ВОДЯНОЙ ПАР

1. ПАРОВЫЕ МАШИНЫ

^Г1 епловая энергия водяного пара может быть использо - * вана для выработки механической энергии, нагрева­ния, выпаривания и т. д.

Первые попытки использовать водяной пар для полу­чения работы — поднятия воды на высоту—относятся к началу XVII века. На рис. 9 изображен прибор итальянца

Джиовании делла Порто (1601 г.), в котором пар да­вил на поверхность воды и заставлял ее подниматься. Более совершенные приборы, основанные по тому же прин­ципу, работали с очень не­

Большим давлением пара, поднимали воду лишь на не­сколько метров и оказались малопригодными для откачи­вания воды из шахт — ос­новной задачи, для которой они создавались.

Изобретатель парового котла Дени Папин предло­жил машину, хотя не нашед­шую практического примене­ния, но послужившую про­образом последующих ма­шин. Она состояла из цилин­дра с движущимся в нем поршнем (рис. 10, а). На дно цилиндра наливали воду, поршень опускали вниз, при­чем воздух из цилиндра вы­ходил через отверстие в поршне, закрываемое затем штифтом, и начинали снизу подогревать цилиндр. Обра­зующийся пар поднимал поршень, который в верхнем положении закрепляли чекой. После этого из-под ци­линдра убирали огонь. Когда цилиндр остывал, в нем,
вследствие конденсации пара, образовывалось разреже­ние. Затем вынимали чеку, и поршень под давлением атмосферного воздуха опускался вниз, поднимая при этом груз, привязанный к шнуру, перекинутому через блоки. Таким образом, цилиндр служил и котлом и кон­денсатором пара. Понятно, что удовлетворительно рабо­тать такая машина не могла.

Вопрос о применении паровой машины для откачки воды из шахт был разрешен с появлением машины Нью - комена (рис. 10,6). Машина состояла из котла, соединен-

Ного через кран с цилиндром, поршня и балансира, один конец которого был связан с поршнем, а другой с тягой насоса. Чтобы привести машину в действие, открывали кран, находящийся между котлом и цилиндром, и впу­скали в цилиндр пар с очень небольшим давлением. Пар вытеснял из цилиндра воздух через трубку, подведенную к нижней части цилиндра, и поднимал поршень, чему помогал груз на тяге насоса. Когда поршень доходил до верхнего положения, паровой кран закрывали и из со­
суда, находящегося над цилиндром, впрыскивали в ци­линдр холодную воду. При этом пар конденсировался, под поршнем получалось разрежение и он под давлением воздуха опускался вниз, поднимая при этом штангу насоса. Вода, образовавшаяся от конденсации пара, и охлаждаю­щая вода удалялись через ту же трубку, через которую удалялся воздух. Управление машиной сводилось, таким образом, к открыванию и закрыванию в известном по­рядке кранов. Первоначально это делалось вручную, позже было устроено автоматическое распределение. В не­сколько усовершенствованном виде машина Ньюкомена просуществовала почти 60 лет и применялась исключи­тельно для приведения в действие насосов. Для того чтобы использовать ее как универсальный двигатель, по­давали воду на водоналивные колеса, которые, в свою очередь, работали на шахтные подъемники, приводные молоты, кузнечные мехи и др., что не решало вопроса о создании действительно универсального двигателя.

В России первая машина Ньюкомена была установ­лена в 1777 году для обслуживания доков. В то время паровые машины в Россию ввозили из-за границы, хотя в 1766 году в Сибири И. И. Ползунов (1728—1766 гг.) построил гораздо более совершенную машину. Его ма­шина имела два цилиндра, работавшие попеременно, и была связана непосредственно с мехами, обслуживав­шими плавильные и нагревательные печи. К сожалению, в царской России Ползунов не встретил необходимой поддержки.

В тот период промышленность Англии, как наиболее развитой страны, требовала создания более универсаль­ного двигателя, чем машина Ньюкомена. Появлялись все новые и новые усовершенствования, из которых решаю­щую роль сыграли изобретения Уатта (1738—1819 гг.); он добавил к машине Ныокомепа конденсатор — отдельный сосуд, в котором конденсировался пар.

На рис. И изображена водоподъемная машина Уатта с таким же приводом к балансиру и к насосам, как на рис. 10, б; в отличие от машины Ньюкомена пар впу­скался в полость над поршнем. Парораспределение про­изводилось тремя клапанами — верхним 1 — паровпуск­ным, нижним 2 — паровыпускным и средним 3 — пере­пускным,— соединяющими полости цилиндра над порш­нем и под ним. Во время хода поршня вверх под действием веса груза, подвешенного к тяге насоса, впускной и вы­пускной клапаны закрыты, а перепускной открыт и пар, находившийся в верхней полости, свободно переходит в нижнюю. Когда поршень дойдет до верхнего положения и начнет двигаться вниз, перепускной клапан закрывается и открываются впускной и выпускной клапаны. В верх­нюю полость поступает из котла свежий пар, а из ниж­ней полости пар выходит в конденсатор, где смешивает­ся со впрыскиваемой водой и конденсируется, образуя раз­режение. Таким образом, поршень движется вниз под действием разности давления пара и разрежения в конден­саторе. В момент прихода поршня в нижнее положение впускной и выпускной клапа­ны закрываются, перепускной открывается и поршень под действием груза на тяге насо­са опять поднимается вверх. Откачивание конденсата и охлаждающей воды произво­дилось специальным насосом.

На рис. 11 видно, что стенки цилиндра машины Уатта полые. Это сделано по следующей причине: пар, выходя­щий из цилиндра, имеет меньшее давление, а следова­тельно, и более низкую температуру, чем пар, впускаемый в цилиндр, и поэтому в период выпуска пара стенки ци­линдра охлаждаются. Свежий пар, соприкасаясь с остыв­шими стенками, частично конденсируется, из-за чего ие вся теплота его превращается в механическую работу. Это явление называется начальной конденса­цией и очень сильно увеличивает расход пара. Поддер­живая высокую температуру стенок цилиндра, можно уменьшить начальную конденсацию и этим уменьшить

3*

Расход пара, т. е. получить экономию топлива. Вот для этой цели и служит паровая рубашка — промежуток между двумя стенками, через который проходит пар и поддерживает высокую температуру стенок цилиндра. Па­ровая рубашка применяется до настоящего времени для машин, работающих на насыщенном паре. Перегретый пар, как мы знаем, при охлаждении не конденсируется, и поэтому для машин, работающих на перегретом паре, паровая рубашка не нужна.

Дальнейшим усовершенствованием машины Уатта было применение отсечки пара, т. е. впуск его только на части хода поршня, остальную часть хода поршень про­ходит под действием расширяющегося пара. Расход пара, а следовательно, и расход топлива будет меньше, но и мощность, развиваемая машиной, также уменьшится. Для увеличения мощности Уатт стал впускать пар по обе сто­роны поршня, и таким образом получилась машина двой­ного действия с расширением пара.

Машину двойного действия уже можно было приспо­собить для получения вращательного движения, что тре­бовалось текстильной промышленностью.

Одним из важнейших изобретений Уатта, которое до настоящего времени является необходимой принадлежно­стью каждого двигателя, был центробежный регулятор числа оборотов. При слишком высоком числе оборотов развивается настолько большая центробежная сила мас­сивного обода маховика, что он может разорваться и при­чинить большие разрушения. Регулятор числа оборотов 13 Показан на рис. 12. В основном он состоит из двух грузов, подвешенных на рычагах и вращающихся вокруг его оси. При вращении грузы под действием центробеж­ной силы расходятся, причем заслонка, связанная с ними и находящаяся в трубе, подводящей пар к цилиндру, несколько прикрывается. В результате давление пара, по­ступающего через уменьшившееся отверстие, понижается и число оборотов уменьшается. При уменьшении числа оборотов грузы регулятора сблизятся и заслонка приот­кроется. Давление пара будет больше, мощность машины и число оборотов увеличатся. Таким образом регулятор поддерживает постоянное число оборотов.

Роль Уатта в создании паровой машины может быть охарактеризована словами Маркса: «Только с изобрете­нием второй машины Уатта, так называемой машины двойного действия, был найден первичный двигатель,... который, будучи городским, а не сельским, как водяное колесо, позволяет концентрировать производство в горо­дах, вместо того чтобы рассеивать его в деревне; двига-

Тель, универсальный по своему техническому применению и сравнительно мало зависящий в своем местопребыва­нии от тех или иных локальных условий» [2]).

Признавая важность изобретений Уатта и его кон­структорский талант, не следует, однако, забывать, что эти изобретения были подготовлены всем ходом эконо­мического и промышленного развития Англии и что им предшествовали многочисленные и весьма плодотворные предложения. Уатт патентовал свои изобретения и, рев­ниво оберегая свои привилегии, немало тормозил творче­скую мысль других изобретателей. Только после оконча­ния сроков патентов Уатта его машину стали беспрепят­ственно строить в Англии и других странах и она стала быстро совершенствоваться.

Дальнейшее развитие паровой машины пошло по пути создания безбалансирной машины с применением пара высокого давления, высокого перегрева и повышения числа оборотов, так как, чем больше число оборотов машины и выше давление и перегрев пара, тем она экономичнее, тем меньше ее размеры и тем она де­шевле.

Разберем устройство простейшей современной паровой машины (рис. 12) и процесс ее работы.

Пар из котла поступает в так называемую золотнико­вую коробку отлитую вместе с цилиндром 2. В ней на­ходится золотник <?, похожий на опрокинутую коробку (поэтому он называется коробчатым). Золотник приво­дится в движение от вала машины при помощи эксцент­рика 4 и попеременно открывает окна 5, соединяющие золотниковую коробку с правой и левой полостями ци­линдра. Пар, поступив в одну из полостей цилиндра (на рис. 12 в правую), давит на поршень 6 и заставляет его двигаться влево. В это время отработавший в левой полости пар выходит в полое пространство цилиндра под золотником, а оттуда в атмосферу или в конденсатор (у машин с многократным расширением — в цилиндр с более низким давлением). Когда поршень дойдет до левой мертвой точки, то золотник станет в такое положение, что пар будет поступать в левую полость цилиндра и пор­шень начнет двигаться в обратную (правую) сторону, а отработавший в правой полости пар будет выходить на - ружу.

Возвратно-поступательное движение поршня пере­дается через скалку (шток) 7, ползун 8 и шатун 9 кри­вошипу 10 коренного вала 11 и вращает послед­ний. На валу насажен маховик 12, назначение которого — выравнивать ход машины. Маховиком часто пользуются, как шкивом, для передачи ремнем или канатами механи­ческой энергии к станкам или электрогенератору. Для поддержания постоянного числа оборотов служит регу­лятор 13, действие которого было описано раньше.

Кроме коробчатых золотников, работа которых сопря­жена с большим трением вследствие одностороннего дав­ления пара и которые непригодны для пара с высокой

Ж

Тл

Температурой, применяются уравновешенные цилиндри­ческие золотники и клапанные парораспределения. По­следние применяются главным образом для стационарных машин средней и большой мощности.

В настоящее время в большинстве случаев приме­няются машины двойного действия с расширением пара. Машины с расширением пара в одном цилиндре назы­ваются машинами простого расширения в отличие от ма­шин многократного расширения, у которых пар, отрабо­тавший в одном цилиндре, переходит в следующие ци­линдры, в которых расширение пара продолжается. Чаще всего строят машины двойного и тройного расширения, в которых начальная конденсация, а следовательно, и расход пара значительно меньше.

Машины двойного действия строят по системе ком­паунд, когда цилиндры высокого и низкого давления располагаются рядом, и по системе тандем, когда они стоят один за другим.

Паровые машины бывают вертикальные (с вертикаль­ным расположением цилиндров, отличающиеся большей компактностью и применяемые в качестве быстроходных судовых машин) и горизонтальные (с горизонтальным расположением цилиндров, например паровозные ма­шины). Горизонтальная паровая машина мощностью 2600 лошадиных сил изображена на рис. 13.

Отработавший пар может выпускаться или в конден­сатор, что делается у крупных машин, или в атмосферу, как, например, у паровозов. Кроме того, отработавший пар может быть использован для отопления или в произ­водстве (для варки, сушки и т. д.); тогда давление его должно быть значительно выше атмосферного. Если для производства требуется пар сравнительно высокого давления, то его забирают по пути из цилиндра высо­кого давления в цилиндр низкого давления; такие машины называют машинами с промежуточным отбо­ром пара.

В настоящее время паровые машины большой мощно­сти почти вытеснены более экономичными и занимаю­щими много меньше места паровыми турбинами. Тем не менее для малых мощностей они часто оказываются более выгодными, чем паровые турбины. Особенно большое рас­пространение получили локомобили — установки, объеди­няющие паровой котел, паровую машину и все вспомо­гательные механизмы. Локомобили бывают передвижные, мощностью до 75 лошадиных сил, и в этом случае их ко­тел устанавливается на колесный ход, и стационарные, устанавливаемые на фундаменте (рис. 14). Мощность стационарных локомобилей доходит до 1000 лошади­ных сил.