Паровой двигатель

Нагреваем котел, испаряем воду, пускаем полученный пар толкать цилиндр. Вуаля - мы преобразовали тепловую энергию в механическую и создали двигатель. Энергию пара, в отличие от того же электричества, легко представить просто вспомнив клубы пара из-под крышки кастрюли или мощные свистки чайника на плите. Но не ведитесь на эти уловки. Как и любая прорывная технология, паровая машина, будучи концептуально очень примитивной, на пике своего развития представляла собой сложный, интересный механизм. Причем, это развитие справедливо как для устройства в целом, так и для его составных частей.

Взять хотя бы этот самый котел, который обязательно упоминается в теме паровых машин и очевидно предназначен для нагрева воды и преобразования ее в пар. При слове “котел” первое, что приходит на ум - это некая кастрюлька на огне и, в целом, сравнение верное. Первые его конструкции, например, в паровой машине Ньюкмена, действительно выглядели как резервуар с водой, подогреваемый снизу, словно чайник. Днище котла обогревалось пламенем, а боковины — горячими продуктами горения, поднимающимися вокруг него.

Для чайника такой примитивный метод нагрева а ля “поставьте жепой на огонь” - вполне рабочий, так как количество нагреваемой жидкости невелико, до пара нам ее доводить не надо, и уж тем более нам не требуется высокое давление. Однако представим, что вы ужасно социальная персона где-то во второй половине 19 века и вот вам позарез надо нагреть много воды для много гостей. Вы можете просто греть чайник в несколько подходов или греть много чайников одновременно, а можете выбрать путь интереснее и апгрейднуть его до новой версии, добавив эпатажа и увеличив размеры. Теперь, чтобы такая большая емкость быстро нагревалась, нам надо увеличить площадь контакта воды с нагревательными поверхностями, и только подогрева дна сосуда нам будет недостаточно. Так что давайте прямо в середине нашего чайника, прямо в нагреваемой воде воткнем трубу от топки под днищем, и будем по ней пускать горячие продукты горения. Поздравляю, мы изобрели самовар. Ну или же - газотрубный котел.

Концептуально самовар представляет собой следующий после чайника этап развития котлов, с более эффективным способом нагревания воды. Точно так же происходило и с паровыми машинами, когда их котлы стали оснащать жаровыми трубами, пронизывающими его корпус. Как уже было сказано, трубы увеличивали поверхность обогрева, повышали паропроизводительность и как итог, повышали давление, которое было необходимо для работы двигателя. Первыми такими газотрубными моделями стали корнваллийские котлы с одной здоровенной жаровой трубой внутри. Свое название они получили благодаря месту своего применения - рудникам Корнуолла в Великобритании.

Здесь сразу назревает вопрос: зачем делать одну трубу, если можно две? Не мы одни такие умные, так что вскоре за корнваллийскими котлами появились ланкаширские - уже с двумя или тремя жаровыми трубами. Опять же названы эти котлы в честь графства Ланкашир, где с помощью них велась активная добыча угля и железа. Таким образом, наш старый добрый самовар можно считать корнваллийским котлом вертикального типа (ну или корнвалиийский котел можно считать горизонтальным самоваром, тут на ваш вкус).

Включив нашего внутреннего изобретателя и немного поразмыслив, мы быстро придем к выводу, что просто увеличивать количество больших жаровых труб в котле неэффективно. Объем, который занимает такая труба растет кубически, а необходимая нам площадь поверхности, от которой распространяется жар – квадратично. Поэтому, чтобы у нас все еще оставалось место для воды, гораздо разумнее будет провести в котле каналы тонкого сечения, при этом многократно увеличив их количество. Это, собственно, следующая ступень развития нагревательных котлов – трубчатые котлы с сетью тонких дымогарных труб.

Да, все верно. Для этих труб стали употреблять новое слово, хотя по сути своей это были просто жаровые трубы малого сечения. Про термины мы еще скажем пару слов, но что главное - с изобретения дымогарных труб, собственно, и начинается полноценная эпоха паровозов. Благодаря им в 1829 году Джордж Стефенсон выиграл соревнования на своей “Ракете”, в котле которой он установил сразу 25 дымогарных труб, резко увеличив парообразование.

Трубчатые котлы без принципиальных изменений использовались на паровозах до самого заката эпохи пара. Наверняка на старых фотографиях взорвавшихся паровозов вы видели такое металлическое вермишельное месиво - вот это и есть дымогарные трубы.

Здесь стоит вспомнить о небольшой путанице в терминах. После изобретения пароперегревателей (дополнительной фичи для повышения давления) «жаровыми» трубами стали называть большие каналы, внутри которых проходили более тонкие трубы с паром, как раз для его большего, повторного нагрева. То есть жаровые трубы после очередного апгрейда паровых машин приобрели новую функцию, а вот название осталось за ними просто по причине большого сечения, в память об изначальных трубах корнвалиийских и ланкаширских котлов .

Короче, даже такая примитивная штука как паровой котел может иметь свои ступени развития: от «чайника» с малой площадью нагрева через дно, через стадию газотрубного «самовара» с большими жаровыми трубами - к вермишельной хтони дымогарных труб. После этого, дальнейшее увеличение давления в паровых машинах ограничивалось уже не слабым нагревом в котлах, а их прочностью. Об этом мы поговорим уже в следующий раз.

Автор - Александр Грибоедов

Статья написана для паблика CatScience. А ещё у нас есть телега )

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Автор: Дима Шуман.

Первые представители колесного транспорта, приводимые в движение паром, появились еще в середине 18 века. Долгое время они оставались на стадии экспериментальных моделей и игрушек для богатых (ОЧЕНЬ богатых) чудаков, а после изобретения рабочей модели ДВС их быстро вытеснили бензиновые конкуренты. Однако благодаря появлению парового двигателя высокого давления, снова ненадолго возрос интерес к автомобилям парового типа. Это позволило как грузовым, так и легковым паромобилям продержаться в производстве до конца 30-х годов.

Не был исключением и СССР. К концу 1930-х автомобили, работающие с газогенераторными установками, прочно обосновались в лесной промышленности, однако грузоподъёмность таких машин была невелика, а сама установка сложна в эксплуатации. Газогенераторные автомобили работали на адаптированных под другой тип топлива двигателях внутреннего сгорания, а в умах конструкторов уже зрела идея принципиально другого устройства машины, где колеса будет приводить в движение напрямую давление пара в котле.

В 1935 году в Научном автотракторном институте (НАТИ) было создано Бюро паросиловых установок, которое занималось испытаниями всевозможной техники с паровыми двигателями. По непроверенным данным запрос на создание экономичного паромобиля поступил из Главного Управления исправительно трудовых лагерей. Там приглянулась идея оснастить лесоповалы транспортом, работающим не на дефицитном нефтепродукте, а буквально на «подножном корму».

В 1940 году спецбюро под руководством Скиридова приступило к созданию парового грузовика МП-28. В СССР впервые решили применить компоновку «кабина перед двигателем», что позволяло выдвинуть вперед кабину, а паровой двигатель и котел установить между кабиной и грузовой платформой. Для грузового автомобиля спроектировали паросиловую установку с прямоточным котлом высокого давления, конденсатор, турбины вентилятора и парогенератора. Пятитонный автомобиль должен был оснащаться 4-цилиндровым двигателем двухстороннего действия мощностью 120 л.с. при 1500 об/мин. Машина должна была развивать скорость 40 км/ч. Отдельно был разработан и паровой котел – парогенератор ПТ1, работавший на антраците. Он имел котловое давление 100 атм и поверхность нагрева 12 кв. м. Паросиловая установка работала по замкнутому циклу с двухсторонним расширением. Однако 1941 год внес свои коррективы – машину бросили недостроенной, но саму идею не оставили.

К проекту вернулись в 1947 году в рамках Постановления Совета Министров СССР от 07.08.1947 г. «О механизации лесозаготовок и освоении новых лесных районов». Удалённые районы послевоенной страны остро нуждались в удешевлении и повышении качества перевозок и НАМИ было поручено разработать лесовозный паровой автомобиль, работающий на дровах. Что возим — тем и заправляем, красота же!

В основу работ легло предложение фирмы Buttentut, находившейся в английском оккупационном секторе Берлина. В конце 1948 года Buttentut по договору поставила советской стороне двигатель и два некомплектных паровых котла. Работа была выполнена некачественно, и к фирме осталось много претензий. Котел был изготовлен из плохой стали, отсутствовал насос высокого давления и многое другое. Добиться исправления недостатков не получилось — мир уже уверенно входил в фазу Холодной войны. В итоге от этого варианта отказались, хотя возможно отдельные детали позже использовали для постройки первого советского паромобиля НАМИ-012.

В мае 1949 года группа конструкторов НАМИ – Шебалин, Коротконошко, Терзибашьян и Аникеев– получила авторское свидетельство на паровой двигатель, работающий на низкокалорийном топливе, проще говоря — на дровах. По расчетам, на малых оборотах двигатель развивал крутящий момент до 240 кг.м, что было в пять раз больше его дизельного аналога МАЗ-200. Паросиловая установка повышенного давления была снабжена водотрубным котлом с естественной циркуляцией и паровым двигателем однократного расширения. Котловое давление составляло 25 атм, температура перегретого пара – 420 °С. Цикл всей установки был замкнутым с конденсацией отработавшего пара. Пар, выдаваемый котлом, через дроссельный клапан поступал в 3-цилиндровый паровой двигатель. Затем отработавший пар направлялся во вспомогательную турбину мятого пара, а оттуда в верхний конденсатор.

Дрова загружались в топливный бункер и под собственным весом поступали в зону горения по мере выжига. Одной заправки дровами было достаточно, чтобы проехать 80 км пути. Водой автомобиль мог легко и быстро заправляться с помощью насоса прямо из естественных водоемов.

На основании испытаний комиссия выдвинула заключение о том, что у машины хорошая проходимость в гружёном состоянии, но возникают проблемы, когда она порожняя. Массивная передняя часть с котлом и кабиной перевешивала кузов и проходимость автомобиля страдала из-за перегрузки передней оси. Комиссия постановила продолжить работы, но автомобиль сделать полноприводным, либо трёхосным с задней ведущей тележкой. Новый испытательный образец был готов к 1952 году и получил обозначение НАМИ-018. Изменения коснулись не только переднего моста, на машину также установили двухступенчатую раздаточную коробку, в которой были встроены муфты свободного хода, автоматически включающие привод на передние колеса при начале буксования задних. Паровой двигатель был форсирован и мог выдавать уже 125 л.с.

Однако испытания показали, что недостатков у паромобиля всё же больше, чем достоинств. При полной загрузке автомобиля резко возрастал расход дров (до 400 кг на 100 км.). Запас дров занимал значительный объем кузова, от чего уменьшалась полезная нагрузка. Перед поездкой необходимо было каждый раз растапливать котел и ждать повышения давления пара до рабочего. Хуже того, в морозы на каждой стоянке приходилось полностью сливать 200 литров воды, чтобы она не превратилась в лед, а затем заливать заново. С учетом, что паромобиль предполагалось использовать в первую очередь в северных регионах страны — этот недостаток был критическим.

В целом, грузовые перевозки на паромобилях выходили несколько дешевле, чем на дизельных грузовиках, но эта разница с лихвой съедалась стоимостью производства самого паромобиля. Начавшийся в 1954 году «нефтяной бум» и эпоха дешевого бензина окончательно похоронили проект. Автомобили, работающие на альтернативном топливе, оказались невостребованными.

Пост с навигацией по Коту
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Также читайте на других ресурсах:
Телеграм
ВК
Дзен