Теоретические основы теплотехники

Первый фундаментальный труд по теории теплотехники «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» издал в 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796—1832). Он предсказал, что тепловым машинам «суждено совершить большой переворот в цивилизованном мире», и задался целью определить причины их несовершенства. В своем труде Карно заложил основы термодинамики, поскольку там содержались (хотя и полученные с помощью теории «теплорода») и оба начала термодинамики, и ее основные понятия, и идеальный цикл тепловых машин, и другие важные положения.

Работа Карно прошла почти незамеченной. И лишь через 10 лет, после издания «Мемуара о движущей силе теплоты» Б. Клапейрона, она стала почти сенсацией. Клапейрон «перевел» ее на математический язык, вскрыв великое содержание этого труда, и первым применил графический метод исследования работы тепловых машин – метод циклов.

В 1845–1847 гг. трудами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца окончательно формулируется закон сохранения и превращения энергии. «Теперь было доказано, – писал позже Ф. Энгельс, – что все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил... являются особыми... формами... энергии...». Недоверие к новому закону, названному первым началом термодинамики, быстро рассеивалось благодаря трудам В. Томсона (лорда Кельвина), Р. Клаузиуса, У. Ренкина и др.

В 1853 г. В. Томсон дает первое точное определение энергии. Клаузиус формулирует уже на основе механической теории тепла два начала термодинамики и получает знаменитое выражение к. п. д. идеального цикла Карно при наличии двух источников тепла разной температуры. Одновременно публикует свой труд, посвященный термодинамике паров и газов, У. Ренкин. Он тоже доказывает, что в холодильник отводится часть тепла, полученного от нагревателя, другая же – пропорциональная работе – «исчезает».

В 1855–1865 гг. вводятся понятия обратимых и необратимых процессов и энтропии (Клаузиусом) – величины, рост которой в необратимых процессах характеризует ту часть энергии тел, которая не может быть превращена в работу, а рассеивается в виде теплоты. Поскольку все реальные процессы вследствие трения, теплопроводности и конечности времени их протекания необратимы, энтропия изолированных систем всегда возрастает. Эту формулировку второго начала термодинамики Клаузиус без должных оснований распространил на Вселенную, объявив о неизбежности ее «тепловой смерти». Последнее означало, что когда-то вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, превратится в тепло, а равномерное распределение последнего между телами земной природы и Вселенной приведет к выравниванию температуры и к полному прекращению превращений энергии. Эта теория не учитывала бесконечности Вселенной, где процессы рассеивания и концентрации энергии должны чередоваться во времени и пространстве, — иначе как объяснить наличие запасов энергии на Земле и в Солнечной системе? Кроме того, австрийский физик Л. Больцман, один из творцов молекулярно-кинетической теории газов, доказал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной еще и потому, что он справедлив лишь для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся частиц, поведение которых подчиняется законам теории вероятностей. Для них возрастание энтропии лишь наиболее вероятно, но с необходимостью должно наступать и маловероятное событие (флуктуация) – ее уменьшение. Во Вселенной же действуют динамические законы.

В те же годы независимо от Больцмана создает законченную систему статистической термодинамики скромный преподаватель колледжа США Д. У. Гиббс. По цельности, глубине и охвату она превосходит теорию Больцмана, но утверждает в принципе те же идеи. В отличие от классической термодинамики, решающей задачи на основе опытных зависимостей между макроскопическими параметрами системы (температура, давление и т. п.), статистическая термодинамика позволяет вычислять макроскопические характеристики и устанавливать зависимости между ними по данным о состоянии микрочастиц систем — их расположении, скоростях, энергии. Д. У. Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

Так был заложен фундамент термодинамического метода и началась разработка его приложений, прежде всего к теории тепловых машин.

В конце XIX в. Ж. Гюи и А. Стόдола ввели понятие работоспособности, или максимальной технической работы, которую может совершить система, имеющая температуру, отличающуюся от атмосферной при обратимом переходе в состояние равновесия с атмосферой. В 1956 г. Р. Рант дал этой величине название «эксергия». В отличие от энтропии, которая в реальных, необратимых процессах всегда возрастает сама по себе не определяет работоспособности системы, в отличие от энергии, которая, строго говоря, не может «расходоваться» и «теряться» (по закону сохранения ее), эксергия — запас работоспособности системы — по мере совершения ею работы уменьшается, т. е. расходуется. Это сделало эксергетические расчеты очень популярными.

Другая ветвь теории теплотехники – теория тепломассообмена уходит своими корнями в труды Г. Галилея и И. Ньютона. Последний еще в 1701 г. установил закон конвективного теплообмена. В 1822 г. Ж-Б. Фурье издает «Аналитическую теорию теплопроводности», считая, что он привел теорию теплообмена в такое же состояние, в какое была приведена механика трудами И. Ньютона... Однако для этого потребовалось еще более 100 лет. И только современные ученые развили теорию теплообмена до законченной системы.

Быстрый и мощный скачок в разработке теории поменял ее местами с практикой – теория стала освещать путь практике, служить указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В результате на основе достижений НТР масштабы и темпы развития энергетики и потребления энергоресурсов достигли столь высоких значений, что в отдельных направлениях уже близки к предельным.

В России до революции энергетика была развита слабо. В 1913 г. мощность всех электростанций составляла порядка 1 млн. кВт, а выработка электроэнергии – до 2 млрд. кВт-ч. Интересно отметить, что 70 % своей потребности в энергии Россия удовлетворяла за счет ветряных мельниц, перемалывая на них почти все свое зерно.

Роль энергетики в России впервые была должным образом оценена В. И. Лениным в «Наброске плана научно-технических работ» и в разработанном по его инициативе плане электрификации России (ГОЭЛРО). Этим планом намечалось за 15 лет построить 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций, доведя их мощность до 1,75 млн. кВт, а выработку электроэнергии – до 8,8 млрд. кВт-ч. План ГОЭЛРО был выполнен за 10 лет, а уже в 1940 г. выработка электроэнергии превысила дореволюционную в 25 раз. СССР вышел по этому показателю на второе место в мире после США.

Энергетическое хозяйство СССР достигло уровня, для которого характерны: резко возрастающая концентрация производства энергоресурсов и электроэнергии со все большей централизацией их распределения; широкие технические возможности и экономическая целесообразность взаимозаменяемости полезных видов энергии, энергетических установок и энергоресурсов. На этой основе образовались большие системы энергетики, управляемые автоматически и включающие электроэнергетические (и входящие в них теплоснабжающие), нефтеснабжающие, газоснабжающие и углеснабжающие системы, среди которых формируется и система ядерной энергетики.

В связи с необходимостью экономить нефть и газ, запасы которых быстро истощаются, а новые месторождения требуют больших затрат для их разработок, центр тяжести переносится на использование низкокалорийных углей, ядерных топлив и гидроэнергии, пригодных лишь для электростанций. Для транспортной энергетики в будущем предполагается перерабатывать твердые органические горючие в жидкие и получать водород. Последний выгоднее, так как сжигается без загрязнения окружающей среды, потери энергии на его транспортировку ниже, чем для электроэнергии, и т. д., но его широкое применение требует дорогостоящей и длительной подготовки. В резерве остаются электрохимические аккумуляторы, которые пока не позволяют увеличить однозарядный пробег электромобиля свыше 100 км и тоже требуют немало средств для подготовки к их широкому применению. Для технологических нужд промышленности и отопления помимо водорода предполагается использовать ядерную энергию, что требует налаживания промышленного производства высокотемпературных (900— 1100° С) реакторов, которые пока имеются в единичных исследовательских экземплярах.

Николя́ Леона́р Сади́ Карно́ (1796 – 1832) – французский физик и математик. В 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» –основополагающая работа в термодинамике. В ней был произведен анализ существующих в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2 %). Помимо этого там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов.

Появление паровых, а впоследствии и газовых турбин значительно расширило спектр задач прикладной механики. Турбины – один из основных двигателей, применяемых на электростанциях, а также в морском и воздуш­ном транспорте. Турбина представляет собой уникальное произведение инженерной мысли и является богатейшим источником научных проблем. Это не только задачи, связанные с тепловыми процессами, но и задачи теории упругости, теории пластичности и ползучести, теории автомати­ческого регулирования, а также теории колебаний. Развитие прикладной механики и турбостроения взаимосвязанные процессы. Именно турбома­шины являлись на протяжении всего XX века одним из основных объектов для этой отрасли науки. Динамические процессы определяют прочность, надежность и долговечность турбомашин.

В России, а позже в СССР, несмотря на высокий уровень развития прикладной математики и механики, вопросам динамики и прочности в турбостроении внимания совершенно не уделялось. Это было связано с тем, что в Российской империи строительство паровых турбин стало развиваться лишь в начале ХХ века. При этом строились турбины только по лицензиям западных фирм. На Металлическом заводе в Петербурге – стационарные системы Рато, а судовые для линейных кораблей и линейных крейсеров системы Парсонса Балтийским, Франко-русским и Николаевским судостроительными заводами, а для эскадренных миноносцев и легких крейсеров по типу Всеобщей компании электричества Металлическим заводом, заводом Беккер в Риге и Судостроительным в Ревеле (Таллин).

В годы Гражданской войны производство турбин в СССР полностью прекратилось. Возрождение началось в 1923 г., когда в Ленинграде на Металлическом заводе им. Сталина была построена турбина мощностью в 2000 кВт. До начала первой пятилетки (1928 г.) производство турбин было полностью восстановлено, даже с некоторыми улучшениями. В 1931 г. Металлический завод начал производство турбин мощностью 50 000 кВт при 1 500 об/мин. Кроме того, на Кировском (бывший Путиловский) заводе выпускались турбины ограниченной мощности (до 12 000 кВт).

Кроме ленинградских заводов крупное турбостроение было начато в Харькове, который за годы индустриализации стал одним из важнейших центров машиностроения. В городе был построен Харьковский турбогенераторный завод (ХТГЗ) (ныне ОАО «Турбоатом»). Решением СНК СССР от 24 января 1934 г. первая очередь завода была зачислена в строй действующих. Это был величайший в мире завод турбогенераторостроения, он строился по проекту американской фирмы «Дженерал Электрик» и был предназначен для выпуска сверхмощных турбогенераторов в 50, 100 и 200 тысяч киловатт.

Поскольку на первом этапе развития паротурбиностроения в СССР выпускались уже отлаженные турбины по лицензиям иностранных фирм, основными задачами стали вопросы прочности фундаментов под турбоагрегаты. Именно эти задачи стали первыми для видного украинского ученого, выпускника ХТИ А. П. Филиппова. Уже в 1932 году впервые в стране он создает инструкцию по расчету фундаментов под турбоагрегаты. В 1940–1941 гг. под его руководством в Харьковском отделении Теплоэлектропроекта была создана инструкция по расчету на колебания строительных конструкций главных корпусов теплоэлектроцентралей, которая до 1956 года была единственным нормативным документом в этой области. Работы А. П. Филиппова с самого начала его научной деятельности отличаются широким использованием математических методов и высоким научным уровнем. В довоенный период вышли в свет четыре монографии Анатолия Петровича, посвященные колебаниям перекрытий и рамных каркасов, в том числе и предназначенных под турбоагрегаты.

К концу 1930-х гг. важнейшее практическое значение приобрела также задача о колебаниях лопаток паровых турбин. Густота спектра возбуждающих сил и частот собственных колебаний, многообразие форм колебательных процессов заставляет опытным путем определять ряд величин, необходимых для вибрационного расчета. Важным для турбостроения того времени вопросом стал учет затухания при вынужденных поперечных колебаниях стержней. Одной из первых работ в этом направлении стала статья А. П. Филиппова.

Именно с паровыми турбинами связаны первые появления задач о поперечных колебаниях вращающегося вала, так называемые критические угловые скорости, задач прохождения через резонанс, колебаний с учетом рассеяния энергии в материале, связанных изгибно-крутильных колебаний закрученного стержня и многих других задач.

Наиболее ответственными деталями турбин являются рабочие лопатки и диски. Они подвержены значительным динамическим воздействиям парового потока, неравномерность которого является причиной колебаний дисков и лопаток.

Стремление к созданию мощных турбомашин минимального веса порождает сложные взаимосвязанные колебания различных узлов и конструктивных элементов, выдвигает на первый план ряд проблем их динамической прочности. Переход в турбостроении к более высоким рабочим температурам, давлениям и окружным скоростям потребовал всестороннего развития теоретических и экспериментальных вибрационных явлений в дисках и лопатках турбомашин.

В годы Великой Отечественной войны оккупанты разрушили все промышленные предприятия, энергетика Украины практически перестала существовать. За время войны из всех отраслей промышленности наибольший ущерб был нанесен турбостроению. Основные заводы, выпускавшие турбины в Ленинграде, Харькове и Таганроге, были эвакуированы на Восток, где они в основном были заняты производством вооружения. Турбинное производство там составляло лишь 10 процентов довоенной мощности, что не могло обеспечить острые потребности страны в энергетических машинах и запасных частях к ним.

На освобожденной от фашистов территории энергетическое хозяйство было полностью разрушено. Для восстановления электростанций срочно нужны были не только запасные части, но и новые турбины, и генераторы. Не дожидаясь окончания войны, правительство УССР принимает меры по восстановлению народного хозяйства, и в первую очередь энергетики.

Несмотря на нехватку квалифицированных рабочих и инженерных кадров уже в 1944 г. в Харькове на ХТГЗ началась активная работа по восстановлению технологических циклов производства. Это имело колоссальное значение для восстановления энергетики всей страны. Для города Харькова на ХТГЗ было восстановлено и укомплектовано четыре турбины общей мощностью 68 тыс. киловатт; две турбины мощностью 22 тыс. киловатт для Киева, а также смонтированы турбины для Севастополя, Калуги и Штеровской ГРЭС. Выдающимся достижением коллектива завода в 1945 году был выпуск по заданию Государственного Комитета Обороны для Зуевской электростанции турбин мощностью 50 и 100 тыс. киловатт. 100-тысячная турбина была изготовлена за короткий срок — 8 месяцев. В середине 1946 года на Зуевской электростанции в Донбассе была сдана в эксплуатацию еще одна изготовленная коллективом завода турбина мощностью 100 тыс. киловатт. Длина этой турбины 12 метров, высота 8,5 метров, ширина 8 метров, общий вес ее 485 тонн, потребность пара 450 тонн в час. Для этого нужно сжигать в сутки 70 вагонов угля. В мире было лишь несколько таких исполинских турбин. Но самое главное в том, что эта турбина была изготовлена быстрее менее мощных турбин, выпускавшихся ранее.

С 1948 года турбостроители переходили на производство турбин высокого давления мощностью 50 в 100 тыс. киловатт. Новые конструкции машин по своей экономичности и надежности были на уровне современного турбостроения и предопределяли линию технического развития завода на ближайшие 10–12 лет. Уже в первом полугодии 1948 г. на ХТГЗ была выпущена турбина высокого давления ВР-25 мощностью 25 тыс. кВт, а в сентябре турбина АК-50 (50 тыс. кВт).

Для научного обеспечения восстановления и развития турбостроения в системе Академии наук УССР были созданы целевые научные организации. Среди них Лаборатория проблем быстроходных машин и механизмов, которая начала свою деятельность как самостоятельное научно-исследовательское учреждение с 1 октября 1944 г. в Киеве на основании Постановления Совета Министров УССР № 810 от 17 июля 1944 г. Руководил Лабораторией академик Г. Ф. Проскура. В ее составе был организован сектор динамики частей машин и механизмов, которым с 1946 г. руководит А. П. Филиппов, избранный в 1945 г. членом-корреспондентом АН УССР.

По ходатайству Президиума АН УССР Совет Министров УССР своим постановлением № 613 от 19 апреля 1948 года разрешил Академии наук УССР перевести Лабораторию проблем быстроходных машин и механизмов из Киева в Харьков и объединить с ней Харьковский филиал Института теплоэнергетики АН УССР. По новому штатному расписанию в состав Лабо­ратории входил отдел динамики и прочности деталей турбомашин.

Переезд Лаборатории в Харьков активизировал ее сотрудничество с ведущим турбостроительным заводом СССР – ХТГЗ. Об этом свидетель­ствует тематика научно-исследовательских работ лаборатории, в том числе и в области динамики и прочности машин.

С переездом Лаборатории в Харьков также началось и ее сотрудничество с ХММИ. С 28 сентября 1948 г. руководитель отдела динамики и прочности деталей турбомашин А. П. Филиппов по совместительству становится заведующим кафедрой динамики и прочности машин. В 1948–1950 и 1955–1960-е гг. он работал заведующим кафедрой по совместительству, а в 1950–1955 гг. состоял в штате института. Затем он до 1967 г. работал профес­сором кафедры ДПМ по совместительству. С приходом Анатолия Петровича научная тематика кафедры в основном стала направляться на изучение проблем турбостроения.

Именно потребностями турбостроения продиктована тема кандидатской диссертации А. В. Бурлакова, посвященная исследованию напряженно-деформированного состояния элементов паропровода в условиях ползучести материала. Анатолий Васильевич впоследствии стал крупным ученым в области теории упругости, пластичности и ползучести, доктором технических наук, профессором кафедры динамики и прочности машин ХПИ.

Другой ученик А. П. Филиппова – С. И. Богомолов в своей работе рассмотрел изгибные колебания диска постоянной толщины совместно с лопатками, центр кручения и центр тяжести поперечного сечения которых совпадают. Проблема совместных колебаний рабочих лопаток и дисков является одной из важнейших проблем динамической прочности роторов турбомашин. Начав с простой частной задачи, Сергей Иванович продолжил исследования в этом направлении и в 1969 г. защитил докторскую диссертацию на тему: «Колебания дисков турбомашин».

В этой работе С. И. Богомолов показал, что достаточно полное теоретическое представление о динамических свойствах системы диск-лопатки можно получить на основе совместного решения дифференциальных уравнений, описывающих изгибные колебания дисков и изгибно-крутильные колебания рабочих лопаток. Такой подход позволяет определить динамические свойства облопаченных дисков в широком диапазоне частот, выявить особенности взаимодействия рабочих лопаток и диска при совместных колебаниях. Однако такая достаточно общая постановка задачи наталкивается при реализации на ряд серьезных трудностей, которые не всегда могут быть преодолены даже с помощью ЭВМ. Конструктивные особенности рабочих колес турбомашин не позволяли применить существовавшие методы численного решения дифференциальных уравнений. Богомоловым был разработан свой метод исследования свободных колебаний дисков паровых и газовых турбин и компрессоров авиационных газотурбинных двигателей.

Научная работа на Инженерно-физическом факультете еще более активизировалась, когда в 1957 г. под руководством Филиппова в ХПИ была создана проблемная лаборатория по исследованию динамической прочности деталей машин. С самого начала Анатолий Петрович является научным руководителем этой лаборатории. Под его руководством там выполняется важнейшая научно-исследовательская тематика по исследованию прочности деталей машин в условиях высоких температур и больших оборотов. Под руководством Филиппова проблемная лаборатория стала крупным научным коллективом института, объединяющий преподавателей и научных работников четырех кафедр института.

Большой вклад в исследование динамических процессов роторов турбогенераторов внес А. В. Дабагян. Работая над докторской диссертацией, Арег Вагаршакович бывал на крупных заводах Харькова, участвовал в правительственных комиссиях, анализировал причины аварий на гидравлических и тепловых электростанциях.

Докторская диссертация на тему «Некоторые колебательные процессы в роторах турбо- и гидрогенераторных установок при несимметричных и асинхронных режимах работы генератора», подготовленная в 1959 г. и защищенная в январе 1961 г. До этого изучение переходных и установившихся процессов рассматривалось отдельно в первичном двигателе (турбине), в электрической машине (генераторе) и, наконец, в высоко­вольтной цепи. При этом прочностные расчеты, механических элементов, в том числе и связанные с наступлением резонансных режимов, производились по приближенной схеме и не связывались с электрическими режимами. Однако аварии лопаток турбин могут быть вызваны электрическими процессами в генераторе или в электрической цепи. Поэтому Дабагян в своей работе рассматривает энергетическую установку как единый преобразователь различных видов энергии.

В результате им разработана приближенная методика расчета колебаний ротора и установленного на нем лопаточного аппарата при различных электрических режимах: несимметричная нагрузка, асинхронный ход, мгновенный сброс. Исследованы причины аварии одной из систем, где обратный удар вызвал повреждение агрегата.

В довоенный период валы турбин строились в основном жесткими с небольшим превышением (~15 %) числа оборотов над критическими. Устранение опасности от колебаний изгиба для таких роторов требует, главным образом, хорошей балансировки. Однако стремление облегчить конструкцию привело к применению в паровых турбинах "гибких" роторов, рабочие обороты которых выше первых критических скоростей и турбина во время пуска или остановки проходит резонанс. Но амплитуды колебаний при этом меньше, чем на установившемся резонансном режиме, так как они не успевают развиться. Следовательно, простой расчет вынужденных резо­нансных колебаний даст завышенное значение амплитуд. Поэтому актуаль­ной задачей для таких систем является изучение нестационарных колебаний, т.е. переходного процесса. Эти вопросы были подробно рассмотрены ака­демиком АН УССР А. П. Филипповым и его учеником Е. Г. Голоскоковым. Результаты исследований были ими опубликованы в нескольких моно­графиях.

С появлением и широким использования электронной вычислительной техники исследование динамики в турбинах выходит на совершенно новый уровень. А. П. Филиппов был одним из пионеров и в этом деле, что нашло отражение в его монографии «Расчеты на колебания с использованием электронно-вычислительной техники» опубликованной в 1971 г. совместно с Ю. С. Воробьевым.

Юрий Сергеевич под руководством А. П. Филиппова в 1978 г. защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование колебаний рабочего лопаточного аппарата турбомашин». Он стал преемником Анатолия Петровича на посту руководителя отдела нестационарных механических процессов ИПМаш, которым до своей кончины в 1978 г. руководил Филиппов. Ю. С. Воробьев является автором нескольких монографий, в которых рассматриваются вопросы колебаний в турбинах. Его работы имеют большое прикладное значение, в них развиты уточненные математические модели лопаточного аппарата турбомашин, в том числе и трехмерные модели лопаток с охлаждающими полостями, установлены области применимости различных математических моделей лопаточного аппарата; создан комплекс эффективных методов расчета на колебания системы диск – лопатки – межлопаточные связи с учетом воздействия потока рабочего тела; предложен метод оптимального синтеза параметров облопачивания турбомашин с заданными вибрационными свойствами при конструктивных и технологических ограничениях. Под руководством Ю. С. Воробьева исследо­ваны колебания многопролетных роторов турбомашин и системы турбо­агрегат – фундамент – основание.