вал, и теплота используются в единых условиях эксплуатации, как, например, в коммерческих энергосистемах общего пользования и промышленных электростанциях. В таких системах определенное количество тепла от электростанции с комбинированием циклов может использоваться для пространственного нагрева, химической обработки сырья, переработки пульпы, просушивания бумаги, комбинированного производства тепловой и электрической энергии и/или для иных промышленных процессов и т.п.

Ожидается, что особенно широкое применение настоящее изобретение найдет во всех формах теплоэнергетических систем и систем связанного производства тепла и электроэнергии. При этом приведенные примеры иллюстрируют только диапазон применения настоящего изобретения. Специалисты несомненно расширят спектр его применения без ущерба для общей направленности настоящего изобретения.

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Выбор оптимального соотношения производительности паровой/газовой турбин

Для преодоления проблем работы с частичной нагрузкой, связанных с изменением нагрузки системы электроснабжения, в соответствии с настоящим изобретением в качестве первичного двигателя используют паровую турбину. Паровая турбина может легко уменьшить нагрузку путем закрытия впускных клапанов или изменения впускного давления в двигателе (за счет изменения уровня дополнительного горения). Это оказывает слабое влияние на эффективность работы при неполной нагрузке по сравнению с ослаблением температуры горения, наблюдающимся в случае газовой турбины. Кроме того, паровая турбина может быть спроектирована на оптимальную эффективность при проектном уровне неполной нагрузки, тогда как газовая турбина почти всегда наиболее эффективна при полной нагрузке.

Понимание различий между газовой и паровой турбинами определяет преимущества, имеющиеся у паровой турбины с точки зрения ее эксплуатационной гибкости. Газовые турбины состоят из секции компрессора, сжимающего поступающий воздух (обычно в условиях, соответствующих окружающей среде), от трехкратного до тридцатикратного уровня атмосферного давления. Затем этот воздух должен поступать в зону горения, где он нагревается при сжигании топлива от 1600 до 2600°F при полной нагрузке в зависимости от проектных параметров газовой турбины. Эти горячие и сжатые газы затем расширяются через секцию турбины в газовую турбину для производства энергии, приводящей в действие не только компрессор, но также и генератор. Приблизительно 2/3 энергии, выработанной в этой секции турбины, необходимо для работы воздушного компрессора, а оставшаяся 1/3 — используется для работы электрического генератора. В связи со сложностью разработки, связанной с необходимостью согласования компрессора, системы горения, и секции турбины для обеспечения работы в режиме комплексной системы, газовые турбины являются очень сложными по своей структуре машинами. У производителей обычно имеются различные модели газовых турбин. Однако они проектируются для несовпадающих величин выработки или мощности. Создание модели в соответствии со спецификацией заказчика маловероятно, и экономически не выгодно.

Паровые турбины, в свою очередь, обладают очень гибкими проектными возможностями. Они рассчитываются по определенным параметрам насосов котла электростанции для образования воды под давлением и параметрам самого котла электростанции для обеспечения образования теплоты для превращения этой сжатой воды в пар. По этой причине паровую турбину можно легко приспосабливать к требованиям энергии на этапе проектировки, путем простого изменения в конфигурации, направленного на обеспечение увеличения пропускных способностей турбины для прохождения большего потока пара. Это легко достигается посредством использования больших по размеру стационарных или вращающихся лопастей в паровой турбине. Обычно конструктор паровой турбины имеет возможность выбора из семейства лопастей в секции высокого давления паровой турбины, которые могут прирастать не более чем на 0,25 дюйма. Лопасти в секциях низкого давления турбины обычно имеют более высокие величины приращения. При таком проектировании две различные паровые турбины могут иметь мощность, варьирующую в диапазоне от 100 до 300 МВт, и тем не менее обе могут подходить для одного и того же корпуса (внешний вид у этих двух турбин идентичный). Ключевое различие создают лопасти внутри паровой турбины и пропускная способность каждой турбины.

Кроме того, путем надлежащего выбора лопастей низкого давления возможно «перегрузить», с точки зрения эффективности, лопасти последнего каскада при полной нагрузке. По этой причине при полной нагрузке эти лопасти становятся менее эффективными, чем при частичной нагрузке. Затем при уменьшении нагрузки эффективность отсека низкого давления увеличивается. Такой проект является предпочтительным для электростанций, большую часть времени работающих с частичной нагрузкой, но связанных с необходимостью достигать пиковой нагрузки в течение короткого промежутка времени. Именно эта их эксплуатационная гибкость в соединении с низкой потребностью в техобслуживании и проверенной надежностью объясняет предпочтительность использования паровых турбин в качестве первичного двигателя в электростанции с комбинированием циклов.

Некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения представляют собой систему, в которой выхлопные газы входят в ПГРТ, как при существующем уровне техники. Однако эти выхлопные газы обычно содержат большое количество кислорода. В частности, содержание кислорода в воздухе обычно уменьшается с 21% в окружающем воздухе до 12-15% в выхлопах обычной газовой турбины при полной нагрузке. В результате большое количество кислорода остается в выхлопных газах газовой турбины для сжигания дополнительного топлива. Если бы сжигалось достаточное количество топлива, весь пар, который производился бы как пар низкого давления в соответствии с уровнем техники, мог бы быть обогащен до уровня пара высокого давления при соответствующей модернизации системы, описанной в предпочтительном варианте настоящего изобретения. В этом случае, поток пара высокого давления значительно увеличится, а емкость паровой турбины относительно газовой турбины, или газовых турбин, (соотношение энергии паровой/газовой турбин) изменится с номинальной величины 0,5 для существующего уровня техники до величины, обычно превышающей 1,0. По этой причине вместо того, чтобы в первую очередь следовать идее реализации газотурбинного цикла с паротурбинным циклом регенерации, настоящее изобретение скорее является традиционной паровой электростанцией с дополнительной газотурбинной выработкой энергии и системой трубопроводов для направления выхлопных газов от газовой турбины в котлы паровой электростанции для предварительного нагрева воздуха и повышения эффективности котла. Для максимального увеличения производительности в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения необходима полная интеграция циклов, включая использование сбросовой теплоты, нагревания питающей воды и введения системы управления для оптимизации передачи теплоотдачи.

Сравнение уровня техники и вариантов реализации изобретения

Как подробно описано, технология комбинирования циклов в существующем уровне техники корнями уходит в технологию небольших теплоэлектростанций. В современной электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники выхлопные газы из газовой турбины поступают в ПГРТ, обычно имеющий два или три уровня давления. Пар с каждого из этих уровней давления затем направляется в надлежащую точку паровой турбины, соответствующую уровню давления секции ПГРТ. Дополнительное горение используется в качестве средства для достижения более высокой мощности, но к этому прибегают непостоянно для удовлетворения пиковых потребностей по нагрузке, причем более высокая мощность достигается только при уменьшении тепловой эффективности. Основное управление нагрузкой электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники по-прежнему осуществляется путем модулирования нагрузки газовой турбины. ПГРТ единого давления могут использоваться с соответствующим уменьшением тепловой эффективности. Впускные отверстия более высокого давления в паровую турбину не оправданы, так как низкие объемные расходы потоки в паровую турбину перекрывают любые преимущества процесса, достигнутые благодаря высокому давлению, в связи с уменьшением производительности турбины в секции высокого давления.

При использовании технологии комбинирования циклов из предшествующего уровня техники электростанция в основном представляет собой электростанцию на основе работы газовой турбины с добавлением ПГРТ для регенерации сбросовой теплоты. Паровая турбина проектируется также с учетом наилучшего использования такого регенерированного тепла (которое преобразуется в пар в ПГРТ под давлением различного уровня). Типичное соотношение мощности паровой/газовой турбины для таких электростанций с комбинированием циклов составляет от 40 до 60%, и для электростанции модели GE S207FA обычно достигает приблизительно 0,57. При необходимости использовать пар высокого, промежуточного и низкого давления паровая турбина имеет достаточно низкие потоки в секции высокого давления и высокие потоки в секции низкого давления. Это уменьшает эффективность по объемным расходам высокого давления и увеличивает относительные размеры и стоимость выхлопных отсеков. Нагревание питающей воды производится в ПГРТ и не используется традиционное нагревание питающей воды при помощи отбора пара паровой турбины. Может использоваться предварительное нагревание питающей воды от конденсатора, но целью данного процесса является не повышение эффективности, а скорее потребность избежать конденсации паров воды в выхлопных газах. Поскольку вода содержится в попадающем внутрь воздухе, а также образуется как продукт горения углеводородного топлива, повышенная концентрация паров воды в выхлопных газах понижает точку росы. Холодная вода, поступающая непосредственно из конденсатора, может вызвать конденсацию на трубках и пластинах экономайзера. Такая конденсация проявила способность приводить к коррозии пластин, уменьшая эффективность теплообмена, а также оказывать пагубное влияние на работу ПГРТ. Таким образом, использование устройства для предварительного нагревания воды возможно в некоторых вариантах применения.

В заключение хотелось бы сказать, что электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники является прежде всего электростанцией газотурбинной с использованием парового цикла, разработанного для достижения компромисса между наилучшей эффективностью цикла и оптимальным уровнем регенерации тепла выхлопных газов. Имеются такие возможности, как дополнительное горение, для увеличения мощности электростанции на номинальную величину (обычно менее 25%), но такой прирост становится доступным в ущерб тепловой мощности электростанции. В связи с жесткостью проектных параметров газовой турбины уровень эксплуатационной гибкости с точки зрения мощности или собственно конструкции электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники достаточно низок. По существу, предшествующий уровень техники представляет собой жесткие проекты электростанций, основанных на использовании газотурбинного двигателя или комплекта двигателей, использующих ПГРТ и паровую турбину номинальной мощности на уровне 50% мощности газовой турбины. Паровая турбина работает в зависимом режиме и следует нагрузке газовой турбины.

В некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением газовая турбина осуществляет выхлопы в ПГРТ единого уровня давления (или в основном единого уровня давления), спроектированного для поддерживания постоянного дополнительного горения. Такое дополнительное горение существенно увеличивает производство пара и, следовательно, увеличивает потоки питающей воды таким образом, что дополнительные уровни давления в ПГРТ не требуются для охлаждения выхлопных газов до оптимальной температуры (приблизительно 180°F). Потоки питающей воды, превышающие оптимальные потоки через ПГРТ, направляются в традиционные нагреватели питающей воды за счет отбора пара из паровой турбины для улучшения эффективности парового цикла. Благодаря эксплуатационной гибкости, проект электростанции с комбинированием цикла, описанный в нескольких предпочтительных вариантах настоящего изобретения, имеет соотношение мощностей паровой / газовой турбины, который может изменяться от приблизительно 0,75 до 2,25. Конечно специалисты в данной промышленности понимают, что иные соотношения также возможны в объеме настоящего изобретения. Для многих вариантов изменения нагрузки электростанции газовые турбины остаются в основном на уровне или близко к уровню наиболее эффективной нагрузки (100%), а для изменения нагрузки паровой турбины изменяется интенсивность дополнительного горения.

Другими словами, варианты реализации системы в соответствии с настоящим изобретением по своей сути соответствуют большой центральной паровой электростанции, подобной паровым электростанциям, известным из уровня техники, с котлом, который заменен на парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ), постоянно сжигающие топливо, так же, как и котел в традиционной паровой электростанции. Однако теперь в рабочий цикл введены газовые турбины, подающие в котел (ПГРТ) обогащенные кислородом (12-15%) горячие газы, увеличивая эффективность цикла и обеспечивая возможность сжигания дополнительного топлива. Нагревание питающей воды осуществляется в низкотемпературных секциях ПГРТ и в традиционных нагревателях питающей воды за счет отбора пара из паровой турбины. Паровая турбина имеет больший размер и большую пропускную способность потоков пара через отсеки высокого и промежуточного давления и меньших потоков — через отсек низкого давления (пар, извлекаемый для нагревания питающей воды, уменьшает торцевой поток выхлопа), увеличивая эффективность объемных расходов и уменьшая относительные объемы выхлопов. В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение представляет собой электростанции с комбинированием циклов, имеющие большие эксплуатационную гибкость, производительность при работе с полной и частичной нагрузкой, а также являющиеся менее дорогостоящими для производства, эксплуатации и техобслуживания.

Основные затраты на техническое обеспечение

Кроме затрат на топливо и капитальных затрат, еще одной статьей расходов электростанций с комбинированием циклов является стоимость технического обеспечения, особенно, техобслуживание основных объектов, таких как паровая турбина и газовая турбина. Затраты на техническое обеспечение меняются для разных моделей оборудования, его сложности, а также уровня обслуживания (высокая или низкая температура, постоянная работа цикла и т.п.). Обычные затраты на техобслуживание исследуются на основе показателя цена/киловатт-час энергии (mills/кВт·ч, где “mill” — 0,001 доллара США или 0,1 цента). Далее следует перечень предполагаемых затрат на техобслуживание для некоторых наиболее важных объектов оборудования вместе с ежегодными затратами на техобслуживание из расчета нормы мощности 200 МВт при производительности 70% (1 500 000 000 кВт·ч в год):

Оборудование (модель)	Периодичность технического обслуживания (mills/kWh)	Годовые затраты (долл. США)
Паровая турбина 2400 фунтов на кв. дюйм (psia)	0,5	750000
Газовая турбина GE Frame &FA	2,5	3750000
Газовая турбина Westinghouse 501 G	4,5	6750000

Как видно из таблицы, гораздо более дорогим является техобслуживание при эксплуатации газовой турбины, чем паровой турбины. Кроме того, газовая турбина прогрессивной технологии (модель 501G) — с повышенной температурой горения, монокристаллическими лопастями и паро-охлаждаемой секцией горения, — с точки зрения техобслуживания также является дорогостоящим объектом.

В предшествующем уровне техники газовые турбины производят приблизительно 67% энергии, а паровая турбина — 33% (соотношение мощностей паровой/газовой турбины 0,5:0,1). Так как газовые турбины модулируются для изменения нагрузки, а паровая турбина следует за этими изменениями, такое соотношение достаточно постоянно на всем диапазоне нагрузки. По этой причине за год эксплуатации в электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники фактор техобслуживания газовой турбины относился бы к 67% произведенных киловатт-часов энергии, а фактор техобслуживания паровой турбины — к 33%.

В некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением соотношения не так просты, поскольку как при изменении всей нагрузки электростанции мощность паровой турбины модулируется до самой высокой степени возможного, а мощность газовых турбин поддерживается на уровне полной нагрузки или близко к этому уровню.

Сравнение производительностей при частичной нагрузке

Выводы настоящего изобретения наилучшим образом становятся наглядными при сравнении эксплуатационных показателей, показанных графически на Фиг.6, 15, 33 и 22-28.

Фиг.33 иллюстрирует различия эксплуатации при частичной нагрузке между двумя современными обычными электростанциями с комбинированием циклов и двумя вариантами реализации электростанций в соответствии с настоящим изобретением. График демонстрирует, что эксплуатационные показатели вариантов в соответствии с настоящим изобретением значительно выше, чем те же показатели традиционных электростанций с комбинированием циклов в режиме частичной нагрузки. Как видно из сравнительных данных в таблицах на Фиг.25 и 27, в противоположность типичному профилю эксплуатационных показателей в соответствии с настоящим изобретением используется меньше топлива и требуется на 100 миллионов долларов США меньше средств на сооружение, кроме того, уровень выбросов NOX для этих вариантов составляет менее 1/3 от уровня выбросов электростанции с комбинированием циклов модели Westinghouse. Таким образом, вариант реализации настоящего изобретения, показанный на Фиг.26, приводит к экономии средств и одновременной экономии на загрязнении окружающей среды за счет уменьшенного уровня вредных выбросов NOX. Такие свойства характерны для вариантов реализации в соответствии с настоящим изобретением и по существу представляют лучшие возможности в двух массивах задач — достижение экономической эффективности с одновременным уменьшением уровня загрязнения окружающей среды.

Для использования в соответствии с настоящим изобретением ПГРТ, по сравнению с предшествующим уровнем техники, должен иметь более прочную конструкцию, чтобы выдерживать повышенные давление и температуры. Это достигается несколькими путями. Во-первых, использованием водного экрана (вертикальных трубок, наполненных питающей водой), который может требоваться для ограждения топливного пространства ПГРТ для защиты от высоких температур горения. Как альтернатива, выхлопные газы могут сначала охлаждаться, проходя секцию пароперегревателя (приблизительно до 800°F), затем могут быть повторно нагреты до 1600°F перед дальнейшим прохождением через ПГРТ. В настоящее время 1600°F является верхним пределом температуры, указанным для стандартной конструкции ПГРТ производителями. Другой альтернативой является использование двойных решеток из горелок в ПГРТ. После нагревания выхлопных газов газовой турбины до 1600°F обеспечивается их охлаждение через начальные отсеки ПГРТ, затем посредством горения в нижней точке потока добавляют еще топлива (теплоты). По сравнению с одной горелкой, это приводит к практическому удваиванию количества теплоты без превышения предельных температур ПГРТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее изобретение предполагает большое количество вариантов применения, но необходимо заметить, что в свете современных тенденций в энергетической промышленности особенно выигрышным является его использование в области создания электростанций с комбинированием циклов. В предшествующем уровне техники не было использовано дополнительное горение в ПГРТ как средство повышения производительности электростанции в целом, а настоящее изобретение использует эту концепцию.

В контексте общего улучшения эффективности системы настоящее изобретение выдвигает идею использования дополнительного горения не для образования большего количества пара, как это имело место в известных вариантах производства электроэнергии, а для производства пара лучшего качества (высокого массового паросодержания). Отсюда следует, что при расходовании дополнительного топлива на дополнительное горение в ПГРТ, возможно производить более высокоэнергетический и, таким образом, более высокоэффективный пар, если его использовать в соединении с соответствующим двигателем нижнего цикла.

Использование настоящего изобретения для производства электроэнергии потребует производства парогенераторов регенерации тепла (ПГРТ), способных выдерживать более высокие по сравнению с современными нормами температуры, при этом материалы, способные обеспечить достижения этих целей, доступны, и паровые электростанции и ПГРТ предшествующего уровня техники продемонстрировали возможность выдерживать такие увеличенные уровни температуры. Кроме того, приведенные данные указывают, что во многих обстоятельствах такие ПГРТ имеют меньшие по сравнению с существующими моделями размеры, то есть и затраты на их сооружение, и техобслуживание могут быть сравнимы или даже меньше, чем для существующих моделей. Кроме того, возможность данных ПГРТ использовать единый уровень давления, в ряде случаев может приводить к экономии в их разработке и сооружении.

Необходимо подчеркнуть, что с точки зрения плотности энергии в соответствии с настоящим изобретением имеются потенциальные возможности для значительного расширения количества аппаратных средств, необходимых для реализации электростанции. Для достижения удовлетворительного уровня общей производительности, традиционные электростанции используют несколько газовых и паровых турбин, и, когда такие объекты работают с частичной нагрузкой, вся система может эксплуатироваться на приемлемом уровне эффективности. В основном это связано с тем, что эксплуатация газовой турбины при частичной нагрузке обычно является очень неэффективной. Настоящее изобретение решает проблему такого пагубного влияния посредством эксплуатации всех газовых турбин с оптимальной эффективностью (экономической и экологической), позволяя, таким образом, при меньшем количестве работающих газовых турбин, достигать таких же общей эффективности и уровня воздействия на окружающую среду, потребляя между тем меньшее количество вспомогательных ресурсов.

Эти возможности усовершенствования эффективности в соответствии с настоящим изобретением дополняются механизмом, при помощи которого мощность электростанции может временно превышать свой номинальный уровень, хотя и при меньшем уровне эффективности. Такое превышение мощности электростанции для обеспечения работы в режиме повышенных нагрузок может явиться важным фактором с точки зрения экономической стороны вопросов строительства электростанции из-за препятствий, поскольку проблемы охраны окружающей среды и материально-технического снабжения, которые необходимо преодолеть для строительства новых электростанций, становятся в ряд первостепенных вопросов для определении целесообразности строительства новых электростанций. При этом настоящее изобретение допускает полезное использование существующих электростанций, расширяя их собственные возможности, за счет динамической адаптации характеристик электростанции для соответствия временным перегрузкам. Такая способность может привести к значительной экономии средств и более экологически безопасному использованию электростанции в соответствии с настоящим изобретением, благодаря уменьшению дополнительного привлечения финансовых затрат и издержек, связанных с охраной окружающей среды, в свете требований временного увеличения выработки электростанции.

В завершение следует подчеркнуть, что если в прошлом усилия по разработке электростанций были направлены на оптимизацию функционирования на основании только затрат на топливо, электростанции будущего должны инкорпорировать и оптимизировать капитальные затраты, издержки, связанные с воздействием на окружающую среду, стоимость объектов недвижимости, затраты на правовое регулирование, а также вечно растущие затраты на технологии и вспомогательную технику. Задачей настоящего изобретения является рассмотрение всех этих параметров в совокупности и создание проекта электростанции, являющегося экономичным, эффективным с точки зрения производства энергии и экологически безопасным методом производства электроэнергии.

Хотя предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения был продемонстрирован при помощи прилагаемых чертежей и подробно описан выше; понятно, что изобретение не ограничивается описанными вариантами, и его конфигурация может быть изменена, подвержена модификации, замене компонентов, не выходя при этом за рамки сущности и объема изобретения, определенного следующей формулой.

История создания двигателя внутреннего сгорания. Поиск универсального двигателя : учебное пособие для вузов [2 ed.] 9785811476879

История создания двигателя внутреннего сгорания. Поиск универсального двигателя : учебное пособие для вузов [2 ed.] 9785811476879

Table of contents :
Титульный лист
Выходные данные
Оглавление
Введение
Глава 1. Поиски новых механизмов создания движущей силы
1.1. Механика нового времени и математика
1.2. Исследование свойств жидкостей, пара и воздуха
1.3. Исследования электричества и магнетизма
1.4. Эволюция электричества и история создания аккумуляторов
Глава 2. Паровые машины
2.1. Рождение паровых машин
2.2. Terra — Air — Aqua: попытки применения паровых машин
Глава 3. Атмосферные двигатели
Глава 4. Возникновение науки о тепловых превращениях и машинах
4.1. Работа и сила
4.2. «Размышления» Карно о тепловых процессах и тепловых машинах
4.2.1. О книге Карно «Размышления»
4.2.2. Цель и задача исследования
4.2.3. Невозможность создания вечного двигателя второго рода
4.2.4. Об источнике движущей силы
4.2.5. Законы Карно
4.2.6. Эквивалентность теплоты и работы
4.2.7. Принципы построения тепловой машины: «Тем, кто будет читать, чтобы строить»
4.3. Проблема вечного двигателя в началах термодинамики
4.4. Отрицание действия второго закона термодинамики
4.5. Термодинамика и марксисты
4.6. Термодинамика новейшего времени
Глава 5. Рождение двигателя внутреннего сгорания
5.1. Предпосылки к рождению двигателя внутреннего сгорания
5.2. Двигатель Ленуара
5.3. Рекламный проспект двигателя Ленуара
Заключение
Список литературы

Citation preview

О. Е. АНДРУСЕНКО, С. Е. АНДРУСЕНКО, С. О. БАРЫШНИКОВ, Ю. И. МАТВЕЕВ

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПОИСК УНИВЕРСАЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Издание второе, стереотипное

УДК 621.43 ББК 31.365я73 И 90

История создания двигателя внутреннего сгорания. Поиск универсального двигателя : учебное пособие для вузов / О. Е. Андрусенко, С. Е. Андрусенко, С. О. Ба& рышников, Ю. И. Матвеев. — 2&е изд., стер. — Санкт& Петербург : Лань, 2021. — 308 с. : ил. — Текст : непос& редственный. ISBN 978 5 8114 7687 9 В книге рассмотрен период поиска универсального теплового двигателя. Охватывается период от конца эпохи Возрождения — периода начала расцета наук, и до Нового времени, когда наука пре& вращается в действующую силу технического прогресса. Рассмотрены вопросы поиска новых механизмов создания дви& жущей силы, появления и развития паровых машин, как первого универсального теплового двигателя, а также появления первых прототипов двигателя внутреннего сгорания. Приведены принципы построения, изложенные Карно, и рождение основополагающей науки о тепловых процессах — термодинамики. Завершением периода поиска универсального теплового двига& теля можно считать рождение нового типа тепловой машины — дви& гателя внутреннего сгорания Ленуара. Приведены исторические сведения об изобретателях и ученых, занимавшихся вопросами создания ДВС. Книга может быть использована в качестве дополнительного учебного и познавательного материала для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплины, связанные с конструкцией, тео& рией и эксплуатацией двигателей внутреннего сгорания.

УДК 621.43 ББК 31.365я73 Рецензент В. А. ЖУКОВ — доктор технических наук, зав. кафедрой «Теории и конструкции судовых ДВС» Государственного университета морско& го и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. Обложка Ю. В. ГРИГОРЬЕВА © Издательство «Лань», 2021 © Коллектив авторов, 2021 © Издательство «Лань», художественное оформление, 2021

Оглавление Введение . 4 Глава 1. Поиски новых механизмов создания движущей силы. 11 1.1. Механика нового времени и математика. 11 1.2. Исследование свойств жидкостей, пара и воздуха . 27 1.3. Исследования электричества и магнетизма . 67 1.4. Эволюция электричества и история создания аккумуляторов . 82 Глава 2. Паровые машины. 87 2.1. Рождение паровых машин . 87 2.2. Terra — Air — Aqua: попытки применения паровых машин . 149 Глава 3. Атмосферные двигатели . 184 Глава 4. Возникновение науки о тепловых превращениях и машинах . 219 4.1. Работа и сила . 219 4.2. «Размышления» Карно о тепловых процессах и тепловых машинах . 225 4.2.1. О книге Карно «Размышления» . 226 4.2.2. Цель и задача исследования . 230 4.2.3. Невозможность создания вечного двигателя второго рода . 232 4.2.4. Об источнике движущей силы . 233 4.2.5. Законы Карно . 234 4.2.6. Эквивалентность теплоты и работы . 236 4.2.7. Принципы построения тепловой машины: «Тем, кто будет читать, чтобы строить» . 238 4.3. Проблема вечного двигателя в началах термодинамики . 244 4.4. Отрицание действия второго закона термодинамики . 255 4.5. Термодинамика и марксисты . 263 4.6. Термодинамика новейшего времени. 265 Глава 5. Рождение двигателя внутреннего сгорания . 271 5.1. Предпосылки к рождению двигателя внутреннего сгорания . 271 5.2. Двигатель Ленуара. 272 5.3. Рекламный проспект двигателя Ленуара . 292 Заключение . 300 Список литературы . 305 3

«Их было много — людей, которые не могли жить спокойно — они изобретали, придумывали, изменяли и дополняли мир, повинуясь лишь инженерной мысли, неспокойному сердцу и вере в бесконечную силу разума». П. Челпанова «Жан Жозеф Этьен Ленуар»

Введение В период с III по XIV в. развитие механики, как и других естественных наук, приостановилось вследствие причин исторического развития. В это время слишком сильной оставалась духовная диктатура церкви: всё, что совершается в этом мире, есть воля Божья. Поэтому изначально наука зарождается и начинает своё постепенное развитие в полной гармонии с религией. Тысячелетиями наукой занимались люди глубоко религиозные и не видящие в этом противоречия. Наиболее яркие примеры, более знакомые и близкие к нашей эпохе, — это Исаак Ньютон, Блез Паскаль, Иоганн Кеплер. Они были великими учёными, но не в меньшей степени и великими теологами. Однако постепенно стал назревать конфликт. Он начинается где-то с XV–XVI в., с трудов Коперника по гелиоцентрической системе мира. Сжигают на костре Джордано Бруно за его теорию построения Вселенной. Легенда гласит, что Галилей шептал на суде инквизиции: «И всё-таки она вертится!». Конфликт развивается в XVII и XVIII вв. на фоне новых идей социальной справедливости и непримиримой борьбы свободомыслящей элиты в Европе с засильем церкви во всех областях жизни. Церковь держала в своих руках многие центры власти и финансов, проповедовала полную грешность телесных желаний, а это уже не совсем соответствовало духу времени. Стремление человека к освобождению своей телесной сути от тяжёлого непосильного труда преследовалось Церковью. Наиболее ревностные католики проповедовали истязание плоти человека во славу Господа, отдавшего жизнь на Голгофе во имя его воссоединения с Богом. 4

Борьба принесла успех, и постепенно церковь теряет свой былой авторитет. Во Франции, а затем и в других странах Европы революция приводит к отделению церкви от участия в государственном правлении и от влияния на школу и воспитание нового поколения. Не так просто было устранить влияние церкви, но ещё более непросто оказалось вырвать из сердец людей веру в Бога. Учёные воспользовались научными достижениями в качестве тарана, чтобы окончательно выбить остатки религиозного фанатизма из их голов. Так началась организованная война против любого проявления и влияния религиозных идей. Она прошла с огромным успехом, и, в конечном итоге, авторитет во всех областях жизни полностью перешёл к научным кругам. Идея Бога-созидателя и Высшего Разума вплоть до середины XX в. ещё находила свои отголоски в построении мировой системы. Быстрое и успешное развитие механики начинается лишь с эпохи Возрождения, когда создаются условия для развития науки и техники. В эпоху Возрождения, как отмечает Энгельс, «современное изучение природы, как и вся новая история, начинается со второй половины XV столетия. Рамки старого мира (orbis terrarum) были разбиты, были заложены основы для перехода ремесла в мануфактуру, которая, в свою очередь, послужила исходным пунктом для современной крупной промышленности. Духовная диктатура церкви была сломлена» (Ф. Энгельс. Диалектика природы. Госполитиздат, 1946, с. 5). Характерен для того времени знаменитый диалог Наполеона с математиком и астрономом Лапласом: «Вы написали такую огромную книгу о системе мира и ни разу не упомянули о его Творце!». «Сир, — ответил Лаплас, — я не нуждался в этой гипотезе». И уже несколько столетий человечество продолжает бурно ему аплодировать. И только XIX в. действительно показал, чего может достичь человек своим трудом. Он дал первый атмосферный двигатель, паровую машину и паровой двигатель, который в течение целого столетия использовался в пароходах, жизнь которым в 1803 г. дал Роберт Фултон, и паровозах, сконструированных в 1814 г. Джорджем Стефенсоном. XIX век стал «веком пара», но пока ещё не двигате5

лей внутреннего сгорания, рождение которых отмечается второй половиной века. Паровая машина оказалась последним изобретением в истории из числа фундаментальных достижений техники, созданным эмпирически. XIX столетие стало свидетелем того, как активно начали использоваться достижения наук в технике, как тысячи людей бросились на поиски практических применений этих наук. По словам К. Маркса, «. изобретение становится особой профессией. Поэтому. научный фактор впервые сознательно и широко развивается, применяется и вызывается к жизни в таких масштабах, о которых предшествующие эпохи не имели никакого понятия». Сближение науки с производством возросло до такой степени, что наука начала превращаться в производительную силу общества. Появление электрических генераторов и двигателей, развитие теплоэнергетики завершило процесс внедрения механизмов в жизнь человечества. И если раньше машины создавались кустарно, то теперь пришло время, когда они стали создаваться другими машинами. XIX в. показал, чего может достичь человек, если начнёт размышлять о природе непонятного. Англичанин Джон Дальтон открыл новую эпоху в науке, заложив основы химической атомистики, а Дмитрий Иванович Менделеев сделал величайшее обобщение в физике и химии, доказав, что свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. Француз Сади Карно в своём единственном произведении «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» рассмотрел вопрос «получения движений из тепла», став одним из основоположников термодинамики, а немец Юлиус Роберт Майер сформулировал закон сохранения и превращения энергии. Датчанин Ханс 6

Кристиан Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, а американец Самюэль Морзе изобрёл телеграфный аппарат и разработал телеграфный код, названный азбукой Морзе. XIX в. был ознаменован таким мощным подъёмом в развитии производительных сил, что даже в отсталой феодальной России делались изобретения и открытия мирового значения. Основоположником научной теории химического строения вещества стал А. М. Бутлеров. Открыл и измерил давление света на твёрдые тела и газы, количественно подтвердил электромагнитную теорию света П. Н. Лебедев. Изобрел первый в мире радиоприёмник А. С. Попов. Создал технику трёхфазного переменного тока и иэготовил первый трёхфазный асинхронный двигатель М. О. Доливо-Добровольский. Изобрели дуговую лампу П. Н. Яблочков и угольную лампу А. Н. Лодыгин. Создали гальванопластику Б. С. Якоби и первый практически пригодный электромагнитный телеграф П. Л. Шилинг. В XIX в. были заложены основы коллективного труда в науке и технике, но ещё многим одиночкам мы обязаны крупнейшими изобретениями и открытиями. Не было ни одного образованного человека, который бы в совершенстве не владел несколькими языками, не знал бы о существовании и сути большинства открытий и достижений техники. Но именно одиночки и страдали в стремлении доказать свою правоту. «Светоч истины часто обжигает руки того, кто его несёт», — писал французский лексикограф Пьер Буаст. Никто не понял при жизни юного Эвариста Галуа, его замечательных работ по математике, которые могли бы сэкономить науке полвека бесплодных исследований. Не получил признания современников создатель неевклидовой геометрии, человек, совершивший переворот в представлении о природе пространства, — Николай Иванович Лобачевский. Лишь в последние годы жизни были оказаны почести Роберту Майеру. Через непонимание и протесты величайших деятелей науки и культуры Франции шёл к своему триумфу Александр Эйфель. Трагически закончилась жизнь творцов тепловых двигателей Дени Папена, Сади Карно, Ивана Ползунова, Альфонса Бо де Роша, Ричарда Тревитика, Анри Жиффара, физика теоретика термодинамики Людвига Больцмана. Это был удивительный век. Он дал миру телефон, телеграф, радио, фонограф, кинематограф, фотографию и многое другое, 7

обогатившее быт человека. Он внёс в список нарицательных имен фамилии Мартен, Бессемер, Рентген, Дизель, Цеппелин. Он дал нам имена людей, ставших названиями номиналов в современной нам Международной системе единиц: Герц, Джоуль, Кюри, Вебер, Фарада, Ангстрем, Белл, Генри, Ватт. Так на фоне триумфа машин утверждал себя Человек, двигая вперёд науку, а следовательно, и прогресс всего общества. Как гласит индийская поговорка, к счастью ведут три дороги: та, на которой есть пища, та, на которой есть одежда, и та, на которой есть кров. И хотя XIX в. был поистине веком поэтов, художников и изобретателей, убитых обществом, ни один из творцов даже в этот ужасный век в поисках своего пути не искал дороги к пище, одежде и жилищу. И они были счастливы. И не только великие открытия в естествознании и технике двигали прогресс. Фантастические произведения писателей способствовали поиску новых технических решений и реализации потребностей жизни человека. Ярким примером было предсказание многих изобретений французским писателем-фантастом Жюлем Верном — самолёта, вертолёта, исследованием космического пространства и т. п. Жюль Габриэль Верн (Jules Gabriel Verne; 1828–1905) — французский географ и писатель, классик приключенческой литературы, один из основоположников жанра научной фантастики. Член Французского географического общества. В 1892 г. получил заслуженную награду — орден Почётного легиона.

Жюль Верн, будучи ещё начинающим автором, загорелся желанием описать весь мир — растения, животных, природу, обычаи и народы. Он решил объединить искусство и науку, а также населить небывалыми доселе персонажами свои романы. В своих произведениях Жюль Верн задействовал четыре основные проблемы, занимавшие в то время учёный мир: завоевание полюса, управляемое воздухоплавание, полёты за пределы тяготения земли и загадки подземного мира. Творчество 8

Жюля Верна проникнуто романтикой науки, верой во благо прогресса, преклонением перед силой мысли. В своих произведениях он предсказал научные открытия и изобретения в самых разных областях, в том числе акваланги и телевидение, исследование космического пространства и космические полёты. К сбывшимся предсказаниям относятся: самолёт («Властелин мира»), вертолёт («Робур-Завоеватель»), видеосвязь и телевидение («Париж в ХХ веке»), строительство Транссибирской и Трансмонгольской магистралей («Клодиус Бомбарнак. Записная книжка репортёра об открытии большой Трансазиатской магистрали (Из России в Пекин)»), самолёт с переменным вектором тяги («Необыкновенные приключения экспедиции Барсака»), принципиальная проходимость Северного морского пути за одну навигацию («Найдёныш с погибшей „Цинтии“»), полёты в космос, в том числе на Луну («С Земли на Луну»), межпланетные путешествия («Гектор Сервадак»). Книга «Поиск универсального теплового двигателя» содержит не только историю создания двигателя, но и краткие сведения о личности учёных и инженеров, занимавшихся вопросами создания двигателя внутреннего сгорания. По мнению Макса Планка, «изучение истории науки помогает выявлять закономерности в развитии науки, а значит, и предсказывать направление её дальнейшего развития; это важный вспомогательный инструмент, позволяющий расширить кругозор учёного и избежать повторения ошибок и заблуждений предшественников. При этом исследование эволюции науки неразрывно связано с изучением личности выдающихся учёных» (Кляус Е. М., Франкфурт У. И. Макс Планк. М.: Наука, 1980. 392 с.). Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck; 1858–1947) — немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. принадлежал к старому дворянскому роду; среди его предков — видные юристы, учёные, военные и церковные деятели. Лауреат Нобелевской премии по физике (1918) и других наград, член Прусской академии наук (1894), ряда иностранных научных обществ и академий наук. На протяжении многих лет один из руководителей немецкой науки. 9

Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год — в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому Планку избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространённая в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых учёные в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах. Научные труды Планка посвящены термодинамике, теории теплового излучения, квантовой теории, специальной теории относительности, оптике. Учёную степень доктора Планк получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. Он сформулировал второе начало термодинамики в виде принципа возрастания энтропии и использовал его для решения различных задач физической химии.

Глава 1 Поиски новых механизмов создания движущей силы 1.1. Механика нового времени и математика Первые опыты построения универсального вечного двигателя практически закончились. Развитие техники показало несостоятельность некоторых господствующих в механике понятий. Начинался XVI в. — век периода Возрождения и начала Нового времени, который стал веком развития и расширения знаний во многих областях наук, включая механику. Стало понятно, что именно отсутствие соответствующей теории о машинах и механизмах (механики) привело к появлению идеи создания вечного двигателя, что незнание законов передачи энергии и взаимосвязи различных её видов не позволит создать действительно универсальную машину. Какой она должна быть, какие источники энергии должны быть в ней задействованы — на эти и многие другие вопросы должна была дать ответ механика. В начале этого периода происходило уточнение основных законов механики, свойств простых механизмов, статики и динамики движения тел. Особое место в этот период занимает изобретатель различных машин, инженер и учёный Леонардо да Винчи. После периода средневековья наступает период Возрождения — подъема в науке и технике. Великий итальянский изобретатель, учёный, инженер и художник Леонардо да Винчи задумывается над использованием «внутренней энергии» для получения механической работы. Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci; 1452–1519) — великий итальянский художник, скульптор, архитектор, учёный и инженер, один из наиболее выдающихся представителей культуры эпохи Возрождения, яркий пример «универсального человека» (homo universalis). Подобно Роджеру Бекону в XIII в., Леонардо да Винчи в конце XV и начале XVI в. далеко опередил своих современников, — 11

настолько далеко, что последние даже были не в состоянии пользоваться его трудами. Леонардо да Винчи оставил след едва ли не во всех областях человеческой деятельности. В механике, например, он занимался определением коэффициента трения, исследованиями удара твёрдых тел, анализом прочности и упругости материалов. Ему принадлежит идея создания вертолёта с двумя винтовыми поверхностями, вращающимися вокруг вертикальной оси, и летательного аппарата с крыльями. Леонардо да Винчи первый познал важность нового понятия механики — момента силы.

В его трудах нашли отражение первые следы изучения вопросов динамики, ему уже было известно возрастание скорости падающих тел. Он занимался исследованиями в области теории механизмов, исследовал движение воды в трубах и движение тел по наклонной плоскости. Им был построен эллиптический токарный станок, который до сих пор носит его имя. Под внутренней энергией Леонардо понимал наличие в механизме какого-либо устройства, которое, накопив энергию, расходовало бы её на получение работы. Под внутренней энергией мог пониматься как человек, так и всевозможные природные и искусственно созданные явления и устройства. Это был возобновляемый источник энергии, в котором движущая сила создавалась известными в механике способами, а не возникала сама по себе. Существует несколько проектов механизмов Леонардо да Винчи, в которых в качестве движущей силы использована внутренняя энергия самого механизма. В его рукописях есть описание и чертежи механизма, состоящего из цилиндра и поршня. Под поршень заливалась вода, и при нагревании дна сосуда вода, расширяясь, должна была выталкивать поршень наверх — получалась полезная работа. И хотя это описание скорее относится к описанию тепловой пушки Архимеда, тем не менее Леонардо признавал возможность такого способа получения движущей силы. Леонардо занимался и разработкой самоходной машины с использованием внутренней энергии самой повозки. Источником внутренней энергии являлась пружина. Повозка Леонардо имела 1,68 м в длину и 1,49 м в ширину и могла перемещаться с помощью 12

заведенной пружины. Пружина заводилась вращением колес в направлении, противоположном движению. Через триста лет после смерти Леонардо да Винчи обнаружилось множество чертежей и набросков, которые так и остались невоплощёнными замыслами. Среди рукописей, собранных учёными в «Атлантический кодекс», был чертёж странного устройства, представляющего собой заключённые в горизонтальную раму шестерни, пружины и рукояти. Шесть дополнительных эскизов к чертежу доказывают, что устройство должно обладать колёсами. Ещё один набросок демонстрирует заднюю часть тележки, где расположен рулевой механизм. По мнению исследователей жизни и творчества Леонардо, этот рисунок, датированный приблизительно 1478 г., ничто иное как чертёж самодвижущейся повозки — прообраза автомобиля. В XX в. механики неоднократно пытались построить повозку, названную «леомобилем», но их стремление улучшить замысел итальянского гения сыграло с ними злую шутку. И лишь в 2004 г. по инициативе инновационной медиа-компании Leonardo3, был построен настоящий «леомобиль», полностью соответствующий чертежам Леонардо да Винчи. «Леомобиль» строили из тех же материалов, которые мог использовать сам изобретатель: дерево, железо, бронза и никакого пластика. Для создания самодвижущейся повозки были выбраны несколько разных сортов древесины. Каменный дуб пошёл на изготовление шестерён, обычный дуб стал материалом для рамы, вяз и ясень послужили материалом для эластичных колёсных ободьев. Использование дерева позволило заметно снизить вес конструкции — при размерах 1,68×1,49 м масса модели составляет всего 12,7 кг. Железные детали были выкованы кузнецами вручную по специальному заказу. Выставляется экспонат в музее истории науки (Museo di storia della scienza) во Флоренции. Самодвижущаяся повозка, по замыслу изобретателя, перемещается за счёт энергии свитых пружин, помещённых в барабаны. Эти пружины заводит один человек вращением колёс, расположенных в передних верхних углах устройства. Конструкция без труда проехала пятьдесят метров. Она оказалась очень мощной машиной — настолько мощной, что её не рискнули испытывать, так как, столкнувшись с чемнибудь, она могла нанести серьёзные повреждения. 13

Рис. 1.1. Чертежи и модель самоходной машины Леонардо да Винчи в Музее истории науки во Флоренции

Но большинство проектов Леонардо да Винчи всё-таки основывается на использовании силы человека, ветра, воды или животного. К этим проектам относятся идея создания вертолёта (геликоптера) с двумя винтовыми поверхностями, вращающимися вокруг вертикальной оси, и летательного аппарата с крыльями. Движение за счёт внутренней энергии философами древнего мира рассматривалось как насильственное движение, т. е. движение, получающееся приложением силы не природного происхождения. Оно, соответственно, отличалось от естественного движения, совершаемого под действием внешних сил и которое закладывалось в основу создания вечного двигателя. Взаимосвязь естественного и насильственного движений в античной механике не рассматривалась и, согласно аристотелеву представлению, не сопоставлялась. Да и сам Леонардо да Винчи ещё не рассматривал вопросы динамики движения как теоретические, а только как используемые в разрабатываемых механизмах. 14

Рис. 1.2. Геликоптер и летательный аппарат с крыльями

Впервые установил связь естественного и принудительного движений итальянский математик Никколо Тарталья (Фонтана), занимавшийся вопросами динамики. 15

Знаменитый итальянский математик Никколо Тарталья положил начало разработке вопросов динамики своим сочинением «Nuova scienza» в 1537 г. Никколо Тарталья (Niccolо «Fontana Tartaglia», 1499–1557) — итальянский математик, занимался вопросами практической механики, баллистики и топографии. Родился в Брешии. Истинная фамилия — Фонтана (Fontana). Отца своего он звал по имени Micheletto (Микелетто). В 1512 г., во время взятия Брешии французами, когда он с матерью спасался в соборе, получил рану в нижнюю часть лица, вследствие которой произношение его стало неправильным. Поэтому товарищи прозвали его заикой (tartaglia), и прозвище это сделалось его фамилией. В возрасте 14 лет он был отдан в обучение публичному писцу, но так как мать его не могла аккуратно платить учителю, то Тарталья должен был прекратить учение в самом начале. Обладая большой настойчивостью и терпением, он научился читать сам. Пристрастившись к математике, он достиг того, что стал сам преподавать другим и впоследствии стал известным математиком своего времени. Преподавал он в Вероне, Брешии и Венеции. Тарталья занималься вопросами артиллерии, но вместе с тем и вопросами укрепления городов и фортификацией вообще, и в сочинении «Quesiti et invenzioni diverse» (1546) он даже предлагает особую систему фронта, он трактует также о топографической съёмке и излагает историю открытия им решения кубических уравнений. В сочинениях «La travagliata invenzione» и «Ragionamenti sopra la Travagliata invenzione» (1551) говорится о разных изобретениях автора, которые он приписывает себе, но которые ранее уже были изложены в 1550 г. в книге Кардано «De subtilitate» и принадлежат последнему. Наиболее обширное сочинение автора называется «Generale trattato de numeri e misure» (1556–1560); в нём подробно рассматриваются многие вопросы арифметики, алгебры и геометрии. По словам Тартальи, он самостоятельно открыл общий алгоритм решения кубических уравнений, несколько ранее найденный Сципионом дель Ферро. В 1539 г. Тарталья передал описание этого метода Джероламо Кардано, который поклялся не публиковать его без разрешения Тартальи. Несмотря на обещание, в 1545 г. Кардано опубликовал этот алгоритм 16

в работе «Великое искусство», и по этой причине он вошёл в историю математики как «формула Кардано».

В этом сочинении он исследует путь брошенного тела и находит его кривым от начала до конца, ранее аристотелевцы принимали, что брошенный снаряд летит сначала горизонтально, вследствие сообщенного ему насильственного движения, затем последнее переходит в смешанное круговое движение и, наконец, когда сообщенное насильственное движение угаснет, снаряд падает отвесно вниз. Тарталья видит ясно, что так называемые естественные движения должны с самого начала смешиваться с насильственными, но, тем не менее, не решается сразу выступить против господствующего мнения и допускает, что в начале и конце путь весьма мало уклоняется от прямолинейного. Так или иначе, его мысль о непосредственном смешении движений принесла положительный результат. Именно он заметил, что пуля, пущенная из ружья в горизонтальном направлении, тотчас же опускается ниже горизонтальной линии и, следовательно, имеет наименьшую дальность полета. Отсюда он пришёл к выводу, что дальность полёта больше всего, когда пуля выпущена под углом в 45°, который случайно оказался вполне верным. Открытие Тартальи впоследствии было объяснено Исааком Ньютоном, открывшим закон всемирного тяготения. В своих «Математических началах физики» он пишет (приводим это место ради облегчения понимания в вольном переводе): «Брошенный камень под действием тяжести отклоняется от прямолинейного пути и падает на Землю, описывая кривую линию. Если бросить камень с большею скоростью, то он полетит дальше; поэтому может случиться, что он опишет дугу в десять, сто, тысячу миль и, наконец, выйдет за пределы Земли и не вернётся на неё больше. Пусть AFB представляет поверхность Земли, С — её центр, a UD, UE, UF, UG — кривые линии, которые описывает тело, бросаемое в горизонтальном направлении с очень высокой горы со всё большей и большей скоростью. Мы не принимаем во внимание противодействия атмосферы, т. е. предполагаем, что она совершенно отсутствует. При меньшой первоначальной скорости тело описывает кривую UD, при большей скорости — кривую UE, при 17

ещё больших скоростях — кривые UF, UG. При некоторой скорости тело обойдёт вокруг всей Земли и возвратится к вершине горы, с которой его бросили. Так как при возвращении к исходному пункту скорость тела будет не меньше, чем в самом начале, то тело будет продолжать двигаться и дальше по той же кривой».

Рис. 1.3. Как должны падать камни, бросаемые на вершине горы с огромной скоростью в горизонтальном направлении по Ньютону

Только открытие Ньютоном закона всемирного тяготения смогло с физической точки зрения дать объяснение связи естественного (под действием собственного веса) и насильственного (под влиянием действующей на предмет силы бросания) движений. Исследования Тартальи показывают, до какой степени темны были в это время представления о сложении движений и о форме линии полёта. Его здравый взгляд на предмет может быть вполне оценён, если припомнить, что ещё в 1561 г. существовало утверждение, будто пуля, выпущенная из ружья, летит по прямой линии до тех пор, пока сообщённое ей насильственное движение не угаснет, а затем уже мгновенно изменяет своё направление на отвесное книзу. Тарталья стал первым, высказавшим предположение о существовании закона сложения скоростей при движении физических тел в динамических системах. 18

Немаловажное значение для развития механики имело и расширение знаний о статических системах, продолженное в трудах Джероламо Кардано. Кардано изучал все науки и в каждую внёс какое-нибудь усовершенствование. У него хватило смелости вступить в борьбу со всей древней наукой. Для него не существовало авторитетов, он доверял только указаниям собственного разума. Но при всём том смелый преобразователь, которого не пугали никакие преграды, был убеждён, что каждый год 1 апреля в 8 часов утра он может получить свыше всё, чего бы ни пожелал. Он сделал несколько вкладов в гидродинамику и держался мнения, что вечное движение невозможно, кроме как в астрономических телах. Джероламо Кардано (Gerolamo Cardano; 1501–1576) — итальянский математик, инженер, философ, медик и астролог. В его честь названы открытые Сципионом дель Ферро формулы решения кубического уравнения (Кардано был их первым публикатором), карданов подвес и карданный вал. Побочный сын адвоката Фачио (Facio) Кардано; отец узаконил его незадолго до своей смерти (1524), женившись на его матери. С юности Джероламо обуревала жажда славы. На склоне лет он писал в автобиографии: «Цель, к которой я стремился, заключалась в увековечении моего имени, поскольку я мог этого достигнуть, а вовсе не в богатстве или праздности, не в почестях, не в высоких должностях, не во власти». Учился в университетах Павии и Падуи. Занимался сначала исключительно медициной (получил диплом доктора в 1525 г.), но в 1534 г. стал профессором математики в Милане. Позже Кардано преподавал математику в Болонье, хотя доходное врачебное занятие не бросил и завоевал репутацию одного из лучших европейских врачей. Преподавал также медицину в Павии. Подрабатывал составлением астрологических альманахов и гороскопов. Кардано внёс значительный вклад в развитие алгебры: его имя носит формула Кардано для нахождения корней кубического неполного уравне19

ния вида x³ + ax + b = 0. Он же первым в Европе стал использовать отрицательные корни уравнений. В действительности Кардано не открывал этот алгоритм и даже не пытался приписать его себе. В своём трактате «Великое искусство» («Ars magna») он признаётся, что узнал формулу от Никколо Тартальи, пообещав сохранить её в тайне, однако обещание не сдержал и спустя 6 лет (1545) опубликовал упомянутый трактат. Кардано также включил в свою книгу ещё одно открытие, сделанное его учеником Лодовико (Луиджи) Феррари: общее решение уравнения четвёртой степени. Кардано также обнаружил, что кубическое уравнение может иметь три вещественных корня, причём сумма этих корней всегда равна коэффициенту при х² с противоположным знаком (одна из формул Виета). Прикладное значение формул Кардано было не слишком велико, так как к этому моменту математики уже разработали численные методы для вычисления корней уравнений любой степени с хорошей точностью; один из таких расчётных алгоритмов («метод двойного ложного положения») разработал и подробно изложил в «Великом искусстве» сам Кардано. Однако открытие нового теоретического метода, не известного ни грекам, ни арабам, воодушевило математиков Европы. Оно также стало основой для введения одного из важнейших математических объектов — комплексных чисел. В историю криптографии Кардано вошёл как изобретатель несложного шифровального устройства, получившего название «решётка Кардано» (квадрат с вырезанными клетками). Опубликована также (посмертно) его «Книга об игре в кости» — исследование по математической теории азартных игр. Это один из первых серьёзных трудов по комбинаторике и теории вероятностей; в нём, однако, Кардано допустил немало ошибок. Разработал метод обучения слепых, сходный с брайлевским. Кардано также занимался механикой: считается изобретателем карданного вала (известного, впрочем, ещё Леонардо да Винчи). В его трудах подробно описано множество механизмов, в том числе его собственные изобретения — например, масляную лампу с автоматической подачей масла и кодовый замок. В области медицины Кардано оставил первое детальное описание тифа, нереализованный проект переливания крови и предположение о том, что причинами инфекционных болезней являются живые существа, невидимые глазом из-за малых размеров.

Из физических его работ лучшие относятся к механике. Заслуживает внимания изучение Кардано свойств наклонной плоскости. По отношению к наклонной плоскости он верно ставит вопрос: какая сила нужна для того, чтобы удержать тело на наклонной плоскости? Таким путём он обходит опасную необхо20

димость признавать определённую силу для движения по горизонтальной плоскости (как это делал Папп) и доказывает вполне справедливо, что для поддержания тела на горизонтальной плоскости не нужно никакой силы, а для поддержания его на наклонной требуется сила, равная тяжести тела. Невзирая на соперничество, Кардано и Тарталья имели много общего в своих физических исследованиях. Оба, решая задачу о пропорциональности силы углу наклонной плоскости, приходят к выводу, что эти две величины нарастают или убывают во всех случаях пропорционально, и оба ошибались. Для механики XVI в. это дурной показатель — два таких замечательных математика, как Тарталья и Кардано, не могут опытным путём проверить, действительно ли имеет место утверждаемое ими. Конечно, трудно не оценить и описание Кардано таких устройств, как карданов подвес и карданово соединение. Он описал эти устройства в своей получившей широкую известность книге «De subtilitate rerum» («Хитроумное устройство вещей», 1550). Это были, пожалуй, первые в мире техники конструктивные элементы будущих машин и механизмов.

Рис. 1.4. Карданов подвес и карданово соединение

Следующим этапом в поиске движущей силы для создания универсального двигателя было исследование воды и пара, проведённое итальянским учёным Джамбаттиста делла Порта. В некоторых источниках упоминается о том, что в 1602 г. итальянец Джамбаттиста делла Порта опубликовал чертежи машины, работающей при помощи пара. Каких-либо конкретных пояснений 21

не приводится, однако известно, что в 1601 г. он произвёл опыт по определению количества пара, в который переходит определённое количество воды, и описал в 1606 г. термоскоп и опыт поднятия воды давлением пара. Джамбаттиста (Джованни Батиста) делла Порта (Giambattista della Porta; 1535– 1615) — итальянский учёный-энциклопедист, философ, алхимик и драматург. Одна из любопытнейших фигур XVI в. Его главный труд «Magia naturalis sive de miraculis rerum naturalium» («Естественная магия, или О чудесах природы») впервые был опубликован в Неаполе в 1589 г. Интересно, что это сочинение выдержало 23 издания на латинском языке, 10 — на итальянском, 8 — на французском и к тому же было переведено на голландский и арабский языки. Благодаря своим методам научных исследований Джамбаттиста делла Порта может считаться одним из первых учёных Европы в современном понимании этого слова. Его первой крупной работой было вышедшее в свет в 1558 г. сочинение по алхимии «Натуральная магия» («Magia naturalis»). В ней, в частности, приводится один из немногих существовавших рецептов по изготовлению так называемой «колдовской мази» для ведьм. В 1560 г. начал проводить в своём доме в Неаполе регулярные собрания, называемые Академией тайн природы (Academia Secretorum Naturae). Академия была закрыта указом папы Павла V по подозрению в занятиях колдовством. Физические исследования дела Порта посвящены оптике, магнетизму и кристаллографии. Он дал чёткое описание камеры-обскуры и усовершенствовал ее (1558), применив собирательную линзу. Предложил (1589) использовать камеру-обскуру для выполнения рисунков и их проектирования (идея проекционного фонаря). Принцип действия камеры-обскуры использовал при разработке теории зрения. Обсуждал вопрос о соединении выпуклой и вогнутой линз для наблюдения далёких и близких предметов. В 1563 г. опубликовал фундаментальный труд по криптологии — «De furtivis literarum notis» («Про скрытую значимость отдельных букв»), сделавший его известным.

В 1586 г. написал второе своё выдающееся сочинение — по медицине («Человеческая физиогномика» («De humana physiognomia»)). В 1588 г. ему последовала «Phytognomica» — работа по физиогномике растений. Интерес делла Порта к магии и алхимии привёл к тому, что против учёного было начато следствие Святейшей инквизицией, завершившееся, впрочем, для него без последствий. Однако после этого делла Порта постепенно отошёл от научных изысканий и посвятил себя литературнодраматургической деятельности (вышедшая в 1596 г. в Бергамо комедия «Ловушка» («La Trappolaria») и ряд других пьес).

В «Натуральной магии» Порта описывает способ подачи воды через гору. Он предлагает проводить воду через горы посредством сифона: нужно проложить через гору трубу и снабдить её для наполнения водою кранами на обоих концах и на верхушке. Спусканием воды из одной ветки трубы вода засасывалась бы в другой ее конец. Этот принцип был использован в создании одного из проектов гидравлического вечного двигателя.

Рис. 1.5. Проект сифонного вечного двигателя по способу делла Порта 23

Но если бы он хоть раз попробовал применить свой проект к горе высотою 10 м, то, пожалуй, раньше Галилея открыл бы, что «боязнь пустоты» имеет свои пределы. Тем не менее этот труд при его практической проверке мог быть начальным в части определения давления атмосферы, впоследствии реализованным в атмосферных двигателях внутреннего сгорания. Ряд новейших механиков начинается с Гвидо Убальди, маркиза дель Монте, известного по его сочинению «Mechanicorum libri VI». На нем ясно сказывается зависимость новейшей механики от архимедовской, потому что Убальди был учеником Коммандино, известного переводчика архимедовского трактата о плавающих телах. В XVI–XVII вв. Гвидобальдо дель Монте пользовался большим уважением — в первую очередь как теоретик механики (хотя он занимался также математикой и астрономией). Известно, что его труды изучал Декарт. Даже в XIX в. цитаты из работ Гвидобальдо можно найти в статьях Лагранжа. Гвидо Убальди (Гвидобальдо дель Монте — итал. Guidobaldo del Monte; 1545–1607) — итальянский математик, механик, астроном и философ, друг и покровитель Галилея. В русской научной литературе встречается множество вариантов написания его имени: Гвидо Убальди, Гидо Убальди, Гвидо Бальди, Гвидобальди и др. Гвидо Убальди родился в городе Пезаро (в то время — столица герцогства Урбино) в богатой и знатной семье; отец его, Раньери, получил от герцога Гвидобальдо II делла Ровере наследственный титул маркиза за военные заслуги. Учился при дворе герцога Урбино, а в 1564 г. поступил в Падуанский университет, где в юноше пробудился живой интерес к науке. Затем Убальди участвовал в военных действиях против турок-осман — в основном как военный инженер, строивший фортификационные сооружения. По окончании кампании Гвидобальдо вернулся в родное имение и посвятил себя изучению различных наук (преимущественно математики, 24

астрономии и физики). В 1588 г. Гвидобальдо дель Монте был назначен генеральным инспектором укреплений Тосканского герцогства. Ещё раньше (около 1586 г.) он обратил внимание на 22-летнего талантливого физика и математика Галилея, к этому времени — автора нескольких оригинальных книг и изобретений, но оставшегося без средств к существованию. Маркиз взял его под своё покровительство и представил тосканскому герцогу Фердинанду I Медичи. Это помогло Галилею получить свою первую научную должность — кафедру в Пизанском университете. Спустя 3 года (1592) маркиз помог Галилею стать профессором Падуанского университета, где он совершил свои знаменитые телескопические открытия. К числу знаковых работ Убальди относятся «Книга о механике» (1577) и «Замечания по поводу трактата Архимеда «О равновесии плоских фигур» (1588). Другой научный труд Гвидобальдо дель Монте относится к математической теории перспективы и называется «Перспективы» (в 6 книгах; опубликован в 1600 г.). В нём он разрабатывал основы учения о перспективе и одним из первым показал, что параллельные линии в перспективе сходятся в одной точке. Эта работа Дель Монте приобрела немалую популярность среди художников, архитекторов и театральных режиссёров. Астрономический труд Дель Монте «Об улитке» был издан посмертно. Дель Монте принадлежат несколько изобретений, в том числе — оригинальный чертёжный инструмент, предназначенный для вычерчивания правильных многоугольников и деления отрезка на равные части.

Убальди сам перевёл сочинение Архимеда «De aequi ponderantibus» и написал сочинение о водоподъемном винте Архимеда. Перевод Архимеда появился спустя 10 лет после «Механики» Убальди. Он говорит в своей книге, что убедился в правильности положений греческого учёного и многие из них доказал; но, узнав, что ещё не удовлетворил всех своих читателей, он решил для обеспечения лучшего приёма собственному сочинению познакомить их с подлинным учением древнего писателя, так как «авторитет всегда много значит». В предисловии он оправдывает Архимеда, «писавшего о центре тяжести плоскостей, несмотря на то, что плоскости не имеют тяжести». Подобную плоскость можно принять за основание призмы, призма же остаётся в равновесии, когда центр тяжести её основания поддерживается. В двух сочинениях Гвидобальдо дель Монте — «Книга о механике» (1577) и «Замечания по поводу трактата Архимеда «О равно25

весии плоских фигур»» (1588) — рассматриваются вопросы статического равновесия «простых машин». В этих работах Дель Монте, глубоко изучивший в своё время труды Архимеда, выступил как убеждённый сторонник геометрического варианта статики (и столь же убеждённый противник её кинематического варианта). В основу своей теории равновесия систем подвешенных тяжёлых тел он положил два закона: архимедов критерий расположения центра тяжести на вертикальной прямой, проходящей через точку подвеса, и принцип равенства моментов сил относительно неподвижной точки рассматриваемой машины. Задачи о равновесии рычага, ворота, весов и груза на наклонной плоскости Дель Монте решает, применяя геометрические методы статики. В то же время, излагая в своей «Книге о механике» теорию полиспаста и рассматривая в этой связи задачу о равновесии груза, который поддерживается перекинутой через блоки верёвкой, Дель Монте в ходе решения данной задачи пользуется золотым правилом механики (т. е. одним из элементарных вариантов принципа возможных скоростей) и тем самым фактически обращается к раскритикованному им же кинематическому варианту статики. Объясняя действие пяти простых механических машин Паппа — рычага, блока, ворота, клина и винта, — Убальди сводит четыре последних к рычагу и объясняет действие рычага из отношения возможных скоростей. Галилей прямо указывает, что сочинения Убальди побудили его к дальнейшим исследованиям над центрами тяжести тел. Тем не менее было бы неправильно признавать Убальди действительным предшественником Галилея, так как его исследования имеют исключительно статический характер. Если при описании рычага он принимает в расчёт описываемые им пути (что, впрочем, делал и Аристотель), то этот случай составляет исключение в его механике. Он ещё не умеет применять тот же принцип даже к наклонной плоскости. К началу XVII в. (конец эпохи Возрождения) основы механики получили своё полное математическое объяснение. Но назрела потребность в исследовании новых механизмов получения движущей силы. Первые работы Джамбаттиста делла Порта по исследованию испарения воды и свойствам пара, свойств жидкостей, опыт подня26

тия воды давлением пара и аристотелево представление о боязни жидкости пустоты создали первые предпосылки исследования свойств жидкостей, пара и воздуха. Исследования поведения жидкостей были рассмотрены Галилем и его учениками Вивиани и Торричелли, а свойства пара начал исследовать Соломон де Косс.

1.2. Исследование свойств жидкостей, пара и воздуха Первым известным исследователем свойств пара, поставившим и осуществившим эксперименты с паром и описавшим применяемые им приспособления, был французский инженер Соломон де Косс. Возможность практического использования пара можно считать появление в 1616 г. книги Саломона де Косса под названием «Les Raisons des forces mouvantes avec diverses machines», в которой описывались различные опыты с применением пара. В его сочинении описана первая машина, работа которой основана на упругости пара. Саломон де Косс (Salomon de Causs; 1576–1630) — французский учёный, инженер. Косс родился в протестантской семье и был вынужден покинуть свою страну в 1612 г. Он жил в Англии, где и получил образование. Между 1614 и 1620 г. он работал строителем при курфюрсте Фридрихе V в Хайдельберге. Там он построил часть Хайдельбергского замка и создал окружающие его парки («Hortus Palatinus»). Кроме того, он разбил несколько садов в Англии, например в Гринвич-парке (ныне разрушенном музее кораблестроения), Уилтон-хаузе, доме Хатфильда и в Соммерсет-хаусе (последний также уничтожен), также известны некоторые сохранившиеся работы в Ричмонд-парке. При планировании садов де Косс уделял большое внимание гротам, а также стремился к использованию гидравлических и пневматических автоматов, в частности для анимации скульптур с помощью фонтанов и музыки. Будучи представителем гугенотов, де Косс всю жизнь ездил по Европе с места на место. Работал инженером-гидротехником и архитектором у Людовика XIII. Он также спланировал сады в Сомерсет-хаус. 27

В частности, в этой книге автор описывает различные способы подъёма воды выше её поверхности, среди которых внимание привлекает следующее описание прибора де Коссом: «… имеется и такой способ поднятия воды — с помощью огня. На этом начале могут быть устроены различные машины, единую из коих я и опишу. Возьмём медный шар А, отлично закреплённый со всех сторон, приделаем к нему сбоку трубку с краном, так чтобы через неё можно было впускать воду в названный шар; приделаем вторую трубку Б, конец которой нисходил бы внутрь шара почти до самого его дна, однако никак оного не касаясь, дабы свободный проход воды в трубку имел место. Наполним шар водою, но не дополна. Откроем теперь кран в вертикальной трубке Б и разложим под шаром огонь. При нагревании вода поднимается по трубке Б». Здесь очевидна работа пара, образовавшегося в шаре, и его давление на воду внутри шара. Жидкость начинает выдавливаться по трубке наружу. Работа пара проявляется в создании избыточного давления в замкнутом шаре. Ещё дальше пошёл в своих исследованиях итальянец Джованни Бранка в 1629 г., заставив пар совершать работу, приводя во вращение колесо с лопатками. Возникновение водяных колес и ветряных мельниц, использующих живую силу потока воды и ветра, относится к глубокой древности, и уже на ранних стадиях развития производства делались попытки овладения потоком воды для наиболее выгодного использования ее кинетической энергии. Но творческая фантазия человека никогда не посягала на живую силу ветра, не поддающуюся никакому регулированию, никакому контролю. Вид мельницы, осаждаемой заказчиками, но бездействующую из-за отсутствия ветра, скорее внушал мысль о при28

менении искусственного ветра для приведения в движение этого двигателя. Таким искусственным ветром становится водяной пар даже при невысоком давлении, если его выпускать из сосуда, в который он заключён. Уже при пяти атмосферах первоначального давления он вытекает в воздух со скоростью около 500 метров в секунду, т. е. со скоростью, значительно превышающей скорость распространения звука, в то время как сила ветра даже при урагане не превышает 40 метров в секунду. Идея использования ветровой силы водяного пара, т. е. его кинетической энергии, для получения вращательного движения возникла в глубокой древности. В труде Герона Александрийского, жившего две тысячи лет назад, описан прибор, названный эолипилом. Этот прибор является прототипом так называемой реактивной паровой турбины. Он представляет собой полый шар с двумя трубками, загнутыми в противоположных направлениях. Осью, на которой вращается этот шар, служит полая трубка, концы которой соединены с сосудом, представляющим паровой котел. По этим осевым трубкам пар из котла наполняет шар и, вытекая в воздух из загнутых трубок, приводит шар в движение. Шар вращается благодаря реактивной, или противодействующей, силе вытекающего наружу пара. Прибор представляет собой прототип реактивной паровой турбины. В 1629 г. римский архитектор Джованни Бранка опубликовал книгу «Различные машины» («Le machine»), где рассказал о своём изобретении, использующем свойства пара. Джованни Бранка (Giovanni Branca; 1571–1645) — итальянский инженер и архитектор. Джованни Бранка за свою жизнь сделал немало интересных изобретений; ряд своих творений он посвятил губернатору города Лорето (Loreto). Позже коллекция разработанных им схем и чертежей была издана отдельной книгой «Le Machine»; в эту книгу вошли 63 гравюры с описаниями на итальянском и латыни. Следует также отметить: Бранка честно признавался, что большинство описанных им приспособлений лично строить не пробовал и суть работы некоторых представляет лишь косвенно. Наиболее известна из всех описанных в книге машин и устройств «машина номер 25» — некоторые учёные склонны предполагать, что она являла собой прообраз современного парового двигателя. 29

«Турбина Бранка» была задумана для замены ветрового или водяного привода и приводила в движение два пестика, которые в то время обычно использовались для размельчения угля и серы на пороховых заводах. Поскольку даже теоретически возможная мощность такой турбины была явно недостаточной для выполнения какой-либо полезной работы, каких-либо сведений о реальном существовании такого механизма не найдено. На рисунке 1.6 воспроизведена «машина номер 25» этой книги, где показано паровое колесо — первое изображение активной паровой турбины. Машина Бранка, судя по рисунку, употреблялась в качестве двигателя для приведения в движение толчейного стана. Паровой котёл выполнен в виде сосуда с человеческой головой. В рот «головы» вставлена трубка, через которую струя пара подавалась на лопатки рабочего колеса турбины. Вода в котёл периодически заливалась через завинчивающуюся пробку (колечко на «голове» котла). От вертикального вала рабочего колеса через двухступенчатую зубчатую передачу приводился во вращение барабан, который перемещал пестики ступок так называемой толчеи. Бранка понимал, что частота вращения турбины должна быть во много раз больше, чем у барабана, и использовал в своём редукторе зубчатые колеса, которые издавна применялись в ветряных и водяных мельницах. Надо заметить, что долгое время при упоминании машины Бранка добавлялось, что струёй пара никогда нельзя получить какой-либо значительной силовой мощности. Ошибочности этого мнения способствовало, конечно, отсутствие теоретических знаний о свойствах газа и пара и о законах их истечения. Но мысль об использовании активной и реактивной силы пара для получения в двигателе непосредственно вращательного движения не покидала изобретателей. Однако все предлагавшиеся ими машины представляли лишь измененные типы эолипила и никакого практического значения не имели. Лишь с появлением водяных турбин и теоретически разработанных принципов и работы, данных Понселе и после опытов СенВенана и Вантцеля над истечением газов и пара начали постепенно появляться правильные представления о скоростях, которые должны возникать в паровых турбинах, и о причинах неудач изобретателей в этой области. 30

Рис. 1.6. Паровая ступа (машина номер 25) Джованни Бранка и один из способов её исполнения: 1 — котёл; 2 — сопло; 3 — турбинное колесо. 31

Имя Торричелли вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и сконструировавшего первый барометр. Эванджелиста Торричелли (Evangelista Torricelli; 1608–1647) — итальянский математик и физик, ученик Галилея. Известен как автор концепции атмосферного давления и продолжатель дела Галилея в области разработки новой механики. В 1627 г. приехал в Рим, где изучал математику под руководством Бенедетто Кастелли, друга и ученика Галилео Галилея. Под впечатлением трудов Галилея о движении написал собственное сочинение на ту же тему под названием «Трактат о движении» (итал. Trattato del moto, 1640). Торричелли препроводил своё сочинение Галилею, и последний, тогда уже слепой, пригласил его для сотрудничества при обработке своего последнего сочинения «Беседы о механике». В 1641 г. Торричелли окончательно переехал к Галилею, где стал его учеником и секретарем, а после смерти Галилея (1642) — его преемником на кафедре математики и философии Флорентийского университета, и если когда-либо преемник был достоин гениального своего предшественника, то это имело место именно в данном случае. К несчастью, жизнь, начавшаяся столь блестяще, продлилась недолго: Торричелли умер во Флоренции в 1647 г. в ворасте 39 лет. В 1644 г. развил теорию атмосферного давления, доказал возможность получения так называемой «торричеллиевой пустоты» и изобрёл ртутный барометр. Работы Торричелли внесли весомый вклад в математику (вслед за Декартом он нашёл длину дуги логарифмической спирали), механику, гидравлику, оптику, баллистику.

Галилео Галилей (Galileo Galilei; 1564–1642) — знаменитый итальянский физик, механик, астроном, философ, филолог и поэт. Имя Галилея связано с героической защитой гелиоцентрической системы мира и трагической борьбой с иезуитами и инквизицией. Галилей — один из столпов научной революции Нового времени. Галилей — основатель экспериментальной физики. Своими экспериментами он убедительно опроверг умозрительную метафизику Аристотеля и заложил фундамент классической механики. Гвидобальдо дель Монте говорил, что со времени Архимеда мир не видел такого гения, как Галилей. Галилею в большей степени, чем кому-либо другому, был присущ эмпирический подход к научному познанию. Он был первым, кто настаивал на необходимости проведения экспериментов. Он отказался от представления, что научный вопрос может быть решён при опоре на авторитет, будь то мнение церкви или утверждение Аристотеля. Он также не хотел опираться на сложные дедуктивные схемы, которые не были подкреплены опытным путём. Средневековые схоласты долго обсуждали вопрос о том, что должно произойти и почему это происходит, Галилей же при проведении опыта стремился определить, что в действительности должно произойти. Для его научной позиции был характерен явно не мистический подход. В этом отношении он был даже более современен, чем его преемники, такие как Ньютон. Галилею человечество обязано двумя принципами механики, сыгравшими большую роль в развитии не только механики, но и всей физики. Это известный галилеевский принцип относительности для прямолинейного и равномерного движения и принцип постоянства ускорения силы тяжести. Исходя из галилеевского принципа относительности, Исаак Ньютон пришёл к понятию инерциальной системы отсчёта, а второй принцип, связанный со свободным падением тел, привёл его к понятию инертной и тяжёлой массы. Альберт Эйнштейн распространил механический принцип относительности Галилея на все физические процессы, в частности на свет, и вывел из него следствия о природе пространства и времени (при этом преобразования Галилея заменяются преобразованиями Лоренца). Объединение же второго галилеевского принципа, который Эйнштейн толковал как принцип эквивалентности сил инерции силам 33

тяготения, с принципом относительности привело его к общей теории относительности. Галилей установил закон инерции (1609), законы свободного падения, движения тела по наклонной плоскости (1604–1609) и тела, брошенного под углом к горизонту, открыл закон сложения движений и закон постоянства периода колебаний маятника (явление изохронизма колебаний, 1583). От Галилея ведёт своё начало динамика.

До середины XVII в. считалось непререкаемым утверждение древнегреческого учёного Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты». Выражение «Природа не терпит пустоты» с латинского «Natura ablwrret vacuum» принадлежит древнегреческому философу Аристотелю. Популярным оно стало благодаря французскому писателю-гуманисту Франсуа Рабле (1494–1553), который в своём романе «Гаргантюа» (1535) пишет (ч. 1, гл. 5) о средневековых физиках, которые были уверены, что «природа боится пустоты», и этим объясняли, например, подъём воды в насосах (о разности давления они ещё не знали). Иногда в этом же смысле используется и латинское выражение «horror vacui» — страх, боязнь пустоты. При сооружении фонтанов во Флоренции обнаружилось, что засасываемая насосами вода не желает подниматься выше 34 футов. Недоумевающие строители обратились за помощью к престарелому Галилею, который сострил, что, вероятно, природа перестаёт бояться пустоты на высоте более 34 футов, но, всё же, предложил разобраться в этом своим ученикам — Торричелли и Вивиани. Винченцо Вивиани (Vincenzo Viviani; 1622–1703) — итальянский физик и математик, ученик Галилея и Торричелли, составитель первой биографии Галилея. Познакомившись с Торричелли, учеником Галилея, стал совместно с ним проводить физические опыты, а позже стал учеником и самого Галилея (1639), который под надзором инквизиции проживал в Арчетри, недалеко от Флоренции. Вивиани стал неоценимым помощником слепого учёного. Спустя три года (1642) Галилей скончался, а в 1647 г. умер Торричелли. Вивиа34

ни продолжил их научные исследования, одновременно готовя к печати сборник трудов Галилея с биографическим очерком (1655–1656). Тосканский герцог Фердинанд II Медичи предоставил ему своё покровительство и почётное место в Академии (Accademia del Cimento, т. е. «Академия опыта»), специально созданной для исследований природы. В 1666 г. Вивиани был избран иностранным членом только что основанной Французской академии наук, членом Лондонского королевского общества (1696). В своём завещании Вивиани оставил часть средств на погребение Галилея, согласно его желанию, в соборе Санта-Кроче, и сооружение там памятника Галилею. Эта воля была исполнена в 1737 г., когда римская церковь наконец разрешила перезахоронить Галилея, и теперь могилы учителя и ученика находятся рядом. В 1644 г. Вивиани и Торричелли поставили классический опыт по измерению атмосферного давления. В 1660 г. Вивиани и Борелли провели довольно точное измерение скорости звука и получили значение, соответствующее примерно 350 м/с. Более ранние измерения, выполненные Гассенди, оценивали скорость звука в 478 м/с (современная оценка: 331,3 м/с при 0°C).

Трудно сказать, кто первым догадался, что высота поднятия жидкости за поршнем насоса должна быть тем меньше, чем больше её плотность. Так как ртуть в 13 раз плотнее воды, то высота её поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше. Тем самым опыт получил возможность перейти со стройплощадки в лабораторию и был проведён Вивиани по инициативе Торричелли. Торричелли знал от своего учителя Галилея, что вода в насосах не может быть поднята выше, чем на 32 фута, и был знаком с его взглядами на horror vacui (боязнь пустоты). Считая, что дальнейшие опыты с таким высоким водяным столбом трудно выполнимы, а также по ряду других соображений он пожелал выяснить, не будет ли какая-либо другая, более тяжелая жидкость способна противостоять «боязни пустоты» при меньшей высоте столба. Всего удобнее для этой цели показалась ему ртуть, которая уже при высоте с 32/13 фута, или в 28 дюймов, должна была уравновешивать horror vacui, если последний действительно представлял определённую силу, как это думал Галилей. Торричелли сначала не производил опытов лично, а поручил это исследование своему ученику Винченцо Вивиани, который, наполнив длинную запаянную с одного конца стеклянную трубку ртутью и опрокинув её открытым 35

концом в широкий сосуд с ртутью, нашёл (1643), что ртутный столб в трубке, опустившись до высоты 28 дюймов, остался неподвижным. После такого результата Торричелли взялся сам за производство этих опытов, проявляя при этом поистине гениальную изобретательность. Первый опыт доказывал, по-видимому, не больше того, что давали водяные насосы. Если вообще для боязни пустоты Галилеем была указана граница, то последняя, очевидно, зависела не от определённой высоты, а от определённого давления, и опыт с ртутью не доказывал ничего большего. Но затем Торричелли высказал мысль, что horror vacui, ограниченный пределами, далее которых природа в своём отвращении идти не может, представляет собою чистейший абсурд, и причину поднятия жидкостей в безвоздушных пространствах он приписал непосредственно давлению воздуха. Вслед за этим он тотчас же приступил к определению величины воздушного давления. На это есть ясные указания в письме его к Риччи (впоследствии корреспонденту флорентийской академии) от 1644 г., где говорится, что опыты были предприняты им не просто для получения безвоздушного пространства, но главным образом в расчете устроить прибор, способный указывать изменения состояния воздуха, который бывает то тяжелее и плотнее, то легче и реже. Торричелли, следовательно, успел убедиться, что ртуть изменяет свой уровень в трубке, и это наблюдение по всей вероятности и побудило его заменить галилеевскую боязнь пустоты новым понятием — давлением воздуха. Действительно, пока дело ограничивалось тем, что сила, поддерживающая водяной столб в 32 фута, способна удержать и ртутный столб в 28 дюймов, не было никаких поводов изменять прежний взгляд на эту силу. Когда же удалось подметить колебания в величине этой силы, представление об horror vacui должно было пасть само собой. Нельзя же в самом деле приписывать природе свойство капризной кокетки — изменчивость в своих симпатиях и антипатиях, даже в том случае, когда мы допускаем наличие у природы определённого «отвращения». Должно заметить, что хотя мысль о боязни пустоты устраняется наблюдением колебания ртутного уровня, но этим ещё не доказывается, что воздушное давление является прямой причиной этого явления. Представление о давлении воздуха для нас теперь настолько естественно, что мы не постигаем самой возможности отрицать его; но 36

для того времени в нем была мудреная сторона, так как дело шло о силе, которая тяготеет над нами и которую мы в то же время не ощущаем. Что же касается колебания воздушного давления, то эта проблема и теперь заключает в себе трудности даже для таких людей, которые полагают, что они раз и навсегда покончили с вопросом о давлении воздуха. Торричелли нашёл для своих воззрений прочную точку опоры в своих опытах и уже больше к ним не возвращался до ранней своей смерти. Для публики вопрос окончательно выяснился только после того, как Паскаль открыл связь между барометрической высотой и высотой места, а ещё более после опытов с магдебургскими полушариями, противопоставившими давлению воздуха лошадиные силы.

Рис. 1.7. Опыты Торричелли с атмосферным давлением

Нельзя не удивляться равнодушию, с которым Торричелли относится к образованию пустого пространства. Поглощённый мыслью о воздушном давлении, он как будто не сознаёт важности и пользы безвоздушного пространства. Тем сильнее повлияло открытие торичеллиевой пустоты на других. Спор о существовании пу37

стого пространства занимал умы со времён Аристотеля и древних атомистов. В разбираемое нами время они были не прочь вывести на арену барометрическую пустоту как представительницу абсолютно пустого пространства, и противникам последнего приходилось плохо. Между тем торичеллиева пустота оставалась пока неприменимой к практике, так как её ещё не сумели сделать доступной для опытов. Задачу создания пустого пространства, в котором можно было бы производить опыты, осуществил Герике. Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли делает два вывода: — пространство над ртутью в трубке пусто (позже его назовут «торричеллиевой пустотой»); — ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде (атмосферное давление). Из этого следовало, что воздух имеет вес. Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учёными того времени. Свои открытия и изобретения Торричелли излагает в своём сочинении «Opera geometrica» (Флоренция, 1644), среди которых самое важное место занимает изобретение ртутного барометра. Важность открытия атмосферного давления состоит в том, что именно атмосферное давление стало в первое время одной из действующих сил в конструкции атмосферных двигателей внутреннего сгорания. Блез Паскаль (Blaise Pascal; 1623–1662) — французский математик, механик, физик, литератор и философ. Классик французской литературы, один из основателей математического анализа, теории вероятностей и проективной геометрии, создатель первых образцов счётной техники, автор основного закона гидростатики. Его именем названы единица измерения давления системы СИ, язык программирования Pascal. 38

Блез рос одарённым ребёнком. Его отец Этьен самостоятельно занимался образованием мальчика; Этьен и сам неплохо разбирался в математике — дружил с Мерсенном и Дезаргом, открыл и исследовал неизвестную ранее алгебраическую кривую, с тех пор получившую название «улитка Паскаля», входил в комиссию по определению долготы, созданную Ришельё. С 14 лет Паскаль участвовал в еженедельных семинарах Мерсенна, проводимых по четвергам. Здесь он познакомился с Дезаргом. Юный Паскаль был одним из немногих, кто изучал его труды, написанные сложным языком и насыщенные новоизобретёнными терминами. Он совершенствовал идеи, высказанные Дезаргом, обобщая и упрощая обоснования. В 1640 г. выходит первое печатное произведение Паскаля — «Опыт о конических сечениях», результат исследования работ Дезарга. В это сочинение автор включил теоремы (доказательства не приводятся), три определения, три леммы и указал главы планируемого труда, посвящённого коническим сечениям. Третья лемма из «Опыта…» является теоремой Паскаля: если вершины шестиугольника лежат на некотором коническом сечении, то три точки пересечения прямых, содержащих противоположные стороны, лежат на одной прямой. Этот результат и 400 следствий из него Паскаль изложил в «Полном труде о конических сечениях», о завершении которого Паскаль сообщил пятнадцать лет спустя и который сейчас отнесли бы к проективной геометрии. «Полный труд…» так и не был опубликован: в 1675 г. его прочёл в рукописи Лейбниц, рекомендовавший племяннику Паскаля Этьену Перье срочно напечатать его. Перье не прислушался к мнению Лейбница, впоследствии рукопись была утеряна. Отец Блеза по роду службы в Руане (интендантом Нормандии) часто занимался утомительными расчётами, сын также помогал ему в распределении податей, пошлин и налогов. Столкнувшись с традиционными способами вычислений и найдя их неудобными, Паскаль задумал создать вычислительное устройство, которое могло бы помочь упростить расчёты. В 1642 г. (в 19 лет) Паскаль начал создание своей суммирующей машины «паскалины», в этом, по его собственному признанию, ему помогли знания, полученные в ранние годы. Машина Паскаля выглядела как ящик, наполненный многочисленными связанными друг с другом шестерёнками. Складываемые либо вычитаемые числа вводились соответствующим поворотом колёс, принцип работы основывался на счёте оборотов. С 1658 г. здоровье Паскаля быстро ухудшается. Согласно современным данным, в течение всей жизни Паскаль страдал от комплекса заболеваний: рака мозга, кишечного туберкулёза, ревматизма. Его одолевает физическая слабость, появляются ужасные головные боли. Гюйгенс, посетивший Паскаля в 1660 г., нашёл его глубоким стариком, хотя Паскалю было всего 37 лет. Паскаль понимает, что скоро умрёт, но не испытывает страха перед смертью, говоря сестре Жильберте, что смерть отнимает у 39

человека «несчастную способность грешить». Не имея возможности ни читать, ни писать, ни размышлять, он занимается благотворительностью и изредка посещает старых друзей. Осенью 1661 г. Паскаль поделился с герцогом де Роанне идеей создания дешёвого и доступного всем способа передвижения в многоместных каретах. Герцог создал акционерное общество для реализации этого проекта, и 18 марта 1662 г. в Париже открылся первый маршрут общественного транспорта, названного впоследствии омнибусом. 19 августа 1662 г. после мучительной продолжительной болезни Блез Паскаль скончался на 39-м году жизни.

В конце 1646 г. Паскаль, узнав от знакомого отца о торричеллиевой трубке, повторил опыт итальянского учёного на самостоятельно изготовленном барометре.

Рис. 1.8. Водяной барометр Блеза Паскаля

Затем он произвёл серию видоизменённых экспериментов, стремясь доказать, что пространство в трубке над ртутью не заполнено ни её парами, ни разреженным воздухом, ни некоей «тонкой материей». В 1647 г., уже находясь в Париже и, несмотря на обострившуюся болезнь, Паскаль опубликовал результаты своих опытов 40

в трактате «Новые опыты, касающиеся пустоты». В заключительной части своего труда Паскаль утверждал, что пространство в верхней части трубки «не заполнено никакими известными в природе веществами… и можно считать это пространство действительно пустым до тех пор, пока экспериментально не доказано существования там какого-либо вещества». Это было предварительное доказательство возможности пустоты и того, что гипотеза Аристотеля о «боязни пустоты» имеет пределы. Паскаль отмечал также, что все явления, приписываемые ранее «боязни пустоты» на самом деле следствия давления воздуха. Обобщая полученные результаты, Паскаль сделал вывод, что давление воздуха есть частный случай равновесия жидкостей и давления внутри них. Паскаль подтвердил предположение Торричелли о существовании атмосферного давления. Колебание ртутного столба в барометре не казалось Паскалю достаточным доказательством существования воздушного давления. Поэтому он постарался удалить совершенно или насколько можно воздух над ртутным резервуаром барометра и, добившись своей цели, увидел, что ртуть в трубке действительно упала. Не удовлетворяясь и этим, он пожелал доказать ещё нагляднее зависимость высоты ртутного столба от давления воздуха. 15 ноября 1647 г. Паскаль писал своему зятю Перье (советнику податной палаты в Клермоне): «Ты понимаешь, что если бы высота ртути на вершине горы оказалась меньшей, чем у подошвы (я так думаю по многим основаниям, хотя все, писавшие об этом предмете, придерживаются другого мнения), то из этого можно было бы заключить, что единственная причина явления — тяжесть воздуха, а не пресловутый horror vacui. Ясно, в самом деле, что в низу горы воздух должен быть сгущённее, чем наверху, между тем как нелепо предполагать в нём больший страх пустоты у подножия, нежели на вершине». По просьбе Паскаля Перье устроил, согласно описанию Торичелли, два барометра и с одним из них отправился 19 сентября 1648 г. на соседнюю гору Puy de Dome высотой в 4300 футов, другой же барометр оставил на попечение патера Шастена. Поднимаясь на гору, он наблюдал непрерывное понижение барометра; когда же по окончании экспедиции наблюдатели сравнили барометрические высоты у подошвы горы и на её вершине, то нашли разницу ртутных столбов в 3 дюйма и 15 линий. 41

Перье тотчас же сообщил Паскалю об успешности опыта, и последний, поражённый большим размером этой разницы, попробовал повторить опыт на меньших высотах.

Рис. 1.9. Опыт Паскаля на горе Puy de Dome

Он взобрался на башню парижской церкви St. Jacques de la Boucherie и для её высоты (около 150 парижских футов) нашёл барометрическую разницу в две парижских линии. В том же 1648 г. Паскаль опубликовал новое открытие в брошюре «Recit de la grande experience de l’equilibre des liqueurs». В «Рассказе о великом эксперименте равновесия жидкостей» (1648) Паскаль привёл свою переписку с зятем и следствия, вытекающие 42

из этого опыта: теперь есть возможность «узнать, находятся ли два места на одном уровне, т. е. одинаково ли они удалены от центра земли, или которое из них расположено выше, как бы ни были они далеки друг от друга».

Рис. 1.10. Барометрический опыт Паскаля на башне церкви Св. Якова в Париже

Таким образом окончил своё земное поприще престарелый horror vacui (боязнь пустоты). Уцелевшие от крушения перипатетики, хватаясь за его обломки, утешали себя мыслью, что торичеллиева пустота всё же не пустота, а только пространство с разреженным воздухом; но, тем не менее, теория, что воздух не может давить на более тяжёлые тела, сделалась с этих пор немыслимой в науке. Паскаль не удовольствовался полученными им результатами. В течение 1649–1651 гг. он был занят дальнейшими барометриче43

скими наблюдениями, которые изложил в своём сочинении «Traite de l’equilibre des liqueurs et de la pesanteur de la masse de l’air», оконченном в 1653 г., но появившемся в печати только в 1663 г., т. е. через год после смерти автора. В этой работе Паскаль объясняет воздушным давлением все явления присасывания, в том числе, разумеется, и многие явления прилипания. Он отметил, что барометр может служить для определения разности высот местности, но понимал также, что вопрос требует дальнейшего и весьма сложного исследования. Большинство учёных того времени, принимая воздух одинаково плотным повсюду, делало вывод, что высоты мест наблюдения обратно пропорциональны барометрическим высотам. Паскаль заметил, что плотность воздуха уменьшается постепенно от нижних слоев к высшим и, следовательно, указанной пропорциональности существовать не может. Но закон, по которому происходит уменьшение плотности соответственно высоте, был открыт гораздо позже. Подобно Торичелли, Паскаль обратил внимание на колебания барометрического уровня в одном и том же месте; способ ведения наблюдений на Puy de Dome служит тому доказательством. Но Паскаль пошёл дальше и убедился путём наблюдений, что колебания барометра или воздушного давления находятся в прямой связи с переменами погоды. Он отнёс эти колебания на счёт перемены ветров и изменения температуры, рассуждая в этом случае правильнее многих других позднейших наблюдателей. Впрочем, его наблюдения были всё-таки недостаточны и привели его к неверному выводу, будто барометр падает в ясную погоду и поднимается в пасмурную. Развивая результаты исследований Стевина и Галилея в области гидростатики в своём «Трактате о равновесии жидкостей» (1653, опубликован в 1663), Паскаль подошёл к установлению закона распределения давления в жидкостях. Во второй главе трактата он формирует идею гидравлического пресса: «сосуд, наполненный водою, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что с помощью этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть» и отмечает, что принцип его действия подчиняется тому же закону, что и принцип действия рычага, блока, бесконечного винта. Паскаль, подобно Галилею, работы которого не остались, повидимому, без влияния на него, кладёт в основу своих рассуждений 44

закон виртуальных скоростей и при помощи этого закона, сам того не подозревая, выводит те же правила, какие Стевин вывел уже раньше статическим путём в своих «Beghinselen der Weegkonst». Паскаль берёт для примера цилиндр, наполненный водой и замкнутый с обеих сторон поршнями неодинаковой поверхности. При таких условиях давление, произведённое на один из поршней, будет передаваться другому соответственно отношению их поверхностей; при движении пути, пройденные обоими поршнями, будут обратно пропорциональны этим же поверхностям; отсюда и вытекает указанное выше отношение сил давления.

Рис. 1.11. Гидравлическая машина Паскаля

Основной частью гидравлической машины служат два цилиндра разного диаметра, снабжённые поршнями и соединительной трубкой. Пространство под поршнями и трубку заполняют жидкостью (обычно минеральным маслом). Высоты столбов жидкости в обоих цилиндрах одинаковы, пока на поршни не действуют силы. Допустим теперь, что силы F1 и F2 — силы, действующие на поршни, S1 и S2 — площади поршней. Давление под первым (малым) поршнем равно p1 = F1/S1, а под вторым (большим) p2 = F2/S2. По закону Паскаля давление покоящейся жидкостью во все стороны передаётся одинаково, т. е. p1 = p2 или F1/S1 = F2/S2, откуда F2/F1 = S2/S1. 45

Паскаль обращает особое внимание на отношение виртуальных скоростей как на общий принцип равновесия машин, замечая: «Удивляешься, встречая в какой-нибудь новой машине тот же неизменный порядок, как и в основных, т. е. рычаге, бесконечном винте и т. д., именно, что путь увеличивается в одинаковой пропорции с силой. Это может быть даже принято за истинную причину рассматриваемого действия, так как, очевидно, всё равно, заставить ли 100 фунтов воды пройти один дюйм или 1 фунт воды — сто дюймов пути». Паскаль вошёл в историю науки, начав с простого повторения опыта Торричелли, он опроверг одну из основных аксиом старой физики и установил основной закон гидростатики. После открытия атмосферного давления действие всасывающих насосов могло быть объяснено не всасыванием воды разреженным пространством, а нагнетанием в него воды весовым давлением воздуха, действующим на неё в нижнем резервуаре. Величина атмосферного давления определяла высоту подъёма воды — теоретически немногим более 10 м, практически же несколько меньшую. Опыты Торричелли вызвали широкий резонанс. «Пустота» стала предметом глубокого изучения. Результаты исследований известных физиков Паскаля, Мариотта, Бойля, Галлилея привели к более полному пониманию природы разрежения и атмосферного давления. В 1654 г. опыты по определению атмосферного давления и свойств воздуха провёл Отто фон Герике. Отто фон Герике (Otto von Guericke; 1602–1686) — немецкий физик, инженер и философ из Магдебурга, стремясь доказать существование вакуума, в 1650 г. изобрёл воздушный насос для создания нужного разрежения и с его помощью продемонстрировал силу атмосферного давления. После изобретения воздушного насоса Герике продолжил заниматься изучением свойств воздуха. Им были открыты упругость воздуха, участие воздуха в процессе горения, сделаны открытия в электропроводности, свечении электрических зарядов, магнетизме. В 1666 г. император Леопольд возвёл 46

его в дворянское достоинство, после чего Герике изменил правописание своей фамилии, соответственно диплому, и стал писать von Guericke.

Им был поставлен эксперимент с Магдебургскими полушариями, который доказал наличие давления воздуха; установил упругость и весомость воздуха, способность поддерживать горение, проводить звук. С помощью разрежения в небольшом сосуде, состоявшем из двух плотно пригнанных полушарий, были созданы такие силы, преодолеть которые не могла восьмёрка лошадей, оттягивавшая полушария в разные стороны. В середине XVII столетия жители города Рогенсбурга и съехавшиеся туда владетельные князья Германии во главе с императором были свидетелями поразительного зрелища: 16 лошадей изо всех сил старались разнять два приложенных друг к другу медных полушария. Что связывало их? «Ничто» — воздух. И, тем не менее, восемь лошадей, тянувших в одну сторону, и восемь, тянувших в другую, оказались не в силах их разъединить. Так бургомистр Отто фон Герике воочию показал всем, что воздух — вовсе не «ничто», что он имеет вес и давит со значительной силой на все земные предметы. Опыт этот был произведён 8 мая 1654 г. при весьма торжественной обстановке. Учёный бургомистр сумел всех заинтересовать своими научными изысканиями, несмотря на то, что дело происходило в разгар политических неурядиц и опустошительных войн. Описание опыта с «магдебургскими полушариями» имеется в учебниках физики. Всё же, читатель, наверное, с интересом выслушает этот рассказ из уст самого Герике, «германского Галилея», как иногда называют замечательного физика. Объёмистая книга с описанием длинного ряда его опытов вышла на латинском языке в Амстердаме в 1672 г. и, подобно всем книгам этой эпохи, носила пространное заглавие. Вот оно: «ОТТО фон ГЕРИКЕ. Так называемые новые магдебургские опыты над БЕЗВОЗДУШНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ, первоначально описанные профессором математики в Вюрцбургском университете КАСПАРОМ ШОТТОМ. Издание самого автора, более обстоятельное и пополненное различными новыми опытами». 47

Рис. 1.12. Опыт Герике с «магдебургскими полушариями»

Приводим дословный её перевод. «Опыт, доказывающий, что давление воздуха соединяет два полушария так прочно, что их нельзя разнять усилиями 16 лошадей. Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургских локтя. Но в действительности диаметр их заключал всего 67/100, так как мастера, по обыкновению, не могли изготовить в точности то, что требовалось. Оба полушария вполне отвечали одно другому. К одному полушарию был приделан кран; с помощью этого крана можно удалить воздух изнутри и препятствовать проникновению воздуха снаружи. Кроме того, к полушариям прикреплены были 4 кольца, через которые продевались канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел также сшить кожаное кольцо; оно напитано было смесью воска в скипидаре; зажатое между полушариями, оно не пропускало в них воздуха. В кран вставлена была трубка воздушного насоса, и был удалён 48

воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха прижимало их так крепко, что 16 лошадей (рывком) совсем не могли их разнять или достигали этого лишь с трудом. Когда же полушария, уступая напряжению всей силы лошадей, разъединялись, то раздавался грохот как от выстрела. Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху — и полушария легко было разнять руками». Этот опыт обратил внимание учёных и изобретателей XVII в. на «громадную силу» атмосферного давления: 1 кг на 1 см2 по сравнению с граммами или десятками граммов усилий, приходящихся на 1 см2 поверхности ветровых или водяных колес. Поскольку эта «сила» имелась везде, то могло возникнуть предположение о возможности создания атмосферных двигателей, что означало бы освобождение энергетики от местных условий. К другим немаловажным опытам относились опыты по упругости воздуха и горению. Упругость воздуха Герике доказал следующими опытами. Откачанный стеклянный шар он сообщил с другим, наполненным воздухом; из последнего воздух устремлялся в первый с большой силой и наподобие бури подбрасывал лёгкие тела, находившиеся в пустом шаре. Кроме того, он ввёл в полость своих полушарий пузырь, наполненный воздухом, и показал, что по мере выкачивания воздуха пузырь всё более и более растягивался, пока не лопнул с треском. Убедившись в упругости воздуха, Герике заключил, что в нижних слоях атмосферы он должен быть плотнее, чем в верхних, и доказал это особым опытом, без помощи своего насоса. С этой целью он брал стеклянные шары, запирал их краном у подошвы башни или горы и затем, отворяя кран наверху башни или на вершине горы, наблюдал, что воздух выходил из шара с шипением. Когда истечение воздуха прекращалось, он запирал кран, спускался вниз и снова отворял его — теперь воздух извне входил в шар. Эти наблюдения навели его на мысль устроить в 1660 г. прибор для измерения плотности воздуха, или барометр. 49

Рис. 1.13. Барометр Отто фон Герике

Поместив в сосуд зажжённую свечу, Герике заметил, что в пустоте она погасла, и отсюда заключил, что для горения нужен воздух. Этот вывод он подтвердил и другим опытом, в котором зажжённая свеча помещалась в сосуде, опрокинутом в воду. Здесь горение сопровождалось втягиванием воды в сосуд, откуда следовало, что пламя потребляет воздух. Погоня за пустым пространством, казавшимся столь важным для новой атомистики, привела Герике к изобретению воздушного насоса; спор о давлении воздуха привёл его к полушариям с их огромной доказательностью; упругость воздуха им была доказана неопровержимо; им была твёрдо установлена необходимость воздуха для горения и пр. Открытие атмосферного давления позволило осознать его как возможную движущую силу механизмов. 50

Первые попытки осуществить тепловую «пороховую машину», прообраз двигателей внутреннего сгорания, ещё в конце XVII в. сделал француз Дени Папен и голландский учёный Христиан Гюйгенс. Но, хотя они и получили первый прообраз универсального двигателя, оценить результат их работы тогда ещё не смогли. Поэтому идея Гюйгенса и опыты Папена были, по существу, стремлением научного познания процесса. Христиан Гюйгенс (Christiaan Huygens; 1629–1695) — нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель. Один из основоположников теоретической механики и теории вероятностей. Внёс значительный вклад в оптику, молекулярную физику, астрономию, геометрию, часовое дело. Открыл кольца Сатурна и Титан (спутник Сатурна). Первый иностранный член Лондонского королевского общества (1663), член Французской академии наук с момента её основания (1666) и её первый президент (1666–1681). Область физических исследований Гюйгенса была чрезвычайно обширна и требовала огромного напряжения сил, но она его далеко не поглощала — великий ум Гюйгенса при всём его углублении в подробности не терял способности обозревать и целое. Вместе с братом он усовершенствовал телескоп, доведя его до 92-кратного увеличения, и занялся изучением неба. Первая известность пришла к Гюйгенсу, когда он открыл кольца Сатурна (Галилей их тоже видел, но не смог понять, что это такое) и спутник этой планеты, Титан. В 1657 г. Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию маятниковых часов. В последние годы жизни этот механизм пытался создать Галилей, но ему помешала прогрессирующая слепота. Часы Гюйгенса реально работали и обеспечивали превосходную для того времени точность хода. Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Сконструированные Гюйгенсом точные и недорогие часы с маятником быстро получили широчайшее распространение по всему миру. Во время пребывания в Париже он работал над всеми почти физическими проблемами, которые занимали учёных того времени. Так, он 51

устроил двойной барометр, в котором колебания ртутного столба были значительно увеличены против обыкновенного. С Папеном производил опыты по определению температуры кипения; повторил опыты горения в пустоте и расширения воды при замерзании. Он принимал участие в измерении скорости звука, предпринятом членами Парижской академии Джованни Кассини, Жаном Пикаром и Олафом Рёмером (они нашли её равной 1172 парижских футов в секунду). Лагранж писал, что Гюйгенсу «было суждено усовершенствовать и развить важнейшие открытия Галилея».

История создания прообраза двигателя внутреннего сгорания связана с программой работы Парижской академии наук, предложенной её первым президентом Христианом Гюйгенсом. Христиан Гюйгенс был одним из крупнейших европейских учёных. Он играл видную роль в развитии естественных наук и в этой области долгое время был первым из учёных своего века. Его вклад в науку был, по меньшей мере, столь же значительным, как и вклад Галилея, Декарта и Ньютона. В XVII в. существовали две противоположные точки зрения относительно метода естественных наук: рационализм и эмпиризм. Сторонники эмпиризма уверяли, что надёжные знания можно приобрести только посредством опыта. Такие видные эмпиристы, как Г. Галилей и Ф. Бэкон, стремились к тому, чтобы посредством опыта приобрести больше знаний, а рационалисты считали, что источником всех знаний является мышление и что эмпирические знания ненадёжны. Главный представитель этого течения французский математик и философ Ренэ Декарт пропагандировал точку зрения, что физику нужно развивать таким же образом, как и математику. Иначе говоря, как аксиоматическо-дедуктивную систему, построенную на ряде аксиом. Эти аксиомы вытекают из размышления, так что фактически имеют метафизический характер. Примером является утверждение Декарта, что свойства веществ полностью определяются их геометрической формой и состоянием движения. При выборе различных аксиом могут возникать разные системы физики. А посредством эксперимента надлежит решить, какая из них правильная. Гюйгенс занимал позицию между рационализмом и эмпиризмом, как это делает и в наше время большинство учёных. В одном из своих писем он выдвигает девиз «посредством опыта и разума». 52

Он признавал, что наука должна опираться на эмпирические знания, но что эти знания не имеют значения без теоретических рамок. Наряду с этим он считал, что в последней инстанции решать, жизнеспособна ли теория, должен эксперимент, однако без возможности окончательно доказать её правильность. Для иллюстрации взглядов Гюйгенса мы приведём две цитаты из письма, посланного в 1673 г. Пьеру Перро. (Пьер Перро был братом Шарля Перро, автора «Сказок матушки гусыни».) В первой цитате говорится об экспериментальной основе теории: «В физике не бывает точных доказательств, и первопричины можно узнать только по их следствиям. Для этого, исходя из того, что уже известно на опыте, выдвигают гипотезы и затем проверяют, согласуются ли другие явления со сделанными предположениями». Во второй цитате разъясняется роль, которую эксперимент играет в утверждении теории: «Чем более обнаруживается явлений, согласующихся с гипотезой, тем более правдоподобной она становится. Нужно, однако, всегда помнить, что не существует момента, когда её истинность будет полностью доказана, и что всегда может появиться явление, которое окажется несовместимым с нашим предположением и таким образом его совершенно уничтожит». Точка зрения, которую Гюйгенс излагает во второй цитате, получила общее признание только в XX в. Следовательно, что касается роли эксперимента в естественных науках, Гюйгенс расходился во мнении с Декартом. Но по одному очень важному пункту их мнения совпадали. Гюйгенс, как и Декарт, считал, что все природные явления нужно (и можно) объяснять посредством механики. И эту точку зрения он сохранял всю свою жизнь. Итак, в 1666 г. Кольбер создаёт в Париже академию наук и приглашает голландского физика Христиана Гюйгенса стать её первым президентом. Парижская (французская) академия наук (фр. Académie des sciences — Академия наук) — научная организация, основанная в 1666 г. Людовиком XIV по предложению Жан-Батиста Кольбера, чтобы вдохновлять и защищать французских учёных. 53

Одна из первых академий наук в мире. Распространённое неофициальное название Французской академии наук — Парижская академия наук. Входит в Институт Франции (одна из пяти национальных академий). В XVII и XVIII вв. была на передовом фронте научных исследований в Европе.

Рис. 1.14. Визит короля Людовика XIV в Парижскую академию наук 54

Жан-Батист Кольбер (JeanBaptiste Colbert; 1619–1683) — французский государственный деятель, фактический глава правительства Людовика XIV после 1665 г. Главная должность — контролёр финансов, но также занимал и многие другие руководящие посты. Сторонник политики меркантилизма, способствовал развитию национального флота, торговли и промышленности. Заложил экономические предпосылки для формирования Французской колониальной империи. При его покровительстве были основаны Академия надписей и литературы (1663), Королевская академия наук (1666), Королевская академия музыки (1669) и Королевская академия архитектуры (1671).

Гюйгенс был с самого начала неоспоримым лидером Академии. Члены Академии собирались два раза в неделю, по средам и субботам. По средам занимались математикой, включая механику и астрономию, а по субботам естествознанием, к которому принадлежала вся биология. Гюйгенс сам составил несколько научных программ, определявших основные задачи Академии. Некоторые из этих задач имели весьма конкретный характер, например, испытание хода часов с маятником на плавающих кораблях, определение скорости света и определение длины окружности земного шара. В этих программах большое внимание уделялось также астрономии, и Академия интенсивно занималась астрономическими наблюдениями, причём ей очень помогали отличные телескопы и маятниковые часы, спроектированные Гюйгенсом. То, что астрономия занимала столь важное место, не так удивительно, если принять во внимание, что эта наука положила в XVII в. начало обновлению картины мира. Во всей этой конкретной деятельности Гюйгенс преследовал весьма общую цель. В документе, который он составил в период между 1666 и 1668 гг., он, указав на то, как важно накапливать по возможности больше знаний о природе, пи55

шет: «Кроме того, предлагается исследовать первопричины, которые в совершенном согласии обусловливают как строение всех физических тел, так и все наблюдаемые нами явления, полезность чего окажется бесконечной, когда эта цель будет достигнута. Человечество сможет использовать вновь создаваемые объекты, будучи уверенным в том, как они будут себя вести». В этой второй части цитаты выражается существовавшее в то время общее мнение о научных исследованиях: пользу этих исследований не желали упускать из виду. Это также относилось и к Гюйгенсу, который, как мы видели, рано перестал довольствоваться лишь чисто математическими проблемами. Став членом Академии, Гюйгенс оставался в Париже с двумя перерывами до 1681 г. С 1670 до 1671 г., затем с 1676 до 1678 г. он находился в Голландии, оба раза, чтобы поправить своё здоровье после тяжёлой болезни. Может быть, будет преувеличением сказать, что его парижский период был самым важным в жизни, ведь и до 1666 г. он достиг очень многого. Но нет сомнения в том, что в Париже он находился в окружении, которое чрезвычайно стимулировало его научную деятельность. Ему там очень нравилось, и он пользовался большим уважением. В соответствии с воззрениями Гюйгенса на знание явлений природы в предложенной им программе 1666 г. были включены исследования энергии бездымного пороха, заключённого в толстостенный сосуд из железа или меди, исследование энергии воды, превращённой нагреванием в пар, а также эксперименты с вакуумными насосами, ветряными двигателями и возникающими силами при соударении тел. Нетрудно догадаться, что направления исследований Гюйгенс выбрал исходя из того, что уже были осуществлены первые опыты с пушкой Архимеда архитронито, построены паровое колесо Герона эолипил и реактивная турбина Джованни Бранка. Эти изобретения требовали дополнительных исследований. В 1672 г. Гюйгенс привлекает к работам по программе двух молодых сотрудников: немца Готфрида Вильгельма Лейбница и француза Дени Папена. Лейбниц к этому времени уже был автором научной гипотезы о природе Вселенной, разработанной в метафизических понятиях его Монадологии. Лейбниц «через теологию подходил к принципу не56

разрывной (и универсальной, абсолютной) связи материи и движения» (В. И. Ленин. Полное собрание сочинений. Т. 29. С. 67). Понятие развития у Лейбница было весьма широкое. В природе, утверждает он, всё находится в развитии. При этом не происходит ни возникновения в строгом смысле слова, ни уничтожения. Развитие есть лишь изменение первоначальных форм через бесконечно малые изменения. Лейбниц в принципе отрицает возможность каких бы то ни было скачков или разрывов непрерывности в развитии. В течение года Гюйгенс и его коллеги проводили исследование воздушного насоса фон Герике в двигателе, способном преобразовывать силу взрыва пороха в полезную работу. Дени Папен больше отличался в практической экспериментальной деятельности, тем не менее именно его деятельности мы обязаны появлению прообраза первого двигателя внутреннего сгорания. Дени Папен (Denis Papin; 1647– 1712) — французский математик, физик и изобретатель. Папен родился во французском городе Блуа в 1647 г. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора. Но врачом Папен не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Х. Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику. В 1688 г. он опубликовал со своими конструктивными дополнениями описание представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем. Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 г. в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Папен изобрёл и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц. 57

Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды. С 1707 г. он жил в Лондоне. Последняя информация о жизни Дени Папена — его письмо от 23 января 1712 г.

Дени Папен родился в Блуа (Франция) 22 августа 1647 г. Семь лет учёбы в университете Анжера (между шестнадцатью и двадцатью тремя годами жизни), обучаясь на доктора медицины, Папен отдавал больше всего усердия и времени изучению математики и естествознания. К этому времени научная мысль уже отвернулась от церковных догм и обратилась к сознательному исследованию основ бытия. Учёный мир стремился вооружиться единственным оружием, способным принести пользу на этом пути, — подлинным знанием. Особенно это сказывалось на науках физико-математических и естественных. Из обширных кладовых анжерской библиотеки Папен с жадностью черпал новые идеи в области математики, механики, физики. Здесь он зачитывался трудами Христиана Гюйгенса, мечтая о личном знакомстве с этим молодым академиком. Проводя в 1680 г. последние каникулы (после семилетнего обучения медицине) в поместье своего отца в Папиньоне, расположенном в трёх лье от Блуа, он наткнулся на книгу Саломона де Косса под названием «Les Raisons des Forces Mouvantes». В этой книге автор описывает различные способы подъёма воды выше её поверхности. Папен повторил опыт де Косса и получил колоссальную силу паров воды. Основной идеей Папена в это время стало желание создать машину, способную производить полезную работу: поднимать тяжести, переносить грузы, выкачивать воду, или что-нибудь в этом роде. Из опытов Торричелли, магдебуржца Отто фон-Герике, из ряда наблюдений, сделанных Гюйгенсом и самим Папеном, молодой учёный уже знал, что воздух, окружавший землю, давит на все находящиеся на ней предметы с огромной силой. Денни знал, что воздух сплющивал первые модели полушарий того же Герике, стоило из этих полушарий выкачать воздух. Торричелли с полной ясностью показал, что такое же давление испытывает каждое тело. Он даже научил измерять это давление. По-видимому, можно было 58

добиться того, чтобы этим давлением управлять. Ведь весь вопрос заключался только в том, чтобы уничтожать противодавление воздуха, которое он оказывает самому себе. Нужно только научиться хорошенько охранять пустоту от вторжения воздуха, и тогда можно делать чудеса, извлекая большую силу из атмосферы, огромный запас энергии которой пропадает совершенно напрасно.

Рис. 1.15. Папен и Гюйгенс

Прошло два года после знакомства и начала работы с Гюйгенсом, и Папен смог опубликовать свою первую работу «О новом опыте над безвоздушным пространством». Он пока ещё не смог создать такого насоса, который позволял бы мгновенно удалять из закрытого пространства большие массы воздуха. Первый прибор для использования давления воздуха Папен описывал следующим образом. Если взять вертикальный пустоте59

лый цилиндр А, замкнутый снизу, и в его отверстие ввести второй цилиндр В с диаметром, меньшим диаметра первого ровно на толщину его стенок, то этот цилиндр В будет очень трудно вдвигать в цилиндр А, так как этому будет препятствовать находящийся в замкнутом пространстве цилиндра А воздух.

Рис. 1.16. Прибор Папена для использования давления воздуха

Цилиндр В будет как бы плавать на поверхности воздуха, находящегося в первом цилиндре. Но по мере удаления воздуха насосом через отверстие С, устроенное около днища цилиндра А, цилиндр В будет опускаться наподобие поршня. При этом стремление его вниз будет настолько сильно, что если прикрепить к нему шнур и, пропустив его через блок, зацепить за какой-нибудь груз, то груз станет подниматься. Чем больше сделать диаметр цилиндра, тем больший груз сможет поднять поршень. Папена смущало то, что движение груза совершается чрезвычайно медленно, что нет способа быстрее удалять воздух из-под поршня. 60

С этим первым устройством Папен ознакомил Гюйгенса, который решил построить это устройство. Недостатком этой машины явилось то, что все её детали должны были быть точно подогнанными. Поэтому сделать это не удалось. Гюйгенс предложил создать вакуум под поршнем посредством пороха, помещённого в основание цилиндра. Поршень поднимался от взрыва пороха, газы выходили через отверстия вверху цилиндра, осуществляя дополнительно вентиляцию цилиндра. Давление атмосферы толкало поршень вниз, совершая полезную работу. В 1680 г. Дени Папен разработал на основе идеи Гюйгенса пороховую машину.

Рис. 1.17. Пороховая машина Папена — Гюйгенса 1680 г.

Пороховая машина представляла собой цилиндр с поршнем внутри, который свободно перемещался вниз и вверх. Днище цилиндра отъёмное и держится на винтах. Цилиндр устанавливался вертикально. Через верхнюю открытую часть цилиндра поршень тросом, перекинутым через блок, соединялся с грузом-противо61

весом. При движении поршня вверх или вниз груз соответственно опускался или поднимался. В открывающуюся нижнюю часть цилиндра насыпался порох. При горении пороха образовывались газы с избыточным давлением, которые толкали поршень вверх. После этого снаружи цилиндр обливали водой. Охлаждаясь, газы теряли давление — под воздействием собственного веса и атмосферного давления поршень опускался вниз. Груз при этом соответственно поднимался вверх. Таким образом, двигатель совершал полезную работу. Первый опыт с этой машиной оказался неудачным, так как заряд, заложенный в цилиндр по расчёту Гюйгенса, оказался настолько большим, что поршень просто вылетел из цилиндра. В этот момент в голову Папена пришла мысль, что одной из ошибок было неправильное устройство окна для выпуска пороховых газов в атмосферу. Папен предполагал, что правильнее было бы устроить клапан в самом поршне. Газы могли бы вырываться наружу, но внешний воздух не мог бы проникнуть внутрь цилиндра, так как своим давлением только прижимал бы клапан к гнезду. Кроме того, выпускное окно, устроенное в стенке цилиндра, имело, по его мнению, следующий недостаток: к тому моменту, когда поршень проходил окно и открывал его, инерция поршня была уже очень велика. Первым следствием этой инерции было то, что поршень с силой ударял по верхним задвижкам. Вторым — то, что газы, вместо того чтобы устремляться в атмосферу, следовали за поршнем. Происходило недостаточное очищение цилиндра от продуктов горения. Создание такого цилиндра так и осталось незавершённым. Данный двигатель не нашёл практического применения, так как являлся громоздким и требовал повышенных мер безопасности, а также слишком сложным был рабочий процесс — засыпка пороха и обливание водой при функционирующем механизме. Папен начинает заниматься усовершенствованием пороховой машины. Машина, построенная им по просьбе ландграфа Гессенского для поднятия груза в 1688 г., представляла собой значительное усовершенствование прежней модели. Основной частью являлся цилиндр, отлитый из латуни. Длина цилиндра была около 400 мм, диаметр 130 мм. Поршень на этот раз 62

имел кольцевую форму. Донышко поршня представляло собой клапан, открывающийся под действием давления изнутри цилиндра, но не пропускающий воздух извне. Скобою поршень соединялся, как и прежде, с верёвкой, пропущенной через блоки. Эта верёвка должна была служить для соединения с поднимаемым грузом или для привода в действие штока насоса, обода колеса и т. п. и использования работы машины.

Рис. 1.18. Машина Папена, сделанная для ландграфа Гессенского

Вместо отъёмного дна цилиндра Папен теперь сделал в днище лишь отверстие для прохода чашечки с пороховым зарядом. Эта зарядная чашка прижималась к цилиндру снаружи длинным стержнем с противовесом, способным противостоять давлению взрыва на маленькую поверхность чашки. Такое устройство позволяло быстро заряжать цилиндр после каждого взрыва. Оно напоминало ранее изобретённый Папеном предохранительный клапан. 63

Когда воспламенялся заряд, поршень устремлялся вверх по цилиндру. В конце поршень останавливался, и продукты сгорания устремлялись наружу через клапан. Как только движение газов через клапан прекращалось, он автоматически закрывался, не допуская проникновения наружного воздуха в цилиндр. Под давлением атмосферы поршень быстро опускался в цилиндр, где благодаря выходу продуктов взрыва образовывалось значительное разрежение. Машина действовала вполне исправно, но все движения поршня были необычайно стремительны. Причиной скорости восходящего движения поршня были мгновенное сгорание пороха в цилиндре и невероятная скорость расширения газов. Настоящая инновация произошла двумя годами позже. В августе 1690 г. в «Acta Eruditorum» появилась публикация Папена, в которой он предложил заменить быстрое сгорание пороха «разрежением воздуха», иначе говоря, введением водяного пара, который благодаря охлаждению конденсируется, образуя вакуум. Достичь плавности движения поршня Папену удалось, заменив порох в цилиндре водой. Некоторое количество воды, налитой в цилиндр, при подведении пламени под дно цилиндра начинало испаряться. Давление пара выталкивало поршень вверх. Стоило отнять пламя, пары конденсировались и превращались в воду. Давление в цилиндре падало, и поршень под действием атмосферы начинал опускаться. Его движение происходило плавно, но число восходящих и нисходящих движений поршня, которое можно было получить таким путём было весьма мало. Нагревание воды до получения необходимого давления пара и последующая конденсация требовали значительных промежутков времени. Папен пришёл к выводу, что задача дальнейшего усовершенствования машины должна быть предоставлена учёным кругам и нет необходимости сохранять секрет изобретения, если его опубликованием можно достичь быстрейшего успеха. Такой взгляд был новым для того времени, но Папен всё же послал пространную статью в «Acta eruditorum» с описанием своих работ. В 1688 г. к удовольствию ландграфа статья была напечатана. Папен писал в ней: «… нашедши невозможным производить пустоту в цилиндре посредством пороха, я старался достичь того же водою, которая, 64

будучи превращена в пар, имеет упругую силу, подобно воздуху, а потом, сгустившись от действия холода, не сохраняет и следа прежней силы или упругости. …наливаю в цилиндр С немного воды, опускаю в него поршень k до самой поверхности оной, а воздух, заключённый под поршнем, выпускаю через отверстие особого крана. Тогда вода, содержащаяся в цилиндре, под действием огня начинает кипеть и обращается в пар, который производит давление на поршень и поднимает его до верха цилиндра, преодолевая давление атмосферы. В это мгновение защёлка h, входящая в выемку, сделанную в штоке a поршня, задерживает поршень наверху; после того отнимается огонь, пар, сгущаясь благодаря охлаждению, производит в цилиндре пустоту. Теперь машина в состоянии произвести механическое действие, ибо, по отнятии защёлки h, поршень опускается с силой, равной давлению атмосферы, и может поднимать необходимый груз при помощи верёвки и блоков». Свой новый двигатель Папен построил по образу двигателя Леонардо да Винчи, описавшего пушку Архимеда архитронито. Использовал вместо пороха воду, которую заливал под поршень, нагревал её, получал движение поршня вверх, далее охлаждал цилиндр, опускался поршень и т. д. Опять же, в силу проблематики, при осуществлении циклов подвода огня, а потом воды, данный двигатель распространения не получил. Паровая (атмосферическая) машина Папена 1690 г. свидетельствует о настоящем прорыве в области будущего использования движущей силы водяного пара. Папен отмечает, что машина с диаметром цилиндра в 4 дюйма способна поднять груз в 60 фунтов один раз в минуту. По его словам, вычисления показывают, что если цилиндру придать большие размеры с диаметром в 2 фута и высотою в 4 фута, то машина станет поднимать 8000 фунтов на высоту 4 футов в минуту, что составит 32 000 фунтов на высоту 1 фута, т. е. она сможет произвести работу одной лошади. Для практической работы она была малопригодна: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется. Эти недостатки были в основном связаны с тем, что образование пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. Поэтому естественной выглядела следующая идея: а что если в цилиндр впускать уже готовый пар, приготовленный, например, в отдельном котле? Тогда до65

статочно попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и с меньшим потреблением топлива. Тем не менее именно после появления работ Папена история создания тепловых машин пошла по двум путям: создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 1.19. Паровая («атмосферическая») машина Папена

Машины, созданные Папеном, называли пароатмосферными, потому что пар в них заставлял поршень лишь подниматься, а опускался он силой атмосферного давления. Дени Папена можно считать продолжателем в Средних веках идей Архимеда, Герона, да Винчи в части поиска движущей силы. 66

1.3. Исследования электричества и магнетизма К последней четверти XVIII в. уже было известно многое о свойствах таинственной «электрической силы». Конструировались электростатические машины трения для получения электрических зарядов (Фрэнсис Гауксби, Англия), было открыто явление электропроводности (Стефен Грей, Англия) и дано понятие о двух видах электричества — «стеклянном» и «смоляном» — впоследствии «положительном» и «отрицательном» (Шарль Дюфе, Франция). Создан накопитель электрических зарядов — первый конденсатор, так называемая лейденская банка (Эвальд Клейст, Померания, и Питер ван Мюссенбрук, Голландия), «укрощена» молния (Бенджамин Франклин, США) применением молниеотвода (в бытовой лексике «громоотвод»). Наконец, установлен Первый закон электростатики (Шарль Кулон, Франция). Отто фон Герике много внимания уделял созданию вакуума, но нельзя не упомянуть об открытиях Герике в совершено иной области, а именно в области электричества и магнетизма. Знакомясь с работами иностранных учёных, он не только проверял их, но и пытался вести дальше. Так было с работами Гильберта и его последователей по магнетизму и электричеству. Чтобы наладить электрические опыты более удобно, чем Гильберт, и получать более сильные действия, Герике придумал первую электрическую машину. Он наливал расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердевала, разбивал стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы послужить его целям. Затем Герике укреплял серный шар, как показано на рисунке 1.20, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда необходимо одной рукой вращать шар, другой — прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало электрический потенциал шара до величины, достаточной, чтобы получить искры длиной в несколько сантиметров. С этой первой простейшей электрической машиной Герике удалось существенно пополнить скудные электрические сведения своего времени. Так, он наблюдал, что пушинка не только притягивается натёртым шаром, но через некоторое время отталкивается им; ему даже удавалось, сняв шар со штатива, заставить пушинку плавать в воздухе. Он заметил, что пушинка, раз оттолкнутая от шара, начина67

ет притягиваться к другим телам, и снова притягивается шаром, если до неё дотронуться посторонним телом, например льняной ниткой. Если к пушинке, притянутой шаром, приблизить палец, то она притягивается последним, потом опять шаром, и это повторяется несколько раз. К скамейке была прикреплена деревянная стойка, с вершины которой спускалась льняная нитка более чем в локоть длины. Натёртый серный шар приближался к вершине стойки, а к нижнему концу нитки подводился на два пальца какой-нибудь посторонний предмет, — тогда конец нитки притягивался к последнему.

Рис. 1.20. Электрическая машина (электрофор) Герике и принцип его действия 68

Герике показал, что электрическая сила может распространяться по льняным ниткам на длину одного локтя — электропроводность предметов. Натирая рукою шар в темноте, он наблюдал слабое свечение, какое бывает при разбивании сахара, а, поднимая шар к уху, слышал слабый треск. Впрочем, возможно, и даже вероятно, что Герике слышал при этом не звук электрического разряда, а треск от разрыва кристаллов серы вследствие согревания его от натирания рукой. По крайней мере у самого Герике по этому поводу мы читаем следующее: «Шар обладает также способностью звучать, потому что если поднести его к уху, держа в руке, то в нём слышится шорох и треск». Ещё замечательнее другое описанное перед этим наблюдение: «Также и вращающая сила не может быть представлена надлежащим образом поворотами шара вокруг его оси, потому что пушинка (лишь только она отклонится от шара в сторону) тотчас же под влиянием притягательной силы земли уклоняется вниз, и это мешает ей двигаться вокруг шара. Но вращательное движение в самой пушинке может быть показано очень легко, если обводить вокруг неё шар». По его словам, вращающаяся пушинка остаётся обращённой к шару всегда одной и той же стороной. Герике повторяет, следовательно, существовавшие в то время предположения, что вращение небесных тел производится магнитными и электрическими силами. Ему удалось заметить слабое свечение электризуемого шара в темноте и, что особенно важно, впервые обнаружить, что пушинки, притягиваемые шаром, через некоторое время отталкиваются от него — это явление ни Герике, ни многие его современники долго не могли объяснить. Из письма известного немецкого учёного Г. В. Лейбница Герике стало известно (март 1672 г.), что Лейбниц, пользуясь его машиной, наблюдал электрическую искру — это первое упоминание об этом загадочном явлении. В области магнетизма Герике тоже принадлежит несколько интересных наблюдений. Он нашёл, что железные прутья намагничиваются, если их слегка проковывать на наковальне, положив по направлению с севера на юг. По его наблюдениям, сами собой намагничиваются и железные прутья в оконных решётках, причём наверху оказываются северные полюсы, а внизу — южные. Считать Герике изобретателем электрической машины едва ли возможно; его прибору, предназначавшемуся для удобной электри69

зации больших тел, недоставало кондуктора, этой характерной по нашим нынешним представлениям части машины. Зато ему можно приписать открытие электрического отталкивания, электрического свечения (не искр) и первых явлений, касающихся электропроводности и электрической индукции. Из всех исследований Герике электрические обратили на себя меньше всего внимания. Герике вообще любил показывать свои опыты перед многочисленными зрителями. Хотя в своих опытах по электричеству он добился гораздо больших эффектов, чем этого можно было ожидать, но они не были настолько велики, чтобы получить большую известность в широких кругах. Алессандро Вольта был знаковой фигурой в истории электричества, электротехники, электросвязи. Эпохальное открытие Вольты — «контактного электричества» — подвело итог всем достигнутым ранее результатам и дало мощный импульс новым, более глубоким исследованиям природы электричества и возможности его практического применения. Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta; 1745–1827) — итальянский физик и физиолог, один из первых учёных, открывших и исследовавших электрический ток, известен изобретением аккумулятора и открытием метана. Вольта изобрёл ряд электрических приборов — электрофор, электрометр, конденсатор, электроскоп и др. Родился в Комо, город в Северной Италии, 18 февраля 1745 г., в родовом имении предков. Он выходец из аристократической семьи, его матерью была герцогиня Маддалена Инзаи. В самые ранние годы Алессандро страдал замедленным физическим и умственным развитием, говорить он начал только в четыре года. Затем его развитие пошло очень быстро. Учился в школе ордена иезуитов, по окончании которой должен был стать священнослужителем. Вопреки уготованной ему карьере священнослужителя, он увлёкся физическими опытами и уже в 18 лет вёл переписку с одним из наиболее видных физиков-электриков того времени, демонстратором эффектных публичных электрических опытов аббатом Жаном Нолле. И далее Вольта уже следовал идеям Джор70

дано Бруно, Галилео Галилея, Исаака Ньютона, Дидро и Вольтера. Точное предсказание Эдмондом Галлеем в 1758 г. времени появления на небосклоне очередной кометы окончательно обратило Алессандро к физике, и его мысли обратились к трудам великого Ньютона. Он увлекается идеей об объяснении электрических явлений ньютоновской теорией тяготения, даже посылает знаменитому парижскому академику Ж. А. Нолле свою поэму вместе с рассуждениями о различных электрических явлениях. Но одних рассуждений ему мало. Узнав о работах Бенджамина Франклина, Вольта в 1768 г., поразив жителей Комо, устанавливает первый в городе громоотвод, колокольчики которого звенели в грозовую погоду. В тридцать лет Вольта стал знаменитым. В 1774–1779 гг. преподавал физику в гимназии в Комо, в 1779 г. стал профессором университета в Павии. С 1815 г. — директор философского факультета в Падуе. В 1794 г. получил высшую награду Лондонского королевского общества — медаль Копли. В 1801 г. получил от Наполеона титул графа и сенатора. А однажды Наполеон, увидев в библиотеке Академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», стёр последние буквы таким образом, что получилось: «Великому Вольте». Вольта вышел на пенсию в 1819 г. и поселился в своём имении в Camnago, которое стало называться Camnago Volta в его честь. Там он скончался 5 марта 1827 г. Его останки были похоронены в Camnago Volta. Именем Вольта названа единица электрического напряжения Вольт. Вольте принадлежит введение понятий «ёмкость», «цепь», «электродвижущая сила», «разность напряжений».

В 1775 г. Вольта улучшил и популяризировал электрофор (electrophorus) — прибор, который производил статическое электричество. Его стремление было настолько велико, что часто изобретение приписывают Вольте, хотя машина, которая использует тот же принцип, было описано в 1762 г. шведским экспериментатором Йоханом Вилске (Wilcke) и ещё ранее магдебургским бургомистром Отто фон Герике. Сам изобретатель называл его «elettrophoro perpetuo», что значит «постоянный носитель электричества». В электрофоре использовался принцип электростатической индукции, и с него можно было многократно снимать электрический заряд. Электрофорная машина (рис. 1.21) состояла из металлической пластины, покрытой эбонитом, и второй изолированной металлической пластины. При вращении одной пластины относительно 71

другой на пластине с эбонитом накапливался отрицательный заряд.

Рис. 1.21. Электрофор Вольты

В электрофорной машине использовалось явление электризации посредством индукции, в то время как в применявшихся электростатических машинах электричество получалось путём трения. Прибор исключительно прост и оригинален, состоит из двух металлических дисков (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Схема, объясняющая работу электрофора Вольты

Один, допустим нижний, покрыт слоем смолы. При натирании его рукой, кожаной перчаткой или мехом диск заряжается отрицательным электричеством. Если поднести к нему верхний диск, по72

следний зарядится так, как показано на рисунке 1.22а. При отведении несвязанного электричества в землю (рис. 1.22б), хотя бы пальцем экспериментатора, верхний диск окажется заряженным положительно. Можно его поднять и снять с него заряд (рис. 1.22в). Повторяя цикл опускания-подъёма верхнего диска многократно, можно столь же многократно увеличивать заряд. Электрофор был значительно эффективнее электростатических машин трения. С его помощью можно было получать мощные заряды статического электричества. Электрофор Вольты послужил основой для создания целого класса индукционных электрофорных машин. Вольта указывал, что его электрофор «продолжает работать даже спустя три дня после зарядки». И далее: «Моя машина даёт возможность получить электричество во всякую погоду и производит эффект более превосходный, чем лучшие дисковые и шаровые (электростатические. — Прим. авт.) машины». Итак, электрофор — прибор, позволяющий получать мощные разряды статического электричества. Вольта извлекал из него «искры в десять или двенадцать толщин пальцев и даже более. ». Электрофор Вольты послужил основой для сооружения целого класса индукционных, так называемых «электрофорных», машин. В 1776 г. Вольта обратил внимание на появление пузырьков газа со дна озера (болотный газ — метан) и обнаружил его горючесть, а также наличие горючего газа в угольных копях. Заметив взрывчатые свойства этого газа, он использовал его в конструкции пистолета, который назвали «пистолетом Вольта». Пистолет состоял из колбы, которая заполнялась смесью метана и воздуха. Колба закрывалась пробкой, кроме того, внутрь колбы проходили провода от аккумулятора статического электричества. Взрыв в пистолете происходил под действием электрической искры, получаемой между кончиками входивших в колбу проводов. При этом пробка из колбы с шумом вылетала, указывая на взрывчатые свойства метана. Так было придумано зажигание взрывчатой смеси с помощью электрической искры, позднее использованное в конструкции двигателей внутреннего сгорания. 73

Рис. 1.23. Пистолет и другие изобретения Вольта

В 1800 г. Вольта придумал вольтов столб — ранний электрический аккумулятор, состоящий из гальванических ячеек, которые производили постоянный электрический ток. А началось всё с трактата Гальвани «О силах электрических при мышечном движении». Интересна трансформация позиции Вольты, вначале он воспринимает трактат скептически. Затем повторяет опыты Гальвани и уже 3 апреля 1792 г. пишет последнему: «. с тех пор как я стал очевидцем и наблюдал эти чудеса, я, пожалуй, перешел от недоверия к фанатизму». Это состояние длилось недолго. 5 мая 1792 г. в своей университетской лекции он превозносит опыты Гальвани, но уже следующую лекцию — 14 мая проводит в полемическом плане, высказывая мысль, что лягушка, скорее всего, — только индикатор электричества, «электрометр, в десятки раз более чувствительный, чем даже самый чувствительный электрометр с золотыми листочками». Вскоре острый взгляд физика подмечает то, что не привлекло внимания физиолога Гальвани: содрогание лапок лягушки наблюдается лишь тогда, когда её касаются проволоками из двух различных металлов. Вольта предполагает, что мышцы не участвуют в создании электричества, а их сокращение — вторичный эффект, 74

вызываемый возбуждением нерва. Для доказательства он ставит опыт, в котором обнаруживается кисловатый привкус на языке при приложении к его кончику оловянной или свинцовой пластинки, а к середине языка или к щеке — серебряной или золотой монеты и соединении пластинки и монеты проволочкой. Аналогичный вкус мы ощущаем, лизнув одновременно два контакта батарейки. Кисловатый привкус переходит в «щелочной», т. е. отдающий горечью, если поменять на языке местами металлические предметы. В июне 1792 г., всего через три месяца после того, как Вольта начал повторять опыты Гальвани, у него уже не оставалось никаких сомнений: «Таким образом, металлы — не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества; они не только предоставляют легчайший путь прохождению электрического флюида, . но сами же вызывают такое же нарушение равновесия тем, что извлекают этот флюид и вводят его, подобно тому, как это происходит при натирании идиоэлектриков» (так называли во времена Вольты тела, электризующиеся при трении). Вольта установил закон контактных напряжений: два разнородных металла вызывают «нарушение равновесия» (по-современному — создают разность потенциалов) между обоими, после чего предложил называть полученное таким путём электричество не «животным», а «металлическим». С этого начался его семилетний путь к подлинно великому творению. Первая серия уникальных экспериментов по измерению контактной разности потенциалов завершилась составлением известного «ряда Вольты», в котором элементы располагаются в следующей последовательности: цинк, оловянная фольга, свинец, олово, железо, бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит. Вольта ошибочно отнёс графит к металлам. Каждый из них, придя в соприкосновение с любым из последующих членов ряда, получает положительный заряд, а этот последующий — отрицательный. Например, железо (+) / медь (–); цинк (+) / серебро (–) и т. п. Силу, возникающую при контакте двух металлов, Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей. Эта сила перемещает электричество так, что получается разность напряжений между металлами. Далее Вольта установил, что разность напряжений будет тем больше, чем дальше расположены 75

металлы один от другого. Например, железо/медь — 2, свинец/олово — 1, цинк/серебро — 12. В 1796–1797 гг. был выявлен важный закон: разность потенциалов двух членов ряда равна сумме разностей потенциалов всех промежуточных членов: А/В + В/С + C/D + D/E + E/F = A/F. Действительно, 12 = 1 + 2 + 3 + 1 + 5. Кроме того, опыты показали, что разности напряжений в «замкнутом ряду» не возникает: А/В + В/С + C/D + D/A = 0. Это означало, что посредством нескольких чисто металлических контактов нельзя достичь больших напряжений, чем при непосредственном контакте только двух металлов. С современной точки зрения теория контактного электричества, предложенная Вольтой, была ошибочной. Он рассчитывал на возможность непрерывного получения энергии в виде гальванического тока без затраты на это какого-либо другого вида энергии. В конце 1799 г. Вольта установил, что при соприкосновении двух металлов один получает большее напряжение, чем другой. Например, при соединении медной и цинковой пластин медная имеет потенциал 1, а цинковая 12. Последующие многочисленные эксперименты привели Вольту к выводу, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников — металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса). Таким образом, Вольта, сам того до конца не осознавая, пришёл к созданию электрохимического элемента, действие которого основывалось на превращении химической энергии в электрическую. Значительные напряжения Вольта смог получать, располагая столбиком кружки одинаковых контактных пар металлов, одинаково ориентированных и разделённых влажными прокладками из ткани. Суть этого Вольта проиллюстрировал на примере своей чашечной батареи. В левой чашке находится одна медная пластина, её потенциал 1. В трёх последующих чашках левые пластины — цинковые, правые — медные; в последней чашке — цинковая; каждая цинковая в одной чашке соединена металлической дужкой с медной в соседней чашке. Первая цинковая пластина имеет по76

тенциал 12. Вольта допустил, что две металлические пластинки, разделенные жидкостью, приобретают одинаковые потенциалы. Следовательно, вторая медная будет иметь потенциал также 12, а вторая цинковая 12 + 11 = 23; третья цинковая 12 + 2 × 11 = 34; четвертая 12 + 3 × 11 = 45 и т. д. Например, 10-я цинковая приобретёт потенциал 12 + 9 × 11 = 111.

Рис. 1.24. Виды гальванических элементов, изображенных Вольтой в письме к Бэнксу: вверху — чашечная батарея, внизу — варианты «вольтовых столбов».

О своём открытии Вольта сообщил в письме от 20 марта 1800 г. президенту Лондонского королевского общества Джозефу Бэнксу. В сообщении «Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением простых проводящих веществ» он пишет: «. Я. имею удовольствие сообщить о некоторых поразительных результатах, полученных мною. Главный из этих результатов. создание прибора, который действует непрерывно. созда77

ёт неуничтожаемый заряд, даёт непрерывный импульс электрическому флюиду». И далее: «Снаряд, о котором я говорю, — и это удивит Вас — . есть не что иное, как собрание хороших проводников разного рода, расположенных определённым образом. Двадцать, сорок или шестьдесят кружков меди или, ещё лучше, серебра, сложенных каждый с кружком олова или лучше цинка, и такое же количество слоёв воды или какой иной жидкости, лучше проводящей, чем вода, например соляного раствора, щелока и т. п., или кусков картона, кожи и т. п., хорошо смоченных этими жидкостями, причём эти слои располагаются между обоими разнородными металлами каждой пары. Вот всё, что составляет мой новый инструмент». Вольта первоначально предлагал назвать свой прибор, или снаряд, или инструмент «искусственным электрическим органом», затем переименовал в «электродвижущую колонну». Позже французы стали называть этот прибор гальваническим столбом, или вольтовым столбом. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой и соединённых проволокой (рис. 1.25). Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека. Так был изобретён элемент Вольта — первый гальванический элемент. Извещение об открытии произвело сенсацию не только в научном мире. Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта (рис. 1.26), осыпал наградами и почестями. Наступивший XIX в. принёс Вольта новые достижения, признание и почести. В конце июня 1800 г. Наполеон открывает университет в Павии, где Вольта назначается профессором экспериментальной физики, в декабре он вводится в комиссию Института Франции по изучению гальванизма, а в декабре (опять-таки, по предложению Бонапарта) ему присуждается золотая медаль и премия первого консула. В 1802 г. Вольта избирается в академию Болоньи, через год — членом-корреспондентом Института Франции и удостаивается приглашения в Петербургскую академию наук (избран в 1819 г.). Папа назначает ему пенсию, во Франции его 78

награждают орденом Почётного легиона. В 1809 г. Вольта становится сенатором Итальянского королевства, а в следующем году ему присваивается титул графа. В 1812 г. Наполеон из ставки в Москве назначает его президентом коллегии выборщиков.

Рис. 1.25. Вольтов столб — устройство для получения электричества

Рис. 1.26. Вольта объясняет принцип действия вольтова столба Наполеону Бонапарту, 1801 г. 79

С 1814 г. Вольта — декан философского факультета в Павии. Австрийские власти даже предоставляют ему право исполнять обязанности декана без посещения службы и подтверждают законность выплаты ему пенсий почётного профессора и экс-сенатора. Кроме того, его образ был запечатлён на итальянской 10 000 лире (не в обороте, так как лира был заменена на евро) вместе с эскизом его известного вольтова столба. Изобретение вольтова стоба явилось первым устройством получения статического электричества. Первую индукционную катушку, пригодную для использования в двигателях внутреннего сгорания статического электричества, изобрёл в 1851 г. Генрих Румкорф. Это индукционная катушка (катушка Румкорфа), генерирующая токи высокой частоты. Румкорф Генрих Даниэль (Ruhmkorff Heinrich Daniel; 1803– 1877) — изобретатель. Родился в Ганновере. В 1825 г. поступил в Париже работником в мастерскую К. Шевалье по изготовлению точных приборов. С 1840 г. основал собственную механическую мастерскую в Париже. Изобрёл в 1851 г. индукционную катушку (катушка Румкорфа), генерирующую токи высокой частоты. Получил от своей катушки искры длиной до 50 см в воздухе. Конструировал физические приборы в собственной мастерской. Среди них — электромагнит Румкорфа для демонстрации изменения плоскости поляризации света под действием магнитного поля и коммутатор Румкорфа — первый в мире переключатель электрической цепи. Румкорф одним из первых отметил, что свет в газоразрядных (гейслеровых) трубках разделён на слои.

Катушка состоит из цилиндрической части с центральным железным стержнем внутри, на которую намотана первичная обмотка из толстой проволоки. Поверх первичной обмотки наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой про80

волоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. В эту же цепь вводится прерыватель (зуммер) и коммутатор. Назначение прерывателя состоит в быстром попеременном замыкании и размыкании цепи. Результатом этого является то, что при каждом замыкании и размыкании в первичной цепи во вторичной обмотке появляются сильные мгновенные токи: при прерывании — прямого (одинакового направления с током первичной обмотки) и при замыкании обратного.

Рис. 1.27. Конструкция и схема индукционной катушки Румкорфа 81

При замыкании первичной обмотки через неё течёт нарастающий ток. Катушка Румкорфа накапливает энергию в сердечнике в виде магнитного поля. Когда магнитное поле достигает определённой величины, якорь притягивается, и цепь размыкается. При размыкании цепи в обеих обмотках возникает бросок напряжения (противоЭДС), прямо пропорциональный числу витков обмоток, большой по величине даже в первичной обмотке, а во вторичной ещё больше, высокое напряжение которого пробивает воздушный промежуток между выводами вторичной обмотки (пробивное напряжение воздуха приблизительно равно 3 кВ на 1 мм). ПротивоЭДС в первичной обмотке через низкое сопротивление батареи химических элементов заряжает конденсатор. Разница напряжений прямого и обратного может использоваться для получения постоянного тока. Для этого подбирается размер искрового промежутка, который играет роль «выпрямителя». Нагрузка подключается последовательно. Катушку Румкорфа, названную по имени немецкого физика Генриха Румкорфа, использовали в своих опытах с электромагнитными волнами Генрих Герц, А. С. Попов, Гульельмо Маркони и др. Для двигателя внутреннего сгорания впервые катушку Румкорфа использовал Жан Этьен Ленуар.

1.4. Эволюция электричества и история создания аккумуляторов Одним из наиболее замечательных и оригинальных открытий за последние 400 лет было открытие электричества. Вы спросите, было ли электричество вокруг до этого? Ответ, возможно, намного более длинный, чем просто «да». Для практического использования электричество появилось в нашем распоряжении в середине XIX в. и первоначально в очень ограниченном виде. На мировой выставке в Париже в 1900 г., например, одной из главных достопримечательностей был освещённый с помощью электричества мост через реку Сена. Самый первый метод производства электричества заключался в создании статического заряда. В 1660 г. Отто фон Герике (Otto von Guericke) построил первую электрическую машину, которая состояла из большого серного шара, который, будучи натёртым, притя82

гивал перья и маленькие кусочки бумаги. Герике доказал, что произведённые искры были электрического происхождения. Впервые статическое электричество было предложено использовать в так называемом «электрическом пистолете», изобретённом Алессандро Вольтой (Alessandro Volta) (1745–1827). Электрический провод помещался во флягу, заполненную метаном. При проскакивании электрической искры через провод фляга взрывалась. Затем Вольта задумался об использовании этого изобретения для связи на большом расстоянии, хотя передавать можно было только один бит информации. Железный провод, поддерживаемый деревянными столбами, должен был быть натянут от Комо до Mилана в Италии. В точке назначения провод заканчивался во фляге, заполненной газом метана. По команде электрическая искра посылалась бы проводом, который взорвал бы электрический пистолет, чтобы сигнализировать о закодированном событии. Но эта линия связи так никогда и не была построена. В 1791 г. во время работы в Болонском университете Луиджи Галвани (Luigi Galvani) обнаружил, что мускул лягушки сокращается, если до него дотронуться металлическим объектом. Это явление получило название «животного электричества». Впоследствии теория животного электричества была опровергнута. Воодушевлённый этими экспериментами, Вольта начал ряд исследований, используя цинк, свинец, олово или железо в качестве положительных пластин, и медь, серебро, золото или графит в качестве отрицательных пластин. В 1800 г. Вольта обнаружил, что при использовании некоторых жидкостей в качестве проводника, чтобы обеспечить химическую реакцию между металлами или электродами, создаётся непрерывный поток электрической силы. Это привело к изобретению первой ячейки Вольта. Далее Вольта обнаружил, что напряжение увеличивается, если ячейки Вольта сложить друг с другом. В том же самом году Вольта доложил о своём открытии непрерывного источника электричества перед Королевским обществом Лондона. Эксперименты больше не были ограничены кратким показом искр, которые продолжались доли секунды. Теперь стал доступен бесконечный поток электрического тока. 83

Франция была одна из первых стран, которая официально признала открытия Вольты. В то время Франция стремилась к новым научным достижениям, и новые идеи принимались с распростёртыми объятиями, как того требовала политическая конъюнктура. Вольта был приглашён Национальным институтом Франции прочитать серию лекций, на которых как действительный член Института присутствовал Наполеон Бонапарт. Когда сэр Хэмфри Дэйви (Humphry Davy), изобретатель безопасной лампы шахтера, установил самую большую и наиболее мощную электрическую батарею в хранилищах Королевского института Лондона, было сделано новое открытие. Он соединил батарею с электродами из древесного угля и произвёл первый электрический свет. Как сообщали свидетели, его вольтова дуга производит «наиболее яркую дугу света из когда-либо виденного». Наиболее важные исследования Дэйви были посвящены электрохимии. После экспериментов Гальвани и открытия ячейки Вольта интерес к гальваническому электричеству стал повсеместным. Дэйви начал проверять химические эффекты электричества в 1800 г. Вскоре он обнаружил, что при прохождении электрического тока через некоторые вещества эти вещества разлагаются. Этот процесс позже был назван электролизом. Генерируемое напряжение было прямо пропорционально химической активности электролита с металлом. Со всей очевидностью Дейви понял, что химическое воздействие электролиза и ячейки Вольта одинаково. В 1802 г. доктор Уильям Круикшанк (Dr. William Cruickshank) разработал первую электрическую батарею, пригодную для массового производства. Круикшанк изготовил квадратные листы меди, которые спаял на концах вместе с листами цинка равного размера. Эти листы были помещены в длинную прямоугольную деревянную коробку, которая была запечатана цементом. Расположение пластин поддерживалось углублениями в коробке. Затем коробка заполнялась электролитом (морской водой) или кислотой. Третий метод производства электричества был обнаружен относительно поздно — электричество с помощью магнетизма. В 1820 г. Андре-Мари Ампер (Andre-Marie Ampere) (1775–1836) заметил, что провода, через которые течёт электрический ток, либо притягивались друг другу, либо отталкивались. 84

В 1831 г. Майкл Фарадей (Michael Faraday) (1791–1867) продемонстрировал, что катушка из медной проволоки создаёт постоянный электрический ток в меняющемся сильном магнитном поле. Фарадей, помогая Дэйви и его команде в исследованиях, смог создать непрерывный электрический ток при движении катушки относительно магнита. Так был изобретён электрический генератор. Затем этот процесс был запущен обратно, и получился электрический двигатель. Вскоре после этого были изобретены трансформаторы, что позволило изменять напряжение до желаемой величины. В 1833 г. Фарадей вывел основу электролиза, закон Фарадея, согласно которому масса превращённого вещества пропорциональна прошедшему через электролит количеству электричества. В 1836 г. Джон Ф. Даниелл (John F. Daniell), английский химик, изобрёл улучшенную батарею, которая производила более стабильный ток, чем устройство Вольты. До сих пор все батареи были составлены из первичных ячеек. Это означало, что они не могли перезаряжаться. В 1859 г. французский физик Гастон Планте (Gaston Plante) изобрёл первую перезаряжающуюся батарею — аккумулятор. Этот аккумулятор был на свинцово-кислотной основе, которая используется и сегодня. Ближе к концу XIX в. были построены гигантские генераторы и трансформаторы, установлены линии передачи, и человечеству стало доступным электричество для освещения, обогрева и передвижения. В начале XX столетия электрические технологии были усовершенствованы. Изобретение вакуумной лампы привело к производству генераторов и усилителей. Вскоре после этого было изобретено радио, которое сделало возможным беспроводную связь. В 1899 г. Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) из Швеции изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, который использовал никель в качестве положительного электрода и кадмий в качестве отрицательного. Двумя годами позже Эдисон (Edison) изобрёл альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой по сравнению с сухими или свинцово-кислотными аккумуляторами стоимости практическое применение никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов было ограниченным. После изобретения в 1932 г. Шлехтом (Shlecht) и Акерманом (Ackermann) спрессованного анода было внедрено много усовер85

шенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, хорошо нам всем известный сегодня, стал доступен только после изобретения Ньюманом (Neumann) полностью герметичного элемента в 1947 г. С первых дней открытия электричества человечество стало зависимым от изобретения, без которого не может быть наших технологических достижений. С увеличением потребности в передвижении люди стремились к компактному источнику энергии — сначала для промышленного применения, затем для домашнего, и, наконец, для портативного использования. Возможно, наши потомки будут смотреть на сегодняшние технологии как на что-то ненадёжное, как мы смотрим на неуклюжие эксперименты столетней давности наших предшественников.

Глава 2 Паровые машины 2.1. Рождение паровых машин Паровые машины не относятся к двигателям внутреннего сгорания. Тем не менее нам представляется важным изложить рождение паровых машин и процесс их совершенствования. Важность этого вопроса состоит в следующем: 1) многие конструкторские решения, использованные в паровых машинах, нашли применение в конструкции первых и последующих двигателей внутреннего сгорания; 2) паровые машины, а в дальнейшем и двигатели внутреннего сгорания тут же находили широкое применение во всех важных для человека отраслях его деятельности, а именно в транспорте, судостроении, военной технике и др. Целеустремлённые попытки создать паровой двигатель начались в XVII в. Эти попытки были вызваны затруднениями, которые начались, прежде всего, в металлургии и горном деле. Металлургические заводы и шахты возникали в местах залегания руды и угля, и зависимость от водной энергии стесняла развивающиеся отрасли промышленности. Для выплавки металла, например, уже было недостаточно ручного воздуходувного меха для снабжения воздухом кузнечных горнов. Для передельных печей и домен понадобилась громоздкая воздуходувная машина, требующая для привода мощного двигателя. Потребность в таком двигателе остро ощущалась и при устройстве водоснабжения быстро растущих городов, и при откачке воды из шахт. В Англии, например, в 1700 г. глубина горизонта разрабатываемых угольных пластов достигала 120 м, а к 1750 г. она снизилась ещё на 60 м. Чем глубже опускались шахты, тем настоятельнее возникала нужда в средствах удаления грунтовых вод. В 1702 г. владелец одной английской шахты для приведения в действие насосов держал до 500 лошадей. Угледобывающая промышленность Англии буквально гибла от непомерной стоимости откачки воды из шахт. Появилась необходимость в тепловой машине, которая, потребляя имеющиеся в избытке уголь и воду, могла бы заменить лошадей. 87

Задача посредством огня и пара подавать воду вверх не могла показаться Томасу Севери слишком новой и неожиданной. Ею занималось много людей, и дело это имело уже свою историю. Одно из первых решений задачи встречается в сочинении французского архитектора Саломона де Косса, изданном в 1615 г. Саломон де Косс говорит о железном шаре, пустом внутри, с вводной боковой трубкой для впуска воды и вертикальной выводной трубкой, по которой поднимается вода. Первая трубка после наполнения водой шара запирается краном. Вторая, выводная, проходит через шар почти до дна. Если поставить этот прибор на огонь, то вода будет испаряться, и пар, не имея выхода, станет оказывать давление на воду и заставит её подниматься по выводной трубке. Нечто подобное случается с чайником, если он хорошо закрыт. Тут выводной трубкой служит носик. Подобный способ поднимать воду предлагал несколько раньше итальянец Делла Порта. Он советовал кипятить воду отдельно, а в ящик с холодной водой впускать только пар. Конечно, в таком приборе первая порция пара, заполняя ящик с водой, подвергнется конденсации. Но с нагревом поверхности воды и стенок ящика конденсация прекратится, и давление вновь поступающего пара заставит воду выходить через выводную трубку. Конец этой трубки также лежит у самого дна ящика, в то время как трубка, через которую подводится пар, находится под потолком ящика. Предложением Саломона де Косс воспользовался англичанин Эдуард Соммерсет, маркиз Уорчестер. Он взял патент на машину, поднимающую воду посредством огня и пара. Есть сведения, что его машина в 1667 г. в Лондоне поднимала воду на сорок футов в высоту. Описание машины не сохранилось, но по некоторым данным предполагают, что она состояла из парового котла с двумя паропроводами, соединенными с двумя резервуарами. Из этих резервуаров пар вытеснял воду в подъёмную трубу. В то время как один резервуар наполнялся водой, в другой впускался пар, и наоборот. Вероятно, с прибором Уорчестера лучше всего и был знаком Севери. В июле 1698 г. Севери получил патент на изобретение, используемое «для подъёма воды и для приведения в движение разного рода мельниц силой огня, которое послужит к великой пользе и выгоде при откачке шахт, снабжении городов водой и работе мельниц там, где нет возможности пользоваться водой или ветром; сроком на 88

14 лет; на обычных условиях», другими словами, на паровой насос, который он сам называл «fire engine» — огневой двигатель. Томас Севери (Thomas Savery; 1650–1715) — английский механик, изобретатель. Один из создателей первого теплового (парового) двигателя. Родился предположительно в 1650 г. в Шилстоне близ Модбери, Девоншир. Он был капитаном — так называли в те времена руководителей производства, инженеров, техников и мастеров шахтного дела. Точно неизвестно, являлся ли он владельцем копей или работал горным инженером в Корнуэлле. У него было любимое занятие — ремонтировать часы и полировать зеркала с помощью машины собственного изобретения. Севери слыл сообразительным и разносторонним человеком. Его первым изобретением стала лодка с гребным приспособлением. Её проект он послал самому королю. Тот одобрил проект и направил его в Адмиралтейство. Долгие хождения Севери по кабинетам ни к чему не привели — лодка с гребным приспособлением никому не была нужна. «Нам нужно, сэр, нечто другое, — сказал изобретателю один из чиновников. — Нам нужен насос, водоотливная машина. Займитесь-ка вы этим!». Автор книги «Друг шахтёра, или Двигатель для подъёма воды огнём» («The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire», Pater Noster Row, 1702 г.), в которой описывается устройство и принцип действия «огневого двигателя». Книга подписана Capt. Thomas Savery, Член Королевского общества (английской академии наук). Скончался в мае 1715 г. в Лондоне.

В 1699 г. состоялась презентация изобретения (действующего макета) правящему королю Великобритании Вильгельму III Оранскому. Эти демонстрации дали определённые положительные результаты. Изначально патент защищал изобретение Севери сроком на 14 лет, но после демонстраций специальным законом Парламента, который назывался «Закон об огненном двигателе» («Fire Engine Act») срок действия патента был увеличен до 21 года. 89

Можно полагать, что прототипом машины Севери была паровая (атмосферическая) машина, изобретённая им в 1690 г. Она могла произвести работу одной лошади. Для практической работы оказалась малопригодна: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется. Эти недостатки были в основном связаны с тем, что образование пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. Поэтому естественной выглядела следующая идея: в цилиндр впускать уже готовый пар, приготовленный, например, в отдельном котле. Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и с меньшим потреблением топлива. Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: в нём не было цилиндра с поршнем, который при своём перемещении приводил бы что-то в движение. Самое важное в этом устройстве было то, что пар, необходимый для работы насоса, приготовлялся в отдельном котле. Машина Севери (рис. 2.1) имела сосуд 1 (насосный резервуар), верхняя часть которого соединялась трубкой 7 с котлом 2, в котором непрерывно производился пар. Котёл имел предохранительный клапан 4 и трубку 3 для заполнения котла водой. К сосуду 1 присоединялись также всасывающая трубка 12 с клапаном 11 (она опускалась в шахту) и нагнетающая трубка 6 с клапаном 10, которая подходила к сточному жёлобу. Машина была снабжена баком 8 с краном 9. При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался. Так как необходимо было периодически поворачивать оба крана — 5 и 9, их соединили пластиной. Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды и сумел реализовать повторение циклов. Это был пригодный для практических нужд паровой насос. Применяли его для откачки воды только из неглубоких шахт и рудников, потому что атмосферное давление не может поднимать воду больше чем на десять метров. 90

Рис. 2.1. Общий вид и схема машины Севери

Машина могла накачивать воду в резервуар для приведения в движение водяного колеса. Она могла подавать воду в резервуар для домашнего водопровода, её можно было установить на водокачках для снабжения города водой, с её помощью можно было осушать болота, но главным её назначением было применение в горном деле. Первоначально шахтовладельцы с недоверием отнеслись к изобретению Севери. Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путём впрыскивания в него воды. Это существенно сократило длительность конденсации и увеличило частоту рабочих циклов, т. е. производительность. Из-за отсутствия движущихся частей машины Севери оказались очень надежными и долговечными; теперь их называют термомеханическими насосами. Это была первая машина, способная работать непрерывно. Но машина работала медленно и не могла 91

поднимать воду на достаточную высоту (для этого требовалось значительное повышение давление пара).

Рис. 2.2. Шахтовладельцы с недоверием отнеслись к изобретению Севери

Повышение давления влекло за собой взрывы котлов, так как они изготовлялись из медных листов, спаянных оловом. Предположительно, самый первый «огневой двигатель» Томас Севери установил на шахте Вил Вор (Wheal Vor) на южном побережье Корнуолла, недалеко от деревни Карлин (Carleen), расположенной примерно в 2 милях к северо-западу от Хэлстона (Helston). Пётр I приобрел в 1717 г. в Англии один такой насос с целью использовать его для крупных водоотливных работ при строитель92

стве каналов в Петербурге. Это была первая паровая машина, появившаяся в России. Она оказалась маломощной, и тогда Пётр I велел поставить её в Летнем саду для накачивания воды в бак, откуда она подавалась к фонтанам. Ещё два таких насоса были поставлены купцом Трусовым в своих банях на Фонтанке. У насоса Севери были серьёзные недостатки: был маломощным, «съедал» во время работы очень много топлива, работал прерывисто — вода откачивалась отдельными порциями. Шахтовладельцев не устраивала малая высокая прожорливость насоса Севери. Уголь требовался для растущего металлургического производства. Мануфактуры и промыслы Англии предъявляли всё большие требования на сырой металл; рос ассортимент изделий, быстро увеличивался суммарный вес железных товаров; судостроение требовало изделий огромного веса. Чугунные и железные предметы входили в быт, металлические пуговицы и пряжки, ножи, ножницы, утюги, подковы, кастрюли, сковороды — всё это требовало много тысяч тонн металла. И вот, — смешно сказать, — железная руда в неисчислимых количествах лежит в недрах английской земли, английские домны могли бы выплавлять чугун в совершенно неограниченном количестве, но выплавка металла в Англии всё резче сокращается из-за недостатка минерального топлива — угля. Переход на металлургических заводах на минеральное топливо вместо дровяного, запрещённого в Англии из-за использования леса для постройки кораблей — опоры британской торговли и гордости британского оружия, потребовал интенсивной угледобычи. Верхние пласты угля быстро вырабатывались, углубление разработок сталкивалось с извечным врагом рудокопа — водой; при больших глубинах шахт не удавалось поднимать воду иначе как при помощи пара. Это создало порочный круг: для применения паровых насосов нужен уголь, для добычи угля нужны паровые насосы. При условии наличия экономичных и совершенных машин это было бы нестрашно, но могло создаться такое положение, когда паровые обжоры будут работать на себя. А заложенные рудники и копи не выдают ожидавшегося количества угля. Это и не устраивало английских шахтовладельцев. Насос Севери нельзя было использовать как универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов, так как они в большинстве своём работают непрерывно. Тем не менее, 93

установка Севери помогла изобретателям усвоить простую мысль, что в паровых машинах следует пользоваться готовым паром из отдельного котла. Севери довольно осторожно относился к тому, насколько мощным был его насос, и был первым, кто использовал термин «лошадиная сила» как единицу измерения работы машины, чтобы показать работу скольких лошадей способны заменить его машина: «Вода при её падении с определённой высоты, — пишет он, — имеет силу, соответствующую и равную той, которая нужна для того, чтобы поднять её. Таким образом, если машина поднимет столько воды, сколько могут это сделать на данном механизме две лошади, работающие одновременно, для чего нужно иметь всё время десять или двенадцать лошадей для выполнения этой работы, то я говорю, что моя машина выполняет работу в десять или двенадцать лошадей». В 1702 г. выходит книга Севери «Друг шахтёра, или Двигатель для подъёма воды огнём» («The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire», Pater Noster Row), в которой описывается устройство и принцип действия «огневого двигателя». Лейбниц поспешил её изучить, а в 1705 г. он отправил Папену своё заключение о книге. Тогда Дени Папен ввел в свой проект некоторые нововведения Севери. В 1707 г. в сочинении «Новое искусство эффективно поднимать воду на высоту при помощи огня» («Ars nova ad aquam ignis adminiculo efficacissime elevandam») Папен опубликовал сведения о другой паровой установке, в которой он отделил котел от цилиндра и применил пар избыточного давления, но превратил цилиндр в вытеснительную камеру с плавающим поршнем, а установку в целом — в паровой насос. Как физик Папен понял и оценил энергетические свойства водяного пара, но как техник не смог реализовать их в конструкции двигателя. Совершенно очевидно, что Папен использовал принцип Севери, при этом он постарался исключить из него то, что делало «насос с зажиганием» англичанина опасным. С одной стороны, он усовершенствовал конструкцию поршня, с другой — обезопасил цилиндр с помощью предохранительных клапанов. Тем не менее машина Папена (рис. 2.3), более совершенная, чем система Севери, оставалась всего лишь насосом, поскольку она только и умела, что качать воду. 94

Рис. 2.3. Чертёж машины Д. Папена

Наконец, Папен строит предположения о возможности приложения машины. По его мнению, машина свободно может быть применена для передвижения кораблей. Для этого у корабля по бокам делаются колёса с лопатками (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Проект двигателя Папена для парового судна 95

Папен и раньше мечтал о безвёсельной лодке. В письме Лейбницу, написанном в 1704 г., он разъяснил свой замысел: судно будет двигаться с помощью «колеса с лопастями». Предполагая трансформировать поступательное движение поршня во вращательное с помощью зубчатого колеса, снабжённого кремальерой (механизм, состоящий из ведущей шестерёнки и зубчатой рейки, по которой она перемещается). В 1707 г. жители немецкого города Мондена наблюдали с набережной реки Фульды за необычным судном без вёсел и парусов. Гребные колёса вращала поднятая насосом вода, падающая с высоты на лопасти. Папен не только построил судно с механическим двигателем, но, решив покинуть Германию и перебраться в Лондон, использовал его для этой цели, не оформив при этом разрешение на движение по реке Везер, в которую впадала река Фульда. Этим воспользовались судовладельцы посёлка Лох, расположенного в устье Везера и, в стремлении загубить возможного конкурента, разрушили судно.

Рис. 2.5. Нападение судовладельцев посёлка Лох на паровое судно Папена 96

Папену не удалось добраться до Лондона на своей безвесельной лодке. В конце января 1708 г. Папен прибыл в Лондон, а 11 февраля адресовал в Королевское общество письмо-напоминание, в котором представил свою машину и предложил построить лодку с паровым двигателем. Одновременно он обратился за поддержкой к Исааку Ньютону, сославшись на рекомендацию Лейбница. Это был неудачный ход: Папен не знал, что два этих учёных, Ньютон и Лейбниц, враждуют: каждый из них претендовал на авторство в исследованиях бесконечно малых величин. Ньютон на письмо Папена не отозвался, в то время как обеспокоенный английский изобретатель Севери, также работавший над использованием пара, затеял интригу с целью полностью похоронить всякое упоминание о проектах Папена. А последний метался, напоминал, что является членом Королевского общества, но никто на это не реагировал, а некоторые даже называли его самозванцем. Папен видел, как исчезает его последняя надежда. Он умер предположительно в 1712 г. в совершенной бедности и был погребён в общей могиле на неизвестном кладбище в пригороде Лондона. Дени Папена можно считать продолжателем в Средние века идей Архимеда, Герона, да Винчи в части поиска движущей силы. Остаётся ещё один последний и главный вопрос: как после полного забвения объяснить удивительное возрождение и посмертную славу Дени Папена в конце XIX в.? Папен был вновь открыт во Франции в 1870 г. В это время триумфальная индустриальная революция обратилась к своим истокам. В новой области — истории техники — исследования множились, и забытое творчество Дени Папена вышло из тени. Надо сказать, что фигура Папена имела все данные, чтобы нравиться. Это образ романтического учёного-неудачника, гениального предсказателя, которого отвергли. Он особенно был дорог французским национальным чувствам после поражения Парижской коммуны в 1871 г., как возможность показать, что индустриальная революция, технический рывок имеют не только британские, но и французские корни. Именно фигура Папена стала символом Третьей Республики — политического режима, существовавшего во Франции с 4 сентября 97

1870 по 22 июня 1940 г. Вписавшийся в виртуальный пантеон национальной славы, наделённый массой титулов Дени Папен попрежднему окружён легендами, что возвращает нас к главной причине всех его бед: он рано родился и имел трудную судьбу технического новатора. Его счастливый последователь Джеймс Уатт резонно написал в своём письме от 26 июля 1769 г.: «В жизни нет ничего глупее, чем изобретать». Дени Папен прожил свой горький опыт, и ничто не объясняет его судьбу лучше, чем лаконичное утверждение французского историка Фернана Броделя: «Ничего не делается без разрешения общества». Папен не был понят современниками. По этому поводу можно привести следующий исторический факт. В 1824 г. вышла первая и единственная работа великого Сади Карно — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу» (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance). Есть основания считать, что труд Карно появился после изучения им работ Дени Папена — первой исторически зарегистрированной попытки осуществления идеи двигателя внутреннего сгорания. Во всяком случае, у историков двигателей внутреннего сгорания упоминается некая книга, название которой гласит: «Поучительная история великого неудачника, или Жизнеописание незадачливого открывателя новых машин и фантаста господина Дени Папена. Сочинил на основании подлинных документов Этьен Дюльби де-ла-Фош (бакалавр). Отпечатано в Париже, 1812». Более того, упоминается, что на тыльной стороне переплёта обнаруженной книги имелась рукописная надпись, в которой говорилось: «Да, он ступил на правильный путь. — Не его вина в том, что он смог сделать по этому пути только первый, самый первый шаг. Шаг этот был гениален. Французы не поняли его, как не поймут много, чему суждено впоследствии перевернуть все представления о науке строения двигательных машин. Мне обидно за Папена, как, вероятно, кому-нибудь будет обидно за меня. Ах, Франция! Как много тебе ещё нужно постичь. Сади Николай Карно, капитан инженеров, 22 августа 1827». (Шпанов Н. Рождение мотора) 98

Тем не менее именно после появления работ Папена история создания тепловых машин пошла по двум путям: создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания. Но почти 100 лет после опытов Гюйгенса и Папена все усилия изобретателей были направлены на создание паровой машины и её совершенствование. И только в конце XIX в. положение изменилось. В 1720 г. Якоб Леопольд описал двухцилиндровую паровую машину. Изобретение было опубликовано в его главной работе «Theatri Machinarum Hydraulicarum». Эта рукопись была первым систематическим анализом машиностроения. Якоб Леопольд (Jacob Leupold; 1674–1727) — немецкий физик, учёный, математик, изобретатель и инженер, управляющий горным делом в Саксонии. Сыграл определяющую роль в распространении научных знаний. Начиная с 1724 г. он написал 11 книг, охватывающих различные научно-технические темы, в том числе «Театр машин» и «Подъемные устройства». Родился в небольшом немецком городке Планиц, который находится между Дрезденом и Лейпцигом, в семье талантливого ремесленника. Из-за стеснённых материальных обстоятельств Леопольду не довелось много учиться: он слушал некоторое время лекции по математике в Йене, затем штудировал теологию в Виттенберге. Когда деньги, отпущенные ему семьёй на обучение, подошли к концу, Леопольд решил возвратиться в родной город, но, заехав по дороге в Лейпциг, он не удержался от искушения прослушать несколько лекций в университете и изменил своё решение. Леопольд поступает в Лейпцигский университет на теологический факультет и одновременно работает как репетитор-математик. Позже он начинает изготавливать на продажу различные приборы и инструменты. Нужен был лишь толчок, чтобы Леопольд изменил богословию и занялся тем, к чему звало его призвание. Таким толчком оказались слова некоего лиценциата Зелигмана, сказавшего однажды Якобу, что «Лейпциг имеет достаточно проповедников, но ни одного мастера, который поставил бы ремесло на математическую и физическую основу». 99

Леопольд решает отказаться от карьеры священнослужителя и стать профессиональным механиком. Он конструировал, изготовлял и продавал в основном «ходовую» продукцию — воздушные насосы. Хотя и медленно, но упорно он шёл к своей цели — к собственной мастерской. И такая мастерская у него появилась. В 1715 г. Якоб Леопольд зачисляется механиком Лейпцигского университета. Его имя и машины приобретают всё большую известность: он удостаивается чести быть почётным членом Академии наук в Берлине, получает титулы прусского коммерческого советника и горного советника польского короля. Последние годы жизни Леопольд посвящает обучению молодёжи основам теоретической и прикладной механики, занимая пост директора технической школы. Но всё же не машины и не преподавательское искусство принесли славу Якобу Леопольду, а многотомная энциклопедия технических знаний под общим названием «Theatrum machinarium» («Описание различных машин»). Над ней он работал всю жизнь с 1722 г. до самой смерти. Из девяти томов «Описания. » при жизни автора вышли первые семь. Каждый из них содержал 200 страниц текста in folio и 50 гравюр, скопированных из книг великих инженеров Возрождения — Джероламо Кардано, Жака Бессона, Джуанелло Турриано, Агостино Рамелли и др. Леопольд собрал в своей энциклопедии, девизом которой были слова «Сила без знания беспомощна», сведения практически обо всех машинах и инструментах, известных к 20-м гг. XVIII столетия. Сочинения Леопольда были написаны не общепринятой в ученом мире латынью, а по-немецки, и поэтому оказались доступными для понимания не только университетским профессорам, но и простым ремесленникам. Долгие годы эти книги служили учебниками и справочниками как для начинающих, так и для опытных изобретателей и механиков. Известно, например, что великий Уатт специально изучил немецкий язык, чтобы познакомиться с описанными Леопольдом паровыми машинами. «Механик. должен быть человеком, который не только знает подлежащие обработке материалы, такие как дерево, сталь, железо, медь, серебро, золото, стекло и другие, и который умеет на основании физических законов решить, насколько каждый из этих материалов по своей природе и свойствам способен выдержать обработку, придающую необходимые пропорции и прочность. но он также должен выполнить свою работу в соответствии с механическими науками и с учётом требуемых размеров и существующих или предполагаемых нагрузок, для чего ему необходимо знать из геометрии и арифметики всё то, что потребуется при расчёте машины. И если он действительно хочет знать своё дело, он должен в совершенстве понимать все ремесла и науки, для которых ему придётся изобретать и изготовлять машины, иначе он не сможет ниче100

го усовершенствовать или изобрести что-нибудь новое, а именно это в первую очередь требуется от механика. Но, кроме того, он должен родиться механиком, чтобы не только быть искусным от природы в изобретательстве, но и уметь перенять все науки и ремёсла таким образом, что о нём можно было бы сказать: то, что видят его глаза, могут сделать его руки. Его любовь к своей профессии не позволяет ему обойтись без тревог и расходов, ибо в течение всей жизни ему придётся каждодневно учиться чему-нибудь новому и экспериментировать». Одна из книг энциклопедии — «Theatrum arithmeticogeometricum», вышедшая в 1727 г. и полностью посвящённая инструментальным средствам вычисления, может рассматриваться как первая в мире монография по вычислительной технике. В ней среди многих вычислительных устройств и машин Леопольд описал несколько собственных изобретений. Леопольд умер 12 января 1727 г. в возрасте 53 лет.

Якоб не строил эту машину, он только её придумал. Поэтому практических выводов о работе этой машины нет. Леопольд приводит лишь некоторые сведения, как могла быть устроена эта машина.

Рис. 2.6. Машина Якоба Леопольда 101

Предполагалось что поршни, сделанные из свинца, будут подниматься давлением пара, а опускаться под собственным весом. Любопытна идея крана (между цилиндрами), с его помощью пар впускался в один цилиндр и одновременно выпускался из другого. В дальнейшем этот кран получил в механике название распределительного. Тем не менее хотя мы и рассматриваем историю мотора, мы остановимся и на других вопросах, охватывающих различные научно-технические темы, в том числе в «Театре машин» и «Подъемных устройствах» Якоба Леопольда. Насколько похожи эти описания машин, использующихся в настоящее время! Описывая подъемные приспособления и краны, Леопольд обращался к конструкциям времен Древнего Рима, Средних веков и Ренессанса и указывал имена их изобретателей. Его работы очень важны, поскольку в них можно найти краны, которые не встречались пока больше нигде. Интересный пример — «лёгкий кран» для «персонального использования», который Леопольд даёт в подробнейших деталях.

Рис. 2.7. Кран с навивочным устройством 102

Один небольшой кран с навивочным механизмом, поворачивающийся на ограниченные углы, описан как «очень простой в использовании». Иллюстрация сразу вызывает вопросы об устойчивости и размещении противовеса, поскольку кажется, что кран поворачивается вперёд на 90° с грузом. Показателем того, насколько мало менялись подъёмные технологии в течение всех этих веков, несмотря на мелкие новшества, может служить изображённое на иллюстрации строительство моста через реку Пегниц в Нюрнберге в 1728 г. Машина весьма напоминает кран на подмостях со стрелой, разработанный испанским инженером Хуанело Турриано.

Рис. 2.8. Подъёмное устройство при строительстве моста через реку Пегниц

В 1758 г. специальное приспособление было построено для возведения бронзовой статуи Людовика XV. Оно было установлено на пьедестале монумента и уже имело все черты современного промышленного мостового крана, хотя, естественно, всё делалось полностью вручную. 103

Рис. 2.9. Возведение бронзовой статуи Людовика XV

Особенностью описанных Леопольдом механизмов является отсутствие «ступального» колеса. Ступальное колесо, впервые упоминаемое в летописях в 230 г. до нашей эры, обладало мощным подъёмным эффектом и оставалось важным элементом подъёмных машин вплоть до XIX в. Такое колесо обычно имело диаметр от 4 до 5 м и механическое преимущество перед лебёдкой или кабестаном из-за большего радиуса колеса и маленького радиуса оси. Кроме того, при работе с лебёдкой и кабестаном мощность генерировалась только рукой и плечом человека, что в случае со ступальным колесом заменялось силой, генерируемой идущим человеком или тягловым животным. Ступальное колесо, таким образом, увеличивало человеческие возможности в 14 раз и давало возможность одному человеку поднимать вес в 3,5 т. 104

Рис. 2.10. Ступальные колёса с человеком и животными

Многие века ступальное колесо было самым популярным приводом для кранов и подъемных устройств, как и для многих других механизмов. Изображения и тексты позволяют заключить, что ступальное колесо продолжало использоваться почти в первоначальном своём виде до середины XIX в. Как и ранее, характеристики 105

этих «живых моторов» представляли важность, причём мощность, скорость и эффективность зависели от продолжительности работы. Информация по данному предмету появилась не ранее XVII– XVIII вв. и касалась веса человека в работе со ступальным колесом. Якоб Леопольд объяснял в своей упоминавшейся выше книге, «как мощность можно рассчитывать таким образом, чтобы вес животных и человека мог двигать колёса перпендикулярно и по наклонной». В 1630 г. Сольский писал, что человек, который приводил в действие ступальное колесо, «сам весил 100 фунтов, что немногим более 40 кг». Леопольд брал в расчётах средний вес человека порядка 50–75 кг (похоже, это подтверждает теорию о том, что тогда средний рост и вес человека был меньше, чем в конце XX в.). Согласно старому практическому правилу, производительность человека в течение короткого времени составляла 1/10 лошадиной, а в более долгом периоде непрерывной работы снижалась до 1/20 лошадиной. Мощность кранов со ступальным колесом, очевидно, была низкой, поскольку это было всего 1/2 силы одной лошади, даже если работали шесть или восемь человек. Это же относилось и к четырем колесам знаменитого «кранового шлюза» в Гданьске в 1442 г. с их 7-метровым диаметром и 1,4-метровой шириной. Ступальное колесо уступило место кривошипной рукоятке только тогда, когда начало резко становиться все меньше места для дополнительных рабочих. Работа в ступальном колесе могла быть опасной, особенно при подъеме слишком тяжелых грузов. Если рабочие в колесе теряли равновесие, колесо могло начать вращаться назад с большой скоростью под действием падающего вниз груза. Такое случалось, например, когда один из рабочих оступался и падал. В прямой связи с этим Королевское общество покровительства искусствам в Великобритании вручила в конце XVIII в. премию за изобретение стопорного устройства, предотвращающего внезапное обратное вращение колеса. Строительные краны и подъемные устройства продолжали приводиться в действие людьми и реже животными почти до середины XIX в. Работая кузнецом на шахтах в Вест Кантри, Ньюкомен хорошо понимал все проблемы, возникающие с откачкой воды из шахт. 106

Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen; 1663–1729) — английский изобретатель; один из создателей первого теплового (парового) двигателя. Кузнец по профессии. В 1705 г. построил паровой двигатель. Эта довольно эффективная для своего времени пароатмосферная машина использовалась для откачки воды в шахтах и получила широкое распространение в XVIII в. На своё изобретение Ньюкомен не смог получить патент, так как паровой водоподъёмник был запатентован ещё в 1698 г. Томасом Севери, с которым Ньюкомен позднее сотрудничал. Заслуга Ньюкомена в том, что его машина была предшественницей универсального двигателя Джеймса Уатта. Скончался 7 августа 1729 г. в Лондоне. Имя Ньюкомена носит Общество историков техники Великобритании.

В 1705 г. Томас Ньюкомен совместно с лудильщиком Джоном Коули построил паровой двигатель для водяного насоса (водоподъёмника), опыты по совершенствованию которого продолжались около десяти лет, пока он не начал исправно работать в 1712 г. Повидимому, Ньюкомен использовал ранее полученные экспериментальные данные Папена, который изучал давление водяного пара на поршень в цилиндре и поначалу нагревание и охлаждение пара для возвращения поршня в исходное состояние производил вручную. Паровая машина Ньюкомена (рис. 2.11) вобрала в себя лучшие идеи из паровой машины Папена и парового насоса Севери. В ней, как и в паровой машине Папена, был использован вертикальный цилиндр с поршнем. Пар создавался отдельно, в паровом котле, как у парового насоса Севери. Рабочий ход в вакуумном двигателе Ньюкомена совершается не высоким давлением пара, а низким давлением вакуума, образующегося после впрыска воды в цилиндр, заполненный горячим паром. Низкое давление вакуума увеличивало безопасность двигателя, но сильно уменьшало мощность двигателя. Таким образом, подъём воды из шахты осуществлялся при конденсации пара в паровой машине, под действием атмосферного давления. Подобные паровые машины принято называть пароатмосферными. 107

Одним из усовершенствованией Ньюкомена было применение кожи. Вокруг поршня закреплялась кожа и сверху наливалась вода. Это значительно улучшало герметичность внутри парового цилиндра.

Рис. 2.11. Поршневая атмосферная машина Ньюкомена: общий вид и схема работы 108

В машине Ньюкомена мощностью 7,5 кВт, построенной в 1725 г., установленные в шахте насосы приводились длинной тягой I, подвешенной вместе с грузом K с помощью цепи на одном из плеч балансира HF. Другое плечо балансира такой же цепью было соединено со штоком Е поршня D, установленным в открытом вертикальном цилиндре. Пар в цилиндр B подавался из котла A с помощью крана С. Этот кран открывали, когда поршень находился в нижнем положении. Избыточным давлением пара поршень поднимался в верхнее положение, что приводило в движение коромысло. Тяга I опускалась, опуская вниз поршень водяного насоса. Совершался холостой ход. В верхнем положении поршня кран С закрывался. Одновременно открывался кран на трубке Р, и в цилиндр впрыскивалась холодная вода из бачка L. Пар в цилиндре конденсировался, в результате чего в нём создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень D опускался, выталкивая из цилиндра воду по трубке R в специальный резервуар S, сборник конденсата. Коромысло HF, соединённое со штоком E парового цилиндра В, приходило в движение, и поршень водяного насоса вместе с тягой I поднимался вверх, поднимая воду из шахты. Совершался рабочий ход. При рабочем ходе поршня вниз насос выталкивает вверх порцию воды, а затем под собственным весом опускается вниз, а поршень поднимается, заполняя цилиндр паром. Для подачи воды в паровой цилиндр В использовался небольшой вспомогательный насос, подававший воду из шахты по трубке N. Приводом тяги М насоса служило общее коромысло (балансир) HF. Смазка и уплотнение поршня осуществляется небольшим количеством воды, налитой на него сверху. Распределение пара и охлаждающей воды было ручным, затем изобретено автоматическое распределение, так называемый «механизм Поттера». Краны соединялись общей пластиной, и открытие одного крана производило закрытие другого. Работа, производимая атмосферным давлением, тем больше, чем больше ход поршня и сила давления на него. Перепад давлений при этом зависит только от температуры, при которой пар конденсируется, и сила, равная произведению перепада давлений на площадь поршня, увеличивается при увеличении площади поршня, 109

т. е. диаметра цилиндра и, следовательно, объема цилиндра. Совокупно получается, что мощность машины растёт с ростом объёма цилиндра. Рабочий ход поршня только в одну сторону (вниз) и постоянные потери тепла на нагревание остывшего цилиндра ограничивали эффективность машины (КПД менее 1%). Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно при помощи лошадей. Отопление машин углём, добытым в той же шахте, которую машина обслуживала, оказалось выгодно, несмотря на чудовищную прожорливость установки. Машина Ньюкомена не была универсальным двигателем и могла работать только как насос. Попытки Ньюкомена использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса на судах оказались неудачными. Заслуга Ньюкомена в том, что он одним из первых реализовал идею использования пара для получения механической работы. Его машина стала предшественницей универсального двигателя Джеймса Уатта. Паровая машина Ньюкомена получилась очень громоздкой и требовала большого количества угля. Несмотря на все свои недостатки, машина была значительно совершеннее всех её предшественников. Её в течение 50 лет применяли на различных шахтах для откачки воды. После её появления в Англии вновь открыли шахты, которые пришлось закрыть изза затопления грунтовыми водами. Водоподъёмные насосы Ньюкомена с поршневым паровым двигателем нашли применение не только в Англии, но и в других европейских странах для откачивания воды из глубоких затопленных шахт, работы в которых без них производить было бы невозможно. К 1733 г. их было куплено 110, из которых 14 — на экспорт. С некоторыми усовершенствованиями их до 1800 г. произвели 1454 штуки, и они оставались в употреблении до начала XX в. Для того чтобы понять, насколько сильным прорывом было использование паровой машины для откачки воды, можно привести следующий пример. В 1722 г. в Кронштадте в сухой док на ремонт был поставлен корабль. Паровая машина Ньюкомена выполнила 110

работу по откачке воды за две недели. Традиционная же схема откачки с использованием ветряных мельниц потребовала бы целого года. Как видите, разница впечатляющая. Машина Ньюкомена значительно отличалась от парового насоса Севери. Кроме того, она была значительно совершеннее. Но, несмотря на всё это, Томас Ньюкомен так и не смог получить патент на свою паровую машину. Слишком уж расплывчатым был патент Севери на его паровой насос. В связи с этим Ньюкомен был вынужден сотрудничать с Севери. Ньюкомену пришлось создать в 1711 г. совместную с Севери Компанию обладателей правами на изобретение установки для подъёма воды посредством огня. С машинами Ньюкомена связана легенда (правдивость которой многие подвергают сомнению) об изобретении автоматического парораспределения, которое приписывают мальчику Гемфри Поттеру (Humphry Potter). Ему было поручено открывать кран для поочерёдной подачи пара в рабочие цилиндры. Дело несложное, но утомительное, особенно для ребёнка, которому хотелось играть со сверстниками. Он взял две верёвки, привязал их к рукоятке крана, а другие концы привязал к коромыслу, которые при движении отрывали и закрывали кран. Так родилось автоматическое управление кранами. Тут уместно вспомнить Эдисона, который в юные годы работал телеграфистом в ночную смену. Чтобы быть уверенным, что сотрудник бодрствует, начальник требовал от него каждые полчаса отправлять ему по телеграфу условное слово. Тогда Эдисон прикрепил к телеграфному аппарату валик с ручкой, на котором записал нужную комбинацию из точек и тире, и которую раз в полчаса крутил станционный сторож, а сам юный изобретатель в это время спокойно спал. Вот уж действительно, лень — двигатель прогресса. В апреле 1763 г. Ползунов предлагает проект своей паровой машины. Надо отметить, что в России того времени паровые машины практически не использовались, и всю информацию Ползунов получил из книги «Обстоятельное наставление рудокопному делу» изданную в 1860 г. В нём описывалась паровая машина Ньюкомена. 111

Рис. 2.12. Гемфри Поттер — ленивый гений Ползунов Иван Иванович (1728–1766) — русский теплотехник, один из изобретателей теплового двигателя, создатель первой в России паросиловой установки. Родился в 1729 г. в семье солдата из крестьян г. Туринска (Свердловск — Екатеринбург). Окончив Словесную школу, Ползунов переходит в Арифметическую школу. В 1742 г., не успев окончить школу, Ползунов за особые успехи в учёбе переводится в ученики к механику на Екатеринбургский завод. Там он занимается изучением и постройкой заводских и рудничных механизмов. В 1747 г. после окончания Первой русской горнозаводской школы в Екатеринбурге был «механическим учеником» у главного механика уральских заводов Никиты Бахорева на Барнаульском сереброплавильном заводе. Там он занимается учётом руды, угля, флюсов, следит за качеством получаемого металла. С 1748 г. работал в Барнауле техником по учёту выплавляемого металла, в 1750 г. произведён в унтер-шихтмейстеры и был направлен на 112

обучение горному мастерству и металлоплавильному делу на Колывановский завод. В библиотеке Барнаульского завода познакомился с трудами М. В. Ломоносова, изучил устройство паронасосных установок. В 1763 г. Ползунов разработал проект парового двигателя мощностью 1,8 л. с. (1,3 кВт) — первого в мире двухцилиндрового двигателя с объединением работы цилиндров на один общий вал, т. е. двигателя, универсального по своему техническому применению. Президент Берг-коллегии А. И. Шлаттер отметил, что проект Ползунова «за новое изобретение почесть должно», но не оценил достоинств двигателя и предложил на основании европейского опыта объединить новый двигатель с водяными колёсами. Ползунов спроектировал новую установку для привода воздуходувных мехов плавильных печей. Установка с рекордной по тому времени мощностью в 32 л. с. (24 кВт) впервые в технике заводского производства позволила полностью отказаться от водяных колёс. Оригинальность установки Ползунова была оценена посетившим Барнаул в 1765 г. русским учёным-естествоиспытателем Э. Г. Лаксманом, писавшим, что Ползунов — «муж, делающий честь своему отечеству. Он строит теперь огненную машину, совсем отличную от венгерской и английской». За неделю до пробного пуска машины Ползунов, не выдержав напряжённого труда, скончался от чахотки.

Обратимся к началу истории изобретения двухпоршневой паровой машины Ползунова. Обучаясь у Никиты Бахорева, Ползунов проявил большие способности и имел особые успехи в учебе. Мальчик оказался вундеркиндом — он освоил горную науку настолько хорошо, что уже в 20 лет получил необычайно ответственное задание. Молодого специалиста послали на Колывано-Воскресенские заводы Алтая, где добывали золото и серебро для казны. Талантливому горному мастеру было поручено разведать залежи руды в окрестностях реки Чарыш, чтобы выбрать место для строительства новых заводов. Ползунов успешно составил карту рудников. Но занимала его помыслы не горная разведка, а сама работа заводов. Для большинства операций, которые выполнялись в те времена на заводах, в качестве источника энергии использовалась физическая сила рабочих или лошадей. Ползунов искал природную силу, которая могла бы заменить мускулы. На ум приходили только ветер и вода. Ветер не годился потому, что давал слишком мало энергии, которую можно было бы с пользой применить в заводских работах. Бурные алтайские и уральские реки предлагали куда более 113

заметную мощь — на многих из российских заводов источником энергии для работы воздуходувных мехов и молотов, кующих металл, служило именно водяное колесо. Ползунов некоторое время экспериментировал с водяными двигателями — так, в 1754 г. молодой изобретатель построил «вододействующую лесопилку». Здесь он не был первопроходцем — первая такая лесопилка в России была построена ещё в 1720 г. создателем Вышневолоцкой водной системы Михаилом Сердюковым. Скорее всего, Ползунов построил её по инженерным книгам, которые пачками выписывал из Петербурга.

Рис. 2.13. Водяное колесо для привода воздуходувных мехов

У водяного колеса долгая и заслуженная история: впервые его начали использовать ещё в Вавилоне, а в России оно не утрачивало популярности до самой революции — в 1917 г. в России «трудились» 46 тысяч водяных колес, суммарная мощность которых со114

ставляла около 40% от всей мощности промышленных источников энергии (как ни крути, а есть за что благодарить дедушку Ленина с его лозунгом об электрификации всей страны). Недостатки этого приспособления были очевидны ещё в XVIII в.: строить заводы и фабрики можно было только вблизи крупных рек, что накладывало ограничения на масштабы производства, вдобавок создавая дополнительные расходы на транспортировку материалов — руды, дров и т. п. Вода способна двигаться не только в русле реки — с помощью огня её можно было заставить бежать по трубам с огромной силой. Помыслы Ползунова заняла «огненная машина», которая могла бы заменить водяное колесо. Паровые машины создавались с самого начала XVIII в. Он, конечно, не мог не знать о паровом насосе системы англичанина Томаса Севери, который Пётр I в 1717 г. закупил для снабжения водой фонтанов Летнего сада. Машина Севери была беспоршневой — при помощи нагнетания пара она двигала воду по трубам, создавая струи. А вот пароатмосферная машина другого англичанина — Ньюкомена — уже была однопоршневой. Давление пара в ней было невысоким, и работать она могла только насосом, зато именно она определила дальнейший путь развития паровых машин. Кстати, одна из машин Ньюкомена работала в 1720-е гг. на рудниках близ Кëнигсберга. Все эти паровые насосы, использовавшиеся в основном для откачки воды из шахт, описывались в книгах о рудном деле, которые были доступны в России — там приводились их чертежи, по которым можно было понять принцип их действия. Именно эти разработки и послужили Ползунову базой для его собственных чертежей. Ползунов модернизирует машину Ньюкомена. Для обеспечения непрерывной работы он предлагает использовать два цилиндра вместо одного в паровой машине Ньюкомена. Ползунов предлагал использовать свою паровую машину для привода в движение мехов плавильных печей. От заграничных аналогов паровой двигатель Ползунова отличался, прежде всего, наличием двух цилиндров вместо одного: такая усовершенствованная машина могла подавать «дутье» в печи и откачивать воду, в дальнейшем изобретатель планировал приспособить её и для других нужд. 115

Рис. 2.14. Макет и чертёж паровой машины Ползунова

Работала паровая машина так: вода нагревалась в котле, склепанном из металлических листов, и, превратившись в пар, поступала в два трёхметровых цилиндра. Поршни в цилиндрах паровой машины Ползунова работали в противофазе. Поршни цилиндров давили на коромысла, которые соединялись с мехами, раздувавшими пламя в рудоплавильных печах, а также с водяными насосамираспределителями. Когда в один из цилиндров, наполненных паром, впрыскивали воду, пар конденсировался в нём, и в цилиндре создавалось разряжение. Под действием атмосферного давления поршень начинал опускаться вниз. В этот момент в другой цилиндр, находившийся в нижнем положении, начинал поступать пар, и поршень двигался вверх. Наличие двух поршней позволяло сделать процесс работы непрерывным. 116

Рис. 2.15. Схема устройства паровой машины Ползунова

Подача воды и пара в цилиндры была полностью автоматизирована. Штоки поршней паровой машины были связаны между собой цепью. Цепь проходила через верхний шкив, и при движении паровых цилиндров шкив тоже приходил в движение. Движение шкива в свою очередь, через цепи, приводило в движение специальные стержни, основное назначение которых было управлять движением серповидного маятника. Именно серповидный маятник управлял попеременной подачей воды и пара в паровые цилиндры. Давление пара в паровой машине Ползунова лишь незначительно превышало атмосферное давление. Полезную работу поршни совершали лишь при движении вниз, под действием атмосферного давления. Сам Ползунов считал, что эффективность рабочего хода будет тем выше, чем ниже будет температура охлаждающей 117

воды, что свидетельствует о том, что Ползунов строил пароатмосферную машину (машина, в которой работа происходит за счёт атмосферного давления, а не за счёт давления пара). В 1763 г. он представил чертежи своей машины в КолыванскоВоскресенскую канцелярию. Чиновники на себя ответственность брать не стали и переслали бумаги в столицу. Проект паровой машины рассматривался Кабинетом Её Величества. Ползунову повезло — «прожект» попал в руки президенту Берг-коллегии, занимавшейся горной промышленностью, весьма образованному человеку — Ивану Шлаттеру. Тот дал высочайшую оценку изобретению Ползунова: «сей его вымысел за новое изобретение почесть должно», доложив о нём императрице Екатерине II. Резолюция по «прожекту» была принята через год: императрица восхитилась найденным Ползуновым решением, распорядилась произвести его в «механикусы с чином и званием инженерного капитан-поручика», наградить 400 рублями, а главное — благословила на сооружение машины, приказав «людей давать столько, сколько у него работы случится». В 1764 г. Ползунову приказывают строить паровую машину в 15 раз более мощную, чем в проекте 1763 г. Высота машины предполагалась 11 метров. Это была очень трудная задача. Сам Ползунов изначально планировал построить лишь небольшой макет, чтобы отработать на нём все неожиданные трудности. Работа шла с большим трудом. Ни у кого в России того времени не было опыта по строительству подобных машин. Более того, Ползунову не разрешили вызвать опытных мастеров с уральских заводов. К весне 1766 г. Иван Ползунов с четырьмя учениками построил машину на Барнаульском заводе на Алтае. Она имела поистине циклопические размеры — была высотой с трёхэтажный дом, а некоторые детали весили 2,5 т. Испытания машины начались лишь спустя три года после начала строительства. Первые испытания показали ненадёжность применения кожи в паровой машине (вероятно, идея использования кожи была заимствована из паровой машины Ньюкомена). Кожаное уплотнение быстро истиралось, и вода начинала сочиться внутрь паровых цилиндров. Опытным путём было установлено, что пробка гораздо лучше подходит для уплотнения цилиндров, чем кожа. 118

Рис. 2.16. Макет и схема сооружения машины Ползунова

Первый пуск машины был назначен на 4 августа 1766 г. Но в назначенный срок машина не начала свою работу. В день пуска случилась поломка, которую сумели устранить только к 7 августа 1766 г. 119

Вот только сам Ползунов в действии своё детище так и не увидел — более года трудясь над чертежами, а затем над самой машиной, изобретатель подорвал своё здоровье и подхватил чахотку, лекарства от которой в те времена не было. Он скоропостижно скончался 6 (27) мая 1766 г. в возрасте всего 38 лет. Машину запустили уже без Ползунова в августе того же года для обеспечения плавки металла в рудоплавильных печах.

Рис. 2.17. Строительство машины Ползунова

К сожалению, первая паровая машина России оказалась ненадёжной, часто ломалась. В сумме она проработала чуть более 120

42 суток. После одной из поломок руководством завода было принято решение о нецелесообразности её использования из-за наличия достаточного количества воды (водяные колеса были основными источниками энергии того времени). За это время она не только окупила затраты на своё строительство — 7200 рублей, но и дала сверх этого 12 тыс. рублей прибыли. Преждевременная смерть изобретателя отразилась на судьбе его детища самым прискорбным образом — когда в ноябре того же года возникли течи из цилиндров и самого котла машины, ученики инженера безуспешно пытались устранить проблему, оборачивая поршни берестой. Будь Ползунов жив, он, конечно же, понял бы, что первый блин вышел комом, и нужно не ремонтировать старую, а строить новую машину, конструкция которой могла бы выдерживать длительный нагрев. Ученики его авторитетом не обладали и убедить заводское начальство построить новый паровой двигатель им не удалось. Остановившийся гигант простоял на заводе 14 лет, а потом его разобрали и увезли. Место, где он стоял, фабричный люд прозвал «ползуновским пепелищем». Джеймс Уатт был тем, чья работа стала кульминационной в промышленной революции для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрёл свой двигатель универсального назначения. Джеймс Уатт (James Watt; 1736– 1819) — шотландский изобретатель, создатель универсального парового двигателя, член Эдинбургского королевского общества (1784). Родился в Гриноке. С 1756 г. работал механиком в университете в Глазго, после 1765 г. занимался усовершенствованием паровой машины. Детальное изучение паровой машины Ньюкомена привело его к введению в нее многих усовершенствований. Изобрел конденсатор — третий основной элемент тепловой машины (1765), центробежный регулятор ввода пара, 121

золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, цилиндр двойного действия, механизм передачи движения от поршня к балансиру (параллелограмм Уатта), выдвинул идею применения расширения пара в цилиндре (1782). Благодаря этим усовершенствованиям был создан (1784) универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта), экономичный и эффективный, получивший широкое распространение и сыгравший большую роль в переходе к машинному производству (первая паровая машина простого действия была построена Уаттом в 1774 г.). Уатт предлагал использовать в качестве единицы измерения мощности название «лошадиные силы». В 1882 г. по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение присвоить единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники. Сконструировал также ряд приборов: ртутный открытый манометр, ртутный вакуумметр в конденсаторе, водомерное стекло в котлах, индикатор давления. Изобрёл копировальные чернила (1780), установил состав воды (1781). Член обществ: Королевского в Эдинбурге, Философского в Роттердаме, Лунного в Бирмингеме — неофициальной организации для учёных британского Просвещения, член-корреспондент Французской академии. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными». Они работали на вакуумном принципе, изобретённом Дени Папеном, и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. При работе паровой машины вакуумного типа в начале такта пар низкого давления впускается в рабочую камеру или цилиндр. Впускной клапан после этого закрывается, и пар охлаждается, конденсируясь. В двигателе Ньюкомена охлаждающая вода распыляется непосредственно в цилиндр, и конденсат сбегает в сборник конденсата. Таким образом в цилиндре создаётся вакуум. Атмосферное давление в верхней части цилиндра давит на поршень и вызывает его перемещение вниз, т. е. рабочий ход. Поршень связан цепью с концом большого коромысла, вращающегося вокруг своей середины. Насос под нагрузкой связан цепью с противоположным концом коромысла, которое под действи122

ем насоса возвращает поршень к верхней части цилиндра силой гравитации. Так происходит обратный ход. Давление пара низкое и не может противодействовать движению поршня. Постоянное охлаждение и повторное нагревание рабочего цилиндра машины было очень расточительным и неэффективным, тем не менее, эти паровые машины позволяли откачивать воду с большей глубины, чем это было возможно до их появления. Но эти машины были только насосами, не имевшими непрерывное действие. Бурное развитие основных видов промышленности в Англии в первой половине XVIII в. и массовое внедрение в производство рабочих машин, ознаменовавшее собой начало промышленной революции, сделало необходимой революцию в паровой машине. Эта революция означала переход от двигателя частного назначения к универсальному двигателю — основе энергетической базы крупной фабричной промышленности. Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760–1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной. Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был создан шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом. Пройдя курс обучения в Глазго и Лондоне, он с 1757 г. стал работать в качестве механика в университете в Глазго и тогда же открыл мастерскую для изготовления и ремонта математических и физических приборов. Уатт близко познакомился со многими учёными, в том числе с физиком Джозефом Влеком, изучавшим скрытую теплоту испарения водяного пара, и Джоном Робисоном — тогда ещё студентом, а впоследствии профессором физики. В 1759 г. Робисон посоветовал Уатту изучить имевшуюся в то время литературу по механике паровых машин — сочинения Дезагюлье, Леопольда и Белидора и вопросы использования пара как источника двигательной энергии. Уатт проводит опыты над свойствами водяного пара и определяет зависимость температуры 123

насыщенного пара от давления. Построенные им кривые близко совпадают с современными данными. Паровая машина Ньюкомена существовала уже пятьдесят лет, находя применения большей частью для откачки воды из шахт, за всё это время она ни разу не была усовершенствована, и мало кто разбирался в принципе её работы. Уатт начинает исследования по применению пара с нуля, так как до этого ни разу не сталкивался с этим вопросом. Попытки создать рабочую модель аппарата ничем не заканчиваются. Ему получается лишь соорудить что-то вроде модели паровой машины Севери, используя котёл Папена. Модель обладала такими большими недостатками, что Уатт бросает разработки. Работу над паровыми машинами Уатт начал в 1763 г. с починки модели действующей паронасосной установки Ньюкомена. Зимой 1763 г. к нему обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Модель была почти неработоспособной, так как, будучи геометрически подобной своему промышленному образцу, она отличалась от него протекающими в ней механическими и тепловыми процессами. Установка требовала большего непроизводительного расхода пара, а следовательно, и топлива. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды, и макет наконец заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того чтобы быть преобразованной в механическую энергию. Уатт проводит ряд опытов над кипением воды, изучает упругость водяных паров при различных температурах. Теоретические и опытные изыскания приводят его к пониманию важности скрытой теплоты. Опытным путём он устанавливает, что вода, превра124

щённая в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды. Уатт приходит к выводу: «…Для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра». Уатту остаётся сделать один шаг до того, чтобы отделить «сгущение пара» от цилиндра и осуществлять его в отдельном сосуде. На этот шаг у него уходит очень много времени. В 1765 г. ему, наконец, приходит на ум догадка, и начинаются попытки воплотить её в жизнь.

Рис. 2.18. Исследование Уаттом машины Ньюкомена

После пяти лет упорной работы над моделью Уатт сделал громадный шаг в деле совершенствования паровых двигателей и повышения их экономичности. Первоначально он пришёл к выводу, что хорошая работа пароатмосферной машины зависит от выполнения двух условий: 1) получения сильного разрежения под поршнем за счёт более полной конденсации пара (для этого нужно было как можно больше охладить цилиндр); 125

2) поддержания цилиндра в горячем состоянии, чтобы избежать непроизводительных потерь пара при выпуске его из парового котла. Выполнение этих условий одновременно в одном цилиндре технически невозможно, и Уатт дал новое решение: заключить цилиндр в паровую рубашку, поддерживая его постоянно в нагретом состоянии, а конденсацию пара осуществлять в отдельном конденсаторе, снабженном насосом для откачивания конденсата и воздуха. Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 г., была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Создать полноразмерную машину не получалось. Уатту требовались капиталовложения. Некоторую помощь ему оказал Джозеф Блэк, а основная поддержка пришла от Джона Робака (John Roebuck), основателя легендарной Carron Company (Carron Iron Works). Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени было неспособно обеспечить нужную точность изготовления. Робак терпит банкротство, и новым спонсором Уатта становится Мэттью Болтон, владелец литейного завода в Сохо (Soho Foundry) в Бирмингеме, где работали высокопрофессиональные литейщики. В 1772 г. Уатт заключил контракт с Мэттью Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Мэттью Болтон (Matthew Bolton; 1728–1809) — английский промышленник и деловой партнёр шотландского инженера Джеймса Уатта. Он стал ассоциироваться с Джеймсом Уаттом, когда деловой партнёр Уатта, Джон Робак, не смог выплатить долг Болтону, который принял долю Робака в патентах Уатта как компенсацию. Затем он успешно лоббировал в парламенте продление патента Уатта ещё на 17 лет, что позволило компании выпустить на рынок паровую машину Уатта. Компанией были установлены сотни паровых машин «Болтона и Уатта» в Британии и за рубежом, сначала в шахтах и затем на заводах. Их создание сделало возможной механизацию заводов и фабрик. 126

Болтон был одним из ключевых членов так называемого Лунного общества — группы мужчин из области Бирмингема, известных в области искусства, науки и теологии. Среди его членов были Уатт, Эразм Дарвин (дед Чарльза Дарвина), Джозайя Уэджвуд и Джозеф Пристли. Члены общества встречались каждый месяц в полнолуние. Они получили кредит на разработку концепций и методов в науке, сельском хозяйстве, производстве, горной промышленности и транспорте, которые заложили основу для промышленной революции. Болтоном был основан монетный двор Сохо, к которому он вскоре адаптировал энергию пара. Он стремился улучшить плохое состояние монет Великобритании и после нескольких лет усилий в 1977 г. получил контракт для чеканки первых британских медных монет за четверть века. Монеты были хорошо спланированы и трудно подделываемы; первый выпуск включал большие медные британские пенни, который продолжал чеканиться до 1971 г. Вышел в отставку в 1800 г., хотя и продолжал вести свой монетный двор, и умер в 1809 г. Его портрет вместе с портретом Джеймса Уатта присутствовал на банкноте в 50 фунтов банка Англии. Если Робак видел в уаттовской машине лишь усовершенствованный насос, который должен был спасти его шахты от затопления, то Болтон в изобретениях Уатта видел новый вид двигателя, который должен был заменить водяное колесо. Болтон сам пытался внести усовершенствования в машину Ньюкомена, чтобы уменьшить расход топлива. Он сделал модель, которая вызывала восторг у многочисленных лондонских великосветских друзей и покровителей. Болтон вёл переписку с американским учёным и дипломатом Бенджамином Франклином о том, как лучше впрыскивать в цилиндр охлаждающую воду, о наилучшей системе клапанов. Франклин в этой области ничего толкового посоветовать не мог, но обратил внимание на другой способ достижения экономии топлива, на лучшее его сжигание и уничтожение дыма. Болтон мечтал ни о чём ином, как о мировой монополии производства новых машин. «Моей мыслью было, — писал Болтон Уатту, — устроить рядом с моим заводом предприятие, где я сосредоточил бы все технические средства, необходимые для постройки машин, и откуда мы снабжали бы весь мир машинами любых размеров». Болтон ясно отдавал себе отчёт в том, какие для этого нужны предпосылки. Новая машина не может строиться старыми кустарными способами. «Я предполагал, — писал он Уатту, — что ваша машина потребует денег, очень точной работы и обширных связей, чтобы наивыгоднейшим образом пустить её в оборот. Наилучший способ поддержать её репутацию и отдать должное изобретению — это изъять её производство из рук множества техников, которые по своему невежеству, недостатку опыта и технических средств стали бы давать плохую работу, а это отразилось бы и на репутации изобретения». 127

Чтобы избежать этого, он предлагал строить специальный завод, где «при вашем содействии мы могли бы привлечь и обучить известное количество превосходных рабочих, которые, снабжённые наилучшим инструментом, могли бы выполнить это изобретение на двадцать процентов дешевле и со столь же большой разницей в точности работы, какая существует между работой кузнеца и мастера математических инструментов». Кадры высококвалифицированных рабочих, новое техническое оборудование — вот что требовалось для постройки машины в массовом масштабе. Болтон уже мыслил категориями и понятиями развитого капитализма XIX в. Но пока это были ещё мечты. Не Болтоном и Уаттом, а их сыновьями лет тридцать спустя было организовано массовое производство машин — первый машиностроительный завод.

Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода. Проблема изготовления цилиндра большого диаметра и соответствующего поршня с необходимой точностью была решена Джоном Уилкинсоном, который разработал соответствующую технологию на заводе, выпускающем пушечные ядра (Bersham Ironworks) в Рексеме, Северный Уэльс (North Wales). Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г.

Рис. 2.19. Машина Ньюкомена и паровая машина Уатта с конденсатором 128

К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надёжным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве насчитывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона — Уатта. Большое их число изготовлялось также для медных рудников в Корнваллисе.

Рис. 2.20. Джеймс Уатт и Мэттью Болтон на заводе в Сохо

Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии. Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта всё ещё не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением. В 1778 г. Уатт по предложению своего компаньона Болтона приступил к усовершенствованию парового двигателя. Он детально 129

исследовал процесс расширения пара в цилиндре, сконструировав для этой цели специальный индикатор — прибор, замеряющий давление пара в процессе расширения. Индикатор изменения давления в цилиндре Для исследования работы пара внутри цилиндра Уатт разработал устройство, вычерчивающее величину давления пара в цилиндре. Он назвал его индикатором, а получающийся рисунок — индикаторной диаграммой. К рабочему цилиндру Уатт присоединил маленький цилиндр с поршеньком. Чтобы поршенек возвращался в исходное положение при падении давления пара и для установления масштаба движения поршенька, Уатт поместил над ним пружину. Если бы наружу цилиндрика был выведен конец стержня с прикреплённым к нему карандашом или пером, то при поднимании и опускании поршенька перо чертило бы линии на подложенном листе бумаги, и можно было бы графически изобразить давление пара в цилиндре. Соединив планшетку листа с машиной таким образом, чтобы она следовала за движениями поршня машины, можно было проследить за положением поршня в цилиндре. Перо, соединённое с неподвижным цилиндром, прочерчивало линию, соответствующую направлению движения поршня за тот же отрезок времени, за какой это движение продолжалось.

Рис. 2.21. Индикатор изменения давления в цилиндре машины Уатта 130

При крайнем левом положении поршня давление в паровом цилиндре и цилиндре индикатора при впуске пара резко повышается. Перо чертит линию снизу вверх. При движении поршня вправо наступает момент, когда впуск пара прекращается. Пар начинает расширяться: с этого момента давление в цилиндре понижается. Поршень индикатора, а с ним и перо, опускаясь, занимают положения I, II и III. В результате перемещений получается рисунок, обозначенный пунктиром на листе бумаги, — диаграмма. Определив практически выгодную степень расширения пара для превращения тепла в работу, Уатт предложил в 1782 г. паровой двигатель с расширением и получил на него английский патент. Практически это был патент на универсальный по применению паровой двигатель (патент № 1432). В патенте излагался ряд новых технических положений, использованных Уаттом в своём двигателе. Текст патента гласил: «Мой способ для уменьшения расхода пара в паровых машинах, а следовательно, и уменьшение расхода топлива, состоит в следующем. 1. Цилиндр или сосуд с паром сохраняется во всё время работы столь же нагретым, как и входящий в него пар, а именно вследствие того, что, во-первых, цилиндр окружают оболочкой из дерева или из другого материала, плохо проводящего теплоту, а вовторых, вследствие того, что его окружают паром или другими нагретыми телами, и, в-третьих, вследствие того, что ни вода, ни иное какое-либо тело, более холодное, чем пар, не приходит в соприкосновение с цилиндром во время его работы. 2. В машинах, которые должны работать полностью или частично посредством конденсации пара, обращение пара в воду должно происходить в сосудах, отделённых от цилиндра, но способных иногда приходить с ними в сообщение. Эти сосуды я называю конденсаторами, и их нужно во время машины сохранять холодными посредством действия воды или иного холодного тела с температурой, в среднем равной температуре окружающего воздуха. 3. Воздух и другие упругие газообразные тела, не сгущенные, несмотря на низкую температуру в конденсаторе, и мешающие работе машины, должны удаляться из конденсатора посредством 131

насосов, приводимых в действие самой машиной или другим какимлибо образом. 4. Во многих случаях я рассчитываю использовать давление пара на поршень или другие части, заменяющие его, таким же образом, как применяется атмосферное давление в нынешних обыкновенных огневых машинах. В тех случаях, когда не хватает холодной воды, машины могут работать исключительно силой пара, причем, пар по совершении работы выпускается прямо в атмосферу. 5. Создание «коловратных» машин с однонаправленным равномерным вращением вала. 6. Работа с неполной конденсацией (т. е. с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей. При применявшихся в то время давлениях пара в 1 атм введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем вдвое». Придя к мысли использовать вторую половину цилиндра, он создал так называемый двигатель двойного действия, в котором был существенно снижен удельный расход пара. Ведь если шатун будет с силой двигаться не только вниз, но и вверх, вал получит энергию на всем цикле своего движения. Для этого нужно только, чтобы оба движения поршня были активными. Необходимо заставить пар действовать на поршень с двух сторон. Очередным этапом развития паровых машин была герметизация верхней части цилиндра и подача пара не только в нижнюю, но и в верхнюю часть цилиндра. Это была уже машина двойного действия. Вот как описывал свое изобретение 1782 г. сам Уатт: «Моё второе улучшение паровых, или огневых, машин состоит в использовании упругой силы пара для того, чтобы двигать поршень вверх, а также прижимать его вниз попеременно, создавая вакуум над или под поршнем и одновременно используя действие пара на поршень в том конце или части цилиндра, из которой не происходит выхлопа пара; машина, сконструированная таким образом, может дать двойное количество работы или развить двойную мощность в одно и то же время (с цилиндром равных размеров) по 132

сравнению с машиной, в которой активная сила пара действует на поршень только в одном направлении — либо вверх, либо вниз». Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар. Машина Ньюкомена была машиной водоподъемной и применялась в горном деле. Между тем и для других отраслей быстроразвивающейся промышленности требовался механический двигатель. Для этой цели было необходимо преобразовать качательное движение балансира в непрерывное вращение вала. Вот что он пишет по этому поводу в своем дневнике от 5 сентября 1779 г.: «Я мог бы устранить в огневой машине вращательное движение посредством кривошипов, и они могли бы двигаться вперёд и назад по желанию; не имеют колес, цепей, насадок; они дали бы лучшее использование пара, пропорционально требуемой силе. ». Основное препятствие было в том, что движения балансира были качательными и прямолинейными; они ещё не могли вращать приводной вал. Вращение — вот чего требовали промышленники и их обрабатывающие станки. Передовые промышленники уже давно искали способы расширения силовой базы своих производств и раскрепощения их от речной зависимости — водяного колеса. Вращение мельниц прокатных станков, прялок, ткацких станков и десятков других приспособлений промышленности — это нужно было мануфактурам. И этого не смогла сделать ни одна паровая машина. Перед Уаттом стояла задача: паровая машина должна вращать. Не раз делались попытки создания вращательных паровых двигателей. Ещё Папен уделил внимание этому вопросу. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Булль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, но эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели. Да и сам Уатт пятым пунктом своего патента закреплял за собой на всякий случай идею коловратной машины. Но сейчас вопрос должен был решаться иным способом: качательное движение балансира должно быть преобразовано во вращательное движение вала. Уатт даже соорудил модель, работающую с помощью нового механизма — кривошипа. 133

Солнечно-планетарная передача Мёрдока — Уатта Самым простым казалось соединить конец балансира с валом посредством шатуна и кривошипа. Никто из прежних конструкторов не решался применить это соединение; существовало убеждение, что ход поршня в паровом котле находится в полной зависимости от степени давления пара и может изменяться по длине. А раз так, то и размах балансира не будет постоянным. Если конец шатуна жестко соединен с балансиром, то при слишком длинном ходе поршня шатун упрётся в колено вала и сломается; а при коротком ходе головка шатуна вообще не перейдёт мертвой точки и вместе с обратным ходом поршня потащит за собой кривошип. Тогда машина не будет совершать вращательного движения: мотыль будет качаться вверх и вниз. Уатту пришла идея использования уже известного в быту механизма — ножного станка с шатуном и кривошипом. Точильный камень, токарный станок, прялка — детище безвестного изобретателя, давно решившего задачу преобразования качательного движения во вращательное. Уатту казалось: применить это приспособление к паровой машине так же просто, как нож, изобретённый для разрезания хлеба, пустить в ход, чтобы отрезать кусок сыра. Но идея Уатта оказалась в руках мелкого пуговичного фабриканта Джеймса Пиккарда и его компаньона Мэтью Уошборо, которые тут же получили патент на применение кривошипа к огневой машине. Но, мало того, в руках Уошборо оказался ещё и патент на маховое колесо — такое же беспризорное изобретение, как и кривошипный механизм. Не было секретом, что мысль о применении маховика к машине принадлежит ирландцу Фитцджеральду, но патент был в руках Уошборо, и никто не интересовался способом, как ловкий делец им овладел. Пиккард и Уошборо предложили Болтону и Уатту право использовать кривошип в обмен на предоставление им права безвозмездно строить Уаттовские машины. Болтон, как и Уатт, отчётливо представляли себе все последствия проделки Пиккарда и Уошборо. Без кривошипа в соединении с маховиком нельзя было осуществить машину непрерывного вращения. Отказавшись от услуг Пиккарда и Уошборо, Уатт предложил использование косого диска. 134

Рис. 2.22. Косой диск в машине Уатта

На вертикальный вал насаживался косой диск. На том же валу качается балка балансира передачи, имеющая по концам два свободно вращающихся ролика. Этот вспомогательный балансир соединён цепью с главным балансиром паровой машины. Когда под действием поршня конец главного балансира поднимается, он с силою тянет вспомогательный балансир. Ролик давит на косой диск и заставляет его поворачиваться. За один ход поршня косой диск должен совершить пол-оборота и занять положение, обратное показанному на рисунке. Хотя это и было лучшим из того, что придумал Уатт, он не закрывал глаза на сложность и громоздкость такого устройства. Оно не могло идти ни в какое сравнение с гениально простым кривошипом. В это время его помощник Уильям Мёрдок предложил Уатту более совершенный механизм. Уатт получил патент на эту передачу, но в истории техники она так и осталась называться солнечнопланетарной передачей Мёрдока — Уатта. 135

Уатт несколько доработал приспособление Мёрдока. Оно представляло следующее: одно зубчатое колесо b закреплено на валу маховика и вращается вместе с ним. Другое a неподвижно закреплено на конце шатуна c, соединённого с концом балансира; оно может обегать по зубьям первого колеса только вместе с шатуном. Два качания балансира — вверх и вниз — заставят зубчатое колесо на шатуне обойти вокруг колеса на валу.

Рис. 2.23. Солнечно-планетарная передача Мёрдока — Уатта

Уатт применил планетарную зубчатую передачу для соединения с одним концом балансира, а другой конец балансира соединил со штоком двигателя при помощи изобретённого им механизма, получившего название параллелограмма Уатта — плоский шарнирный механизм, часть звеньев (рычагов) которого образовывала параллелограмм. Параллелограмм Уатта Но при всех выгодах работы пара по обе стороны поршня нельзя избежать применения махового колеса. Двойное действие не обеспечивало достаточной плавности вращения вала. Кроме того, применение двойного действия поршня невозможно без внесения существенных изменений в конструкцию передачи от поршня к 136

балансиру. Применявшаяся раньше цепь передавала только растягивающее усилие опускающегося поршня. Теперь нужно передать балансиру и толкающее усилие при подъёме поршня. Цепь, очевидно, не годилась — соединение должно быть жёстким. Непосредственно соединить конец балансира с поршневым штоком тоже невозможно: конец балансира движется по дуге, а движения поршневого штока прямолинейны. Нужно было найти соединение этих разнородно движущихся частей. Идея механизма, названного изобретателем «параллелограмм», заключалась в следующем. На рисунке ВА изображает балансир с точкой качания в точке А. В машине выбирается вторая неподвижная точка вращения С; точка В соединяется с точкой С посредством тяг BD и CD, соединённых шарнирно в D. Концы прямой B и D описывают дуги кругов вокруг центров А и С; промежуточные точки прямой BD описывают сложные кривые. Уатт нашёл на прямой BD точку, описывающую при небольших отклонениях балансира от среднего положения линию, весьма мало отличающуюся от прямой. Эту точку Е можно соединить непосредственно со штоком или другой частью машины, долженствующей иметь прямолинейное движение. Точка с параллелограмма BHcF лежит на продолжении линии АЕ; эта точка с тоже будет описывать почти прямую линию и ею можно воспользоваться как прямолинейной направляющей. Точку С тоже можно соединить со штоком поршня, тогда точка Е освобождается для присоединения штока воздушного насоса. В других местах балансира можно присоединить ещё параллелограмм для направления всяких иных стержней, если это понадобится.

Рис. 2.24. Параллелограмм Джеймса Уатта 137

Простое на первый взгляд решение потребовало большого труда изобретателя. Знаменитый параллелограмм стал предметом позднейших исследований французского учёного М. Р. Прони и русского учёного П. Л. Чебышева и послужил материалом для его сочинения «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854). Сам Уатт высоко ценил это свое изобретение и писал позднее сыну: «. хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из изобретений, которые я сделал». Гениальное изобретение, как его справедливо называют, свидетельствующее о необыкновенно ясной геометрической интуиции Уатта, оказалось лишь временным, преходящим явлением. Впоследствии параллелограмм Уатта был заменён обычным кривошипно-шатунным механизмом. При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан. Для подачи пара в разные полости цилиндра изобретатель использовал автоматически действующее устройство — золотник; для уменьшения колебаний скорости вращения — маховое колесо, а для автоматического поддержания постоянства скорости вращения двигателя — центробежный регулятор. Мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре и более раз. Кроме того, сама машина стала легкоуправляемой. Автоматический регулятор Уатта Как только Уатт закончил параллелограмм, Мёрдок обратил внимание на то, что машина требует введения автоматического регулятора для управления подачей пара в рабочий цилиндр. Машина должна обладать равномерностью хода, не зависящей от ловкости и внимания машинистов. Эта работа Уатта закончилась созданием центробежного регулятора скорости. Действие центробежного регулятора скорости заключалось в следующем. 138

Ось О вращается, будучи соединена передачей с машиной. Она приводит во вращение шары Ш. Вследствие развивающейся при вращении центробежной силы шары получают стремление удалиться от оси вращения. Каждому числу оборотов соответствует определенное положение шаров, в котором центробежная сила уравновешивается их весом. С шарами соединена муфта регулятора М. Муфта свободно движется вдоль вертикального стержня и посредством системы рычагов соединяется с заслонкой З, находящейся внутри трубы, подводящей пар от котла к органам парораспределения. Нормальному числу оборотов машины соответствует определённое число оборотов регулятора, а следовательно, и определённое положение его шаров и заслонки З. При этом положении заслонки она пропускает как раз такое количество пара, какое нужно для преодоления машиной заданной нагрузки.

Рис. 2.25. Центробежный регулятор Уатта

Если нагрузка уменьшится, то скорость вращения машины, а с нею и оси О, повысится, шары Ш разойдутся, муфта М поднимется, и заслонка начнёт поворачиваться, перекрывая паропровод и препятствуя прохождению пара. Вследствие этого пар будет поступать в машину в меньшем количестве и с меньшим давлением, и она будет развивать меньшую мощность; число оборотов машины начнёт падать до тех пор, пока её мощность не придёт в соответствие с новой нагрузкой и не установится нормальное число оборотов. 139

При увеличении нагрузки машины действие регулятора будет обратным: он заставит заслонку З открываться и пропускать в машину больше пара. Таким образом, колебания числа оборотов не выходят из сравнительно узких пределов. Регулируя вес шаров Ш или их положение на рычагах, можно заранее с большой точностью задать машине желательное число оборотов. Того же можно достигнуть, регулируя угол заслонки З относительно присоединенного к ней поводка передачи. Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам. Усовершенствования Уатта паровой машины и создание им универсального двигателя позволили поднять давление пара в машинах двойного действия. Механический критерий мощности и давления Широкое применение паровых машин в крупной и мелкой промышленности привело к необходимости оценки мощности машины. Особенно мелкий предприниматель хотел в точности знать, что он получает. Однажды один пивовар спросил Уатта: — А сколько лошадей заменит мне небольшая машина? — Приблизительно три-четыре, — ответил Уатт. Тот недоверчиво покачал головой: — Когда я продаю пиво, то я не говорю, что в бочке приблизительно 20 галлонов. Она у меня вымерена с точностью до пинты. Я хочу знать, скольких лошадей я перестану кормить. Уатт понял, что пивовар прав. Изобретатель и сам уже не раз ощущал неудобство эмпирического определения мощности. Нужно было найти мерило для того, чтобы заранее при проектировании машины определять её мощность и иметь возможность с полной точностью характеризовать её при замерах. После многочисленных проработок он приходит к тому, что единицей измерения мощности его машин может служить лошадиная сила, приравненная им к работе в 33 000 фунто-футов в 1 мин. Фактически производить такую работу даже самая сильная лошадь могла лишь в течение короткого промежутка времени. 140

В 1882 г. по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение назвать единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники.

Рис. 2.26. Паровой двигатель Джеймса Уатта: А — паровой цилиндр; В — труба, подающая пар из котла к распределителю; С — дроссельная заслонка; D — паровой клапан; F — отводная труба; G — привод клапана; H — конденсатор; I — воздушный насос; K — привод воздушного насоса; L — питательный клапан; N — параллелограмм; O — противовес балансира; P — балка балансира; Q — шатун; R — привод питательного насоса; S — «солнечная зубчатка; T — «планетарная» зубчатка; U — маховое колесо; W — центробежный регулятор; X — бак для питательной воды.

Несколько позже Уатт выработал и единицу измерения давления пара. На основании своих работ он уже знал, в какой мере воз141

растает давление пара по мере повышения его температуры. Он предложил измерять это давление величиной, равной давлению 760 мм ртутного столба, т. е. нормальному атмосферному давлению. Как известно, атмосфера производит давление в 1 кг на 1 см2. Таким образом, обозначение «два», «три» и т. д. атмосфер вполне определяло давление пара, без каких бы то ни было дальнейших подсчётов. После всех проведённых улучшений машина Уатта представляла собой непрерывно действующий двигатель. Тот факт, что на базе машины Уатта стало возможно преобразование поступательного движения поршня во вращательное, и стал толчком к промышленной революции. Тепловой двигатель теперь мог крутить колесо мельницы или фабричного станка, освободив производство от водяных колёс на реках. Уже к 1800 г. фирма Уатта и его компаньона Болтона произвела 496 таких механизмов, из которых только 164 использовались как насосы. Ещё 308 нашли применение на мельницах и фабриках, а 24 обслуживали доменные печи. Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта, — писал К. Маркс, — обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает её не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности» (Маркс К. Капитал. Т. 1. 1955. С. 383–384). С введением в машину такого принципиального изменения, как вращательное движение, можно было твёрдо говорить об её универсальности. Теперь заказы приходили из таких отдалённых мест, как Америка, требовавшая двигатели для лесопильных заводов, или Вест-Индия (острова Карибского моря), желавшая испробовать их для размалывания сахарного тростника; поставщики уже не могли взять на себя, как прежде, налаживание машин на месте и надзор за ними из года в год. Машина сразу должна была быть изготовлена с точностью, чтобы работать без перебоев. Трудности в достижении безошибочной работы увеличивались не только из-за того, что конструкция делалась сложнее, но и от неизбежного увеличения скорости её движений. Нельзя было идти к увеличению мощности 142

двигателей только за счёт увеличения размеров цилиндра. Он и без того достиг уже огромных размеров. Например, в машине мощностью в 10 лошадиных сил диаметр цилиндра достигал 610 мм, а ход поршня 1830 мм. Нужно было искать выход в увеличении числа оборотов. В последних моделях вместо 18 ходов поршня в минуту было введено 25, но и это казалось недостаточным: покупатели требовали более мощных машин, способных приводить в движение большое количество станков, сосредоточенных в одном здании, или вращать такие тяжёлые агрегаты, как прокатные станы, камнедробилки и т. п.

Рис. 2.27. Многостаночная ткацкая фабрика

Завод Уатта и Болтона к 1800 г. построил свыше 250 паровых машин, а к 1826 г. в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью около 80 000 л. с. За редким исключением это были машины уаттовского типа. После 1784 г. Уатт занимался главным образом улучшением производства, а после 1800 г. и вовсе отошёл от дел. Ещё при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали 143

представителем многих обществ: Королевского в Эдинбурге, Философского в Роттердаме, Лунного в Бирмингеме — неофициальной организации для учёных британского Просвещения, также он был членом-корреспондентом Французской академии. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался. Уатт оказывал решительное сопротивление всему, что затрагивало его права. Даже больше — он всеми силами стремился пресечь попытки использовать модификации паровой машины в тех областях, куда ещё не дотянулись руки фирмы «Болтон и Уатт». Такова интересная история с локомотивом Мёрдока: как только Уатт узнал, что его талантливый помощник построил небольшой дорожный локомотив, он принял все меры к тому, чтобы овладеть изобретением и не дать ему дальнейшего хода. Не менее решительно повёл он наступление на своего любимца Ричарда Тревитика, как только тот пошёл по пути самостоятельного конструктора. Изобретение Тревитиком локомотива с двигателем, не подходящим под патентные рамки уаттовской привилегии, вызвало взрыв негодования Уатта. Всё, что было задумано и талантливо осуществлено Тревитиком, а за ним Буллем, Уатт пытается выставить как результат пользования опытом работы в фирме «Болтон и Уатт», может быть, даже просто как результат прямой кражи идеи. В некоторых случаях борьба с изобретателями-соперниками выходит у Джеймса даже за рамки разумного. Если в перипетиях с Хорнблоуэром, Тревитиком, Буллем и другими последовательная враждебность Уатта может быть объяснена борьбой за собственный карман, то в отношении Мёрдока, вернейшего и бескорыстнейшего сподвижника Уатта, его антагонизм принимает иногда необъяснимые формы. Чувствуя свою вину перед механиком, Уатт не любит, когда в присутствии Мёрдока слишком подробно расспрашивают об истории изобретения солнечно-планетарной передачи; если же разговор происходит в отсутствии Мёрдока, Уатт старается даже не называть его имени. Всё это, оставаясь на совести изобретателя, находит себе объяснения. Но как понять игнорирование Уаттом изобретённого Мёрдоком золотникового парораспределения и эксцентрика для привода парораспределения? Казалось бы, Уатту, как конструктору, должно было бы быть ясно преимущество этой системы перед клапанами, но, несмотря на это, 144

уже после изобретения Мёрдока мы видим на самых ответственных машинах обыкновенные тарельчатые клапаны. Английский инженер Джонатан Хорнблоуэр в 1781 г. запатентовал компаунд-машину, но не смог построить её из-за судебных тяжб с Джеймсом Уаттом (о характеристике его машины мы ещё узнаем в работе Сади Карно).

Рис. 2.28. Внешний вид машины Хорнблоуэра и её цилиндры двойного действия

При появлении первых сведений о патенте Хорнблоуэра Уатт обвинил его в краже своего изобретения. Разобравшись в конструкции хорнблоуэровской машины, он увидел, что нет никаких оснований обвинять Хорнблоуэра в простой краже изобретения. Изобретатель использовал расширение пара путём пропускания его последовательно через два рабочих цилиндра, т. е. пар, отработавший в одном цилиндре (меньшего объёма), он заставлял войти во второй (большего объёма) и работать вторично. Довольно быстро Уатт обнаружил ошибку Хорнблоуэра, приведшую к неуспеху его машины, — низкое давление пара. Но он понял, что сопернику 145

остался один только шаг, чтобы достигнуть значительного совершенства двигателя и выйти на путь его промышленного применения. Возникла опасность, что на пути улучшения последователи Уатта могут зайти очень далеко и его машина окажется отставшей, а, может быть, и просто побитой. А усовершенствование машины чужим умом, чужими руками означало бы потерю для него материальных выгод — широкое внедрение машины в промышленность уже не влекло бы за собой личного обогащения. Этот страх превращал всех идейных преемников — от простых контрафакторов до талантливейших совершенствователей — в опасных соперников, в конкурентов, врагов. Хорнблоуэр оказался в их числе. Возможно, что шансы Уатта на признание Хорнблоуэра контрафактором были бы невелики, если бы речь шла только о двухцилиндровом двигателе с последовательным использованием расширения пара. Вид машины был достаточно новым, чтобы судебные инстанции, при известном нажиме общественного мнения в пользу Хорнбдоуэра, признали его патентоспособность и отклонили претензии Уатта. Уатт не решался возбуждать дело, пока сам Хорнблоуэр не совершил тактической ошибки, применив конденсатор, расположенный вне цилиндра. Но иного пути у него не было. Уровень техники был таков, что высокое давление пара было ещё трудно применимо. Следовательно, было неизбежно использование конденсационного устройства. Без него нельзя было обойтись, и понятно, что Хорнблоуэр должен был к нему прибегнуть. Для Уатта же и его юристов это оказалось крючком, на который попался Хорнблоуэр. Кража изобретения была налицо. На основе паровых универсальных двигателей двойного действия вскоре стали появляться более компактные горизонтальные паровые машины Уатта. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно лёгкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни. 146

Рис. 2.29. Горизонтальный паровой двигатель

Таким образом, столетняя эволюция паровых машин позволила вплотную подойти к первому этапу создания двигателя внутреннего сгорания. Но первые образцы двигателей внутреннего сгорания сохранили атмосферный принцип работы, предложенный Папеном, и получили название атмосферных двигателей. Дальнейшее развитие паровых машин Уатта способствовало созданию машин высокого давления. Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности и, соответственно, существенно менее дорогие. Примером паровой машины высокого давления стала машина Артура Вульфа. Артур Вульф (Arthur Woolf; 1766–1837) — английский инженер, известный изобретением составного (компаундного) парового двигателя высокого давления. В 1803 г. Вульф получил патент на усовершенствованный котел для производства пара высокого давления. В 1804 г. он запатентовал своё самое известное изобретение — составной паровой двигатель — компаунд-машину. Стоит сказать, что до Вульфа, в 1781 г. компаунд-машину запатентовал английский инженер Джонатан Хорнблауэр, но не смог построить её из-за судебных тяжб с Джеймсом Уаттом.

Двигатель Вульфа имел последовательное соединение двух цилиндров: высокого и низкого давления. Цилиндры были располо147

жены вертикально, верхний (поменьше) высокого давления, нижний (побольше) низкого. С целью снижения потерь тепла они были заключены в деревянные рубашки.

Рис. 2.30. Компаундный двигатель Вульфа: HP — цилиндр высокого давления; LP — цилндр низкого давления; from Boiler — из парового котла; To condenser — в конденсатор.

Вульф был знаком с ранними работами Хорнблоуэра и его сложными системами построения двигателя. Также он был знаком с недавно разработанным двигателем высокого давления Тревитика. Вульф признавал, что даже с новым принципом выхлопа давление из двигателя Тревитика сопоставимо с давлением пара на входе в двигатель Уатта. Это послужило поводом соединить цилиндр вы148

сокого давления Тревитика с цилиндром Уатта более низкого давления. Для большинства примеров использования цилиндры были двойного действия, причём противоборствующие стороны высокого и низкого давления цилиндров были связаны друг с другом. Двигатели применялись на насосных станциях. Двигатели, построенные по принципу двигателя Вульфа, высоко оценили французские, немецкие, бельгийские и голландские инженеры. Тем не менее паровая машина даже после изобретения двигателя внутреннего сгорания долго использовалась на судах и железнодорожном транспорте. Универсальный — значит используемый во всех мыслимых областях производства и техники, но главное — не зависящий ни от наличия ветра, ни от наличия течения воды, ни от сил гравитации и множества других факторов. Универсальность — способность его применения в любых условиях и для любых целей. И первым показателем универсальности парового двигателя Уатта являются попытки его практического использования на земле, в воздухе и на воде: Terra — Air — Aqua.

2.2. Terra — Air — Aqua: попытки применения паровых машин Попыток применения энергии пара было много, пар пытались использовать в чистом виде для раскручивания турбин или как реактивную силу в реактивных машинах, в виде устройств для создания движущей силы и передачи её на механический привод. В приведённом списке показаны наиболее известные примеры использования пара в механическом приводе: — паровая телега Николя-Жозефа Кюньо; — паромобиль Уильяма Мёрдока; — паромобили и паровозы Ричарда Тревитика; — пароход «Клермонт» Роберта Фултона; — печатная машина с паровым приводом Фридриха Кёнига; — паровоз Джорджа Стефенсона; — паровой дирижабль Анри Жиффара; — паровой пулемет Чарльза Дикинсона. 149

Попытки применения паровых двигателей привели к дальнейшему совершенствованию не только паровых машин, но и других устройств получения движущей силы. Первый действующий макет самоходной тележки с паровым двигателем появился в Китае в 1678 г. Изготовил его в Пекине миссионер ордена иезуитов бельгиец Фердинанд Вербист, служивший астрономом при дворе императора Канси. Фердинанд Вербист (Ferdinand Verbiest; 1623–1688) — фламандский иезуит-миссионер и учёный, проповедовавший в Китае во времена династии Цин. Он родился в Питтеме, около Тилта, во Фландрии, части территории современной Бельгии. Изучал гуманитарные науки в Брюгге и Кортрейке. В дальнейшем поступил в Lelie Колледж в городе Лёвен, где в течение года изучал философию и математику. 2 сентября 1641 г. он вступил в Орден иезуитов. Продолжил изучение богословия в Севилье, где и был рукоположен в священники в 1655 г. Почти 30 лет (с 1659 по 1688 г.) бельгийский иезуит-миссионер Фердинанд Вербист служил в качестве физика и астронома у китайского императора Канг Хи. Государь позволил ему пользоваться великолепной дворцовой библиотекой. Из восточных трактатов миссионер узнал немало нового, причём в тех областях знания, которые, по его мнению, он постиг в совершенстве. Мало того, оказалось, что их авторы упоминали о достижениях европейцев в науке и технике снисходительно, как о чём-то простом и даже примитивном. В прекрасно оснащённых императорских мастерских Фербист обнаружил оборудование для проведения разнообразных опытов. Вербист умер в Пекине вскоре после получения раны от падения с лошади. Был единственным западным человеком в китайской истории, когда-либо удостоенным чести быть при императоре.

В 1678 г. Вербисту пришла в голову идея поставить паровую машину на четырёхколёсную тележку, а вырывающийся из котла 150

пар направить на колесо с лопатками. Это, как сказали бы сегодня, турбинное колесо изобретатель соединил через две шестерни со второй осью, на которую были насажены 2 ведущих колеса. Пар, поступавший под высоким давлением из нагретого котла, толкал турбинное колесо, его ось крутила ведущие колёса, тележка ехала и к тому же везла небольшой груз.

Рис. 2.31. Модель паровой тележки Фердинанда Вербиста

Чтобы «самобеглая тележка» могла поворачивать, сзади к ней через примитивный шарнир прикреплялось пятое колесо. Длина «автомобиля» Фербиста составляла лишь 60 см. Конечно, то была всего-навсего механическая игрушка, изготовленная миссионером для сына китайского императора. Тем не менее впервые маленькая паровая машина использовалась для привода колёс механического транспортного средства. Своё изобретение в области автомобилестроения Вербист описал в 1687 г. в труде «Европейская астрономия» (Astronomia Europea). Позднее, в 1687 г., появляется проект парового реактивного автомобиля Исаака Ньютона как демонстрация его третьего закона, гласящего: действие равно и противоположно противодействию. Однако, как отмечал сам Исаак Ньютон, реактивной силы не будет хватать для движения этого экипажа.

Рис. 2.32. Экипаж с паровым реактивным двигателем Исаака Ньютона (схема и модель) Исаак Ньютон (Isaac Newton; 1642–1727) — английский физик, математик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, теорию цвета и многие другие математические и физические теории. В 1699 г. Ньютон был избран членом Парижской академии наук, а в 1703 г. — президентом британского Королевского общества. Во время его президентства британское Королевское общество заняло почётное место в учёном мире, а среди его членов появились и иностранные учёные, такие как Дени Папен. Членом Королевского общества был и сподвижник Петра I Александр Данилович Меньшиков. 152

Ньютон скончался на 86-м году жизни. Надпись на могиле Ньютона гласит: «Здесь покоится сэр Исаак Ньютон, дворянин, который почти божественным разумом первый доказал с факелом математики движение планет, пути комет и приливы океанов. Он исследовал различие световых лучей и появляющиеся при этом различные свойства цветов, чего ранее никто не подозревал. Прилежный, мудрый и верный истолкователь природы, древности и Святого писания, он утверждал своей философией величие Всемогущего Бога, а нравом выражал евангельскую простоту. Пусть смертные радуются, что существовало такое украшение рода человеческого». На статуе, воздвигнутой Ньютону в 1755 г. в Тринити-колледже, высечены стихи из Лукреция: Разумом он превосходил род человеческий (Qui genus humanum ingenio superavit). Французский учёный Лагранж говорил: «Ньютон был счастливейшим из смертных, ибо существует только одна Вселенная, и Ньютон открыл её законы». Сам Ньютон оценивал свои достижения более скромно: «Не знаю, как меня воспринимает мир, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющем на морском берегу, который развлекается тем, что время от времени отыскивает камешек более пёстрый, чем другие, или красивую ракушку, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным».

Во Франции, где английский патент Уатта не имел силы, артиллерийский офицер Никола-Жозеф Кюньо в 1769 г. разработал и построил по заказу французского военного ведомства самодвижущийся экипаж для перевозки пушек, приводимый в действие от паросиловой установки. Никола-Жозеф Кюньо (Куньо) (Nicolas-Joseph Cugnot; 1725–1804) — французский инженер. По слухам, он — настоящий изобретатель автомобиля. Пока это оспаривается, так как некоторые учёные считают, что Фердинанд Вербист, член Иезуитской миссии в Китае, построил автомобиль раньше Кюньо — в 1678 г. Кюньо родился в Вуа-Вакон, Лотарингия (ныне департамент Мёз, Франция). Он был военным инженером, работал над созданием транспортных 153

средств, приводимых в движение паровым двигателем для французской армии. Первая такая машина начала работать в 1769 г. Кюньо был первым, кто использовал механический двигатель для приведения в движение самоходного транспортного средства (артиллерийского тягача).

Эта машина представляла собой трехколесную повозку с деревянной рамой. Силовой агрегат располагался в передней части машины. Состоял из парового котла примитивной конструкции (диаметр цилиндра 325 мм, а ход поршня 378 мм) и не менее примитивной паровой машины с передачей на переднее колесо. Автомобиль развивал скорость 4,4 км/ч, причём рабочий цикл парового котла был рассчитан всего лишь на 12 мин, после чего котёл нужно заново заправлять, разводить под ним огонь, ждать, пока образуется пар, после чего можно было ехать ещё 12 мин. Несмотря на крупные недостатки конструкции, военное ведомство заказало Кюньо ещё один экземпляр машины. В 1770 г. заказчику был представлен усовершенствованный автомобиль. Автомобиль хранится с 1800 г. в Музее искусств и ремёсел в Париже. На сегодня это самое старое сохранившееся механическое транспортное средство.

Рис. 2.33. Автомобиль Николя-Жозефа Кюньо из Музея искусств и ремёсел (Франция)

Это фактически первый полноразмерный паровой автомобиль массой 4,5 т с приводом на переднее управляемое колесо. Она была рассчитана на движение по прямой дороге без рельсов и имела ряд недостатков, но одно мощное преимущество — прочность. 154

В результате большого веса машина плохо слушалась руля и постоянно наезжала своим опасным котлом и кочегаркой на стены домов и ограды, что видно из старинного рисунка.

Рис. 2.34. Наезд паромобиля на стенку

Паровую машину обслуживал кочегар — по-французски «шофер». Отсюда и пошло название профессии водителя транспортного средства. Уильям Мёрдок практически до конца жизни работал на компанию «Болтон и Уатт» (Boulton & Watt), основателями которой были промышленник Мэттью Болтон и изобретатель универсального парового двигателя Джеймс Уатт. Уильям Мёрдок (William Murdoch; 1754–1839) — английский учёный и механик. До десяти лет он учился в местной церковной школе, а затем стал учеником в школе, где преподавал Уильям Холберт, автор известного учебника по арифметике. В школьные годы Мёрдок отлично успевал по математике, превосходно разбирался в механике и получил практический опыт работы с деревом и металлом, помогая отцу. Так, примерно в 1763 г. они вместе построили трёхколёсное средство передвижения, 155

которое приводилось в движение ручными рукоятками. Тогда же он заинтересовался химическими опытами, в основном с коксовым газом. В 1777 г. 23-летний Мёрдок преодолел около 480 км и прошёл часть пути пешком, чтобы попасть в Бирмингем (Birmingham) к производителю паровых машин Джеймсу Уатту, у которого молодой человек намеревался просить работу. Партнёр Уатта Мэттью Болтон был настолько впечатлён деревянной шляпой Мёрдока, которую тот выточил на токарном станке собственной конструкции, что нанял его — и не прогадал. Уже два года спустя он писал Уатту, что, по его мнению, Уильям Мёрдок — чрезвычайно ценный сотрудник, который заслуживает всяческого поощрения.

Сначала он был служащим, затем партнером, и поэтому большая часть его изобретений была скрыта от глаз общества — репутация Мёрдока-изобретателя затмевала репутация фирмы. Мёрдок изобрёл такое новшество, как паровой двигатель с качающимся цилиндром. Ему же приписывают изобретение газового освещения в начале 1790-х гг., однако Арчибальд Кохрейн, девятый граф Дандональд (Archibald Cochrane, Earl of Dundonald), уже в 1789 г. освещал при помощи газа своё родовое поместье. Мёрдок придумал ряд серьёзных усовершенствований к паровой машине, включая планетарный механизм и золотник. Кроме того, он создал паровое ружьё и пневматическую систему доставки сообщений, а также работал над первым британским пароходом, которому удалось пересечь Ла-Манш (English Channel). В 1784 г. Мёрдок построил прототип парового локомотива и сделал ряд важных с практической точки зрения открытий в химии. Он написал статью о применении коксового газа в экономических целях, которая была представлена на рассмотрение Королевского общества (Royal Society) в 1808 г. Его идеи произвели столь сильное впечатление, что изобретатель был награждён медалью «Rumford Gold Medal». В Великобритании установлено несколько памятников Мёрдоку, а город Редрут в июне празднует ежегодный День Мёрдока. Уильям Мёрдок тайком от Уатта построил в 1784 г. действующий небольшой паромобиль и испытывал эту «огнедышащую машину» по ночам, что привело к смерти от страха случайно встретившего этот паромобиль священника.

Рис. 2.35. Паромобиль Уильяма Мёрдока

Это был первый в истории случай гибели человека от автомобильного средства. Но он сыграл в дальнейшем одну из роковых ролей в истории развития автомобилизма в Великобритании. До середины XIX в. передовая Британия лидировала в разработках зарождающегося автомобильного транспорта. Владельцы железных дорог и конных экипажей видели в автомобилях угрозу своему существованию. И объединились в борьбе против потенциального конкурента. В 1861 г. они пролоббировали принятие закона, ограничивающего скорость движения «шоссейных локомотивов» до 10 миль/ч за городом и до 5 миль/ч в городе. В управлении машиной должно было быть как минимум два человека. Но этого им показалось мало, и в 1865 г. был принят «Закон красного флага». Закон ограничивал скорость движения автомобилей в городской черте до 2 миль/ч (примерно 3 км/ч). Кроме того, закон обязывал иметь в экипаже минимум трёх человек: водителя, кочегара и человека с красным флагом. Сигнальщик шёл впереди автомобиля на расстоянии 55 м и оповещал прохожих о приближающейся опасности, размахивая красным флагом. 157

Рис. 2.36. «Закон красного флага» 1865 г., Великобритания

Закон был продавлен в парламенте под самым благочестивым предлогом. Утверждалось, что автомобили разбивают дороги, пугают граждан и их лошадей. «Закон красного флага» фактически уничтожил зарождающуюся автомобильную промышленность в Великобритании, и вперёд вырвались конструкторы машин из Франции и Германии. Интересное в этой истории следующее. Изобретатель парового двигателя Джеймс Уатт, которому сам Бог, казалось, велел заниматься паровыми автомобилями, вдруг на старости лет стал ретроградом и, пользуясь своими патентными правами, начал запрещать строить паромобили. Уатт видел свою паровую машину прежде всего как промышленное изделие, но не как двигатель для транспортного средства. Уатт пытался даже провести через английский парламент закон о запрещении опасных паровых экипажей. Двигатели Джеймса Уатта работали на паре очень низкого давления, а потому были громоздкими. Ричард Тревитик смело увеличил давление пара в четыре-пять раз и создал двигатель значительно меньших размеров при той же мощности. Но какой шум, какие протесты поднялись против предложения Тревитика применять пар повышенного давления. Ведь это так опасно! И, пожалуй, громче всех возмущался Уатт. Он писал: «Только убийца, ни во что не 158

ставящий человеческую жизнь, может настаивать на применении пара в 7–8 атмосфер». Джеймс Уатт обвинял Ричарда Тревитика, планировавшего установить паровую машину на свою повозку, в краже идей фирмы «Болтон и Уатт». Но ему это не удалось. Ричард Тревитик (Richard Trevithick; 1771–1833) — английский изобретатель, инженер. Получил среднее образование в Камборне, познания в области паровой техники приобрёл самообразованием, что позволило ему занимать должность инженера в различных компаниях. Инициатор создания и применения стационарных паровых машин, работающих при высоких давлениях (получил патент на «машину высокого давления» в 1800 г.). Инженером он стал в основном работая над существовавшими тогда паровыми машинами, ремонтируя их, и вскоре накопил достаточно опыта и знаний для того, чтобы устроиться на работу инженером и консультантом на шахте со звонким названием «Ding Dong Mines». Там он начал строить паровые машины высокого давления, применив, в частности, котлы цилиндрической формы и избавившись от конденсора, который был неотъемлемой частью машины Уатта. Таким образом, Ричард очень хитроумно обошёл патентные запреты фирмы Boulton & Watt, которые та отстаивала особенно яростно, и не платил им отчислений. Дело дошло до того, что, говорят, однажды к нему пришёл человек с бумажкой, в которой ему было предписано прекратить подобные опыты. Тревитик — а он был для своего времени просто великаном, ростом под два метра и обладал недюжинной силой — для острастки подвесил его у себя в шахте за ноги на денёк. С тех пор компания Уатта его больше не донимала. Освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 г. строил модели паровых повозок, а в 1801 г. начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802–1803).

Усовершенствования в паровой машине Тревитика помогли значительно повысить её экономичность (что было важно в условиях Корнуолла, в котором было плохо с углём) и значительно сократить её вес и габариты. Впервые это означало возможность по159

строить аппарат, который мог бы передвигать себя сам. Учитывая, что в шахтах в то время для буксировки вагонеток с углём по рельсам использовались лошади, а по дорогам люди перемещались либо пешком, либо на каретах, мысль выглядела крайне заманчивой. На идею создания самодвижущейся повозки с паровым двигателем высокого давления его в свое время вдохновил Уильям Мёрдок, с которым Тревитик жил по соседству и который с радостью показал ему модель своей повозки, когда тот проявил к ней интерес. Результатом трудов Ричарда в этом направлении стало рождение дьявола — буквально — поскольку невиданную доселе машину, появившуюся в 1802 г. на улицах Камборна, недалеко от его родного города, так и окрестили — «Пыхтящий Дьявол».

Рис. 2.37. «Пыхтящий Дьявол», 1802 г.

Век аппарата, к сожалению, был недолог: возвращаясь с одного из испытаний, машина сломалась. Ричард с товарищами отбуксировали «Дьявола» под навес, а сами удалились обедать в ближайшую таверну, забыв погасить огонь в топке. Вскоре вода из котла выкипела, он перегрелся, и машина сгорела. Тревитика, впрочем, это не сильно огорчило, поскольку он считал, что виной всему именно человеческий фактор, а не сама машина. Вскоре на улицах Лондона появляется «Лондонская паровая карета» — весьма хитроумный аппарат в виде огромной, под стать 160

своему создателю, кареты с паровым двигателем, расположенным под ней. В 1803 г. совместно с Эндрю Вивианом он сконструировал этот 9-местный паровой дилижанс London Steam Carriage с ведущими колесами диаметром около 2,5 м. Это важная деталь, поскольку многие последователи Тревитика в качестве движителей предлагали «ноги» и прочие механические приспособления. Большие колёса были подспорьем на безобразных дорогах и принимали на себя немалую массу экипажа (подобная конструкция была у лондонских кэбов). Управляемое же колесо было разгружено. Паровая машина рабочим объёмом 11,7 л развивала мощность 3 л. с. при 50 об/мин и весила 300 кг. Для того времени подобная тяговооруженность считалась просто феноменальной.

Рис. 2.38. Лондонская паровая карета Тревитика, 1803 г.

Лондонская мастерская Фелтона построила этот дилижанс, и он начал ежедневно курсировать по Лондону. Маршрут длиной 10 миль проходил от Грейс Инн Лэйн до вокзала Пэддингтон и обратно — по Лордс Крикет Граунд, Алингтону и оживлённой Оксфорд-стрит. Дилижанс развивал сумасшедшую для того времени скорость — 15 км/ч! Этот паромобиль был хорошо встречен публикой и прессой, но, к сожалению, низкий уровень комфорта и высокие эксплуатацион161

ные расходы по сравнению с обычными конными экипажами стали серьёзными препятствиями для дальнейшего развития конструкции. Поэтому Ричард Тревитик переключился на совершенствование локомотивов. В 1801 г. построил первый в истории паровоз Puffing Devil.

Рис. 2.39. Паровоз Puffing Devil

Это был первый «двигатель высокого давления», построенный английским инженером и конструктором Ричардом Тревитиком. Характерной особенностью этой машины было то, что топка и дымовая труба располагалась внутри котла, это значительно ускоряло время закипания воды. Благодаря такой конструкции удалось уменьшить размеры машины и увеличить КПД. В 1802 г. Тревитик получил патент на паровой мотор собственной конструкции. На предприятии Coalbrookdale Company он изготовил стационарный двигатель, давление в бойлере которого достигало небывалой для того времени величины — 69 бар. Опытным путём доказав, что сила трения гладких колёс паровоза о гладкие рельсы совершенно достаточна для движения локомотива даже в том случае, если ему приходится тащить за собой состав груженых вагонов, он совершил революцию в транспортной индустрии. И в том же 1802 г. при поддержке компании Coalbrookdale и помощи Дж. Стила Тревитик начал строить первый 162

рельсовый локомотив Coalbrookdale (по названию компании) с паровой машиной высокого давления для владельца металлургического предприятия в Южном Уэльсе Самюэля Хомфри.

Рис. 2.40. Паровая машина Тревитика высокого давления 163

Рис. 2.41. Паровоз Coalbrookdale

И уже в феврале 1804 г. Тревитик проводит его первое испытание. Причём Хомфри поспорил, что его поезд способен везти 70 человек и 10 т руды 10 миль. Невероятно, но локомотив завершил эту поездку без капли воды в котле — давлением выбило одну из заклёпок и вся вода вылилась! Двигатель локомотива имел цилиндр диаметром 208 мм, ход поршня — 1372 мм, и за минуту он делал 40 ходов. Вот как это событие описывалось в одной английской газете: «Позавчера состоялось долго ожидавшееся испытание новоизобретённой паровой машины мистера Тревитика. Испытание превзошло, ко всеобщему изумлению, всё, что ожидали от него наиболее ярые сторонники. В данном случае… машина была употреблена для перевозки до 10 т полосового железа на расстояние свыше 9 миль; необходимо при этом отметить, что тяжесть груза быстро возросла с 10 до 15 т благодаря не менее 70 человек, взобравшимся на повозки. Подталкиваемые непобедимым любопытством, они жаждали прокатиться, пользуясь первым успехом талантов изобретателя… Машина совершила своё путешествие без пополнения котла водой и свободно передвигалась со скоростью 5 миль в час». 164

Рис. 2.42. Испытание паровоза Coalbrookdale

Пари было выиграно и доказало правильность расчётов Тревитика: большой вес локомотива сыграл ключевую роль и позволил ему развить достаточную тягу на «скользкой» дороге. Чугунные рельсы не выдерживали огромного веса машины и быстро приходили в негодность, раскалываясь. В конце концов, однажды паровоз сошёл с рельсов, был отбуксирован обратно на завод и вернулся к прежней работе в качестве стационарной машины, а дорога вернулась обратно к конной тяге. В 1808 г. Тревитик построил паровоз более совершенной конструкции, развивавший скорость до 30 км/ч; демонстрировал его в предместье Лондона. Паровоз получил название «Catch Me Who Can» («Поймай меня, кто сможет»). В целях пропаганды паровоза Тревитик построил за свой счёт кольцевую дорогу на окраине города и окружил её высоким забором, где «Поймай…» соревновался в скорости с лошадьми и перевозил людей ради развлечения. Желающие посмотреть на необычную машину и прокатиться на ней могли купить входной билет. 165

Рис. 2.43. Кольцевая дорога-аттракцион для демонстрации и паровоз «Catch Me Who Can»

Тревитик думал таким способом привлечь внимание фабрикантов и спонсоров. Но затея эта кончилась полным провалом. Серьезно паровозом никто не заинтересовался. К тому же однажды лопнул чугунный рельс, машина опрокинулась и получила сильные повреждения. Тревитик чинить её не стал — занялся другими изобретениями: продолжал придумывать экипажи, суда, тракто166

ры — всё на паре. К тому же, после прошедших испытаний, Ричард был обвинён в краже интеллектуальной собственности. Обвинил его в плагиате тот самый Джеймс Уатт. Не имея поддержки, Тревитик разорился (1811) и в 1816 г. уехал в Южную Америку. Без гроша в кармане, в 1827 г. Тревитик возвращается домой и, учитывая свой прошлый опыт, пытается получить грант от Парламента на строительство новых машин, но безуспешно, поэтому Ричард действует самостоятельно. Так, ему удаётся приспособить свой вариант реактивной паровой машины в качестве силовой установки для корабля, который в то время строился в Датфорде. В эти же годы Тревитик изготовил своеобразный переносной отопитель: маленький паровой котёл, который можно было топить снаружи, разогрев в нём воду, а потом закатить обратно в дом и регулировать тепло с помощью жалюзи. К сожалению, вскоре Тревитик заболел воспалением лёгких, слёг в постель в гостинице, где и жил последнее время и спустя неделю, 22 апреля 1833 г., скончался в полном одиночестве и нищете. Знакомые инженера с того самого завода, на котором строился корабль, собрали деньги на похороны Тревитика и пронесли его гроб на кладбище. Он дожил до того времени, когда паровые экипажи, омнибусы — потомки его «дракона» — десятками курсировали по Лондону, а по железным дорогам уже ходили поезда. Так бесславно закончилась жизнь талантливого инженерасамоучки, первопроходца, который развил идею паровой машины высокого давления и локомотива до уровня, на котором она была подхвачена другими изобретателями и успешно воплощена в жизнь. Один из поездов английского изобретателя можно сегодня увидеть в экспозиции центрального вокзала в городе Телфорд. За долгие годы работы над конструкцией парового двигателя Ричард получил множество патентов. Его двигатели работали на шахтах в Великобритании, Перу, Коста-Рике и Южной Африке. В 1829 г. паровики стали самым быстрым транспортом для пассажиров — скорость вместительных омнибусов достигала 24 км/ч. В 1834 г. паровой омнибус Мачерони и Сквайра показал рекордную для тех лет надёжность — 2740 км без какого-либо ре167

монта. Серьёзной преградой развитию паромобилей стали лошади, которые пугались при виде грохочущего и извергающего пары экипажа и становились неуправляемыми. Но против паровиков ополчились процветавшие до сей поры конные компании и владельцы дорог (не каждая мостовая выдерживала паровой экипаж с тяжёлым котлом). В 1865 г. был принят так называемый Закон о красном флаге, согласно которому перед каждым самоходным экипажем не ближе 55 метров должен был идти человек, предупреждавший о возможной опасности. Претерпевшие многочисленные усовершенствования паромобили применялись вплоть до 1910-х гг. и оказывали серьёзную конкуренцию автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Интересный факт: когда локомотив Тревитика испытывали в 1804 г. на рельсах для шахтных вагонеток в горняцком поселке Вилам под Ньюкаслом, на это диво среди прочих пришёл посмотреть малограмотный шахтёр Джордж Стефенсон. Зрелище так потрясло его, что он загорелся мечтой построить большой паровоз, и в 1814 г. добился своего, действительно став создателем британского железнодорожного транспорта. Помимо мысли о создании паровозов, людям очень давно приходила на ум идея о создании самодвижущегося корабля, который мог бы плыть против ветра и течений. Особенно остро нужда в таких судах ощущалась при подъёме вверх по реке. Идти под парусом, следуя извилистому руслу со сложным фарватером, часто было невозможно, двигаться на веслах против течения — тяжело. Для подъёма грузов приходилось нанимать бурлаков, но те исполняли эту работу очень медленно. Уже в средневековье некоторые механики предлагали использовать для движения корабля водяное колесо, которое приводилось бы в действие людьми или животными (описание такого движителя дано в одной древней рукописи приблизительно в 527 г.). Реальная возможность построить быстроходное самодвижущиеся судно с большой грузоподъёмностью появилась только после изобретения парового двигателя. Создателем одного из первого пароходов является Роберт Фултон. Хотя сам Фултон неоднократно подчеркивал, что идея парохода принадлежит не ему, именно он впервые удачно воплотил её в жизнь, и с его легкой руки пароходство начало бурно развиваться сначала в Америке, а потом и во всём мире. 168

Роберт Фултон (Robert Fulton; 1765– 1815) — американский инженер и изобретатель, создатель одного из первых пароходов и проекта одной из первых подводных лодок. Роберт Фултон родился 14 ноября 1765 г. в городке Литтл-Бритн (Little Britain) графства Ланкастер, штат Пенсильвания, США. Его отец был ирландцем, а мать — родом из Шотландии, они занимались фермерством. Когда ребёнку было всего три года, отец умер, и мать с детьми переехала в Ланкастер, продав ферму. В школе юный Роберт не блистал успехами, предпочитая проводить свободное время в местных оружейных мастерских, занимаясь рисованием, черчением и изготовлением фейерверков. В возрасте 12 лет Роберт увлёкся паровыми двигателями, а уже в 14 лет успешно испытал свою лодку, оснащённую колёсным движителем на ручном приводе. Семнадцатилетнего Роберта мать отвезла в Филадельфию и отдала в ученики ювелиру. Напряжённо работая и продолжая рисовать, Фултон подорвал здоровье. Друзья посоветовали ему ехать за границу. Правда, место для восстановления сил он выбрал странное — Лондон, с его сыростью, туманами и фабричным дымом. Здесь Фултон забросил рисование и сосредоточился на изобретательстве. Проектировал каналы, шлюзы, водоводы и разные машины — для распилки мрамора, прядения льна, скручивания верёвок. А потом вернулся к старому увлечению — применению пара в судоходстве. Ни правительство Англии, ни богатые люди не желали давать денег на его проект, и в 1797 г. Фултон переехал во Францию. Здесь он экспериментировал с торпедами, а в 1800 г. представил Наполеону практическую модель подводной лодки «Наутилус». Оценив изобретение, французское правительство выделило деньги на постройку лодки из листовой меди и даже обещало платить Фултону за каждый потопленный вражеский корабль. Но английские суда ловко увёртывались от медлительного «Наутилуса». К тому же французский морской министр не присвоил членам его экипажа воинские звания, а без этого англичане, случись им захватить лодку в плен, повесили бы всех как пиратов. Поэтому «Наутилус» проплавал недолго. Тем не менее в июле 1804 г. Наполеон пишет своему министру внутренних дел: «Ознакомился с проектом гражданина Фултона. Думаю, что он способен изменить облик всего мира. Здесь я усматриваю великую правду физики». 169

В 1801 г. американским послом во Франции стал судья Роберт Ливингстон. Он мечтал организовать в Америке пароходное сообщение на реке Гудзон. Встретив в Париже Фултона, Ливингстон стал помогать ему в постройке пароходов. Фултон начал эксперименты с паровыми двигателями и в 1803 г. испытал на реке Сене паровое судно, развивавшее против течения скорость в 3 узла. Но ни один из построенных пароходов так и не достиг скорости свыше 4 узлов (примерно 7 км/ч). Более того, академик Французской академии наук Латобре — правительство Франции привлекло его в качестве эксперта — заявил: «Пар имеет двигательную силу, но столь слабую, что едва ли сможет двигать и детскую игрушку». А Наполеон Бонапарт, только что ставший французским императором, пришёл к выводу, что «корабли без парусов — нелепость» и что «место пара на кухне, в кастрюле под крышкой». Денег на постройку парового судна во Франции Фултону, соответственно, не дали. В мае 1804 г. Роберт Фултон приехал в Англию и заказал фирме «Болтон и Уатт» новый усовершенствованный паровой двигатель. Между тем Ливингстон, у которого появился конкурент, торопил Фултона вернуться в США. Адвокат Джон Стивене (кстати, родственник Ливингстона) только что пустил по Гудзону тихоходный пароход с двумя гребными колёсами и готовился перехватить у Ливингстона лицензию на пароходное сообщение между Нью-Йорком и находящимся от него в 136 милях (219 км) к северу городом Олбани на западном берегу реки Гудзон. Фултон вернулся в Нью-Йорк. Туда же в 1806 г. доставили из Англии заказанный им двигатель Уатта, и изобретатель занялся постройкой нового, более мощного парового судна. Весной 1807 г. он спустил на воду «Пароход Северной реки» («North River Steamboat»). Это было сооружение длиной 40 м, шириной 5 м, водоизмещением 100 т и мощностью 20 л. с. (14,7 кВт). В августе того же года пароход совершил первый рейс по Гудзону от НьюЙорка до Олбани, открыв на этом участке постоянное водное сообщение.

Рис. 2.44. Паровой двигатель фирмы «Болтон и Уатт» с гребными колесами

Расстояние между городами пароход покрывал за 32 ч против течения, возвращение в Нью-Йорк по течению занимало 30 ч. Обычно первый пароход Фултона называют «Клермонт». На самом деле Клермонт — название усадьбы Ливингстона на реке Гудзон, в 177 км от Нью-Йорка. Пароход останавливался около неё во время первого плавания.

Рис. 2.45. «Клермонт» Роберта Фултона 171

Фултон запатентовал свой пароход 11 февраля 1809 г. Позже он заложил ещё несколько колёсных судов, в том числе 20-пушечный «Демологос» («Глас народа»), который впоследствии участвовал в войне против англичан.

Рис. 2.46. «Демологос» Роберта Фултона

Роберт Фултон не дожил до окончания постройки «Демологоса» Он скончался в 1815 г. и был похоронен в Нью-Йорке. В его честь названы родной городок Фултона в Пенсильвании и два графства — в штатах Нью-Йорк и Огайо. После первых работ Тревитика первый практически используемый паровоз был построен в Англии Джорджем Стефенсоном. По проектам Стефенсона стали строиться паровозы и в других странах. Он принадлежал к тем счастливым изобретателям, кому довелось при жизни увидеть воплощёнными свои замыслы. Джордж Стефенсон (George Stephenson; 1781–1848) — английский изобретатель, инженер-механик. Всемирную известность приобрёл благодаря изобретённому им паровозу. Считается одним из «отцов» железных дорог. Выбранная им ширина колеи рельсового пути, равная 1435 мм (4 фута 8,5 дюймов, так называемая стефенсоновская, или нормальная, 172

колея), стала самой распространённой в Западной Европе и до сих пор является стандартом на железных дорогах многих стран мира. Джордж Стефенсон родился в Уилэме в семье шахтёра. С 8 лет работал по найму. Всё детство Стефенсона прошло у построенной в 1748 г. от Уилэма до реки Тайн деревянной колейной дороги длиной несколько миль. Она использовалась для вывоза угля с шахты на вагонетках с конной тягой и фактически была прародительницей современных железных дорог. В 18 лет научился читать и писать и путём упорного самообразования приобрёл специальность механика по паровым машинам. В 1802 г. Стефенсон устроился на работу машинистом угольной шахты. В течение следующих десяти лет Джордж занимался изучением паровых двигателей. В 1812 г. перестал заниматься только обслуживанием паровых машин и приступил к самостоятельному их проектированию. В возрасте 31 года его назначили главным механиком угольных копей. Здесь Стефенсон в 1815 г. разработал рудничную лампу оригинальной конструкции, получившую название «Лампа Джорди».

Чтобы облегчить вывоз угля на поверхность, он сначала построил паровую машину, которая с помощью каната тянула вагонетки. А в 1814 г. Стефенсон спроектировал свой первый локомотив, предназначенный для буксировки вагонеток с углём для рудничной рельсовой дороги. Это был первый в мире удачный опыт постройки локомотива, использующего для создания тягового усилия силу трения между гладкими колёсами с ребордами и гладкими металлическими рельсами. Он мог вести состав общим весом до 30 т. Машина получила название «Блюхер» в честь прусского генерала Гебхарда Леберехта фон Блюхера (Gebhard Leberecht von Blücher), прославившегося своей победой в битве с Наполеоном при Ватерлоо. Строительство паровозов стало главным делом его жизни. В следующие пять лет Стефенсон построил ещё 16 машин. 173

Опыты Стефенсона получили признание, и в 1820 г. его привлекли к проектированию и строительству 13-километровой железнодорожной линии от угольной шахты Хэттон до Сандерлэнда. На ней использовалась комбинированная тяга: в одном направлении (вниз) состав двигался под действием сил гравитации, а обратно (наверх) затягивался с помощью парового локомотива. Эта дорога стала первой, на которой удалось полностью отказаться от мускульной силы животных в пользу механической тяги. В 1821 г. началось проектирование железной дороги Стоктон — Дарлингтон. Первоначальным проектом предусматривалось использование конной тяги для передвижения телег с углём по металлическим рельсам. После консультации со Стефенсоном директор компании Эдвард Пис (Edward Pease) согласился изменить планы и перейти на паровую тягу. В 1822 г. Стефенсон приступил к работе. В 1823 г. он основал в Ньюкасле первый в мире паровозостроительный завод, на котором уже в сентябре 1825 г. был готов новый локомотив, получивший название «Эктив», а впоследствии переименованный в «Локомоушн № 1». Открытие линии состоялось 27 сентября 1825 г. «Локомоушн», управляемый самим Стефенсоном, провёл состав, нагруженный 80 т угля и муки. 15 километров поезд преодолел примерно за два часа, показав среднюю скорость порядка 7,5 км/ч, но на некоторых участках он разгонялся до 39 км/ч. Помимо груза в составе поезда был открытый пассажирский вагон, в котором ехали члены приёмочной комиссии. Это был первый в мировой практике случай использования железной дороги с паровой тягой для перевозки пассажиров. Стефенсон убедился в том, что малейшие подъёмы существенно снижают скорость движения локомотива, а на уклонах примитивные тормоза становятся неэффективны. Исходя из этих наблюдений, Стефенсон пришёл к выводу, что в будущем на новых железных дорогах следует избегать больших неровностей рельефа. При проектировании линий Болтон — Лей (Bolton and Leigh Railway) и Ливерпуль — Манчестер (Liverpool and Manchester Railway — L&MR) Стефенсоном были решены сложные задачи железнодорожной техники: заложены несколько сложных выемок, насыпей, мостов и виадуков, призванных сгладить продольный 174

профиль пути, применены железные рельсы на каменных опорах, способствующие увеличению скорости движения паровоза. В 1829 г., когда строительство L&MR уже близилось к завершению, решено было провести сравнительные испытания нескольких локомотивов от пяти разных поставщиков, с тем чтобы выбрать наилучший. Стефенсон выставил на конкурс свой паровоз «Ракета».

Рис. 2.47. Паровоз «Ракета» и подлинник паровоза в Музее науки, Лондон 175

Паровоз Стефенсона оказался единственным, успешно завершившим все испытания. Он показал среднюю скорость 12 миль в час (~19 км/ч) с грузом 13 т. При этом максимальная скорость достигала 30 миль в час (~48 км/ч). Блистательная победа стефенсоновской «Ракеты» сделала её, пожалуй, самым знаменитым механизмом в истории техники. 15 сентября 1830 г. церемония открытия железной дороги Ливерпуль — Манчестер стала очень важным событием государственного масштаба. На ней присутствовали многие члены правительства, включая премьер-министра герцога Веллингтона. Праздник был омрачён трагической гибелью члена Парламента от Ливерпуля Уильяма Хаскиссона. Желая переговорить со стоящим по другую сторону пути Веллингтоном, Хаскиссон попытался перебежать пути, не обращая внимания на приближение поезда, был сбит стефенсоновской «Ракетой» и скончался по дороге в больницу, став первым в мире человеком, попавшим под паровоз. Тем не менее новая железная дорога в целом была воспринята общественностью положительно. В 1836 г. Стефенсон организовал в Лондоне проектную контору, ставшую научно-техническим центром железнодорожного строительства. В 1847 г. Стефенсон стал первым президентом Института инженеров-механиков (Institution of Mechanical Engineers — IMechE). К этому времени он практически отошёл от дел, курируя лишь строительство тоннелей железной дороги North Midland Railway и горную промышленность в Дербишире. Открыв неразработанные угольные пласты, Стефенсон вложил большую часть своих средств в их освоение. Стефенсон умер 12 августа 1848 г. Ещё в начале XVII в. возникла идея применения печатного цилиндра для облегчения ручного труда печатника, практическое воплощение она получила лишь тогда, когда немецкий печатник и изобретатель Фридрих Кёниг изготовил первую механическую печатную машину с цилиндром, приводившимся в действие паром. Тем самым он минимизировал затраты ручного труда на печатном производстве и положил начало процессу увеличения доступности газет для массовой аудитории и распространению грамотности. Ещё в 1794 г. Кёниг сделал первое усовершенствование, создав модель печатной машины с непрерывным, при помощи зубчатых колес, подниманием и опусканием пиана (пресса). 176

Прошло много лет, прежде чем ему удалось применить свое изобретение на практике. Все хозяева немецких типографий, к которым Кёниг обращался за поддержкой, отвечали ему отказом. В 1806 г. он перебрался в Лондон, и только здесь на его изобретение обратили внимание. В 1807 г. три лондонских типографии дали Кёнигу деньги на постройку печатающей машины. В 1810 г., при помощи магистра математики Андрея Бауэра, Кёниг собрал скоропечатный станок, который за счет различных улучшений в конструкции мог производить до 400 оттисков в час. Этого было недостаточно. Нужна была принципиально новая схема, которая позволила бы полностью или почти полностью исключить ручной труд. Фридрих Кёниг (Friedrich Kеnig; 1774–1833) — немецкий изобретатель первой плоскопечатной ротационной машины. Родился в Эйслебе в семье преуспевающего респектабельного фермера в Южной Саксонии. Он получил хорошее образование в городской гимназии, затем прослушал курс лекций в Лейпцигском университете. В пятнадцать лет он поступил учеником в типографию, и с этого времени вся его жизнь была связана с печатным делом. Изобрёл печатную машину, которая была построена по тому же принципу, что и ручной печатный станок Гуттенберга, изобретателя первого книгопечатного станка, с тигельным линейным устройством. В 1810 г. получил патент на плоскопечатную машину с печатным цилиндром, прижимающим бумагу к форме. Первый экземпляр этой машины был установлен в 1814 г. в типографии газеты «Таймс» и давал до 800 оттисков в час (против 150 на ручном станке и 400 — на тигельной машине). В 1814 г. создал печатную машину двойного формата и затем двухоборотную и двустороннюю печатные машины. В 1817 г. оставил Англию и в Вюрцбург вместе с Ф.А. Бауэром положил основание фирмы «Кениг и Бауэр». Умер в Оберцелле, близ Вюрцбурга 17 января 1833 г. В 1891 г. Кёнигу в Эйслебене поставлен памятник. 177

В старом станке процесс печатания происходил при помощи ряда плоских досок, на плоский талер ставился набор при помощи плоского декеля, к набору, намазанному краской, прижимался плоским пианом лист бумаги. Особенно много времени уходило на намазывание набора краской — его постоянно приходилось выдвигать из-под пресса и снова задвигать на место. Сначала Кёниг попытался ускорить эту операцию за счет того, что краска на набор стала наноситься с помощью специального покрасочного валика. Возможно, отталкиваясь от этой идеи, он решил и пресс сделать не плоским, а цилиндрическим, в виде барабана. В этом состояла самая важная находка Кёнига. В 1811 г. он создал первую скоропечатную машину цилиндрического типа, в которой лист бумаги, будучи положенным на цилиндр (барабан), прокатывался этим цилиндром по укреплённой на талере форме с набором, принимающим краску с вращающегося валика. Из прежних плоских досок в новой конструкции остался только талер, на который ставился набор, плотно заключенный в металлическую раму. Замена плоских поверхностей вращающимися цилиндрами позволила сразу в несколько раз увеличить производительность станка. В 1810 г. Кёниг изготовил первую машину и получил патент на нее (10 марта 1810 г.). Машина Фридриха Кёнига была для своего времени настоящим шедевром инженерной мысли, тем более удивительным, что почти все операции она производила автоматически. При вращении главного колеса приходил в действие сложный механизм из целой системы зубчатых колес и зубчатых передач, двигавший в нужном направлении и в нужные моменты все работающие части машины. Основными ее узлами были покрасочный аппарат и печатающий барабан. Между ними взад и вперёд двигалась тележка-талер с набором. Приняв краску от красочного аппарата, талер задвигался под печатающий барабан, который прокатывал по нему лист бумаги. Таким образом, в общих чертах происходил процесс печатания. Роль печатающего барабана заключалась в том, чтобы захватить лист чистой бумаги и прокатать его по набору. На его поверхности располагались специальные захватки, которые поднимались и опускались в зависимости от положения барабана. В то время, 178

когда талер с печатной формой находился под красочными валиками, печатающий барабан оставался неподвижен, и захватки его были подняты. Накладчик, стоявший на высокой скамейке, брал лист бумаги из запаса, лежащего от него по правую руку, и клал ее на косую плоскость довольно близко к цилиндру, чтобы бумага могла быть взята захватками. При движении талера назад барабан начинал вращаться. Тогда захватки наподобие пальцев накладывались на лист и увлекали его за собой. Лист бумаги обволакивал барабан и крепко прилегал к нему, прижимаемый тесемками, которые приходились на поля. Во время движения цилиндра особые иглы (графейки) прокалывали лист посередине, удерживая его от перекоса. При своем круговращении барабан проводил лист над набором, прижимая его. После того как лист принимал краску, зажимы поднимались, а тесемки переводили бумагу на другой прибор — «ракет» (приемник), представлявший из себя ряд длинных плоских пальцев; эти пальцы, после перехода на них печатного листа, поднимались и опрокидывали его на стол, где листы ложились друг на друга печатью вверх.

Рис. 2.48. Печатная машина с паровым приводом (1811)

После того как все листы получали оттиски на одной стороне, их вновь пропускали через машину и печатали на обороте. Изобретение Кёнига заинтересовало прежде всего владельцев крупных газет. В 1814 г. Кёниг собрал для типографии «Таймс» две цилиндрические машины, которые печатали со скоростью 1000 оттисков в час. По свидетельству «Times» от 3 декабря 1824 г., его 179

машина сначала печатала 1100 листов в час, но после ряда счастливых изменений по плану Кёнига стала печатать 2000 листов. Затем Фридрих Кёниг изобрёл машину с двумя цилиндрами, печатавшую одновременно с двух сторон листа. Заказы на неё стали поступать из разных стран.

Рис. 2.49. Ротационная печатная машина с паровым приводом

Разбогатев, Кёниг в 1817 г. вернулся в Германию в Вюрцбурге основал фирму «Кёниг и Бауэр» по производству типографских машин. До своей кончины (в 1833 г.) он успел наладить производство печатных машин, печатающих двумя красками. Компаньон Кёнига Бауэр ещё более усовершенствовал его изобретение. Очень скоро появились машины, в которых роль рабочего-накладчика была вовсе устранена, и бумага подавалась на цилиндры пневматическим аппаратом, который присасывал к себе край листа. Приводимый в действие энергией пара дирижабль появился в результате увлечения паровозного машиниста Анри Жиффара воздухоплаванием. Воздушный шар всегда летел по воле ветра, и будущему изобретателю это не нравилось. Тогда он решил, что если на шар поставить мощную паровую машину с воздушным винтом, то можно будет лететь в любом направлении. Так и появился первый дирижабль, движением которого мог управлять человек. 180

Анри Жиффар (Henri Giffard; 1825– 1882), урождённый Анри-Жак Жиффар (Henry-Jacques Giffard) — французский изобретатель. Создал первый в мире дирижабль с паровым двигателем. Изобрёл струйный инжектор для паровых котлов. 15 апреля 1882 г. Анри Жиффар, вследствие болезни полностью потерявший зрение, покончил с собой, отравившись хлороформом. В 1852 г. Анри Жиффар построил аэростат сигаровидной формы, длиной 44 м и диаметром 12 м, вмещавший 2500 м3 газа и снабжённый воздушным винтом, который приводился во вращение паровой машиной мощностью в 3 л. с. (2,2 кВт). Масса самой машины составляла 50 кг, а вместе с котлом — 150 кг, таким образом, удельная масса двигателя составляла 50 кг/л. с., или 68 кг/кВт. Для придания аппарату устойчивости и управления его курсом был предусмотрен особый руль-парус. На приведенных рисунках внизу виден дым — выхлопная труба парового двигателя выходила вниз, чтобы не повредить оболочку дирижабля.

Рис. 2.50. Дирижабль Жиффара 181

На этом управляемом аэростате (дирижабле) Жиффар поднялся 24 сентября 1852 г. с парижского ипподрома. Довольно сильный ветер, по его собственным словам, препятствовал поступательному движению аэростата (так как располагаемой мощности машины не хватало для его преодоления), но ему удалось выполнить повороты и боковые движения с помощью винта и руля. Затем изобретатель поднялся на своём аппарате на высоту около 1800 м, где смог передвигаться горизонтально и благополучно спустился на землю вблизи г. Трапп (Trappes). Таким образом, Анри Жиффар стал первым в истории человеком, которому удалось совершить полёт на аэростате с помощью парового двигателя. В 1855 г. Анри Жиффар, совместно с Г. Ионом, предпринял полёт на построенном им новом дирижабле, снабжённом более мощным двигателем (также паровым), ёмкостью 3700 м3 при длине 70 м и наибольшем поперечнике 10 м. Во время полёта оболочка дирижабля из-за конструктивных недостатков начала выскальзывать из сетки, к которой была прикреплена гондола, воздухоплавателям удалось опуститься на землю до того, как оболочка окончательно отделилась. Жиффар приступил к разработке проекта дирижабля ёмкостью в 220 000 м2 при длине 600 м. Его скорость, по расчётам автора, должна была составлять до 72 км/ч. Паровая машина должна была питаться от двух котлов, топливом для одного из которых служил керосин, а для другого — газ из оболочки дирижабля. В процессе работы над двигателем для нового дирижабля Анри Жиффар изобрёл паровой инжектор, получивший впоследствии широкое распространение в промышленности. Благодаря этому изобретению Жиффар смог заработать значительное состояние. Обстоятельства (потеря зрения в результате болезни) воспрепятствовали реализации проекта громадного дирижабля. Созданный по проекту Чарльза Дикинсона в Балтиморе пулемет вошел в историю как «пулемет Вайнанса» — по имени производителя. Пулемет стрелял стальной дробью и мог поворачиваться горизонтально. Активно сочувствовавший Конфедерации Вайнанс передал оружие в помощь армии Юга, но вскоре пулемет был захвачен противниками. Хотя батарея и была на конской тяге, она была вооружена своеобразной, приводимой в действие паром механиче182

ской пушкой, которая могла выстреливать чугунными шарами из загрузочной воронки. Эта воронка имела вид конусообразного канала, по которому шары скатывались в чашеобразное приспособление на колесе, вращавшемся с бешеной скоростью, и шары выбрасывались, как бейсбольные мячи. Эта часть механизма, так же, как и управляющий ими человек, была защищена броневым листом.

Рис. 2.51. Паровой пулемет Чарльза Дикинсона, 1861 г.

В 2007 г. ведущие программы Mythbusters попытались по патенту Дикинсона построить копию пушки — естественно, в упрощённом виде, с водонагревателями вместо паровой машины и без «шасси» на конной тяге. В итоге вращающийся на скорости 2000 об/мин ствол действительно обеспечил хорошую скорострельность (5 снарядов в секунду) и приемлемую дальность (650 м), но с убойностью и меткостью дело оказалось плохо. Мало того что снаряды норовили разлететься кто в лес, кто по дрова — из-за маленькой начальной скорости они могли разве что причинить человеку травму, но не убить. 183

Глава 3 Атмосферные двигатели Этап развития мотора в виде атмосферных машин не имел столь продолжительного срока развития, как паровые машины. Рождённые по своей природе из конструкции паровой машины с использованием принципов, заложенных Гюйгенсом и Папеном, а впоследствии развитые в горизонтальные паровые машины, эти виды работоспособного мотора не могли уже изначально существовать в своём изначальном облике в течение целого столетия. Всё было готово к созданию работоспособного мотора — двигателя внутреннего сгорания. Применение вместо водяного пара природного газа стимулировало изобретателей использовать уже существующую конструкцию паровых машин в качестве универсального двигателя, в которых уже были созданы все узлы будущего двигателя: был создан цилиндро-поршневой механизм восприятия давления газов сгоревшего топлива; кривошипно-шатунный, обеспечивающий передачу возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение приводного вала; существовала золотниковая система распределения пара и автоматический регулятор частоты вращения. Оставалось немногое — сделать мотор, причём универсальный! Первые попытки создания двигателя были связаны с применением в поршневой машине в качестве топлива светильного газа. Это направление уже отличалось от ранее предложенных Гюйгенсом и Папеном устройств. Напомним, что Гюйгенс предложил пороховой вакуум-двигатель, в котором движение поршня осуществлялось давлением воздуха извне. Папен произвёл практическое применение и испытание изобретённого Гюйгенсом способа действия. По этому поводу использования машин поршневого типа Ленуар, анализируя работы Гюйгенса и Папена, писал: «Не могло случиться так, чтобы мысль Папена о двигателе, в котором тепло, выделенное топливом, должно быть использовано без посредствующего тела — водяного пара, применяемого в современной нам поршневой машине — не была подхвачена потомками. Этого не могло быть. Такие идеи не погибают. Их хоронят лишь до тех пор, пока общество не предъявит требования к их использованию. 184

Тогда находятся сметливые люди: разрыв старые могилы, они извлекают из-под праха истлевших и отмерших присказок и заблуждений нетленные идеи гениев. То, что я разыскал в архивах патентных бюро, в старых газетах, книгах и мемориалах доказывает, что не была забыта и идея порохового двигателя. Тогда начатое Папеном дело было несвоевременным, может быть теперь оно будет уместным» (Шпанов Н. Рождение мотора. С. 76). Тогда же Ленуар делает и следующий вывод, определивший на некотором этапе направление развития двигателей: «…светильный газ действительно тот самый вид горючего, которого не хватало Папену. Поэтому я и занялся почти исключительно изысканиями в области такого рода двигательных машин. Да, впрочем, насколько я понял, попытки применить какой-либо иной вид топлива для сжигания внутри цилиндра были немногочисленны и неудачны» (Шпанов Н. Рождение мотора. С. 77). Итак, в течение целых ста лет после открытий Гюйгенса и Папена все усилия учёных и изобретателей были направлены на изучение пара и применение его для получения работы. Газ, извлекаемый из угля, ещё не мог быть применён в качестве источника силы в машине. Исследования с достаточной очевидностью показали, что порох слишком опасен и что сгорание его слишком мгновенно для получения постепенного повышения давления и плавного действия машины. Изобрёл и построил действующую газовую машину англичанин Джон Барбер в 1791 г. Джон Барбер (John Barber; 1734– 1801) — английский инженер и изобретатель. Родился в 1734 г. в Ноттингемшире. С 1766 по 1792 г. Барбер запатентовал несколько своих изобретений.

В 1791 г. Барбер получил патент за номером 1833 (UK patent no. 1833 — Obtaining and Applying Motive Power, & c. A Method of Ris185

ing Inflammable Air for the Purposes of Procuring Motion, and Facilitating Metallurgical Operations), который описывал все важнейшие особенности газовой турбины. Ряд обстоятельств способствовал успеху его изобретения: 1) благодаря работам Уатта, Ньюкомена и Смитона механическая наука получила уже богатый опыт от паровой машины; 2) тем временем и мастера научились с отменной точностью изготавливать части машин, зачастую изобретая для их обработки даже специальный инструмент высокого качества; 3) наконец, перегонка газа из угля была открыта доктором Уатсон. Всё это и дало возможность англичанину Барберу составить его проект. Поскольку изобретатель рассматривал возможность использования своей машины для безлошадных перевозок, машина была оснащена цепным приводом, поршневым газовым компрессором, камерой сгорания и турбиной.

Рис. 3.1. Турбина Барбера 186

Барбер предлагал извлекать газ для его машины из угля, древа, нефти или иного какого-нибудь вещества, нагреваемого в реторте, из которой газ должен был поступать в резервуар и там охлаждаться. Затем насос перегонял его в известной пропорции с атмосферным воздухом в специальную камеру сгорания, названную Барбером «взрывник» (exploder). Здесь смесь воспламенялась и в виде постоянной огненной струи устремлялась на лопатки ступенчатого колеса, заставляя таковое с силой вращаться. Кроме того, в горячую струю газа впрыскивалась вода, чтобы несколько охладить выходную горловину «взрывника» и образованием пара усилить давление на лопатки колеса. Горение рабочей смеси в машине Барбера происходило при постоянном давлении. В истории есть утверждения, что машина эта работала, тем не менее, если это так и было, то действие такой машины не могло быть слишком длительным. Сколько долго должна была выдержать горловина сосуда, чтобы не расплавиться от непосредственного действия струи горячего газа неизвестно, а охлаждение её путём впрыскивания воды в горячую смесь было совершенно недостаточным. Концепция Барбера была озвучена, но, учитывая уровень развития технологий в то время, было невозможно создать устройство, достаточно мощное для сжатия воздуха и газа, и извлечь из проекта практическую пользу. Тем не менее, нужно признать, что автором идеи, которая привела к появлению современных газовых турбин, несомненно, был Джон Барбер. В 1972 г. немецкая компания из Бонна Kraftwerk-Union AG продемонстрировала действующую модель турбины Барбера на Ганноверской промышленной выставке. В целом же этот двигатель явился прообразом газового двигателя с активной турбиной, что отличало этот двигатель от ранее предложенного в 1629 г. римским архитектором Джованни Бранка устройства реактивной турбины. Барбер стал первым человеком, в деталях описавшим принцип функционирования газовой турбины. Первым, кто попытался реализовать принцип ДВС, был англичанин Роберт Стрит (Robert Street).

Роберт Стрит в 1794 г. получил в Англии патент за номером 1983 на атмосферный двигатель. Он предложил поджигать в цилиндре горючий газ в смеси с воздухом, получая этот газ при впрыскивании терпентина или керосина и нагревании днища цилиндра пламенем извне. Жидкость наливали на дно вертикального цилиндра, при нагреве она испарялась, ее пары смешивались с воздухом. Роль зажигания должна была играть специальная внешняя горелка, которая воспламеняла газ в цилиндре через окно, открываемое специальной заслонкой. После воспламенения горючей смеси продукты сгорания поднимали поршень и совершали работу. Восходящее движение поршня засасывало в цилиндр некоторое количество свежего воздуха, смешивающегося с горючими парами. Двигатель Р. Стрита не был построен. По мнению Ленуара, проанализировавшего все известные до него попытки реализовать ДВС, «. в этой машине, несомненно, были заложены все здоровые начала подлинного двигателя современности: зажигание от горелки, втягивание воздуха уходящим поршнем и т. д. Но, насколько я могу судить по описанию и рисункам, все части машины были выполнены так плохо, что она не могла работать». В целом, разработанную Стритом конструкцию двигателя можно характеризовать как первый двигатель жидкого топлива. Работала ли эта машина — достоверно неизвестно. 188

Рис. 3.2. Двигатель Роберта Стрита

Следующая попытка применить газ для работы двигателя была сделана инженером, профессором механики в Школе мостов и дорог в Париже Филиппом Лебоном. Около 10 лет Лебон проводил опыты по получению светильного газа посредством сухой перегонки древесины или угля. В 1799 г. он открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности. Лебон увидел, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками, и понял, какую пользу можно извлечь из этого явления. Лебон понял, что дерево под действием источника температуры и без доступа воздуха выделяет горючий газ. Так начались успехи и злоключения Лебона, так зажегся первый, по сути дела, газовый рожок и появилось первое освещение улиц и городов.

Филипп Лебон (Philippe Lebon, 1769– 1804) — французский инженер; изобретатель газового освещения; профессор механики в Школе мостов и дорог в Париже. В 1790-е гг. начал опыты над получением светильного газа посредством сухой перегонки древесины, в 1799 г. получил на этот способ патент. В том же году создал так называемую термолампу с использованием светильного газа. Изобретение его было применено в Англии. В 1801 г. предложил двигатель внутреннего сгорания со сжатием смеси газа и воздуха.

В 1799 г. на технологию получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля Лебон получил патент, но никто не заинтересовался изобретением. В том же году изобретатель создал термолампу (т. е. теплосвет) с использованием светильного газа. И всё же счастье улыбнулось изобретателю — на собственные средства он оборудует систему газового освещения парижской гостиницы «Сеньеле», ему удалось создать рай газового света. Зелень сада сверкала изумрудом в лучах газовых рожков. Фонтан был так красиво иллюминирован, что струи казались огненными. Такая наглядная демонстрация помогает ему получить правительственную концессию. Перед толпами изумленных парижан изобретатель смелыми мазками рисовал богатую судьбу своего детища: газ подается по трубопроводной сети и освещает улицы столицы. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Собственно, и в лампе, и в свече горит газ, а не твёрдое или жидкое вещество: пламя нагревает горючее, которое поднимается к нему по фитилю и превращается в газ, сгорая, он и даёт свет. После некоторых усовершенствований термолампа в 1811 г. превратилась в широко известный газовый рожок, который на десятилетия стал основным светильником на улицах и в домах европейцев и американцев. Газ к домашним и уличным газовым све190

тильникам подавался из хранилищ-газгольдеров по трубопроводам и шлангам. Изобретённая в 1885 г. калильная сетка нашла своё применение и в газовых светильниках — газовые рожки нового поколения давали миру ослепительный белый свет, рождавшийся при горении смешанного с воздухом газа на поверхности сетки. В некоторых городах Европы газовое освещение продержалось до 1920– 1930-х гг., и война между газовыми рожками и электрическими лампами закончилась только после создания вольфрамовой нити.

Рис. 3.3. Светильная лампа Лебона

Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Но светильный газ годился не только для освещения. В 1801 г. Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Он предлагал использовать этот газ для приведения в движение машины, по устройству весьма схожей с обыкновенной паровой машиной. Предлагаемый Лебоном двигатель не сильно по конструкции отличался от парового двигателя, просто вместо пара, находящегося под давлением, Лебон предлагал вводить в цилиндр смесь светильного газа с воздухом и далее эту смесь поджигать. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого 191

им газа, его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. В конструкции двигателя предусматривалось два компрессора и смесительная камера. Один из компрессоров предварительно сжимал воздух, подаваемый в смесительную камеру, в то время как второй компрессор сжимал светильный газ, поступающий от газогенератора. Горючий газ и чистый воздух в нужной дозе вводились внутрь цилиндра порознь с двух сторон и зажигались электрическим запалом. Замечательной деталью этого двигателя являлся поршневой шток, приводивший не только главный вал, но ещё и два насоса, в которых газ и воздух сжимались, прежде чем поступить в цилиндр. Лебон заявлял также, что приведение в действие машины, питающей током электрический запал, должно происходить от главного вала двигателя. Необходимо отметить, что двигатель Лебона назывался двухсторонним двигателем, в таких конструкциях газ (рабочее тело) поочерёдно давит на поршень с двух сторон. Машина была двойного действия: воспламенение происходило поочередно по обеим сторонам поршня. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В дополнение к этому Филипп Лебон, основываясь на сделанном Александро Вольта игрушечном пистолете, изобрёл электрическое зажигание, в котором использовалась электрическая искра. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, но в 1804 г. он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение. Идея его и в дальнейшем привлекала к себе самое пристальное внимание. Действительно, принцип действия газового двигателя много проще, чем паровой машины, так как здесь топливо само непосредственно производит давление на поршень, тогда как в паровом двигателе тепловая энергия сначала передается другому носителю — водяному пару, который и совершает полезную работу. Машина Лебона не получила практического применения в силу причины, которая препятствовала осуществлению прежних типов: дело добычи светильного газа только ещё начиналось; он не был продуктом, легко получаемым в качестве топлива. Кроме того, 192

конструкция машины требовала такой точности обработки её частей, что машиностроение того времени не могло бы с нею справиться. В этом смысле инженер Лебон несколько опередил своё время. Не только время было причиной неудачи машины Лебона. Французский учёный, воздухоплаватель и писатель Гастон Тиссандье в книге «Мученики науки» писал: «Но успех Лебона был непродолжителен. Враги и конкуренты делали ему множество неприятностей. Скромное жилище изобретателя было разрушено бурей, а несколько времени спустя пожар истребил часть его завода. Судьба, подобно богине древности, как будто ополчилась на злополучного изобретателя» (Гастон Тиссандье. Мученики науки. М.: Капитал и культура, 1995. С. 234–236). Лебон мог бы добиться успеха, если бы вдруг трагическая и таинственная смерть не положила конец его работам: его труп нашли на Елисейских полях с 13 кинжальными ранами в груди. Его способности были, по-видимому, достаточны, чтобы преодолеть величайшие трудности. В памяти человечества Филипп Лебон остался как изобретатель светильного газа, который в течение нескольких десятилетий использовался для освещения городов. А для специалистов он помнится как изобретатель газового двигателя внутреннего сгорания и электрического зажигания. Первым, кому удалось создать первый в мире действующий двигатель внутреннего сгорания был Жозеф Нисефор Ньепс. О Ньепсе мы первый раз узнаем, знакомившись с книгой Сади Карно. Изобретение Ньепса, а точнее братьев Ньепс, сделанное ими в 1806 г., следует отнести в особую группы изобретений теплового двигателя. Это особое выделение связано с несколькими причинами: 1) они не изобретали атмосферный или газовый двигатель, как предшественники Барбер, Лебон, Стрит; 2) они, как и Папен, попытались использовать твёрдое топливо; 3) изобретение послужило отправной точкой в создании идеального рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания французским математиком и инженером капитаном французской армии 193

Сади Карно, открывшим основной закон термодинамики и ставший в свои 31 год основателем науки о тепловых процессах. Жозеф Нисефор Ньепс (Joseph Nisefor Neps; 1765–1833) родился в старинной дворянской семье. Так же, как и старший брат Клод, учился в колледже отцов-ораторианцев. Понятно, что естественнонаучного образования он там не получил. Но и гуманитарные дисциплины он учил, видимо, плохо, так как завалил по ним выпускной экзамен. В 23 года он собрался изучать юриспруденцию, но через год, в 1789 г., грянула Великая французская революция. Братья Ньепсы вскоре стали офицерами революционной армии. Отдав делу гражданских свобод три года, они вышли в отставку и поселились в своём поместье. С этого времени они посвятили себя изобретательству. Французская республика крайне нуждалась в источниках сырья и энергии. Правительство, в поддержку патриотизма, назначало крупные награды за решение важных для страны вопросов. Так, например, огромная сумма была обещана за выращивание растения марены, из которой добывался краситель — индиго. Братья выращивали марену, но премия им, увы, не досталась. Они изобрели водоподъёмную машину для Версаля, но Наполеон отдал заказ крупному промышленнику. Такими же, неутешительными по финансам, стали изобретённые ими способы получения волокон и крахмала из местных растений.

В 1806 г. Нисефор и Клод Ньепсы представили в Национальный институт (так называлась тогда Французская академия наук) доклад о новой машине, которая «по силе была бы сравнима с паровой, но потребляла бы меньше топлива». Братья назвали её «пирэолофор» (pyreolophore — в переводе с греческого название означало «влекомая огненным ветром»), работающий на твёрдом топливе. Это была одной из первых попыток развить движущую силу огня посредством атмосферного воздуха в замкнутом цилиндре — двигателе внутреннего сгорания. Вот как описывает Сади Карно устройство: «…атмосферный воздух наполнял при обычной плотности цилиндр с поршнем. Кроме того, туда вводился очень горючий материал в виде мелкого 194

порошка, который несколько времени оставался в воздухе взвешенным; наконец, туда вводился огонь. Воспламенение производит почти такой же эффект, как если бы внутри цилиндра находилась смесь воздуха и горючего газа, например воздуха и углеводорода; происходит род взрыва, внезапное расширение упругой жидкости; это расширение используется, его заставляют целиком действовать на поршень. Последний получает движение некоторой амплитуды, и таким образом развивается движущая сила. После этого ничто не препятствует переменить воздух и возобновить операцию, подобную первой. Эта машина, весьма замечательная и интересная, особенно новизной принципа, грешит в одном основном пункте. Вещество, употребляемое в качестве топлива (порошок ликоподия, употребляемый для получения пламени в театрах), так дорого, что этим уничтожается вся выгода. К несчастью, трудно найти топливо, более подходящее по цене, так как оно должно быть в виде тонкого порошка, вспышка которого происходила бы легко, быстро распространялась и оставляла бы после себя мало или совсем бы не оставляла золы… Главные трудности, встречаемые в этого рода операциях: заключить топку в помещение достаточной крепости и поддерживать при этом горение в должном состоянии, поддерживать различные части аппарата при умеренной температуре и мешать быстрой порче цилиндра и поршня; мы не думаем, чтобы эти трудности были непреодолимы» (Сади Карно, с. 60). Изобретение вызвало большой интерес. Двум комиссарам было поручено разобраться в изобретении. Одним из комиссаров был Лазар Карно. Карно дал положительный отзыв, даже попавший в газеты. Хотя у двигателя был ряд недоработок, многие из них нельзя было устранить на то время из-за отсутствия необходимых технологий: поджиг пыли, например, осуществлялся при атмосферном давлении, распределение горючего вещества внутри камеры было неравномерным, да и прилегание поршня к стенкам цилиндра требовало совершенствования. В те времена поршень паровой машины считался подогнанным к стенкам цилиндра, если между ними с трудом проходила монета. 195

Рис. 3.4. Тепловая машина pireolofor — «пирэолофор»

Братья построили двигатель и оснастили им в 1806 г. трехметровую лодку, весом 450 кг. Лодка ходила вверх по речке Соне со ско196

ростью вдвое больше скорости течения. Учтите, что свою первую неудачную попытку спуска парохода Фултон осуществил в 1803 г., а знаменитый «Клермонт» начал плавание на год позже лодки Ньепсов, в 1807 г. Братья-изобретатели искали возможность заручиться чьей-то финансовой поддержкой и приняли решение добиваться аудиенции у Наполеона. Они готовили для демонстрации небольшое судно с двухцилиндровым двигателем. Но на дворе был уже 1811 г., и Наполеон не приехал в Лион, где должны были быть испытания, поскольку он готовился к походу на Россию. Ну, а после российской кампании императору уже было не до двигателей.

Рис. 3.5. Чертежи к патенту Нисефора Ньепса на изобретение двигателя для моторной лодки

Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона. Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет. Правильнее всего было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы, находящейся под днищем лодки. Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль. Сильфон впрыскивал струю воздуха, смешанную с угольной пылью, в камеру поджигания, где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания, где полностью прогорала и происходило расширение. Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся. Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 об/мин. Позже Нисефор Ньепс вычитал в трудах химика Лавуазье, что нефтяные «летучие масла» дают с воздухом взрывоопасные смеси, и сразу оценил этот факт. Спустя некоторое время братья усовершенствовали топливо, добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска. В течение следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Принято считать, что братья Ньепс были авторами первой в мире системы впрыска. Но во Франции кончалось действие патента на пирэолофор (двигатель), и в 1817 г. старший брат Клод едет в Англию в надежде продать патент там. Расставшись с Нисефором, Клод продолжает работать над пирэолофором самостоятельно и ведёт свою изобретательскую мысль в другую сторону. В какую — Нисефору трудно понять: боясь разглашения секретов, брат ничего открыто не рассказывает в своих письмах, а только просит без конца денег и обещает, что вот-вот будет результат. И уже позже Нисефор из писем узнает, что Клод бьется над двигателем, не потребляющим силы, т. е. над вечным двигателем. Нисефор Ньепс никому не сумел продать свой двигатель для коммерческого производства, а до воплощения фотографического 198

процесса в окончательном виде просто не дожил, но стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна». На родине, во Франции, его ещё помнят — памятник поставили (правда, только как творцу фотопроцесса). Во Франции, в домемузее Ньепсов, выставлена машина Pyreolophore. Справа стоит самокат (лат. дрезина — быстрая нога), который Джозеф Ньепс построил в 1817 г.

Рис. 3.6. Модель тепловой машины pireolofor — «пирэолофор» в музее Ньепсов

В 1807 г. швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Рива сконструировал двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием. Топливом для двигателя служил водород, а идею электрического поджига, де Рива позаимствовал у Алессандро Вольта. Чуть позже де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. 199

Водород хранился в «воздушном» шаре, соединённом трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а также поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.

Рис. 3.7. Двигатель внутреннего сгорания: A — цилиндр, B — «свеча» зажигания, C — поршень, D — «воздушный» шар с водородом, E — храповик, F — клапан сброса отработанных газов, G — рукоятка для управления клапаном.

Принцип работы: — через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух; — клапан закрывался; — открывался кран подачи водорода из шара; — кран закрывался; — нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу»; — смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх; — открывался клапан сброса отработанных газов; — поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса. После этого цикл повторялся. 200

В 1813 г. де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около 6 м, с колёсами двухметрового диаметра и весившая почти тонну. Машина смогла проехать 26 м, с грузом камней (около 700 фунтов) и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч. С каждым циклом машина перемещалась на 4–6 м. Мало кто из его современников серьёзно относился к этому изобретению, а Французская академия наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.

Рис. 3.8. Модель автомобиля Франсуа де Рива в Парижском «Музее искусств и ремёсел»

В 1820 г. Р. В. Сесиль из Кембриджа прочёл в собрании членов Кембриджского философского общества доклад, озаглавленный «Применение водорода к производству двигательной силы в машинах с описанием двигательной машины, которая приводится в действие давлением атмосферы и разрежением, образуемым сжиганием водорода и атмосферного воздуха». В докладе описывалась по201

строенная Сесилем машина. По утверждению автора, он добился в ней совершенно правильного чередования вспышек в цилиндре при шестидесяти оборотах в минуту, с потреблением газа 17,6 кубического фута в минуту. При этом Сесиль установил, что взрывы в цилиндрах сопровождаются сильным шумом. Для уничтожения шума было бы необходимо помещать головки цилиндров в нишу или же их следовало окружать специальным воздухонепроницаемым кожухом. Эта машина была первой в действительности построенной в Англии, а может быть, и в Европе вообще. Сесиль был первым, кто проделал опыты измерения давления горячих газов на поверхность поршня. Для этого он построил очень интересный прибор, описание которого также содержалось в указанном докладе. Сесиль пришел к выводу, что давление расширяющегося газа в его машине составляло сто восемьдесят фунтов на квадратный дюйм (12,4 бар). Может быть это и преувеличено, но такие данные были опубликованы профессором Фэришем после испытаний подобной машины в 1817 г. Следующее изобретение практической машины принадлежит англичанину Сэмюэлю Броуну (Samuel Brown), который запантевал две машины. Принцип обеих машин был один и тот же.

В 1823 г. Броун запатентовал первую машину под № 4874 и в 1826 г. под № 5350, работающую на газе (водороде). Его машина была первой, которая работала в Лондоне и его окрестностях, используя атмосферное давление в качестве двигательной силы. Ча202

стичное разрежение получалось путём сжигания в цилиндре газа, продукты сгорания которого охлаждались путём впрыскивания воды. Образовавшийся вакуум заставлял двигаться обратно поршень, отброшенный при вспышке. Воспламенение газа достигалось зажиганием его при входе в цилиндр. Охлаждение цилиндров производилась водой, протекавшей между их двойными стенками. В своей первой машине 1825 г. Броун сделал два цилиндра, поршни которых были соединены балансиром. В то время как один поршень опускался под давлением атмосферного воздуха, другой поднимался; часть газов вырывалась через клапан в поршне; остатки продуктов сгорания конденсировались водой. Под вторым поршнем образовывался вакуум, заставлявший его опускаться, в то время как поднимался первый поршень. Благодаря этому, на одно и то же коромысло действовали сразу две слагавшиеся силы: давление атмосферы в одном цилиндре и взрыва — в другом.

Рис. 3.9. Газовая двухцилиндровая машина Сэмюэля Броуна 203

В своей второй машине Броун устроил уже несколько цилиндров с расчетом, чтобы в каждый момент в каком-либо из цилиндров было разрежение. Рабочий процесс был тот же.

Рис. 3.10. Газовая машина Броуна, 1826 г.

Двигатель использовался для перекачки воды и для приведения в движение речных судов. Браун создал компанию по производству двигателей для лодок и барж, некоторые из которых достигали скорости 14 км/ч. Тем не менее предприятие оказалось неудачным из-за перебоев с поставками топлива и высокой стоимости. Броун был столь же отличным коммерсантом, как и инженером. Ему удалось образовать промышленную компанию, взявшуюся за постройку его машины для трёх надобностей: перекачивания воды, приведения в движения механических экипажей и лодок. По сообщениям «Mechanics Magazine», вышедшему в Лондоне в 1824 г., этой компанией изготовлялась машина, поднимавшая триста галлонов воды на высоту пятнадцати футов на каждый кубический фут потребляемого газа. 204

В 1832 г. в Англии действовали четыре насосных установки Броуна. Установлено, что машина, работавшая в Кройдоне, имела цилиндры диаметром в 3 фута 6 дюймов при высоте всего 22 дюйма. Машину, установленную в старом Брамптоне, редактор указанного выше журнала осматривал сам на месте работы. Диаметр ее цилиндров был 3 фута 8,75 дюйма при той же высоте 22 дюйма. В течение одной минуты машина эта подавала 3000 галлонов воды на высоту 12 футов. В проспекте, опубликованном в 1832 г., Броун сообщает, что смола и кокс, остающиеся при получении газа для Кройдонской машины, продаются за сумму, с лихвой покрывающую стоимость получаемого газа, и, таким образом, машина получает питание бесплатно. Броун будто бы установил, что годовой расход на его машину в Кройдоне, включая стоимость угля, ремонта, износа машины, амортизацию и содержание персонала, составляет всего 666 фунтов 14 шиллингов, в то время как приход от продажи смолы и кокса составил за тот же срок 769 фунтов 12 шиллингов. Таким образом, годовой доход уже от этой только операции составил 102 фунта 18 шиллингов, не считая полученной от машины работы по обслуживанию канала, каковая оценивается компанией в двести семьдесят пять фунтов в год. Дальнейшая деятельность инженера Броуна была ещё интересней. Он не избежал общей участи изобретателей. Даже Папен, как видно из сочинения Дюльби, мечтал установить своё сооружение на экипаж. Тем простительнее была такая попытка Броуну. Он осуществил мечту Папена. Некто Уайтфильд с железнодорожных заводов в Бедлингтоне дает описание такого рода установки и рисунки (они, к сожалению, не дошли до нас). Из описания явствует, что колеса этого экипажа имели диаметр в пять футов при базе в шесть футов три дюйма и ширине хода четыре фута шесть дюймов. Вес с запасом воды и газа составлял двадцать англотонн. Цилиндры этой машины имели весьма небольшие размеры по сравнению с прежде установленными на земле — диаметр их был всего двенадцать дюймов при длине двадцать четыре дюйма. В английской прессе имеются сведения, что этот экипаж был испытан на наиболее крутой части Шутере Хилла, где подъем составляет тринадцать 205

с половиной дюймов на двенадцать футов. Подъем произошел с отличной плавностью. Опыты происходили в последнюю неделю мая 1826 г. Это была первая машина без котла и пара. Но предприимчивость Броуна этим не ограничилась. Первого января 1827 г. был назначен первый опыт для лодки, снабжённой его машиной. Опыт потерпел неудачу. Во-первых, лодка потекла в результате удара, полученного ею в борт от другого судна за несколько дней до опыта, и, во-вторых, поверхность Темзы была слишком бурной. Всё же изобретатель сделал несколько поездок на своём судне. 31 января лодка, отчалив от Блэкфрайер-Бридж, пошла по Темзе со скоростью от семи до восьми миль с плавностью и стремительностью настоящего парохода. Колёса работали с полной регулярностью, и было видно, что они способны вертеться с тем же успехом до тех пор, пока хватит газа для машины. Лодка имела тридцать шесть футов в длину. Вес машины и рамы для её установки составлял 600 фунтов. Опыт происходил в присутствии лордов адмиралтейства и значительного числа ученых. К сожалению, дальнейшая судьба этих изобретений неизвестна, как, впрочем, и вся дальнейшая деятельность Броуна. Усовершенствованием двигателя было введение приспособления для управления скоростью вращения. Осуществил англичанин Райт на своей вертикальной машине двойного действия, запатентованной в 1833 г. под номером 6525. Двухтактная машина двойного действия Райта имела один цилиндр, расположенный вертикально. Взрывы смеси происходили попеременно по обеим сторонам поршня. Поршень и поршневой шток были сделаны полыми. Цилиндр имел водяную рубашку для отвода от стенок цилиндра излишков тепла, получающегося в результате двусторонних вспышек. Зажигание осуществлялось внешней горелкой, расположенной за перекрывающимися отверстиями. Газ и воздух слегка сжимались до подачи в цилиндр двигателя. Можно было изменять состав смеси и ее количество, проходящее через впускной клапан цилиндра, управляя подачей посредством центробежного регулятора. 206

Рис. 3.11. Двухтактная газовая машина двойного действия Райта

Дугалд Клерк в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее: «Чертёж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях, поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя 207

мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу». Детали этого двигателя были тщательно продуманы Райтом. Но ссылок на практическую работу этого двигателя обнаружено не было. Существовал ли когда-либо этот двигатель, остаётся загадкой. В 1833 г. англичанин Уильям Барнетт запатентовал газовую машину двойного действия, причём трижды. Первый двигатель — двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапаны. Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, т. е. горение происходило попеременно с обеих сторон поршня. Третий двигатель также был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, открывающиеся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактных двигателях). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси. Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением. Первый патент № 7615 говорит об одном рабочем цилиндре, поставленном вертикально, двойного действия. Газ и воздух порознь засасываются двумя насосами R и подвергаются некоторому сжатию, после чего они поступают в общий ресивер С, где происходит их смешивание. В то время как нисходящим ходом поршня насоса газ вталкивался в ресивер под давлением двадцати пяти фунтов на квадратный дюйм, обратный ход поршня в рабочем цилиндре выталкивает сгоревшие газы наружу через окно В. Когда рабочий поршень достигает своего крайнего положения, открывается один из боковых клапанов K, сообщающий цилиндр с ресивером. В этот же самый момент открывается вращающийся золотник горелки и происходит воспламенение смеси, выходящей из ресивера. Горящие газы входят в цилиндр через клапан K и толкают поршень до тех пор, пока он не дойдёт до мертвой точки. 208

Рис. 3.12. Газовая машина двойного действия Барнетта

Вращающийся конический золотник горелки отлично задуман и осуществлен. Запальное приспособление состоит из конического вращающегося золотника А в конической втулке В. Во втулке сделаны два отверстия: d, сообщающееся с внешней атмосферой, и е, направленное внутрь цилиндра. В донышко неподвижной втулки введена горизонтальная газовая горелка, пламя которой достигает середины вращающегося золотника. Когда золотник поворачивается и про209

резь в нем приходится против отверстия е, сообщающегося с цилиндром, часть сильно сжатой смеси проникает внутрь золотника и вспыхивает от соприкосновения с пламенем горелки, воспламеняя содержимое цилиндра. Пламя горелки тухнет от взрыва, но так как золотник продолжает вращаться, то прорезь снова приходит к окну d, сообщающемуся с атмосферой, где находится постоянно горящая газовая горелка Н. От неё горизонтальная горелка снова зажигается.

Рис. 3.13. Запальное приспособление машины Барнетта

Вторая машина Барнетта была двойного действия и в принципе она повторяла первый тип. Третий же тип, отличаясь наибольшими конструктивными изменениями, представляет собой столь современную машину, что совершенно неясно, почему она не получила самого широкого распространения. Существенным недостатком конструкции было то, что цилиндр никогда не очищался полностью за время хода поршня. Часть продуктов сгорания оставалась в нём, смешиваясь, таким образом, с поступающим вновь топливом. В третьей машине оба насоса были упразднены. Газ и воздух сжимались в отдельном цилиндре и поступали непосредственно в рабочий цилиндр. Машина тоже была двойного действия, и сжатая смесь поступала попеременно по обе стороны поршня. Порядок работы следующий. Поршень находится в крайнем верхнем положении. Сжатая смесь над ним зажигается горелкой. Поршень совершает своё движение, выталкивая на половине своего хода в атмосферу продукты сгорания из нижней части цилин210

дра через окно, находящееся в середине цилиндра. К тому моменту, когда окно перекрыто поршнем, давление в этой части цилиндра падает до атмосферного. В нижнюю полость под поршень впускаются газ и воздух. Поршень при этом, продолжая свой ход, сжимает их вместе с оставшимся в цилиндре некоторым количеством продуктов сгорания. В момент наибольшего сжатия смесь зажигается. Всё повторяется в том же порядке по другую сторону поршня. В 1841 г. англичанин Джонстон описывает двигатель, в котором он предлагает сжигать внутри цилиндра смесь водорода и кислорода. Всё происходит у него почти так же, как и в большинстве описанных машин. Разрежение над поршнем получается благодаря конденсации продуктов сгорания, вследствие чего поршень (машина двойного действия) совершает обратный ход под давлением взрыва с одной его стороны плюс действия всасывания с другой. Американский доктор Дрэк выставил в 1843 г. в Филадельфии свой горизонтальный двигатель. Дрэк употреблял обычный светильный газ, смешанный с девятью или десятью объёмами воздуха. Дрэк направил свои усилия на то, чтобы сохранить постоянство состава смеси и добиться точной регулировки подаваемого количества ее в цилиндр. Горючее поступало в цилиндр, не подвергаясь предварительному сжатию, и зажигалось трубкой, раскалённой добела. Трубка эта нагревалась извне. При сгорании газы оказывали на поршень давление до 100 фунтов на квадратный дюйм. Среднее эффективное давление на поршень в течение всего его хода было примерно 36 фунтов на квадратный дюйм при 60 оборотах вала в минуту. Измерение мощности дало при этом двадцать лошадиных сил. Цилиндр имел водяную охлаждающую рубашку. Поршень был полый. В дальнейшем машина переделывалась и работала даже на керосине. В 1855 г. в Англии Ньютон получил патент, в котором привлекало внимание описание прибора для воспламенения смеси. Он схож с приспособлением, изобретённым американцем Дрэком. Двигатель Ньютона являлся машиной двойного действия. Воздух, смешанный с газом, засасывается поршнем и поступает в цилиндр при атмосферном давлении. Зажигательное приспособление представляет собой палец из чугуна, вдающийся внутрь цилиндра. Палец этот сделан полым с отверстием, обращённым наружу. Внутрь этого пальца непрестанно вдувается снаружи пламя, поддержива211

ющее его в состоянии красного каления. От соприкосновения с раскалённым пальцем, находящимся в цилиндре, смесь взрывается. В 1854 г. изобретатель Эудженио Барсанти и физик Феличе Маттеуччи запатентовали первый двигатель внутреннего сгорания. Двигатель был запатентован в Лондоне, потому что итальянское законодательство того времени не обеспечивало надёжной международной защиты. Их дружба и сотрудничество начались с 1851 г., вершиной которого явилось это важнейшее изобретение. Необходимо отметить, что кроме двигателя Эудженио Барсанти сделал и другие открытия, но сразу понял, что именно «новый мотор» имеет большое будущее. Эудженио Барсанти (Eugenio Barsanti; 1821–1864), также называемый Отцом Николо (Nicolò) — итальянский инженер. Родился в Пьетрасанте в Таскании, обучался в Тоскане, около Лукки, где изучал религию и в 1838 г. принял послушничество во Флоренции. Позднее изучал естественные науки. В 1841 г. Барсанти начал преподавать в колледже Сан-Мичеле, расположенном в Волтерре. Здесь, во время лекции, описывающей взрыв смеси водорода и воздуха, он понял, как использовать энергию расширения воспламеняющихся газов в пределах двигателя. После знакомства в 1851 г. с Маттеуччи совместно запатентовали в 1854 г. свое изобретение в Лондоне, поскольку итальянский закон тогда не мог гарантировать достаточную международную патентную защиту. Строительство опытного образца было закончено в конце 1850-х гг. Главное преимущество двигателя было в использовании силы возвращения поршня из-за охлаждения газа. Двигатель Барсанти — Маттеуччи выиграл серебряную медаль от института науки в Ломбардии. В 1856 г. были построены пять двигателей с двумя цилиндрами. Барсанти считал, что новый двигатель был большим усовершенствованием по отношению к паровому, более безопасным, менее тяжелым и быстрым. Главная цель — обеспечить механическую энергию для фабрик и для военно-морского флота. Для производства двигателя они выбрали литейный завод Джона Кокерилла в Бельгии. Заказы на двигатель следовали из многих стран в пределах Европы. Барсанти внезапно умер от брюшного тифа 30 марта 1864 г. 212

Феличе Маттеуччи (Felice Matteucci; 1808–1887) — итальянский инженергидравлик. Родился в Луке, изучал гидравлику и машиностроение в Париже и Флоренции. В 1857 г. им и Барсанти был получен патент на созданный двигатель. После смерти Барсанти в 1864 г. и невозможности дальше продвигать свой двигатель возвратился к своей предыдущей работе как инженер-гидравлик. Он создал новые ареометры для измерения уровня воды, приборы для измерения количества осадков, гидравлические сооружения на реках. Патент Николауса Отто на двигатель внутреннего сгорания был подобен принципу действия двигателя Барсанти — Маттеуччи. Это обстоятельство и невозможность далее продвигать двигатель способствовало болезни Маттеуччи, которая, в конечном счете, вызвала его смерть в его собственном доме в Капаннори, около Лукки в Тоскане.

Машина, предложенная ими, в принципе своём сходна с тем, что сделал в своё время Папен. Это первая практически осуществимая машина со свободным поршнем. Вместо того чтобы жёсткой связью поршня с механизмом передачи к валу передать непосредственно работу взрыва, изобретатели оставляют поршень совершенно свободным. Под действием взрыва он стремительно поднимается, отдавая свою энергию лишь на то, чтобы образовать под собой частичное разрежение. В верхнем положении, когда запас энергии поршня уже истощается, зубчатка вала приводится в сцепление с гребенчатым штоком. Теперь поршень начинает опускаться под давлением атмосферного воздуха плюс действие собственной тяжести. Конденсация охлаждающихся в цилиндре газов продолжает поддерживать вакуум. Для воспламенения рабочей смеси использовалась электрическая искра. 5 июня 1853 г. они представили своё изобретение в академии Accademia dei Georgofili во Флоренции, а в следующем году запатентовали его в Лондоне, поскольку итальянские законы того времени были не в состоянии обеспечить достаточные гарантии для защиты патента на международном уровне. Регистрация патента в 213

Англии (England) подразумевала его защиту во Франции (France), Бельгии (Belgium), Пруссии (Prussia) и Пьемонте (Piedmont). Конструирование двигателя началось в мастерских Пьетро Бенини (Pietro Benini) в 1860 г. В том же году во время Национальной флорентийской выставки достижений искусства и промышленности был продемонстрирован двигатель Барсанти — Маттеуччи, построенный на механическом заводе в Пиньоне (Pignone), одном из районов Флоренции. В 1856 г. появился прототип работоспособного атмосферного двигателя, работавшего на светильном газе. Проведя дополнительные исследования и окончательно убедившись в работоспособности своего творения, механики учредили компанию под названием «Общество новых моторов Барсанти и Маттеуччи» (Societa Anonima del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci), где наладили выпуск двигателей собственной конструкции и продолжили работать над их усовершенствованием. Один из двигателей Барсанти мощностью 20 л. с. был установлен на экипаж, который экспонировался на промышленной выставке во Флоренции в 1861 г. и вызвал огромный интерес у посетителей и специалистов. В 1863 г. оба предпринимателя получили серебряную медаль за свои двигатели от Королевского института наук Ломбардии, но за пределами Италии приоритет Барсанти не был признан. Основным преимуществом двигателя Барсанти — Маттеуччи было использование обратной силы движения поршня вследствие охлаждения газа. Другие двигатели, основанные на толкающей силе взрыва, — один из них был разработан во Франции Этьеном Ленуаром — были гораздо медленнее. Двигатель Барсанти — Маттеуччи был куда более эффективен и получил серебряную медаль из Ломбардского научного института. В 1856 г. итальянские инженеры разработали двухцилиндровый двигатель мощностью 5 л. с., а двумя годами позже они построили двухпоршневой двигатель. Барсанти считал, что новый двигатель был огромным усовершенствованием по сравнению с паровым двигателем — он был безопаснее и компактнее, работал при этом быстрее, но не настолько быстро, чтобы служить автомобильным мотором. Создатели предполагали, что он будет использоваться для обеспечения механической энергии на заводах и на морских судах. После некоторых поисков инженеры выбрали для массового производства двигателя 214

мощностью в 4 л. с. завод Джона Кокерилла (John Cockerill) в бельгийском Серене (Seraing, Belgium), и вскоре заказы на двигатели стали поступать со всей Европы. На рисунке 3.14 изображен такой двигатель Барсанти и Маттеуччи. Здесь можно видеть основное его отличие от других типов газовых двигателей: цилиндр необычайно высок, и поэтому ход поршня чрезвычайно велик по сравнению с диаметром цилиндра.

Рис. 3.14. Общий вид машины Барсанти и Маттеуччи

Изобретатели утверждали, что их машина отличается необычной экономичностью. Это возможно, так как весь расход газа ограничен потребностью поднятия поршня. Впоследствии двигатель подобной конструкции, получивший широкое распространение и большой коммерческий успех, был создан немецкими инженерами Отто и Лангеном. 215

Рис. 3.15. Чертёж машины Барсанти и Маттеуччи

Двигатель Барсанти имел заметные преимущества по сравнению с широко применяемым в то время паровым двигателем, он был более безопасным, компактным, и его можно было быстро запустить в работу. Вес этого двигателя не позволял установить его на автомобиль, но он для этого не предназначался. Двигатель был предназначен для использования в качестве источника механической энергии на мануфактурах, ремесленных мастерских или установки его на судах. В некоторых источниках указывается, что двигатель Барсанти и Маттеуччи был первым, практически используемым двигателем внутреннего сгорания. Но патент на этот двигатель был утерян, 216

поэтому точно описать конструкцию двигателя не представляется возможным. Правда, сохранилось несколько финансовых документов, подтверждающих штучное изготовление двигателя на заказ. Также сохранилось несколько старинных чертежей двигателя, но, рассматривая примеры, которые удалось найти, можно сказать, что конструкций двигателей было несколько, и что под каждый заказ изготавливался двигатель новой конструкции. Есть свидетельства, доказывающие, что штучно изготовленные двигатели устанавливались на судах или использовались как источник механической энергии на мануфактурах. В 1853–1857 гг. Барсанти и Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощностью 5 л. с. Строительство прототипа было поручено компании Bauer & Co. of Milan (Helvetica) и завершено в начале 1863 г. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным, чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света. Этот двигатель имел два цилиндра, поэтому можно предположить, что Барсанти и Маттеуччи первыми создали многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.

Рис. 3.16. Модель двухцилиндрового двигателя Барсанти — Маттеуччи 217

На рисунке 3.17 изображён двигатель Барсанти и Маттеуччи, имеющий совершенно другую конструкцию. В цилиндр этого двигателя было установлено два поршня, двигающихся навстречу друг другу.

Рис. 3.17. Двигатель Барсанти и Маттеуччи с двумя двигающимися навстречу поршнями

При помощи зубчатой рейки усилие от поршней передавалось на шестерни, внутри которых был встроен храповой механизм. Для синхронизации движения поршней на оба поперечных вала были установлены конические шестерни, которые передавали вращение на общий продольный вал, на обоих концах которого тоже были установлены конические шестерни. Найти более точную и достоверную информацию о двигателе Барсанти и Маттеуччи не удалось, хотя этот двигатель постоянно упоминается в статьях по истории двигателя внутреннего сгорания. Упоминается как первый двигатель, нашедший практическое применение, но не выпускавшийся серийно. Возможно, путаница возникает из-за того, что в Италии творили и другие инженеры, работающие над созданием двигателя внутреннего сгорания. Например, в 1856 г. итальянский инженер Петро Венини создал работающий прототип двигателя мощностью 5 л. с., а в последующие годы он создал и более мощные двигатели, которые использовались как стационарные источники механической энергии на промышленных предприятиях Италии. 218

Глава 4 Возникновение науки о тепловых превращениях и машинах 4.1. Работа и сила Первое правило Декарта состоит в том, что каждая часть материи по отдельности всегда продолжает оставаться в одном и том же состоянии до тех пор, пока встреча с другими частицами не вызовет изменения этого состояния. Второе правило Декарта заключается в следующем: когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит собственное движение. В виде третьего правила Декарт прибавляет, что хотя при движении тела его путь чаще всего представляется в виде кривой линии и что невозможно произвести. ни одного движения, которое не было в каком-либо виде круговым, тем не менее, каждая из частиц тела по отдельности стремится продолжать тело по прямой линии. Лейбниц в своих трактатах «Доказательство памятной ошибки Декарта» (1686) и «Очерк динамики» (1695) ввёл понятие «живой силы» (Vis viva) и открыл закон сохранения «живых сил», явившийся первой формулировкой закона сохранения энергии. Он также высказал идею о превращении одних видов энергии в другие. Лейбниц писал: «Принцип равенства причины и следствия, т. е. принцип исключенного вечного двигателя — основа моего вычисления живой силы. Согласно этому принципу живая сила сохраняет свою неизменную тождественность. В течение этих действий (поднятия груза на определенную высоту, сжатия пружины для сообщения определенной скорости) не происходит ни малейшей прибыли, ни малейшей убыли живой силы. Конечно, часть живой силы (этой частью никогда нельзя пренебрегать) поглощается неощутимыми частицами самого тела или других тел. Мнение, которое я здесь защищаю, не основывается, конечно, на опытах по ударам тел, но на принципах, которые сообщают смысл самим опытам. Эти принципы позволяют высказывать суждения о слу219

чаях, ещё не проверенных экспериментом. Единственный источник этих принципов есть равенство причины и следствия». Это высказывание Лейбница обычно сравнивается с латинской пословицей «Causa aequat effectum» (причина равна действию). С именем Ломоносова, прежде всего, связаны корпускулярная теория вещества и молекулярно-кинетические теория теплоты, которые напрямую связаны с его пониманием актуальности закона сохранения вещества и силы (движения). В письме к Эйлеру (1748) Ломоносов сформулировал «всеобщий естественный закон», повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Авторы закона сохранения энергии в своих рассуждениях опирались на существование некоей «невесомой материи», добавление которой в тело сообщало ему тепло, т. е. на господствовавшей в то время теории теплорода. И хотя Ломоносов был противником теории теплорода, он всё же придерживался мнения, что теплота есть результат движения «нечувствительных частиц» (говоря современным языком, молекул), суть которых не была четко сформулирована. Ломоносов обращает внимание на то, что ни расширение тел по мере нагревания, ни увеличение веса при обжиге, ни фокусировка солнечных лучей линзой не могут быть качественно объяснены теорией теплорода. Связь тепловых явлений с изменениями массы отчасти и породили представление о том, что масса увеличивается вследствие того, что материальный теплород проникает в поры тел и остается там. Но, спрашивает Ломоносов, почему при охлаждении тела теплород остаётся, а сила тепла теряется? Теория теплорода ещё длительное время и после Ломоносова оставалась главной теорией о связи теплоты и механической энергии. Такое существование сразу двух теорий и долгое время непризнание теории Ломоносова продолжалось до начала XX в. 220

Из этого непосредственного существования теплорода следовало, что формулировка о сохранении движения должна распространяться и на тепловое движение, т. е. на передачу теплоты. Дело в том, что в различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Говорят, что возможен переход энергии одного типа в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Ввиду условности деления энергии на различные виды, такое не всегда может быть произведено однозначно. Поэтому для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. При этом каждый закон сохранения однозначно соответствует той или иной симметрии уравнений, описывающих физическую систему. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в гидравлике — это закон Архимеда, в термодинамике — первое начало термодинамики. Первым началом термодинамики явился закон сохранения энергии; «второе начало» заключает в себе ответ на вопрос: «какие условия должны быть выполнены для того, чтобы вообще могло наступить превращение энергии?». Гельмгольц ответил на этот вопрос следующим образом: «чтобы какой-нибудь процесс имел место, необходимо, чтобы существовали разности интенсивностей присутствующих энергий (условие необходимое, но недостаточное)». Но существовавшая теория теплорода в некотором смысле помогла решить несовместимость тепловой энергии и механической работы. К этому времени при описании движения тел уже стали применяться такие понятия как «сила», «действие», «момент действия», «механический эффект», которые характеризовали меру производительности машин. Следующим шагом было уточнение понятий «сила» и «работа». В этой связи следует отметить работы французских ученых Лазара Карно и Жана-Виктора Понселе. Фамилия Карно уже встречалась при описании работ Ньепса. Двум комиссарам было поручено разобраться в изобретении братьев Ньепс. Одним из комиссаров был Лазар Карно. 221

Это имя практически не появляется в научных трудах ни по механике, ни по двигателям, и, тем не менее, о нём стоит упомянуть не только в связи с именем его сына Сади Карно, но и по поводу уточнения им понятий «работа» и «сила» в курсе прикладной механики. Лазар Никола Маргерит Карно (Lazare Nicolas Marguerite Carnot; 1753–1823) — французский государственный и военный деятель, инженер и учёный. Первым предложил название «Комплексное число». После революции 1796 г. был избран в Парижскую академию наук, депутат Законодательного собрания, член Директории. В 1773 г. окончил военную школу и поступил на службу в инженерные войска в чине 1-го лейтенанта. Окончив курс в Мезьерской школе военных инженеров, служил в Кале и в 1784 г. издал сочинение «Опыт о машинах» (фр. Essai sur les machines), заслужившее впоследствии лестную оценку Араго. В том же году Карно представил в Академию наук мемуар о воздухоплавании и получил от Дижонской академии премию. В часы досуга Карно писал также стихи. Как учёный, Карно в основном занимался математическим анализом и геометрией. Будучи членом Директории, он издал (1797) свои «Размышления о метафизике исчисления бесконечно малых» («Réfléxions sur la methaphysique du calcul infinitésimal»), переведённые на английский и немецкий языки. Начиная с 1801 г., Карно написал ряд ценных монографий и мемуаров, представленных Национальному институту, в основании которого (1795) он принимал деятельное участие. Важнейшие из них (также переведены на иностранные языки): «О соотношении геометрических фигур» («De la correlation des figures en géometrie») (1801); «Геометрия положения» («Géométrie de position») (1803); «Principes fondamentaux de l`équilibre et du mouvement» (1803); «De la stabilité des corps flottants» (1814) и др. В 1810 г. Карно издал составленный им по поручению Наполеона «Трактат о защите крепостей» («De la défense des places fortes»), переве222

денное почти на все европейские языки. Углублённо он занимался вопросом надобности комплексных чисел и разбором различных способов обоснования математического анализа. Стал предшественником ЖанаВиктора Понселе в вопросах проективной геометрии. В начале 1814 г. Франции грозило вторжение союзных войск, Карно предложил свои услуги Наполеону и был назначен губернатором Антверпена, оборона которого составляет один из блестящих военных подвигов Карно. Когда Наполеон вернулся с острова Эльбы (20 марта 1815), Карно был назначен министром внутренних дел и возведён в графское достоинство. После битвы при Ватерлоо и вторичного отречения Наполеона Карно был избран членом временного правительства и принимал все меры к предупреждению занятия Парижа союзными войсками. 24 июля 1815 г. правительство Людовика XVIII издало декрет об изгнании Карно. Он поселился в Магдебурге, где и провёл последние годы жизни. В 1834 г. в Антверпене воздвигнут памятник Карно в честь защиты этого города в 1814 г., а в 1881 г. поставлена статуя Карно на его родине Нолэ. В 1889 г. останки перевезены из Магдебурга в Париж и погребены в Пантеоне, где захоронены останки императора Наполеона Бонапарта и его полководцев. Сыновья Карно «разделили между собой» профессии отца: Сади Карно — великий физик, основоположник термодинамики. Ипполит Лазар Карно — политик. Внук Лазара Карно, сын Ипполита, Мари Франсуа Сади Карно, был инженером, политиком и президентом Франции, убит анархистом в 1894 г.

В сочинении французского инженера, учёного и политического деятеля Великой французской революции, сподвижника Наполеона Лазара Карно «Опыт о машинах вообще» (т. е. в курсе прикладной механики), вышедшем в 1784 г., показано, что значение «момента действия определяется произведением силы на путь и на косинус угла между ними». Это общее определение производительности было получено для случая, когда направление силы не совпадает с направлением движения. Это было первое математическое определение количества работы, связанное с силой. Но количество работы Лазар Карно определяет как «момент действия силы». В 1826 г. французский учёный-механик Жан Понселе в «Курсе механики в приложении к машинам» вместо понятия «момент действия силы» впервые ввёл термин «работа», которым стали широко пользоваться при определении производительности машины. 223

Жан-Виктор Понселе (JeanVictor Poncelet; 1788–1867) — французский математик, механик и инженер, создатель проективной геометрии, один из основоположников изучения свойства усталости материалов в материаловедении. Получил образование в Политехнической школе (1807), из которой выпущен подпоручикоминженером. В 1812 г. в чине поручика, после участия в укреплении острова Валхерена, был послан вслед за армией, идущей в Россию. В бою под Красным, тяжело раненый, попал в плен и был приведен в Саратов, где пребывал до возвращения в 1814 г. во Францию. В течение этого времени написал семь тетрадей, изданных впоследствии (1862–1864) под заглавием «Applications d’Analyse et d e Géometrie» (Методы анализа в геометрии). По возвращении был назначен в Мец, где принимал участие в защите города после поражения французских войск при Ватерлоо. С 1815 по 1820 г. он написал «Traité des propriétés projectives des figures». Второй том этого трактата был напечатан в 1866 г., после 2-го издания (1864) первого тома. В «Traité des propriétés projectives des figures» изучаются свойства прямых, кругов и конических сечений, рассматриваемых как центральные или перспективные проекции других фигур того же рода, затем изучаются геометрические свойства многоугольников, вписанных в конические сечения и описанных около них, излагается теория взаимных полюсов и поляр, теория центров подобия фигур, геометрические свойства общих касательных к двум коническим сечениям и взаимно прикасающихся фигур и т. п. Одновременно с занятиями чистой математикой Понселе продолжал свою деятельность в качестве военного инженера и, кроме работ технического характера по строительной механике, занимался исследованиями течения воздуха по трубам, паровой механикой, гидравлическими двигателями и сооружениями, теорией, вопросами о маятнике Фуко, статикой (подъёмный мост с переменным противовесом). В 1835–1827 гг. преподавал практическую механику. Приглашённый в Парижскую академию наук в 1834 г., Понселе был уполномочен устроить преподавание курса прикладной механики. С 1848 по 1850 гг. состоял начальником Политехнической школы. Понселе был членом Национального собрания 1848 г. 224

Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Таким образом, предпосылки к расчёту величины работы машин появились. Требовался ещё один шаг — установление зависимости теплоты и работы, а также условий совершения работы. И этот шаг ознаменовался созданием новой науки — термодинамики. Создателем науки термодинамики и законов создания тепловых машин стал французский физик и военный инженер, старший сын Лазара Карно — Сади Карно.

4.2. «Размышления» Карно о тепловых процессах и тепловых машинах Сын французского графа Лазара Карно в духе традиций того времени получил пышное имя Николя Леонар Сади Карно. Николя Леонар Сади Карно (Nicolas Lеonard Sadi Carnot; 1796–1832) — французский физик и военный инженер, один из основателей термодинамики, родился в Париже в семье видного государственного политического и военного деятеля наполеоновской эпохи, генерала, графа Лазара Карно. В 1812 г. Сади Карно блестяще закончил лицей Карла Великого и поступил в Политехническую школу — лучшее на тот момент учебное заведение Франции. В 1814 г. он закончил её шестым по успеваемости и был направлен в Инженерную школу в городе Мец, после завершения которой в 1816 г. был распределён на службу в инженерный полк, где провёл несколько лет. После её окончания поступил добровольцем в инженерные войска под командование Наполеона Бонапарта, где и нёс службу военного инженера вплоть до падения Наполеона в 1819 г. В 1819 г. выиграл конкурс на замещение вакансии в Главном штабе корпуса в Париже и перебрался туда. Занялся изучением наук, экономики и искусств. Карно посещал лекции в Сорбонне, Коллеж де Франс, Консерватории искусств и ремёсел. Там он познакомился с химиком Никола 225

Клеманом, занимавшимся изучением газов. Общение с ним вызвало интерес у Карно к изучению паровых машин. В 1824 г. вышла первая и единственная работа Сади Карно — «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance). В ней был произведен анализ существующих в то время паровых машин и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2%). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина, идеальный цикл (цикл Карно), обратимость и необратимость термодинамических процессов. В 1828 г. Карно оставил военную службу. Умер в 1832 г. от холеры. По правилам всё его имущество, в том числе и бумаги, было сожжено. Его научное наследие было утрачено. Уцелела только одна записная книжка (у брата Ипполита Лазара Карно) — в ней сформулировано основное начало термодинамики, впоследствии получившее название Второе начало термодинамики. Содержание записной книги Сади Карно стало доступно после выхода второго издания, в котором Ипполитом Карно были сделаны соответствующие дополнения.

4.2.1. О книге Карно «Размышления» В 1824 г. в книгоиздательстве Башелье в Париже был напечатан единственный труд французского физика и математика Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», где автор рассмотрел идеальный термодинамический цикл о «получении движения из тепла». В СССР книга Карно была издана Государственным издательством в 1923 г. и приурочена к 100-летию выхода в свет великого творения французского инженера и математика. Книга считается основополагающей в термодинамике. Но не только этим должна быть знаменита, как ее представляют творцы термодинамики. Книга Сади Карно ответила на главный вопрос — принципы построения двигателя внутреннего сгорания. Внимательно вчитываясь в текст книги, начинаешь понимать, что она написана для тех, кто будет читать, чтобы строить. Но пусть читатель не увидит в этой фразе какого-то умысла повторения названия одноименной книги Ю. В. Кондратюка — автора траектории полёта к Луне американской лунной программы «Апол226

лон» — «трассы Кондратюка». По своему содержанию эти две книги очень похожи по практическому применению. Юрий Васильевич Кондратюк (псевдоним; наст. Александр Игнатьевич Шаргей; 1897–1942) — советский учёный, один из основоположников космонавтики. В начале XX в. рассчитал оптимальную траекторию полёта к Луне. Эти расчёты были использованы NASA в лунной программе «Аполлон». Предложенная в 1916 г. Шаргеем траектория была впоследствии названа «трассой Кондратюка».

В книге «Тем, кто будет читать, чтобы строить» (1919) независимо от Циолковского, вывел основное уравнение движения ракеты, привёл схему и описание четырёхступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе, камеры сгорания двигателя с шахматным и другим расположением форсунок окислителя и горючего, параболоидального сопла и многого другого. В книге «Завоевание межпланетных пространств» (1929) автор изложил последовательность первых этапов освоения космического пространства. Более подробно рассмотрел вопросы, поднятые в его ранней работе «Тем, кто будет читать, чтобы строить». В частности, в книге было предложено использовать для снабжения спутников на околоземной орбите ракетно-артиллерийские системы (в настоящее время это предложение реализовано в виде транспортных грузовых кораблей «Прогресс»). Кроме того, в работе были исследованы вопросы тепловой защиты космических аппаратов при их движении в атмосфере. В начале Великой Отечественной войны Ю. В. Кондратюк пошёл добровольцем в народное ополчение, погиб 25 февраля 1942 г. 227

Когда читаешь книгу и сопоставляешь ее тезисы с современной теорией и конструкцией двигателя, то начинаешь понимать — вот она теория и конструкция двигателя так, как ее можно было описать с уровнем знаний и имеющегося опыта начала XIX в. Но ни сам Карно, ни его книга не были поняты. В книге «Философия научного поиска» А. С. Новиков пишет: «Через несколько дней после опубликования книги, в секции общей физики Парижской академии наук о ней делается сообщение. На этом заседании присутствовали крупнейшие учёные Франции такие, как Лаплас, Ампер, Араго, Гей-Люссак, Пуассон и др. После того, как академик П. Жирар сделал сообщение о содержании работы Карно, никакого обсуждения не состоялось, это означало отсутствия интереса к данной работе. Косвенно это подтверждается ещё и тем, что само сообщение Жирара было опубликовано только в журнале „Revue Encylop“ (1824, т. 23), а не в официальном академическом издании. Никак не отреагировали на книгу Карно и инженеры, напрямую занимавшиеся паровыми машинами. Карно, который вскоре умер от холеры, так и не дождался ни положительных, ни отрицательных отзывов» (Новиков А. С. Философия научного поиска. М.: Урсс, 2009. С. 267). В книге Н. Шпанова «Рождение мотора» (с. 63) говорится, что Ленуаром была обнаружена книга «Поучительная история великого неудачника, или Жизнеописание незадачливого открывателя новых машин и фантаста господина Дени Папена». Сочинил на основании подлинных документов Этьен Дюльби-де-ла-Фош (бакалавр). Отпечатано в Париже в 1812 г. На тыльной стороне переплета книги была сделана рукописная надпись: «Да, он ступил на правильный путь. Не его вина в том, что он смог сделать по этому пути только первый, самый первый шаг. Шаг этот был гениален. Французы не поняли его, как не поймут многого, чему суждено впоследствии перевернуть все представления о науке строения двигательных машин. Мне обидно за Папена, как, вероятно, кому-нибудь будет обидно за меня. Ах, Франция! Как много тебе ещё нужно постичь. Сади Николай Карно, капитан инженеров, 22 августа 1827 г.» 228

В книге Карно смог применить имеющиеся законы физики к тепловой машине, создать теорию и обосновать конструкцию универсального теплового двигателя. В своей работе Карно оперирует таким понятием, как теплород — некой вещественной субстанцией, переносящей теплоту. Тем не менее, размышления Карно с использованием понятия теплорода нисколько не влияют на описанные им процессы передачи теплоты. Более того, он ощущал несовершенства теории теплорода. В примечании, на с. 22, Карно пишет (указанные номера страниц здесь и далее относятся к советскому изданию книги Карно 1923 г.): «…поглощаемые и развиваемые при различных превращениях количества тепла взаимно компенсируются. Это положение никогда не подвергалось сомнению; оно было сперва принято без рассуждений и затем подтверждено многочисленными калориметрическими измерениями. Отрицать его — это значит разрушить всю теорию тепла, основывающуюся на этом положении. Впрочем, заметим мимоходом, основные положения, на которые опирается теория тепла, требует внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории». И далее, рассматривая закон о соотношении количества теплоты и движущей силы, Карно пишет в отношении теплорода и действующей теории тепла (с. 50): «…он (основной закон. — Прим. авт.) опирается на признанную в настоящее время теорию тепла, которая, нужно сознаться, не представляется нам непоколебимой твердости». Позднее Карно отказался от этого термина, но преждевременная смерть не позволила ему до конца разработать новую теорию теплоты. Если бы Карно было суждено довести до конца свои исследования, то, может быть, мы получили бы всецело из его рук основания термодинамики в готовом виде гораздо раньше, чем они были установлены в действительности. Эта книга не имела большого распространения; лишь в 1834 г. Клапейрон обратил на нее внимание и повторил рассуждения Карно в статье того же названия, придав изложению вошедшую с тех пор в общее употребление аналитическую и графическую форму в виде индикаторных диаграмм. Из этой статьи почерпнули своё знакомство с основными идеями Карно Уильям Томсон (впоследствии 229

лорд Кельвин), развивавший их сначала на том же основании вещественной теории теплоты (теплорода), что и Карно, а затем и Клаузиус одновременно с Томсоном сопоставили и сумели соединить в одно целое идеи Карно и принцип эквивалентности теплоты и работы, чем и положили основание современной термодинамики. Работы эти относятся к 1850 и последующим годам. Значимым следствием деятельности Карно явилось, что закон сохранения энергии для механических систем распространил на тепловые процессы. 4.2.2. Цель и задача исследования Целью своих исследований Карно ставил создание теории универсального теплового двигателя. Он считал, что паровая машина не является совершенным устройством, способным стать универсальным двигателем, к созданию которого на протяжении почти двух тысячелетий стремились изобретатели, начиная от Герона и Архимеда и заканчивая безуспешными попытками изобретателей вечных двигателей: «Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством. Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд — такова цель тепловых машин. Изучение этих машин чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико и их распространение растет с каждым днем. Тепловая машина уже обслуживает наши шахты, двигает наши корабли, углубляет гавани и реки, кует железо, обрабатывает дерево, мелет зерно, ткет и прядет наши ткани, переносит самые тяжелые грузы и т. д. Со временем, должно быть, она станет универсальным двигателем, который получит преимущество над силой животных, падающей воды и потоков воздуха» (с. 5). «Если когда-нибудь улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества, и будет играть в промышленности такую роль, всю величину которой трудно переоценить. Ибо она не только заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем 230

производствам, к которым будет применено, быстрое развитие и может даже создать новые производства» (с. 6). Задачу своих исследований Карно формулирует следующим образом: «Часто поднимали вопрос: ограничена или бесконечна движущая сила тепла, существует ли определенная граница для возможных улучшений, граница, которую природа вещей мешает перешагнуть каким бы то ни было способом, — или, напротив, возможны безграничные улучшения? Так же долгое время искали и ищут теперь, не существует ли агентов, предпочтительных водяному пару, для развития движущей силы (работы. — Прим. авт.) огня; не представляет ли, например, атмосферный воздух в этом отношении больших преимуществ. Мы ставим себе задачу подвергнуть здесь эти вопросы внимательному рассмотрению» (с. 8). Уже с самого начала рассуждений различает два понятия — паровые машины, уже нашедшие широкое применение в промышленности, и тепловые машины вообще: последние, по словам Карно, могут употреблять любой агент, водяной пар или что-нибудь другое для развития движущей силы. Трудности, возникающие при решении этой задачи, также были оценены Карно: «Машины, не получающие движение от тепла, а имеющие двигателем силу человека или животных, падение воды, поток воздуха и т. д., могут быть изучены до самых последних деталей посредством теоретической механики. Все случаи предвидены, все возможные движения подведены под общие принципы, прочно установленные и приложимые при всех обстоятельствах. Это — характерное свойство полной теории. Подобная теория, очевидно, отсутствует для тепловых машин. Ее нельзя получить, пока законы физики не будут достаточно расширены и достаточно обобщены, чтобы наперед можно было предвидеть результаты определенного воздействия теплоты на любое тело» (с. 8–9). Для решения поставленной задачи Карно приводит следующую основную характеристику работы паровых машин: «Получение движения в паровых машинах всегда сопровождается одним обстоятельством, на которое мы должны обратить внимание. Это обстоятельство есть восстановление равновесия теплорода, т. е. переход теплорода от тела, температура которого более или менее высока, к другому, где она ниже» (с. 9). 231

В формулировках других учёных это «обстоятельство» Карно стали называть вторым началом термодинамики — ограничением на направление термодинамических процессов. Если обратить большее внимание на эту фразу, то «восстановление равновесия теплорода» есть ничто иное как закон сохранения энергии — первое начало термодинамики. 4.2.3. Невозможность создания вечного двигателя второго рода Если первое начало термодинамики (закон сохранения энергии Лейбница — Ломоносова) накладывает запрет на вечный двигатель первого рода (производить работу, не получая энергию извне), то приведённое «обстоятельство» Карно определённым образом ограничивает превращаемость одних форм энергии в другие и накладывает запрет на вечный двигатель второго рода. Простейшим вечным двигателем второго рода был бы такой, который, получая теплоту от окружающей среды (например, от воды или атмосферного воздуха, содержащих переносящую теплоту вещественную субстанцию теплород), полностью или частично превращал бы её в работу. За счёт теплорода он позволил бы обойтись без какоголибо топлива и без загрязнения окружающей среды. Если бы физики теплоты опиралась на наличие в природе теплорода (вещественной субстанции), то существование вечного двигателя второго рода было бы возможным. По этому вопросу Карно пишет: «Общее и философское понятие „perpetuum mobile“ содержит в себе не только представление о движении, которое после первого толчка продолжается вечно, но действие прибора или какогонибудь собрания таковых, способного развивать в неограниченном количестве движущую силу, способного выводить последовательно из покоя все тела природы, если бы они в нем находились, нарушать в них принцип инерции, способного, наконец, черпать из самого себя силы, чтобы привести в движение всю вселенную, поддерживать и беспрерывно ускорять её движение. Таково было бы действительное создание движущей силы. Если бы оно было возможно, то стало бы бесполезным искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы беспредельно черпать» (с. 15). 232

4.2.4. Об источнике движущей силы Об источнике возникновения движущей силы в тепловой машине Карно устанавливает следующие положения. 1. «Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, но его переходу от горячего тела к холодному, т. е. восстановлению его равновесия, равновесия, которое было нарушено некоторой причиной, будь то химическое действие, как горение, или что-нибудь иное…. Повсюду, где существует разность температур, повсюду, где возможно восстановление теплорода, возможно получение движущей силы. Водяной пар есть одно из средств обнаружить эту силу, но не единственное: все тела природы могут быть применены для этого; все тела способны к изменению объема, к сжатию и расширению при действии тепла и холода; все способны при изменении своего объема побеждать некоторые сопротивления и таким образом развивать движущую силу» (с. 10–11). 2. «Очевидно, теплота может быть причиной движения только тогда, когда она заставляет тела изменять объём или форму; эти изменения происходят не от постоянства температуры, но именно вследствие переменного действия тепла и холода: чтобы нагреть какое-либо тело, надо иметь более тёплое тело, чтобы его охладить — более холодное» (с. 11). 3. «Всякое восстановление равновесия теплорода между холодным и горячим телами может быть причиной возникновения движущей силы, поэтому всякое восстановление равновесия, происходящее без образования этой силы, можно считать за настоящую потерю» (с. 15–16). По словам Карно, если было возможно простое восстановление теплорода без создания движущей силы, то: «…это означало бы беспредельное создание движущей силы без затрат теплорода или каких-либо других агентов. Подобное создание совершенно противоречит общепринятым идеям, законам механики и здравой физики. Оно недопустимо» (с. 15). Последняя фраза опять же накладывает запрет на вечный двигатель второго рода. 4. В отношении величины движущей силы Карно ставит следующий важный вопрос: «Неизменна ли по величине движущая сила 233

тепла, или она меняется вместе с агентом, с помощью которого она развивается, с промежуточной средой, выбранной как орудие действия теплоты?» (с. 11–12). «…спрашивается, будет ли это количество движущей силы обязательно ограниченным, меняется ли оно с веществом, употребляемым для ее проявления, представляет ли водяной пар в этом отношении более или менее значительные преимущества перед парами алкоголя, ртути, перед постоянным газом или каким-либо другим веществом» (с. 12). 4.2.5. Законы Карно 1. О взаимосвязи температуры и объёма. В выводах о возникновении движущей силы Карно было установлено, что изменение объема есть причина движения. Изменение объема связано с изменением температуры агента. Карно окончательно формулирует это основное предложение: «…повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Обратно, повсюду, где можно затратить эту силу, возможно, образовать разность температур, возможно нарушение равновесия теплорода. Удар, трение тел, разве это не суть средства поднять их температуру, привести их в более теплое состояние, чем окружающие предметы, нарушить равновесие теплорода там, где это равновесие прежде существовало? То, что температура газообразных жидкостей повышается при сжатии и понижается при разрежении, есть результат опыта. Вот верное средство изменять температуру тел и нарушать равновесие теплорода столько раз, сколько вздумается, посредством одного и того же тела» (с. 12). В последней фразе говорится об обратных процессах, которые можно характеризовать как циклические или замкнутые. 2. О количестве движущей силы. «После установленных выше положений можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла с силой падающей воды: обе имеют максимум, который нельзя превзойти, какая ни была бы в одном случае машина для использования действия воды, и в другом — вещество, употребляемое для развития силы тепла. Движущая сила падающей воды зависит от высоты падения и количества воды: движущая сила тепла также зависит от количества 234

употребленного теплорода и зависит от того, что можно назвать и что мы на самом деле и будем называть высотою падения, — т. е. от разности температуры тел, между которыми происходит обмен теплорода (так как предмет, о котором идет речь, совершенно нов, то мы вынуждены употреблять выражения, ещё непринятые и, может быть, не обладающие всей желаемой ясностью). При падении воды движущая сила строго пропорциональна разности уровней в верхнем и нижнем резервуаре. При падении теплорода движущая сила без сомнения возрастает с разностью температур между горячим и холодным телами; но мы не знаем, пропорциональна ли она этой разности» (с. 18). 3. О независимости количества движущей силы от природы газа. Основываясь на теории перехода теплорода от более нагретого к менее нагретому телу, Карно делает следующий важный вывод: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном итоге, производится перенос теплорода» (с. 23). «Когда газ переходит от определенных объема и давления к другим, также определенным объему и давлению, не меняя температуры, то количество теплорода, отданного или поглощенного, всегда одно и то же, независимо от природы газа, взятого как предмет опыта. Например, если взять литр воздуха при температуре 100º и при давлении одной атмосферы и его объём увеличить вдвое, но так, чтобы его температура осталась 100º, то ему нужно придать некоторое количество теплоты. Это количество тепла будет точно то же, если мы будем действовать с углекислым газом, азотом, водородом, водяным паром, алкоголем, т. е. если мы будем удваивать объем одного литра этих газов, взятых при температуре 100º и давлении одной атмосферы» (с. 24–25). 4. Относительно коэффициента полезного действия тепловых машин высказанные положения Карно приобрели форму двух теорем, которые совместно эквивалентны Второму началу термодинамики. Первая теорема Карно гласит: коэффициент полезного действия цикла Карно не зависит от природы рабочего вещества и 235

предельных адиабат, а определяется только температурами теплоотдатчика и теплоприемника. Вторая теорема Карно: коэффициент полезного действия необратимой машины меньше коэффициента полезного действия обратимой машины. 4.2.6. Эквивалентность теплоты и работы Можно с уверенностью сказать, что лишь преждевременная смерть на 37-м году жизни помешала Карно закончить предпринятые им дальнейшие исследования по вопросу, которому он посвятил свою книгу. Из опубликованных его братом Ипполитом выдержек из дневника последних лет его жизни (см. факсимиле), ясно видно, что Карно уже совершенно правильно формулировал для себя ту новую точку зрения на природу теплоты, эквивалентность теплоты и работы, которые мы находим лишь десяток лет спустя вполне обоснованно высказанной в работах Роберта Майера (1842), экспериментально подтвержденной Джоулем (начиная с 1843 г.) и распространенной на все области физики Гельмгольцем (1847). Перевод представленного факсимиле Карно гласит: «Тепло — ничто иное как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,70 единиц тепла. Машина, которая производила бы 20 единиц движущей силы на килограмм угля, должна была бы уничтожить 20 ⋅ 2,70 7000 теплоты, развитой горением. 236

20 ⋅ 2,7 8 = 7000 1000 приблизительно, т. е. менее 1/100».

Рис. 4.1. Факсимиле из опубликованных братом Ипполитом выдержек дневника Сади Карно

Самое интересное в этой формулировке то, что она представляет собой численное выражение закона сохранения энергии. По поводу содержания этих строк Анри Пуанкаре в книге «Thermodynamique» (Paris, 1892, с. 51) замечает: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии?». Жюль Анри Пуанкаре (Jules Henri Poincaré; 1854–1912) — французский математик, механик, физик, астроном и философ. Глава Парижской академии наук (1906), член Французской академии (1908) и ещё более 30 академий мира, в том числе иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895). Историки причисляют Анри Пуанкаре к величайшим математикам всех времён. Он считается, наряду с Гильбертом, последним математиком-универсалом, учёным, способным охватить все математические результаты своего времени. Его перу принадлежат более 500 статей и книг. Не будет преувеличением сказать, что не было такой области современной ему математики, «чистой» или «прикладной», которую бы он не обогатил замечательными методами и результатами.

Необходимо также отметить, что значение эквивалента, вычисленное Карно в 2,70 больших калорий на единицу работы, за которую Карно принимает 1000 килограммометров, соответствует 370 килограммометрам на одну большую калорию, что не далеко от истины (427 килограммометров) и совпадает с числом Майера. 4.2.7. Принципы построения тепловой машины: «Тем, кто будет читать, чтобы строить»

Согласно исследованиям Карно в отношении построения идеальной тепловой машины, в конструкции и принципе действия должны учитываться следующие положения. 1. Условие минимального теплообмена. «В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема (изотермический процесс расширения газов в двигателе внутреннего сгорания без теплообмена со стен238

ками цилиндра. — Прим. авт.). Обратно, всякий раз, когда это условие будет выполнено, максимум (максимум движущей силы. — Прим. авт.) будет достигнут. Этот принцип не следует терять из виду при конструировании тепловых машин; это основное условие. Если его нельзя выполнить точно, то следует как можно меньше удаляться от него» (с. 16). Карно поясняет: «Всякое изменение температуры, обязанное не изменению объема или химическим действиям (которое мы здесь впредь исключаем), обязательно происходит от непосредственного перехода теплорода от более или менее нагретого тела к телу более холодному. Этот переход имеет, главным образом, место при соприкосновении тел с различной температурой; такие соприкосновения должны быть уменьшены насколько возможно. Конечно, они не могут быть исключены совершенно; но, по крайней мере, следует стремиться к тому, чтобы соприкасающиеся тела мало разнились друг от друга по температуре» (с. 16). Что имел в виду Карно под фразой «изменение температуры от химического действия»? Примером такого изменения температуры в ходе химических реакций в двигателе внутреннего сгорания (в данном случае уменьшения) является, например, процесс выгорания сажи в камере сгорания, который сопровождается поглощением теплоты сгорания топлива и снижением рабочей температуры цикла. Карно не исследует это явление, считая, что топливо в камере сгорания (топке — по Карно) сгорает полностью без образования побочных продуктов сгорания в виде сажи и отложения нагара. 2. Сбалансированность требований по конструкции и экономичности. Карно, отмечая невозможность сбалансированности всех характеристик двигателя, говорит об основных и второстепенных признаках работы теплового двигателя. «Нельзя надеяться, хотя бы когда-либо практически, использовать всю движущую силу топлива. Попытки, сделанные для приближения к этому результату, будут скорее вредными, чем бесполезными, если они заставят забыть другие важные обстоятельства. Экономия топлива — это лишь одно из условий, которые должны выполнять тепловые машины; при многих обстоятельствах оно второстепенно, оно часто должно уступать первен239

ство надежности, прочности и долговечности машины, малому занимаемому месту, дешевизне ее установки и т. д. В каждом случае суметь использовать должным образом удобства и экономичность, отделить наиболее важные условия от второстепенных, подходящим образом их сбалансировать, чтобы с наиболее простыми средствами достигнуть наилучших результатов, — таковы должны быть основные способности человека, призванного управлять и приводить в согласие между собой работы себе подобных, чтобы заставить их действовать на какое-либо полезное дело» (с. 63–64). 3. Организация рабочего процесса. На путь создания Карно теории превращения тепла в работу повлияло изобретение Нисефором Ньепсом «пирэолофора». И хотя предложение Ньепса не имело практического значения, оно примечательно тем, что, анализируя его, Сади Карно высказал свои взгляды на принципы работы тепловых двигателей, которые стали основополагающими в теории двигателей; изобретение Нисефора Ньепса послужило отправной точкой в создании идеального рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания, названного впоследствии циклом Карно. Следует уточнить, что описания работы машины Ньепса и его патентов нет в истории развития техники. И поэтому судить о том, что же имел в виду Нисефор Ньепс, создавая свою машину, не представляется возможным. Изучая книгу Карно, можно с уверенностью сказать, что в работах Ньепса была описана машина, ставшая прародительницей современного двигателя — в ней был заложен принцип использования избыточного давления газов сгоревшего топлива для совершения работы в отличие от атмосферной машины, использующей давление атмосферы и разрежение от расширения газов сгоревшего топлива. «Нам казалось бы более выгодным действовать не как господа Ньепсы, а сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде, и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся температуры. 240

Главные трудности, встречаемые в этого рода операциях: заключить топку в помещение достаточной крепости и поддерживать при этом горение в должном состоянии, поддерживать различные части аппарата при умеренной температуре и мешать быстрой порче цилиндра и поршня; мы не думаем, чтобы эти трудности были непреодолимы» (с. 60–61). Карно описал идеальный рабочий процесс теплового двигателя на основе двигателя конструкции Ньепсов. 4. О целесообразности необоснованных улучшений тепловой машины. Рассматривая уже имеющийся опыт создания тепловых машин, включая паровые и атмосферные двигатели, Карно заключает: «Здесь (во Франции. — Прим. авт.) строят машины по моделям изобретателей, обращая мало внимания на то, какие мотивы руководили последними. Забывание основ часто вводило в грубые ошибки. Первоначально хорошо задуманная машина портится в руках неопытных строителей, вводящих в нее незначительные улучшения, но пренебрегающих основными условиями, которые они не сумели оценить» (с. 56–57). 5. Принципы организации рабочего процесса и построения тепловой машины: 1) температура газа должна быть первоначально как можно выше, чтобы получить большое падение теплорода и отсюда значительное развитие движущей силы; 2) по той же причине охлаждение должно быть как можно больше; 3) переход упругой жидкости от наиболее высокой температуры к наиболее низкой должен происходить от увеличения объема, т. е. охлаждение газа должно происходить самостоятельно от расширения (с. 52). Паровые машины Уатта работали при сравнительном низком давлении пара. Поэтому Карно считает, что необходимо создавать тепловые машины высокого давления, чтобы максимально использовать падение теплорода для получения максимальной движущей силы: «…преимущества машин высокого давления над машинами более низкого давления: это преимущество, очевидно, лежит в возможности использовать большее падение теплорода» (с. 54). 241

Рассуждения Карно основывались на том, что если бы пар образовался не при атмосферном давлении, а при условиях, при которых он находится, будучи сжат до некоторого объёма, то он продвинул бы поршень, совершая работу, сначала до положения, когда давление пара равнялось бы давлению при его получении в сжатом состоянии. А затем пар продвинул бы поршень до объёма, когда давление пара равнялось бы значению, полученному при его образовании в атмосферных условиях. Движущая сила в этом случае оказывается больше. «Пар же для своего образования потребовал почти равное количество теплорода: только теплород был взят при более высокой температуре» — пишет Карно (с. 56). Для реализации машин высокого давления можно пойти двумя путями — создание машин с двумя или тремя цилиндрами или машин высокого давления с одним цилиндром. О машинах с двумя или тремя цилиндрами: «После рассуждений этого рода стали делать машины с двумя цилиндрами, изобретенные Горнблоуэром и улучшенные Вульфом; они считаются наиболее выгодными в смысле экономии топлива. Эти машины состоят из небольшого цилиндра, наполняющегося при каждом такте более или менее полно паром (иногда целиком) и из второго цилиндра, обычно по объему в четыре раза большего, чем первый, и получающего пар только уже проработавший в первом цилиндре (компаундный двигатель. — Прим. авт.). Таким образом, в конце работы пар, по крайней мере, учетверяет объем. Из второго цилиндра он непосредственно направляется в холодильник, но, понятно, его можно было бы впустить в третий цилиндр вчетверо больше второго, где его объем стал бы в 16 раз больше первоначального. Главные препятствия, мешающие употреблению третьего цилиндра, — это объём, который ему следовало бы придать, и большие отверстия, которые нужно было сделать для прохождения пара. Выгоду двух цилиндров перед одним легко заметить. В одном цилиндре импульс поршня был бы весьма различен в начале и в конце движения. Пришлось бы все части, предназначенные для передачи движения, сделать достаточно прочными, чтобы выдержать начальный импульс, и хорошо пригнать их друг к другу, чтобы они противостояли резким движениям, которым будут подвергнуты; иначе они скоро разрушатся. Именно коромысла, под242

шипники, кривошип, шатун и первые зубчатые колеса наиболее будут чувствовать неодинаковость импульса. Кроме того, цилиндр должен быть достаточно крепким, чтобы выдержать наиболее высокое давление, и достаточно большого объема, чтобы умещать пар после его расширения. Употребляя же два последующих цилиндра, первый необходимо сделать крепким при малых размерах, что легко, а второй — больших размеров без особой прочности. Машины с двумя цилиндрами, хотя и основаны на довольно хороших принципах, часто не дают ожидаемых от них результатов: причина заключается, главным образом, в трудности хорошо подобрать размеры отдельных частей машины, и поэтому они редко находятся в хорошем состоянии. Нет хороших моделей для постройки машин с двумя цилиндрами, в то время как существуют отличные модели для постройки машин системы Уатта. Отсюда проистекает разница в полезном действии машин одного рода и почти полная одинаковость в действии машин другого рода» (с. 57). О тепловых машинах высокого давления с одним цилиндром, Карно пишет: «Кроме машин высокого давления с двумя цилиндрами, о которых мы говорили, существуют ещё машины высокого давления с одним цилиндром. Большинство этих машин было построено двумя искусными английскими инженерами Тревитиком и Вивианом. Эти машины употребляют пар при очень высоком давлении, иногда 8–10 атмосфер [давление пара в употребляемых котлах паровых машин редко превышает 4 или 6 атмосфер (Карно, с. 58. — Прим. авт.)], но они без холодильников. Пар после введения в цилиндр испытывает там значительное увеличение объема, но все же сохраняет давление больше атмосферного. Выполнив свою роль, он выбрасывается в атмосферу. Этот способ равносилен, в смысле полученной движущей силы, способу, при котором конденсация паров производится при 100º. Очевидно, при нём теряется часть полезного действия, но указанные машины выгадывают на отсутствии холодильника и воздушного насоса. Они дешевле других, менее сложны, занимают меньше места, могут употребляться в местах, где нельзя располагать потоком холодной воды, достаточным для конденсации. В таких условиях они имеют неоце243

ненное преимущество, их нельзя заменить другими. Эти машины употребляются, главным образом, в Англии для передвижения вагонеток для перевозки угля по рельсам, как внутри шахт, так и под открытым небом» (с. 58). Руководствуясь своими основными идеями, Карно мог сразу указать на несомненное теоретическое преимущество этих тепловых двигателей перед паровой машиной с точки зрения использования большой разности температур, получаемой при горении. В светильном газе и жидком топливе (спирт и разные нефтяные продукты) мы теперь имеем для этих двигателей топливо, удовлетворяющее всем требованиям, поставленным Карно. Сади Карно в своих «Размышлениях. » дал законченную картину принципов теплопередачи и закона перехода тепловой энергии в механическую (закона сохранения энергии) в тепловых двигателях, установил тепловой эквивалент работы и явился основателем науки термодинамики как науки о двигателях внутреннего сгорания. Именно потому, что в его книге теория тепловых превращений нашла своё практическое применение в теории тепловых машин, Сади Карно стал основателем вновь созданной науки — науки о тепловых двигателях и для тепловых двигателей термодинамики. С развитием термодинамики как науки взгляды Карно получили вполне конкретные формулировки.

4.3. Проблема вечного двигателя в началах термодинамики После появления и осмысления работы Сади Карно о термодинамических процессах основные положения его учения находят более глубокое исследования в трудах других великих ученых. Необходимо было сделать следующий, решающий шаг: найти количественные связи между формами движения, измерить их и распространить на все известные его формы. Но это требовало не только постановки соответствующих экспериментов и правильного осмысления их результатов, но и в первую очередь ниспровержения теории теплорода, ставшей тормозом дальнейшего движения науки. Решить эту задачу удалось только в XIX в. Первыми были Бенуа Клапейрон, Роберт Майер и Джеймс Джоуль. Именно их ра244

боты определили окончательное установление закона сохранения энергии. Усилиями нескольких учёных родилась такая наука, как термодинамика, ставшая исключительным средством в создании универсального двигателя — двигателя внутреннего сгорания. Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. В процессе развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура», и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений. Термодинамика изучает закономерности теплового движения в равновесных системах и при переходе систем в равновесие, а также обобщает эти закономерности на неравновесные системы. Основами термодинамики являются ее начала. Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе. Положения были установлены в результате научных исследований и доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически. Начала термодинамики независимы, т. е. ни одно из них не может быть выведено из других начал. Выработаны четыре начала. Существующий перечень: — первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам; — второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии; — третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия (мера беспорядка системы) ведет себя вблизи абсолютного нуля температур; — нулевым (или общим) началом термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния, в конце концов, приходит к состоянию термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может. 245

Для изучения истории двигателя внутреннего сгорания представляют интерес первое и второе начала термодинамики. Первым ученым, исследовавшим книгу Сади Карно, был французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клапейрон. Первым этапом развития термодинамики как науки послужила работа Бенуа Клапейрона, повторившего в 1834 г. рассуждения Карно. Он впервые ввёл графический метод описания процессов — индикаторные диаграммы в системе координат p — V (давление — объём). Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (Benoît Paul Émile Clapeyron; 1799– 1864) — французский физик и инженер, член Парижской АН (с 1858 г.). Родился в Париже. В 1818 г. окончил Политехническую школу. В 1820–1830 гг. работал в Петербурге в Институте инженеров путей сообщения. После возвращения во Францию был профессором (с 1844 г.) Школы мостов и дорог в Париже. Осуществлял надзор над строительством первой французской железнодорожной линии от Парижа до Версаля и Сен-Жермена. Исследуя цикл Карно, Клапейрон вывел уравнение состояния идеального газа, получившее название Клапейрона — Менделеева. Сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований Уильяма Томсона и Рудольфа Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

В своей работе Карно впервые обратил внимание на то, что только при переходе тепла от тела более нагретого к телу более холодному можно получить полезную работу; и, наоборот, чтобы привести тепло от холодного тела более нагретому, необходимо затратить работу. Эту правильно подмеченную физическую закономерность Карно вывел, анализируя идеальный круговой процесс, который теперь носит его имя — цикл Карно. Цикл Карно в координатах p — V по Клайперону — идеальный круговой процесс, с которым сопоставляют все теоретические цик246

лы, совершающиеся при одних и тех же температурах теплоотдатчиков и теплоприемников. Изменение состояния рабочего тела в цикле Карно происходит бесконечно медленно при следующих условиях. Подвод теплоты при температуре T1 к рабочему агенту в количестве q1 осуществляется так, что он расширяется изотермически по кривой 1–2. Далее рабочий агент расширяется по адиабате 2–3, т. е. без подвода теплоты, а за счет уменьшения внутренней энергии агента. Передача части теплоты в количестве q2 теплоприемнику с температурой T2 (в соответствии со вторым законом термодинамики), происходит изотермически. В цикле Карно по кривой 3–4 происходит изотермическое сжатие. Цикл завершается адиабатой 4–1, т. е. после точки 4 сжатие будет происходить с увеличением внутренней энергии агента. КПД цикла определяется из выражения T −T T ηt = 1 2 = 1 − 1 . T1 T2

Рис. 4.2. Идеальный термодинамический цикл Карно в координатах Клапейрона

Никакой другой термодинамический цикл, работающий в тех же температурных пределах, что и цикл Карно, не может иметь больший по величине термический КПД. Поэтому в цикле Карно 247

при заданных условиях может быть превращено в механическую энергию максимальное количество теплоты. Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики — представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX в. в результате работ английского физика Дж. П. Джоуля, немецкого учёного Ю. Р. Майера и немецкого физика Г. Гельмгольца. «В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным» — Дж. П. Джоуль (1842). Согласно этой формулировке: — энергия не создаётся и не уничтожается; — в любой изолированной системе общее количество энергии постоянно; — количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами. Джеймс Прескотт Джоуль (James Prescott Joule, 1818– 1889) — английский физик, внесший значительный вклад в становление термодинамики. Обосновал на опытах закон сохранения энергии, что обеспечило формулировку первого закона термодинамики. Установил закон, определяющий тепловое действие электрического тока. Вычислил скорость движения молекул газа и установил её зависимость от температуры. Открыл связь между током, текущим через проводник с определённым сопротивлением и выделяющимся при этом количеством теплоты (закон Джоуля — Ленца). Внёс значительный вклад в технику физического эксперимента, усовершенствовал конструкции многих измерительных приборов. Экспериментально и теоретически изучал природу тепла и обнаружил её связь с механической работой. В честь Джоуля названа единица измерения энергии — джоуль: 1 Дж = 1 Н·м. 248

Юлиус Роберт фон Майер (Julius Robert von Mayer; 1814– 1878) — немецкий врач и естествоиспытатель. Изучал медицину в Тюбингене, Мюнхене и Париже. В 1840 г. в качестве судового врача совершил путешествие на остров Яву; по возвращении поселился в родном городе. Майер — один из первых в своей знаменитой работе «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» (Liebig’s «Annalen» XLII, 1842) указал на эквивалентность затрачиваемой работы и производимого тепла и тем обосновал первый закон термодинамики; он же впервые рассчитал, исходя из теоретических оснований, механический эквивалент тепла. Работа эта долго оставалась незамеченной, и лишь в 1862 г. Клаузиус обратил внимание на это исследование Майера и на дальнейшие его работы, полные местами не вполне точных, но весьма остроумных примеров и идей, касающихся закона сохранения энергии в неодушевленной и одушевленной природе. Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (Hermann von Helmholtz; 1821–1894) — немецкий физик, врач, физиолог и психолог. В своих первых научных работах при изучении процессов брожения и теплообразования в живых организмах Гельмгольц приходит к формулировке закона сохранения энергии. В его книге «О сохранении силы» (1847) он формулирует закон сохранения энергии строже и детальнее, чем Роберт Майер в 1842 г., и тем самым вносит существенный вклад в признание этого оспариваемого тогда закона. Позже Гельмгольц формулирует законы сохранения энергии в химических процессах и вводит в 1881 г. понятие свободной энергии — энергии, которую необходимо сообщить телу для приведения его в термодинамическое равновесие с окружающей средой: 249

F = U − TS , где U — внутренняя энергия; S — энтропия; T — температура. В 1888 г. император Германии Фридрих III возвел его в дворянское достоинство, а в 1891 г. уже император Вильгельм II пожаловал его чином действительного тайного советника, титулом Excellenz и орденом Чёрного Орла. В том же году удостоился высшей награды Франции — звезды ордена Почётного легиона. Город Берлин избрал его своим почётным гражданином. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Поэтому возникла и другая трактовка первого начала термодинамики: «Невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, т. е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия». Вечный двигатель первого рода — устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов. Согласно закону сохранения энергии все попытки создать такой двигатель обречены на провал. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода постулируется в термодинамике как первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам). Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, т. е. оно зависит только от начального и конечного состояния системы (принцип Карно) и не зависит от способа, которым осуществляется переход. Закон сохранения энергии подразумевает, что внутренняя энергия U может изменяться только под влиянием внешних воздействий, т. е. в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы (–А): U 2 − U1 = Q + ( − A) или Q = A + ΔU . Любая машина может совершить работу над внешними телами только за счет изменения внутренней энергии или получения извне 250

некоторого количества теплоты. Теплота, полученная системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил. Для описания термодинамических процессов первого начала термодинамики недостаточно. Выражая общий закон сохранения и превращения энергии, не позволяет определить направление протекания процессов. Поэтому направление определяется вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках классической термодинамики. Создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Второе начало термодинамики накладывает ограничение на направление процессов, которые могут происходить в термодинамических системах. Существуют несколько эквивалентных формулировок второго закона термодинамики: постулаты Клаузиуса, Томсона и Больцмана. В работе «О движущей силе теплоты и о законах, которые можно отсюда получить для теории теплоты», опубликованной в 1850 г., Клаузиус сформулировал утверждение, которое позднее назвал тепловой аксиомой: «Теплота сама собой не может переходить от тела холодного к телу горячему». Тепловая аксиома Клаузиуса стала первой формулировкой второго начала термодинамики, ныне известной сейчас как формулировка Клаузиуса. Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (Rudolf Julius Emanuel Clausius, имя при рожд. — Рудольф Готтлиб — Rudolf Gottlieb; 1822–1888) — немецкий физик, механик и математик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Клаузиус первым понял и проанализировал глубокие идеи Карно и оценил их значение для теории теплоты и тепловых машин. Развивая эти идеи, Клаузиус в 1850 г. (одновременно с У. Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики; «Теплота не может сама собою перейти от более холодного 251

тела к более тёплому». Клаузиус доказал, что не существует способа передачи теплоты от более холодного тела к более нагретому без того, чтобы в природе не произошло каких-либо изменений, которые могли бы компенсировать такой переход. В 1865 г. Клаузиус ввёл понятие энтропии. Ошибочно распространив принцип возрастания энтропии замкнутой системы на всю Вселенную, Клаузиус высказал мысль о тепловой смерти Вселенной.

Уильям Томсон сформулировал второе начало термодинамики в 1851 г. в работе «О динамической теории теплоты» независимо от Рудольфа Клаузиуса. Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможно при помощи неодушевлённого материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». Уильям Томсон, лорд Кельвин (William Thomson, 1st Baron Kelvin; 1824– 1907) — британский физик и механик. В круг интересов учёного входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Ещё студентом он опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики; разработал метод «зеркальных изображений» для решения задач электростатики (1846). Познакомившись с теорией Карно, Томсон высказал идею абсолютной термодинамической шкалы (1848). Он сформулировал второе начало термодинамики (1851); заложил основы теории электромагнитных колебаний и в 1853 г. вывел зависимость периода собственных колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). В 1856 г. открыл третий термодинамический эффект (эффект Томсона).

К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при 252

всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путём охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть вечным двигателем 2-го рода. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой). Вечный двигатель второго рода — машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел. Невозможность осуществления вечного двигателя второго рода постулируется в термодинамике в качестве одной из эквивалентных формулировок второго начала термодинамики. В работе «О динамической теории теплоты» Томпсона излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые. был открыто провозглашен в работе Юлиуса Майера „Замечания о силах неживой природы“». Третья формулировка второго начала термодинамики, приписываемая австрийскому физику Людвигу Больцману, пожалуй, наиболее известна. Третья формулировка основывается на понятии энтропии, введённом Клаузиусом: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии). «Невозможно получить работу за счёт энергии тел, находящихся в равновесии, так как невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия». Это положение было закреплено формулировкой Больцмана. 253

Людвиг Больцман (Ludwig Eduard Boltzmann, 1844–1906) — австрийский физиктеоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), членкорреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других. Вывел функцию распределения, названную его именем, и основное кинетическое уравнение газов, ввёл количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел — энтропию (1865), дал (1872) статистическое обоснование второго начала термодинамики. Вывел один из законов теплового излучения (закон Стефана — Больцмана), Людвиг Больцман считается основоположником молекулярно-кинетической теории и статистической механики.

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также является постулатом. Энтропия — в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Самопроизвольный процесс всегда сопровождается рассеянием энергии в окружающую среду и повышением энтропии. Энтропия возрастает при переходе вещества из твердого состояния в жидкое и далее в газообразное. Энтропия уменьшается с увеличением твердости вещества. Если энтропия возрасла, то в такой системе увеличился беспорядок. И наоборот. Термодинамическая энтропия — термодинамическая функция, характеризующая меру неупорядоченности термодинамической системы, т. е. неоднородность расположения и движения её частиц. Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 г. для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно. 254

где dS — приращение энтропии; δQ — минимальная теплота, подведённая к системе; T — абсолютная температура процесса. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лёд — в нём молекулы воды упорядочены, будучи включёнными в кристаллическую решётку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лёд, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. И снова мы видим пример необратимого природного физического явления. Важно понимать, что речь не идёт о том, что в этой формулировке второе начало термодинамики провозглашает, что энтропия не может снижаться нигде и никогда. В конце концов, растопленный лед можно поместить обратно в морозильную камеру и снова заморозить. Смысл в том, что энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — т. е. в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Работающий холодильник не является изолированной замкнутой системой, поскольку он подключён к сети электропитания и получает энергию извне — в конечном счёте от электростанций, её производящих. Замкнутой системой будет холодильник, проводка, местная трансформаторная подстанция, единая сеть энергоснабжения, электростанции. И поскольку рост энтропии в результате беспорядочного испарения из градирен электростанции многократно превышает снижение энтропии за счет кристаллизации льда в холодильнике, второе начало термодинамики ни в коей мере не нарушается.

4.4. Отрицание действия второго закона термодинамики В 1906 г. немецкий физико-химик В. Г. Нернст сформулировал свою знаменитую тепловую теорему, ставшую третьим началом термодинамики. Тем самым завершено аксиоматическое построение классической термодинамики. 255

Логическая стройность равновесной термодинамики, основанной на четырех началах, породила мнение, что термодинамика уже доведена до своего окончательного завершения. Эту точку зрения целиком поддерживал Нернст, считавший, что развитие термодинамики закончилось. Такой взгляд не выдержал испытания временем. История науки свидетельствует, что всякая глубокая научная идея не может быть исчерпана до конца. Более того, сама идея развивается и обогащается по мере углубления наших знаний. Именно так обстоит дело с термодинамикой. Теорема Нернста подвела итог развитию классической равновесной термодинамики. Этот этап термодинамики сыграл выдающуюся роль в истории науки. Классический этап развития термодинамики кроме формулировки основных начал и анализа вытекающих из них следствий оставил нам в наследство программу действий, связанную прежде всего с необходимостью описания неравновесных процессов. Первая часть этой программы выполнена на основе созданной в 30–40-х гг. прошлого столетия линейной неравновесной термодинамики. Задача завтрашнего дня термодинамики — создание феноменологической теории описания нелинейных неравновесных процессов. Поверхностное знакомство с термодинамикой создает впечатление, что это простая наука. Такое впечатление обманчиво, глубины термодинамики начинают просматриваться только при внимательном рассмотрении. Теорема Нернста, как уже говорилось во введении, завершила построение классической термодинамики. Термодинамика смогла перейти к проблемам сегодняшнего дня, решение которых привело к созданию новой области — неравновесной термодинамики. Область применения классической термодинамики установлена и известны принципы, лежащие в ее основе, но в самой равновесной термодинамике ещё остаются области, которые требуют дальнейшего развития. Сюда относятся термодинамика реальных тел (сжатых газов, жидкостей, кристаллов), дисперсных систем, химических процессов в расплавах, концентрированных растворах, сильно сжатых газовых фазах, оптических явлений и т. д. Предсказать все многочисленные пути развития равновесной термодина256

мики невозможно. Они диктуются потребностями техники, прогресс которой труднопредсказуем. Постулаты второго начала термодинамики, установленные на основе обобщения опытных фактов и получившие многочисленные экспериментальные подтверждения, в XX в. стали подвергаться критике. Это может породить вторую волну поиска вечного двигателя второго рода. Классическую термодинамику Клаузиуса издавна называют королевой наук. Это замечательная научная система, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом. Последние слова принадлежат М. Планку. Такую славу она снискала благодаря предельной широте и универсальности своего фундамента — первого и второго начал, которым призвано подчиняться все сущее. Именно поэтому термодинамике было суждено сыграть роль стартовой площадки при разработке общей теории природы. Рудольф Клаузиус доказал, что тепло может непосредственно (без преобразований!) переходить только от горячих тел к холодным. Это называется вторым началом термодинамики. Конечно, с помощью преобразователей энергии — машин — можно передать тепло от холодных тел горячим. Но это происходит с преобразованиями форм энергии и, опять же, с переходом части её в низкотемпературное тепло. А чтобы обратно — от холодных к горячим, — так тепло не ходит, хотя принципиального запрета на это нет. Последняя фраза как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, позволяли теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру — ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причём не боялись при этом нагревания, теплового загрязнения окружающей среды и, разумеется, тепловой смерти нашего Мира. Решить такую задачу, правда, по-своему, попытался ещё в 1871 г. великий английский учёный Джеймс Максвелл. Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell; 1831–1879) — британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвел257

ла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и др.). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость — газ и др.).

Он приписал функции подобного механизма некоему фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла» (Фейнман P. Характер физических законов // Библиотечка «КВАНТ», Вып. 62. М.: Наука. 1987. 2-е изд., испр. Лекция 5. Различие прошлого и будущего). Это существо, утверждал учёный, обладает столь изощрёнными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в её движениях и знать её скорость. Если взять сосуд, разделённый перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы в перегородке, мы можем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. «Демон» будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные — в другую, тогда в одной части сосуда и температура, и давление окажутся выше, чем в другой, т. е. мы без затраты работы получим неограниченный запас энергии. «Демон Максвелла», придуманный более 100 лет назад, и ныне будоражит умы людей. Много раз учёные убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, не имеющая никакой реальной основы игра воображения. Действительно, если бы в сосуде были всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала. Академик А. Ф. Иоффе оценил возможность процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут ещё восемь258

десят четыре нуля. Это гораздо меньше вероятности получения в столкновении «Москвича» и «Запорожца» совершенно нового «Мерседеса». Страсти не унимаются, приверженцы «демона» стараются найти все новые аргументы в его защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной проблеме «демона Максвелла», всерьез говорится о том, что роль «демона» в разделении молекул с разной энергией взял на себя квантовый генератор — лазер, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных. Утверждают, что разделение молекул по скоростям в потоке молекул газа происходит в вакуумной камере под воздействием гравитационного поля Земли: в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые. Заявляют, что измерения температуры кипения жидкости в различных ее частях показали отклонения, достигающие десятков градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», они могли возникнуть? До сих пор нет ни строгих доказательств возможности перехода тепла от холодных тел к горячим, или, как этот процесс иногда называют, энергетической или тепловой инверсии, ни строгих его опровержений, что и подогревает интерес к дальнейшим поискам. Эту идею перехода тепла от менее нагретых к более нагретым поддерживал и К. Э. Циолковский, который сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам рассеяния, поэтому получается «вечный круговорот материи», вечно возрождающаяся юность Вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода — вот задача, которую он ставил. Циолковский Константин Эдуардович (1857–1935) — русский учёный и изобретатель в области аэро- и ракетодинамики, теории самолёта и дирижабля; основоположник современной космонавтики. В детстве почти полностью потерял слух и с 14 лет учился самостоятельно; в 1879 г. экстерном сдал экзамен на звание учителя и в 1880 г. назначен учителем арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии, всю жизнь преподавал физику и математику (с 1892 г. в Калуге). 259

Не зная об уже сделанных открытиях, он в 1880–1881 гг. написал работу «Теория газов», в которой изложил основы кинетической теории. В 1883 г. его первые работы «Теория газов», «Механика подобно изменяемого организма» и «Продолжительность лучеиспускания Солнца» получили хорошие отзывы известных учёных И. М. Сеченова и А. Г. Столетова. Вскоре Циолковский был принят в Русское физико-химическое общество. Основные работы Циолковского после 1884 г. были связаны с четырьмя большими проблемами: научным обоснованием цельнометаллического аэростата (дирижабля), обтекаемого аэроплана, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. С 1896 г. систематически занимался теорией движения реактивных аппаратов и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. В 1903 г. появилось знаменитое сочинение Циолковского — «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором ученый впервые указал, что межпланетные сообщения могут быть осуществлены только при помощи ракетных устройств. Некоторые его выводы легли в основу современной теории ракетных двигателей и получили название «формул Циолковского». После Октябрьской революции 1917 г. Циолковский работал над созданием теории полёта реактивных самолётов, изобрёл схему газотурбинного двигателя; в 1927 г. опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке.

Вот как описывает отрицание второго закона термодинамики Циолковский в книге «Второе начало термодинамики», изданной в 1914 г.: «Мир существует давно, даже трудно предположить, чтобы он когда-нибудь не существовал. А если он уже существует бесконечное время, то давно бы должно наступить уравнение температур, угасание Солнц и всеобщая смерть. А раз этого нет, то и закона нет, а есть только явление, часто повторяющееся. Также невозможным оказывается отрицать и perpetuum mobile второго рода, ибо сам мир не отрицает этого. Вот как важен этот спор о втором начале термодинамики! 260

Против постулата Клаузиуса возражали Him, Rankine, Holtzman, Eddi и другие. Позволим и мы себе привести некоторые возражения, игнорируя ненаучные оговорки постулата и споря, собственно, против чрезмерно усердных его последователей. Представим себе определенную, хотя может быть и очень низкую температуру пространства и вообще вселенной. Вообразим себе в этом пространстве изолированную световым эфиром массу какого-нибудь газа при той же температуре. Я утверждаю, что температура газа не останется постоянной, несмотря на её первоначальную равномерность. Наружные её части охладятся, за счёт чего нагреются центральные части. Последние, путём лучеиспускания (если масса теплопрозрачна) и теплопроводности, будут нагревать охлаждённые периферические слои, но нарушенная равномерность температур не вполне восстановится. Получится, так сказать, подвижное равновесие, причём окружающее пространство с его веществом (другие небесные тела предполагаются при той же температуре) ещё нагревают охлаждённые периферические слои, а затем, от этого, повысится ещё и температура центральных масс газа, так что он извлечёт некоторое количество тепла из внешнего пространства. Не касаясь сущности эфира, смотрю на него, как на передатчика энергии; как таковой, — он существует. Причина этого предполагаемого мною явления — всемирное тяготение». Существование второго закона термодинамики пытался отрицать также в XIX в. американец Чарльз Триплер. Чарльз Триплер (Charles Tripler; 1849– 1906) — американский физик, изобретатель, занимался изучением физических явлений. Им создана частная физическая лаборатория. Экспериментировал в области электричества и механики, а позднее при исследовании свойств газов. Величайшим достижением является работа по сжижению атмосферного воздуха. Пытался создать вечный двигатель, который работал бы вопреки второму закону термодинамики. 261

Дениел Херинг в своей книге «Причуды и заблуждения науки» напоминает, что к 1895 г. газы стали сжижаться с меньшими трудностями и затратами, чем ранее, благодаря использованию так называемого регенеративного метода. Несколькими годами позже Чарлз Триплер из Нью-Йорка сконструировал аппарат, позволявший сжижать значительное количество воздуха. В марте 1899 г. в журнале «Макклюрз мэгэзин» появилась научно-популярная статья, посвященная лаборатории Триплера и проводимым им замечательным работам. Статья была написана членом редакционной коллегии журнала Реем Стенардом Бейкером и содержала ошеломляющие выводы. Автор опровергал верность второго закона термодинамики и провозглашал Триплера создателем вечного двигателя, приводя собственные слова изобретателя: «Использовав в своей машине три галлона воздуха, я получил в ожижителе около десяти галлонов жидкости. Таким образом, возникла прибавка в 7 галлонов, которая ничего мне не стоила и которую я могу использовать где угодно для совершения полезной работы». Идея Триплера состояла в следующем. Под действием температуры окружающей среды сильно охлаждённый сжиженный воздух будет превращаться в пар. Давление в котле двигателя резко увеличится, и двигатель запустится, будет сжижать новую увеличенную порцию воздуха, которая далее используется для совершения полезной работы. Использование воздуха для работы двигателя не представляло ни теоретических, ни практических трудностей. В соответствии с законами термодинамики как для сжижения воздуха, так и для обратного превращения его в газ с нормальным давлением и температурой требуются одинаковые (в сумме равные нулю) затраты энергии. Тем не менее, Чарлз Триплер упорно настаивал на своём и предлагал проверить осенившую его идею в лабораторных условиях. При посредничестве Бейкера журнал «Макклюрз мэгэзин» пригласил двух профессоров, возглавлявших факультеты физики и химии в крупном университете, посетить лабораторию Триплера. Визит, хотя и сделанный по взаимному соглашению, пришёлся на неудобное для Триплера время и, по существу, ничего не дал, если не считать нескольких критических замечаний, высказанных профессорами в адрес изобретателя. Но об этом журнал не сообщил своим читателям, и идея использования сжиженного воздуха продолжала 262

завоевывать все новых сторонников. Ниспровергатели второго закона термодинамики торжествовали. Триплер предпочитал не называть своё изобретение проектом вечного двигателя, настойчиво утверждая, что внешним источником энергии являлось тепло окружающего воздуха. При этом он категорически отрицал необходимость дополнительных затрат энергии для снижения температуры рабочего объёма воздуха ниже температуры окружающей среды. Надежды на создание вечного двигателя, работающего на жидком воздухе, несмотря на всю их сомнительность, были весьма привлекательны, и сторонники идеи Триплера ещё некоторое время продолжали верить в успех его изобретения. Прошло несколько лет, пока идея, казавшаяся исключением из неумолимо действовавшего закона, была признана заблуждением и, наконец, отвергнута вовсе.

4.5. Термодинамика и марксисты Основные труды марксизма были созданы после утверждения термодинамики. Более того, она была внимательно изучена классиками и по своему значению поставлена в один ряд с эволюционным учением Ч. Дарвина. К. Маркс очень быстро воспринял многие важные мысли Карно. Иной была реакция в отношении второго начала термодинамики, которое утверждало невозможность бесконечного использования энергии Вселенной, накладывало ограничения на идею прогресса. Дело было не в незнании, а в активном отрицании. В письме Марксу от 21 марта 1869 г. Энгельс называет концепцию энтропии «нелепейшей теорией»: «Я жду теперь только, что попы ухватятся за эту теорию как за последнее слово материализма. Ничего глупее нельзя придумать. И все же теория эта считается тончайшим и высшим завершением материализма. А господа эти скорее сконструируют себе мир, который начинается нелепостью и нелепостью кончается, чем согласятся видеть в этих нелепых выводах доказательство того, что их так называемый закон природы известен им до сих пор лишь наполовину. Но эта теория страшно распространяется в Германии» [10, т. 32, с. 228–229]. 263

Более развернутое отрицание Энгельс сформулировал в «Диалектике природы»: «Клаузиус — если я правильно понял — доказывает, что мир сотворён, следовательно, что материя сотворима, следовательно, что она уничтожима, следовательно, что и сила (соответственно, движение) сотворима и уничтожима, следовательно, что всё учение о «сохранении силы» бессмыслица, — следовательно, что и все его выводы из этого учения тоже бессмыслица. В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т.д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно. Энтропия не может уничтожаться естественным путём, но зато может создаваться». В особом разделе «Излучение теплоты в мировое пространство» Энгельс пишет: «Превращение движения и неуничтожимость его открыты лишь каких-нибудь 30 лет тому назад, а дальнейшие выводы из этого развиты лишь в самое последнее время. Вопрос о том, что делается с потерянной как будто бы теплотой, поставлен, так сказать, без уверток лишь с 1867 г. (Клаузиус). Неудивительно, что он ещё не решён; возможно, что пройдёт ещё немало времени, пока мы своими скромными средствами добьёмся его решения. Кругооборота здесь не получается, и он не получится до тех пор, пока не будет открыто, что излученная теплота может быть вновь использована». В другом месте «Диалектики природы» он пишет: «Излучённая в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путём, — путём, установление которого будет когдато в будущем задачей естествознания, — превратится в другую форму движения, в которой она может снова сосредоточиться и начать активно функционировать. Тем самым отпадет главная трудность, стоявшая на пути к признанию обратного превращения отживших солнц в раскаленную туманность». Энгельс специально подчеркивает, что видит выход в том, что можно будет «вновь использовать» излученную теплоту: «Вопрос будет окончательно решен лишь в том случае, если будет показано, каким образом излученная в мировое пространство теплота становится снова используемой». 264

Идеология неограниченного прогресса не только заставила классиков марксизма отвергнуть главный вывод термодинамики (и создаваемую ею новую картину мира), но и пойти вспять, возродив веру в вечный двигатель второго рода. Огромный культурный и философский смысл второго начала, который либеральная политэкономия просто игнорировала, марксизм отверг активно и сознательно. Был пройден важный перекрёсток в траектории общественной мысли индустриальной цивилизации. Краеугольный камень неприятия Энгельсом и марксизмом второго начала термодинамики (на самом деле лишь его трактовки) заключался в том, что последнее ставило предел, причем фундаментальный, возможностям превращения энергии (а значит и материи) из одного вида в другой.

4.6. Термодинамика новейшего времени Второе начало термодинамики создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Классическая термодинамика незнакома со временем и пространством: она признает только такие понятия, как покой (равновесие), для которого не существует времени, и однородность, для которой безразлична протяжённость в пространстве. Чтобы справиться с указанной трудностью, Онзагером была предложена термодинамика необратимых процессов, уже содержавшая и время, и пространство, и эффекты выделения теплоты трения в необратимых (неравновесных) процессах. Это был революционный шаг принципиальной важности. Теория Онзагера попрежнему имеет в своей основе второй закон классической термодинамики, с помощью которого вводится понятие энтропии, справедливой только для состояния равновесия. Ларс Онзагер (Lars Onsager; 1903– 1976) — норвежско-американский физхимик и физик, лауреат Нобелев265

ской премии по химии (1968). Известен как создатель теории необратимых реакций, а также автор точного решения двумерной модели Изинга. Основные работы Онзагера охватывают теорию необратимых процессов, теорию фазовых переходов, теорию электролитов. Вывел (1926) уравнение электропроводности Онзагера. Открыл (1931) принцип симметрии кинетических коэффициентов, послуживший основой феноменологической термодинамики неравновесных процессов. Предложил теорию квантовых вихрей в сверхтекучем гелии. Теорема Онзагера — утверждение о симметричности матрицы феноменологических коэффициентов, связывающей термодинамические потоки, являющиеся количественным описанием необратимых термодинамических явлений и силы, являющиеся количественным описанием причин, вызывающих необратимые термодинамические явления.

Строго говоря, применение термодинамики Онзагера ограничивается лишь процессами, бесконечно мало отклоняющимися от состояний равновесия. Это направление получило широкое развитие, особенно в рамках нидерландско-бельгийской школы; термодинамика необратимых процессов стала именоваться термодинамикой неравновесных процессов, но фундамент её не претерпел изменений. Другой путь был предложен советским учёным Вейником, на котором он, прежде всего, отказался от услуг энтропии, а следовательно, и второго закона термодинамики. Как и в теории Онзагера, Вейником была уже использована термодинамика, содержавшая время, пространство и эффекты выделения теплоты трения в неравновесных (необратимых) процессах. При этом сразу же отпали все диктуемые ими ограничения и запреты. Иное звучание приобрело и само понятие необратимости, так как все реальные процессы с трением в конечном итоге оказываются полностью обратимыми. Новая термодинамическая теория применима для любых реальных процессов при любом их отклонении от состояния равновесия. В ходе развития термодинамика реальных процессов благодаря своей универсальности постепенно, по мере накопления теоретических выводов и подтверждающих их экспериментальных фактов, переросла в «общую термодинамическую теорию природы» Вейника. 266

Альберт-Виктор Иозефович Вейник (1919–1996) — советский теплофизик. Членкорреспондент Академии наук Белорусской ССР (1956), доктор технических наук (1953), профессор (1955). Известен как один из основоположников теории тепломассопереноса и теплофизики литья, а также как автор непризнанной научным сообществом теории термодинамики реальных процессов. Её основные положения сформулированы в книге, вышедшей в 1991 г. В монографии приводится нетрадиционное определение пространства и времени (считая время объектом), а также способы управления ими. Описаны устройства, работа которых, по мнению автора, нарушает второй закон термодинамики Клаузиуса, третий закон механики Ньютона и закон сохранения количества движения. Делается попытка объяснения физического механизма, так называемых аномальных явлений (полтергейст, НЛО и т. п.). В книге не только рассматривается общая теория природы, но утверждается, что все описанные явления — некий единый феномен, порождаемый сверхтонким миром, который проникает в нас и манипулирует нашими сознанием и здоровьем.

Исходя из простого тезиса о том, что Вселенная состоит из веществ, учёный пришел к выводу, что существуют объекты вещественные, но невидимые, не ощутимые человеком, и не имеющие ни размеров, ни массы. За долгие годы исследований академик в домашних условиях опытным путём обнаружил тепловое, магнитное, электрическое, ротационное (вращательное) и вибрационное вещества. Теоретически Вейник пришёл к выводу, что существует видимое ощутимое вещество, наделяющее все тела массой и объемом — метрическое вещество. Кроме метрического вещества существует хрональное вещество (от греч. хронос — время), отвечающее за скорость протекания всех процессов внутри и вблизи тел, в состав которых оно входит. В одном из интервью журналу «Знания — сила» Вейник следующим образом высказал своё отношение к законам термодинамики: «…Пространство и время со времен Ньютона считается чемто вроде пустых ящиков без стенок. То есть всё сущее находится в этих ящиках. Я же считаю, что пространство — это вещество. 267

И время — это такая же категория, как давление, температура, электрический потенциал, скорость. Словом, всё это величины, которыми можно управлять. Заряжая тела и разряжая с помощью хронального вещества, я могу увеличивать темп процесса и замедлять. Наше привычное время, которым мы пользуемся, реально не существует. Его придумал человек для рациональной организации общества. В закон Ньютона входит реальное физическое время, в законы переноса — электропроводности Ома, теплопроводности Фурье, уравнения Максвелла — условное эталонное. Это сделано для того, чтобы можно было сравнить эффективность различных технических устройств. Ко всему этому я пришёл, разбирая основы „своей“ отрасли — термодинамики. У термодинамики есть первый и второй законы, которым подчиняется вся Вселенная. Ещё в 1950 г. я высказал предположение, что второй закон термодинамики не соответствует закону сохранения энергии, т. е. первому закону. Первое начало говорит, что энергия Мира сохраняется постоянной, и все процессы — мыслимые и немыслимые — подчиняются закону сохранения энергии: если она откуда-то забирается, то обязательно куда-то переходит. Она не может ни уничтожиться, ни возникнуть „из ничего“. Второй закон термодинамики говорит, что вся энергия деградирует (деградация — другими словами, самоуничтожение. Трактовка, никаким образом не связанная с трактовкой второго закона о направленности движения тепловой энергии. — Прим. авт.). Ещё Клаузиус в 1835 г. отметил, что если течёт электричество, то выделяется теплота трения, движется жидкость — выделяется теплота от трения. Он высказал предположение, что рано или поздно все формы движения материи — теплота, электричество, магнетизм превратятся в теплоту, которая равномерно рассеется, и в результате наступит тепловая смерть Вселенной. Я стал разбираться и пришёл к выводу, что природа второго закона термодинамики „не знает“. Мы говорим, что теплота есть хаотическое движение частиц. Это не так. Как и электричество, она порождается особым веществом, особым тепловым зарядом, о чём я уже говорил. Я его так и назвал термическим зарядом и на основе этого развил термодинамику. Там нет второго закона, а значит и нет тепловой смерти». 268

Данная теория вызвала массу споров и критики как подрывающая основы современной физики. Рождению «Общей теории природы» способствовало новое понимание времени и пространства, которые вошли в теорию в составе неизвестных ранее хронального и метрического явлений. Видимый мир резко преобразился: из одномерного, каким казался, он вдруг превратился в многомерный с этажами различной тонкости, способными проникать друг в друга и взаимодействовать друг с другом по определённым правилам, среди которых решающую роль играют уже не физические законы, а духовные, моральные и нравственные установления — это нечто принципиально новое, с чем ранее сталкиваться не приходилось. В интервью журналу «Свет» (№ 1, 1991) «Нуль-пространство» А. И. Вейник пишет: «Например, у меня нет второго закона термодинамики с его энтропией и пресловутой тепловой смертью мира. Это толкнуло меня создать более 20 типов устройств (ПД), реально нарушающих второй закон. В них я преобразую теплоту окружающего воздуха в электроэнергию с коэффициентом полезного действия (КПД) 100 процентов. Недалеко время, когда мы сможем отапливать и освещать свои квартиры бесплатной теплотой уличного воздуха, даже если за окном минус пятьдесят, и ездить на машинах, использующих ту же даровую теплоту, — что может быть чище в экологическом смысле!? А тепловая смерть мира (по Клаузиусу, из-за наличия трения „все формы движения превращаются в теплоту и в ней находят свою смерть“) в принципе невозможна, ибо в моих ПД именно теплота трения превращается в другие формы движения. …Должен признаться, что мои ПД пока развивают ничтожные (в полном соответствии со вложенными средствами. ) мощности и силы, но, находясь «под водой» (критика и запреты учёного мира. — Прим. авт.), мне приходилось больше помышлять о глотке воздуха, нежели о том, чтобы облагодетельствовать человечество бесплатной энергией и способностью летать на безопорных движителях. Но для начала важно было хотя бы раскрепостить мысль и фантазию, на которых тяжкой могильной плитой покоились второй закон термодинамики, закон сохранения количества движения. ». 19 февраля 1969 г. в «Литературной газете» опубликована статья доктора физико-математических наук из Института химической 269

физики им. Н. Н. Семёнова АН СССР А. С. Компанейца под названием «Оберегая, а не отстраняясь!» с резкой критикой Министерства высшего образования БССР. В статье о теории Вейника сказано как о «химерах невежества», «мутных потоках ахинеи». В апреле 1969 г. в журнале «Успехи физических наук» опубликована статья Л. П. Питаевского и И. М. Халатникова «Первый молоток» о Вейнике, посвящённая его учебнику «Термодинамика» (3-е изд.), где говорилось: «Самое удивительное в том, что этот средневековый схоластический бред был издан тиражом 15 000 экземпляров и рекомендован Министерством высшего и среднего специального образования БССР в качестве учебного пособия для студентов университетов, технических и педагогических вузов». (И. М. Халатников, Л. П. Питаевский. Первый молоток. По поводу книги А. И. Вейника «Термодинамика». 3-е изд., перераб. и доп. Минск: Вышейшая школа. 1968. 463 с. // Успехи физических наук. 1969. № 4) Философ науки В. С. Степин в статье «Наука и лженаука» (журнал «Науковедение» № 1, 2000 г.) отмечает: «В конце 1970-х — начале 1980-х гг. член-корреспондент Белорусской академии наук Вейник напечатал ряд одиозных книг, в которых излагал некую „общую теорию движения“. Истоком его притязаний было применение им формул теории электрического потенциала при решении ряда задач термодинамики литья. Он посчитал, что открыл универсальные формулы, описывающие любой вид движения. И с этих позиций объявил о революционных изменениях в науке. В написанном им учебном пособии по физике все прежние знания предлагалось по-новому сформулировать, а поскольку в эти формулировки не укладывалась почти вся современная физика, то теория относительности, квантовая механика были отброшены как несоответствующие новому подходу. Характерно, что на критику он отвечал примерно так: „В науке революционные идеи признаются не сразу, но пройдет время, и выяснится, что за моими идеями будущее“. Такого рода „аргументация“ часто используется адептами различных псевдонаучных концепций и современными изобретателями вечного двигателя. Совершенно очевидно, что подобные «революционеры» создают неадекватные образы самой науки. ». 270

Глава 5 Рождение двигателя внутреннего сгорания 5.1. Предпосылки к рождению двигателя внутреннего сгорания Своего рода «венцом» развития атмосферных двигателей стал двигатель Ленуара. Он провел патентно-информационные исследования, касающиеся двигателей внутреннего сгорания, и создал двигатель, в котором нашли отражение все лучшие, с его точки зрения, технические решения, апробированные на практике. В итоге его газовый двигатель, запатентованный в 1860 г., был двигателем двойного действия, имел водяную систему охлаждения цилиндра, кривошипно-шатунный механизм преобразования движения, золотниковое газораспределение (золотник приводился от эксцентриков на валу двигателя), электрическую систему зажигания (медно-цинковые батареи, катушки Румкорфа и автоматический распределитель зажигания). Только одно не осмелился применить Ленуар — предварительное сжатие смеси в цилиндре. И это не упущение. При анализе известных в то время двигателей Ленуар специально останавливался на вопросе предварительного сжатия газовоздушной смеси в цилиндре перед ее зажиганием. Но теории двигателей внутреннего сгорания тогда ещё не существовало. Доводы Карно о необходимости предварительного сжатия в цилиндре, изложенные в его книге, были лишь предположением, основанным на интуиции. Судя по книге Н. Н. Шпатова «Рождение мотора» (ОГИЗ, 1934), Ленуар не только был знаком с книгой Сади Карно «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», но и тщательно изучал её. Не менее внимательно он читал и книгу Э. Дюльби де-ла-Фоша «Поучительная история великого неудачника, или Жизнеописание незадачливого открывателя новых машин и фантаста господина Дени Папена» с автографом Карно, в котором последний по заслугам оценивает деятельность Папена. Поэтому Ленуар не без оснований считал, что данная книга относится к художественной литературе, т. е. в ней не исключен авторский вымысел. Проанализировав вопрос о необходимости предварительного сжатия, который был высказан ещё в 1801 г. в патенте Лебона, он считал, что сжатие — это повторение ошибки Лебона. «Зачем усложнять конструкцию ради возможности предварительного сжатия смеси? 271

Нужно ли это вообще? Что это даёт? Эти вопросы для меня не ясны. С этим придётся разбираться», — писал Ленуар в своих заметках. Но, к сожалению, так и не разобрался в вопросе до конца жизни. Тем не менее честь создания первого коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару.

5.2. Двигатель Ленуара В 1860 г. Жан Ленуар изобрёл и запатентовал двухтактный двигатель внутреннего сгорания с электрическими свечами зажигания, работающий на угольном газе. Ленуар Жан Этьен (Lenoir Jean Etienne; 1822–1900) — бельгийский механик, изобретатель двигателя внутреннего сгорания. Родился в местечке Мюси-ля-Виль (Бельгия). Большую часть жизни посвятил исследованиям в области механики, электротехники и химии. Его отец, бельгийский промышленник, умер, когда мальчику было восемь лет. Юношей Ленуар пешком пришёл в Париж, чтобы поступить в Политехническую школу и стать инженером. Не сдав экзамены, вынужден был оставить свою мечту стать инженером и начал работать официантом в довольно непритязательном ресторане «Холостой парижанин». Среди завсегдатаев заведения часто встречались владельцы мастерских и механики. Так, подавая закуски и разнося спиртное, молодой человек жил проблемами механиков и инженеров, а в его голове уже начинал рождаться смелый план по принципиальному усовершенствованию такой диковинки, как двигатель. Затем Ленуар устроился на предприятие «Мариони» (Marioni), выпускавшее входившие тогда в моду среди небогатых парижских ремесленников покрытые драгоценными металлами медные копии известных ювелирных украшений. Сделал несколько изобретений, на которые не взял патентов. Найдя удачный способ гальванопластического покрытия круглых предметов, оформил на него патент и выторговал у хозяина процент за его использование. Получив постоянный доход и познакомившись с работами Дени Папена и Сади Карно, смог, наконец, заняться конструированием двигателя. Вскоре, оставив место гарсона, Ленуар поступил на работу в одну из мастерских, где его обязанностью стало составление новых эмалей. Примерно через год, по272

ссорившись с хозяином, Ленуар стал механиком-одиночкой, чинившим всё подряд — от экипажей до отхожих мест и кухонной утвари.

Рис. 5.1. Патент Ленуара 273

Поработав какое-то время и не добившись ни благодарности, ни денег, он поступил в механическое и литейное заведение итальянца Мариони, которое с помощью Ленуара преобразилось в гальванопластическую мастерскую. Наконец-то Ленуар начал вести безбедную жизнь и получил возможности для экспериментального изобретательства. В то время он создал свои вариации маломощного электромотора, регулятора динамомашин, водомера. Ленуар запатентовал все свои изобретения и продолжал опыты. Широко используя инженерный опыт своих предшественников, Ленуар приблизился к схеме паровой машины двойного действия. Первый, опытный образец двигателя приятно удивил Ленуара и его спонсора Мариони своей бесшумностью. Были и минусы — он слишком быстро нагревался во время работы и требовал принципиально другого охлаждения. Из-за юридической промашки машина Ленуара была опечатана, именно это подтолкнуло его к созданию собственной фирмы. И очень скоро начала работу фирма по выпуску газовых двигателей «Ленуар и Ко». Мотор Ленуара, мощностью в 4 лошадиные силы, производили французские фирмы «Маринони», «Лефевр», «Готье» и немецкая фирма «Кун». В 1860 г. Ленуар получил патент на своё изобретение, и в том же году с двигателем познакомился немецкий инженер Отто, создавший впоследствии вместе с Лангеном фирму для производства таких двигателей. Именно эта фирма, поначалу прославившая труд Ленуара, впоследствии отнимет его лавры. Машина Ленуара с успехом демонстрировалась на Парижской выставке 1862 г. Французский журнал «Иллюстрасьон» предложил публике чертёж и описание омнибуса Ленуара — трехколесного восьмиместного экипажа с этим двигателем. Это было интересное время — время инженерных дерзаний и неисчерпаемых идей и возможностей. Самые смелые и революционные решения не давали покоя гениальным «технарям» по всему свету — впереди была эра прогресса. В декабре 1872 г. газовый двигатель Ленуара был установлен на дирижабле, испытания прошли успешно. Но слава Ленуара была недолгой — уже в 1878 г. его обошли немцы — шумная и громоздкая 4-тактная машина его бывшего коллеги Отто с большим вертикальным колесом маховика работала с КПД, равным 16%, тогда как в двухтактном двигателе Ленуара он достиг лишь 5%. Безусловно, рекорд был побит. Но таково было время — изобретения и невиданные ранее технологии каждый день потрясали мир, а впереди было ещё столько всего! И всё же заслуга Ленуара как одного из изобретателей двигателя внутреннего сгорания очевидна. Двигатель имел большой коммерческий успех. Использовался для различных целей. Было построено около 274

500 двигателей Ленуара. Из других его изобретений наиболее известен железнодорожный телеграф. Жан Жозеф Этьен Ленуар умер 4 августа 1900 г. Он не был богат и не был знаменит, был лишь одним из тех, кто приблизил прогресс, не получив ни славы, ни денег.

Из простого парижского безработного через путь неудавшегося ремесленника и официанта к создателю двигателя внутреннего сгорания — это история жизни изобретателя первого двигателя внутреннего сгорания Жана Этьена Ленуара, рождённого в семье промышленного купца Батиста Ленуара в городке Мюсси-ля-Вилль в Люксембурге. Развитие мелкой промышленности упиралось в невозможность мелких фабрикантов иметь свои двигатели. Двигатели, которые можно было бы ставить в любом месте города, в любом доме. Такие, которые бы не требовали опасного парового котла, из труб которых не вырывались бы клубы чёрного дыма — предмета постоянных гонений полиции. Им нужны были машины, не требовавшие большого обслуживающего персонала и специальных зданий для установки. Ленуар отверг путь усовершенствования гениального, но громоздкого сооружения Уатта. Хотя современное Ленуару машиностроение и придало этой машине гораздо более совершенные формы, она оставалась все ещё достаточно неудобной. Ленуар знал, что наличие опасного парового котла и присутствие топки исключает возможность применения этой машины в маленьких городских производствах. Так же как машина Уатта освободила мануфактуру от кабалы рек и позволила ставить станки в любом городе, так, по мысли Ленуара, некая новая машина должна была освободить мелкую промышленность из плена топки и парового котла. Первым толчком к новому подходу в строительстве такой машины послужила обнаруженная Ленуаром в развалах букинистов на набережной Малакэ в Париже книга под названием: «Поучительная история великого неудачника, или Жизнеописание незадачливого открывателя новых машин и фантаста господина Дени Папена. Сочинил на основании подлинных документов Этьен Дюльби де-ла-Фош (баккалавр). Отпечатано в Париже, 1812». 275

Эта книга явилась описанием первой, хотя и неудачной, но исторически зарегистрированной попыткой осуществления идеи двигателя внутреннего сгорания изобретателем паровой машины Дени Папеном (Шпанов, с. 3). Во всяком случае, у историков двигателей внутреннего сгорания упоминается именно эта книга. Сади Карно, гениальный автор выпущенной в 1824 г. книги «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу», положившей начало основам термодинамики как науки, одобрял путь, выбранный достопочтенным Папеном: взрывная машина — это путь к решению задачи создания нового типа двигателя. Прочитанная книга для Жана Ленуара была открытием особенно важным. Теперь он знал не только о том, что попытка создать двигатель, о котором он мечтал, действительно была сделана и, причем раньше, чем можно было предполагать, но знал даже и средства, которыми пытались осуществить эту попытку. Это было существенно. Особенно приятно было Ленуару, что именно ему попал в руки экземпляр книги с надписью «самого капитана Сади Карно». Но даже при наличии средств осуществления идеи постройки двигателя, задача оказалась труднее, чем думал Ленуар. После современного Папену и Гюйгенсу периода рождения идеи двигателя внутреннего сгорания, прошло более столетия, а техника едва только вступила на путь приложения этой замечательной идеи; только ещё начиналась техническая разработка новых типов машин, оформление в движущийся металл самых первых робких нащупываний изобретательской мысли. Собственно говоря, то, что сделано Папеном даже нельзя было назвать изобретением. Это, скорее, открытие. Открыта некая техническая «Америка», но сами открыватели не знают, зачем она открыта и что нужно с нею делать. Огромная изобретательская работа была проделана после того Лебоном, Броуном, Барнеттом, Дрэком и др. Они искали основные формы машины. Они проделали опыты, показавшие несостоятельность некоторых направлений. И им принадлежала честь изобретения ряда деталей, которые не только остаются пригодными для того, что намерен строить Ленуар, но, вероятно, перейдут к его потомкам. Строго говоря, изобретены все основные части новой машины: цилиндр, поршень, передача к валу, подача горючего и газораспределение; наконец, вполне основательно сделан и выбор наиболее при276

годного для того времени топлива — светильного газа. Остается так скомпоновать детали, чтобы заставить машину работать. Двигатель внутреннего сгорания, в данном случае газовый двигатель, уже изобретен, нужно сделать его работоспособным. Но таков закон жизни, что все-таки изобретателями будут считаться не давшие наиболее совершенные формы деталей, а тот, кто сумел сколотить их в крепкую, способную работать машину и пустить ее в ход. Ленуар занялся исключительно изысканиями в области применения светильного газа в такого рода двигательных машинах. Светильный газ оказался тем самым видом горючего, который, по мнению Ленуара, следовало использовать в машинах взрывного типа. Изучение попыток создания взрывного двигателя с применением какого-либо иного вида топлива для сжигания внутри цилиндра были немногочисленны и неудачны, и Ленуар вовсе не принимал их во внимание. Он пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил создать двигатель на основе этой идеи. В начале 1860 г., почти 50 лет спустя после пуска первого газового завода Филиппа Лебона, Ленуару удалось осуществить жизненную конструкцию двигателя для использования каменноугольного газа. Ленуар, используя проложенные другими изобретателями путями, умелым совмещением и опытной проверкой отдельных известных принципов первый создал практически годный газовый двигатель. Двигатель не был оригинальным, и его не считали настоящим изобретением, так как Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. В статье фабриканта Лефевра (M. Lefevre) от 1864 г. имеются следующие сведения: «В двигателе Ленуара применен поршень по патенту Стрита (Street); двигатель двойного действия без промежуточной передачи, как и двигатель Лебона (Lebon), вспышка в нем производится электрической искрой, как и в двигателе Риваз (Rivaz); он может работать на легко летучих топливах, как это было предложено Геркскин-Хазардом (HerskineHazard); пожалуй, можно даже у Табольта (Talbot) найти идею дискового распределения. Зато в двигателе Ленуара газ и воздух засасывались самим поршнем без предварительного смешения их, всегда опасного и связанного с применением насосов, — в этом 277

и заключается запатентованная особенность двигателя, которую нельзя отрицать». Двигатель Ленуара оказался первым практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение. По своей компоновке и конструкции имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона. Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр, в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания. Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня. Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра. Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратнопоступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара попадает в группу атмосферных двигателей. Двигатель имел следующие технические особенности: светильный газ и воздух подавались в цилиндр двигателя по отдельности, 278

и только в цилиндре двигателя происходило их перемешивание. Этим двигатель Ленуара отличался от двигателя Лебона, в котором смешивание газа и воздуха происходило в отдельной смесительной камере. Две электрические свечи, вставленные с обеих сторон в цилиндр двигателя, поочерёдно обеспечивали воспламенение воздушно-газовой смеси в обеих камерах цилиндра. В систему зажигания входили медно-цинковые батареи, катушка Румкорфа (прабабушка современных батарейных систем зажигания) и автоматический ползунковый распределитель зажигания. Этот примитивный распределитель, в отличие от современных механических распределителей зажигания, не распределял искру между цилиндрами многоцилиндрового двигателя, а распределял искру между двумя свечами, установленными в противоположные полости одного цилиндра двигателя двухстороннего действия. Двигатель Ленуара был двухстороннего действия, воздушногазовая смесь поочерёдно подавалась с обеих сторон поршня. Рабочий цикл осуществлялся за два движения поршня. На первом такте происходил впуск смеси в цилиндр, воспламенение и расширение (силовая часть) воздушно-топливной смеси в цилиндре. На следующем такте отработавшие газы выходили из цилиндра. Переключение между выпуском и впуском осуществлялось золотниковым клапаном, который в свою очередь приводился в движение при помощи эксцентрикового кулачка, установленного на вал отбора мощности. Создать сразу работающий двигатель оказалось не так просто. Первая модель двигателя проработала очень короткий промежуток времени, поскольку поршень заклинило в цилиндре по причине перегрева. Для устранения этой неисправности в следующей модели двигателя Ленуар предусмотрел водяное охлаждение (чего не было на паровых машинах). Но сразу выявилась следующая неисправность, двигатель не удалось запустить, поскольку поршень очень тяжело перемещался в цилиндре. Эту проблему Ленуар решил, добавив в конструкцию двигателя систему смазки. В результате этих улучшений третий вариант двигателя, наконец, заработал. Скорость вращения колебалась в довольно широких пределах (от 102 до 140 об/мин). Мощность двигателя была чуть больше 0,5 л. с. при диаметре цилиндра 120 мм и ходе поршня 100 мм. Преимущество двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе, по сравнению с паровым, заключалось в более 279

лёгкой эксплуатации газового двигателя. Быстро запускался, был более безопасным, поскольку он не имел парового котла с высоким давлением пара и не имел топки. Но при этом двигатель внутреннего сгорания не стал легче парового и мог использоваться только как стационарный. Светильный газ был очень дорог, а двигатель Ленуара отличался особой прожорливостью, каждая единица мощности обходилась владельцу в семь раз дороже парового. На выработку мощности одной лошадиной силы в течение часа двигатель потреблял не менее 3 кубических метров газа. Поскольку большая часть тепловой энергии уходила вместе с выпускными газами, коэффициент полезного действия двигателя не превышал 4%. После того как скорость вращения поднималась до 100 об/мин, по причине неудовлетворительной работы электрического зажигания, появлялись пропуски воспламенения. А для охлаждения двигателя требовалось 120 м³ воды в час, так как во время работы двигателя выделялось большое количество теплоты. Температура горящего газа поднималась до 800ºС, выпускной золотниковый клапан перегревался, и происходило заклинивание клапана. Подшипники двигателя требовали обильной смазки, даже при небольшом уменьшении двигатель заклинивало. В то время относительно двигателя Ленуара существовала злая шутка, что этот двигатель работает не на газе, а на масле. Учитывая выше сказанное, двигатель Ленуара был крайне непрактичным механизмом. Несмотря на все присущие этому двигателю недостатки, на тот момент это был единственный практически работающий двигатель внутреннего сгорания, использующий в виде топлива светильный газ. После того как в 1864 г. двигатель Ленуара получил приз на всемирной выставке в Париже, популярность его быстро увеличилась. Только за 1864 г. было построено не менее 300 двигателей. Двигатель Ленуара позволил заменить паровую машину там, где её применение было затруднительно. Опытный период был весьма коротким: уже через 8 месяцев после выдачи основного французского патента (от 24 января 1860 г.) в одной французской мастерской работал односильный двигатель Ленуара. Первый двигатель имел диаметр цилиндра 75 мм при ходе поршня 140 мм и по внешности, и по устройству он напоминал паровую машину. Он не имел рубашки охлаждения, но 280

был уже двойного действия и с электрическим запалом. На половине длины цилиндра через его стенку проходила запальная свеча, между платиновыми остриями которой непрерывно проскакивала искра; она освобождалась поршнем на половине хода и производила таким образом запал смеси поочередно то в передней, то в задней полости цилиндра. Всасывание и выхлоп управлялись двумя, расположенными вдоль цилиндра с двух сторон, плоскими золотниками обычного типа, работавшими от эксцентриков. Принцип работы прост: смесь, с помощью одного золотникового устройства, попеременно подавалась в полости цилиндра и поджигалась от «свечи», а через другой золотник выбрасывались отработанные газы. В зависимости от положения золотника, окна 4 и 5 сообщаются с замкнутым пространством 6 окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.

Рис. 5.2. Золотник: 1 — золотник; 2 — шатун; 3 — корпус золотника; 4 и 5 — окна; 6 — замкнутое пространство; 7 — полость, связанная с атмосферой.

Нижний золотник поочередно подавал воздух и газ в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Верхний золотник служил для выпускания отработанных газов. Газ и воздух подводились к золотнику по отдельным каналам. Всасывание сме281

си в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась электрической искрой. Сгорая, она расширялась и действовала на поршень, производя полезную работу. После окончания реакции второй золотник сообщал цилиндр с выхлопной трубкой. Тем временем происходило воспламенение смеси с другой стороны поршня. Он начинал двигаться назад, вытесняя отработанные газы. В изображенном положении поршня двигателя Ленуара, построенном в 1861 г. заводом Куна, золотник a в левой полости цилиндра открывает щель для засасывания газо-воздушной смеси, а в правой полости золотник b открывает щель для выпуска сгоревших газов. Впускной золотник a приводится в движение от коленчатого вала посредством движущего в кожухе из листового железа между двумя направляющими роликами кулака; выхлопной золотник b работает от обычного эксцентрика. На половине хода поршня золотник a закрывает щель для впуска смеси в левую полость; сейчас же вслед за этим скользящий контакт c, закреплённый на передней стороне крейцкопфа, замыкает ток между шинами d и d′; с этого момента в запальнике e проскакивают искры до тех пор, пока контакт c при обратном движении не соскользнет опять с шины d′ и не включит через шину d″ правую запальную свечу e′. Воспламененная смесь вспыхивает, создавая давление примерно в 4, самое большее 5 избыточных атмосфер; в момент перехода через мёртвую точку сгоревшие газы выпускаются с конечным давлением около 0,5 избыточных атмосфер. Одновременно с открытием левого выхлопного канала происходит закрытие правого золотником b; вслед затем в очищенный поршнем от сгоревших газов правой полости цилиндра повторяются описанные выше процессы засасывания и сгорания. Число оборотов в изображённом двигателе, как у всех двигателей Ленуара первых годов, регулировалось вручную перестановкой газового крана f; автоматическое изменение количества поступающего газа от центробежного регулятора Маринони удалось осуществить лишь позднее, после долгих попыток. Для индицирования запального тока служил индуктор Румкорфа, для возбуждения которого употреблялись два больших элемента Бунзена. Элементы через каждые 3 или 4 дня требовали нового заполнения серной или соляной кислотой. 282

Рис. 5.3. Двигатель Ленуара, построенный в 1861 г. заводом Куна (Штутгард, Германия)

Цилиндр и крышка требовали весьма интенсивного охлаждения; большей частью нагретая вода выпускалась без дальнейшего использования, но иногда Ленуар применял испарительное охлаждение с обратной конденсацией и циркуляцией воды. Особенно сильно от высокой температуры сгорания и отходящих газов страдал выхлопной золотник — деталь, вызывающая наибольшие сомнения. При самой богатой по составу смеси или при максимальной нагрузке температура выхлопных газов достигала 800ºС, и часто трение в золотниках, несмотря на чрезмерную смазку, становилось столь значительным, что из-за этого двигатель останавливался. Каждое изменение в поступлении смазки имело следствием заметное изменение числа оборотов. В крупных моделях к моменту начала выхлопа через выхлопной золотник в цилиндр впрыскивалось небольшое количество воды для понижения температуры отходящих газов до их прохода через золотник. Двигатель Ленуара выполнялся мощностью примерно 12 э. л. с.; указанные ещё в первые дни в рекламе стосильные двигатели остались существовать только на бумаге. Появлявшиеся летом 1860 г. первые сообщения о новом двигателе были проникнуты сильными преувеличениями и почти всегда заканчивались предсказанием полного вытеснения паровых машин. Строители и продавцы двигателя, долгое время препятствующие точным наблюдениям, объявили наугад расход газа в 0,45– 0,50 м3 (450–500 л) на эффективную лошадиную силу и, исходя из этого, подсчитали чрезвычайно заманчивую стоимость эксплуатации. Казалось, что применению пара пришёл конец. Но тут стали поступать результаты испытаний беспристрастными испытателями и не менее неопровержимые счета на газ владельцам двигателей с шестикратным, по сравнению с обещанным, расходом. Всеобщему воодушевлению пришёл конец. Как до этого в похвалах, так теперь и в критике двигателя не знали границ, и вместе с недостатками отрицались и действительно хорошие качества первого газового двигателя. Это был пожиратель газа и смазочного масла, имевший при значительном колебании нагрузки нарушавшую работу неравномерность хода и несколько ненадёжное образование вспышки. С другой стороны двигатель был очень нетребователен в смысле монтажа и обслуживания, всегда готов к пуску, более дешев по своей первоначальной стоимости, чем паровая установка, и не свя284

зан стеснительными условиями работы. В мелких или работающих с частыми перерывами предприятиях, где расходы на газ не достигают крупной суммы, двигатель Ленуара был, следовательно, весьма пригоден, а в некоторых случаях даже действительно имел преимущества перед паровой машиной. В конце концов, его конструкция и общее выполнение, после преодоления «детских» болезней, оказались вполне надёжными и заслуживающими доверия; за это говорит и то, что ещё долго после появления четырехтактного двигателя Отто можно было встретить двигатель Ленуара в регулярной ежедневной эксплуатации. Эксплуатационные испытания для определения основных характеристик двигателя Ленуара были проведены в 1861 г. инженером Максом Эйтом (Max Eyth), работавшим в то время на фирме Куна, над опытным двигателем с диаметром цилиндра 108 мм и ходом поршня 167 мм. Результаты испытаний представлены в таблице. Результаты испытаний двигателя Ленуара, проведенные Эйтом на двигателе завода Куна (Германия) № опыта 1 2 3 4 Частота вращения, об/мин 130 105 100 105 Эффективная мощность, кгм х. х. 22,4 36,4 52,2 Расход газа, м3/э. л. с. 1,2 5,45 4,19 2,82 Содержание газа в смеси, % 3,6 5,6 7,1 6,8 Давление сгорания избыточное, атм 2,0 2,5 3,5 4,5 Среднее эффективное давление ре, — — — 1,02 кг/см² — 2,3 3,0 4,45 Эффективный КПД, ηе% Теплотворная способность топлива принята: Ни = 5000 кал/м³

5 100 60,2 2,89 8,4 5,0 1,19 4,35

Примачения. х. х. — холостой ход (данные взяты из табл. 165. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания. Их работа, конструкция и проектирование. Ч. II. М.: МАКИЗ, 1928. С. 714).

В опыте 5 при максимальном значении развиваемой двигателем мощности, несмотря на обильную смазку, двигатель остановился уже через 14 мин из-за чрезмерного нагрева и соответствующей перегрузки. Имеющееся на диаграмме холостого хода понижение давления между моментом прекращения впуска и вспышкой почти совершенно исчезает при максимальной нагрузке из-за меньшей скорости и большого подогрева свежей смеси. Из-за бедности смеси, 285

большой скорости поршня в момент вспышки и неблагоприятного положения запальной свечи линия сгорания поднимается лишь постепенно, так что двигатель работает спокойно, несмотря на то, что вспышка имеет место на половине хода. Лишь при богатых смесях возникают вредные стуки, так как в этом случае сгорание происходит быстрее, а сильно нагруженный двигатель работает медленнее.

Рис. 5.4. Индикаторная диаграмма при максимальном давлении сгорания для опыта 5

Данные таблицы подтверждают высокий, почти в 6 раз превышающий, по сравнению с заявленным ранее, расход газа.

Рис. 5.5. Индикаторные диаграммы холостого хода для опыта 1

Представленные на рисунках индикаторные диаграммы имеют волнообразную линию расширения. Это объясняется главным образом колебаниями индикатора, вследствие этого давление сгорания на диаграммах преувеличены, а действительных ход кривых должен соответствовать намеченным штриховым линиям. 286

Испытания двигателя Ленуара французского происхождения, проведённые испытателем Треска (Tresca) для двигателей с различными диаметрами поршня, представлены в соответствующей таблице. Опыт 1 в течение 1 ч 50 мин прерывался трижды из-за неполадок в зажигании. Для четвертого опыта расход газа составил 2,7 м3 на индикаторную лошадиную силу, откуда индикаторный коэффициент полезного действия составил 4,25% и механический коэффициент полезного действия 85,5%. Последняя цифра для двигателя Ленуара безусловно слишком высока. Из сравнения величин ре в приведённых таблицах видно, что испытывавшийся Эйтом двигатель должен был быть весьма хорошо построен и находиться в чрезвычайно хорошем рабочем состоянии, так как его удельная мощность в два раза превышает таковую машин французского происхождения. Тепловые потери с охлаждающей водой, естественно, очень велики, так как воспламененная без предварительного сжатия смесь заполняет при сгорании половину объема цилиндра и догорает до конца хода. Результаты испытаний двигателя Ленуара, проведенные Треска на двигателями французского происхождения № опыта 1 2 3 Диаметр цилиндра, мм 300 160 Ход поршня, мм 300 300 Частота вращения, об/мин 7 81 Эффективная мощность, э. л. с. 1,85 1,42 1,02 Расход газа, м3/э. л. с. 2,71 3,43 2,88 Содержание газа в смеси, % 8,3 — — Давление сгорания избыточное, 6,0 6,0 4,87 атм Среднее эффективное давление ре, 0,425 0,33 0,47 кг/см² Эффективный КПД, % 4,65 3,67 4,36 Тепло, унесённое с охлаждающей — 17600 17100 водой, кал/э. л. с. Часовой расход смазки, кг/ч 0,5 — 0,4 Теплотворная способность топлива принята: Ни = 5000 кал/м3 287

4 180 100 130 0,57 3,48 10 5,0 0,39 3,62 11000 —

Насколько эта теплоотдача значительна по величине и продолжительна по времени, видно из диаграммы, снятой с двигателя Ленуара диаметром цилиндра 210 мм, ходом поршня 420 об/мин, работающего при частоте вращения 45 об/мин. Линия расширения протекает круче адиабаты, быстро удаляясь от неё, примерно по закону pv4 = const. На диаграмме видны также несколько запоздалых вспышек незадолго до начала выхлопа, доказывающие ненадежность рабочего процесса и зажигания.

Рис. 5.6. Диаграмма двигателя Ленуара по испытаниям Треска

Большинство выпускаемых двигателей имели мощность 3 л. с., но в производстве был ряд двигателей, мощностью от 0,5 до 6 л. с. Первоначально спрос на двигатели был достаточно высоким, только во Франции было выпущено от 300 до 400 двигателей, около 100 двигателей было выпущено в Англии, двигатели выпускались и в Америке, но точное количество выпушенных в Америке двигателей не известно. Двигатель Ленуара не оправдал возложенных на него ожиданий, да и рекламных заявлений, рассыпаемых Ленуаром, и его популярность исчезла так же быстро, как и появилась. Ленуар не смог обеспечить модернизацию и усовершенствование работающего двигателя. К концу 1860-х гг. производство атмосферных двигателей конструкции Ленуара было прекращено. Более того, никто больше не рисковал применять на двигателе внутреннего сгорания ненадёжную систему электрического зажигания, повсеместно стало стандартом применение зажигания при помощи открытого пламени, 288

вплоть до 1888 г., когда появились зажигание при помощи накалённой головки или калильной трубки. В 1867 г. на рынке появляются значительно более экономичные и удобные в эксплуатации двигатели внутреннего сгорания, и спрос на двигатели Ленуара сразу упал. В общей сложности на рынок было выпущено более пяти тысяч двигателей Ленуара, нашедших применение в мелких мастерских. Позднее Ленуар усовершенствовал двигатель, снабдив системами водяного охлаждения и смазки. Только тогда двигатель начал работать, а мастерская получать заказы. Система зажигания часто давала сбои, наладить смазку золотника при температуре 800ºС так и не удалось. КПД двигателя едва достигал 4%, он потреблял огромное количество смазки и газа. Тем не менее двигатель внутреннего сгорания быстро получил распространение. В 1864 г. было выпущено уже больше 300 двигателей разной мощности. Разбогатев, Жан Ленуар перестал работать над усовершенствованием машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто. Первые двигатели внутреннего сгорания конструкции Ленуара: 1) конструктивно повторяли строение паровых машин; 2) в рабочем процессе двойного действия, так же, как и у паровых машин для избежания перегрева золотника, использовался впрыск воды в цилиндр двигателя в ходе расширения продуктов сгорания; 3) газ и воздух засасывались самим поршнем без предварительного смешения их, всегда опасного и связанного с применением насосов; 4) экономичность работы двигателя без предварительного сжатия рабочей смеси была очень низкой; 5) частота вращения вала двигателя уменьшалась с увеличением его мощности. В 1863 г. Ленуар модернизировал свой двигатель. Модернизированный двигатель работал не на газовом топливе, а на керосине, на двигатель был установлен примитивный карбюратор. Этот двигатель Ленуар установил на простейшую повозку, на которой проехал более 50 км. Французский журнал «Иллюстрасьон» предложил публике чертёж и описание омнибуса Ленуара — трёхколесного восьмиместного экипажа с газовым двигателем, на котором Ленуар совершал прогулки по Венсенскому лесу вблизи Парижа. На 289

этом трехколесном прототипе современных машин Ленуар проехал исторические 50 миль.

Рис. 5.7. Простейшая повозка Ленуара

Это событие стало историческим моментом — экипаж вторгся в мир карет и конных дилижансов — мир, уходящий в прошлое. А в декабре 1872 г. газовый двигатель был установлен на дирижабле, и его испытания прошли успешно. Двигатель Ленуара побудил многие пытливые умы заняться его усовершенствованием или же добиться лучших результатов иным, самостоятельным путём. Приоритет Ленуара многие пытались оспорить. В частности, директор Парижской газовой компании Гюгон предъявил иск Ленуару по нарушению своих прав по патенту 1858 г. (полученному им на два года ранее Ленуара). Двигатель Гюгона был двойного действия: газ и воздух смешивались в камере до подачи смеси в цилиндр. Суд не признал прав Гюгона. Впрочем, так же, как и прав Рейтмана из Германии, который доказывал, что он в 1858 г. уже строил двигатель по подобной схеме. В данном случае решающую роль сыграл тот факт, что французский суд защищал интересы гражданина Франции (правда, бельгийца по национальности) от требований со стороны гражданина Германии. Но главное, в патентных исследованиях Ленуара именно двигатели Гюгона и Рейтмана не фигурировали. 290

Рис. 5.8. Трехколесный восьмиместный экипаж Ленуара

Вся эта история ещё раз подтверждает, насколько насущным был вопрос создания двигателя в период бурного развития капиталистических отношений во Франции. Сам Ленуар отмечал следующее. «Мои ожидания оправдались. Не могло случиться так, чтобы мысль Папена о двигателе, в котором тепло, выделяемое топливом, должно быть использовано в современной нам поршневой паровой машине, не была подхвачена потомками. Этого не могло быть. Такие идеи не погибают. Их хоронят лишь до тех пор, пока общество не предъявит требование к их использованию. Тогда находятся счастливые люди: разрыв старые могилы, они извлекают из-под праха истлевших и отмерших присказок и заблуждений нетленные идеи гениев. То, что я разыскал в архивах патентных бюро, в старых газетах, книгах и материалах, доказывает, что не была забыта и идея порохового двигателя. Тогда начатое Папеном дело было несвоевременным, может быть, теперь оно будет уместным» (Шпанов, с. 76). Аналогичные мысли высказаны русским автором Хотинским в книге «История машин, пароходов и паровозов», выпущенной в 1853 г., когда Ленуар искал пути к созданию своего двигателя. Хотинский писал: «Любое изобретение, опережающее требование практики, должно остаться без применения до тех пор, пока в нем не возникнет неотложная нужда». Такая потребность возникла в начале второй половины XIX в. Ленуар удовлетворил её, скомпилировав известные технические решения, что и определило успех этого изобретения. 291

Но спустя 20 лет стало очевидным, что двигатель Ленуара крайне неэкономичен: КПД не более 4%, расход газа свыше 3 м3/(л. с.·ч). Стала ясной и причина — отсутствие предварительного сжатия смеси. На свою машину Ленуар составил рекламный проспект. Авторы попытались привести полный текст рекламного проспекта, где описывается первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания. Практически, это первое описание двигателя внутреннего сгорания, составленное непосредственно самим автором.

5.3. Рекламный проспект двигателя Ленуара «Новая газовая машина фирмы „Ленуар и Ко“ представляет собой неоценимое нововведение для господ фабрикантов, нуждающихся в применении механической энергии для приведения в действие станков и машин. Новая газовая машина Ленуара обладает следующими преимуществами по сравнению с паровой машиной: 1. Машина Ленуара занимает весьма мало места. 2. Она не требует для своей работы парового котла с топкой и огнем, а значит, может быть установлена в самой мастерской, внутри стен фабрики, в любом доме без боязни вызвать пожар. 3. При работе машины из её цилиндра не выходят струи отвратительного чёрного дыма, что позволяет пользоваться ею на любых улицах города, рядом с самыми фешенебельными кварталами, не нарушая удобства и спокойствия жителей. 4. Машина может стоять на любом этаже, так как не требует массивного фундамента. 5. Особенно замечательно то, что машина Ленуара потребляет топливо только тогда, когда работает. Она не ест хлеб напрасно во время отдыха. Пуск её в ход не сопряжён с необходимостью за много часов до того разводить огонь в топке и ждать, пока пар поднимется до требуемого давления. Всё это отпадает. Достаточно одного поворота махового колеса — машина пущена в ход. Наконец, машина не требует для своего обслуживания и машиниста, и кочегара: достаточно одного человека даже для машин огромных мощностей (до двадцати лошадиных сил). Газовая машины Ленуара может быть установлена везде, где имеется светильный газ, каковой она потребляет в весьма умеренном количестве (не превышающем одного кубического метра в час на каждую лошадиную силу). 292

Не представляется возможным в столь кратком проспекте перечислить все технические и экономические преимущества нашей новой машины. Можно лишь сказать на основании имеющихся данных, что машина эта является не только новшеством в двигательной технике, но и в равной степени переворотом в экономике мелкой и средней промышленности, для каковых открываются теперь совершенно новые горизонты. По вопросам приобретения наших новых двигателей следует адресоваться к фабриканту г. Маринони, ул. Роккет, 115 в Париже, являющемуся единственным представителем нашей компании». Описывая свою первую машину, Ленуар писал: «На чертеже 1 вы видите машину сбоку; около нее отдельно изображен в более крупном виде прибор для получения электрической искры. На чертеже 2 — продольный разрез машины, ежели смотреть на нее сверху, и на чертеже 3 — поперечный разрез по цилиндру. У основного цилиндра А имеются приливы а, к которым крепятся резервуары для газа и выпускные трубы для отработавших газов. Плоскости этих приливов хорошо шлифованы, так, чтобы по ним могли двигаться золотники t и Т (черт. 4). Снизу, как видите, у цилиндра отлиты массивные закраины, при посредстве которых он крепится болтами к полой железной раме В. Главный вал покоится на четырех подшипниках С. Этот вал приводится вилкообразным шатуном D, преобразовывающим прямолинейно-возвратное движение поршневого штока Р во вращательное движение вала. Поршневой шток Р одним концом неподвижно укреплен в поршне, а другим свободно ходит в направляющей втулке d, укреплённой на массивной чугунной колонне N. На обоих концах коленчатого вала насажены массивные маховые колеса U. Одно из них больше, другое меньше; они служат и шкивами для приводных ремней. Между крайними подшипниками вала с каждой стороны кривошипа насажены на вал эксцентрики. Эти эксцентрики приводят в движение стержни F, управляющие золотниками Т. Непроницаемость между стенками цилиндра и поршнем достигается тем, что в поршне проточены кольцевые канавки, и в эти канавки вставлены два пружинящих кольца, стремящихся расправиться и поэтому плотно прилегающие к стенкам цилиндра. В поршне имеются два глухих отверстия цилиндрической формы для входа концов запалов, пропущенных сквозь крышки цилиндров. Я хочу, чтобы электрические 293

искры в запалах появлялись как можно ближе к отверстиям ходов, подводящих газ к цилиндру. Когда кран R (черт. 1) открыт, то газ направляется в два резервуара G, отлитые в одно целое и привинченные к цилиндру. Из наполненных газом резервуаров G газ проходит к цилиндру каналами h, хорошо видными на чертеже 4; эти два канала попеременно открываются и закрываются золотником Т (черт. 5).

Чертеж 1. Общий вид установки с двигателем Ленуара: А — рабочий цилиндр; а — приливы цилиндра; Т и Т´ — золотники; В — железная рама; С — подшипники; D — шатун; Р — поршневой шток; d — направляющая втулка; N — чугунная колонка; V — маховые колеса; F — стержень для привода золотника; Q — кран; G — резервуар; h — каналы от резервуаров; е — каналы для впускных окон; f — отверстия для подвода газа; i — отверстия для подвода воздуха; М — выпускная труба; K — трубка для подвода тока; О — подставка; S–S и S´–S´ — полоски из металла; t и t´ — провода с запальными приспособлениями; R — контактная пластина; Z — коленчатый вал; X — ось коленчатого вала. 294

Чертёж 2. Общий вид установки

Чертёж 3. Поперечный разрез по цилиндру

Чертёж 4. Корпусы золотников

Чертёж 5. Золотник

Чертежи 6 и 8. Каналы в золотниках

Чертёж 7. Разделитель

Чертёж 9. Продольный разрез цилиндра

В золотнике имеется два ряда прямоугольных каналов е для прохода воздуха соответственно двум впускным окнам цилиндра (черт. 5, 6, 8 и 9). Газ же проходит в цилиндр через золотник по двум рядам круглых отверстий f, отделенных от каналов е для того, чтобы светильный газ не смешивался с воздухом до входа в цилиндр. Для этого же применен разделитель I, как показал я на чертежах 3, 5, 6. Разделитель I (черт. 7) состоит из металлической доски с выступающими продольными перегородками, образующими отдельные ходы, из которых более широкие е служат продолжением для газоходов f, а узкие i — для прохода воздуха из ходов е. Как видите, части у машины имеют весьма сложный вид и требуется весьма искусная работа для того, чтобы сделать их работоспособными. Теперь посмотрим, как работает машина. При движении поршня в цилиндре в одной из полостей его образуется разрежение. В это разреженное пространство всасывается газ и воздух через золотник. Когда поршень прошел часть своего хода, в запальном приспособлении проскакивает электрическая искра, воспламеняющая засосанную поршнем смесь газа и воздуха. Газ сгорает за счёт кислорода, имеющегося в воздухе. Продукты сгорания, расширяясь, толкают поршень. Он приводит в движение коленчатый вал. 297

После этого отработавшие газы выпускаются через выходное окно i, открываемое в нужный момент золотником Т. Выпускные каналы ведут в выпускную трубу М, выкидывающую газы в атмосферу. От происходящих в цилиндре вспышек газа стенки цилиндра и поршень сильно нагреваются. От них нужно отнять избыток тепла. Для этого стенки мы отливаем полыми. По образованной вокруг цилиндра рубашке мы пропускаем постоянный ток холодной воды, подводимой по трубке К. Вода надежно охлаждает цилиндр. Теперь о зажигании. Как видите, оно производится электрической искрой. Мы получаем эту искру от аппарата (катушки) Румкорфа. Он состоит из катушки с двойной обмоткой и прерывателя. Рядом поставлены два элемента Бунзена. Я вам подробно объясню устройство зажигательного аппарата, так как действие его весьма важно. К станине машины мною приделана маленькая подставочка О (черт. 1), соединенная с отрицательным полюсом индукционной катушки. Так как эта подставка не изолирована от металлической массы машины, то по ней проходит ток, исходящий от отрицательного полюса. Проводник, идущий от положительного полюса катушки, присоединен к медной полоске, укрепленной на подставке О, но изолированный от нее каучуковой прокладкой так же, как от верхних полосок S, S′, сделанных из того же металла. Внешние концы полосок S, S′ соединены проводами t и t′ с запальными приспособлениями. Медный диск, приделанный к ползуну между штоком поршня и шатуном, несет пластинку Q, скользящую взад и вперед по полоскам S S′ и S, S при движении штока машины. При соприкосновении пластинки Q с полосками S и S′ по проводам t и t′ проходит ток, вследствие чего искры проскакивают то в одном запале, то в другом, в зависимости от того, с какой полоской соприкасаются пластинки. Сам запал состоит из металлической пробки с нарезкой. Внутри тела пробки вставлен фарфоровый цилиндрик, изолирующий пропущенные через него платиновые проволочки U и Z (черт. 10). Проволочка Z, соединенная с металлом пробки, ввинчиваемой в крышку цилиндра, получает ток, проходящий через металлические части машин. Проволочка же U находится под током только тогда, когда пластинка Q соприкасается с соответствующей ей полоской S или S′. Тогда между остриями проволок U и Z проскакивают искры, зажигающие газ в цилиндре. 298

Чертёж 10. Запал

Для пуска машины в ход нужно повернуть его маховик, чтобы поршень засосал первую порцию газа и воздуха в цилиндр. С этого момента, как проскочит искра и воспламенит первую порцию газа, двигатель должен начать работу сам, так как благодаря инерции махового колеса поршень закончит свой первый ход, перейдет через мертвую точку и совершит путь, необходимый для засасывания и воспламенения смеси по другую его сторону, в другой полости цилиндра. Впуск газа в резервуар можно регулировать поворотной заслонкой, управляемой регулятором». На чертежах 11 и 12 показаны трубки подачи газа и воздуха, относящиеся к чертежу 9 описания Ленуара.

Чертёж 11. Трубки подачи газа

Чертёж 12. Расположение трубок подвода воздуха

Заключение История развития техники шла по пути создания движущей силы. Эпоха Возрождения закончилась становлением механики как науки. Полученные знания показали, что комбинацией простых механизмов нельзя создать источник механической энергии, создать универсальный двигатель для его использования в промышленных целях, а тем более создать вечный двигатель. Дальнейшее совершенствование механических познаний только углубляло положение самой механики как самостоятельной науки, но не давало ответа на получение необходимого двигателя. Механика стала лишь инструментом, использование которого позволяло правильно распорядиться известными устройствами и механизмами. Использование уже известных с древних времен способов получения энергии в виде пара и газа позволяло решить проблему получения движущей силы. В эпоху Нового времени начинается процесс изучения свойств пара и газа, приспособление их свойств к проблемам получения энергии и работы. В это же время начинается и изучение электричества и магнетизма. Они уже не рассматриваются как божественные сущности, скорее как свойства материи, которые можно не только использовать, но и создавать. Не рассматривается природное явление «боязнь пустоты» как нечто необъяснимое, оно отождествлено теперь с атмосферным давлением. Первые опыты с паром и атмосферным давлением привели к появлению атмосферических паровых машин. Источником реально осуществленной движущей силы стала паровая машина Уатта. Конструирование машин Уатта с большим перепадом расширяющегося пара позволяло получить большую мощность от двигателя такого же размера. Уатт первым ввёл отдельный холодильник, затем сделал двигатель двойного действия, т. е. позволил пару входить с одной стороны цилиндра, создавая вакуум с другой стороны. Наконец, в 1782 г. Уатт ввёл принцип расширительного действия, разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинает расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но 300

выигрыш в «производительности». Из всех этих идей самой полезной была идея расширительного действия. С практической стороны очень помогла индикаторная диаграмма, изобретенная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном. Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объёма пара, поступающего за данный такт: площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Диаграмма стала частью цикла Карно в теоретической термодинамике. Большим достижением Тревитика, первоначально имевшем больше отношения к его решительности, чем к теории, было продолжение конструирования двигателей, работавших под большим давлением, хотя это и увеличивало опасность взрыва. Первый аргумент в пользу работы с большим давлением — это компактность; можно получить большую мощность от двигателя того же размера. В 1799 г. Тревитик построил первый успешный локомотивный двигатель. Вскоре был достигнут другой результат. Если двигатель высокого давления работал с расширением и ранним отсечением части пара, его производительность становилась выше (в конечном счете, намного выше), чем у лучших двигателей Уатта. Именно использования паровой машины в качестве универсального двигателя позволило создать приспособления и устройства, которые в дальнейшем стали основой для создания конструкции тепловых двигателей: золотниковое распределение, автоматический регулятор скорости, цилиндро-поршневая группа, кривошипно-шатунный механизм, двойное действие на поршень (двигатели двойного действия), конденсатор (в дальнейшем рубашка охлаждения). Открытие Лебоном природного газа позволило использовать его свойства для создания первых тепловых машин. Первые опыты с газом позволили отказаться от использования пара как движущей силы. Газ, а впоследствии жидкое топливо — керосин, стали использоваться для создания универсального двигателя. Газ и твердое топливо, примененное Папеном и Гюйгенсом, а затем Ньепсом, стали источниками создания первых двигателей со сгоранием топлива внутри цилиндра. Этот опыт был чисто практи301

ческий, но результатом этих работ стали конструктивные решения, которые нашли применение в дальнейших конструкторских решениях при создании двигателей: — атмосферные двигатели; — двигатели непосредственного действия; — двигатели двойного действия; — компаундная схема двигателя Джонатана Хорнблоуэра, Артура Вульфа; — многоцилиндровая конструкция двигателя Сэмюэля Броуна, Барсанти — Маттеуччи; — газовые двигатели; — двигатели жидкого топлива; — твердотопливные двигатели. Первые попытки создания тепловых двигателей с использованием энергии от сгоревшего газа шли методом поиска оптимального решения создания такой машины, пока в 1823 г. не вышла работа Карно, объяснявшая возможность преобразования «силы огня» в механическую работу. Потребовался гений Сади Карно для того, чтобы понять, что преимущество двигателя высокого давления состоит не только в давлении, но и в росте температур рабочего тела (точки кипения воды, находящейся под давлением для паровых машин). Эффективность двигателя, по Карно, зависит не от разницы давлений, а от разницы температур пара, входящего в цилиндр, и расширившегося пара, выходящего из цилиндра. Так на свет появился цикл Карно, понятие термодинамической эффективности и, наконец, теория идеальной тепловой машины. Когда же идеи Карно соединились с принципом сохранения энергии, появилась сама наука термодинамика и ее первый закон, который в формулировке его первооткрывателей Роберта Майера и Германа Гельмгольца гласит, что при всех изменениях, происходящих в изолированной системе, общая энергия системы остается постоянной. Карно сделал важнейший шаг от ньютоновского механицизма, который представлял мир как движение масс и оперировал двумя главными категориями: массой и силой. Когда в рассмотрение мира им была включена энергия, т. е. движение тепла, двумя универсальными категориями стали тепловая энергия и работа — вместо ньютоновских массы и механической силы. В картине мира появ302

ляется необратимость, исключающая создание какого-либо вечного двигателя. Работа Карно является основополагающей в вопросах и теории термодинамики, тем не менее именно она на основе опытов создания первых двигателей дала первые принципы построения тепловых машин. Обосновала невозможность создания вечного двигателя первого и второго рода, наметила пути конструктивного и теоретического построения двигателей с внутренним сгоранием топлива в отличие от паровых машин, подготовка рабочего тела в котором, осуществляется вне рабочего цилиндра. Не сразу замеченная учеными работа Карно позволила создать науку о тепловых процессах. Но положения, открытые Карно, до сих пор волнуют теоретиков основных законов теплопередачи, законов сохранения энергии. Поиск решений в создании двигателя с внутренним сгоранием топлива продолжался не очень долго. По сравнению со столетним периодом создания и совершенствования паровых машин, период поиска осуществления такого двигателя оказался более коротким: — Роберт Стрит в 1794 г. — двигатель жидкого топлива с постоянно горящим запальником; — Филипп Лебон в 1801 г. — газовый (природный светильный газ) двигатель двойного действия с воспламенением электрической искрой; — Франсуа Исаак де Рива в 1807 г. — газовый двигатель (водород) с электрической искрой; — Роберт Сесиль в 1820 г. — газовый двигатель (водород) атмосферного действия; — Сэмюэль Броун в 1825 г. — газовый двигатель (водород) атмосферного типа с охлаждением цилиндра водой; — Веллман Райт в 1833 г. — газовый двигатель атмосферного типа с центробежным регулятором скорости, водяной рубашкой охлаждения и запалом с помощью наружных горелок; — Уильям Барнетт в 1833 г. — газовый двухтактный двигатель одностороннего действия с предварительным сжатием смеси с запалом от внешних горелок в отдельном цилиндре и горением в рабочем;

— Джеймс Джонстон в 1841 г. — газовый двигатель (водород) атмосферно-вакуумного типа с конденсацией паров воды в рабочем цилиндре; — Дрэк в 1842 г. — газовый двигатель с центробежным регулятором подачи топлива с зажиганием от чугунной калильной трубки, позднее работал на керосине; — Христиан Рейтман в 1852 г. — газовый (водород) двигатель с предварительным сжатием смеси и воспламенением электрической искрой, в 1858 г. переделан на работу со светильным газом; — Барсанти и Маттеуччи в 1854 г. — газовая (светильный газ) атмосферная машина со свободным поршнем и электрическим воспламенением; — Дегран в 1858 г. — газовый двигатель с предварительным сжатием внутри цилиндра. Поиск путей создания двигателя с внутренним сгоранием топлива, теоретическое обоснование возможности создания такого двигателя привели, в конце концов, к созданию в 1860 г. Ленуаром первого промышленного образца двигателя внутреннего сгорания.

Список литературы 1. Андрусенко, Е. И. Двигатель Ленуара (к 150-летию изобретения двигателя внутреннего сгорания) / Е. И. Андрусенко, А. П. Калинин // Двигателестроение. — 2010. — № 3. — С. 38–44. 2. Архимед. Стевин. Галилей. Паскаль. Начала гидростатики. — М. ; Л. : ГТТИ, 1933. 3. Базаров, И. П. Термодинамика. — М. : Высшая школа, 1991. — С. 376. 4. Боголюбов, А. Н. Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев : Наукова думка, 1983. — С. 639. 5. Бродянский, В. М. Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. — С. 264. 6. Веселовский, И. Н. Очерки по истории теоретической механики. — М. : Высшая школа, 1974. 7. Веселовский, О. Н. Очерки по истории электротехники / О. Н. Веселовский, Я. А. Шнейберг. — М. : Изд-во МЭИ, 1993. 8. Ветчинкин, В. П. О работах изобретателя А. Г. Уфимцева по ветроиспользованию и в других областях. — Курск, 1936. — С. 15. 9. Виргинский, В. С. Иван Иванович Ползунов 1729–1766 / под ред. Н. К. Ламан. — М. : Наука, 1989. — С. 165. 10. Виргинский, В. С. Очерки истории науки и техники XVI– XIX веков (до 70-х гг.). — М. : Просвещение, 1984. — С. 287. 11. Гипотезы Вейника. Хрональное вещество. Семь кирпичей для храма Вселенной (часть 3) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http//znaniya-sila.narod.ru>life/anknown.01.html. 12. Гиндикин, С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — М. : МЦНМО, 2001. — С. 465. 13. Григорьян, А. Т. Механика от античности до наших дней. — М. : Наука, 1974. 14. Григорьян, А. Т. Очерки основных понятий механики / А. Т. Григорьян, В. П. Зубов. — М., 1962. 15. Гулиа, Н. В., Удивительная физика: О чём умолчали учебники. — М. : Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. 16. Гуковский, М. А. Механика Леонардо да Винчи. — М. : Изд-во АН СССР, 1947. — 815 с. 305

17. Гюльднер, Г. Двигатели внутреннего сгорания. — М. : МАКИЗ, 1927. — 864 с. 18. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики с древнейших времен до конца XVIII века. — М., 1974. 19. История математики : в 3 т. / под ред. А. П. Юшкевича. — М. : Наука, 1970. — Т. 1. С древнейших времен до начала Нового времени. 20. История механики с древнейших времен до конца XVIII в. — М. : Наука, 1972. 21. История механики с конца XVIII в. до середины XX в. — М., 1973. 22. Кабардин, О. Ф. Факультативный курс физики / О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, А. В. Пономарева. — М. : Просвещение, 1977. 23. Кирсанов, В. С. Научная революция XVII века. — М. : Наука, 1987. 24. Кокс, А. Христиан Гюйгенс — один из крупнейших ученых Голландии / А. Кокс, П. Полак // Природа. — 1979. — № 12. 25. Конфедератов, И. Я. История теплоэнергетики. Начальный период (17–18 вв.). — М. ; Л., 1954. 26. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — М. : Просвещение, 1982. — С. 448. 27. Левина, И. С. У истоков механики машин / И. С. Левина, М. М. Рожанская // Исследования по истории механики. — М., 1983. 28. Лойцянский, Л. Г. Курс теоретической механики / Л. Г. Лойцянский, А. И. Лурье. — М., 1955. — Ч. 1. Историческое введение. 29. Льоцци, М. История физики : пер. с итал. — М., 1970. 30. Мах, Э. Механика. Историко-критический очерк её развития. — Ижевск : РХД, 2000. 31. Моисеев, Н. Д. Очерки истории развития механики. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1961. — С. 478. 32. Некрасов, В. Г. ДВС: Спираль развития (Из истории двигателестроения) // Автомобильная промышленность. — 2004. — № 3. 33. Новиков, А. С. Философия научного поиска. — М. : УРСС, 2009. — 267 с. 34. Осипов, А. И. Термодинамика вчера, сегодня, завтра. — М. : Физика, 1999. — Ч. 1. Равновесная термодинамика. 306

35. Погребысский, И. Б. От Лагранжа к Эйнштейну. Классическая механика XIX века. — М., 1966. 36. Сади Карно. Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. Кн. 7. — М. ; Петроград : Госиздат, 1923. — 74 с. — (Сер. «Классики естествознания»). 37. Самарин, М. С. Вольт, Ампер, Ом и другие единицы физических величин в технике связи. — М. : Радио и связь, 1988. 38. Тимошенко, Н. Д. Двигатели внутреннего сгорания. Компоновки и конструкции : атлас. — Екатеринбург, 2003. — Ч. I. — С. 1214. 39. Циолковский, К. Э. Второе начало термодинамики. — Калуга : Тип. С. А. Семенова, 1914 (Журнал русской физической мысли. — 1991. — № 1. — С. 22–39). 40. Шпанов, Н. Н. Джеймс Уатт. — М. : Вузовская книга, 2010. — С. 128. 41. Шпанов, Н. Н. Рождение мотора. ОНТИ. Государственное энергетическое издательство. — М. ; Л., 1934. — С. 220. 42. Энциклопедический словарь Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона. — СПб. : Брокгауз-Ефрон, 1890–1907. 43. Хакинг, Я. Представление и вмешательство. Введение в философию естественных наук. — М. : Логос, 1998. — С. 175. 44. Valenti, Ph. Leibniz, Papin and the Steam Engine: A Case Study Of British Sabotage of Science // American Almanac. — 1996.

Олег Евгеньевич АНДРУСЕНКО, Сергей Евгеньевич АНДРУСЕНКО, Сергей Олегович БАРЫШНИКОВ, Юрий Иванович МАТВЕЕВ

Какой из названных здесь двигателей обладает наибольшим кпд

Тест по физике Электромагнитные явления 8 класс. 4 вариант

Список вопросов теста

Вопрос 1

Варианты ответов

Вопрос 2

Варианты ответов

Вопрос 3

Варианты ответов

Вопрос 4

Варианты ответов

Вопрос 5

Варианты ответов

Вопрос 6

Варианты ответов

Вопрос 7

Контрольная работа по физике 8 класс: Магнитные взаимодействия

RU2248453C2 — Электростанция и способ получения энергии с комбинированием циклов — Google Patents

Links

Images

Classifications

Abstract

Description

История создания двигателя внутреннего сгорания. Поиск универсального двигателя : учебное пособие для вузов [2 ed.] 9785811476879

Citation preview

Добавить комментарий Отменить ответ