Не будем рассказывать об истории развития двигателей от древнейших времен до наших дней. Рассмотрим сегодняшний двигатель.
Прежде всего, вспомним, что двигателями называют машины, служащие для преобразования различных видов энергии в механическую энергию, в полезную работу. Двигатели бывают первичными и вторичными. Первичные двигатели преобразуют энергию природных источников (топлива, ветра, движущейся воды), а вторичные используют энергию, получаемую от первичных двигателей. К первичным относятся тепловые, гидравлические и ветряные двигатели. Вторичные — это электрические двигатели и двигатели, работающие на сжатом воздухе.
Какие же двигатели применяются, допустим, на современных кораблях? Давно миновала эпоха гребного, а затем и парусного флота. Гребные шлюпки служат теперь почти только для развития у моряков крепкой мускулатуры и выносливости. В основном для учебных целей используют и немногие в наши дни парусные суда. Основной тип двигателя на современных кораблях и судах — тепловой. В нем химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию, которая тем или иным способом превращается в механическую работу. Если необходимо получить электроэнергию, то ее получают преобразованием механической работы.
Современные атомные энергетические установки кораблей принципиально ничем не отличаются от других тепловых двигателей. Только тепловая энергия получается в них не за счет сжигания мазута или бензина, а в результате ядерных реакций.
Из энергетических установок современных кораблей есть смысл рассмотреть котлотурбинные, дизельные, газотурбинные и атомные. Двигатели внутреннего сгорания, работающие на легком топливе (бензине), на кораблях более или менее значительного водоизмещения почти не применяются. Не следует останавливаться и на установках с паровыми машинами. Такие установки, хотя еще и есть на многих судах, менее экономичны, чем паровые турбины, и наименее совершенны из всех тепловых машин.
Начнем с котлотурбинной установки. Основными элементами ее являются паровой котел, главная паровая турбина и главный конденсатор, а также различные вспомогательные механизмы.
Каким же образом химическая энергия топлива преобразуется в такой установке в механическую работу?
Из цистерн, в которых размещается топливо (обычно мазут) на корабле, оно топливными насосами подается в топку котла. В топке мазут сгорает, и в процессе горения его химическая энергия преобразуется в тепловую. Эго тепло передается воде, находящейся в котле. Вода испаряется, и в котле образуется пар, обладающий запасами потенциальной энергии, которые зависят от температуры и давления пара. По главному паропроводу этот пар подается из котла к турбине (для простоты рассмотрим только один из существующих типов турбин). В специальных устройствах — соплах — потенциальная энергия пара, находящегося под значительным давлением, преобразуется в кинетическую энергию его струи, вытекающей из сопел со значительной скоростью. На лопатках, укрепленных на роторе турбины, кинетическая энергия струи пара превращается в механическую работу, создавая определенный крутящий момент, который с помощью валопровода передается на винт корабля. Отработавший в турбине пар поступает в главный конденсатор, где охлаждается забортной водой. Этот пар превращается в воду (конденсат), которая возвращается в котел.
Если заставить турбину вращать электрогенератор, то механическая энергия будет преобразовываться в электрическую.
Как видим, процесс получения механической энергии из химической энергии топлива при помощи котлотурбинной установки весьма сложен. Во-первых, он требует промежуточных преобразований энергии. Во- вторых, конструктивное оформление таких установок получается весьма громоздким.
Другой вид теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания (дизель). У таких двигателей преобразование химической энергии топлива в тепловую (сгорание топлива), а также последующие преобразования тепловой энергии в потенциальную энергию давления газов и получение в результате этого механической работы происходят в одном месте — в цилиндре двигателя. В цилиндр подается топливо и необходимый для его горения воздух. Тепло, выделившееся при сгорании топлива, нагревает продукты горения — газы. Газы расширяются и толкают поршень, производя тем самым механическую работу. Возвратно-поступательное движение поршня с помощью шатунно-кривошипного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
Двигатели внутреннего сгорания принципиально проще паросиловых установок. Здесь нет промежуточного рабочего тела — пара, получение которого требует дополнительного оборудования (котла, конденсатора, паропроводов и т. д.) и ведет к излишним потерям энергии. Однако и в двигателях внутреннего сгорания имеются промежуточные преобразования энергии и преобразования одного вида движения в другое.
После второй мировой войны на военных кораблях и торговых судах стал применяться новый тип двигателя — газовая турбина. В камеру сгорания такого двигателя подаются топливо и воздух.
Химическая энергия топлива преобразуется в потенциальную энергию давления газов, которые затем поступают к проточной части (соплам и лопаткам) турбины. Там потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, а последняя — в механическую работу.
Такова схема работы простейшей газовой турбины. Но и в более сложных установках сохраняются в основном те же самые промежуточные преобразования энергии. По своему конструктивному оформлению газотурбинная установка является весьма сложным агрегатом, предъявляющим очень высокие требования к материалам, особенно идущим на изготовление проточной части.
Коротко остановимся на атомных энергетических установках.
Основное отличие атомных установок от других энергетических установок состоит в том, что в них в качестве источника энергии применяется ядерное горючее. При расщеплении этого горючего выделяется огромное количество энергии, во много раз больше, чем при сгорании того же количества обычного топлива. Например, при расщеплении 1 кг урана-235 выделяется 86 млрд, кдж 1 тепла, тогда как при сжигании 1 кг каменного угля можно получить только 29,3 тыс. кдж, а при сжигании 1 кг мазута — 41,4 тыс. кдж.
Расщепление ядерного горючего происходит в специальном устройстве—атомном реакторе. Выделяющееся при этом тепло нагревает циркулирующий через реактор теплоноситель. В качестве последнего используют воду под большим давлением, можно также применять некоторые металлы в расплавленном виде или газы. Нагретый теплоноситель подается в парогенератор.
Парогенератор, по сути дела, — обыкновенный паровой котел. Только нагрев и испарение воды в нем происходят благодаря теплу, которое приносит теплоноситель из реактора.
На этом, собственно говоря, и кончается атомная энергетика. Дальше идет обычная паровая турбина, работающая на паре, образующемся в парогенераторе.
Таким образом, отличие обычной котлотурбинной установки от так называемой атомной состоит только в источнике тепла, идущего на испарение воды. В атомной установке также сохраняются промежуточные преобразования энергии, а по конструкции она сложнее обычной.
Из рассмотрения основных типов корабельных энергетических установок видно, что все они требуют промежуточных преобразований энергии и сложны по конструкции. Но может быть это оправдано высокой экономичностью установок? Рассмотрим цифры, характеризующие коэффициент полезного действия перечисленных выше энергетических установок.
Коэффициент полезного действия стационарных котлотурбинных установок с конденсацией пара достигает 28—32%, у транспортных установок к. п.д. несколько ниже и не превышает 22—25%.
У двигателей внутреннего сгорания высокого сжатия к. п. д. достигает 37—41%.
Газотурбинные установки сложных схем могут иметь к. п. д. 26—29%, а некоторые даже свыше 30%.
Коэффициент полезного действия первой в мире советской атомной электростанции — около 17%· Для более совершенных установок к. п. д. может достигать 25—27%. При этом необходимо иметь в виду, что приведенные цифры характеризуют только полезное использование тепловой энергии, выделенной в реакторе. Если же брать коэффициент полезного действия не по теплу, а по использованию собственно атомной энергии, то он равен примерно 0,1%.
Оказывается не так уж хороши наши двигатели, если только сравнительно небольшую часть содержащейся в топливе энергии они преобразуют в полезную работу, а вся остальная энергия пропадает без пользы.
В чем же дело? Может быть, инженеры недостаточно хорошо продумали их конструкцию? Оказывается, дело не в этом. Современные тепловые энергетические установки и так достаточно отработаны. Тепловые схемы и конструкции их тщательно рассчитаны и испытаны в работе. Можно, конечно, внести еще кое-какие улучшения, но и они не дадут резкого увеличения экономичности. Речь может идти только о единицах, а то и о десятых долях процента.
Чтобы понять причины этого, надо обратиться к термодинамике, которая освещает вопросы, связанные с превращением тепловой энергии в механическую работу.
В основе термодинамики лежат два принципа, или закона. Первый закон устанавливает количественную зависимость между тепловой энергией и механической работой при их взаимных преобразованиях. Первый закон можно выразить следующим образом: при взаимных превращениях определенному количеству тепловой энергии соответствует вполне определенное количество механической работы и наоборот.
Второй закон термодинамики определяет условия, при которых тепловая энергия может быть преобразована в механическую работу. Получить работу за счет теплоты возможно только при переходе тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. При этом нельзя превратить все тепло горячего источника в механическую работу. Для того чтобы выполнить это, потребовалось бы вести процесс охлаждения до полного прекращения теплового движения молекул, т. е. до температуры 0°К1, что практически невозможно.
Рассмотрим для примера работу паросиловой установки. Горячий источник — паровой котел, холодный источник, или приемник тепла, — главный конденсатор. Рабочим телом служит водяной пар. В котле пар получает определенное количество тепла, которое обозначим Q1. При поступлении пара в турбину часть тепла будет преобразована в механическую работу, а остальное тепло будет унесено паром в конденсатор. Количество тепла, унесенное паром в конденсатор, обозначим Q2. Тогда количество тепла, преобразованное в турбине в механическую работу, будет равно Q1 — Q2. Все тепло в механическую работу превратить невозможно. Поэтому коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть равен единице, а всегда меньше ее.
Из термодинамики известно, что идеальным термодинамическим циклом тепловой машины является цикл Карно. Если машина будет работать по этому циклу, то тепло будет наиболее полно преобразовываться в механическую работу.
1 В Международной системе единиц СИ температура измеряется в градусах Кельвина; 0° К=—273° С.
Необходимо помнить, что действительные тепловые машины работают по циклам, отличающимся от идеального, и экономичность этих циклов всегда ниже, чем у цикла Карно.
Тепловой к. п. д. цикла Карно определяется выражением
где Т1 и Τ2 — температуры в градусах Кельвина источника и приемника тепла, т. е. температуры, в пределах которых работает данная машина.
Из этого выражения можно сделать следующие выводы:
- тепловой к. п. д. цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, а определяется только значениями температуры источника и приемника тепла;
- для повышения теплового к. п. д. цикла Карно следует увеличивать температуру и уменьшать температуру Τ1;
- тепловой к. п. д. цикла Карно может быть равен единице только при Т1 = оо или Т2 = 0, что практически неосуществимо.
Из всего сказанного о современном состоянии тепловых двигателей следует, что положение в данной области не так уж блестяще, как это могло показаться бывшему жителю островов Тристан-да-Кунья.
Двигатели сложны по конструкции, недостаточно экономичны, и простым их усовершенствованием добиться коренных изменений в этой области невозможно. Сама природа тепловых двигателей предполагает неизбежность потерь с уходящим из двигателя теплом. Кроме того, промежуточные преобразования энергии также вызывают дополнительные потери. Да еще трение, утечки рабочего вещества через неплотности, накипь, нагарообразование и прочие неприятности, неизбежные при эксплуатации. Вот и получается, что больше половины содержащейся в топливе энергии в современных двигателях так и не преобразуется в полезную работу, а идет на совершенно бесполезное дело—подогрев окружающего воздуха или забортной воды.
Специалисты пришли к выводу, что способы преобразования энергии топлива в полезную работу, которые применяются в настоящее Бремя, еще очень далеки от совершенства. И не только из-за низкой экономичности.
Иногда с этим можно было бы смириться. Но уж очень сложен и многоступенчат процесс преобразования энергии в современных установках. Отсюда и сложность конструкции. Трубопроводы, зубчатые передачи, клапаны, сальники, десятки подшипников. Попробуйте, оставьте все это надолго без ухода. А сколько шума, вибраций, дыма и других неприятностей...
Но какой же выход из этого положения?
