1. В НАЧАЛЕ ИСТОРИИЖивлюк Григорий Евгеньевич, канд. техн. наук.
Петров Александр Павлович, канд. техн. наук, доцент
Развитие промышленности неизбежно предусматривает наличие минимального уровня механизации процессов с использованием каких либо видов источников энергии. В качестве первых источников энергии человечество использовало энергию падающей воды или энергию ветра. Однако такие источники лишают производство мобильности и автономности. Поэтому изобретатели предпринимали постоянные попытки создания энергетических устройств, которые способны были бы решить эти проблемы в условиях развивающегося общества и, в частности, обеспечить нужды перевозок сырья и готовой продукции, т. е. оказания транспортных услуг, тем самым создавая основы транспортной энергетики. Необходимо отметить, что исторически развитие транспортной энергетики, в первую очередь, тесно связано с водным транспортом, поскольку водные коммуникации на заре создания и развития современной технической цивилизации являлись основным способом осуществления торговых, культурных и военных связей.
Началом развития современной технической машинной цивилизации можно считать конец 17 в, (1681г) когда французский ученый Дени Папен (рис.1.1) создал пароатмосферную машину для откачки воды из шахт.
Рис. 1.1. Дени Папен Дени Папен использовал вместо традиционных источников энергии (ветра и движущейся воды) тепловую энергию, высвобождаемую при сгорании углеводородного топлива, т.е. создал первый тепловой двигатель. Далекая от совершенства машина, привлекла внимание кораблестроителей, и в 1707 г Папен сконструировал первое судно с силовой установкой. Падая с высоты, вода вращала гребные колеса. Испытания судна закончились катастрофой – двигатель взорвался, погибло несколько человек.
Вопреки первым неудачам, у Дени Папена появились последователи – в 1736 г англичанин Хулл построил суда с пароатмосферной машиной и лопастными колесами. Эта попытка оказалась более удачной, и суда применялись для буксировки. В связи с недостаточной надежность пароатмосферной машины, суда Хулла в качестве основного средства движения были оснащены парусами. Однако, хотя Хулл и оказался удачливее Папена, от его судов постепенно отказались – давали себя знать специфические недостатки пароатмосферных машин.
Пароатмосферные машины оказались крайне неэкономичными и сложными в эксплуатации. Коэффициент полезного действия такого теплового двигателя составлял всего несколько процентов. Для того чтобы машина работала, на дно цилиндра с подвижным поршнем заливалось небольшое количество воды (рис 1.2). Под цилиндром была расположена жаровня. Когда вода закипала, пар, расширяясь, поднимал поршень. После этого жаровню нужно было убрать, а цилиндр охладить, при этом пар конденсировался, под поршнем создавалось разрежение, и поршень под воздействием атмосферного давления возвращался в первоначальное положение, совершая полезную работу – поднимая груз, закачивая воду и пр.
Рис. 1.2. Принцип действия пароатмосферного двигателя.2. ЭРА ПАРОВЫХ МАШИН
В 1753 г Парижская Академия Наук объявила конкурс на замену парусного движетеля более эффективным. Требовалось заменить силу ветра на более эффективный и, самое главное, независимый источник энергии. Не смотря на участие в конкурсе лучших ученых своего времени: Леонардо Эйлера, Бернулли, Мантона де Лакруа и др., награда не была вручена никому. И лишь только в 1769 г. англичанин шотландец Джеймс Уатт (рис 2.1) берет первый патент на изобретенную им паровую машину с конденсатором.
Рис.2.1. Джеймс Уатт (Ватт)Уатт, изучая пароатмосферную машину, создал конструкцию, в которой все процессы были реализованы в отдельных агрегатах теплового двигателя. Усовершенствованная машина имела отдельный паровой котел, пар из которого подавался через клапана попеременно в над- и под- поршневое пространство (рис.2.2). Таким образом, рабочими ходами машины стали два хода поршня (машина двойного действия).
Рис. 2.2. Паровая машина двойного действияЦилиндр паровой машины был заключен в паровую рубашку, тем самым, было обеспечено его постоянное температурное состояние. Также Уатт снабдил машину конденсатором – сосудом, охлаждаемым проточной водой. При этом разрежение, создаваемое в холодильнике, позволило извлечь из того же количества пара большую работу. Такая конструкция машины позволила обеспечить сокращение расхода угля в 3-4 раза по сравнению с пароатмосферной.
Рассматривая машину Уатта нельзя не упомянуть о том, что на ней впервые была применена система автоматического регулирования частоты вращения посредством центробежного регулятора, который используется до настоящего времени и называется механизмом Уатта (рис 2.3).
Рис. 2.3. Центробежный регулятор Уатта.Получив в свое распоряжение такой удобный и совершенный (для своего времени) автономный двигатель, техническая цивилизация расширила сферы его применения, в первую очередь, создавая средства передвижения – транспорт.
Считают, что в 1768 г были разработаны первые паросиловые самоходные машины с пароатмосферным двигателем, и в 1770 и 1771 году Николя-Жозеф Кюньо демонстрировал свой экспериментальный тягач артиллерийских орудий (рис. 2.4) с паровым приводом fardier à vapeur (паровая телега).
Рис. 2.4. Паровая телега КюньоВ 1801 году (по другим данным в 1802) под руководством инженера Ричарда Тревитика в городе Колбрукдэйл был построен, самый первый в мире рельсовый паровоз, названный в честь города, в котором проводились его испытания. Чертежи паровоза (рис. 2.5) хранятся в Лондонском музее науки.
<br /><br />
бесплатный image hosting Рис. 2.5. Паровоз «Колбрукдэйл»Как очевидно, наибольшее распространение тепловые двигатели получают на водном транспорте. В 1802 г в Англии Уильям Саймингтон построил буксир « Шарлотта Дандас» с машиной Уатта в 10 л.с. и гребным колесом, расположенным в кормовой части судна (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Буксир « Шарлотта Дандас».Но изобретателем первого парохода принято считать Роберта Фултона, который в компании с американским посланником во Франции построили судно, в котором использовали идею весельного движителя. Ряд плиц гусеничного устройства, расположенных побортно, как бы имитировал большое число весел. При этом плицы зачастую мешали друг другу и ломались. Тем не менее, судно успешно было испытано на Сене. Пароход шел ровным ходом более 2 уз. Однако предложение судна в коммерческое использование, правительством Наполеона было отвергнуто, и в 1806 г компаньоны перебрались в Америку, где и было развернуто строительство первых пароходов. Первый, известный в литературе, пароход «Клермонт» (рис. 2.7) водоизмещением 160 т с машиной Уатта мощностью 20 л.с. был испытан и введен в эксплуатацию в августе 1807 г.
Рис. 2.7. Пароход «Клермонт»В Европе пароходы получили признание в 1812 г., а в 1815 г. начал совершать регулярные рейсы между Петербургом и Кронштадтом первый русский «стимбот».
В 1836 г в состав Балтийского флота вошел первый по настоящему боевой корабль водоизмещением 1342 т с машиной мощностью 240 л.с. и с полной трехмачтовой оснасткой - пароходофрегат «Богатырь», рис. 2.8.
Рис. 2.8. Пароходофрегат «Богатырь»Под машиной корабль развивал 12 уз. Известна составляющие нагрузки пароходофрегата: машина - 135 т, котел – 65 т, топливо - 350 т, запас воды для котлов – 44 т. Таким образом, на СЭУ с запасом топлива и воды приходилось 43% водоизмещения.
В отличие от колесных транспортных средств, в которых безальтернативным движетелем является колесо, водный транспорт использует разные типы движетелей и на заре развития конструкции движителя, на судах использовались гребные колеса, как дань традиции использования колеса на водяных мельницах. При этом, необходимо сказать, что колесные пароходы были крайне не расположены к бортовой качке, поэтому плавание в шторм для них превращалось в настоящее испытание прочности колес и лопастей.
В 1836 г Фрэнсис П Смит оснастил свой бот новым движителем. Смит впервые использовал в конструкции винт, который имел два витка спирали. Бот прошел на окончательных испытаниях 400 миль со скоростью 8 уз в шторм. Этому способствовал его величество случай: однажды на очередных испытаниях бота в канале, судно вдруг содрогнулось и резко прибавило скорость. Оказалось, что при ударе о затонувший предмет винт потерял половину спирали. В дальнейшем Смит изготовлял винты с одним витком спирали.
Постоянно возрастающие требования к скорости, объемам и экономичности грузовых и пассажирских перевозок выдвигали особые требования к перевозчикам и побуждали инженеров к разработке более мощных и экономичных двигателей. Дальнейшее совершенствование агрегатов транспортной энергетики происходило как за счет развития их конструкции, так и за счет совершенствования формообразования корпусов (в основном, для водного транспорта) транспортных средств и доводки движителей. Благодаря этому, к концу 19 в. суда с паровой машиной могли развивать скорость до 32 уз, при этом мощность энергетической установки приблизилась к 10 000 л.с. Однако это было уже практическим пределом возможности для паровых машин. Дело в том, что скорость поршня в паровой машине ограничена и не превышала 3 м/с. Таким образом, возможность обеспечения высоких агрегатных мощностей сопряжено с необходимостью использовать достаточно большие объемы цилиндра паровой машины, что при определенных условиях снижало прочность стенок цилиндров и понижало надежность агрегата. Самая мощная паровая машина была изготовлена для немецкого лайнера «Кайзер Вильгельм» (рис. 2.9) мощностью в 22 000 л.с., при этом длина ее составляла 22 м, а высота - 12.8 м.
Рис.2.9.Лайнер Кайзер Вильгельм дер Гроссе
(Kaiser Wilhelm der Grosse) 1897 г. Германия. Водоизмещение: 14578т. Развитие паросиловой ЭУ можно проследить по данным таблицы 2.1, в которой отражена динамика совершенствования паровых машин на протяжении 19-го века.
Таблица 2.1
Параметры паросиловых установок
1820 1850 1870 1890
Удельная масса, кг/л.с. 800 180 - 300 120 - 200 60 – 120
Удельный расход топлива, кг/л.с.ч. 6.0 4.8 – 6.0 1.1 – 1.8. 0.7 – 1.1
Мощность СЭУ, л.с. 200 1000 6000 17500
3. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
Таким образом, к началу 20 века возможности паровой машины были практически исчерпаны. На смену паровой машине, не смотря на ее широкую распространенность, отлаженность конструкции и благоприятные характеристики (низкие обороты, возможность запуска под нагрузкой, доступность для реверсирования вращения и т.д.) шли паровые турбины.
Идея использования кинетической энергии пара вместо потенциальной (упругости), как это реализуется в паровой машине, имеет более длинную историю, чем история паровой машины. Она насчитывает уже более 2000 лет, но воплотить эту идею в силовом агрегате удалось только в середине 19 в, рис.3.1.
Рис.3.1. История паровых турбин.Вместе с тем, низкое качество изготовления деталей в условиях кустарных производств и отсутствие серьезной теоретической базы разработок не позволили паровой турбине в это время создать конкуренцию паровой машине. В технически приемлемом виде паровая турбина была создана одновременно и независимо в Швеции и Англии. В 1883 г на паровую турбину своей конструкции взял патент талантливый шведский инженер Густав Лаваль (рис. 3.2).
Рис.3.2. Карл Густав Патрик де Лаваль (Carl Gustav Patrick de Laval)Однако турбина Лаваля (рис.3.3) не получила распространения. Ее автор, увлекающийся изобретатель, оказался неспособным администратором и финансистом. Кроме того, после реализации своих идей он охладевал к ним и принимался за новые.
Рис.3.3. Турбина Лаваля.Совсем другим человеком был выходец из аристократической английской среды Чарльз Парсонс (рис.3.4).
Рис. 3.4. Сэр Чарльз Алджернон Парсонс (Charles Algernon Parsons) Взяв патент на турбину в 1884 г, Сэр Чарльз сумел довести ее конструкцию и уже в 1894 г, она по своим параметрам не уступала паромашине, рис 3.5.
Рис.3.5. Принцип устройства паровой турбины ПарсонсаВ отличие от поршневой машины, в которой рабочее тело (пар или газ) периодически оказывает давление на поршень, заставляя его перемещаться в цилиндре и совершать полезную работу, в турбине основным элементом конструкции является лопатка (рис. 3.6), на которую постоянно подаётся из направляющего аппарата высокоскоростной поток рабочего тела. При торможении потока на внутреннем профиле лопатки турбины создаётся область повышенного давления. При обтекании газа внешней поверхности лопатки формируется область пониженного давления. Под действием перепада давления на всех лопатках, закрепленных на роторе, появляется сила, обеспечивающая движение лопатки и, как следствие, вращение в подшипниках ротора передающего движение на подсоединенную нагрузку.
Рис. 3.6. Принцип действия турбинной лопаткиТаким образом на лопатке турбины срабатывается кинетическая энергия движущегося в потоке газа, в то время, как в поршневом двигателе используется упругость пара или газа (его потенциальная энергия).
Для создания направленного потока газа, подаваемого на лопатки ротора, используется направляющий аппарат, состоящий из набора лопаток, закрепленных на неподвижных кольцах, установленных перед лопатками ротора. Таких ступеней в турбине, как правило, несколько. Такая компоновка агрегата обеспечивает наиболее полное срабатывание располагаемой энергии рабочего тела.
Изменение векторов скорости рабочего тела турбины при прохождении лопаток неподвижного направляющего агрегата и подвижного ротора видно на развертке сечения лопаток рис. 3.7.
Рис. 3.7. Развертка сечения профиля проточной части осевой турбины с «треугольниками» скоростей.
На рис. 3.7: СА – направляющий (сопловой) аппарат, РК – рабочее колесо турбины (ротор). Вектор скорости потока после направляющего аппарата (с2) представляется суммой векторов (w2) – потока, набегающего на лопатку ротора и скорости движения лопатки (u). Очевидно, что для плавного обтекания лопатки ротора без срыва потока рабочего тела, вектор скорости (w2) должен быть направлен под определенным углом. Этот угол вектора скорости потока формируется направляющим аппаратом и называется углом атаки. При движении по проточной части ротора, поток меняет направление и на выходе с лопатки ротора вектор скорости потока (с3) должен быть трансформирован направляющим аппаратом следующей ступени турбины для дальнейшего совершения работы. Столь сложный профиль лопатки, изображенной на рис 1.17, обеспечивает оптимальный угол атаки при увеличении линейной скорости сечения лопатки (u) по мере увеличения радиуса вращения (удаления сечения от центра вращения).
Рассматривая такой энергетический агрегат, как паровая турбина, необходимо отметить, что использование этой концепции целесообразно только в тех случаях, когда востребованы значительные агрегатные мощности и/или высокие значения частоты вращения вала с фланцем отбора мощности. В противном случае, эффективность использования паровой турбины оказывается минимальной, а высокая частота вращения вала турбины приводит к серьезным проблемам в преобразовании генерируемой механической энергии. Поэтому первая турбина Лаваля использовалась для привода сепаратора, где требовалась высокая частота вращения ротора (собственно, на эту конструкцию Лаваль и получил патент), а Парсонс разработал свою турбину для привода мощного электрогенератора. В этой связи паровая турбина, в основном, получает распространение в стационарной энергетике (на тепло электроэнергетических станциях), а в составе мощных транспортных энергетических комплексов, в основном, паровая турбина применялась на мощных магистральных паровозах и в судовых энергетических установках.
В 1894 году Парсонс вместе с друзьями основывает Marine Steam Turbine Company и получает патенты для морского применения паровых турбин собственной конструкции. Для демонстрации возможностей собственного изобретения 2 августа того же года был заложен опытный миноносец водоизмещением в 44,5 т с паротурбинной установкой мощностью 2000 л.с., символически названный «Турбиния», рис 3.8. Но на первых ходовых испытаниях в 1897 г. опытный миноносец показал при небывалой по тем временам мощности энергетической установки для такого класса судов всего 19,7 уз. Причина фиаско была выявлена достаточно быстро: на судне был установлен движитель, который использовался на низкооборотных паровых машинах и не был приспособлен к работе с высокооборотной турбиной.
Рис.3.8. «Турбиния» на полном ходуПосле доводки движителя и модернизации ЭУ и корабля, скорость «Турбинии» составила 34,5 узла при мощности установки в 2400 л.с. Таким образом, на корабле водоизмещением в 44,5 т удалось разместить такую мощную установку, что значительно повысило энерговооруженность судна. Ведь через сопловой аппарат турбины оказывается возможным пропустить гораздо большее количество пара, чем через цилиндры паровой машины в тех же габаритах. Идея паротурбинной СЭУ триумфально победила паровую машину.
В след за судостроителями, попытки использовать преимущества паровой турбины были предприняты на железнодорожном транспорте, рис 3.9. Первые коммерческие паротурбовозы были выпущены в начале 20-го века (в 1910 г. в Италии, в 1921 г. в Швейцарии и Швеции, в 1924-1926 гг. в Германии и Великобритании) и использовались до 50-х годов, не выдержав конкуренцию с тепловозами.
Рис 3.9. Паротурбовоз, построенный в 1923-24 г. на заводе Krupp в Эссене.
Что же касается дальнейшего совершенствования паровых турбин, то для них, в отличие от паровых машин, которые в течение многих десятилетий безраздельно господствовали во всей энергетике, такая спокойная жизнь не была уготована. С самого начала своего использования, паровой турбине пришлось выдерживать жесткую конкуренцию с новым поршневым двигателем внутреннего сгорания, имевшим в то время, в принципе, лишь одно преимущество. Но это преимущество заключалось в существенном (в 3-4 раза) увеличении топливной экономичности по сравнению с паровым двигателем, поэтому оно и явилось превалирующим в развитии дальнейшей истории транспортной энергетики.
4. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
К середине 19-го века серьезное развитие конструкций тепловых двигателей, в частности, для транспортной энергетики оказывается невозможным без создания теоретического фундамента. В основу этого фундамента положена наука техническая термодинамика, изучающая законы преобразования тепловой энергии в тепловых машинах. Основоположником этой науки является Саади Карно (рис. 4.1), родившийся в 1796 г в семье известного деятеля Французской революции.
Рис. 4.1. Николя́ Леона́р Сади́ Карно́В 1824 г вышло в свет знаменитое сочинение Карно «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», которое сделало имя автора бессмертным. Карно изложил условия, при которых в полезную работу можно перевести до 70% удельной теплоты сгорания топлива. Цитата: «водяной пар может быть образован только в котле, в то время как атмосферный воздух можно нагревать непосредственно сгоранием, происходящим в нем. Этим была бы избегнута не только большая потеря в количестве тепла, но и в его градусах». И в заключении: «Употребление атмосферного воздуха для развития движущей силы тепла на практике представит огромные, но, может быть не непреодолимые трудности, если их удастся победить, то воздух обнаружит большие преимущества перед паром». Тем самым была выдвинута и обоснована концепция создания двигателя внутреннего сгорания. И с этого времени отрывочные и разрозненные умозаключения, накопленный опыт и знания о природе тепловых двигателей начали формироваться в стройную научную систему взглядов – техническую термодинамику.
Первые попытки реализовать идею Карно о двигателе внутреннего сгорания относятся к 1801 г. В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. А в 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя, способного заменить паровую машину, при этом топливо сгорало не в топке, а непосредственно в цилиндре двигателя. Однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.
Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи (рис 4.2).
Рис.4.2. Поршневой ДВС 1853 г. с реечным приводом.Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель и организовал систему водяного охлаждения цилиндра. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за сильного трения поршня о стенку цилиндра. Для снижения сил трения Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Так постепенно формировался облик поршневого ДВС.
Следующий этап развития конструкции ДВС связан с именем немецкого изобретателя Августа Отто (рис. 4.3), получившим патент на свою модель газового двигателя в 1864 г.
Рис. 4.3. Николаус Август Отто - немецкий инженер, изобретатель (1832-1891гг)Самым существенным изобретением Отто был четырехтактный цикл работы двигателя (1877 г.) и замена реечного привода кривошипно-шатунным механизмом. Надо сказать, что, не смотря на то, что авторство этих основ конструкции современного поршневого двигателя внутреннего сгорания неоднократно оспаривались, в историю эти двигатели все равно вошли под именем Отто.
То обстоятельство, что в качестве горючего для первых ДВС использовался светильный газ, сильно сдерживало их распространение из-за небольшого количества заводов, этот газ производящих. Поэтому усилия инженеров были направлены на поиски нового горючего. И в 1880 г. изобретателем Костовичем О.С. был представлен работающий прототип бензинового двигателя.
Наибольший вклад в создание бензиновых двигателей внес немецкий инженер Готлиб Даймлер, работавший в начале 80-х годов 19-го века в фирме Отто на правах члена ее правления. Даймлер предложил проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы успешно использовать на транспорте, однако это предложение не заинтересовало Августа Отто. Поэтому в 1882 г. Даймлер покидает фирму Отто и начинает работу над проектом со своим другом Вильгельмом Майбахом. И уже в 1883 г. создают первый калильный бензиновый двигатель с принудительным воспламенением топливо-воздушной смеси от раскаленной трубки, вставляемой в цилиндр. Первая модель разработанного двигателя была предназначена для промышленной стационарной установки.
Крайне сложной проблемой в обеспечении надежного функционирования бензинового двигателя на тот момент представлялась топливоподготовка, поскольку процесс испарения топлива, организованный в первых двигателях не мог обеспечить требуемого качества работы. И только в 1893 г. венгерским инженером Донатом Банки была разработана и запатентована конструкция для мелкого распыления топлива в воздухе, известная как карбюратор, основные идеи которой используются до настоящего времени.
И, наконец, последней вехой в доводке конструкции бензинового двигателя явилось получение Маркусом в 1883 году немецкого патента на низковольтную систему зажигания. Таким образом, был сформирован прообраз современного бензинового двигателя, получившего самое широкое распространение в наши дни.
Достигнутые успехи в создании поршневых двигателей в конце 19-го века создали все предпосылки для появления ещё одного вида транспорта – авиационного. Не смотря на то, что успешные попытки создания самолетов, оснащенных паровыми двигателями, предпринимались раньше (1882 г. – Александр Можайский, 1890 г. – Клемент Адер (Франция), 1894 г. – сэр Хайрам Стивенс Максим и др.), дальность полетов таких громоздких и тяжелых конструкций ограничивалась сотнями метров и они были неуправляемые. Первый длительный управляемый полет удалось совершить Уилберу и Орвиллу Райт (братья Райт) в 1903 г., рис. 4.4.
Рис. 4.4. Самолет «Флаер» братьев РайтИ уже в 1905 г. самолет Флайер-III преодолевал расстояние в 40 км, в том числе, благодаря тому, что на Флайере-III был установлен легкий бензиновый двигатель конструкции Райт-Тейлора с удельной массой менее 10 кг/кВт. Сохранившийся до наших дней натурный образец одного из первых авиационных двигателей представлен на рис. 4.5
Рис. 4.5. Экземпляр, серийный номер 17, авиационного двигателя 1910 г.Блестяще воплотил в жизнь идеи Карно немецкий инженер Рудольф Дизель (1858 – 1913) (рис. 4.6), который в 1892 г предложил поршневой ДВС с самовоспламенением топлива от сжатия и пневматическим распылением топлива. Даже первые, далекие от совершенства дизель-моторы были в 3-4 раза экономичнее паросиловых установок. Именно это предопределило широкое использование двигателей Дизеля на коммерческом наземном и водном транспорте, где они занимают главенствующее положение, правда, в несколько видоизменённом современном виде по сравнению со своим прототипом.
Рис. 4.6. Рудольф Дизель.Нужно отдать должное тому, что независимо от Дизеля, в 1898 году, на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором», рис 4.7.
Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. Российская конструкция с использованием механического распыления топлива оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля, работы над двигателем в 1902 году были прекращены.
Рис. 4.7. Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) и его двигатель
И, тем не менее, все современные дизельные двигатели работают с механическим распыливанием топлива, а двигатели с пневматическим распылением были постепенно вытеснены с рынка ввиду чрезвычайной сложности их конструкции. Так, по иронии судьбы, в основе всех современных дизельных двигателей лежит конструкция талантливого российского инженера Густава Тринклера, и, в настоящее время, дизельные двигатели работают по циклу Тринклера, а не Дизеля.
Благодаря высокой топливной экономичности, и, не взирая на очень металлоемкую конструкцию, двигатель с самовоспламенением топлива от сжатия постепенно начинает вытеснять из обращения все типы паровых двигателей в транспортной энергетике. Наибольший эффект от использования столь экономичного двигателя достигался на водном транспорте, который должен обладать достаточно большим запасом автономного движения. Согласитесь, весьма заманчиво при прочих равных условиях принимать на борт в 3 – 4 раза меньше топлива или пропорционально увеличить дальность плавания. В 1903 г Сормовский завод в Нижнем Новгороде построил первый теплоход – танкер озерного типа «Вандал». Из-за нереверсивности первых дизелей, на нем была применена электропередача на винт, рис. 4.8, т.е. «Вандал» был первым дизель-электроходом в истории.
Рис. 4.8. Танкер озерного типа "Вандал"В 1910 г Петербургский Балтийский завод вводит в строй 8 канонерских лодок около 1000 т водоизмещения и дальностью плавания в 2000 миль при скорости в 12 уз для Амурской флотилии.
Когда осенью 1910 г Германию посетила специальная комиссия русского морского министерства для ознакомления с вопросами кораблестроения, то профессор Юнкерс, видный авторитет в области ДВС, торжественно сообщил, что в Гамбурге проходят испытание судна с дизельной установкой, которое способно развивать 7 уз. Велико было разочарование и удивление профессора, когда он узнал о достижениях в этой области российских кораблестроителей.
Первые дизельные энергетические установки уступали паросиловым прежде всего в агрегатной мощности двигателей, ограниченными значениями 1700 – 1800 л.с., и в удельных массовых показателях – порядка 100 кг/л.с. И не смотря на это дизели получают развитие и широкое распространение ввиду своей высокой экономичности. Так, в Германии в 1917 г был создан дизель мощность 17 000 л.с. Постепенно дизельный двигатель получил широкое распространение в судостроении и как главный, и как вспомогательный двигатель и удерживает свои позиции до настоящего времени.
Одновременно с двигателями Дизеля судового назначения, двигатель с самовоспламенением от сжатия начинает внедряться на наземный транспорт. Первый экспериментальный тепловоз «Термо» для работы на магистральных линиях был разработан под руководством Рудольфа Дизеля Адольфом Клозе в 1909 году и построен заводом «Борзиг» — дочерним предприятием «Зульцер» — к сентябрю 1912 года. На нём был использован основной дизель мощностью 750 л. с. и дополнительный - мощностью 250 л. с., первый — 4-цилиндровый — посредством дышловой передачи приводил в движение экипаж, второй, работавший автономно, служил для подачи сжатого воздуха в момент трогания с места в режиме обычного паровоза. Однако из-за возникших при испытаниях проблем, а также начавшейся Первой мировой войны и гибели Р. Дизеля доработка тепловоза «Термо» не была закончена. Лидерство в производстве тепловозов принадлежит России. Уже в 1909—1913 гг. на Коломенском машиностроительном заводе под руководством инженера Ф. X. Мейнеке разрабатывались проекты тепловозов мощностью 40 (с пневматической передачей); 300 (с механической передачей) и 1600 (электродвижение) л.с. Восстановленный образец первого серийного коломенского тепловоза показан на рис.4.9.
Рис. 4.9. Первый в мире магистральный тепловоз Щэл11924 г. выпуска.
Что касается автомобильного транспорта, то, не смотря на высокую мобильность, автономность и привлекательность, развитие его сдерживалось отсутствием развитой сети пригодных для движения дорог. Относительно благополучно в этом отношении дело обстояло в Старом Свете. Так, в начале 20-го века сеть дорог, относительно пригодных для движения автомобильных транспортных средств не превышала 30 000 км. В этой связи, только в 20-х годах прошлого века авто эксперты начали пророчить дизельному двигателю большое будущее. А первый грузовой автомобиль с дизельным двигателем был выпущен в Германии в 1923 году, рис. 4.10, и только в 1929 году американский производитель двигателей Cummins в качестве эксперимента использовал дизельный двигатель в легковом автомобиле. Первой серийной легковой моделью, работающей на дизеле, стал Mercedes-Benz 260 D, вышедший в 1936 году. Однако понадобилась еще четверть века, чтобы автомобилисты перестали воспринимать дизели как тяжелые, медленные, шумные и грязные моторы.
Рис. 4.10. Первый грузовой автомобиль 5к3 Benz & Cie с дизельным двигателем (1923 г.) 5. ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Дальнейшая история развития транспортной энергетики, аналогично паровым двигателям, переходит от использования поршневого двигателя к развитию конструкции газовых турбин – созданию газотурбинных энергетических установок.
Первая газовая турбина была предложена ещё Леонардо да Винчи в начале 16-го века. Она существенно отличалась от современных устройств и применялась в "сфере малой механизации" (турбина вращала вертел, предназначенного для жарки мяса по средством рабочего колеса, установленного в дымоходе). Использовалась газовая турбина и для приведения в движение повозки изобретателя Джона Барбера, патент от 1791 г. Однако достижение высоких экономических и мощностных показателей конструкции препятствовали крайне низкий уровень теоретических проработок и отсутствие специальных жаропрочных конструкционных материалов.
Наиболее ранние разработки газотурбинных установок имели авиационное назначение. К концу Второй мировой войны обострилось противоречие между требованиями по повышению мощности и снижению массо-габаритных характеристик энергетической установки. В этой связи дальнейшее развитие авиации с поршневыми двигателями становится бесперспективным, и в 1946-1948 гг. заканчивается эпоха поршневой авиации.
В 1939 г. немецкие конструкторы фирмы Хейнкель создают и испытывают первый самолет с турбореактивным двигателем НеS 3, обеспечивающий Третьему рейху преимущество в скорости (700 км/ч) над всеми существующими на тот момент поршневыми самолетами (до 650 км/ч). А с августа 1944 г. в Германии начинается серийный выпуск истребителя-бомбардировщика Мессершмитт Ме 262 с двигателями Jumo-004, развивавшего скорость, недосягаемую для перехватчиков противника, и, тем самым, обеспечивающего существенное превосходство в воздушном бою, рис 5.1.
Рис. 5.1. Первый турбореактивный самолет Мессершмитт Ме 262 (1944г.)Первым отечественным серийным реактивным самолётом был истребитель Як-15 (1946 г), разработанный в рекордные сроки на базе планера Як-3 и адаптации трофейного двигателя Jumo-004, выполненной в моторостроительном КБ В. Я. Климова. А уже через год прошёл государственные испытания первый, полностью оригинальный, отечественный турбореактивный двигатель ТР-1.
Один из первых газотурбинных двигателей для наземной техники разработала компания BMW в 1944 году. Он был опробован на самоходной артиллерийской установке "Пантера". Однако эти первые двигатели, примененные для военной техники, обладали крайне малой надежностью, ресурсом и топливной экономичностью, что существенно ограничивало возможности их использования для нужд народного хозяйства.
Наметившийся к концу 40-х годов 20 века технический прорыв в области технологий производства и обработки жаропрочных высококачественных сталей обусловил существенный рост КПД газотурбинных двигателей при одновременном повышении их ресурсных показателей и сокращении стоимости. Как следствие, новый вид энергетической установки, рис.5.2, находит широкое применение на коммерческом транспорте. И в первую очередь это относится к авиационному и водному транспорту, где потребности в высокой мощности и минимальной удельной массе агрегатов энергетической установки оказываются превалирующими.
Рис. 5.2. Газотурбинный двигатель (турбовинтовой). Представленный на рис. 5.2. турбовинтовой двигатель характерен для самолетов дальней авиации (как для гражданской, так и для военной). Существуют и другие разновидности газотурбинных двигателей, например, турбореактивные, используемые на самолетах, использующих реактивную тягу, рис. 5.3.
Рис. 5.3. Турбореактивная газотурбинная установка (турбовентиляторная).Для стационарных и судовых газотурбинных установок используются другие компоновочные схемы, например, двухвальные газотурбинные двигатели, рис. 5.4.
<br /><br />
заменить изображение по той же ссылкеРис. 5.4. Газотурбинный двигатель со свободной турбинойАналогичные конструкции ГТУ использовались для привода автомобильного транспорта и тепловозов, однако, не взирая на завидные удельные массо-габаритные характеристики, достигающие менее 1 кг/л.с, в данном случае предпочтение в подавляющем большинстве случаев отдается современному поршневому дизельному двигателю, который способен обеспечивать вполне конкурентную экономичность при достаточно больших ресурсах и малой стоимости.
На этом экскурс в историю развития транспортной энергетики можно было бы и завершить, но он оказался бы не полным, если бы мы не упомянули об одном обстоятельстве, которое не коим образом не меняет номенклатуру и исторические явления, касающиеся агрегатов транспортной энергетики, а относится к использованию нового вида топлива.
6. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ В ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
С момента овладения человечеством атомной энергии, началось ее использование в мирных целях и, в частности, в судостроении, Ведь всего один кг ядерного топлива уран–235 эквивалентен энергии сгорания 2000 т мазута! Крайне заманчиво было использовать такую энергию в котле паротурбинной установки, тем самым, давая новый шанс паровым турбинам. В 1959 г. в СССР вступило в строй первое в мире атомное судно – ледокол «Ленин», рис. 6.1.
Рис. 6.1. Первое в мире судно с ядерной силовой установкой ледокол «Ленин» (1959 г)Позже были выпущены атомные ледоколы «Арктика» и «Сибирь». В США в 1958 заложили первый атомный крейсер «Лонг Бич», а к 1970 в США было построено 11 атомных надводных кораблей с мощностью до 60 000 – 80 000 л.с. и с удельной массой порядка 50 кг/л.с. (на аналогичных паросиловых СЭУ удельная мощность составляет не более 12, а с учетом бортового топлива – 22 кг/л.с.).
Атомная установка широко применяется в подводных кораблях - атомоходах, обеспечивая им сопоставимые скорости с надводными кораблями. Пожалуй, излишне в этом случае говорить о дальности плавания атомоходов. Однако высокая биологическая опасность атомного реактора и необходимость его защиты не позволяет широко использовать атомоходы и, вообще, до настоящего времени в мире отсутствует единое мнение о целесообразности постройки кораблей с атомными силовыми энергетическими установками.
Таким образом, насчитывая более чем трех вековую историю развития, транспортная энергетика прошла длительный и сложный путь своего развития и совершенствования от первых пароатмосферных двигателей, использующих всего несколько процентов от теплоты сгорающего топлива до современных энергетических установок, способных преобразовать до 50% тепловой энергии в полезную работу. А основные этапы этого длительно пути отражены на рис 6.2.
<br />
<br />
Рис. 6.2. Основные этапы развития транспортной энергетики
