lecinit / ENERGY
.DOCИстория развития источников энергии и двигателей.
Первыми в истории человечества механическими двигателями было водяное колесо, применявшееся для оросительных систем в странах Древнего Востока, Индии, Китае, Египте. В средние века водяные колёса получили распространение в странах Европы как энергетическая база мануфактурного производства. В этот же период широко применялись ветряные двигатели.
В 17 в. в России единственной энергетической базой развивающегося мануфактурного производства были водяные колёса. Замечательные успехи в строительстве вододействующих или гидросиловых установок в России были достигнуты в 18 в. в горнорудной промышленности на Урале и Алтае. Гидросиловые установки были неотъемлемой частью металлургического, лесопильного, бумажного, ткацкого и др. производств. К концу 18 в. в России было уже около 3000 мануфактур, использовавших водную энергию рек.
Переход к машинной технике, начавшийся с середины 18 в., требовал создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра, и др.). Первым двигателем, использующим тепловую энергию топлива, была поршневая пароатмосферная машина прерывного действия, появившаяся в конце 17 начале 18 в.(проекты французского физика Д. Папена и английского механика Т. Севери, усовершенствованные в дальнейшем Т. Ньюкоменом в Англии и М. Привальдом в Швеции). Пароатмосферные двигатели широкого распространения не получили.
Проект универсального парового двигателя был предложен в 1763 г. русским механиком Иваном Ивановичем Ползуновым. Мощность двигателя составляла 1,8 л.с.(1,3 кВт). Это был первый в мире двухцилиндровый двигатель с объединением работы цилиндров на один общий вал, т.е. двигателя, универсального по своему техническому применению. Вскоре Ползунов спроектировал новую установку для привода воздуходувных мехов плавильных печей. Установка с рекордной по тому времени мощностью в 32 л.с. впервые в технике заводского производства позволила отказаться от водяных колёс.
Вполне развитую форму универсальный тепловой двигатель получил в 1784 г. в паровой машине английского механика Дж. Уатта. Внедрение паровых машин обусловило независимость размещения промышленного производства от природных источников энергии и привело к быстрому развитию промышленности на новой энергетической основе. К 1880 г. мощность использовавшихся в мировом хозяйстве паровых машин превысила 26 млн. кВт (35 млн. л.с.).
Развитие паровых машин шло в направлении создания стационарных паровых машин для фабрик, электростанций, паровозных паровых машин для железнодорожного транспорта, судовых паровых машин для торговых судов и военных кораблей, локомобилей для нужд сельского хозяйства и местной промышленности.
Появление паровых машин способствовало быстрому развитию транспорта. Появляются паровозы, пароходы.
Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Ричардом Треветиком и в 1814 Джорджем Стефенсоном.
В 1803 г. при помощи Дж. Стила Треветик построил для заводской Мертил-Тидвилской чугунной дороги первый в истории паровоз, который оказался слишком тяжелым для чугунных рельсов и не мог использоваться. [БСЭ, “Треветин”].
Первый паровоз Стефенсона был построен в 1814 ( “Блюхер”) для рудничной железной дороги. В 1823 в Ньюкасле Стефенсон основал первый в мире паровозостроительный завод, на котором был изготовлен паровоз “Передвижение” (1829), а затем паровоз “Ракета” (1829) для дороги между Манчестером и Ливерпулем [БСЭ “Стефенсон”].
Первый пароход был построен в 1807 Робертом Фултоном (речной пароход “Клермонт”). В России первый пароход “Елизавета” с машиной мощностью 4 л.с. был построен в 1815 и курсировал между Петербургом и Кронштадтом.
Однако, начиная с 20 в., паровые машины встретили всё усиливающуюся конкуренцию быстро прогрессирующих паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания. Недостатки паровой машины – низкий КПД (1 – 20%), ограниченная быстроходность (до 1000 об/мин) и агрегатная мощность (до 30000 л.с.), а также большие габариты и масса – привели к тому, что производство паровых машин к середине 20 в. было прекращено.
В отличие от поршневой паровой машины, паровая турбина использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.
Попытки создать паровую турбину делались очень давно. Известно описание примитивной паровой турбины, сделанное Героном Александрийским (1 в. до н. э.). Однако только в конце 19 в., когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Карл Густав Патрик де Лаваль (Швеция) и Чарльз Алджерон Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга в 1884-89 гг. создали промышленно пригодные паровые турбины.
Первый практически пригодный газовый двигатель внутреннего сгорания был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель И. Отто построил более современный 4-х тактный газовый двигатель внутреннего сгорания. По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования – парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность двигателя, меньшую массу на единицу площади, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо более высокого качества (газ, нефть).
В 1880-х гг. О.С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 немецкий инженер Рудольф Дизель, работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого двигателя на заводе Людвига Нобиля в Петербурге ( ныне “Русский Дизель”) в 1898-99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого ДВС становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с ДВС. Дальнейшее развитие автомобильных двигателей позволило братьям О. И У. Райт построить первый самолёт с ДВС. В 1903 русские инженеры установили ДВС на судне “Вандал”, создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Ганкеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
Открытие в 1831-32 электромагнитной индукции предопределило появление электрических машин-двигателей и генераторов. Поскольку все паровые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были машинами постоянного тока. Исторически электродвигатели стали создаваться раньше электромагнитных генераторов, т.к. в первой трети 19 в. гальванические элементы как источники тока в большей или меньшей мере удовлетворяли требованиям практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя – от лабораторных приборов, демонстрировавших возможность превращения электрической энергии в механическую (установка Фарадея, 1821), до машин промышленного типа – охватывает приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала возвратно-поступательное или качательное движение, а момент на валу двигателя был пульсирующим. Начиная с середины 30-х гг.19 в. стали строить двигатели с вращающимся якорем. Таким электродвигателем, получившим практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834 – 1838). Испытание этого двигателя, приводившего в движение “электрический бот”, показало, с одной стороны, принципиальную возможность его практического применения, а с другой – необходимость создания более экономичного по сравнению с гальваническими элементами источника электроэнергии. Таким источником стал электромагнитный генератор, прообразом которого стала униполярная машина Фарадея (1831). Первыми практически пригодными электромагнитными генераторами были магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851 немецкий учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты электромагнитами.
Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как Зеноб Теофиль Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 Антонио Пачинотти. Генератор Грамма работал не только в генераторном, но и в двигательном режиме, что положило начало практическому внедрению принципа обратимости машин (открытому Э. Х. Ленцем, 1832 – 38) и позволило значительно расширить область использования электрических машин.
Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70 – 80-е гг. 19 в. с решением проблемы электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880 – 81 русский физик Дмитрий Александрович Лагинов и французский физик и электротехник Марсель Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередач использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1,5 – 2 кВ). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т.к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой – было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же цепях однофазного переменного тока, напряжение которого можно было изменять с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора ( О. Блати, М. Дери, К. Циперковский, 1885) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из – за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, а поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.
В конце 19 в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему – наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных систем переменного тока. Над этой проблемой работали многие учёные и инженеры ( Никола Тесла, американский учёный Ч. Бредли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. Михаил Осипович Доливо – Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен – Франкфурт (длина линии 170 км.).
Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сот ватт были сооружены в 1876 – 81 в Штангассе и Лауфене (Германии) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние : как правило, места, наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от основных потребителей электроэнергии. Протяжённость существовавших в то время линий электропередач не превышала 5 –10 км. Сооружение линии электропередачи (170 км.) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международной электротехнической выставки (1891) открыло широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлане (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене Швеция, на реке Изар (Германия) и в Калифорнии (США). Первая промышленная ГЭС в России мощностью около 0,3 МВт была построена в 1895 – 96 гг. под руководством русских инженеров В. Н. Чиколева и Р. Э. Кассона для электроснабжения Охтинского порохового завода в Петербурге. В 1909 закончилось строительство крупнейшей в дореволюционной России Гиндукушской ГЭС мощностью 1,35 МВт на реке Мургаб (Туркмения).
Первые тепловые электростанции появились в конце 19 в. (в 1882 – в Нью-Йорке, 1883 – в Петербурге, 1884 – в Берлине).
Первая в мире АЭС опытно-промышленного назначения мощностью 5 МВт была пущена в СССР 27 июня 1954 в г. Обнинске.
В первой половине 20 в. были созданы новые типы практически пригодных тепловых двигателей – газовая турбина, реактивный двигатель, ядерная силовая установка. Газовые турбины стали основой авиационного двигателестроения, распространяются в локомотивостроении, на автомобилях и т.д. Реактивные двигатели позволяют реализовать огромные мощности в одном агрегате. Суммарная мощность двигателей ракеты, которая в 1961 вывела на орбиту космический корабль “Восток”, составляла 20 млн. л.с., что примерно равно мощности всех электростанций в СССР в 1948 г. Мощность двигателей ракеты-носителя “Протон” превышает 60 млн. л.с.