100 знаменитых изобретений, стр. 24

На современных средних и крупных гидроэлектростанциях, а также на многих мелких ГЭС широко применяются методы автоматики и телемеханики, причем на некоторых ГЭС полностью автоматизированы пуск, регулирование, управление и остановка агрегатов, а также управление затворами гидросооружений и напорных водотоков. Эти операции могут производиться телемеханически, т. е. диспетчерским персоналом пунктов управления. Многие ГЭС работают без персонала, управляются на расстоянии (например, с другой станции каскада либо с диспетчерского пункта). На отдельных автоматизированных ГЭС управление и поддержание нужного режима работы осуществляются при помощи автооператоров, выполняющих свои функции по заранее намеченным для них планам и графикам. На полностью автоматизированных ГЭС, управляемых дистанционно или посредством автооператоров, надзор за оборудованием осуществляется путем периодических инспекторских осмотров ГЭС. При какой-либо аварии подается сигнал дежурному для восстановления нормального режима работы ГЭС.

Достоинства и преимущества гидроэлектростанций по сравнению с тепловыми электростанциями весьма значительны и состоят прежде всего в том, что ГЭС экономят топливо, рационализируют топливный баланс, содействуют экономическому развитию районов, не обеспеченных достаточными топливными ресурсами. Конструкция агрегатов гидроэлектрических станций проще, чем агрегатов тепловых электрических станций, а процесс производства электрической энергии на гидростанциях значительно менее сложен, чем на тепловых станциях.

Работа гидроэлектростанции не связана с таким количеством отходов, как работа ТЭС. Строительство гидроэлектростанций приводит к рациональному решению не только энергетической проблемы, но и ряда иных проблем, имеющих большое значение. Среди них– проблемы судоходства, ирригации и мелиорации земель, водоснабжения, рыбного хозяйства и очень важная проблема преобразования природы.

Опыт эксплуатации первых гидроэлектростанций показал, что они имеют большую маневренность, хорошую надежность работы и малые эксплуатационные расходы, не требуют многочисленного обслуживающего персонала и допускают полную автоматизацию процесса производства электроэнергии с весьма широкими возможностями телеуправления. Современные гидравлические турбины обладают КПД, доходящим до 0,93. Энергия, производимая гидроэлектростанциями, дешевле, чем электроэнергия, доставляемая тепловыми электростанциями.

В техническом и эксплуатационном отношениях очень важно, что гидроэлектрические установки обладают большой маневренностью. Эта особенность гидроагрегатов имеет существенное значение для крупных энергетических систем, так как резкий прирост нагрузки, в том числе при аварийных сбоях в системе, можно быстро компенсировать включением резервных гидроагрегатов. Таким образом, гидроагрегаты оказались очень удобными для покрытия пиков нагрузки в системах, в которых работают как тепловые, так и гидравлические станции.

Недостатком гидравлических станций является их «локальность», т. е. возможность эффективного строительства гидростанций только в относительно немногих районах. Эта локальность преодолевается передачей энергии на расстояние электрическим током, однако в некоторых случаях транспорт энергии путем перевозки топлива экономически эффективнее, особенно при применении нефтепроводов и газопроводов. Первоначальные затраты на сооружение ГЭС выше, чем на тепловые электростанции.

Большим недостатком равнинных ГЭС является отчуждение земель, затопляемых водохранилищем. Постепенно происходит размывание берегов искусственных водоемов, их заиливание, нарушение экологического равновесия в зоне водохранилищ.

Двигатель внутреннего сгорания

Создатели первых двигателей внутреннего сгорания отталкивались от конструкции паровой машины. Еще в 1860 году французский механик Этьен Ленуар построил газовый двигатель, напоминавший паровую машину. Он работал на смеси светильного газа и воздуха. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Двигатель Ленуара – двусторонний (или, как принято говорить, двойного действия; рабочий процесс происходит с двух сторон поршня) и двухтактный, т. е. полный цикл работы поршня осуществляется за два хода. При первом ходе происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре (рабочий ход), при втором ходе – выпуск отработавших газов. Впуском и выпуском управляет задвижка-золотник, а золотником – эксцентрик, смонтированный на валу двигателя.

В отличие от паровых двигателей, газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было сложно. Но масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только половина теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание становилось ненадежным, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 м³ воды в час. Температура газа доходила до 800 °C. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.

Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см², а к концу рабочего хода снижалось втрое. Одноцилиндровый двигатель объемом 2 л при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 мог развивать мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель был в тысячу раз менее производителен, чем двигатель нынешнего автомобиля.

Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году служащему коммерческой фирмы Николаю-Августу Отто из Кёльна совместно с Евгением Лангеном.

Полученный Отто патент был в 1889 году аннулирован, так как четырехтактный цикл якобы обосновал ранее француз Л. Бо-де-Роша. Лишь посмертно заслуги Отто признала мировая техническая общественность, цикл назвали его именем.

Наблюдая работу газового двигателя, Отто пришел к выводу, что сможет добиться более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда бы давление газа при сгорании смеси действовало на поршень в течение всего хода. Для наполнения цилиндра смесью до начала хода Отто поступил следующим образом: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание лишь в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси задало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.

Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, равным 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и соответственно двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому принципу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей.

Итак, при первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» – головки цилиндра, создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. Третий такт – рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное закрыто.