Совершенствование паровых машин, создание «компаунд-машин»

Конструкция паровых машин совершенствовали многочисленные изобретатели. В 1779 г. англичанин Васбор получил патент на одноцилиндровую пароатмосферную машину с кривошипно-шатунным механизмом и маховиком для преобразования возвратно-поступательного движения поршня в равномерное вращение коленчатого вала.

В одноцилиндровой машине невозможно полностью использовать энергию пара. Неиспользованной энергии могло бы хватить на выполнение добавочной работы. Расход пара, а значит и топлива в этом случае был настолько велик, что первые пароходы можно смело называть углевозами для собственного потребления.

В 1781 г. англичанин Д.Горнблоуэр предложил выполнить расширение пара в двух последовательно соединенных цилиндрах, что дает более полное расширение пара и повысит эффективность работы машины.

Предложение Д.Горнблоуэра реализовал в 1804 г. англичанин Артур Вульф. Он построил двухцилиндровую паровую машину, у которой глубокое расширение пара завершилось во втором цилиндре большего диаметра, такая паровая машина получила наименование «компаунд-машина».

Большой вклад во внедрение «компаунд-машин» на судах внес главный механик судостроительного завода в Нижнем Новгороде Калашников, создавший более 60-ти оригинальных конструкций паровых машин. Его труд «Записки конструктора» и «Атлас пароходных машин Волжского бассейна», изданный в 1896 г., стал серьезным пособием для судостроителей.

Типы судовых паровых машин, их достоинства и недостатки.

На судах устанавливали паровые машины с горизонтальным, наклонным и вертикальным располежением цилиндров. Для уменьшения габаритов ЭУ и упрощения конструкции привода гребных колес некоторое распространение получили паровые машины с качающимися цилиндрами.

Стремление повысить экономичность работы ЭУ привело в конце XIX в к созданию паровых машин с трех- и четырехкратным расширением.

Первый цилиндр по ходу пара называется цилиндром высокого давления (ц.в.д.), последний0 цилиндром низкого давления (ц.н.д.), а промежуточные ц.с.д. I, ц.с.д. II и т.д. Трубу или камеру соединяющую цилиндры, называют ресивером.

Ц.в.д. всегда имеет наименьший объем, а каждый последующий цилиндр- больший, чем предыдущий. Это необходимо именно вследствие многократного расширения пара- следующий цилиндр должен вместить объем пара, занимавшего предыдущий цилиндр, и еще дать ему возможность расширяться.

Теоретически безразлично, за счет чего увеличивать объем следующего цилиндра -за счет его диаметра или длины, но практически удобнее все цилиндры делать одинаковой длины (одинаковые ходы поршней, одинаковая длина мотылей). Поэтому делают различными диаметры цилиндров. Объемы всех цилиндров увеличиваются прямо пропорционально увеличению объема расширяющегося пара, т.е. за счет увеличения диаметров цилиндров. (Диаметр цилиндра увеличивается обратно пропорционально падению давления расширяющегося пара).

Более чем четырехтактного расширения паровые машины не выпускали.

На первых пароходах машины работали при давлении пара не более 5-6 атмосфер. Отработавший пар выпускали в атмосферу. Позже стали пар выпускать в холодильник (конденсатор) в котором он превращался в конденсат- питательную воду для котлов. Применение холодильников существенно улучшило работу паровой машины т.к. паровые котлы нельзя питать соленой морской водой из-за образующейся накипи, выводящих их из строя. Поэтому на судах для питания котлов принимают в запас пресную воду, терять которую вместе с уходящим паром нецелесообразно.

Наиболее крупная паровая машина была построена в 1903 г. в Германии для парохода «Кайзер Вильгельм II». Мощность ее составляла 22300 л.с., длина 22,5 м, высота 12,75 м.

Паровые машины в составе СЭУ характеризуются завидной долговечностью. Более 150 лет честно служила паровая машина на судах. Это объясняется:

- простотой конструкции, большим ресурсом и высокой надежностью при эксплуатации;

- хорошей приемистостью и возможностью работать со значительными перегрузами;

- легкостью реверса и плавным изменением частоты вращения коленчатого вала в широком диапазоне.

К сожалению, паровая машина обладала и значительными недостатками:

- большие габариты, масса и значительная неравномерность вращения коленчатого вала;

- низкий КПД, у самых лучших он не превышал 20%.

Нужно было найти двигатели с более высоким КПД, с меньшими массой габаритами и большими агрегатными мощностями.