Статья доцента Б. Черномордика прослеживает историю паровой машины от её триумфального появления в промышленности и транспорте до конкуренции с двигателями внутреннего сгорания и дизелем. Автор показывает, как паровая техника уступила позиции автомобилям и авиации, но благодаря достижениям теплотехники и новым конструкциям (Добль, Беслер) получила «вторую молодость». Подчёркиваются преимущества современных паровых установок — экономичность, простота обслуживания, работа на тяжёлых сортах топлива и перспективы применения в транспорте и авиации.
Едва ли чьё-либо появление на свет ожидалось с таким нетерпением. Развитие промышленности и транспорта задерживалось из-за отсутствия дешёвого и удобного генератора механической энергии. Создание паровой машины было осуществлением тысячелетней мечты человечества о механическом двигателе, способном легко и быстро производить всевозможную работу.
Паровая машина с первых же лет получила весьма значительное распространение. Даже невероятная «прожорливость» этого двигателя не могла помешать его популярности. Он продолжал свой победный путь, завоёвывая всё новые и новые отрасли промышленности. Этому способствовали и улучшения в конструкции машины. Увеличивалась её мощность и уменьшался вес. Расположение отдельных деталей становилось более удобным. Вначале машина появилась на угольных шахтах, затем на мельницах, в мастерских, на фабриках и заводах. Наконец её установили на колёса.
 |
Паровая водоподъёмная машина Ньюкомена. |
Сокровенная мечта Леонардо да-Винчи, Ньютона и Стевена создать механическую повозку начинала принимать реальные конструктивные формы.
По двору парижского арсенала, тяжело громыхая, проползла паровая тележка инженера Кюньо. Между английскими городами Стоктоном и Дарлингтоном была проведена первая железная дорога. Паровоз Стефенсона с паровой машиной Уатта повёл первые поезда. На улицах Лондона появились первые паровые автобусы Хенкока. Фултон испытывал на Сене свой первый пароход. Паровая машина завоёвывала транспорт.
 |
| Универсальный паровой двигатель Уатта. |
Соперник появился не скоро. Только в 1860 году французский механик Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания. Двигатель Ленуара работал на газе и не нуждался в дорогостоящей котельной установке.
Газеты наперебой предсказывали быстрое вытеснение паровой машины, а Ленуар был объявлен новым Уаттом. Однако первые же испытания показали, что новый двигатель далёк от совершенства. В 1877 году Николай Отто взял патент на двигатель, работающий по четырёхтактному циклу.
Это уже был конкурент посерьёзней «пожирателя газа», как был прозван двигатель Ленуара.
*
Паровой автомобиль просуществовал в Англии сравнительно недолго. Воспользовавшись первым несчастным случаем, владельцы дилижансов и железных дорог подали в парламент прошение о запрещении движения автобусов. Ограничения, введённые парламентом в 1836 году, быстро привели к желаемому результату, и через несколько месяцев последний паровой автобус прекратил свою работу.
Исчезнув в Англии, автомобиль полвека спустя появился на континенте. Независимо друг от друга к идее самодвижущейся тележки с двигателем Отто пришли Даймлер и Бенц.
Новые конструкции автомобилей обратили на себя всеобщее внимание. В 1887 году парижанин Эмиль Роже купил у Бенца несколько автомобилей, затем нашлись любители нового вида транспорта в Германии, Америке и других странах.
В 1893—1894 годах на улицах Парижа можно было встретить автомобили ряда фирм, копировавших свои конструкции у Даймлера и Бенца. Коляску Бенца копировал его первый покупатель Эмиль Роже. Подражателями Даймлера были Пежо, Панар и др. Кроме того, к услугам пассажиров были паровой автомобиль Серполе, омнибус Боллей и электроаккумуляторная коляска Жанто. Все эти «разношёрстные» машины в 1894 году приняли участие в первых гонках «экипажей без лошадей» по маршруту Париж — Руан.
Первым прибыл в Руан автомобиль «Дион» с котлом Серполе. Котёл Серполе представлял собою длинную металлическую спираль, омываемую пламенем горелки, и являлся, таким образом, прототипом современного прямоточного котла. Вторым пришёл к финишу автомобиль Пежо с мотором Даймлера.
Это была последняя большая победа парового автомобиля и первое напоминание о себе его нового соперника.
На гонках, организованных в следующем году, раньше всех пришёл к финишу автомобиль фирмы Панар. Паровой автомобиль был побеждён. Дальнейшие успехи, изредка выпадавшие на его долю, уже ничего не могли изменить. Общие симпатии были на стороне автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Эта машина не имела громоздкой котельной установки, её двигатель не нуждался в предварительной растопке и всегда был готов к действию. Паровой автомобиль ушёл в «подполье», но работы над улучшением его конструкции не прекращались.
*
Была ещё одна область, в которой паровая машина оказалась побеждённой, — это авиация. До появления лёгких двигателей внутреннего сгорания история авиации была неразрывно связана с развитием паровой машины. Один из первых серьёзных учёных в области воздухоплавания, Джордж Кейли, в 1816 году в своём проекте, управляемого монгольфьера в качестве двигателя предлагал паровую машину. Однако невероятная громоздкость паровых машин того времени помешала осуществить этот проект. В 1843 году в Англии была организована «Компания воздушного парового транспорта». Основатель компании изобретатель Хенсон и механик Стрингфелло сконструировали несколько интересных моделей аэроплана с паровыми двигателями. Но дальше моделей дело не пошло.
До начала XX столетия почти все изобретатели, стремясь создать механическую тягу для аэростата и аэроплана, ориентировались на паровую машину. И только успехи братьев Райт, осуществивших в 1903 году полет аэроплана с двигателем внутреннего сгорания, надолго прекратили попытки использовать паровую машину в области воздухоплавания.
*
В конце XIX столетия появился дизель-мотор. Новый двигатель работал на тяжёлых сортах жидкого топлива, что сулило ему громадное будущее. Возникли первые конструкции тепловозов и электровозов, которые, казалось, пришли на смену устаревшему детищу Стефенсона. И в самом деле, паровоз использует не больше 5—6% теплотворной способности сжигаемого топлива. Сотни миллионов тонн угля расходуется ежегодно на железных дорогах мира, не принося никакой пользы.
Казалось, что паровая машина должна безвозвратно уступить место более совершенному двигателю. Век пара, начатый с таким блеском Джемсом Уаттом, приходил к концу.
Однако паротехники не сдавались. В течение многих лет в лабораториях шла кропотливая работа по усовершенствованию отдельных частей механизма, по исследованию термодинамических свойств паров высоких температур и давлений. Годы работы не прошли даром. Машина становилась легче, компактнее, быстроходнее и экономичнее. Всё это до поры до времени не привлекало к себе внимания широкой технической общественности, поэтому для многих было совершенно неожиданно появление паровых автомобилей и аэропланов.
Чтобы лучше оценить причины этой «второй молодости» машины Уатта, необходимо хотя бы кратко остановиться на успехах современной теплотехники, обеспечивших эту нелёгкую победу.
Первые конструкторы паровых двигателей почти ничего не знали о перегретом паре, о том, как можно использовать его расширение. Пар, поступавший в цилиндры машины, обладал невысоким давлением и температурой. Инженеры не без оснований опасались взрывов котлов, — техника котлостроения тогда была ещё далека от совершенства. К тому же при высоких температурах пара условия смазки поршней в цилиндрах резко ухудшались.
В то время работа по тепловым двигателям во многих случаях велась чисто опытным путём, на ощупь, так как целый ряд вопросов теоретически ещё не был разработан. Прошло много лет, прежде чем была создана теория тепловых двигателей.
В 1824 году французский учёный Сади Карно сформулировал ряд весьма важных положений термодинамики. Чтобы машина была экономичной, то есть потребляла меньше топлива на единицу произведённой работы, учил Карно, необходимо создать в ней возможно больший перепад давлений и температур. Чем больше разница между температурами входящего и выходящего из цилиндра (отработанного) пара, тем экономичнее машина, тем больше её коэффициент полезного действия. Этот простой закон, открытый Карно, стал основой современной термодинамики.
С развитием техники давление и температура пара в котлах начали постепенно повышаться. Если в первых машинах Уатта давление пара едва достигало 1,5 атмосферы, то к началу XX столетия давление в 10—15 атмосфер стало нормальным для большинства установок. В дальнейшем были введены многократное расширение и перегрев пара.
Перегретый пар при соприкосновении с более холодными стенками цилиндра не конденсировался в воду, а лишь терял часть своего перегрева, Расширившись в первом цилиндре, пар переходил в цилиндр более низкого давления, где вновь совершал работу, увеличивая общий температурный перепад. Такое многократное расширение позволило разумно использовать пар высокого давления. Применив четырёхкратное расширение при начальном давлении пара в 60 атмосфер и температуре 400°, удалось получить коэффициент полезного действия машины, равный 23%.
*
Огромные успехи в области котлостроения позволили американским изобретателям братьям Добль создать в 1915 году паровой автомобиль, ставший родоначальником целого ряда конструкций. Котёл «Добль» состоял из змеевика длиной в 175 метров, сделанного из цельнотянутых стальных трубок. Незначительная ёмкость котла (всего 35 литров) позволяла получать пар через 45—50 секунд после пуска горелки. По этой же причине устранялась опасность взрыва, так как запас воды в системе был невелик. Несмотря на это, производительность котла легко могла быть доведена до 2 тонн пара в час при давлении в 100 атмосфер. Установка братьев Добль могла работать на самых низких сортах топлива, совершенно недоступных для использования в двигателях внутреннего сгорания. Несложная система регуляторов поддерживала в нужных пределах давление и температуру пара.
Мощность парового двигателя этого автомобиля достигала 89 л. с. при 1000 оборотах в минуту. Вес автомобиля со всей силовой установкой составлял всего 1,8 тонны. Эти паровые автомашины имели довольно большое распространение, пока не уступили своё место более совершенным конструкциям.
Так же, как в своё время у Даймлера и Бенца, у братьев Добль нашлись многочисленные подражатели. Германская фирма «Геншель», купив у американцев патент и изменив конструкцию силовой установки, приступила к выпуску улучшенных паровых автомобилей.
К 1935 году многие американские и европейские фирмы освоили производство «нового» вида транспорта. Потомки тележки Кюньо имеют теперь ряд эксплуатационных преимуществ перед автомобилями с двигателями внутреннего сгорания. Паровой мотор может работать на тяжёлых сортах топлива — мазуте и сырой нефти. Преимуществами этого двигателя являются также простота его устройства и способность к длительной работе с большой перегрузкой.
В то время как температура в двигателях внутреннего сгорания нередко достигает 2500°, температура пара даже в наиболее совершенных паровых машинах не превышает 400—500°. Следовательно, условия работы деталей паровой машины более благоприятны, чем в двигателях внутреннего сгорания. Особенности динамики парового двигателя устраняют необходимость коробки скоростей, а расположение его непосредственно около задних колёс автомашины делает излишним ещё одну дорогостоящую деталь — карданный вал. Наконец, по отзывам ряда специалистов, обслуживание парового автомобиля значительно проще, чем обслуживание автомобилей с двигателями Дизеля и Отто, и доступно персоналу более низкой квалификации.
Значительно снижаются также расходы на топливо и смазку. Если принять общую стоимость топлива и смазки для автомобиля с бензиновым двигателем за 100%, то та же стоимость для дизельного автомобиля составит лишь 11,89%, для парового автомобиля, работающего на газойле, — 16,9% и для парового автомобиля, работающего на нефти, — 6,3%. Таким образом, расходы на топливо и смазку у парового автомобиля, работающего на сырой нефти, почти в 16 раз меньше, чем у автомобиля с бензиновым двигателем! По сравнению с паровым автомобилем преимущество только на стороне автомашины с газогенераторной установкой.
*
Успехи, достигнутые конструкторами паровых автомобилей, скоро были использованы в авиации. Взяв за основу установку братьев Добль, американская фирма «Беслер» в 1933 году построила и испытала паровой самолёт. Несмотря на то, что силовая установка была ещё довольно громоздкой, испытания дали прекрасные результаты. Весьма ценными особенностями аэроплана «Беслер» явились бесшумность полёта и малая посадочная скорость. Этими же качествами обладал паровой аэроплан Джонстона, построенный несколько позже. Таким образом, первые же попытки применить современную паровую машину в авиации увенчались полным успехом.
Особое значение приобретает паровой двигатель для высотных полётов. Разрежение воздуха, увеличивающееся с высотой, вызывает, как известно, сильное падение мощности двигателя внутреннего сгорания. Для борьбы с этим явлением пользуются так называемым наддувом рабочей смеси. Но компрессор, нагнетающий в цилиндры рабочую смесь, помимо увеличения веса установки поглощает часть мощности двигателя, причём этот расход растёт с высотой. Паровая машина при работе на высоте не потребует наддува; подача же несколько большего количества воздуха в топку котла не вызывает особых затруднений.
Так успехи современной теплотехники способствуют возвращению паровой машины на позиции, с которых она была вытеснена двигателем внутреннего сгорания в конце прошлого столетия. Развитие паровой машины, которое многие считали уже законченным, продолжается и сегодня с такой же интенсивностью, как и много лет назад, когда теплотехника была ещё совсем молодой наукой.
Комментариев нет:
Отправить комментарий