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

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

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

Рис. 11.7. Линия высоковольтной передачи напряжением 230 000 вольт

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

Рис. 11.8. Большой поршневой паровой двигатель и генератор

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

Рис. 11.9. Паровая турбина де Лаваля