Сегодня предлагаю поговорить про паровые двигатели.
Предлагаю посмотреть, как развивался паровой двигатель, установленный на кораблях.
Паровой двигатель принес на суда возможность двигаться без ветра и маневрировать удобным способом.
Принцип был прост – разогреваем воду в замкнутом пространстве (котле) и потом приоткрываем котел, пар заполняет пространство цилиндра и начинает двигать поршень. Когда поршень доходит до конца – пар подается с другой стороны цилиндра, и он двигается обратно.
Знаменитый Джеймс Уатт изобрел не паровой двигатель, а регулятор к этой системе, который смог заставить систему вращаться равномерно (регулируя подачу пара).
И пусть паровой двигатель тогда был прожорлив и ненадежен, но потенциал был виден и первыми в него начали вкладываться военные.
Инженеры представшие перед полковником предложили стандартное решение – взять паровой двигатель из промышленности и вставить его на корабль. В промышленности тогда разводили костер под котлом, а сам котел и трубу обкладывали кирпичом для безопасности.
От кирпичей решено было отказаться сразу, а глядя, как полковник поглаживает саблю, инженеры быстро сообразили, что огонь можно разводить не под котлом, а сделать топку внутри котла, тогда и опасности от огня меньше и габарит экономится.
Давление в котле было около 1,5 атмосфер.
Паровая машина разместилась на палубе, привод на колеса был прямой, КПД двигателя 8% и КПД колес 10%. Итого из 100 л.с. на колеса доходила 1.
Немного, но для старта неплохо.
Получилось массивно, неудобно, но работало. Подумав немного еще, инженеры сообразили, что в идеале судовую машину надо разместить в трюме:
1. Она заменит чушки балласта и место на корабле останется столько же
2. К тому времени уже придумали как использовать судовой винт (КПД 30%) и машина оказалась очень близко к валу, что хорошо.
Цилиндр паровой машины размещался горизонтально, параллельно днищу корабля и перпендикулярно винту. Слабым местом казались сами цилиндры привода вала, ведь в трюме поперек корабля предстояло разместить цилиндр, кривошип и ползун. В результате сам цилиндр получился короткоходным и большую мощность развивать не получалось.
Выслушав от полковника историю о том, как он расстреливал индейцев из «вот этого самого кольта» инженеры быстро сообразили, что можно сделать обратную соединительную тягу и увеличить размер цилиндров!
Однако мощности было недостаточно, а простой подъем давления в котлах до 3-4 бар хоть помог, но слабо.
И тогда полковник рассказал, как в Индии плохих инженеров привязывали к жерлам пушек.
После этого инженеры быстро додумались до паровых машин двукратного и трехкратного действия. Помните:
Сила = давление пара* площадь поршня?
Поскольку пар из цилиндра выкидывается еще с остаточным давлением, то его можно подать в другой цилиндр с бОльшей площадью поршня и использовать еще раз, и еще раз.
Но поскольку в котлы тогда лили морскую воду, то все это быстро покрывалось накипью. Накипь оседала на стенки котла, ухудшалась теплоотдача, а перегрев стенок вызывал взрыв котла!
Инженеры было предложили возить с собой чистой воды, для перехода через Атлантику это тонн 500.
Но полковник вспомнил о том, как эффективен новый винчестер против мексиканцев и инженеры сообразили – ведь пар на выходе можно собрать в большом радиаторе, где он снова превратится в воду – замкнутый цикл, бесконечная вода! Так изобрели конденсатор и стали использовать в котлах дистиллированную воду и используют ее до сегодняшних дней.
Но тут начало не хватать пара и пришлось улучшать котел.
Для начала перешли с дров на уголь, получив больше теплоотдачи. Потом сообразили, что если не просто греть котел, а пропустить 2-3 трубы с раскалённым воздухом из котла через него, то вода будет нагреваться быстрее.
А затем увеличили количество труб, проходящих через котел -получился дымогарный котел. Заодно подняли давление почти до 5 бар благо технологии позволяли и КПД подросло до 25-30%.
Попутно изобрели форсунки и перешли с угля на нефть, получив дополнительно бОльшую теплоемкость и возможность быстро нарастить или убавить количество топлива (попробуй резко увеличить подачу угля -подкинь в топку 300 кг угля за минуту).
Приблизительно в 1890х додумались, что если по трубам пускать воду, а вокруг будет жар от топлива, то вода будет нагреваться еще быстрее, и так появился водотрубный котел.
И пришло время меняться и паровому цилиндру. Ему на смену в 1900х пришла паровая турбина!
Пар разогревался в котле и подавался на лопатки турбины.
И все бы хорошо, только судовой винт эффективен при 80-100 об/минуту. А турбина эффективна при высоких оборотах (зато КПД аж 50%). Нужен был редуктор, а передать 1000 л.с. в одном пятне контакта двух шестерен весьма не просто.
И когда полковник завел речь о новомодном пулемете сэра мАксима, который выкашивал африканцев как траву, инженерам пришлось изобретать редукторы со сложным зацеплением (червячный и планетарный).
Дальше до второй мировой войны на большинстве крупных кораблей была именно такая схема – водотрубный котел + паровая турбина. Турбину как и паровые цилиндры сделали двух и трехступенчатой, чтобы пар расходовался эффективно.
таком вот виде паровой двигатель до жил до наших дней и вполне хорошо работает на ТЭЦ, кораблях, заводах и атомных станциях.
«А почему паровой двигатель останется с нами навсегда?» -спросит меня читатель.
Видите ли основным плюсом парового двигателя является что он может работать на любом топливе, т.к. турбина не соединена с котлом. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива.
Значит топить его можно как дровами или кизяком, так и атомным реактором и энергией солнца.
И если мы в будущем при освоении очередной планеты будем использовать в качестве топлива энергию фреанских стержней, политые флисской плазмой – то паровой двигатель все равно будет работать. Причем работать с высоким КПД (на ТЭЦ КПД турбины почти 90%)!
Надо запитать электричеством базу переселенцев на планетоиде Новый Бобруйск? Паровая турбина в помощь!
А ведь есть еще плюсы второго порядка
1. Эффективность парового двигателя не падает с разряжением воздуха, поэтому на высокогорьях Китая и Латинской Америки до сих пор используют паровозы, несмотря на наличие тепловозов. При этом вес парового тепловоза ниже, чем дизельного, что хорошо для горных дорог. Так что в разреженном воздухе Марса -паровой двигатель будет работать эффективнее ДВС.
2. Важным преимуществом поршневых паровых двигателей является сохранение максимального крутящего момента на любых оборотах, вплоть до самых минимальных. Это даёт паровым транспортным средствам динамику, недостижимую для транспортных средств с ДВС — преодоление уклонов на любой скорости, чрезвычайно медленный ход, плавный ход без рывков и т. д., а безрельсовым обеспечивает исключительную проходимость по бездорожью, несклонность к пробуксовке.
3. Поршневая паровая машина не требует работы на холостом ходу в моменты простоя. Она расходует пар строго пропорционально нагрузке, что значительно улучшает её экономичность. При необходимости подача пара прекращается, а повторный пуск происходит практически мгновенно.
Вот такой он паровой двигатель!
That's all, folks!