<< До этого: Пар и электричество, часть 1: Электрический свет
Электрические лампы накаливания не сразу уничтожили всех своих конкурентов: газовая промышленность дала отпор, выпустив собственную мантию накаливания (калильную сетку, которая использовала тепло газа, чтобы вызвать свечение в другом материале), а производители дуговых ламп — дуговую лампу со стеклянным корпусом.[1] Тем не менее, освещение с помощью ламп накаливания развивалось удивительными темпами: только в США к 1885 году насчитывалось 250 000 таких ламп, к 1890 году — три миллиона, а к концу века — 18 миллионов.[2]
Продукция компании Эдисона по производству электрических ламп быстро распространилась по всей территории США и в Европе, а её успех способствовал появлению множества конкурентов. Постепенно возникло организационное разделение между компаниями-производителями, которые создавали оборудование, и компаниями-поставщиками, которые использовали его для выработки и доставки электроэнергии потребителям. Несколько крупных конкурентов стали доминировать в бывшей отрасли: Westinghouse Electric и General Electric (образованная в результате слияния компании Эдисона с Thomson-Houston) в США, а также Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG) и Siemens в Германии. Отражая постепенный относительный упадок, в Британии появилось лишь несколько небольших фирм, таких как «Ч. А. Парсонс и компания» Чарльза Парсонса, о которых мы расскажем позже.
В соответствии с ранними фантазиями Эдисона, производители и поставщики расширили сферу применения электроэнергии, выйдя за рамки освещения, и стали использовать электроэнергию общего назначения, особенно электродвигатели и электрическую тягу (поезда, метро и уличные автомобили). Эти новые области открыли новые рынки для пользователей: например, электродвигатели позволили мелким производителям, у которых не хватало средств на паровой двигатель или водяное колесо, рассмотреть возможность механизации, а крупные заводы освободили от конструктивных ограничений, связанных с механической передачей энергии. Кроме того, они предоставили компаниям, занимающимся поставками электроэнергии, базу пользователей в дневное время, чтобы сбалансировать нагрузку на освещение ночью.
Требования растущей электроэнергетики довели конструкцию паровых двигателей до предела. Динамомашины обычно вращались сотни раз в минуту, что в несколько раз превышало скорость типичного приводного вала паровой машины. Инженеры преодолевали эту проблему с помощью ремённых систем, но последние теряли энергию на трение. Более быстрые двигатели, способные напрямую приводить в движение динамомашину, требовали новых высокоскоростных механизмов управления клапанами, новых систем охлаждения и смазки, чтобы противостоять дополнительному трению, и более высокого давления пара, характерного для морских двигателей, а не для фабричных. Это, в свою очередь, потребовало новых конструкций котлов, таких как Babcock and Wilcox, которые могли безопасно работать при давлении более 100 фунтов на квадратный дюйм (psi)[3].
Но требование, которое в конечном итоге похоронило паровые двигатели, относилось не к скорости, а к размерам. По мере того как компании по снабжению электроэнергией превращались в крупные коммунальные предприятия, обеспечивающие электричеством и светом целые городские центры, а затем и за их пределами, они требовали от своих электростанций всё большей и большей мощности. Даже станция Эдисона на Перл-стрит — крошечное сооружение, если смотреть на него с точки зрения начала нашего века, — требовала нескольких двигателей для питания. К 1903 году Вестминстерской корпорации электроснабжения, которая поставляла лишь часть электроэнергии в Лондон, требовалось сорок девять двигателей Willans на трёх станциях, чтобы обеспечить около 9 мегаватт мощности (в среднем около 250 лошадиных сил на двигатель). Но спрос продолжал расти, и двигатели росли в ответ.
Возможно, самыми большими паровыми машинами, когда-либо построенными, были гиганты мощностью 12 000 лошадиных сил, спроектированные Эдвином Рейнольдсом и установленные в 1901 году для компании Manhattan Elevated Railway Company и в 1904 году для компании метро Interborough Rapid Transit (IRT). Каждый из этих двигателей фактически состоял из двух соединённых вместе двигателей, каждый со своим цилиндром высокого и низкого давления, установленных под прямым углом, чтобы давать восемь отдельных импульсов за оборот на вращающийся генератор переменного тока (динамо-машину переменного тока). Всё вместе, двигатель и генератор, весило 720 тонн. Но для надземной железной дороги требовалось восемь таких монстров, а IRT предполагал, что для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии понадобится одиннадцать. Электростанция IRT с фасадом в стиле ренессансного возрождения, спроектированным известным архитектором Стэнфордом Уайтом, занимала целый квартал города у реки Гудзон (где она стоит и по сей день)[4].
Как сильно можно было бы заставить поршневой паровой двигатель вырасти, сказать с уверенностью трудно, потому что даже когда электростанция IRT возводилась на Манхэттене, её обогнала новая энергетическая технология, основанная на вихревых роторах вместо вращающихся поршней, — паровая турбина. Это великое достижение в паровой энергетике заимствовало разработки, которые десятилетиями велись в её самом давнем конкуренте — водной энергетике.
Ниагара
Главным электрическим проектом рубежа двадцатого века стала компания Niagara Falls Power Company. Огромные масштабы её сооружений, амбиции по распределению энергии на десятки километров, разнообразие потенциальных потребителей и переход на переменный ток — всё это свидетельствовало о том, что эра местных электростанций постоянного тока в стиле Перл-стрит подходит к концу.
Огромная сила, скрытая в ревущем потоке Ниагары, когда она опускается с уровня озера Эри до уровня озера Онтарио, была очевидна любому наблюдателю, а инженеры оценивали её потенциальную мощность в миллионы лошадиных сил. Проблема заключалась в том, как её получить и куда направить. К концу девятнадцатого века несколько мельниц перешли на местное потребление энергии. Но Ниагара могла питать тысячи фабрик, и каждой из них пришлось бы рыть собственные каналы, туннели и ямы для колёс, чтобы забирать ту небольшую часть водопада, которая ей требовалась. Кроме того, закон штата Нью-Йорк запрещал строительство в непосредственной близости от водопада, чтобы сохранить его живописную красоту. В итоге было принято решение снабжать потребителей электроэнергией от небольшого числа крупных электростанций, а самый большой ближайший резерв потенциальных потребителей находился в Буффало, примерно в двадцати милях[5].
Ниагарский проект зародился в 1886 году, его спроектировал инженер из штата Нью-Йорк Томас Эвершед. Он рассчитывал построить канал и туннель с сотнями колёсных ям для обеспечения энергией такого же количества местных фабрик. Однако в 1889 году этот план получил поддержку группы нью-йоркских финансистов во главе с Дж. П. Морганом. Группа Моргана проконсультировалась с множеством экспертов в Северной Америке и Европе, прежде чем остановиться на системе электроснабжения как на лучшей альтернативе, несмотря на недоказанность возможности передачи электроэнергии на большие расстояния. Это оказалось удачной ставкой: к 1893 году компания Westinghouse доказала в Калифорнии, что может передавать переменный ток высокого напряжения на десятки километров, и убедила компанию Niagara принять ту же модель[6].
К 1904 году компания построила каналы, вертикальные шахты для спуска воды, две электростанции общей мощностью 110 000 лошадиных сил и коллектор длиной в полтора километра. Они снабжали электроэнергией местные промышленные предприятия, город Буффало и обширную территорию штата Нью-Йорк и Онтарио.[7] Однако наиболее важной особенностью электростанции для нашего рассказа были генераторы Westinghouse, приводимые в движение водяными турбинами, каждая мощностью 5 000 лошадиных сил. По словам Терри Рейнольдса, историка водяного колеса, это «более чем в десять раз превышало мощность самого мощного вертикального колеса из когда-либо построенных»[8]. Водяные турбины сделали возможным использование водной энергии в немыслимых ранее масштабах; и это вполне уместно, ведь они возникли из-за жажды европейского континента до энергии, способной сравниться с британским паром.
Водяные турбины
Точный момент, когда водяное колесо перестаёт быть таковым и превращается в турбину, несколько условен: турбина — это просто разновидность водяного колеса, достигшая такой степени эффективности и мощности, к которой не могли приблизиться более ранние конструкции. Но чаще всего различие проводится в терминах относительного движения: вода в традиционном колесе толкает лопасть с той же скоростью и в том же направлении, что и её собственный поток (как человек толкает коробку по полу). Турбина же создаёт «движение воды относительно ковшей или поплавков колеса», чтобы извлечь дополнительную энергию: то есть она использует кинетическую энергию воды, а также её вес или давление. Это может происходить как за счёт импульса (прижимание воды к вращающимся лопастям), так и за счёт реакции (выплёскивание воды из них, чтобы заставить их вращаться), но очень часто включает в себя комбинацию того и другого[9].
Точное происхождение горизонтального водяного колеса неизвестно, но в Европе они использовались по крайней мере с конца Средневековья. Это был самый простой способ приведения в движение жёрнова, так как его можно было прикрепить непосредственно к колесу без каких-либо передач, и они по-прежнему широко использовались в бедных регионах континента вплоть до современного периода. В течение столетий производители и инженеры Западной Европы уделяли внимание более мощному и эффективному вертикальному водяному колесу, и этот тип составляет большую часть наших письменных свидетельств о водных технологиях. Однако ещё в эпоху Возрождения можно найти описания и чертежи горизонтальных колёс с изогнутыми лопастями, призванными захватывать большее количество потока воды, и именно применение строгих инженерных решений к этой общей идее привело к созданию современной турбины. В этом смысле турбина стала реваншем горизонтального водяного колеса, превратив самый низкотехнологичный тип водяного колеса в самый сложный.
Все ранние разработки водяной турбины происходили во Франции, которая обладала глубокими знаниями в области гидравлики, но не могла получить уголь и железо для производства пара так же легко, как их британские соседи. Бернар Форест де Белидор, французский инженер XVIII века, в своём трактате по гидротехнике, изданном в 1737 году, рассказал о существовании нескольких особенно изобретательных горизонтальных колёс, которые использовались для помола муки в Баскале на Гаронне. Они имели изогнутые лопасти, установленные внутри бочки и расположенные под углом, как лопасти ветряной мельницы, так что «вода, толкающая их, действует на них силой своего веса, складывающегося из кругового движения, придаваемого ей бочкой…"[10] Из этого наблюдения ещё сто лет ничего не выходило, но Белидор нашёл то, что мы можем назвать «прототурбиной» — когда вода не только толкала лопасти, но и скользила по ним, как ветерок по лопастям ветряной мельницы, забирая у неё ещё больше энергии.
Тем временем теоретики пришли к важному выводу. Жан-Шарль де Борда, ещё один французский инженер (в этой части истории их будет много), был совсем маленьким ребёнком в курортном городке к северу от Пиренеев, когда Белидор писал о водяных колёсах. Он изучал математику и писал математические трактаты, стал инженером армии, а затем флота, совершил несколько научных путешествий, сражался в американской войне за независимость и возглавлял комиссию, установившую стандарт длины метра. Кроме всего этого он в 1767 году нашёл время, чтобы написать исследование по гидравлике для Французской академии наук, в котором сформулировал принцип, согласно которому для получения наибольшей мощности от водяного колеса вода должна входить в машину без толчков и выходить из неё без скорости. Лазар Карно, отец Сади, повторил этот принцип примерно пятнадцать лет спустя в трактате, который достиг более широкой аудитории, чем статья де Борда[11].
Хотя, очевидно, невозможно, чтобы вода буквально покидала колесо без скорости (ведь без скорости она никогда не покинет его), именно стремясь к этому воображаемому идеалу, инженеры разработали современную высокоэффективную водяную турбину.
Первым приехал Жан-Виктор Понселе (впредь, если я упоминаю кого-то, считайте, что это француз), ещё один военный инженер, сопровождавший Великую армию Наполеона в Россию в 1812 году, где он пробыл в плену два года. После возвращения домой в Мец он стал профессором механики в местной военно-инженерной академии. Там он обратил внимание на вертикальные водяные колёса и давний компромисс в их конструкции: колёса с нижним ходом, в которых вода проходит под колесом, были дешевле в строительстве, но не очень эффективны, в то время как колёса с верхним ходом, в которых вода поднималась к верхушке колеса и падала на лопасти или ковши, обладали противоположными свойствами.
Понселе объединил достоинства обоих колёс, применив принцип де Борда и Карно. Традиционное водяное колесо с нижним расположением лопастей имело максимальный теоретический КПД 50%, поскольку идеальное колесо вращалось с половинной скоростью течения воды, позволяя воде покидать лопасти колеса с половиной своей начальной скорости. Появление дешёвого листового железа позволило заменить деревянные лопасти металлическими, а их можно было легко изогнуть по кривой. Изогнув лопасти колеса так, чтобы они были направлены в сторону поступающей воды, Понселе обнаружил, что она будет подниматься по загнутой лопасти, расходуя всю свою скорость, и затем выпадать из нижней части колеса.[12] Он опубликовал свою идею в 1825 году, получив немедленное одобрение: «ни одна другая работа о водяных колёсах... не оказалась столь интересной и не привлекла такого внимания»[13].
Прогресс Понселе намекнул на возможность нового промышленного будущего Франции, основанного на использовании воды. Его конструкция колеса вскоре стала обычным явлением во Франции, жаждущей развивать свою промышленную мощь и более богатой на падающую воду, чем на запасы угля. Она вдохновила Общество поощрения национальной промышленности, организацию, основанную в 1801 году, чтобы подтолкнуть Францию к промышленной конкуренции с Великобританией, предложить приз в 6 000 франков тому, кто «применит в больших масштабах, удовлетворительным образом, на фабриках и заводах, водяные турбины или колёса с изогнутыми лопастями Белидора». Реванш горизонтального колеса был близок.[14]
Бенуа Фурнейрон, инженер металлургического завода, работавшего на водяной энергии, расположенного в холмистой местности недалеко от швейцарской границы, получил эту премию в 1833 году. Ещё до объявления премии он занялся глубоким изучением гидравлической теории, читая Борда и его последователей. Он разработал и испытал усовершенствованное колесо «белидорского типа», применив изогнутые металлические лопасти Понселе к горизонтальному колесу, расположенному в бочкообразной яме, которое мы можем с полным правом назвать первой современной водяной турбиной. В дальнейшем он установил более сотни таких турбин по всей Европе, но главным его достижением стала прядильная мельница 1837 года, расположенная среди холмов Шварцвальда в Бадене, которая набирала воду, падавшую с высоты 106 м, и вырабатывала 60 лошадиных сил при КПД 80 %. Вращающийся ротор турбины, ответственной за эту мощность, имел всего лишь 30 см в поперечнике и весил всего 18 кг. Традиционное колесо не могло ни принять на себя такой напор воды, ни получить столько энергии, так эффективно, от такой компактной машины[15].
Паровые турбины
Таким образом, водяная турбина была гораздо меньшей и более эффективной машиной, чем её предок, традиционное водяное колесо. Её базовая форма существовала по крайней мере со времён Белидора, но для создания эффективной и высокоскоростной конструкции, как у Фурнейрона, требовались инженеры, глубоко образованные в математической физике, и окружающая материальная культура, способная воплотить эти математические идеи в точно обработанном металле. Также требовался социальный контекст, в котором существовал спрос на большее количество энергии, чем могли обеспечить традиционные источники: в данном случае Франция, стремившаяся догнать быстро индустриализирующуюся Британию.
Аналогичные отношения существовали между паровой турбиной и поршневым паровым двигателем: первая могла быть гораздо компактнее и эффективнее, но предъявляла гораздо более высокие требования к точности конструкции и дизайна. Не стоило большого труда представить, что пар может приводить турбину в движение так же, как это делает вода: за счёт реакции с движущимся паром или импульса от него. Можно даже обратиться за вдохновением к некоторым многовековым предшественникам: к реактивной тяге паровой струи в вихревом «двигателе» Герона Александрийского (упомянутом гораздо раньше в этой истории) или к гравюре на дереве в книге Джованни Бранки «Машина» XVII века, где показан импульс паровой струи, приводящей в движение горизонтальное колесо весла.
Но одно дело — провести демонстрацию или нарисовать картинку, а другое — сделать полезный источник энергии. Паровая турбина представляла собой гораздо более сложную задачу, чем водяная, поскольку плотность пара была гораздо меньше плотности жидкой воды. Просто направить пар в конструкцию водяной турбины было бы всё равно что дуть на детскую игрушку-вертушку: она будет крутиться, но генерировать мало энергии[16].
Сложность проблемы была очевидна ещё в XVIII веке: столкнувшись в 1784 году с сообщениями о потенциальном конкуренте парового двигателя, приводимого в движение реакцией, создаваемой струёй пара, Джеймс Уатт рассчитал, что, учитывая низкую относительную плотность пара, струя должна будет вылетать из концов ротора со скоростью 1300 футов [400 м] в секунду, а значит, «если бог не сделает возможным движение вещей со скоростью 1000 футов [300 м] в секунду, такая конструкция не сможет нанести большого вреда». Как выразился историк паровой техники Генри Дикинсон, аргументация Уатта такова: «Анализ проблемы мастерский, а вывод неопровержимый»[17].
Даже когда будущие поколения металлообработки сделали требуемые скорости более реальными, традиционными методами проб и ошибок с помощью обычных физических инструментов нельзя было ничего добиться; проблема требовала тщательного анализа с помощью точных инструментов, предлагаемых математикой и физикой[18]. Тем не менее, десятки изобретателей пытались решить проблему, включая другого известного конструктора паровых машин, Ричарда Тревитика. Ни один из них не достиг успеха. Хотя Фурнейрон построил эффективную водяную турбину в 1830-х годах, первые практические паровые турбины появились только в 1880-х: в то время, когда металлургия и станкостроение достигли новых высот (массового производства различных марок и качества), и когда даже паровой двигатель начал с трудом удовлетворять потребности современного общества в энергии. Впервые он появился сразу в двух местах: Швеции и Великобритании.
Выходец из среднего класса шведской провинции Густав де Лаваль поступил в инженерную школу в Упсале, имея мало друзей, но много грандиозных мечтаний: он был главным персонажем собственной героической истории о национальном величии Швеции, инженерным гением, который выведет Швецию в первый ряд великих наций. Он жил одновременно в роскоши и в постоянном безденежье, заимствуя из своих представлений обо всё более процветающем завтра, чтобы жить не по средствам сегодня. В 1870-х годах, подрабатывая на стекольном заводе, он разработал два изобретения, основанные на использовании центробежной силы, создаваемой быстро вращающимся колесом. Первое, машина для изготовления бутылок, потерпело неудачу, но второе, сепаратор для сливок, стало основой для успешного бизнеса, который позволил ему оставить дневную работу[19].
Затем, в 1882 году, он запатентовал турбину, приводимую в действие струёй пара, направленной на вращающееся колесо. Де Лаваль утверждал, что вдохновение пришло к нему после того, как он увидел, как сопло, используемое для пескоструйной обработки на стекольном заводе, оторвалось и закрутилось, выпустив в воздух мощную струю; также нетрудно заметить некоторую преемственность в его интересе к высокоскоростному вращению. Де Лаваль использовал свои вихревые турбины для питания своих вихревых сепараторов для сливок, а затем приобрёл компанию по производству электрического освещения, дав себе ещё одного внутреннего потребителя турбинной энергии[20].
Несмотря на внешнее сходство со старой иллюстрацией де Бранка, машина де Лаваля была гораздо сложнее. Как рассчитал столетием ранее Уатт, низкая плотность пара требовала высокой скорости вращения (иначе пар выходил бы из машины, отдавая колесу очень мало энергии) и, следовательно, очень высокой скорости струи: стальной ротор де Лаваля вращался со скоростью десятки тысяч оборотов в минуту в закрытом корпусе. Несколько лет спустя он изобрёл сопло в форме песочных часов, чтобы разгонять струю пара до сверхзвуковых скоростей, - эта форма и сегодня используется в ракетных двигателях для тех же целей. Однако, несмотря на более совершённую металлургию конца XIX века, де Лаваль всё равно столкнулся с её ограничениями: он не мог эксплуатировать свою турбину на максимально возможной скорости, не сжигая подшипники и редуктор, и поэтому его турбины не смогли полностью реализовать своё потенциальное преимущество по эффективности перед поршневыми двигателями[21].
Тем временем британский инженер Чарльз Парсонс предложил совершенно иной подход к извлечению энергии из пара, который не требовал такого быстрого вращения. Если де Лаваль вышел из среднего класса, то Парсонс — из высшего дворянства. Сын третьего графа Росса, он вырос в замке в Ирландии, на территории которого находилось озеро и телескоп длиной 18 м, построенный по проекту его отца. Он учился дома, у Роберта Болла, который впоследствии стал Королевским астрономом Ирландии, а затем окончил Кембриджский университет в 1877 году, став одиннадцатым лучшим в своём классе на экзаменах по математике[22].
Несмотря на своё благородное происхождение, Парсонс был полон решимости найти свой собственный путь в мире. Он устроился учеником на завод Элсвик, производящий тяжёлое строительное и горное оборудование, а также военные снаряды в Ньюкасле-на-Тайне. Пару лет он провёл с партнёром в Лидсе, пытаясь разработать торпеды с ракетным двигателем, а затем устроился младшим партнёром в другой концерн тяжёлого машиностроения, Clarke Chapman в Гейтсхеде (снова на реке Тайн)[23].
Его новое начальство направило Парсонса от торпед к быстро развивающейся области электрического освещения. Он обратился к концепции турбины в поисках высокоскоростного ротора, который мог бы соответствовать высоким скоростям вращения динамо-машины. Парсонс предложил иное решение проблемы плотности, чем Лаваль. Вместо того чтобы пытаться извлечь как можно больше энергии из струи пара с помощью одного чрезвычайно быстрого ротора, он направил пар через серию роторов, расположенных горизонтально. Тогда им не нужно было бы вращаться так быстро (хотя первый прототип Парсона всё ещё вращался со скоростью 18 000 оборотов в минуту), и каждый из них мог бы извлекать немного энергии из пара, когда он проходил через турбину, снижая давление. Такая конструкция позволила расширить двух- или трёхступенчатое снижение давления в многоцилиндровом паровом двигателе до непрерывного потока, проходящего через дюжину или более роторов. Подход Парсонса создал некоторые новые проблемы (например, нужно было, чтобы длинный, быстро вращающийся вал не отклонялся слишком сильно в одну или другую сторону), но в конечном итоге большинство будущих паровых турбин станут копировать эту удлинённую форму[24].
Расцвет турбин
Вскоре Парсонс основал собственную фирму для эксплуатации турбины. Поскольку в ней гораздо меньше трения, чем в поршне традиционного двигателя, и ни одна из её деталей не соприкасается одновременно с горячим и холодным паром, турбина могла быть гораздо эффективнее; но сначала всё было совсем не так. Поэтому его первыми клиентами были те, кого в первую очередь заботили небольшие размеры турбин: судостроители, которые хотели установить электрическое освещение, не увеличивая вес и не занимая много места в корпусе судна. В других областях применения поршневые двигатели по-прежнему выигрывали[25].
Однако дальнейшие усовершенствования позволили турбинам начать вытеснять поршневые двигатели в электрических системах в целом: более эффективные конструкции лопаток, добавление регулятора, чтобы пар поступал в турбину только под полным давлением, перегрев пара на одном конце и конденсация его на другом для максимального снижения температуры во всём двигателе. Турбогенераторы — электрические динамо-машины, приводимые в движение турбинами, — начали находить покупателей в 1890-х годах. К 1896 году Парсонс мог похвастаться, что двухсотсильная турбина, которую его фирма построила для шотландской электростанции, работает с КПД, равным 98 % от идеального, а компания Westinghouse начала разработку турбин по лицензии в Соединённых Штатах[26].
В то же время Парсонс настаивал на строительстве кораблей с турбинными силовыми установками, начав с прототипа «Турбиния», который приводил в движение девять гребных винтов с помощью трёх турбин и развивал максимальную скорость почти сорок миль в час. Впечатленное этим, британское Адмиралтейство заказало турбинные эсминцы (начиная с «Вайпера» в 1897 году), но настоящий переломный момент наступил в 1906 году с завершением строительства первого турбинного линкора («Дредноут») и трансатлантических пароходов («Лузитания» и «Мавритания»), оснащённых силовыми установками Парсонса[27].
Первые паровые турбины продемонстрировали своё преимущество перед традиционными двигателями в размерах; последующие полтора десятилетия развития позволили им реализовать свои потенциальные преимущества в эффективности; а теперь эти массивные машины продемонстрировали третье преимущество: способность масштабироваться до огромной мощности. Как мы видели, чудовищные паровые машины на станции метро в Нью-Йорке могли генерировать 12 000 лошадиных сил, но турбины на борту «Лузитании» выдавали всего в два раза меньше, и это был далеко не предел возможностей. В 1915 году компания Interborough Rapid Transit Company, столкнувшись с постоянно растущим спросом на электроэнергию в связи с добавлением третьего (экспрессного) пути к своим надземным линиям, установила три турбины мощностью 40 000 лошадиных сил для выработки электроэнергии, заменив чудовищные двигатели Рейнольдса десятилетней давности. К 1920-м годам в США строились турбины мощностью 40 000 лошадиных сил, которые сжигали вдвое меньше угля на ватт вырабатываемой энергии, чем самые эффективные поршневые двигатели[28].
Парсонс дожил до триумфа своего творения. Последние годы жизни он провёл в кругосветных путешествиях, предпочитая проводить время между остановками за разговорами с командой и инженерами, а не в обществе других богатых пассажиров. Он умер в 1931 году, в возрасте 76 лет, в Карибском бассейне, находясь на борту судна (разумеется, оснащённого турбиной) «Герцогиня Ричмондская»[29].
Тем временем использование энергии смещалось в сторону электричества, ставшего широко доступным благодаря росту паровых и водяных турбин и развитию передачи электроэнергии на большие расстояния, а не традиционным паровым двигателям. Ниагара была лишь предвестником масштабных проектов по строительству гидроэлектростанций, которые стали возможны благодаря вновь обретённой способности передавать энергию туда, где она была необходима: плотина Гувера и Управление долины Теннесси в США, плотины на Рейне в Европе, а также более поздние проекты, призванные подстегнуть модернизацию бедных стран, от Асуанской плотины на Ниле до плотины Гечжоуба на Янцзы. Однако в регионах с лёгким доступом к углю паровые турбины обеспечивали большую часть всей электроэнергии вплоть до конца двадцатого века.
Дешёвое электричество преображало одну отрасль за другой. К 1920 году производство потребляло половину электроэнергии, производимой в США, в основном за счёт специальных электродвигателей на каждом инструменте, что избавило от необходимости строить и обслуживать большие и тяжёлые паровые машины, а также громоздкие и тяжёлые в плане трения валы и ремни для передачи энергии по заводу. Таким образом, финансовые барьеры для открытия нового завода значительно снизились вместе с постоянными расходами на оплату электроэнергии, и открылась возможность полностью переосмыслить принципы строительства и эксплуатации производственных предприятий. Фабрики стали чище, безопаснее и приятнее для работы, а возможность организовать машины в соответствии с наиболее эффективным рабочим процессом, а не с механическими ограничениями, связанными с подачей электроэнергии, принесла огромные дивиденды в производительности[30].
![Типичная система распределения энергии на фабрике до появления электричества, основанная на линейных валах и ремнях (в данном случае приводящих в движение ткацкие станки). Все станки на фабрике должны быть организованы вокруг приводных валов. [Z22, CC BY-SA 3.0].](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/d9b/6b8/449/d9b6b8449143ccb82a9b285727c344e8.jpg)
К тому времени расцвет поршневого парового двигателя закончился. Для крупных установок он уже не мог конкурировать с турбинами (работающими как на жидкой воде, так и на паре). В то же время новые дерзкие конкуренты: дизельные и бензиновые двигатели — отнимали у него долю на рынке двигателей меньшей мощности. Предупредительный выстрел, сделанный воздушным двигателем, наконец-то догнал пар. Он не смог обогнать термодинамику и невероятно энергоёмкий новый источник топлива, который, пузырясь, поднимался из-под земли: каменное масло, или нефть.
Далее: Закат эпохи пара, часть 1: Внутреннее сгорание >>
Примечания
[1] Harold C. Passer, The Electrical Manufacturers, 1875-1900: A Study in Competition, Entrepreneurship, Technical Change, and Economic Growth (Cambridge: Harvard University Press, 1953), 64.
[2] Passer, The Electrical Manufacturers, 206.
[3] Hills, Power from Steam, 214-215, 221, 224-226.
[4] «Открытие электростанции Манхэттенской железной дороги», Scientific American, 11 января 1902 г., 21-22; «Открытие Нью-Йоркского скоростного метрополитена», Scientific American, 29 октября 1904 г., 297-298; Hills, Power from Steam, 217, 230-231.
[5] Hammond, Men and Volts, 234; Passer, The Electrical Manufacturers, 282-285.
[6] Passer, The Electrical Manufacturers, 287. Краткое изложение «войны токов», завершившейся победой переменного тока, можно найти в Hunt, Pursuing Power and Light, 126-136.
[7] Hunt, Pursuing Power and Light, 135-136.
[8] Passer, The Electrical Manufacturers 287-288, 293-294; Terry S. Reynolds, Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1983), 346.
[9] Abbot Payson Usher, A History of Mechanical Inventions (New York: Dover Publications, 1982 [1954]), 383. См. также H. W. Dickinson, A Short History of the Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1938), 185.
[10] Bernard Forest de Belidor, Architecture Hydraulique vol. 1, part 2 (Paris: Chez Charles-Antoine Jombert, 1737), 304.
[11] Norman Smith, Man and Water: A History of Hydro-Technology (New York: Charles Scribner's Sons, 1975), 158; Jean Mascart, La Vie et Les Travaux du Chevalier Jean-Charles de Borda (Lyon: A.Rey, 1919), 111-113; J.J. O'Connor and E F Robertson, "Jean Charles de Borda, " https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Borda (2003).
[12] Теория Борда позволила ему точно рассчитать длину пути, который должна пройти вода вдоль лопасти, чтобы достичь этого эффекта. Reynolds, Stronger than a Hundred Men, 259-261.
[13] Smith, Man and Water, 160, 171.
[14] Цитируется в Smith, Man and Water, 171.
[15] Smith, Man and Water, 172-174.
[16] W. Garrett Scaife, "The Parsons Steam Turbine," Scientific American 252, 4 (April 1985), 133; Robert Morrison Neilson, The Steam Turbine (London: Longmans, Green, 1902), 12-37.
[17] Dickinson, A Short History of the Steam Engine, 189. Уатт цитируется там же.
[18] Henry G. Prout, A Life of George Westinghouse (New York: Charles Scribner's Sons, 1922), 209.
[19] Petter Karlsson, Swedish Genius (Stockholm: Max Ström, 2003), 121-131.
[20] Karlsson, Swedish Genius, 131; Carl G. Gustavson, The Small Giant: Sweden Enters the Industrial Era (Athens, Ohio: Ohio University Press, 1986), 259-260.
[21] Abbot Payson Usher, A History of Mechanical Inventions (New York: Dover Publications, 1982 [1954]), 394; Vaclav Smil, Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867-1914 and Their Lasting Impact (Oxford: Oxford University Press, 2005), 62.
[22] Rollo Appleyard, Charles Parsons: His Life and Work (London: Constable & Co, 1933), 1-12.
[23] BAE Systems, "Elswick Works, Newcastle Part 1 (1847 - 1882)", https://www.baesystems.com/en/heritage/elswick-works--newcastle.
[24] Appleyard, Charles Parsons, 29; Hills, Power from Steam, 283. Тем не менее, силы, возникающие в этих сложных машинах, продолжали расширять пределы металлургии: в 1923 году на электростанции в Шанхае лопнул вал ротора турбогенератора Парсонса, что привело к гибели людей — один из нескольких подобных несчастных случаев в отрасли. После этого производители ввели новые технологии, чтобы лучше контролировать охлаждение кованой стали и проверять её внутренности на наличие слабых мест. Appleyard, 57.
[25] Hills, Power from Steam, 285; Neilson, The Steam Turbine, 52-53.
[26] Hills, Power from Steam, 286-289; Prout, A Life of George Westinghouse, 185-186. Вестингауз внёс некоторые усовершенствования в конструкцию самой турбины и редуктора для использования быстро вращающейся турбины для привода медленного винта корабля; они подробно описаны в Prout, 187-195.
[27] Usher, A History of Mechanical Inventions, 399.
[28] How a Twenty Million Dollar Railroad Was Built in Mid-Air: Third Tracking the New York 'L' (New York: Interborough Rapid Transit Company, 1917); "Interborough Power Plant Enlargement," Electric Railway Journal 45, 16 (April 17, 1915), 1063-1064.Usher, A History of Mechanical Inventions, 397-398.
[29] Appleyard, Charles Parsons, 282-283.
[30] Richard B. Du Boff, "The Introduction of Electric Power in American Manufacturing," The Economic History Review 20, 3 (December 1967), 510-513. Исторический процесс был более тонким, чем представлено здесь; производство не сразу перешло от паровых машин к электричеству и электродвигателям; см. Warren D. Divine, Jr., "From Shafts to Wires: Historical Perspective on Electrification," The Journal of Economic History 43, 2 (June 1983), 347-342 для полной картины.
