Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Водяное колесо и паровая турбина – два главных стационарных первичных двигателя, генерирующие электроэнергию. В Соединенных Штатах в 1954 году гидроэлектростанции производили 23 процента, а пар – 75 процентов электроэнергии для широкого потребления. На долю стационарных двигателей внутреннего сгорания приходилось только 2 процента. Двигатель внутреннего сгорания, описанный в следующей главе, весьма важен, поскольку производит электроэнергию для локомотивов.

Компания Вестингауза построила первую в Соединенных Штатах гидроэлектрическую энергосистему в 1891 году, спустя шесть лет после Баррингтонского проекта. Электроэнергия из Уилламетт-Фоллс, Орегон, передавалась в расположенный на расстоянии 13 миль Портланд, где трансформаторы снижали напряжение с 3300 вольт до 1100 вольт для городских потребителей. Местные трансформаторы преобразовывали ток до 50 или 100 вольт для ламп – соответствующего стандарта тогда не было. Самая важная длинная линия электропередачи была построена тоже в 1891 году от Лауффена до Франфурта. Передача 100 лошадиных сил при 30 000 вольт на 109 миль – весьма убедительная демонстрация. В 1882 году была еще ранняя экспериментальная линия электропередачи между Мисбахом и Мюнхеном, но дальше эксперимента дело не пошло из-за серьезных проблем с изоляторами.

Если бы не появление системы переменного тока, энергия Уилламетт-Фоллс не могла бы использоваться для обеспечения Портланда электричеством. Постоянный ток экономически нецелесообразно передавать на большие расстояния при напряжении 50 или 100 вольт. На самом деле именно развитие систем переменного тока позволило использовать энергию воды для получения электричества. Первая в США крупная гидроэлектростанция был построена в 1895 году на Ниагарском водопаде. Там были установлены машины мощностью 5000 лошадиных сил с напряжением на выходе 2200 вольт. Станция производила 15 000 лошадиных сил. В отличие от большинства генераторов альтернаторы Ниагары имели поля, вращающиеся снаружи стационарных якорей. Ранние генераторы Вестингауза имели вращающиеся якоря, но европейские инженеры, участвовавшие в проектировании станции на Ниагаре, отдали предпочтение проекту с вращающимися полями. После Ниагары вращающиеся поля стали обычными для альтераторов, но только поля вращались внутри стационарного якоря, а не снаружи. Необходимо только, чтобы магнитное поле и обмотка якоря двигались относительно друг друга. Их расположение – вопрос дизайна, а не принципа.

Поля ниагарских альтернаторов совершали 250 оборотов в минуту. Они были установлены на вертикальных осях и напрямую связаны с водяными турбинами. Поскольку альтернатор должен вращаться с постоянной скоростью, чтобы вырабатывать заданную стандартную частоту, регулятор поддерживает необходимую скорость турбины, независимо от напора воды. Большинство гидростанций имеют генератор, напрямую соединенный с турбиной, а турбины конструируют так, чтобы работать с максимальной эффективностью при меняющихся нагрузках.

Во второй декаде века несколько энергетических компаний, стремясь к повышению эффективности и расширению сфер влияния, объединили свои станции с помощью линий электропередачи. Объединение отдельных станций в сеть существенно повышает эффективность системы в целом, способствует экономии и позволяет поддерживать обслуживание потребителей в случае выхода из строя отдельных станций. Также сеть позволила с выгодой использовать многие ранее неэффективные гидростанции. Сама по себе гидростанция может быть неэффективной из-за низкого уровня воды во время засухи. Если же она питает систему, содержащую паровые установки, которые действуют как резервная мощность во времена высокой воды, она может иметь большое значение. И в 1920-х годах во многих странах появились сети, включавшие гидроэлектростанции, в том числе расположенные «на отшибе», и тепловые станции.

Совершенствование процессов передачи электроэнергии и появление более мощных генераторов привели к необходимости увеличения мощности трансформаторов. Инженеры также усовершенствовали дизайн переключателей и прерывателей цепи, чтобы справиться с большими мощностями. С 1906 до 1911 года напряжение в линиях электропередачи возросло с 13 000 до 150 000 вольт. Первая линия напряжением 220 000 вольт была введена в эксплуатацию в 1921 году, а сегодня их – великое множество (рис. 11.7). Бывает, что напряжение повышают и до 300 000 вольт. Совершенствование электропередачи дало толчок ускоренному развитию и частных, и государственных гидроэлектростанций в Соединенных Штатах, которое началось в 1920-х годах. Правительственные станции вырабатывали около 50 процентов гидроэлектроэнергии, производимой в Соединенных Штатах; они были крупнейшими.

Рис. 11.7. Линия высоковольтной передачи напряжением 230 000 вольт

До 1900 года паровые установки, вырабатывающие электричество, были поршневыми (рис. 11.8). Самыми крупными паровыми установками, приводящими в действие генераторы, были двигатели мощностью 7500 лошадиных сил. Они с 1904 года работали в разных отраслях промышленности, в том числе на нью-йоркской наземной железной дороге при частоте вращения 75 оборотов в минуту и давлении 175 фунтов. Позже генератор, приводимый в действие паровой турбиной, вырабатывал практически все электричество, производимое из топлива, хотя двигатели внутреннего сгорания и несколько газовых турбин также существовали, правда давая лишь очень маленький процент от всей вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 11.8. Большой поршневой паровой двигатель и генератор

Мы уже упоминали ранее, что принципы работы активно-реактивных турбин известны давно. Еще Герон Александрийский описал модель, в которой пар подается в металлическую сферу через полую ось и выходит из нее через два сопла. Внутренняя энергия пара превращается в механическую – сфера вращается (рис. 3.4). В 1629 году Джованни Бранка писал о машине, в которой поток воздействует на лопасти, выступающие из вращающегося колеса (рис. 6.10). Первая из этих турбин была реактивная, а вторая – импульсная (активная). Ряд изобретателей пытались создать паровую турбину в XVIII и XIX веках, но достигли не больше практических результатов, чем Герон Александрийский. К примеру, в 1784 году Вольфганг фон Кемпелен запатентовал «реактивную машину, приводимую в движение огнем, воздухом, водой или любой другой жидкостью». Первоначально предназначенная для работы с помощью «кипящей воды, точнее, исходящих от нее паров», эта паровая турбина обеспокоила Джеймса Уатта, поскольку являлась возможным конкурентом его двигателю. Среди других инженеров, работавших над проектом турбины, был Тревитик, построивший в 1815 году «кружащуюся машину» с колесом диаметром 15 футов, вращающимся со скоростью 300 оборотов в минуту. В Соединенных Штатах Уильям Эйвери запатентовал турбину в 1831 году. В других странах патенты были получены в 1838, 1843, 1845 и 1858 годах. У всех запатентованных турбин была одна общая черта: они производили энергию неэффективно. Тем не менее большинство фундаментальных идей, касающихся строительства паровых турбин, были предложены и описаны намного раньше.