Типы двигателей
Необязательное предисловие
Излагаемый здесь автором взгляд на историю классических
тепловых двигателей несколько отличается от общепринятого. Причиной этому
служит то, что любой тепловой двигатель, от первых пневматических до
газоохлаждаемых ректоров АЭС, представляет собой (не вдаваясь в физику и
химию превращения рабочего тела) достаточно простое устройство.
Функция, которую реализует любой тепловой двигатель (далее
двигатель), заключается в том, что бы (как в классике) взять и поделить. В
данном случае берётся потенциальная энергия рабочего тела и делится на
полезную работу и потери. Для этого дележа придумали всего два принципа: либо
использовать непосредственно давление рабочего тела, либо – разогнать его и
использовать уже кинетическую энергию потока. Вот собственно и всё. Вся масса
созданных в настоящее время двигателей базируется всего лишь на комбинации
этих двух принципов и любой двигатель представляет собой машину,
преобразующую энергию, преимущественно, одним или вторым способом. Иногда эти
способы совмещаются в одном двигателе в сопоставимых пропорциях.
Фактически вся громоздкая масса знания о двигателях имеет
этот, достаточно скромный базис. Всё остальное, а в частности – технологии
расчёта и производства представляет собой надстройку, существенно усложняющую
понимание сути и, преимущественно, затрудняющую выход за заданные историей
рамки развития двигателестроения.
В данном материале автор не ставит задачей высказать своё
мнение и знание относительно стратегической линии развития машин,
преобразующих энергию, т.к. и то и другое может быть достаточно спорно, а
спорить автор считает безсмысленным. В связи с этим здесь рассматриваются
только классические тепловые двигатели, базирующие на достижениях
средневековой физики и не представляющие собой ничего принципиально нового. Здесь
будут показаны только критерии, сформулированные автором, и позволяющие
(ИМХО) создать класс машин, сочетающих в себе положительные стороны тепловых
двигателей и нагнетателей различного типа. Задача, стоявшая перед автором
была чрезвычайно проста – создать на базе сформулированных критериев такое
оборудование, которое позволит существенно потеснить объёмные и динамические
машины (двигатели, насосы, компрессоры), преобладающие на рынке.
Типы двигателей
Известное в настоящее время разнообразие двигателей на
самом деле базируется всего на двух различных принципах действия:
- Двигатели,
преимущественно использующие потенциальную энергию рабочего тела и
- Двигатели,
использующие, преимущественно кинетическую энергию рабочего тела.
Всё известное разнообразие тепловых двигателей базируется
только на этих принципах действия (МГД-генераторы и прочее пока оставим в
стороне), при этом создаваемые двигатели, в зависимости от задач, реализуют
преимущественное использование либо потенциальной, либо – кинетической
энергий.
К первому типу тепловых двигателей (преимущественно
использующих потенциальную энергию) относятся, преимущественно, поршневые
двигатели. Самым первым образцом такого двигателя можно считать метательные
трубки действующие от дыхания охотника. Это фактически пневматические
двигатели однотактного действия. Данное изобретение оказалось очень живучим,
что подтверждает его широкое использование для охоты как на дичь в джунглях,
так и на одноклассников в школе. По прошествии некоторого небольшого времени,
скорее всего нескольких тысяч лет, народ додумался, что поршень можно
использовать и многократно, в результате чего появились вакуумные поршневые
двигатели, Христиана Гюйгенса (1681 г.) (слева) и Дениса
Папена (1680-е гг.) (справа). Будучи передовыми образцами техники своего
времени они обладали замечательными особенностями, присущими любым
современным новинкам: работали на дорогом топливе (двигатель Гюйгенса работал
на порохе), были сложны в управлении и не особо надёжны. Двигатель Гюйгенса
являлся первым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), а двигатель Папена –
первой действующей паровой машиной, однако пар использовался не для создания
избыточного давления (как в классических паровых машинах), а для создания разряжения
в цилиндре. В результате работу совершало атмосферное давление
(пароатмосферная паровая машина), действовавшее на противоположную сторону
поршня, как и в двигателе Гюйгенса, который являлся вакуумным ДВС.
Вакуумные двигатели показали, хотя они не были особенно
хороши, что есть альтернатива
общепринятым биоприводу на фуражном топливе и водяному колесу.
Дальнейшее совершенствование двигателей привело к созданию
уже эффективного парового вакуумного насоса Томаса Ньюкомена (1725 г.), ставшего первой
эффективно действующей паровой машиной.
Первая известная универсальная «огнедействующая машина»
(паровая машина) была создана Иваном Ивановичем Ползуновым, к посторйке
которой он приступил в 1763
г. Первый её успешный пуск был осуществлён 23 мая (5
июня) 1766 г.,
через неделю после смерти изобретателя. Фактически пароатмосферная машина
Ползунова,
уникальной мощностью в 40 л.с., создавалась
независимо от зарубежных конструкций, т.к. в России того времени паровые
машины отсутствовали полностью. Единственным русским источником была книга
Президента Берг-коллегии Ивана Андреевича Шаттлера «Обстоятельное наставление
рудокопному делу», в которой описывался принцип действия паровой машины
Ньюкомена. Достижение Ползунова заключалось в создании двухцилиндровой
машины, в которой суммировалась работа двух цилиндров, что позволяло получать
не дискретное, а относительно непрерывное движение приводимого оборудования.
В 1769 г.
француз Жозеф Кюньо поставил пароатмосферный двигатель на повозку, чем создал
первое наземное транспортное средство с приводом от паровой машины. Учитывая,
что та машина не имела достаточной удельной мощности, т.к. для
пароатмосферных машин перепад давлений на поршень составлял не более 0,5
атмосферы, армия не заинтересовалась таким орудийным тягачом. Так же им,
скорее всего, не заинтересовалось сельское хозяйство, что не позволило ему
пройти путь, который проторил непринятый «зелёными» артиллерийский тягач, ставший
впоследствии трактором К-700 «Кировец». Так же не нашёл применения
безрельсовый паровой локомотив, созданный в 1801 г. Ричардом
Тривитиком, учеником Уильяма Мердока.
В Англии пошли своим путём, т.к., скорее всего, туда не
дошла информация о работах Ползунова. В связи с этим последующие попытки
создания парового универсального двигателя пошли по пути различных способов
механического аккумулирования работы одного цилиндра. В частности различные
конструкции пароатмосферных машин реализовали Томсон и Картрайт, пока Фальк не создал двухцилиндровую паровую
машину, позволяющую получать вращательное движение выходного вала.
В 1784 г.
Джеймс Уатт запатентовал универсальный паровой двигатель, отличительными
особенностями которого было использование расширения пара в цилиндре и
использование вынесенного конденсатора. Следует отметить, что идея расширения
пара была ненова, т.к. её предложил ещё в 1724 г. Я. Леупольд
(пример безалаберного отношения к интеллектуальной собственности). С момента
окончания действия патентов Уатта в начале 19 в., совершенствование паровых
машин пошло возрастающими темпами, т.к. было снято ограничение на создание машин,
действующих от расширения пара в цилиндрах. Развитие паровых машин пошло не
по тому, что все резко поумнели, а в связи с тем, что патенты Уатта были
составлены столь грамотно, что перекрывали кислород всем его конкурентам,
т.к. защищали основополагающие решения в конструкции паровых машин.
В качестве одного из последних достижений в создании
паровых машин можно отметить паровую машину И. Штумпфа, созданную в 1908 г. (смотри рисунок). Она
отличалась крайне малым вредным пространством (объём между поверхностью
поршня и крышкой цилиндра), применением перегретого пара и свободным выходом
пара через постоянно открытые окна цилиндра. Применение свободного выхода
пара позволило существенно снизить гидравлическое сопротивление выходного
тракта (как у двухтактных дизелей), что позволило эффективно использовать
более глубокий вакуум в конденсаторе.
В конструкциях Уатта были собраны использовавшиеся прежде
и заложены новые принципы работы, характерные для паровых машин, созданных в
дальнейшем. В качестве примера можно взять резервные паровые насосы для
котельных, имеющие современную дату изготовления, а по качеству и параметрам
работы современные продукции Уатта и Болтона. Но нет худа без добра, наличие
таких монстров (как показано на рисунке) позволило включить их в правила
Котлонадзора, что открывает путь на этот рынок и другим паровым машинам,
которые можно и нужно использовать в качестве основных приводов оборудования
в паровых котельных (о чём будет сказано подробно в соответствующем разделе).
На этом пока и остановимся, т.к. венец современной
инженерной мысли, классический поршневой ДВС, отличается от паровой машины только
тем, что котёл совмещён с цилиндром и работает на парогазовой смеси (продукты
сгорания) или вообще на паро-азотной смеси, что, видите ли, является очень
большим научным достижением, т.к. это модный водородный двигатель.
Если кратко резюмировать то, что сделано, то первое –
придумали цилиндропоршневую группу, а второе – начали совершать работу не
вакуумом а избыточным давлением (пара).
Кратко отметить можно следующее, что с 19 в.
предпринимались попытки существенно упростить паровой двигатель, и избавиться
от недостатков возвратно-поступательного движения поршня. Как можем видеть по
прошествии скоро двух сотен лет, в создании этих конструкций народ не сильно
преуспел, т.к. классические поршневые двигатели чаще являются работающими
приводами, чем редкими экспонатами музеев.
Примером попытки создания одного из первых кольцевых
(коловратных) двигателей может служить изображенный на рисунке двигатель.
Отличительной особенностью этой и аналогичных конструкций было то, что избавиться
от возвратно-поступательного или возвратно-вращательного движения не удалось,
т.к. здесь возвратно-поступательное движение совершает не поршень, а
перегородка, делящая рабочую камеру. С учётом этого, а так же того, что
кольцевые двигатели имеют присущие классическим паровым машинам проблемы, а
так же до кучи и ряд своих собственных проблем, они не смогли вытеснить
паровые машины.
Ко второму типу тепловых двигателей (преимущественно
использующих кинетическую энергию) можно отнести любые реактивные
двигатели, а как частный их случай – любые турбины, например активного или
реактивного типа. Первым известным из истории двигателем, использующим
кинетическую энергию рабочего тела, является эолипил Герона Александрийского,
созданный предположительно в 130 г. до н.э.
Эолипил представлял собой
паровой котел на оси, снабжённый парой выпускных труб.
Современное и средневековое представления о том как выглядело сиё изделие,
представлено на прилагаемых рисунках. Гидравлическим аналогом эолипила
Являлось Сегнерово колесо, вращавшееся за счёт реакции, создаваемой
вытекающими струями воды.
Как известно, в отличие от первого прототипа поршневого
двигателя, эолипил не имел практического применения, а использовался
исключительно для обогащения понимающих о сути жрецов и облапошивания
верующих, которые велись на покупку наливаемой им «святой воды». На этом и
закончим рассмотрение этого богоугодного изобретения.
Практическое применение эолипил (смотри рисунок) нашёл в
настоящее время для работы на пароводяной смеси, особенно на геотермальном
тепле, которое поступает в виде высокоминерализованной пароводяной смеси.
Эолипил с соплами де Лаваля может работать на влажном пару в связи с тем, что
капли жидкости, летящие в турбине со скоростью пара, не могут разрушать
турбинные лопатки, по причине их полного
отсутствия в эолипиле. Фактически, его применение вызвано,
мягко говоря, раздолбайством в отечественной энергетике, т.к. практически все
российские котельные работают на пару столь плохого качества и низких
параметров, в связи с чем установленная реактивная турбина там долго работать
не будет. Применение эолипила для геотермальных источников можно обосновать
только тем, что заказчики этого оборудования достаточно низкообразованны и не
знают о существовании цикла Калины,
идеально подходящего для их условий.
Возможность практического применения эта технология
получила в трудах Джованни Бранки, в 1629 г. сконструировавшего первую
активную турбину. Активная турбина представляла собой неподвижно закрепленные
сопла, пар из которых направлялся на
рабочее колесо турбины. Однако сложность с созданием в 17 в. высокооборотного
оборудования, каким являлась паровая турбина, не позволила её использовать в
промышленности. Так же, возможно, эта турбина и вообще не была реализована в
железе или дереве (бог его знает, из чего тогда делали турбины).
Дальнейшее развитие активные турбины получили в трудах
Густава Патрика де Лаваля (1883
г.) и Чарльза Алджернона Парсона (1884 г.).
Де Лаваль опытным путём создал одноимённое сопло, которое
теперь называют просто соплом Лаваля (видимо то, что де Лаваль являлся
шведским промышленником с французскими корнями и сыграло злую шутку в
обрезании его знатной фамилии, — неправильно шведа так величать). Сопло де
Лаваля позволяло максимально разогнать пар (перевести его потенциальную
энергию в кинетическую) до его контакта с лопатками турбины и сводило их
функцию, преимущественно, к реверсированию потока пара. Но, учитывая высокую
скорость движения пара, необходимо было обеспечить и высокие окружные
скорости на лопатках, что при малых диаметрах турбин приводило к очень
высоким частотам вращения и соответствующим сложностям с редуцированием числа
оборотов. Как видно из прилагаемого рисунка, единственным отличием турбины де
Лаваля от турбины Бранки являлось применение расширяющихся сопл. Видимо
невозможность создать эффективную и мощную турбину (пределом, на котором
остановился де Лаваль были 500 кВт), привела к тому, что более успешным его
проектом стало создание молочного сепаратора, непосредственно для привода
которого он разработал конструкцию сопла, что и позволило создать фирму, успешно
действующую по настоящее время.
Для снижения частоты вращения при сохранении КПД
американец Чарльз Кертис в 1896
г. создал активные турбины со ступенями скорости (см.
рис.). Особенностью этих турбин было разделение съёма кинетической энергии
ускоренного потока пара между несколькими ступенями, что позволяло снизить
оптимальные частоты вращения. В данной конструкции происходило полное
расширение пара во впускном сопле, когда как в направляющих аппаратах
происходило исключительно изменение направления движения пара.
Парсонс реализовал расширение рабочего тела (пара) так же
и между лопатками. Этим была создана реактивная турбина. Учитывая, что любая
турбина работает с некоторой степенью расширения рабочего тела между
лопатками ротора (реактивностью), все турбины являются активно-реактивными.
При этом как реактивные турбины принято рассматривать такие турбины, в
которых за счёт расширения рабочего тела между лопатками снимается более 50%
мощности, выдаваемой турбиной.
В результате применения многоступенчатых реактивных турбин
появилась возможность срабатывать располагаемый теплоперепад последовательно
в нескольких ступенях, что позволило использовать куда меньшие скорости
вращения, на которых турбина работает с экономичностью, сопоставимой с
экономичностью активной турбины. Реактивная турбина оказалась существенно
более приспособлена к нуждам энергетики, что мы видим за счёт доминирования
этого оборудования на рынке.
Для простоты дела здесь не будем рассматривать паровые
турбины других типов, т.к. физика их работы не сильно отличается от
рассмотренных осевых турбин. Для полноты картины можно рассмотреть радиальные
турбины со спиральным движением пара (см. фото), Турбины такого типа схожи по
принципу действия турбине типа «Электра», рассмотренной Александром
Александровичем Радцигом в монографии «Курс паровых
турбин» (см. рис. ниже). Здесь рабочее тело проходит многократно через
одно и то же колесо, что позволяет существенно укоротить многоступенчатую
турбину. В отличие от турбины «Электра» (активной), её современные
аналоги являются турбинами смешанного типа. Так же в них не всегда
реализовано плоское движение паро, а, например, применяется и объёмное
движение, как например в конструкции, показанной на рисунке.
Источник: //velitsko.narod.ru/history_of_steam_engines.htm