Что такое атмосферный паровой двигатель

Современные паровые машины и энергосбережение в малой энергетике

И. С. Трохин, аналитик техники паровых машин, ВИЭСХ Россельхозакадемии

Сущность энергосбережения состоит, в конечном счете, в необходимости повышения эффективности использования топлива. Если говорить о малой генерации, этому в большей степени могут способствовать современные паровые машины, обладающие высоким энергетическим потенциалом.

Поршневой двигатель XXI века унаследовал величественные черты облика классической вертикальной паровой машины

На страницах журнала «Энергосбережение» уже рассматривались технико-технологические основы применения современных паровых поршневых машин [1, 2], унаследовавших от своих классических предшественников (рис. 1) высокую надежность в сочетании с неприхотливостью в эксплуатации. Однако паровые машины сегодняшнего дня находят вполне штатное энергоэффективное применение в малой стационарной энергетике, но пока только за рубежом, например в Германии, Чехии, Италии и некоторых других странах.

Классическая вертикальная паровая машина с золотниковым парораспределением

«Планетарность» современных паровых машин

Для наглядности понимания предназначения современных паровых машин в энергетике уместно ввести условное понятие-аналогию их «планетарности»: как планета Венера является мощным источником высоких температур, несущим в себе тепловую энергию, так и паровая машина сегодня представляется некой «планетой» с большим энергетическим потенциалом, при умелом использовании которого есть возможность повышать эффективность работы электростанций малых (до 1 МВт) и средних (1–10 МВт) мощностей. «Планетарность» проявляется при использовании паровых машин в составе паросиловых мини-ТЭЦ и мини-КЭС: тандем из машины-«планеты» и ее сопутствующего оборудования-«спутников» особенно выгоден как топливосберегающее мероприятие при внедрении в котельных с паровыми котлами. В последнем случае принципиально возможно не только исключить из работы котельной процесс бесполезного дросселирования пара на задвижке, но и обеспечить электроприемники котельной электроэнергией собственного производства, которая будет в разы дешевле закупаемой от централизованных электросетей.

Почему поршень?

Паровая машина как тепловой двигатель (см. справку) используется для получения в основном механической энергии из тепловой в энерговырабатывающих установках на объектах малой энергетики для привода электромашинных генераторов, а иногда и вспомогательного оборудования (к примеру, водяных насосов) малых и средних электростанций. Кроме этого, в некоторых котельных паровые двигатели лопаточного (рис. 2) и винтового (рис. 3) типов тоже внедряются, как далее будет показано, с целью обеспечения попутной электрогенерации.

Лопаточная одноступенчатая паровая турбина или колесо Кертиса

В зарубежной малой энергетике известно и успешно практикуется уже не один год альтернативное пароприводное решение для котельных и тепловых мини-электростанций (мини-ТЭС): вместо малых паровых турбин обоих упомянутых типов используются поршневые паровые машины, точнее паровые моторы. Из последних практически мировую известность получили немецкие Spilling-моторы.

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель только поршневого типа (других еще не было). В этом смысле сегодня почти ничего не изменилось. Необходимо все же заметить, что с появлением турбин последние стали называть еще и турбомашинами.

Существуют и так называемые паровинтовые машины, принципиально относящиеся к категории турбин. Только ротор у таких агрегатов выполнен не с лопаточным венцом, а по типу винта Архимеда, обычно цилиндрической конструкции. Однако возможно более оригинальное исполнение – конусно-винтовая турбина (рис. 3).

Вариант исполнения винтовой паровой турбины

Главное энергетическое преимущество современных паровых поршневых машин – меньший, по сравнению с маломощными и особенно одноступенчатыми паровыми турбинами, удельный расход пара при равных параметрах (давлениях и температурах) пара на входе и выходе у сравниваемых двигателей при одинаковых мощностях. Хотя, как показывают исследования [3], энергетическая выгода рассматриваемой поршневой техники сохраняется, если даже параметры пара у сравниваемых электроагрегатов с паровыми двигателями не являются одинаковыми и существует даже некоторый больший перевес с форой в сторону паротурбинных агрегатов мощностью даже в несколько раз больше, чем у агрегатов паромоторных. Верхний предел единичной электрической мощности, например, для электрогенераторной установки со Spilling-мотором составляет 1,2 МВт.

Габаритные размеры и масса паровых моторов на сегодня несколько больше, если сравнивать с паровыми турбинами лопаточного и винтового типов. Однако отсутствие редуктора и дальнейшее совершенствование
создаваемых рядом разработчиков поршневых конструкций должны, по всей видимости, свести этот недостаток к минимуму. Но, вообще, последний не имеет первостепенного значения для наземных энергетических установок, и положительный зарубежный опыт эксплуатации паромоторных мини-ТЭС в определенной мере это подтверждает. Американская же компания Cyclone Power Technologies Inc. ведет разработки и испытания паровых моторов со звездо-образным расположением цилиндров (наподобие того, как это делалось раньше на авиационных моторах, к примеру у знаменитого Поликарповского самолета По-2). В прошлом году им удалось достичь высокого коэффициента полезного действия, величина которого составила 31,5% при единичной мощности мотора около 75 кВт.

Из перспективных отечественных паровых поршневых машин стоит отметить паропоршневые двигатели [1, 4–6] – высокооборотные паровые машины с частотой вращения вала 1000 об/мин и выше, которым должны быть присущи, по идеям разработчиков 1 , высокие эксплуатационные свойства (надежность, ресурс и др.).

Сопутствующее оборудование

Вырабатываемая паровой машиной механическая энергия вращения рабочего вала может полезно использоваться, равно как и тепловая (в виде теплового выхлопа отработавшего пара), для обеспечения работы следующего оборудования:

• электрогенераторного (синхронного генератора или более дешевого и простого асинхронного [7], например переделанного из асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором) машинного типа, соединяемого без промежуточной механической понижающей или повышающей передачи;
• теплоутилизационного: бойлеров-водонагревате-лей пароводяного типа, абсорбционных паровых холодильных установок (последние лучше бромистолитиевые, т.к. они значительно более безопасны в эксплуатации, чем известные в промышленности водоаммиачные холодильные установки);
• технологического производственного или вспомогательного: различных насосов, вентиляторов, детандеров (газорасширительных машин), компрессоров, причем как кинематически напрямую, так и, если это необходимо, через соответствующую редукторную или мультипликаторную механическую передачу.

Где и как внедрять?

В качестве объектов, чью энергетическую эффективность можно повысить с использованием современных паровых машин, могут выступать, в частности:

• промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами – паровая машина для привода электрогенератора здесь включается на линии дросселирования водяного пара параллельно либо полностью взамен существующего редукционно-охладительного устройства [2], роль которого часто выполняет простая дроссель-задвижка;
• паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину энергетически наиболее целесообразно предусматривать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если последние предусматриваются на электрическую мощность до 1,2 МВт и в одноступенчатом исполнении или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
• технологические производственные установки, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии такими установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности – печи для варки стекла).

Технологические решения для мини-ТЭС – конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ – с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т.ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация [2], т.е. комбинированная выработка сразу трех видов энергии одновременно (к примеру, электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант гораздо более экономичен, чем выработка холода с помощью чисто электрических кондиционеров.

Теоретически возможно осуществить технологию квадрогенерации, опять же с использованием современных паровых поршневых машин. Производство четырех видов энергии (скажем, механической для привода технологического производственного оборудования, а также электрической, тепловой и холодильной) в комбинированном режиме реализовать довольно сложно, т.к. все получаемые соответствующие мощности будут взаимозависимы. Однако благодаря тому, что у паровых поршневых машин расход пара через них в определенных пределах весьма слабо зависит от изменений нагрузки, квадрогенерация может стать практически осуществимым энергосберегающим мероприятием для промышленных и муниципальных энергетических объектов. А современная автоматика и микроконтроллерная техника этому могут здорово помочь.

Вывод

Современные паровые поршневые машины вполне могут способствовать энергосбережению в ряде технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Литература

1. Дубинин В.С., Шкарупа С.О., Лаврухин М.К. Котельные должны работать автономно // Энергосбережение.– 2011.– № 8.– С. 56–61.
2. Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами – реальность XXI века // Энергосбережение.– 2012.– № 2.– С. 62–68.
3. Трохин И.С. Мини-ТЭЦ с паровыми моторами для бесперебойного энергоснабжения ответственных потребителей // Промышленная энергетика.– 2012.– № 9.– С. 15–20.
4. Титов Д.П., Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Паровым машинам быть! // Промышленная энергетика.– 2006.– № 1.– С. 50–53.
5. Дубинин В.С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий : монография.М. : Изд-во Моск. ин-та энергобезопасности и энергосбережения, 2009. 164 с.
6. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Алексеевич М.Ю., Шкарупа С.О. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию // Энергобезопасность и энергосбережение.– 2010.– № 6.– С. 17–20.
7. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем.М. : Знак, 1997. 288 с.

1 Коллектив создателей и испытателей этих двигателей возглавляет В. С. Дубинин, эксперт по отбору инновационных молодежных проектов в рамках российской программы-конкурса «У.М.Н.И.К.», руководитель объединенной научной группы «Промтеплоэнергетика» Московского авиационного института, Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии, Московского энергетического института, Королёвского колледжа космического машиностроения и технологии, Московского института энергобезопасности и энергосбережения, совместно с московской научно-исследовательской молодежной инновационной фирмой «ООО «Новая энергия»».

Поделиться статьей в социальных сетях:

Что такое атмосферный паровой двигатель

В те годы, когда автомобиль только зарождался двигатель внутреннего сгорания лежал лишь на одном из направленний конструкторской мысли. С автомобилем, где использовались двигатели такого рода, успешно конкурировали паровые и электрические. Паровой автомобиль француза Луи Сорполле даже установил в 1902 году рекорд скорости. И в последующие годы — безраздельного господства бензиновых двигателем находились oтдельные энтузиасты пара, которые никак не могли примириться с тем, что этот вид энергии вытеснен с шоссейных дорог. Американцы братья Стенлей строили паровые автомобили с 1897 до 1927 года. Их машины были вполне совершенны, но несколько громоздки. Другая родственная пара, тоже американская — братья Добл, — продержалась несколько дольше. Неравную борьбу они закончили в 1932 году, создав несколько десятков паровых автомобилей. Одна из таких машин эксплуатируется до сих пор, не подвергаясь почти никаким изменениям. Установлен лишь новый котел и форсунка, работающая на дизельном топливе. Давление пара достигает 91,4 атм. при температуре 400° С. Максимальная скорость автомобиля весьма высока — около 200 км/ч. Но самое замечательное — возможность при трогании с места развить огромный крутящий момент. Этим свойством паровой машины двигатели внутреннего сгорания не обладают, и потому и своё время так трудно было внедрить дизель на локомотивы. Автомобиль братьев Добл прямо с места переезжал через положенный под колеса брусок размером 30 на 30 см. Ёще одно любопытное свойство: задним ходом он взбирается на холм быстрее, чем обычные машины передним. Отработанный пар используется лишь для вращения вентилятора и генератора, заряжающего аккумуляторную батарею. Но эта машина так и осталась бы курьезом, претендентом на место в музее истории техники, если бы взоры конструкторов в наши дни не обратились вновь к старым идеям — электромобилю и пару — под влиянием опасности, которую представляет загрязнение атмосферы.

Что с этой точки зрения привлекает в паровом автомобиле? Исключительно важное свойство — очень малое выделение с продуктами сгорания вредных веществ. Происходит это потому, что топливо сгорает не вспышками, как в бензиновом двигателе, а непрерывно, процесс горения идет стабильно, время сгорания гораздо больше.

Открытия в этом как будто бы вовсе нет — различие между паровым двигателем и двигателем внутреннего сгорания лежит в самом принципе их работы. Почему же паровые автомобили не выдержали конкуренции с бензиновыми? Потому что у двигателей их есть ряд серьезных недостатков.

Первое — известный факт: шоферов-любителей сколько угодно, машинистов же любителей пока нет ни одного. В этой области человеческой деятельности заняты исключительно профессионалы. Самое главное заключается в том, что шофер-любитель, садясь за руль, рискует только жизнью своей и тех, кто ему добровольно доверился; машинист же — тысячами других. Но важно еще и другое: для обслуживания парового двигателя требуется более высокая квалификация, нежели для обслуживания бензинового. Ошибка приводит к серьезным поломкам и даже взрыву котла.

Второе. Кто не видал паровоза, мчащегося в белом облаке по рельсам? Облако — это пар, выпускаемый в атмосферу. Паровоз — могучая машина, на ней хватит места и для большого котла с водой. А на автомобиле не хватает. И это одна из причин отказа от паровых двигателей.

Третье же и самое главное — это низкий к. п. д. паровой машины. Недаром в индустриально развитых странах все паровозы на магистралях стараются заменить теперь тепло- и электровозами, недаром неэкономичность паровоза вошла даже в поговорку. 8% — ну что это за к. п. д.

Для повышения его нужно увеличить температуру и давление пара. Чтобы к. п. д. парового двигателя мощностью от 150л. с. и выше равнялся 30% должно поддерживаться рабочее давление в 210 кг/см2, для чего требуется температура в 370°. Технически это осуществимо, но вообще-то крайне опасно, потому что даже небольшая утечка пара в двигателе или котле может привести в катастрофе. А от высокого давления до взрыва — дистанция совсем небольшая.

Это — главные трудности. Есть и более мелкие (хотя надо оговориться, что в технике мелочей не бывает). Сложно смазывать цилиндры, ибо масло образует эмульсию с горячей водой, попадает в трубы котла, где откладывается на стенках. Это ухудшает теплопроводность и вызывает сильный местный перегрев. Другая «мелочь» — затрудненный по сравнению с обычным пуск парового двигателя.

И тем не менее конструкторы взялись за очень старое и абсолютно новое для них дело. Две удивительные по своему устройству машины вышли на улицы американских городов. Внешне они не отличались от обычных машин, одна даже обтекаемостью форм напоминала спортивную. Это были паровые автомобили. Оба они трогались с места менее чем через 30 сек. после включения двигателя и развивали скорость до 160 км/ч, работали на любом горючем, в том числе и керосине, и на 800 километров пробега расходовали 10 галлонов воды.

В 1966 году фирма «Форд» испытала четырехтактный высокооборотный паровой двигатель для автомобиля рабочим объемом 600 см3. Испытания показали, что в выхлопных газах содержится всего лишь 20 частиц углеводорода на 1 млн. (предписаниями сенатской комиссии по борьбе с загрязнениями воздуха допускается 27 частиц), окиси углерода содержалось 0,05 % общей массы выхлопных газов, что в 30 раз меньше допустимого количества.

Экспериментальный паровой автомобиль, сделанный фирмой «Дженерал моторс», под индексом Е-101 демонстрировался на выставке автомобилей с необычными двигателями. Внешне он не отличался от той машины, на базе которой был создан — «понтиак», — но двигатель вместе с котлом, конденсатором и прочими агрегатами паровой системы весил на 204 кг больше. Водитель садился на свое место, поворачивал ключ и ждал 30—45 сек, пока не загорится лампочка. Это означало, что давление пара достигло нужной величины и можно ехать. Столь короткий промежуток времени можно расчленить на такие этапы.

Котел заполнился — включается топливный насос, топливо поступает в камеру сгорания, смешивается с воздухом.

Температура и давление пара достигли нужного уровня, пар идет в цилиндры. Двигатель работает на холостом ходу.

Водитель нажимает на педаль; количество пара, идущего в двигатель, увеличивается, машина трогается с места. Топливо любое — дизельное, керосин, бензин.

Все эти опыты дали возможность Роберту Айресу из Вашингтонского центра перспективных разработокок заявить, что недостатки парового автомобиля преодолены. Высокая себестоимость при серийном производстве безусловно понизится. Котел, состоящий из труб, исключает опасность взрыва, так как в любой момент в работе участвует лишь небольшое количество воды. Если трубы расположить теснее, размеры двигателя уменьшатся. Антифриз избавит от опасности замерзания. Паровой двигатель не нуждается в коробке передач, трансмиссии, стартере, карбюраторе, глушителе, системах охлаждения, газораспределения и зажигания. В этом его огромное преимущество. Режим работы машины можно регулировать, подавая большее или меньшее количество пара в цилиндры. Если вместо воды использовать фреон, который замерзает при очень низких температурах да еще и обладает смазочным свойством, то преимущества возрастут еще более. Паровые двигатели соперничают с обычными по приемистости, расходу горючего, показателю мощности на единицу веса.

Пока о широком использовании паровых автомобилей речи нет. До промышленного образца не доведена ни одна машина, а перестраивать автомобильную индустрию никто не собирается. Но самодеятельные конструкторы никакого отношения к промышленной технологии не имеют. И они один за другим создают оригинальные образцы автомобилей с паровыми двигателями.

Два изобретателя, Петерсон и Смит, переделали подвесной лодочный мотор. Они подавали пар в цилиндры через отверстия для свечей. Двигатель весом 12 кг развил мощность в 220 л. с. при 5600 об/мин. Их примеру последовали инженер-механик Петер Баррет и его сын Филипп. Использовав старое шасси, они построили паровой автомобиль. Смит поделился с ними опытом. Отец и сын использовали четырехцилиндровый подвесной мотор, совместив его с паровой турбиной конструкции Смита.

Пар производился в специально сконструированном котле, который содержит около 400 футов медных и стальных трубок, соединенных в спиралевидные связки, проходящие друг над другом. Так увеличивается циркуляция. Вода накачивается в котел из бака. Горючее смешивается с воздухом в камере сгорания, и раскаленные языки пламени вступают в соприкосновение с трубами. Через 10—15 сек. вода превращается в сжатый пар температурой примерно 350°С и давлением 44 кг/см. Он выбрасывается из противоположного конца парогенератора и направляется во впускной канал двигателя.

Пар поступает в цилиндр через вращающиеся лопасти, вдоль которых проходят каналы постоянного сечения.
Наружная муфта коленчатого вала жестко связана с цепной передачей на ведущие колеса.

Наконец перегретый пар выполнил свою полезную работу, и он должен теперь превратиться в воду, чтобы быть готовым начать цикл снова. Это делает конденсатор, внешне похожий на обычный радиатор автомобильного типа. Он и размещен спереди — для лучшего охлаждения встречными потоками воздуха.

Наибольшие трудности инженеров заключаются в том, что часто, чтобы добиться хотя бы относительной простоты конструкции, приходится уменьшать И без того невысокий к. п. д. автомобиля. Двум самодеятельным конструкторам очень помогли советы Смита и Петерсона. Именно в результате совместной работы удалось внести в конструкцию много ценных новинок. Начать хотя бы с воздуха для горения. Перед непосредственным поступлением В горелку его подогревают, проводя между раскаленными стенками котла. Это обеспечивает более полное сгорание топлива, сокращает время выпуска, а также делает более высокой температуру сгорания смеси и, стало быть, к. п. д.

Для зажигания горючей смеси в обычном паровом котле используется простая свечка. Петер Баррет сконструировал более эффективную систему — электронного зажигания. В качестве горючей смеси использован спирт-ректификат, поскольку он дешев и имеет высокое октановое число. Конечно, керосин, дизельное топливо и другие жидкие сорта тоже будут работать.

Но самое интересное здесь — конденсатор. Конденсация больших количеств пара считается главным затруднением современных паросиловых установок. Смит сконструировал радиатор с таким расчетом, чтобы использовалась водяная пыль. Конструкция работает отлично, система конденсирует влагу на 99%. Вода почти не расходуется — кроме того небольшого количества, которое все же просачивается через уплотнения.

Другая интересная новинка — система смазки. Цилиндры паровой машины обычно смазываются с помощью сложного и громоздкого устройства, распыляющего тяжелую масляную пыль в паре. Масло оседает на стенках цилиндров и затем выбрасывается с отработанным паром. Позже масло необходимо отделить от водяного конденсата и возвратить в систему смазки.

Барреты использовали химический эмульсигатор, который вбирает оба элемента — воду и масло и затем разделяет их, устраняя, таким образом, необходимость в громоздком инжекторе или механическом сепараторе. Испытания показывают, что при работе химического эмульсигатора не образуется осадков ни в паровом котле, ни в конденсаторе.

Интересен также механизм типа сцепления, который напрямую соединяет двигатель с ведущим валом и карданной передачей. Машина не имеет коробки перемены передач, скорость контролируется изменением впуска пара в цилиндры. Использование системы «впуск-выпуск» позволяет без затруднений поставить двигатель в нейтральное положение. Пар может направляться в двигатель, нагревать его и в то же самое время приводить паровой котел в положение готовности к активной работе, сохраняя в нем постоянное близкое к рабочему давление. Паровой двигатель развивает мощность 30— 50 л. с, а галлона топлива хватает на передвижение машины на расстояние 15—20 миль, что вполне сравнимо с расходом топлива у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Контрольная система довольно сложна, но полностью автоматизирована; приходится следить только за рулевым механизмом и выбирать требуемую скорость. При испытаниях автомобиль достиг скорости около 50 миль в час, но это предел, поскольку шасси машины не соответствовало мощности двигателя.

Что такое атмосферный паровой двигатель

3. ПАРОАТМОСФЕРНАЯ МАШИНА НЬЮКОМЕНА

Более практичной, чем машина Севери, оказалась конструкция английского изобретателя Томаса Ньюкомена, кузнеца по профессии. Он приступил к постройке своей машины в 1705-1706 гг. в сотрудничестве со стеклоделом Джоном Коули. Остается неизвестным, в какой мере Ныокомен знал о «двигателе» Папена и других опытах с поршнем, цилиндром и разрежением, но в своем двигателе он удачно совместил достижения Севери и идеи Папена.

Принцип действия пароатмосферной поршневой машины Ньюкомена заключался в следующем: внутри цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира. Другой конец балансира соединялся со штангами водоотливного насоса. Пар поступал в цилиндр из котла при открытом кране и поднимал поршень, который уравновешивался весом насосной штанги и добавочного груза. При достижении поршнем верхнего положения кран закрывался. Пар конденсировался вначале благодаря охлаждению цилиндра водой извне, а в более поздних образцах вследствие впрыскивания в цилиндр холодной воды из резервуара через кран. Движение поршня вниз обеспечивалось атмосферным давлением; при этом поднимались насосные штанги и вода откачивалась. Охлаждающая вода и сконденсировавшийся пар удалялись из цилиндра по трубе — излишний пар выпускался из котла через предохранительный клапан. Затем цилиндр с котлом снова сообщались, и пар помогал противовесу вернуть поршень в исходное положение. В этой конструкции паровой двигатель был органически соединен с насосом.

Схема пароатмосферной машины Нъюкомена (справа) 1 — котел; 2 — цилиндр; з — поршень; 4 — кран; 5 — резервуар; 6 — кран; 7 — труба; 8 — балансир; 9 — предохранительный клапан; 10 — добавочный груз; 11 — водоотливный насос

Первая машина Ньюкомена была построена и пущена в работу по откачке воды из рудника в 1712 г. Ее мощность составляла 8 л. с., она обеспечивала подъем воды с глубины 80 м. Так как рабочий цилиндр оставался одновременно и конденсатором, т. е. нагрев и охлаждение цилиндра чередовались, то для работы паросиловой установки Ньюкомена все еще требовалось чрезвычайно большое количество топлива: около 25 кг угля в час на 1 л. с. И тем не менее это был настоящий успех: новая машина позволяла разрабатывать копи на глубину вдвое большую, чем раньше [2, с. 117; 5, с. 19].

Ньюкомен стал изготовлять машины в компании с Севери ( Севери своим патентом закрепил за собой любые возможности использования водяного пара, и Ньюкомен и Коули не смогли получить патента на свое изобретение).

В дальнейшем конструкция совершенствовалась: ручное открывание и закрывание кранов было заменено автоматическим. В 1718 г. англичанин Генри Бейтон построил машину с автоматическим регулированием и предохранительным клапаном для котла.

Пароатмосферная машина Ньюкомена 1817 г. Общий вид

Уже в 20-е годы XVIII в. машины Ньюкомена работали во многих странах Европы: в Англии, Австрии, Бельгии, Франции, Венгрии, Швеции; в Англии они широко использовались на корнуэлльских оловянных рудниках, в Ньюкаслском угольном бассейне и других местах. Их применяли не только на рудниках, но и в системе водоснабжения и в гидротехнических сооружениях. Лондонская машина 1720 г., предназначенная для снабжения города водой Темзы, имела объем котла около 17 куб. м, а цилиндр — диаметром более 80 см и высотой 3 м.

В 1722 г. шесть машин Ньюкомена были установлены на рудниках Банской Штявницы в Словакии.

В 1728 г. шведский ученый механик М. Тривальд построил пароат-мосферную машину, подобную ньюкоменовской, предварительно рассчитав экономичность парового привода по сравнению с конным [8.]. Попытка Тривальда теоретически обосновать экономичность паровых машин была в то время одним из немногих случаев обращения ученых к проблеме теплового двигателя. В течение всего XVIII и первых десятилетий XIX в. физики не интересовались паровой машиной.

Ф. Энгельс, характеризуя соотношение между теорией и практикой в период зарождения теплоэнергетики, отмечал, что «практика по-своему решила вопрос об отношениях между механическим движением и теплотой. », а дело с теорией в тот период обстояло «довольно печально» ( Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 431).

Отсутствие необходимых знаний о физических свойствах рабочего тела приводило к неверным толкованиям и ошибочным конструктивным решениям. Так, Тривальд заблуждался относительно того, что в воде будто бы содержится неисчислимое количество воздуха, который, по его мнению, и являлся рабочим агентом машины. Это заблуждение привело к тому, что самая большая его машина, построенная для откачивания воды из Даннеморских рудников (Швеция), оказалась неработоспособной из-за заниженного объема парогенератора [5, с. 18, 20].

В России машины Ньюкомена появились довольно поздно. Это объясняется особенностями русской техники XVIII в.: железоделательные заводы на Урале пользовались водяными колесами, копи, на которых была бы необходима откачка воды с большой глубины, отсутствовали, текстильное производство носило ремесленный характер и не нуждалось в двигателе. Первая пароатмосферная машина Ньюкомена была установлена в 1777 г. в Кронштадте для откачки воды из дока [4, с. 40].

Важные усовершенствования в пароатмосферную машину в начале 70-х годов XVIII в. внес инженер Джон Смитон, рассчитав правильное соотношение между размерами частей машины, а также создав более целесообразную форму ее деталей.

Многие машины Ньюкомена долгое время находились в эксплуатации даже после изобретения более совершенного двигателя Уатта, особенно там, где имелся в изобилии низкосортный уголь. Последняя машина Ньюкомена на угольных копях Англии была демонтирована лишь в 1934 г. [2, с. 120].

Но, несмотря на продолжительную службу машины Ньюкомена, ее применение никакого промышленного переворота не совершило. Ее введение не решало вопроса полностью — машина не была универсальной. Прерывистый характер работы и невозможность действия двигателя вне связи с насосом определяли ее использование только для подъема воды. Об этих машинах не без основания говорили, что для их изготовления нужен железный рудник (конструкция оставалась громоздкой), а для обслуживания — угольная копь.

Вместе с тем предшествующий опыт с пароатмосферными машинами подготовил значительный материал для последующих изобретателей. Перед ними возникло много конкретных вопросов, главным из которых было создание нового экономичного двигателя.

Что такое атмосферный паровой двигатель

Возникновение парового транспорта

Попытки применить паровой двигатель для движения судов и повозок были предприняты ранее, чем последствия промышленного переворота сделали потребность в транспорте исключительно острой. И, как это характерно для классового общества, первые применения новых технических возможностей были направлены на военные цели.

Выше было указано, что первая попытка применить метод механического аккумулирования для получения непрерывной работы двигателя Ньюкомена — Коули была сделана Хэллом еще в 1736 г. с целью установки такого двигателя на буксирное судно для обслуживания военных кораблей в портах.

Рис. 4-19. Паровая повозка Кюньо (1769 г.)

Первая попытка применить паровой двигатель для движения повозки также была произведена в военных целях. В 1769 г. французский военный инженер Кюньо соорудил паровую повозку (рис. 4-19) для перевозки артиллерийских орудий. В своей повозке Кюньо правильно намеревался решить задачу непрерывной передачи механической работы ведущему колесу путем двух поочередно работающих цилиндров, повторив метод суммирования работ, предложенный Ползуновым в 1763 г. Но Кюньо не имел возможности построить легкий небольшой по размерам и высокопроизводительный паровой котел. Испытания повозки Кюньо показали ее непригодность, и дальнейшие опыты были прекращены.

Итоги промышленного переворота, успешная работа все большего количества паровых машин на стационарных установках, возросший объем грузоперевозок возбудили новый интерес к паровому транспорту, основанный теперь на потребностях общества. Однако решение проблемы парового транспорта не могло быть осуществлено простой установкой стационарной паровой машины на колеса или в корпус судна. Условия работы на транспорте предъявили к паровой машине ряд серьезных требований. Прежде всего транспортная паровая машина должна была иметь небольшой вес на единицу развиваемой мощности. Далее, транспортная машина должна была быть реверсивной, то есть легко и быстро переключаться с «переднего» хода на «задний». Затем транспортная машина должна была запускаться в ход с любого положения частей ее механизма. Кроме того, для наземного транспорта паровая машина не могла быть устроена, как паро-атмосферная, работающая при конденсации пара, так как для конденсации требуется такое большое количество охлаждающей воды, какое не в состоянии везти с собою локомотив. Следовательно, транспортная локомотивная паровая машина должна была работать паром избыточного давления с выпуском отработавшего пара в атмосферу, а не в конденсатор.

С начала XIX в. проблема парового транспорта настолько назрела, что привлекла к себе внимание и труды значительного количества изобретателей, охарактеризованных Марксом как «кооперация современников».

Рис. 4-20. Паровой экипаж Р. Тревитика (1802 г.)

Одним из первых членов этой кооперации был англичанин Ричард Тревитик, получивший в 1802 г. патент на паровой двигатель с избыточным давлением пара. Оговорив в своем патенте возможность применения своего двигателя для движения повозок, Тревитик сконструировал первый паровой автомобиль (рис. 4-20). Этот автомобиль имел один горизонтальный паровой цилиндр, углубленный в корпус парового котла, расположенного в задней части экипажа. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм и зубчатые шестерни передавалось громадным ведущим колесам, размер которых определялся необходимостью получить достаточную скорость при тихоходных машинах того времени. Экипаж Тревитика не имел успеха, но имел известное значение в развитии транспортной техники, показав на печальном опыте своих бесчисленных поломок, что новому транспорту нужны и новые дороги.

Новые дороги постепенно возникали в специфических условиях, где их необходимость была непосредственно связана с производительностью труда, как, например, в рудниках и на заводах, где требовалось транспортировать большие количества руды и других материалов. Для этой цели вагонетки ставились на организованный путь из досок или деревянных брусьев. Быстрый износ деревянных брусьев — рельсов — привел к необходимости укреплять на них железные полосы, а позднее (1776 г.) — железные угольники, полка которых препятствовала сходу колес вагонеток с рельсов. В конце XVIII в. были впервые применены рельсы, отлитые из чугуна. В нашей стране в 1806-1809 гг. П. К. Фролов построил первую «чугунную дорогу» с конной тягой для перевозки руды из Змеиногорского рудника на металлургический завод, расположенный на р. Корбалихе (Алтай).

Заводские и рудничные «чугунные дороги» подсказали Тревитику мысль поставить свой паровой экипаж на рельсы. Более того, применение при откатке руды «поездов» из вагонеток подсказало конструирование локомотива, не несущего на себе груз, а тянущего поезд с грузом.

Рис. 4-21. Паровоз Р. Тревитика (1803 г )

В своем паровозе (рис. 4-21) Тревитик, как и в первом экипаже, применил один цилиндр, а поэтому для получения равномерной непрерывной отдачи работы он применил метод аккумулирования посредством тяжелого маховика. Так как масса движущегося локомотива сама является аккумулятором механической энергии, то в локомотиве Тревитика было два «маховика», соединенных между собой системой зубчатых колес. При изменении скорости движения локомотива «маховики» противодействовали один другому, вызывая поломку зубьев шестерен, расположенных между ними.

Все последующие участники «кооперации современников» применяли два цилиндра, которые без маховика уравнивали работу двигателя и, кроме того, при механизмах цилиндров, расположенных под углом друг к другу, позволяли запускать локомотив при любом положении частей его машины.

1, 2 — наклонные цилиндры машины, передающие движение на передние ведущие колеса; 3 — предохранительный клапан с пружинной нагрузкой; 4 — питающий насос с обратным клапаном; 5 — предохранительный клапан с грузом; 6 — отбор пара из сухопарника; 7 — выхлопные ‘конусы’, обеспечивающие тягу трубы; 8 — выхлопная труба правого цилиндра; 9 — концы дымогарных труб; 10 — эксцентрики, приводящие в движение парораспределительные золотники»>
Рис. 4-22. Паровоз Д. Стефенсона ‘Ракета’: 1, 2 — наклонные цилиндры машины, передающие движение на передние ведущие колеса; 3 — предохранительный клапан с пружинной нагрузкой; 4 — питающий насос с обратным клапаном; 5 — предохранительный клапан с грузом; 6 — отбор пара из сухопарника; 7 — выхлопные ‘конусы’, обеспечивающие тягу трубы; 8 — выхлопная труба правого цилиндра; 9 — концы дымогарных труб; 10 — эксцентрики, приводящие в движение парораспределительные золотники

В результате работы «кооперации современников» было создано несколько образцов локомотивов, начавших свою работу на отдельных заводских железнодорожных линиях. В 1825 г. была открыта в Англии первая железная дорога общественного пользования между городами Стоктоном и Дарлингтоном. В 1829 г. был проведен конкурс на лучший локомотив, на котором выступили четыре претендента. Лучшим локомотивом оказался локомотив «Ракета» (рис. 4-22), уже не первый из построенных английским инженером Д. Стефенсоном. «Ракета» могла развивать скорость до 21 км/ч при весе поезда 17 т; позднее на этом локомотиве была достигнута неслыханная в то время скорость 45 км/ч. Успех «Ракеты» определился увеличением производительности небольшого по размерам парового котла путем введения пучка трубок, по которым двигались горячие топочные газы.

Рис. 4-23. Модель паровоза Е. А. и М. Е. Черепановых (1834 г.)

Вслед за Англией началось строительство локомотивов и в других странах. Одной из первых в их числе была Россия, в которой в 1834 г. отец и сын Е. А. и М. Е. Черепановы, крепостные крупнейшего горнозаводчика Урала Демидова, построили первый отечественный паровоз (рис. 4-23). Этот паровоз перевозил руду на территорию завода по специальной «чугунной дороге» со скоростью 15 км/ч при грузе в 3,5 т. Затем был построен второй паровоз, способный перевозить уже 17 т. В паровозе Черепановых количество трубок в котле достигало 80.

Рис. 4-24. Открытие железнодорожной станции в Кембридже (Англия) (1845 г.)

Одновременно с возникновением железнодорожного транспорта (рис. 4-24) возникал и развивался паровой водный транспорт. Как и в первом случае, здесь принимало участие большое количество изобретателей. Американец Генри в 1763 г., англичанин Брама в 1785 г., француз Жоффруа с 1776 по 1783 г. и ряд других изобретателей делали попытки или предложения по сооружению паровых судов. Проект речного судна разрабатывался и известным русским механиком-изобретателем И. П. Кулибиным.

К наиболее ранним опытам движения по воде при помощи паровога двигателя относятся опыты Саймингтона, Тейлора и Миллера, применивших двигатель с двумя цилиндрами простого действия (1788 г.), Фитча, сначала пытавшегося построить судно с веслами, приводимыми в движение паровой машиной, а потом применившего гребные колеса (1785-1798). В начале XIX в. американец Эванс впервые применил на своем судне пар высокого по тем временам давления в 6-10 атм. В 1806 г. небольшое судно «Феникс» конструкции Стевенса показало скорость 9,6 км/ч.

Все эти и многие другие опыты и проекты подготовили почву для практического внедрения паровых судов на транспорт, перехода от опытов к коммерческому предприятию, в осуществлении которого значительная роль принадлежала Роберту Фультону. Американец Фультон сначала пытался построить во Франции свое первое паровое судно. В 1803 г. на восемнадцатиметровой лодке, оборудованной паровой машиной и гребными колесами, Фультон провел первое испытание, окончившееся гибелью судна. Двигатель с затонувшей лодки был поставлен на другую, но и эта попытка не увенчалась успехом. Безуспешными оказались и попытки Фультона построить подводную лодку, проекты которой он по ряду источников предлагал правительствам Англии и Франции, находившимся в то время в крайне враждебных отношениях.

1 — шток цилиндра; 2 — крейцкопф; 3 — рама; 4 — шатун; 5 — балансир; 6 — цилиндр; 7 — насос охлаждающей воды; 8 — шатуны от балансира к главному валу машины»>
Рис. 4-25. Паровой двигатель парохода Фультона ‘Клермонт’: 1 — шток цилиндра; 2 — крейцкопф; 3 — рама; 4 — шатун; 5 — балансир; 6 — цилиндр; 7 — насос охлаждающей воды; 8 — шатуны от балансира к главному валу машины

Уехав в США, Фультон нашел там крупную финансовую поддержку со стороны Ливингстона и в 1807 г. построил пароход «Клермонт», явившийся первым паровым судном, использованным для коммерческой эксплуатации. Следует заметить, что техническое решение Фультона было далеко не лучшим для уровня техники того времени. До него предлагались и двухцилиндровые машины, и машины прямого действия. Однако Фультон заказал на заводе компании «Болтон и Уатт» в Англии машину одноцилиндровую, балансирную, с промежуточным валом и маховиками, противовесом и зубчатыми передачами (рис. 4-25).

Коммерческий успех предприятия Фультона был подхвачен, и со второго десятилетия XIX в. развитие парового судостроения шло возраставшими темпами так, что к концу XIX в. мощность судовых паросиловых установок резко преобладала над мощностью паровозов и заводских машин.

Рис. 4-26. Пароход с задним колесом

В США большое распространение к середине XIX в. получили речные пароходы с задним колесом (рис. 4-26).

В Европе пароходы начали эксплуатироваться с 1811 г. К этому же времени относится выдача англичанину Ч. Бэрду привилегии и монополии на постройку паровых судов в России. В 1815 г. первый русский пароход «Елизавета» (рис. 4-27) начал курсировать между Петербургом и Кронштадтом, а к 1820 г. на этой линии эксплуатировалось уже несколько паровых судов более совершенной конструкции, с металлическими трубами, колесными кожухами, известным комфортом для пассажиров. Раннее наименование этих судов — пироскаф — впоследствии было заменено современным: пароход. Одновременно с Бэрдом, нарушая его монополию, начал строить пароходы на р. Каме горнопромышленник Всеволожский, а позднее и ряд других предпринимателей.

Рис. 4-27. Первый русский пароход ‘Елизавета’ (1815 г.)

Эксплуатация паровых судов в морских условиях показала неудобство гребных колес и поставила задачу изыскания нового вида судового движителя. Решение этой задачи не замедлило последовать в трудах многих изобретателей, к числу которых относится чех Рессель, швед Эриксон, англичанин Смит. С 30-х годов XIX в. гребной винт начинает вытеснять на морских судах гребные колеса.