НА ПУТИ В ВЕК ПАРА И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Виктор Сергеевич Шитарев, капитан дальнего плавания

Предложив свою формулу для расчета мощности паровых машин, Д. Уатт тем самым наметил пути их дальнейшего совершенствования. На первых машинах подача пара в цилиндр прекращалась на первой половине рабочего хода поршня. Затем этот "перекрыш" стали осуществлять на 1/7, а потом на 1/10. Далее работа происходила за счет расширения пара. В дальнейшем работать с перекрышем становилось нецелесообразно, так как надо было увеличивать длину цилиндра и ход поршня, что неизбежно влекло за собой увеличение габаритов двигателя.

В 1765-1769 годах Д. Уатт построил две машины, провел их всесторонние испытания и в январе 1769 г. получил патент на изобретение. Это были уже не пароатмосферные, а паровые машины, в рабочем цикле которых атмосферное давление не использовалось. Поступательный и возвратный ход поршня стали рабочими. С 1784 г. паровые машины двойного действия начинают выпускать серийно. Поступательное движение поршня превращалось во вращательное движение гребного вала посредством "параллелограмма Уатта". Так произошло потому, что в 1780 г. французский механик Пикар защитил патентом кривошипный механизм к "огненной машине", это при том, что сам такой механизм был известен с глубокой древности.
Далее совершенствуя свои машины, Д. Уатт изобрел и запатентовал "холодильник", в котором отработавший пар конденсируется, снова превращаясь в котельную воду. Вакуум в холодильнике обеспечивается работой специального вакуумного насоса.

Если пароатмосферные машины крутили гребной вал с частотой около 20 оборотов в минуту, то новые машины Д. Уатта могли давать около 80 оборотов, благодаря чему можно было наращивать их мощность и экономичность. Они позволяли использовать в работе пар с высокими параметрами, то есть относились к машинам высокого давления, что опять же способствовало увеличению мощности и экономичности.

Надо, однако, заметить, что простота и понятность всем формулы Д. Уатта сделала ее весьма популярной. Заказчики паровых машин и судов в своих контрактах и документах купли-продажи всегда стремились к тому, чтобы в них указывалась мощность машины, рассчитанная по формуле Д.Уатта. Эта же мощность фигурировала в отчетах и донесениях должностных лиц. Так в обиходе появились "номинальные лошадиные силы" или "нарицательные лошадиные силы". Однако формула давала хороший надежный результат только при расчете мощности пароатмосферных машин. Но когда стали применять перекрыш пара, увеличили частоту вращения коленвала машины, повысили давление пара, формула стала "обрастать" различными коэффициентами, а точность расчетов заметно снизилась.

Так продолжалось до середины ХIХ века, пока не был изобретен индикатор - прибор, позволявший измерять величину работы пара за единицу времени в каждом цилиндре паровой машины. И тогда выяснилось, что формула Д. Уатта занижает мощность машин в 4…8 раз. В результате появилась новая единица измерения - индикаторная лошадиная сила (и.л.с.). В архивах завода "Красное Сормово" были найдены материалы по пароходу "Ратмир", построенному в 1886 г. В документах отмечалось, что судно имеет машину мощностью 80 л.с., а в скобках указывалось и другое значение мощности - 336 и.л.с. Впоследствии выяснилось, что эта мощность снижается в результате трения частей паровой машины, и на движитель подается мощность, меньшая индикаторной приблизительно на 15 %. Так возникло понятие эффективной лошадиной силы - э.л.с. Например, нетрудно убедиться в том, что 336 и.л.с. эквивалентны 286 э.л.с.

Далее свой вклад в усовершенствование паровых машин внес английский инженер Горнблоуэр. Во-первых, он в 1781 г. спроектировал машину, рассчитанную на невиданно большое давление пара - 6 ати. Во-вторых, его машина имела два цилиндра: высокого давления (ЦВД) и низкого давления (ЦНД). Объем последнего был в 3…4 раза больше, чем у ЦВД. В начале рабочего цикла пар подавался в ЦВД, где совершал работу. После этого он перепускался в ЦНД, где продолжалось расширение пара, а следовательно, им совершалась дополнительная работа.

Отработавший пар из ЦНД далее должен был выпускаться в холодильник, но изобретение холодильника было защищено патентом Д. Уатта, поэтому изобретение Горнблоуэра не находило применения вплоть до 1804 г., пока не истек срок действия патента Д. Уатта. Новый двигатель был назван компаунд-машиной или просто - "компаунд". По сравнению с одноцилиндровой машиной мощность компаунда была больше в четыре раза. В 1804 г. английский инженер Артур Вульф спроектировал компаунд, рассчитанный на давление пара 3…4 ати. Такая машина оказалась втрое экономичнее серийной машины Д. Уатта; она применялась на различных судах до тех пор, пока на смену паровым двигателям не пришли дизеля.

Американцы использовали компаунд на железнодорожном транспорте, ими был построен паровоз мощностью около 2500 л.с., но серийно такие локомотивы не строились. Он так и остался в единственном экземпляре.

Компаунд получил широкое распространение на речных пароходах. Его устанавливали и на буксирах, и на грузовых, и на пассажирских судах. Как правило, это были "колесники" с бортовым расположением гребных колес. Каждое колесо приводилось в движение одним компаундом. Гребные колеса могли вращаться как в одном направлении, так и "враздрай", то есть в разные стороны, что значительно повышало маневренность судна. На каждую машину ставился свой "машинный телеграф", по которому подавались команды с капитанского мостика в машинное отделение.

Компаунд легко реверсировался и мог работать как на передний, так и на задний ход. На шкалах машинного телеграфа обозначались: "ход вперед" - полный, средний, малый и самый малый; "ход назад" - полный, средний, малый и самый малый. Капитан на мостике рукояткой телеграфа устанавливал нужный ему ход. На шкале телеграфа в машинном отделении специальная стрелка указывала вахтенному механику режим работы двигателя. Рукояткой своего устройства он дублировал команду капитана и запускал двигатель в нужном режиме.

На море колесники "не прижились", так как при качке гребные колеса работали плохо. Колесо то глубоко зарывалось в воду, то выходило из воды. Машина работала то с перегрузкой, то с недогрузом, стремясь пойти "в разнос". Отсюда - частые поломки колес, их кожухов, да и машина работала в сложных условиях. Поэтому на смену колесам пришел гребной винт.

На морских судах широкое распространение получил спаренный компаунд. В этом случае на одном машинном фундаменте устанавливали два компаунда, со стороны они смотрелись как одна четырехцилиндровая машина с двумя цилиндрами высокого и двумя цилиндрами низкого давления. Такие двигатели мощностью до 1000 л.с. устанавливали на рыболовных траулерах (РТ), которые имели водоизмещение 1000…1200 т. Это позволяло РТ легко буксировать трал на промысле и возвращаться в порт со скоростью хода около 11 узлов. Как главный двигатель компаунд был достаточно экономичен, не боялся перегрузок во время шторма, когда гребной винт то зарывается в воду, то выходит из воды; он всегда обеспечивал проектную мощность.
Компаунды мощностью свыше 2000 л.с. устанавливались на крупных транспортных судах. На одном из таковых, углерудовозе "Марите Мельникайте", довелось плавать автору этих строк. Судно водоизмещением около 7000 т легко давало проектные 12 узлов. Но больше всего мне нравилась тишина. Можно было в машинном отделении стоять рядом с работающей на полный ход машиной и разговаривать, не повышая голоса.

Подача пара в цилиндры паровых поршневых машин, а также его выпуск осуществлялись с помощью парораспределительного устройства. Его основная часть - золотник, который приводился в работу приводом, работающим от коленчатого вала машины. Для подачи пара в ЦВД применялись золотники цилиндрической формы, а для питания ЦНД устанавливались коробчатые золотники. Позже появились машины, у которых подача и выпуск пара осуществлялись через впускные и выпускные клапаны (как у двигателей внутреннего сгорания - например, дизелей). Эти машины еще назывались паромоторами. Однако отдавать предпочтение золотниковым машинам или паромоторам нет никакого смысла, и те и другие работали надежно, хотя некоторые механики о паромоторах говорили с почтением.

Вот такими были эти паровые машины.