/
Author: Бобровский Г.С.
Tags: физика атомная физика строение вещества серия научно-популярная библиотека тепловая энергия паровые машины
Year: 1958
Text
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ВЫПУСК 98
Г. С. БОБРОВСКИЙ
ВОДЯНОЙ ПАР
ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА
И ПРИМЕНЕНИЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1958
16-2-1
ВВЕДЕНИЕ
Человек уже давно начал создавать машины для облег-
чения и повышения производительности труда. Сна-
чала было создано примитивное водоподъемное колесо с
ковшами. Оно вращалось под действием веса пересту-
пающего по нему человека. Потом эту работу вместо че-
ловека начали выполнять животные. Позже люди заме-
тили, что колесо с заполненными водой ковшами само
поворачивается. Это было использовано для создания во-
доналивного колеса; столетиями это колесо приводило в
движение мельницы, лесопилки, кузнечные меха, насосы,
прокатные станы и т. д. Даже еще в наше время водо-
наливные колеса работают на небольших сельских мель-
ницах.
Однако энергией воды можно пользоваться не всюду;
появились ветряные двигатели. С течением времени тре-
бованиям растущей промышленности не могли удовлетво-
рить ни водяные колеса, ни ветряные двигатели, ни мус-
кульная энергия животных. Недостаток стал ощущаться
особенно сильно к концу XVII и началу XVIII века.
В Англии, например, которая в это время была наиболее
промышленно развитой страной, вследствие недостатка
древесного угля для металлодобывающей и металлообра-
батывающей промышленности, пришлось организовать
добычу каменного угля. В угольных шахтах работе ме-
шала вода. По-прежнему ее откачивали водяными ко-
лесами, иногда чудовищных размеров — больше 15 мет-
ров в диаметре. Для приведения в действие насосов
1* 3
требовались сотни лошадей. И все же этих средств
было недостаточно для откачивания воды с большой
глубины.
Назрела жизненная потребность в более мощном и
экономичном двигателе. И он был создан, была изобре-
тена паровая машина. Правда, сначала она была весьма
несовершенная, но все же позволяла работать в любом
месте и требовала значительно меньше издержек, чем
применение лошадей.
Паровая машина повысила производительность труда.
Затем паровые машины достигли высокого совершенства.
И в наше время — в век электричества и атомной энер-
гии — сила водяного пара еще не утратила своего значе-
ния. Водяной пар широко используется в различных от-
раслях народного хозяйства. Даже на атомной электро-
станции электроэнергия вырабатывается через посредство
водяного пара.
Вот о том, что такое водяной пар, как его получают
и используют в народном хозяйстве мы и расскажем в
данной книжке.
I. ФИЗИКА ВОДЯНОГО ПАРА
1. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Объяснение физики водяного пара начнем с рассмотре-
ния строения вещества.
Наукой установлено, что все тела природы построены
из мельчайших невидимых частиц — молекул и
атомов.
Молекулы и атомы настолько малы, что они не видны
даже в самый сильный микроскоп. Английский физик
Томпсон приводил такой пример: если бы можно было
поместить все молекулы в стакане воды и затем вы-
лить воду в море, то, после перемешивания воды во
всех морях и океанах, в каждом стакане, зачерпнутом
в любом месте, оказалось бы около 100 помеченных
молекул.
Исследованиями установлено, что молекулы находятся
в непрерывном движении и на определенном расстоянии
взаимодействуют между собою. В твердых телах, напри-
4
мер, силы взаимного притяжения молекул друг к другу
весьма велики. Поэтому для разделения или изменения
формы твердого тела необходимо приложить некоторое
усилие. Иная картина у жидкостей. Здесь связь моле-
кул значительно слабее, чем у твердых тел. Поэтому
жидкость легко поддается изменению формы и при-
нимает форму того сосуда, в который налита. Еще
меньше связь между молекулами у газообразных ве-
ществ. У них молекулы находятся на большом расстоя-
нии друг от друга и силы взаимного притяжения ни-
чтожны. Поэтому газы всегда стремятся занять неогра-
ниченный объем, их молекулы свободно расходятся в
разные стороны.
Различают газы и пары. Парами (например, пары
воды, ртути, эфира, аммиака, бензина и т. д.) называют
такие газообразные тела, которые при обычных атмосфер-
ных условиях могут существовать одновременно с жидко-
стью, из которой они образовались, и относительно легко
переходить в жидкое состояние. Газами (например, водо-
род, кислород, азот и др.) называют более стойкие газо-
образные тела, для превращения которых в жидкое со-
стояние необходимо применение необычных, очень низких
температур и высоких давлений. И газообразное и паро-
образное состояние — это такое состояние вещества,
когда оно разделилось на отдельные молекулы, почти
не испытывающие взаимного притяжения.
А можно ли молекулу разделить на еще более мелкие
частицы? Да, можно. Ее можно разделить на атомы, но
они уже не будут обладать свойствами молекулы, в со-
став которой они входили. Молекулы могут образоваться
из однородных и разнородных атомов. Вещество, со-
стоящее из молекул, образованных из одинаковых
атомов, называется простым, в противном случае —
сложным. Например, молекулы газа кислорода или во-
дорода, состоящие из одинаковых атомов, являются
простыми. А вот молекула воды, состоящая из двух
атомов водорода и одного атома кислорода, относится
к сложным.
Вещество тел может испытывать различные превра-
щения (переходить из одного состояния в другое — твер-
дое, жидкое, газообразное), но оно при этом не исче-
5
зает и не создается вновь. Примером может служить
испарение воды; вещество воды, перешедшей в газо-
образное состояние, не исчезает, хотя пар быстро делается
невидимым. Вес мельчайших частиц пара, смешавшихся
с воздухом, равен весу испарившейся воды. Другим при-
мером является горение топлива. Например, от сгоревших
дров остается только кучка золы, а керосин, например,
выгорает полностью. На первый взгляд кажется, что ве-
щество топлива пропадает. В действительности же оно,
соединяясь с кислородом воздуха, переходит в другой
вид — в газообразные продукты горения (углекислый газ,
сернистый газ и др.). Эти примеры иллюстрируют закон
сохранения вещества.
Великий русский ученый М. В. Ломоносов сле-
дующим образом сформулировал закон сохранения ве-
щества: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого
суть состояния, что сколько у одного тела отни-
мается, столько присовокупится к другому, так, ежели
где убудет несколько материи, то умножится в
другом месте».
2. ЭНЕРГИЯ
Паровая машина работает за счет энергии водяного
пара. Энергия — это способность тела произвести работу.
Водяной пар может произвести самую разнообразную ра-
боту, например приводить в движение паровоз, пароход,
паровую турбину, паровой молот, водяной насос и дру-
гие машины. Работа — это величина, измеряющая коли-
чество энергии, превратившейся в данном процессе из
одного вида в другой. Изменение энергии определяется
той работой, которую надо совершить, чтобы вы-
звать это изменение. Поэтому мерой энергии служит
та же единица, как и для измерения работы, т. е. кило-
граммометр. О том, как измеряется работа, будет ска-
зано ниже.
Энергия, точно так же, как и вещество, обладает за-
мечательным свойством: она не исчезает и не создается
вновь, а только переходит из одного вида в другой. В при-
роде энергия встречается в различных видах: химическая,
тепловая, механическая, электрическая, световая энергия.
6
Все виды энергии делятся на два класса — потенциаль-
ная энергия (энергия покоя) и кинетическая энергия
(энергия движения). Водяной пар, находящийся в котле,
не производит работы, но он при известных условиях мо-
жет произвести ее, в этом случае о паре говорят, что он
обладает потенциальной энергией. Тот же пар, выходя из
сопла *) струей, обладает энергией движения, или кине-
тической энергией, и, попадая на лопатки, укрепленные
по окружности колеса, заставляет его вращаться. В быту
мы постоянно встречаемся с превращением энергии.
В топках паровых котлов на электростанции при сжига-
нии топлива его скрытая химическая энергия переходит
в тепловую энергию продуктов горения, которые, нагревая
воду, превращают ее в пар. Далее тепловая энергия пара
в турбине превращается в механическую энергию, необхо-
димую для вращения электрогенератора, в котором меха-
ническая энергия превращается в электрическую. А на
заводах электроэнергия посредством электродвигателей
снова превращается в механическую энергию, которая
приводит в движение станки. В электропечах электроэнер-
гия превращается в тепловую, в осветительных прибо-
рах — в световую и т. д.
Однако, превращая энергию из одного вида в другой,
полностью ее использовать не удается — часть энергии
расходуется не по назначению, бесполезно. Например,
в машинных отделениях жарко, хотя их обычно не отапли-
вают. Откуда же берется тепло? Оказывается, что в па-
ротурбинной установке в механическую энергию, т. е.
по назначению, превращается только часть тепловой
энергии, около трети всей затраченной. Остальная часть
тепловой энергии уходит с отработавшим горячим па-
ром, расходуется на преодоление трения вала в подшип-
никах машины и на нагрев воздуха в машинном отде-
лении. Эти расходы тепловой энергии называются
«потерями».
Все машины обладают потерями: одни большими, дру-
гие— меньшими. Поэтому машины различают не только
по конструкции и характеру превращения энергии, но и
*) Соплом называется насадка на конец трубы или канал, из ко-
торого. выходит струя пара.
7
по величине коэффициента полезного действия, т. е. по
отношению полезно расходуемой энергии ко всей затра-
ченной. Коэффициент полезного действия выражается
в процентах, и, чем он выше, тем большая часть
затраченной энергии используется полезно. Так, для
паросиловых машин (паровоз, локомобиль и др.) коэф-
фициент полезного действия равен 7—20%, для двига-
телей внутреннего сгорания (автомобильный, мото-
циклетный двигатели и др.) —25—35%, а для водяной
турбины — около 75%.
3. ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ
Водяной пар получается за счет тепловой энергии.
Следовательно, чтобы получить водяной пар, надо любой
вид энергии, имеющийся в нашем распоряжении, превра-
тить в тепловую энергию, с помощью которой можно
испарить воду.
В промышленности и быту источником тепловой энер-
гии чаще всего служит топливо (дрова, нефть, уголь).
При горении топлива его составные части (углерод, водо-
род, сера и др.) соединяются с кислородом воздуха; этот
процесс сопровождается выделением теплоты; обра-
зующиеся газообразные продукты горения нагреваются
до высокой температуры, передают свое тепло воде
и испаряют ее. В атомной промышленности тепловую
энергию получают за счет разложения («горения»)
радиоактивных химических элементов (урана, тория,
плутония).
Известно, что при нагревании все тела расширяются,
а при охлаждении сжимаются. Твердые тела расши-
ряются и сжимаются очень мало, так как изменению раз-
меров препятствует прочная связь их молекул. Жидкости
расширяются и сжимаются при нагревании в большей
степени. Газообразные тела, в том числе водяной пар,
расширяются при нагревании и сжимаются при охлажде-
нии в наибольшей степени. Исключением является
вода — наименьший объем она имеет при —4° С; при
дальнейшем охлаждении вода расширяется. Вот почему
любой закрытый сосуд лопается, когда в нем замер-
зает вода.
8
Свойство тел расширяться или сжиматься в зависимо-
сти от температуры используется в практике, в частно-
сти и в паровой машине.
Сколько же требуется теплоты для того, чтобы на-
греть и испарить воду? За единицу измерения тепла при-
нята калория; в технике чаще пользуются в тысячу раз
большей единицей — килокалорией. Килокалория — это
количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы
нагреть 1 килограмм воды на 1° С. Например, для того
чтобы нагреть 2000 килограммов воды с 20° С до 90° С,
необходимо затратить 2000- (90 — 20) = 140 000 килока-
лорий (сокращенно — ккал).
4. РАБОТА И МОЩНОСТЬ
Водяной пар получают для того, чтобы заставить па-
ровую машину выполнить какую-то полезную работу. Ха-
рактеризуя любую машину, в том числе и паровую, гово-
рят, что она обладает такой-то мощностью. Разберемся,
что такое работа и мощность.
Из опыта и наблюдений мы знаем, что тело, которое
стоит на месте, не может само собой, без постороннего
воздействия начать двигаться. Чтобы привести покоя-
щееся тело в движение, необходимо приложить к нему
некоторую силу. Так, например, чтобы привести в движе-
ние неподвижный футбольный мяч, надо ударить по нему
ногой. Но мяч бесконечно двигаться не будет, так же как
и не остановится сам собой. Его останавливают сопро-
тивление воздуха и трение о поверхность земли. Если на
поле растет трава, мяч остановится довольно скоро. По
вытоптанному полю мяч будет катиться дальше, а по глад-
кому льду или асфальту он покатится еще дальше. Зна-
чит, если бы на мяч не действовали никакие силы (удар,
сила трения, сопротивление воздуха), то он оставался бы
все время в покое или двигался бы бесконечно, прямоли-
нейно и равномерно. Свойство тел сохранять состояние
покоя или равномерного и прямолинейного движения на-
зывается инерцией, а причина, вызывающая движение или
изменяющая его,— силой.
На производстве или в обыденной жизни про рабо-
чего, который затрачивает силу и катит вагонетку
9
или переносит груз, говорят, что он совершает
работу. Чем больше сила рабочего и чем дальше он
прокатил вагонетку, тем больше он совершил ра-
боты. Точно так же, чем больше сила тяги паровоза
и чем дальше он уедет, тем больше работа паровоза.
Если же рабочий толкает вагонетку, но не сдвигает
ее с места, то он никакой работы не совершает. Работа
получается при перемещении тела под действием при-
ложенных сил.
Работа измеряется произведением действующей силы
на пройденный путь (Р-S). В технике силу принято из-
мерять в килограммах, а путь в метрах, поэтому количе-
ство работы выражается в килограммометрах. Один
киллограммометр равен работе, которую нужно совер-
шить, чтобы груз в один килограмм поднять на высоту
в один метр. Например, экскаватор, поднимая груз ве-
сом 2 тонны на высоту 10 метров, совершает работу в
20 000 килограммометров. Такую же работу может вы-
полнить и рабочий, но ему понадобится для этого много
времени.
Говорят, что подъемный кран имеет большую мощ-
ность, чем рабочий; грузовик развивает большую мощ-
ность, чем лошадь, и т. д. Чем больше работа, которую
может выполнить машина за определенный промежуток
времени, тем больше мощность машины. Чтобы вычислить
мощность, надо проделанную работу разделить на затра-
ченное время Единицей работы является один
килограммометр, а единицей времени — одна секунда;
отсюда единицей мощности будет один килограммометр
в секунду
Для измерения мощности больших машин килограм-
мометр в секунду оказывается слишком малой единицей.
Поэтому пользуются более крупной единицей, названной
лошадиной силой. Одна лошадиная сила равна
75 килограммометрам в секунду.
Мощность измеряется также в ваттах и киловаттах.
Один киловатт равен 1,36 лошадиной силы, или 102 кило-
граммометрам в секунду. Ватт равен IQOq-киловатта и
применяется для измерения малых мощностей, например
мощности электролампы.
10
II. ПОЛУЧЕНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА
1. НАСЫЩЕННЫЙ И ПЕРЕГРЕТЫЙ ПАР
Водяной пар можно получить в' открытом и в закрытом
сосуде. В каждом случае температура и давление
пара будут разные.
При нагревании воды в открытых сосудах нижние, бо-
лее теплые слои ее поднимаются вверх, перемешиваясь
с холодными верхними слоями, опускающимися вниз.
С увеличением нагревания эти токи перемешивания будут
усиливаться за счет пузырьков пара, образующихся на
обогреваемом дне сосуда и энергично всплывающих вверх.
Когда температура воды достигнет 100° С, то вода заки-
пит и с этого момента температура ее будет оставаться
неизменной до тех пор, пока она вся обратится в пар.
Тепло, сообщаемое при этом воде, будет расходоваться
только на испарение, т. е. на преодоление сцепления мо-
лекул воды между собой.
Иная картина будет, если нагревать и испарять воду
в закрытом сосуде. Молекулы образующегося пара, число
которых будет все время увеличиваться, не находя сво-
бодного выхода, начинают чаще сталкиваться друг с дру-
гом и со стенками сосуда. При этих столкновениях их
скорость уменьшается, и кинетическая энергия превра-
щается в потенциальную — возникает давление, темпера-
тура кипящей воды и пара повышается. Чем выше дав-
ление пара, тем выше температура его образования.
За единицу измерения давления принято давление ат-
мосферного воздуха, равное (округленно) давлению 1 ки-
лограмма на 1 квадратный сантиметр; это давление
называется технической атмосферой или просто атмосфе-
рой. Следует различать избыточное давление, показывае-
мое измерительными приборами, и абсолютное давление.
Последнее получается, если к измеренному избыточному
прибавим давление окружающего воздуха, т. е. еще одну
атмосферу. Давление ниже атмосферного называется
разрежением или вакуумом. В вакууме водяной пар об-
разуется при температуре ниже 100° С, например, при
абсолютном давлении 0,03 атмосферы вода будет кипеть
при температуре всего лишь 23,8° С.
11
При испарении воды более быстро двигающиеся мо-
лекулы преодолевают силы взаимного притяжения и вы-
рываются из жидкости. Некоторые молекулы, вылетев из
жидкости и испытав ряд столкновений с другими молеку-
лами, возвращаются в жидкость. Пока число молекул,
вылетающих из жидкости, больше числа возвращающихся
в нее, жидкость испаряется. Чем больше скопляется мо-
лекул над поверхностью жидкости, тем больше их воз-
вращается в жидкость. Наконец, наступает момент, когда
число вылетающих молекул будет равно числу возвра-
щающихся; дальнейшее испарение жидкости прекра-
щается; в этом случае говорят, что пространство над
жидкостью насыщено молекулами пара, а пар, находя-
щийся над жидкостью, называют насыщенным.
Температура насыщенного пара равна температуре
жидкости. Давление насыщенного пара — наибольшее
давление, которое может иметь пар при данной тем-
пературе.
Можно ли это давление изменить при той же темпе-
ратуре? Нет, нельзя. Если при этой температуре увели-
чить объем, то давление временно уменьшится и жидкость
будет вновь испаряться до тех пор, пока давление станет
прежним. Если же уменьшить объем, т. е. сжимать пар,
то часть его обратится в жидкость и давление останется
неизменным. В этом свойстве насыщенного пара (по-
стоянство давления при данной температуре) и заклю-
чается его отличие от газов, давление которых увеличи-
вается при сжатии и уменьшается при расширении.
Давление насыщенного пара можно изменить при том
условии, если он не находится в соприкосновении с жид-
костью. В этом случае он может быть насыщенным только
до определенного объема. Как только этот объем изме-
нится, пар перестанет быть насыщенным и давление его
изменяется так же, как и у газов.
Чтобы воду превратить в пар, надо затратить какое-
то количество теплоты. Какое? Это зависит от давления.
Количество теплоты, необходимое для превращения
1 килограмма воды с температурой 0° С в пар, назы-
вается теплосодержанием. Теплосодержание на-
сыщенного пара складывается из теплоты жидко-
сти (то есть того количества теплоты, которое необхо-
12
димо для подогрева воды от 0° С до температуры кипения,
соответствующей данному давлению) некрытой теп-
лоты парообразования (или теплоты испаре-
ния). Теплота жидкости по мере повышения давления
возрастает сначала довольно быстро, но потом, начиная
с 30—35 атмосфер, несколько медленнее (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость теплоты жидкости, теплоты испа-
рения и теплосодержания насыщенного пара от давления.
Теплота испарения при увеличении давления уменьшается
в силу того, что нагретая жидкость несколько расши-
ряется и связь между ее молекулами ослабевает; кроме
того, молекулы движутся в ней быстрее и большее число
их приобретает скорость, достаточную для того, чтобы
покинуть жидкость. За единицу измерения тепла в тех-
нике принята килокалория — количество теплоты, кото-
рое необходимо для того, чтобы нагреть 1 килограмм
воды на 1° С.
В результате полное теплосодержание 1 килограмма
насыщенного пара, равное при атмосферном давлении
638,8 килокалории, при повышении давления сначала
возрастает, при давлении 30—35 атмосфер достигает
наибольшего значения 669,6 килокалории, затем начи-
13
нает уменьшаться и при абсолютном давлении 225,65 ат-
мосферы и температуре 374,15° С доходит до 498 килока-
лорий. Теплота испарения при этом равна нулю.
Таким образом, для получения пара очень высокого
давления требуется меньше тепла, а следовательно,
и меньше топлива, чем при низком давлении. Значит,
пар высокого давления экономичнее пара низкого дав-
ления.
Давление 225,65 атмосферы, соответствующее темпе-
ратуре насыщенного водяного пара 374,15° С, и состояние
пара при этом давлении и температуре называются кри-
тическими. Критическое состояние замечательно тем,
что вес одного кубического метра пара, увеличивающийся
при возрастании давления, и вес кубического метра воды,
наоборот, уменьшающийся, становятся в этом случае оди-
наковыми и равными 323 килограммам, т. е. мы име-
ем дело не с водой и находящимся над ней паром,
а с однородным телом, имеющим однообразные физи-
ческие свойства.
Насыщенный пар при охлаждении, например при
соприкосновении с холодными стенками, частично обра-
щается в воду, т. е. конденсируется. Тепловая энергия
сконденсировавшегося пара большею частью теряется
бесполезно. Поэтому для уменьшения конденсации пара
паропроводы, по которым он подводится к месту потреб-
ления, машины и аппараты, в которых он используется,
изолируют, покрывают материалами, плохо проводя-
щими тепло.
Есть еще одно интересное свойство водяного пара.
Если насыщенный пар пропустить через трубки, обогре-
ваемые горячими газами (пароперегреватель), не изме-
няя при этом давления, то температура пара повышается
и она уже не зависит от давления. Такой пар называется
перегретым; его теплосодержание, а следовательно,
и работоспособность будут выше, чем у насыщенного
пара.
Перегретый пар имеет то преимущество перед насы-
щенным, что при соприкосновении с холодными стенками
трубопроводов и внутренними частями машин он лишь
несколько остывает, но не конденсируется. Поэтому его
теплота используется в большей степени.
14
При превращении тепловой энергии пара в механиче-
скую (например, в паровозе, паротурбине) теплосодержа-
ние пара и его температура понижаются. Найдено, что,
чем больше разность между начальной и конечной тем-
пературами пара (т. е. чем больше перепад темпера-
тур), тем более полно тепловая энергия превращается в
механическую.
На заре использования водяного пара применяли
очень низкие давления — 2—3 атмосферы и даже ниже,
т. е. работали с очень низким перепадом температур и
поэтому неэкономично. С течением времени давление пара
повысили, а затем ввели его перегрев. Особенно быстрое
развитие машин больших давлений и температур пере-
грева пара наблюдалось в последние десятилетия. До
1915 г. давление пара редко превышало 15 атмосфер,
а температура перегрева 350° С. В настоящее же время
давление до 30 атмосфер считается низким. Теперь ра-
бочее давление пара доходит до критического и даже
превышает его, а перегрев пара — до 550° С и выше.
2. ТИПЫ ПАРОВЫХ КОТЛОВ
Паровые котлы — это устройства для получения водя-
ного пара с определенным рабочим давлением. Совре-
менные паровые котлы появились не сразу, они совершен-
ствовались постепенно и долго.
Первый паровой котел, нашедший практическое при-
менение, изобретен в 1680 г. французским врачом Дени
Папином (рис. 2, а). Из рис. 2, а видно, что этот котел
имел форму вертикального цилиндра с массивной крыш-
кой, прикрепляемой к котлу при помощи натяжной скобы.
Папин изобрел и снабдил свой котел предохранительным
клапаном, который применяется и в настоящее время.
Устройство клапана видно из рис. 2, ал к концу рычага
подвешен груз, между грузом и точкой опоры помещен
клапан, на который опирается рычаг. Пар своим давле-
нием стремится приподнять клапан, чему противодей-
ствует вес груза. Клапан рассчитан так, что когда давле-
ние пара слишком велико (опасно), то клапан приподни-
мается, часть пара выпускается и давление понижается.
Предохранительный клапан служил также и указателем
15
Рис. 2. Схема развития паровых котлов:
а—котел Папина и его предохранительный клапан; б — котел начала
XVIII века; в — сундучный котел; г — цилиндрический котел; д — жаротруб-
ный котел; е — котел с дымогарными трубами; ж— локомобильный котел;
з — пароходный котел; и — паровозный котел; /с — батарейный котел;
л — горизонтально-водотрубный котел; м. — вертикально-водотрубный котел с
прямыми кипятильными трубами; н — вертикально-водотрубный котел с изо-
гнутыми трубами; о — малые вертикальные (самоварные) котлы.
16
величины давления пара, так как других измерительных
приборов в то время еще не было.
Паровые котлы более позднего периода (XVIII век),
вырабатывавшие пар для изобретенных тогда паровых
машин, имели полушаровое верхнее днище (рис. 2, б)
и вогнутое нижнее, которые лучше, чем плоские, сопро-
тивлялись давлению пара. Эти котлы достигали огром-
ных размеров: высота и диаметр свыше 3-х метров. Но
несмотря на это они давали мало пара.
Большим шагом вперед были так называемые сундуч-
ные котлы с полуцилиндрической верхней и вогнутыми
боковыми стенками и вогнутым днищем (рис. 2, в). Такие
котлы предложены в конце XVIII века известным изобре-
тателем паровой машины Д. Уаттом. Они были значи-
тельно проще в изготовлении и имели большую обогре-
ваемую поверхность (поверхность нагрева). Од-
нако они имели существенный недостаток: почти плоские
боковые стенки не выдерживали высокого давления пара.
Поэтому их приходилось укреплять связями, загромож-
давшими котел внутри.
Первым котлом, пригодным для получения пара до-
статочно высокого давления и удобным для обслуживания,
был котел (рис. 2, г), состоящий из цилиндрического ба-
рабана, склепанного из нескольких звеньев. Недостатки
цилиндрического котла — громоздкость (длина до 20 мет-
ров); на изготовление требовалось много металла; поверх-
ность нагрева недостаточна для выработки большого ко-
личества пара; осадки скопляются над топкой и вызы-
вают аварии (выпучины). Цилиндрический котел давно
уже вышел из употребления, но он послужил прототипом
позднейших паровых котлов.
На рис. 2 показано, как постепенно изменялась кон-
струкция котлов. Задачу усовершенствования паровых
котлов решали двумя путями.
Первый путь. Внутри барабана помещали так назы-
ваемую жаровую трубу, в которой устраивалась топка
(рис. 2, д). Продукты горения (газы) из жаровой трубы
направлялись так, чтобы они омывали барабан с боков и
снизу и лишь после этого уходили в дымовую трубу. Та-
кие котлы названы жаротрубными. Их строят с одной,
двумя и тремя жаровыми трубами. Эти котлы эконо-
2 Г. С. Бобровский
17
мичны, хорошо производят пар. Поэтому они и до настоя-
щего времени имеют большое распространение. Все же
жаротрубные котлы занимают много места, требуют
много металла и поэтому дороги.
Для устранения этих недостатков уменьшили диаметр
труб и увеличили их число. Так возникли паровые котлы
с дымогарными трубами (рис. 2, е). Топка у этих котлов
помещается под котлом, а продукты горения (горячие
газы) сначала омывают нижнюю часть котла, затем про-
ходят через дымогарные трубы и, наконец, по сторонам
котла. Эти котлы занимают меньшую площадь и требуют
меньшей затраты металла, чем жаротрубные котлы.
Однако у них так же, как и у цилиндрических котлов,
осадки скопляются над топкой, что вызывает аварии.
Поэтому котлы с дымогарными трубами применяются
сейчас главным образом в комбинации с элементами
других котлов. Такими комбинированными котлами
являются котлы локомобильный, пароходный и паровоз-
ный.
На рис. 2, ж показан локомобильный котел, в корпусе
которого помещается так называемая трубная система,
состоящая из жаровой трубы и дымогарных труб. Труб-
ная система крепится к корпусу болтами и может быть
выдвинута для очистки от накипи.
У пароходного котла (рис. 2, з) газы после жаровой
трубы также направляются в дымогарные трубы, но в
обратном направлении, а затем через металлический ды-
моход в дымовую трубу.
Паровозный котел (рис. 2, и) сходен с локомобильным
котлом, но вместо жаровой трубы имеет огневую ко-
робку, окруженную со всех сторон водой, и большое
число дымогарных труб. Чтобы плоские стенки огне-
вой коробки и ее наружного кожуха не выпучивались,
их соединяют связями — короткими металлическими
стержнями.
Второй путь усовершенствования паровых котлов.
Вместо одного длинного цилиндрического котла, ставили
один над другим два или три более коротких барабана
меньшего диаметра (рис. 2, к). Верхний барабан лишь
частично заполнен водой и служит паросборником; ниж-
ние — полностью заполнены водой и служат кипятильни-
18
ками. Комбинация из одного или двух кипятильников и
одного паросборника называется батареей, поэтому и
котлы называются батарейными. Занимая меньше места,
чем цилиндрические, батарейные котлы также требуют
много металла и легко повреждаются. По этим причинам
они давно уже сняты с производства.
В прошлом веке появились и получили очень широ-
кое распространение горизонтально-водотрубные котлы
(рис. 2, л). В них барабаны заменены большим количе-
ством кипятильных труб небольшого диаметра, омывае-
мых горячими газами. Трубы поставлены с небольшим
наклоном. Концы труб укреплены в двух плоских ящико-
образных камерах, соединенных с барабаном-паросборни-
ком. Вода из барабана-паросборника поступает в заднюю
(правую) камеру, оттуда в кипятильные трубы, вытесняет
из них более легкую смесь воды и пара в переднюю (ле-
вую) камеру, а оттуда опять в барабан-паросборник. Пар,
отделившись от воды, поступает в пароперегреватель —
змеевик, в котором нагревается до требуемой темпера-
туры и направляется к месту потребления. А вода, сме-
шавшись с подаваемой в котел питательной водой, опять
совершает круговое движение: паросборник — задняя
камера — кипятильные трубы — передняя камера — паро-
сборник, т. е. вода в котле циркулирует. Цирку-
ляция воды для парообразования в котлах имеет огром-
ное значение. Благодаря циркуляции воды коэффи-
циент полезного действия и экономичность котла повы-
шаются. Циркуляция может быть естественной и искус-
ственной (принудительной).
На рис. 3 изображена схема естественной циркуля-
ции. Левая часть изогнутой трубки, подсоединенной к ба-
рабану, обогревается, а правая часть не обогревается.
Поэтому вес воды в левой части трубки меньше, чем
в правой. Вследствие этого ненагретая вода (справа)
будет вытеснять горячую воду (слева) в барабан и во
всей системе установится круговое движение воды. Чем
больше высота столбов в нагретой воды (левая часть)
и неиагретой (правая часть), тем больше разница их ве-
сов, интенсивнее происходит циркуляция, лучше смыва-
ются с обогреваемой поверхности пузырьки пара, при-
стающие к ней, и в результате тем больше образуется
2h
19
пара и тем лучше предохраняются стенки котла от
перегрева.
Оценивая с этой точки зрения различные типы кот-
лов, приходим к заключению, что в цилиндрических кот-
лах циркуляция будет самая плохая; у жаротрубных
котлов циркуляция значительно лучше и поэтому паро-
Рис. 3. Схема естественной
циркуляции.
образование также лучше. Хорошо организована цирку-
ляция у горизонтально-водотрубных котлов, к которым
относится также котел известного инженера, почетного
члена Академии наук СССР В. Г. Шухова (рис. 4). Эти
котлы собраны из отдельных секций, каждая из которых
образована из кипятильных труб, укрепленных концами
в днища двух небольших барабанов-головок. Наружные
днища головок съемные, что облегчает осмотр и очистку
котлов. Две секции с расположенным наверху паросбор-
ником образуют батарею. Котел может состоять из одной,
двух, трех или четырех батарей. Котел Шухова появился
в 1895 г. и, благодаря ряду достоинств, получил у нас
очень широкое распространение. Движение дымовых га-
зов и воды в этом котле такое же, как описано выше.
20
Наиболее интенсивно происходит циркуляция у по-
явившихся в начале текущего века вертикально-во-
дотрубных котлов с круто поставленными трубами
(рис. 2, м и 2, н).
На рис. 2, м показан котел с прямыми трубами, укре-
пленными непосредственно в барабанах. Трубы разделены
перегородкой, не доходящей до верхнего барабана. Про-
дукты горения, выйдя из топки, омывают передние ряды
труб, затем проходят через змеевидный пароперегрева-
тель и по другую сторону перегородки опускаются вниз
Рис. 4. Горизонтально-водотрубный котел В. Г. Шу-
хова:
1 — барабан; 2 — головки; 3 — кипятильные трубы; 4 — паро-
перегреватель; 5 — сухопарник; 6 — грязевик.
и уходят в атмосферу. Вода из верхнего барабана опу-
скается в нижний по наружной, так называемой циркуля-
ционной трубе (не показанной на рисунке), а по кипя-
тильным трубам поднимается вверх пароводяная смесь.
Благодаря тому, что кипятильные трубы установлены
почти вертикально, разница весов менее нагретой воды
в циркуляционной трубе и пароводяной смеси в кипятиль-
ных трубах весьма значительна; поэтому циркуляция в
вертикально-водотрубных котлах происходит очень интен-
21
сивно и они дают значительно больше пара, чем котлы
других типов при той же поверхности нагрева. У них от-
сутствуют плоские камеры, сложные в изготовлении и
опасные при эксплуатации, и, наконец, они занимают
меньше места и требуют меньше металла, чем все преж-
ние типы котлов. Поэтому вертикально-водотрубные котлы
стали преобладающими. Изогнутые кипятильные трубы
(рис. 2, н) удобнее для укрепления их в барабанах; кроме
того, они обладают упругостью, что предотвращает по-
вреждение котла при его расширении от нагревания. Вер-
тикально-водотрубные котлы строятся не только с дву-
мя барабанами, но и с большим числом их, но так
как барабаны являются наиболее дорогой частью кот-
лов, то чаще всего строят котлы с одним-двумя бара-
банами.
Помимо обеспечения наиболее интенсивной циркуля-
ции, современные паровые котлы строятся и с учетом фи-
зических законов передачи теплоты. Как передается теп-
лота в паровом котле? Наружная поверхность котла по-
лучает тепло двумя способами — соприкосновением с
горячими дымовыми газами и воспринятием тепловых
лучей, испускаемых горящим топливом (рис. 5). Воспри-
нятая теплота, благодаря теплопроводности стенок котла,
передается внутренней поверхности стенок и затем уже
расположенным непосредственно около нее частицам
воды. Нагревшиеся частицы воды отрываются от стенки
и, как более легкие, поднимаются вверх, а их место зани-
мают более холодные: возникают токи перемешивания.
Чем выше температура топочных газов, чем свободнее
наружная поверхность стенки от загрязнений (сажа и
зола), а внутренняя — от накипи, чем сильнее движение
горячих газов, «сдувающих» отдавшие свою теплоту га-
зовые частицы, и чем сильнее циркуляция воды, «смы-
вающая» нагревшиеся частицы, тем больше тепла будет
передано от газов воде. При проектировании котлов все
это и учитывается для того, чтобы получился хорошо ра-
ботающий котел.
Кроме этого, принимают во внимание еще следующее.
Подобно тому как Солнце своими лучами нагревает
Землю, так и раскаленный слой горящего топлива
и пламя излучают тепло, причем количество излучае-
22
мого тепла значительно превышает количество его, со-
держащееся в нагретых до высокой температуры продук-
тах горения, и эту теплоту необходимо использовать в
возможно большей степени.
В топке лучистую теплоту воспринимает только та
часть поверхности нагрева, которая «видима» для тепло-
вых лучей: у цилиндрических котлов и котлов с дымогар-
Передача теплоты Прохождение бсей босприня•
токами перемеииибания тай теплоты через стенку
Рис. 5. Схема передачи теплоты в паровом котле.
ными трубами это будет нижняя часть барабанов, распо-
ложенная над топкой, у жаротрубных — передняя, верх-
няя часть жаровых труб, у водотрубных — передняя сто-
рона первых двух рядов труб (трубы располагаются в
шахматном порядке). Таким образом, в этих котлах лучи-
стую теплоту воспринимает только небольшая часть по-
верхности нагрева. Ясно, что если под тепловые лучи
подставить достаточно большую поверхность, то можно
23
значительно повысить паропроизводительность котла, т. е.
его мощность.
С этой целью вдоль стенок топки устанавливают
близко друг к другу трубки, по которым циркулирует
вода. Эти трубки и образуют экраны, воспринимающие
лучистую теплоту, и в них получается почти все, а иногда
Рис. 6. Схема котла с экранированной топкой.
и все количество пара, вырабатываемое котлом. Такие
котлы называются экранными.
На рис. 6 изображена схема экранного котла, в кото-
ром имеется только один барабан, служащий паросбор-
ником. Вода по наружным трубам опускается из него в два
коллектора (барабаны небольшого диаметра), из кото-
24
рых поступает в экранные трубы, расположенные по внут-
ренним стенкам топки, и по ним поднимается вверх (в ба-
рабан). При этом происходит интенсивное парообразо-
вание. Экранирование важно еще в том отношении, что
оно сохраняет от разрушения кирпичную обмуровку топки.
Продукты горения (горячие газы) также отдают
тепло. Они из топочной камеры попадают в пароперегре-
ватель, а затем выходят через подогреватель воды
(экономайзер) и подогреватель воздуха в дымовую
трубу.
В экономайзере воду предварительно подогревают,
прежде чем она поступает в котел. Понятно, что, чем выше
температура, до которой нагрета вода, поступающая в
котел, тем меньше теплоты потребуется для ее нагрева
до температуры кипения и тем меньше потребуется топ-
лива. В подобном же устройстве подогревают и воздух,
подаваемый в топку, что улучшает процесс горения.
Пройдя экономайзер и воздухоподогреватель, дымовые
газы удаляются в атмосферу с относительно невысокой
температурой 150—200° С и поэтому уносят с собой лишь
небольшую долю тепла. Все это повышает коэффициент
превращения химической энергии топлива в тепловую
энергию до 85—90 %.
При очень высоком давлении стенки барабанов прихо-
дится делать очень толстыми — до 100 мм и толще. Изго-
товление таких барабанов очень сложно и дорого.
Лишены этого недостатка прямоточные котлы. В прин-
ципе прямоточный котел представляет собою трубчатый
змеевик, винтообразно расположенный по внутренним
стенкам топки. Вода входит в змеевик снизу, поднимаясь,
она подогревается и затем испаряется. Полученный пар
в пароперегревателе нагревается до требуемой темпера-
туры.
Мысль о прямоточном способе получения пара выска-
зывалась еще в XVIII веке. В 20-х годах прошлого сто-
летия и позже в России делались успешные попытки
сооружения прямоточных котлов, но, не встречая под-
держки у царского правительства, они не пошли дальше
постройки опытных установок. По-настоящему прямоточ-
ное котлостроение начало у нас развиваться с 1931 года,
когда был построен первый прямоточный котел системы
25
проф. Л. К. Рамзина. Движение воды и газов в прямо-
точном котле показано на рис. 7.
Достоинствами прямоточных котлов являются отсут-
ствие дорогостоящих барабанов и простота их изготовле-
ния. Благодаря этому прямоточные котлы получили боль-
Рис. 7. Схема прямоточного котла.
шое распространение на наших крупных электростан-
циях. Современные экранные и прямоточные котлы
имеют огромные размеры топок. Высота топок иногда
превышает 20 метров, т. е. равна высоте 4—5-этаж-
ного дома.
Для чего же делают такие высокие топки, удорожаю-
щие все строительные работы? Это объясняется характе-
26
ром горения топлива. Дело в том, что при горении из
топлива первоначально выделяются горючие газы, кото-
рые, соединяясь с кислородом воздуха, сгорают. Видимое
нами пламя есть не что иное, как факел горящих газов.
Для их полного сгорания необходимо, чтобы газы хорошо
перемешались с воздухом и чтобы их сгорание закончи-
лось в топочной камере, так как вне топки температура
недостаточно высока для полного сгорания газов. Поэтому
необходимо, чтобы путь, на котором происходит пере-
мешивание газов с воздухом и их сгорание, был доста-
точно длинным, т. е. чтобы топка была достаточно вы-
сокой.
Раньше, когда процесс горения еще не был хорошо
изучен, неправильно считали, что, чем меньше расстояние
между колосниковой решеткой и поверхностью нагрева и
чем сильнее пламя «лижет» котел, тем. лучше будет отда-
ваться тепло. В действительности же горящие газы при
соприкосновении со стенками котла с температурой 150—
200° С охлаждаются и разлагаются, причем содержа-
щийся в них углерод выделяется в виде сажи. В резуль-
тате из трубы выходит густой черный дым. При полном
сгорании газов в больших топках дыма не будет.
В XX веке начали сжигать топливо в виде очень мел-
кой пыли, которая вдувается в топку и сгорает на лету.
Для этого требуется особенно тщательное перемешивание
пыли с воздухом и длинный путь, чтобы пыль успела пол-
ностью сгореть. Если учесть, что в современном котле
сжигается в час до 25—50 тонн угольной пыли, то будет
понятно, почему топочная камера должна быть объеми-
стой и высокой.
Кроме описанных котлов со значительной паропроиз-
водительностыо, существуют многочисленные типы мел-
ких вертикальных или, как их иногда называют, «само-
варных» котлов. Наиболее распространенные вертикаль-
ные котлы изображены на рис. 2, о. Устройство и их дей-
ствие не нуждаются в особом пояснении. Эти котлы не
имеют обмуровки, не требуют отдельно стоящей дымовой
трубы и применяются для отопления (например, вагонов)
и в очень мелких производствах.
Есть еще своеобразные котлы, хотя и мало распро-
страненные, но интересные по принципу работы и устрой-
27
ству. Это котлы беспламенного горения (рис. 8, а). В пе-
редней части каждой трубы этого котла находится камера,
Водяное пространство
Паровое пространство
"Привод от электродвигателя
Рис. 8. Схемы необычных котлов:
а — котел беспламенного горения; б — вращающийся котел; в — ко^
тел «Атмос»; г — горелка для сжигания топлива под водой.
в которой производится сжигание смеси газов и воздуха;
остальная часть трубы заполнена кусками огнеупорной
28
массы. Во время работы котла эти куски раскаляются
добела и излучают теплоту стенкам трубы. Отдача тепла
при этом происходит настолько интенсивно, что с каждого
квадратного метра поверхности трубы снимается большое
количество пара, а температура газов в конце короткой
трубы лишь немного превышает температуру воды в котле.
Котел беспламенного горения имеет большое сходство
с самоваром. В последнем уголь точно так же раска-
ляется добела и вода закипает гораздо скорее, чем при
разведении самовара чурками.
Идею интересного турбокотла предложил в России в
1898 г. В. А. Вольский; позже эту идею использовал в
Германии Форкауф. Турбокотел — это вращающийся ко-
тел (рис. 8, б). Представим себе изогнутую вращающуюся
трубку, заполненную водой и нагреваемую только с одной
стороны (в данном случае с правой), где будет образо-
вываться пар. При вращении трубки центробежная
сила воды в левом колене будет больше, чем в правом
колене, где находится легкий пар. Поэтому в трубке
возникает давление. Можно сделать так, чтобы образую-
щийся пар приводил в движение паровую турбину,
которая будет вращаться вместе с парообразовате-
лем.
К вращающимся котлам относятся также котлы
«Атмос», изобретенные шведским инженером Блумкви-
стом. В первоначальном виде эти котлы состояли из не-
скольких труб (рис. 8, в), вращающихся со скоростью
около 300 оборотов в минуту. Вода впускается в один ко-
нец трубы в таком количестве, чтобы она только частично
заполняла трубу и вращалась вместе с ней. Вследствие
центробежной силы вода прижимается к поверхности
трубы подобно тому, как вода прижимается к дну быстро
вращаемого рукой ведра. Прижимаясь к поверхности
трубы, вода смывает образующиеся на ней пузырьки пара,
и он скопляется в середине трубы, выходя через другой
конец ее. Таким образом, пар находится не над водой,
а внутри нее. В более поздние конструкции котла внесены
значительные изменения, в частности, уменьшено число
оборотов ротора.
Наконец, познакомимся еще с одним типом котла —
с котлом подводного горения. Действует этот котел так.
29
Смесь газа и воздуха под давлением сжигается в горелке
с дырчатым диском из огнеупорного материала (рис. 8, г).
Этот диск накаливается и поддерживает равномерное го-
рение. Пламя выходит из отверстий в боковой поверхно-
сти горелки, опущенной в воду, и испаряет ее. Разумеет-
ся, что давление горящей смеси внутри горелки должно
быть выше, чем давление слоя воды над ней. Подвод-
ное горение может найти лишь ограниченное приме-
нение, например для испарения вредных жидкостей,
и непригодно в тех случаях, когда требуется чистый
пар.
Общее развитие техники за последние десятилетия от-
разилось и на совершенствовании паровых котлов. Если
в 1913—1915 годах давление 12—15 атмосфер считалось
высоким, то в настоящее время давление до 30 атмосфер
считается низким.
Современные паровые котлы имеют давление выше
100 атмосфер и вырабатывают до 300 тонн пара
в час. Однако и это не предел. Директивами
XX съезда КПСС предусмотрено строительство котлов,
каждый из которых обеспечит паровую турбину мощ-
ностью 300 000 киловатт. Давление пара в этих котлах
будет 300 атмосфер при температуре перегрева 650° С,
выработка пара до 1000 тонн в час. Высота таких котлов
будет не ниже десятиэтажного дома; в сутки каждый
из них будет сжигать угля около 50 железнодорожных
вагонов.
Обслуживание огромных паровых котлов теперь ме-
ханизировано, Доставка топлива в котельное помещение
производится почти без участия человека: из вагонов оно
поступает в бункера, а из них вагонетками или посред-
ством непрерывно движущейся ленты подается непосред-
ственно к котлам. Ручная загрузка топлива в топку про-
изводится только в мелких установках, на передовых же
электростанциях освоена автоматическая подача топлива,
воды и воздуха в зависимости от количества пара, выра-
батываемого котлом.
Тяжелая работа по очистке топки от золы и шлаков
и их транспортирование механизированы: шлак и зола
смываются из сборников и сильной струей воды пере-
даются по трубам на большое расстояние.
30
3. НАДЗОР ЗА ПАРОВЫМИ КОТЛАМИ
Всем известно, что бывают случаи взрыва паровых
котлов. Чаще всего они происходят тогда, когда по не-
брежности обслуживающего персонала уровень воды в
котле опускается ниже защитной обмуровки; в результате
неохлаждаемая водой стенка нагревается докрасна, под
давлением пара выпучивается и, наконец, разрывается.
Вода, содержащаяся в котле, выбрасывается наружу, и
температура ее мгновенно падает до температуры кипе-
ния при атмосферном давлении, т. е. до 100° С, причем
освобождается большое количество теплоты. Этот избы-
ток теплоты идет на обратное испарение части воды, и в
помещении образуется некоторое давление, само по себе
небольшое, но действующее на большие площади стен и
перекрытия. Вследствие этого создаются огромные силы,
причиняющие большие разрушения. Чем больше в котле
содержится воды, тем больше разрушения. Поэтому котлы
старых систем с малым давлением, но с большим водя-
ным объемом при взрыве производят значительно боль-
шие разрушения, чем современные котлы очень высоких
давлений, но с малым объемом воды.
С целью предупреждения взрывов и других аварий,
могущих произойти с паровыми котлами, во всех странах
работают организации по надзору за ними. Инспекторы
котлонадзора наблюдают за тем, чтобы установка котлов
и их содержание производились по существующим прави-
лам; в определенные сроки инспекторы производят осмот-
ры и испытания котлов и проверку степени подготовлен-
ности обслуживающего персонала. Последнее очень важно,
так как, за редкими исключениями, все аварии происходят
вследствие неудовлетворительного обслуживания котлов.
В дореволюционной России работа кочегара считалась
самой черной и оплачивалась очень низко. Поэтому на
эту работу шли те, кто не имел никакой квалификации.
Следствием этого была неэкономичная и часто опасная
работа котла. Иначе обстоит дело в настоящее время:
кочегар считается квалифицированным рабочим, от кото-
рого требуются не только практические навыки, но и хо-
рошие технические знания. Котлы-гиганты обслужи-
ваются машинистами высокой квалификации.
31
III. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДЯНОГО ПАРА
1. ПАРОВЫЕ МАШИНЫ
Т1 епловая энергия водяного пара может быть использо-
* вана для выработки механической энергии, нагрева-
ния, выпаривания и т. д.
Первые попытки использовать водяной пар для полу-
чения работы — поднятия воды на высоту—относятся к
началу XVII века. На рис. 9 изображен прибор итальянца
Рис. 9. Водоподъемный при-
бор Джиованни делла
Порто.
Джиованни делла Порто
(1601 г.), в котором пар да-
вил на поверхность воды и
заставлял ее подниматься.
Более совершенные приборы,
основанные по тому же прин-
ципу, работали с очень не-
большим давлением пара,
поднимали воду лишь на не-
сколько метров и оказались
малопригодными для откачи-
вания воды из шахт — ос-
новной задачи, для которой
они создавались.
Изобретатель парового
котла Дени Папин предло-
жил машину, хотя не нашед-
шую практического примене-
ния, но послужившую про-
образом последующих ма-
шин. Она состояла из цилин-
дра с движущимся в нем
поршнем (рис. 10, а). На дно
цилиндра наливали воду,
поршень опускали вниз, при-
чем воздух из цилиндра вы-
ходил через отверстие в поршне, закрываемое затем
штифтом, и начинали снизу подогревать цилиндр. Обра-
зующийся пар поднимал поршень, который в верхнем
положении закрепляли чекой. После этого из-под ци-
линдра убирали огонь. Когда цилиндр остывал, в нем,
32
вследствие конденсации пара, образовывалось разреже-
ние. Затем вынимали чеку, и поршень под давлением
атмосферного воздуха опускался вниз, поднимая при
этом груз, привязанный к шнуру, перекинутому через
блоки. Таким образом, цилиндр служил и котлом и кон-
денсатором пара. Понятно, что удовлетворительно рабо-
тать такая машина не могла.
Вопрос о применении паровой машины для откачки
воды из шахт был разрешен с появлением машины Нью-
комена (рис. 10,6). Машина состояла из котла, соединен-
Рис. 10. Схемы атмосферных паровых машин:
а — машнина Папина; б — машина Ньюкомена.
кого через кран с цилиндром, поршня и балансира, один
конец которого был связан с поршнем, а другой с тягой
насоса. Чтобы привести машину в действие, открывали
кран, находящийся между котлом и цилиндром, и впу-
скали в цилиндр пар с очень небольшим давлением. Пар
вытеснял из цилиндра воздух через трубку, подведенную
к нижней части цилиндра, и поднимал поршень, чему
помогал груз на тяге насоса. Когда поршень доходил до
верхнего положения, паровой кран закрывали и из со-
3 г- С. Бобровский
33
суда, находящегося над цилиндром, впрыскивали в ци-
линдр холодную воду. При этом пар конденсировался,
под поршнем получалось разрежение и он под давлением
воздуха опускался вниз, поднимая при этом штангу насоса.
Вода, образовавшаяся от конденсации пара, и охлаждаю-
щая вода удалялись через ту же трубку, через которую
удалялся воздух. Управление машиной сводилось, таким
образом, к открыванию и закрыванию в известном по-
рядке кранов. Первоначально это делалось вручную,
позже было устроено автоматическое распределение. В не-
сколько усовершенствованном виде машина Ньюкомена
просуществовала почти 60 лет и применялась исключи-
тельно для приведения в действие насосов. Для того
чтобы использовать ее как универсальный двигатель, по-
давали воду на водоналивные колеса, которые, в свою
очередь, работали на шахтные подъемники, приводные
молоты, кузнечные мехи и др., что не решало вопроса о
создании действительно универсального двигателя.
В России первая машина Ньюкомена была установ-
лена в 1777 году для обслуживания доков. В то время
паровые машины в Россию ввозили из-за границы, хотя
в 1766 году в Сибири И. И. Ползунов (1728—1766 гг.)
построил гораздо более совершенную машину. Его ма-
шина имела два цилиндра, работавшие попеременно,
и была связана непосредственно с мехами, обслуживав-
шими плавильные и нагревательные печи. К сожалению,
в царской России Ползунов не встретил необходимой
поддержки.
В тот период промышленность Англии, как наиболее
развитой страны, требовала создания более универсаль-
ного двигателя, чем машина Ньюкомена. Появлялись все
новые и новые усовершенствования, из которых решаю-
щую роль сыграли изобретения Уатта (1738—1819 гг.);
он добавил к машине Ньюкомена конденсатор —•
отдельный сосуд, в котором конденсировался пар.
На рис. И изображена водоподъемная машина Уатта
с таким же приводом к балансиру и к насосам, как на
рис. 10, б; в отличие от машины Ньюкомена пар впу-
скался в полость над поршнем. Парораспределение про-
изводилось тремя клапанами — верхним 1 — паровпуск-
ным, нижним 2 — паровыпускным и средним 3 — пере-
34
Конденсатор Насос иля у доле •
ни я конденсата
Рис. 11. Паровая машина Уатта.
пускным,— соединяющими полости цилиндра над порш-
нем и под ним. Во время хода поршня вверх под действием
веса груза, подвешенного к тяге насоса, впускной и вы-
пускной клапаны закрыты, а перепускной открыт и пар,
находившийся в верхней полости, свободно переходит
в нижнюю. Когда поршень дойдет до верхнего положения
и начнет двигаться вниз, перепускной клапан закрывается
и открываются впускной и
выпускной клапаны. В верх-
нюю полость поступает из
котла свежий пар, а из ниж-
ней полости пар выходит в
конденсатор, где смешивает-
ся со впрыскиваемой водой и
конденсируется, образуя раз-
режение. Таким образом,
поршень движется вниз под
действием разности давления
пара и разрежения в конден-
саторе. В момент прихода
поршня в нижнее положение
впускной и выпускной клапа-
ны закрываются, перепускной
открывается и поршень под
действием груза на тяге насо-
са опять поднимается вверх.
Откачивание конденсата и
охлаждающей воды произво’
дилось специальным насосом.
На рис. 11 видно, что стенки цилиндра машины Уатта
полые. Это сделано по следующей причине: пар, выходя-
щий из цилиндра, имеет меньшее давление, а следова-
тельно, и более низкую температуру, чем пар, впускаемый
в цилиндр, и поэтому в период выпуска пара стенки ци-
линдра охлаждаются. Свежий пар, соприкасаясь с остыв-
шими стенками, частично конденсируется, из-за чего пе
вся теплота его превращается в механическую работу.
Это явление называется начальной конденса-
цией и очень сильно увеличивает расход пара. Поддер-
живая высокую температуру стенок цилиндра, можно
уменьшить начальную конденсацию и этим уменьшить
3*
35
расход пара, т. е. получить экономию топлива. Вот для
этой цели и служит паровая рубашка — промежуток
между двумя стенками, через который проходит пар и
поддерживает высокую температуру стенок цилиндра. Па-
ровая рубашка применяется до настоящего времени для
машин, работающих на насыщенном паре. Перегретый
пар, как мы знаем, при охлаждении не конденсируется,
и поэтому для машин, работающих на перегретом паре,
паровая рубашка не нужна.
Дальнейшим усовершенствованием машины Уатта
было применение отсечки пара, т. е. впуск его только на
части хода поршня, остальную часть хода поршень про-
ходит под действием расширяющегося пара. Расход пара,
а следовательно, и расход топлива будет меньше, но и
мощность, развиваемая машиной, также уменьшится. Для
увеличения мощности Уатт стал впускать пар по обе сто-
роны поршня, и таким образом получилась машина двой-
ного действия с расширением пара.
Машину двойного действия уже можно было приспо-
собить для получения вращательного движения, что тре-
бовалось текстильной промышленностью.
Одним из важнейших изобретений Уатта, которое до
настоящего времени является необходимой принадлежно-
стью каждого двигателя, был центробежный регулятор
числа оборотов. При слишком высоком числе оборотов
развивается настолько большая центробежная сила мас-
сивного обода маховика, что он может разорваться и при-
чинить большие разрушения. Регулятор числа оборотов 13
показан на рис. 12. В основном он состоит из двух
грузов, подвешенных на рычагах и вращающихся вокруг
его оси. При вращении грузы под действием центробеж-
ной силы расходятся, причем заслонка, связанная с ними
и находящаяся в трубе, подводящей пар к цилиндру,
несколько прикрывается. В результате давление пара, по-
ступающего через уменьшившееся отверстие, понижается
и число оборотов уменьшается. При уменьшении числа
оборотов грузы регулятора сблизятся и заслонка приот-
кроется. Давление пара будет больше, мощность машины
и число оборотов увеличатся. Таким образом регулятор
поддерживает постоянное число оборотов.
36
Роль Уатта в создании паровой машины может быть
охарактеризована словами Маркса: «Только с изобрете-
нием второй машины Уатта, так называемой машины
двойного действия, был найден первичный двигатель,...
который, будучи городским, а не сельским, как водяное
колесо, позволяет концентрировать производство в горо-
дах, вместо того чтобы рассеивать его в деревне; двига-
Рис. 12. Схема современной одноцилиндровой паровой машины:
1 — золотниковая коробка; 2 — цилиндр; 3— золотник; 4 — эксцентрик; 5 — па-
ровые окна; 6 — поршень; 7 — шток (скалка); 8 — ползун; 9 — шатун; 10 — кри-
вошип; 11 — коренной вал; 12 — маховик; 13 — регулятор числа оборотов;
14 — труба отработавшего пара.
тель, универсальный по своему техническому применению
и сравнительно мало зависящий в своем местопребыва-
нии от тех или иных локальных условий»*).
Признавая важность изобретений Уатта и его кон-
структорский талант, не следует, однако, забывать, что
эти изобретения были подготовлены всем ходом эконо-
мического и промышленного развития Англии и что им
предшествовали многочисленные и весьма плодотворные
предложения. Уатт патентовал свои изобретения и, рев-
ниво оберегая свои привилегии, немало тормозил творче-
скую мысль других изобретателей. Только после оконча-
ния сроков патентов Уатта его машину стали беспрепят-
ственно строить в Англии и других странах и она стала
быстро совершенствоваться.
*) КарлМаркс, Капитал, т. 1, стр. 383, Госполитиздат, 1952 г
37
Дальнейшее развитие паровой машины пошло по пути
создания безбалансирной машины с применением пара
высокого давления, высокого перегрева и повышения
числа оборотов, так как, чем больше число оборотов
машины и выше давление и перегрев пара, тем она
экономичнее, тем меньше ее размеры и тем она де-
шевле.
Разберем устройство простейшей современной паровой
машины (рис. 12) и процесс ее работы.
Пар из котла поступает в так называемую золотнико-
вую коробку /, отлитую вместе с цилиндром 2. В ней на-
ходится золотник 5, похожий на опрокинутую коробку
(поэтому он называется коробчатым). Золотник приво-
дится в движение от вала машины при помощи эксцент-
рика 4 и попеременно открывает окна 5, соединяющие
золотниковую коробку с правой и левой полостями ци-
линдра. Пар, поступив в одну из полостей цилиндра
(на рис. 12 в правую), давит на поршень 6 и заставляет
его двигаться влево. В это время отработавший в левой
полости пар выходит в полое пространство цилиндра под
золотником, а оттуда в атмосферу или в конденсатор
(у машин с многократным расширением — в цилиндр с
более низким давлением). Когда поршень дойдет до левой
мертвой точки, то золотник станет в такое положение,
что пар будет поступать в левую полость цилиндра и пор-
шень начнет двигаться в обратную (правую) сторону,
а отработавший в правой полости пар будет выходить на-
ружу.
Возвратно-поступательное движение поршня пере-
дается через скалку (шток) 7, ползун 8 и шатун 9 кри-
вошипу 10 коренного вала 11 и вращает послед-
ний. На валу насажен маховик 12, назначение которого —
выравнивать ход машины. Маховиком часто пользуются,
как шкивом, для передачи ремнем или канатами механи-
ческой энергии к станкам или электрогенератору. Для
поддержания постоянного числа оборотов служит регу-
лятор 13, действие которого было описано раньше.
Кроме коробчатых золотников, работа которых сопря-
жена с большим трением вследствие одностороннего дав-
ления пара и которые непригодны для пара с высокой
38
Рис. 13. Крупная горизонтальная паровая машина мощностью
2600 лошадиных сил.
Рис. 14. Стационарный локомобиль.
39
температурой, применяются уравновешенные цилиндри-
ческие золотники и клапанные парораспределения. По-
следние применяются главным образом для стационарных
машин средней и большой мощности.
В настоящее время в большинстве случаев приме-
няются машины двойного действия с расширением пара.
Машины с расширением пара в одном цилиндре назы-
ваются машинами простого расширения в отличие от ма-
шин многократного расширения, у которых пар, отрабо-
тавший в одном цилиндре, переходит в следующие ци-
линдры, в которых расширение пара продолжается. Чаще
всего строят машины двойного и тройного расширения,
в которых начальная конденсация, а следовательно, и
расход пара значительно меньше.
Машины двойного действия строят по системе ком-
паунд, когда цилиндры высокого и низкого давления
располагаются рядом, и по системе тандем, когда они
стоят один за другим.
Паровые машины бывают вертикальные (с вертикаль-
ным расположением цилиндров, отличающиеся большей
компактностью и применяемые в качестве быстроходных
судовых машин) и горизонтальные (с горизонтальным
расположением цилиндров, например паровозные ма-
шины). Горизонтальная паровая машина мощностью
2600 лошадиных сил изображена на рис. 13.
Отработавший пар может выпускаться или в конден-
сатор, что делается у крупных машин, или в атмосферу,
как, например, у паровозов. Кроме того, отработавший
пар может быть использован для отопления или в произ-
водстве (для варки, сушки и т. д.); тогда давление
его должно быть значительно выше атмосферного. Если
для производства требуется пар сравнительно высокого
давления, то его забирают по пути из цилиндра высо-
кого давления в цилиндр низкого давления; такие
машины называют машинами с промежуточным отбо-
ром пара.
В настоящее время паровые машины большой мощно-
сти почти вытеснены более экономичными и занимаю-
щими много меньше места паровыми турбинами. Тем не
менее для малых мощностей они часто оказываются более
выгодными, чем паровые турбины. Особенно большое рас-
40
пространение получили локомобили — установки, объеди-
няющие паровой котел, паровую машину и все вспомо-
гательные механизмы. Локомобили бывают передвижные,
мощностью до 75 лошадиных сил, и в этом случае их ко-
тел устанавливается на колесный ход, и стационарные,
устанавливаемые на фундаменте (рис. 14). Мощность
стационарных локомобилей доходит до 1000 лошади-
ных сил.
2. ПАРОВАЯ МАШИНА НА СУХОПУТНОМ ТРАНСПОРТЕ
Попытки применить паровую машину как средство
передвижения по обычным дорогам в конце XVIII и на-
чале XIX века не имели успеха вследствие громоздкости
паровых повозок и частых поломок их на плохих дорогах.
Позже, в сороковых годах прошлого столетия, в Англии
имелись паровые дилижансы, регулярно курсировавшие
между городами со значительной по тому времени скоро-
стью, доходившей до 24 километров в час. Однако они не
выдержали конкуренции с конными дилижансами и раз-
вивавшимися железными дорогами.
Наиболее широкое применение паровая машина на-
шла в паровозостроении.
Создателем паровоза считается Георг Стефенсон
(1781—1845 гг.). На конкурсе, объявленном на паровозы
для железной дороги между городами Манчестер и Ли-
верпуль в 1829 г., его паровоз «Ракета» одержал бле-
стящую победу, превысив все показатели конкурса:
вместо 16 километров в час, он развил среднюю ско-
рость 21,56 километра, а наибольшую — 34,4 кило-
метра.
На рис. 15 показан паровоз «Ракета» с котлом, который
имеет все элементы современного паровозного котла —
огневую коробку с кожухом, плоские стенки которых со-
единены связями, и цилиндрический корпус с дымогар-
ными трубами. Паровозы Стефенсона более поздней по-
стройки очень похожи на современные, но, конечно, раз-
меры их меньше.
Особенно важным устройством, изобретенным Стефен-
соном, было приспособление для изменения хода ма-
шины на обратный, которое получило название «кулис-
41
кого механизма Стефенсона» и сохранило свое значение
до настоящего времени.
Пятью годами позже работ Стефенсона Е. А. и
С. Е. Черепановы, работавшие на Нижнетагильском за-
воде Демидовых, построили первый русский паровоз,
а через год — второй, более совершенный и более мощ-
ный. Черепановых постигла судьба Ползунова: в это же
время строилась первая в России железная дорога Пе-
тербург— Царское село, и, вместо того чтобы использо-
Рис. 15. Паровоз Стефенсона
«Ракета».
вать опыт уральских строителей железных дорог и паро-
возов, царское правительство предпочло выписывать из
Англии не только паровозы, вагоны и рельсы, но даже
машинистов.
Отечественное паровозостроение начало развиваться
одновременно с расширением сети железных дорог и до-
стигло больших успехов. В настоящее время нашими за-
водами построены паровозы мощностью свыше 3000 ло-
шадиных сил; скорость пассажирских паровозов дости-
гает 150 километров в час.
Современные паровозы, один из которых изображен
на рис. 16, работают на перегретом паре; у них отрабо-
42
тавший пар частично используется для подогрева пита-
тельной воды для котла; подача топлива в топку меха-
низирована. Однако паровоз работает в крайне неблаго-
приятных условиях: сильно охлаждается наружным воз-
духом, особенно зимой; топочное пространство котла
слишком мало для экономичного сжигания большого ко-
личества топлива; сильной тягой выносится в трубу много
мелкого топлива; паровая машина работает с большим
противодавлением. Вследствие этого коэффициент по-
Рис. 16. Советский мощный паровоз серии «Л».
лезного действия его меньше, чем у стационарных машин,
и не превышает 5—7%. Вот почему в последние годы в
технически развитых странах паровозы заменяются тепло-
возами и электровозами.
Директивами XX съезда КПСС предусматривается
прекращение в шестом пятилетии (1956—1960 гг.) по-
стройки магистральных паровозов и расширение строи-
тельства электро- и тепловозов.
3. ПАРОВАЯ МАШИНА НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ
Изобретателем парохода считают Роберта Фултона.
Первый пароход его, испытанный на реке Сене в Париже,
оказался слишком тихоходным из-за неудачной конструк-
43
ции гребного приспособления. Второй его пароход «Клер-
монт» был построен в Америке и в 1807 году совершил
первый удачный рейс, после которого пароходостроение
начало быстро развиваться. На «Клермонте» гребные ко-
леса приводила в движение одноцилиндровая паровая ма-
шина двойного действия мощностью 18 лошадиных сил,
с котлом в кирпичной обмуровке.
В России первые пароходы, или, как их раньше назы-
вали, «пироскафы», начали ходить с 1815 года.
Судовые машины развивались быстрее стационар-
ных, так как выигрыш в их размерах и весе и большая
экономичность позволяли для коммерческих судов уве-
личить полезный груз, а для военных кораблей — воору-
жение.
Паровые машины с балансирами, громоздкие и тяже-
лые, уступили место безбалансирным (отметим, что пер-
вая безбалансирная машина была построена на Ижор-
ском заводе в Петербурге). Давление пара в судовых
котлах было первоначально очень низким — всего до
1,25 атмосферы, значительно отставая от сухопутных уста-
новок. Это объясняется тем, что для охлаждения пара в
конденсаторах применялась забортная морская вода, по-
ступавшая затем вместе с конденсатом в котлы. При бо-
лее высоком давлении, а следовательно, и более высокой
температуре пара и равной ей температуре воды в котле,
соли, содержащиеся в морской воде, осаждались на стен-
ках котла, а это уменьшало их теплопроводность и, кроме
перерасхода топлива, вызывало опасный перегрев их.
Только после того, как стали применять поверхностный
конденсатор, в котором охлаждающая вода проходит по
трубкам, омываемым отработавшим паром, и не смеши-
вается с ним, и после того, как вместо забортной воды
стали применять чистый конденсат с добавкой пресной
воды, давление пара стало повышаться.
Горизонтальные машины остались только для враще-
ния гребных коле.с с малым числом оборотов, а для вин-
товых пароходов применяются исключительно более бы-
строходные и более компактные вертикальные машины,
преимущественно тройного расширения.
В начале XX века судовые машины достигли огромной
мощности 17 500 лошадиных сил. В настоящее время на
44
военных и крупных коммерческих судах, особенно на пас-
сажирских пароходах, они вытеснены паровыми турби-
нами, хотя еще и устанавливаются на мелких и средних
судах.
4. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ
В паровых машинах пар действует на поршень, сооб-
щая ему возвратно-поступательное движение, которое за-
тем посредством шатунно-кривошипного механизма пре-
образуется во вращательное движение вала.
Работа паровых турбин основана на другом прин-
ципе, как показано на рис. 17. Пар из котла подводится
к соплу (неподвижному каналу), в котором он расши-
ряется, причем потенциальная
энергию движения струи па-
ра, выходящей из сопла. Эта
струя поступает на лопатки,
укрепленные на диске и, про-
ходя между ними, изменяет
направление своего движе-
ния. Вследствие этого пар .
выходит из турбины с мень-
шей скоростью, чем та, с ко-
торой он поступил на лопат-
ки. За счет уменьшения энер-
гии движения пара получает-
ся механическая энергия,
вращающая диск.
Рассмотрим действие па-
ра на лопатку полуцилиш
дрической формы (рис. 18).
При проходе пара между лопатками
волинейное движение, для чего
центростремительная сила, приложенная к пару,
противодействует центробежная сила, приложенная к ло-
патке и заставляющая ее перемещаться.
Почему же пар выходит из турбины с меньшей ско-
ростью, чем он поступил на лопатки? Предположим, что
пар выходит из сопла со скоростью 500 метров в секунду
энергия его переходит в
Лап из
котла^'1
Лопа/пкц
Сопло
Сал
Рис. 17.
Простейшая паровая
турбина.
Диск
он совершает кри-
необходима какая-то
Ей
45
и поступает на лопатку, движущуюся в ту же сторону, со
скоростью 250 метров в секунду. Очевидно, скорость пара
относительно лопаток будет равна 500—250=250 метров
в секунду. С такой же скоростью он покидает лопатку, но
так как, вследствие цилиндрической формы последней,
эта скорость будет направлена в сторону, противопо-
ложную движению лопатки, то скорость пара за ло-
патками будет равна 250—250 = 0. Следовательно, вся
энергия движения струи будет передана лопаткам
турбины.
Таким образом, наиболее выгодно, чтобы скорость
движения лопатки была в два раза меньше начальной
Абсолютная скорость пара 500
Скорость перемещений
лопатки 250сёа
Относительная скорость 250сек
Центробежная сила
струи пора
Абсолютная скоростьпара-0
Рис. 18. Схема действия пара на лопатку активной
турбины.
скорости пара и чтобы направления его струи при посту-
плении на лопатку и при сходе с нее были бы противо-
положны. В действительности лопатки не представляют
собой полуокружностей, а выполняются такой формы,
чтобы скорость пара при прохождении между ними
оставалась постоянной и чтобы не было ударов пара
о кромки и поверхность лопаток. Направления движе-
ния струи пара при выходе из сопла и при выходе из
лопаток не будут строго противоположны; поэтому
скорость пара за лопатками не будет, конечно, равна
нулю, но будет значительно меньше, чем при выходе
из сопла.
Чем больше расширение пара, тем больше скорость
его струи, т. е. тем в большей степени потенциальная
энергия пара переходит в энергию движения и тем больше
получается механической энергии. Как же получить наи-
большую скорость пара, или, говоря другими словами,
как добиться возможно большего расширения пара, вы-
ходящего из сопла?
Так как пар расширяется тем сильнее, чем меньше его
давление, то необходимо, следовательно, получить как
можно более низкое давление при выходе пара из сопла.
Если пар выходит из сужающегося сопла или сопла,
имеющего одинаковое сечение по всей длине (рис. 19, а),
то, как показал опыт, давление его (pi) при прохожде-
нии по соплу понизится всего до 0,58 начального давле-
ния (ро); за соплом пар клубится и больше почти не
расширяется. В энергию движения переходит всего 42%
потенциальной энергии пара. Поэтому для осуществле-
ния полного расширения пара такие сопла непригодны.
Шведский инженер Лаваль, построивший в конце
прошлого столетия первую паровую турбину, получившую
применение в промышленности, предложил выпускать пар
через расширяющееся сопло (рис. 19, б). Пар при этом
расширяется до давления того пространства, в которое
поступает, и выходит из сопла с очень большой скоро-
стью (до 1000 метров в секунду и больше) ровной
струей, энергия которой выгодно используется на лопат-
ках. На рис. 20 показан диск турбины Лаваля, очерта-
ния ее лопаток и расширяющиеся сопла.
В описанном типе турбин скорость пара и его давле-
ние при прохождении между лопатками не изменяются,
расширение пара происходит только в неподвижных соп-
лах. Такие турбины называются активными. Реактивные
турбины отличаются от первых тем, что у них расширение
пара происходит не только до поступления на лопатки, но
и при прохождении между ними. О реактивных турбинах
мы расскажем ниже, а сейчас рассмотрим ход развития
активных турбин.
Большая скорость пара при выходе из сопла обуслов-
ливает и большую скорость перемещения лопаток. Если,
например, скорость пара равна 1200 метрам в секунду, то
скорость лопаток будет равна около 600 метров в секунду.
47
Рис. 19. Истечение пара:
а — из нерасширяющегося сопла; б — из расширяющегося сопла.
Рис. 20. Диск активной турбины Лаваля, расширяю-
щиеся сопла и очертание лопаток турбины.
48
При такой скорости вращения развиваются такие огром-
ные центробежные силы, что им не могут противостоять
самые прочные из существующих материалов. Поэтому
при турбинах с одним рядом лопаток (к которым отно-
сятся турбины Лаваля) приходилось отказываться от бо-
лее полного расширения пара; однако число оборотов
их достигало 30 000 в минуту. Чтобы понизить число обо-
ротов турбины, Лаваль применил зубчатую передачу,
имевшую очень большие раз-
меры и сильно шумевшую при
работе. В дальнейшем число
оборотов активных турбин по-
нижали двумя способами: пу-
тем устройства ступеней скоро-
сти и ступеней давления. Чтобы
устроить ступени скорости, ра-
бочий диск турбины снабжают
двумя или тремя рядами лопа-
ток, между которыми поме-
щают неподвижные направляю-
щие лопатки, укрепленные в
корпусе турбины (рис. 21).
Пройдя первый ряд рабочих
лопаток, пар с пониженной ско-
ростью попадает в направляю-
щие лопатки. Здесь ему при-
дается необходимое направ-
ление для поступления во
второй ряд рабочих лопаток,
в которых скорость пара снова
снижается. Затем пар посту-
пает во второй ряд направляю-
щих лопаток, а из них в третий
ряд рабочих лопаток. Скорость
вращения турбины будет при
Рис. 21. Схема активной тур-
бины со ступенями ско-
рости.
этом, в зависимости от
числа рядов рабочих лопаток вдвое или втрое меньше, чем
при одном ряде. Давление пара остается неизменным от
сопла до выхода из последнего ряда лопаток. Диск с
двумя или тремя рядами лопаток называют диском Кер-
тиса, по имени изобретателя.
4 Г. С. Бобровский
49
Чтобы устроить ступени давления, турбину разделяют
неподвижными перегородками (диафрагмами) на не-
сколько отсеков — ступеней давления (рис. 22). В соплах
первой ступени пар расширяется лишь частично и его
скорость становится значительно меньше, чем при полном
расширении. В соплах второй ступени, закрепленных в
вторая сту^ Третья сту^
пень давления пень давления
Рис. 22. Схема активной турбины со
ступенями давления.
диафрагме, давление пара опять несколько снижается.
Чем больше число ступеней давления, тем меньше число
оборотов турбины.
Наибольшее распространение получили активные
турбины, у которых первая ступень давления имеет две
ступени скорости, а остальные — диски с одним рядом
лопаток.
50
Преимуществом активных турбин является то, что бла-
годаря равенству давлений по обе стороны рабочего диска
утечка пара через зазоры между рабочими лопатками и
корпусом турбины и между диском и направляющими
лопатками незначительна. Утечка пара возможна только
через зазоры между диафрагмами и валом турбины и
Рис, 23. Предшественник реактивной
турбины — эолипил Герона,
в месте прохода вала через корпус турбины. Надежное
уплотнение этих мест имеет большое значение для эко-
номичной работы турбины.
Другой тип паровых турбин — реактивные турбины.
Принцип действия этих турбин описан греческим ученым
Героном, жившим в I веке до нашей эры в городе
Александрии. Герои описал прибор эолипил, приводимый
в движение паром. Этот прибор (рис. 23) состоит из
полого шара с двумя трубками, изогнутыми в противопо-
ложные стороны; шар может вращаться на полых цапфах,
через которые подводится пар. Пар, выходя из трубок,
приводит шар во вращательное движение. Действие этого
прибора основано на следующем. Струя пара, выходящего
с большой скоростью из трубок, находится под действием
4* 51
силы, направленной в сторону движения струи. По зако-
нам физики возникновение такой силы вызывает появле-
ние равной противодействующей силы, но направленной
противоположно ей. Эта сила называется реакцией
струи, а принцип действия прибора — реактивным.
В данном случае неподвижных сопел нет и расширение
пара происходит только во вращающихся трубках; реак-
тивная сила действует на концы трубок (насадки) и за-
ставляет шар вращаться в сторону, противоположную
движению струи.
На том же принципе основано действие реактивных
турбин (рис. 24), первая из которых была построена
Рис. 24. Схема реактивной турбины и очертание ее лопаток.
английским инженером Парсонсом почти одновременно с
активной турбиной Лаваля. Реактивная турбина состоит
из барабана (ротора) с укрепленными на нем рядами
рабочих лопаток, между которыми располагаются непод-
вижные направляющие лопатки, укрепленные в кожухе
турбины (статоре). Пар поступает в направляющие ло-
патки первой ступени; проходя их, он частично расши-
ряется и поступает в каналы, образованные рабочими
лопатками. При проходе пара по ним возникает центро-
бежная сила, вызывающая перемещение лопаток; пар
при этом также несколько расширяется. Затем пар пере-
ходит во второй ряд направляющих и рабочих лопаток,
в которых он опять расширяется и теряет часть
давления и т. д., пока пройдет все ступени, число которых
52
доходит до 100. Благодаря небольшому перепаду давле-
ния в каждой ступени скорость пара невелика, и поэтому
число оборотов турбины без затруднений может быть
доведено до числа наиболее удобного для электрогене-
раторов, центробежных насосов и др.
Однако следует иметь в виду, что и активные турбины
нередко работают с некоторой реактивностью. Поэтому
деление турбин на активные и реактивные является услов-
ным; если турбина работает на 50% по реактивному
принципу, то такую турбину принято называть реактивной.
Рис. 25. Схема радиальной реактивной турбины
Юнгстрема.
В настоящее время реактивные турбины почти не
строятся, так как при высоких давлениях пара лопатки
первых ступеней получаются очень короткими и имеют
низкий коэффициент полезного действия. Поэтому теперь
строят комбинированные турбины: часть высокого давле-
ния делают активной, располагая сопла только на части
окружности, а когда объем пара сделается достаточно
большим, устанавливают реактивные ступени.
У всех турбин, о которых мы говорили, пар движется
параллельно оси; но бывают и радиальные турбины, у ко-
торых пар движется перпендикулярно валу. Из них наибо-
лее интересна турбина Юнгстрема, изображенная на
рис. 25. Она состоит из двух дисков с укрепленными на
53
них лопатками; диски вращаются в противоположные сто-
роны, и лопатки одного диска являются рабочими для
него и направляющими для лопаток другого диска. Тур-
бины Юнгстрема весьма компактны и замечательны тем,
что являются единственным типом чисто реактивных
турбин — расширение пара происходит только на
рабочих лопатках, которыми являются все лопатки тур-
бины.
Паровые турбины обычно соединяются с электрогене-
раторами, для правильной работы которых необходимо
поддержание определенного числа оборотов. Для этого
применяется центробежный регулятор принципиально та-
кой же, какой был описан в разделе о паровых машинах.
Через особое вспомогательное устройство он воздей-
ствует на клапаны, закрывающие отдельные группы сопел.
Клапаны открываются один за другим, так что в любой
момент только один клапан будет открыт не полностью
и в нем будет происходить торможение пара, связанное
с понижением его давления. Другие клапаны будут от-
крыты (при неполной нагрузке часть клапанов будет за-
крыта), и пар в необходимом количестве поступает при
полном давлении, что важно для лучшего использования
его энергии.
Паровые турбины работают нормально при 3000 обо-
ротов в минуту, но бывают турбины и с большим числом
оборотов. В некоторых деталях от центробежной силы
возникают очень высокие напряжения, которые при уве-
личении числа оборотов выше нормального могут вызвать
большие повреждения всей турбины. Поэтому каж-
дая турбина снабжается регулятором безопасности:
при увеличении числа оборотов на 10% выше нор-
мального он автоматически прекращает доступ пара
в турбину.
Мы знаем, что наиболее совершенное использование
энергии пара получается при возможно полном расшире-
нии его, т. е. при возможно низком давлении, при котором
пар покидает турбину. Это достигается направлением от-
работавшего пара в конденсатор, в котором поддержи-
вается абсолютное давление 0,04—0,08 атмосферы. При
работе турбин с таким глубоким вакуумом (разреже-
нием) по сравнению с работой с выпуском пара в атмос-
54
феру получается экономия в расходе пара до 40%. Воз-
можность почти полного использования области низкого
давления является ценным преимуществом паровых тур-
бин перед поршневыми машинами. У последних пар вы-
ходит из цилиндра и поступает в конденсатор при абсо-
лютном давлении около 0,2 атмосферы. Для того чтобы
Рис. 26. Схема конденсационной установки:
1 — турбина; 2 — конденсатор; 3 — циркуляционный насос; 4 — водозабор-
ная труба с сеткой; 5 — водоотводящая труба; 6 — конденсатный насос;
7 — бак для сбора конденсата; 8 — место присоединения воздушного на-
соса.
получить в них большее разрежение, пришлось бы уве-
личить ход поршня до непомерно больших размеров,
а это сделало бы сооружение машины невозможным.
У паровых же турбин это достигается сравнительно
просто.
Конденсационное устройство (рис. 26) является важ-
ной принадлежностью паротурбинной установки и состоит
из конденсатора отработавшего пара, циркуляционного
насоса, подающего охлаждающую воду, конденсатного
насоса, откачивающего конденсат из конденсатора, и воз-
55
душного насоса, отсасывающего воздух, попадающий в
конденсатор вместе с паром. Последнее необходимо, так
как присутствие в конденсаторе воздуха препятствует по-
лучению глубокого вакуума.
Количество воды, подаваемое циркуляционными насо-
сами крупных турбин, чрезвычайно велико. Например,
для турбины мощностью 150 000 киловатт необходимо
свыше 20 000 кубических метров воды в час. Этого коли-
чества воды было бы достаточно для удовлетворения в
течение суток бытовых нужд города с населением в
200 000 человек.
Турбины, у которых отработавший пар направляется
в конденсатор, называются конденсационными.
Кроме них, бывают турбины еще двух типов — с противо-
давлением и с отбором пара. У первых пар покидает
турбину с давлением выше, чем у конденсационных, чаще
всего при избыточном давлении 0,2—4 атмосферы и на-
правляется в отопительные системы или в производство
для сушки, выпаривания и т. п. У турбин с отбором пара
пар требуемого давления отводят из одной или несколь-
ких промежуточных ступеней, а остальной пар направ-
ляют в конденсатор или также для нагревательных целей.
Последние два типа турбин называются теплофика-
ционными, и их устанавливают на теплоэлектроцент-
ралях (ТЭЦ), на которых производится комбинированная
выработка электроэнергии и тепла. О теплофикации бу-
дет сказано ниже.
В то время как развитие паровой машины продолжа-
лось почти 200 лет, паровые турбины меньше чем за пять-
десят лет достигли высокой степени совершенства, вытес-
нив паровую машину из электрических станций и из круп-
ных судовых установок. Мощность турбинных установок
на крупных трансокеанских пароходах измеряется мно-
гими десятками тысяч киловатт.
Паровые турбины применяются также для приведения
в движение насосов, компрессоров, вентиляторов; осваи-
ваются также установки турбин на локомотивах.
Переход от низкого давления пара к более высокому
дает экономию топлива, и поэтому давление пара в тур-
бинных установках все более и более повышается. Счи-
тавшееся еще не так давно высоким давление 35 атмо-
56
сфер уступило место давлениям порядка 100 атмосфер,
благодаря чему экономия топлива увеличилась на 12—
15%. В настоящее время используют давление пара
170—180 атмосфер, что еще повышает экономию топлива.
В пятилетием плане развития народного хозяйства СССР
на 1956—1960 гг. предусмотрено строительство турбин
мощностью до 300 000 киловатт, которые будут работать
при давлении пара до 300 атмосфер и температуре пере-
грева 650° С.
При модернизации старых электростанций, т. е. для
приведения их в состояние, соответствующее достижениям
современной техники, также переходят на высокое давле-
ние пара. Для того чтобы сохранить ценное турбинное
оборудование, применяют установки так называемых
предвключенных турбин — турбин с высоким начальным
давлением и высоким противодавлением, соединенных с
особым электрогенератором. Пар, первоначально расши-
рившись и отдав часть своей энергии в предвключенной
турбине, направляется в ранее установленную турбину,
построенную для меньшего давления, и в ней заканчи-
вает свою работу.
В связи с увеличением мощности паровых турбин воз-
растает и сложность их конструкции. У крупных турбин
размещают часть ступеней с высоким давлением пара в
одном корпусе, а часть их с более низким давлением —
в другом, причем валы обоих корпусов соединены между
собою и с общим электрогенератором; реже встре-
чаются трехкорпусные турбины. Крупная одновальная
турбина мощностью 150 000 киловатт работает с дав-
лением пара 170 атмосфер при температуре перегрева
550° С. Эта турбина построена в 1953 г. Ленинград-
ским металлическим заводом (рис. 27). Мощность
ее в 86 раз больше, чем мощность паровой машины
в 2600 лошадиных сил (рис. 13), но она занимает
меньше места.
В дореволюционной России постройку паровых турбин
начал в 1904 г. Петербургский металлический завод, но
до 1918 г. им было выпущено всего 26 турбин общей
мощностью 8965 киловатт. В настоящее время у нас па-
ровые турбины строят на нескольких специализирован-
ных заводах. О масштабах производства паровых турбин
57
можно судить по тому, что директивами XX съезда КПСС
о пятилетием плане развития народного хозяйства СССР
на 1956—1960 годы в 1960 г. предусмотрено построить
Рис. 27. Паровая турбина Ленинградского металлического завода
мощностью 150 000 киловатт.
паровые и газовые турбины на общую мощность
10 500000 киловатт, т. е. в 1170 раз больше, чем мощность
всех турбин, построенных за все время до Великой Ок-
тябрьской социалистической революции.
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ВОДЯНОГО ПАРА
Непосредственное использование теплоты водяного
пара настолько многообразно, что в этой небольшой книге
мы можем привести только некоторые примеры.
При получении сахара из свеклы извлекают сок горячей
водой в особых приборах—диффузорах. Полученный си-
роп выпаривают; при этом из него выкристаллизовывает-
ся сахар. На все это расходуется теплота водяного пара.
58
Производство спирта состоит в том, что картофель
посредством водяного пара нагревают в запарниках,
крахмал затем переходит в сахар. При брожении са-
хара образуется спирт, который отгоняют в нагреваемых
паром перегонных аппаратах и конденсируют спир-
товые пары в холодильнике. Ректификация
(очистка) спирта производится путем повторной его
перегонки.
В хлебопекарном производстве применяются печи с
так называемыми трубами Перкинса. Это—толстостен-
ные трубы, содержащие небольшое количество воды и
закрытые с обоих концов. Трубы частично выходят в
топку и подвергаются нагреву, остальная поверхность
труб выходит в пространство, в котором находится
выпекаемый хлеб. В закрытых трубах, в зависимости
от степени нагрева концов труб, образуется пар высо-
кого давления и температуры, требуемой для хлебо-
печения.
Водяной пар применяют также в консервном, конди-
терском производствах, для сушки овощей. В столовых
для приготовления пищи применяются котлы, обогревае-
мые паром. В строительстве пар находит применение для
просушивания пиломатериалов и при изготовлении шлако-
бетонных блоков.
Текстильное производство требует много водяного
пара. При прядении хлопка требуется определенная влаж-
ность и температура помещения, поддерживаемые впры-
скиванием воды с паром. При ткачестве основа пропиты-
вается горячей шлихтой — раствором, придающим нити
гладкость; после этого основа просушивается на бараба-
нах, обогреваемых изнутри паром. Вытканный материал
(суровье) подвергается отбелке в варочных котлах и про-
сушивается на сушильных барабанах. После набойки ри-
сунка на печатных машинах ткань просушивается в за-
крытых сушилках, обогреваемых паром, или на сушиль-
ных барабанах.
Кроме этих процессов, в текстильном производстве
имеется еще ряд операций, при которых нельзя обойтись
без пара.
В химической промышленности пар играет особенно
важную роль, поскольку почти все химические реакции
59
ускоряются при высокой температуре, а некоторые даже
невозможны без нее. Из процессов резинового производ-
ства упомянем только вулканизацию, состоящую в том,
что в резиновую смесь вводят 1—3% серы и нагрева-
ют до 140° С в металлической форме, обогреваемой
паром, или в автоклаве — сосуде, обогреваемом па-
ром. Способ горючей вулканизации широко применяет-
ся при починке автомобильных камер, резиновой обу-
ви и др.
Охрана здоровья также требует применения пара:
перевязочный материал должен быть стерильным, т. е.
обеззараженным. С этой целью применяют медицинские
автоклавы, представляющие собой не что иное, как Папй-
нов котел с небольшим давлением. В автоклав наливают
до определенного уровня воду, над ней устанавливают
решетку, на которой укладывают материал, подлежащий
стерилизации, закрывают автоклав крышкой и, нагревая
его снизу, поднимают температуру до 110—130° С,
что соответствует избыточному давлению 0,5—1,5 атмо-
сферы.
Дезинфекционная камера представляет собою барабан
большого диаметра с крышками с обеих сторон, внутри
его помещен змеевик, обогреваемый паром. Дезинфици-
руемые вещи закладываются в камеру, которую плотно
закрывают и, пуская в змеевик пар, нагревают до высо-
кой температуры (порядка 130° С), при которой гибнут
болезнетворные бациллы.
Очень большое значение в народном хозяйстве имеет
использование теплоты отработавшего пара для тепло-
фикации. Сущность последней заключается в том, что
пар из теплофикационной турбины, имея повышенное
давление, поступает по паропроводам на предприятия, где
используется для варки, выпаривания, сушки, вулканиза-
ции и др., или нагревает воду, используемую затем для
обогрева жилых и производственных зданий. Здесь пар
конденсируется и возвращает скрытую теплоту парообра-
зования, т. е. большую часть своего теплосодержания.
Степень общего использования его теплоты может быть
доведена до 65% и выше, тогда как при выпуске пара
в конденсатор используется в лучшем случае около 25%
его теплоты, а остальная теплота передается в конденса-
60
торе охлаждающей воде и теряется бесполезно. Конденсат
возвращается обратно на теплоэлектроцентраль и опять
поступает в паровые котлы; будучи совершенно свобод-
ным от каких бы то ни было примесей, он не образует
накипи, что имеет большое значение для хорошей пере-
дачи теплоты в котлах и для их безопасной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
IZaKOBbi же перспективы использования водяного пара?
“ В связи с развитием промышленности и повышением
уровня жизни предстоит огромное развитие пароэнерге-
тики. Несмотря на строительство невиданных по разме-
рам гидроэлектростанций (Куйбышевская, Сталинград-
ская, Братская, Красноярская и др.), тепловые электро-
станции все же пока занимают первое место по выра-
ботке электроэнергии. Это видно из того, что директи-
вами XX съезда о пятилетием плане развития народного
хозяйства СССР на 1956—1960 годы в последнем году
пятилетки намечено построить паровых и газовых турбин
на общую мощность 10 500 000 киловатт, а гидравличе-
ских на 2 600 000 киловатт. Для районов, не имеющих
собственной топливной базы, предусмотрено строитель-
ство атомных электростанций, общая мощность которых
к концу пятилетки должна составить 2—2,5 миллиона ки-
ловатт. А на атомных электростанциях выработка элек-
троэнергии производится турбогенераторами, пар для
которых получается за счет тепла, выделяющегося в атом-
ных котлах. Водяной пар не утратит своего значения даже
в век атомной энергии.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................. 3
I. Физика водяного пара
1. Строение вещества........................................4
2. Энергия............................................... 6
3. Тепловая энергия.................. • ............. 8
4. Работа и мощность ч ..... • 9
П. Получение водяного пара
1. Насыщенный и перегретый пар............. , г г * • Н
2. Типы паровых котлов.......... ,с
3. Надзор за паровыми котлами..........., * а * » . . 31
III. Использование водяного пара
1. Паровые машины....................................... 32
2. Паровая машина на сухопутном транспорте.............. 41
3. Паровая машина на водном транспорте................. 43
4. Паровые турбины...................................... 45
5. Использование теплоты водяного пара.................. 58
Заключение ............................................. 52
Григорий Степанович Бобровский.
Водяной пар.
Редактор Д А Катренко
Техн, редактор Е А. Ермакова.
Корректор Т. G. Плетнева.
Сдано в набор 13/VIII 1957 г. Подписано
к печати 21/XI 1957 г. Бумага 84 Х1081/зг.
Физ. печ. л 2. Условн. печ. л. 3,28 Уч.-изд
л. 2,96. Тираж 75 000 экз. Т-10362.
Цена книги 90 коп. Заказ№ 2865
Государственное издательство
технико-теоретической литературы.
Москва, В-71, Б Калужская, 15
Типография «Красный пролетарий»
Госполитиздата
Министерства культуры СССР.
Москва, Краснопролетарская, 16.
Цена 90 к.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИ КО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Вып. 6Б. А. П. Лебедев и А. В. Епифанцева. О чем
рассказывают камни.
Вып. 66. Проф. К- Ф. Огородников. Сколько звезд на
небе.
Вып. 67. Проф. Н. С.’Комаров. Искусственный холод.
Вып. 68. Проф. С. К. Всехсвятский. Как познавалась
вселенная.
Вып. 69. Проф. В. Т. Тер-Оганезов. Солнечные затме-
ния.
Вып. 70. Ф. И. Честнов. Загадка ионосферы.
Вып. 71. В. Д. Захарченко. Мотор.
Вып. 72. В. А. Лешковцев. Атомная энергия.
Вып. 73. А. Ф. Плонский. Радио.
Вып. 74. Парфёнов. Редкие металлы.
Вып. 7В. Ф. М. Иванов и Г. В. Бялобжеский. Искусст-
венные камни.
Вып. 76. Л. К. Баев. Вертолет.
Вып. 77. Ю. М. Богданов. Наука о прочности.
Вып. 78. М. В. Беляков. Атмосфера.
Вып. 79. С. Морозов. Фотография в науке.
Вып. 80. И. А Калинин. Катализ.
Вып. 81. К. П. Белов. Что такое магнетизм.
Вып. 82. И. Л. Орестов. Холодный свет.
Вып. 83. А. А. Штернфельд. Межпланетные полеты.
Вып. 84. М. Васильев. Вода работает.
Вып. 86. И. Ф. Добрынин. Электроприборы в быту.
Вып. 86. В. П. Зенкович. Морское дно.
Вып. 87. А. Ф. Плонский. Измерения и меры.
Вып. 88. Л. А. Сена. Светящиеся трубки.
Вып. 89. К. Л. Баев и В. А. Шишаков. Всемирное
тяготение.
Вып. 90. Д. Э. Гродзенский. Атомная энергия — меди-
цине.
Вып. 91. А. А. Жабров. Почему и как летает самолет.