оду вращать тяжёлые жернова мельницы, а вот огненное вещество, которого полно было в любом лесу, хоть и не раз показывало свою грозную силу, а из полезных дел применялось только для того, чтобы изжарить кусок мяса или зимой погреться у костра.
Героновский эолипил долго оставался красивым опытом и при этом не более чем игрушкой — лишь более чем через полторы тысячи лет началась машинная биография огня. В качестве главного работника выбрали пар — даже в кипящем чайнике пар имел заметное давления и, вырываясь из носика, вполне мог бы выполнить небольшую полезную работу. Сначала был сконструирован специальный «большой чайник» — безопасный паровой котёл, затем английский кузнец Томас Ньюкомен с помощниками в 1705 году придумал паровой насос для откачки воды из шахт (Р-84.2), и, наконец, в 1781 году английский изобретатель и исследователь Джеймс Уатт (иногда по-русски его фамилия пишется как Ватт, этим именем названа единица мощности ватт) запатентовал свою «огневую машину». В ней пар высокого давления быстро двигал туда-обратно поршень в цилиндре, а это движение несложный механизм превращал во вращение рабочего колеса (Р-85). Джеймс Уатт изобрёл и самолично построил двигатель, который мог выполнять нужную работу, работал в двигателе горячий водяной пар, энергию на всё это давало тепло.
Изобретатель настойчиво совершенствовал свою машину, и вскоре она стала универсальным паровым двигателем самого широкого применения — от привода токарного станка до паровоза. И естественно, когда понадобился привод для электрогенераторов, то уаттовский поршневой паровой двигатель сразу же и, как казалось, навсегда получил эту должность. Началось с первого реально работающего электрогенератора «Альянс», который в 1857 году был создан для питания мощных ламп на маяках и работал вместе с небольшой паровой машиной мощностью 10 лошадиных сил (7,36 кВт). За несколько лет построили больше сотни таких установок, и вообще электрогенераторы (их мощность достигала сотен киловатт) с поршневым паровым двигателем стали основным поставщиком электроэнергии, лишь изредка уступая приводу, использующему энергию падающей воды.
Но прошло несколько десятилетий, и из многих областей техники уаттовскую паровую машину, это великое творение эпохи, начал уверенно вытеснять другой вид парового двигателя — паровая турбина (от латинского «турбо» — «быстрое вращение, вихрь»). Работу турбины пояснит выключенный из электросети вентилятор, установленный в потоке воздуха, например в открытом окне. Лопасти закреплены на оси с небольшим поворотом, и благодаря этому ударяющий в них ветер создаёт вращательное движение вентилятора. Ту же роль играют сложной формы рабочие лопатки турбины, которые закреплены в её рабочих колёсах и расположены на пути мощной струи пара (Р-86). Сейчас в большинстве случаев мощную турбину и генератор считают единым комплексом, называют одним словом турбогенератор, их вместе рассчитывают при проектировании установки.
Примерно 100 лет назад паровая турбина подтвердила свои достоинства и с тех пор стала главным приводом мощных электрогенераторов на электростанциях. А ещё через несколько десятилетий электростанции стали получать ещё одного могучего помощника — газовые турбины, в которых рабочие колёса с лопатками разных размеров приводил в движение не пар, а газ высокого давления, появлявшийся при сжигании в камере сгорания топлива, например, керосина, угольной пыли или природного газа (Р-86).
ВК-203.Статистики часто публикуют интересные (не всегда, правда, совпадающие) таблицы с данными о развитии электроэнергетики в разных странах и регионах. Из таблиц видно, что Россия немало производит электроэнергии, но пока ещё не очень хорошо её использует. Энергетика, конечно, развивается и растёт, но, как дело дорогое и сложное, развивается не молниеносно. Так, основные цифры, приведённые на итоговой таблице (на чёрной доске), к 2012 году выросли в среднем на 10 %.
Р-81. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ, НО ПОКА ЕЩЁ ДАЛЕКО НЕ БЕСПЛАТНАЯ. Сегодня мировая промышленность ежегодно использует примерно 16 миллионов тонн меди (кстати, треть её производят в Чили), а в недрах её мировые запасы оцениваются в миллиард тонн. Так что запасов хватит лет на 60, а за это время, смотришь, ещё что-нибудь придумают. Многие представляют, каким должно быть это «ещё что-нибудь», — это высокотемпературные сверхпроводники. За 100 лет, которые прошли с открытия сверхпроводимости, в этой области сделано многое. В 1957 году была отмечена Нобелевской премией БКШ теория сверхпроводимости, её название — это первые буквы фамилий авторов Д. Бардина, Л. Купера и Д. Шриффера. В 1950 году начали создавать сплавы, которые не разрушают сверхпроводимости при больших токах (1) и сильных магнитных полях. С 1980 года пытаются создать на основе керамики высокотемпературные сверхпроводники. Не нужно, однако, думать, что у этих материалов исчезает активное сопротивление при температурах +50 или +100 градусов Цельсия — это ещё впереди. Существуют две знаковые температуры: жидкого гелия около 4 К, то есть ниже минус 269 °C, и азотная около 77 К, то есть ниже минус 196 °C. Большинство сверхпроводников приобретают эти свои свойства при гелиевых температурах (2), и только в сравнении с ними назвали высокотемпературными новые материалы, которые становятся сверхпроводниками при температуре жидкого азота. Но пока таких материалов нет для широкого применения и жидкий азот используют для предварительного охлаждения гелия (3). Это требует меньшей мощности от гелиевой холодильной машины, что в целом упрощает и удешевляет получение сверхпроводников.
Т-173. Рождённый летать, как оказалось, прекрасно справляется с чисто наземными делами. Первые сведения о газовых турбинах к широкой публике начали приходить с развитием реактивной авиации. Через несколько лет после появления больших пассажирских «Ту» и «Илов» многие уже знали, что для реактивных самолётов и ракет бывает много разновидностей двигателей. Большинство из них для создания необходимой тяги использует выброшенную назад мощнейшую реактивную струю сожжённого газа, за что самолёты с такими двигателями во всём мире называют «джет» — «реактивный, выбрасывающий струю». В самом двигателе на пути газовой струи стоит сравнительно небольшая газовая турбина, которая отбирает некоторую часть мощности и использует её частично для нужд самого двигателя, а частично для вращения электрогенератора, питающего электричеством самолёт. Надо заметить, что на электропитание приборов, технических систем самолёта и создание определённых удобств для пассажиров (в частности, на полную смену воздуха 20–30 раз за каждый час полёта) требуется немалая электрическая мощность: в небольшом десятиместном самолёте — 20 киловатт, в большом пассажирском лайнере — 600 киловатт и более. При этом в кабельных линиях самолёта обычно циркулируют постоянное напряжение 27 вольт и переменное 200/120 вольт (указано линейное и фазовое напряжение)
А есть ещё так называемые турбовинтовые самолёты, в их двигателях почти вся энергия газовых потоков достаётся турбинам, которые создают необходимую тягу с помощью вращающихся пропеллеров («винтов»).
Пока ещё, видимо, не написана книга об истории появления на электростанциях газовых турбогенераторов, но, судя по всему, дело это не обошлось без мощных турбин, созданных для авиации. Они показали то, что специалистам было уже и так ясно: газовая турбина на тепловой электростанции очень нужна. Во-первых, газовая турбина включается (и выключается!) буквально за одну-две минуты и, если нужно, может практически сразу же выдавать свою максимальную мощность. Это очень важно для того, чтобы покрывать нарастающие нагрузки именно тогда, когда они появляются, и не тратить топливо на долгую подготовку к этому событию всей системы питания паровой турбины. Во-вторых, не поработавшие в самой газовой турбине остатки газа направляют в топку парового котла, что в итоге повышает к.п.д. всей системы. И, наконец, третье: коэффициент полезного действия газового турбогенератора весьма неплохой, и, работая совместно с паровыми турбогенераторами, он доводит к.п.д. всей системы до 40–45 %, в то время как раньше на тепловых электростанциях с паровыми турбинами выше 32–34 % обычно не поднимались.
ВК-204.Уже говорилось о порядке в наших взаимодействиях с электричеством (ВК-7 и далее). Сейчас, при постепенном переходе к заключительной части книги, скажем об этом ещё раз, начав с трагической и редко вспоминаемой цифры. Ежегодно в случайных, ошибочных, неожиданных столкновениях с электричеством в мире гибнет более 10 000 человек. Эта цифра была бы больше, если бы электроэнергетика не ввела своих строгих правил, неуважение которых есть первая причина высокой опасности.
Р-82. ХАРАКТЕРИСТИКА, ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ВАЖНАЯ ДЛЯ ВСЕГО, ДЛЯ ВСЕХ И ДЛЯ КАЖДОГО. Эту характеристику обозначают греческой буквой «эта» — η и называют коэффициент полезного действия, сокращённо к.п.д., а иногда КПД. Смысл коэффициента достаточно просто поясняет само его название — он показывает, какую часть полученной энергии Wобщ (иногда её называют затраченной или мощности. Робщ какая-либо машина использует для выполнения полезной работы Wпол или Рпол Коэффициент полезного действия указывают в процентах (например 90 или 70 процентов), или в долях единицы (например 0,9 или 0,7). При подсчете к.п.д. подъёмного крана (1) затраченную им мощность Робщ или энергию Wобщ можно подсчитать, зная калорийность и количество топлива, потребляемого двигателем. А полезную мощность Рпол или энергию Wпол нетрудно найти, зная массу груза и высоту, на которую он был поднят. Аналогично к. п.д. небольшого конвейера с электрическим двигателем (2) можно оценить, если для начала амперметром и вольтметром измерить ток I и напряжение