Развитие теплоэнергетики

Г) Прокатные паросиловые установки металлургических заводов. Такие установки начали строить в конце XVIII в. в связи с введением реверсивной прокатки, однако реверс осуществлялся не в механизме самого двигателя, а во внешнем передаточном механизме, подобно тому, как это имело место в ранних рудничных и шахтных подъемниках. Позднее реверсивные машины, возникшие прежде всего

на транспорте, стали применяться и в прокатных станах, особенно после 30-х годов XIX в., в связи с внедрением проката железнодорожных рельсов.

Д) Паровые молоты. В конструкциях паровых молотов в начальный период их развития было осуществлено механическое объединение старых хвостовых молотов (приводившихся от водяного колеса) с паровой машиной. Примером указанного объединения может служить установка, предложенная Уаттом. В условиях быстро растущего машиностроения такие установки вскоре оказались ^не в состоянии обрабатывать крупные детали и в первую очередь крупные валы судовых паровых машин. Новое решение было найдено Дж. Несмитом в 1840 г. в виде конструктивного объединения парового двигателя с молотом. В этом устройстве поршень, соединенный непосредственно с бойком молота, поднимался под действием пара избыточного давления, а затем падал под действием собственного веса. Впоследствии в паровых молотах был введен «верхний пар» и к собственному весу поршня с бойком добавилось значительное усилие от давления пара на верхнюю поверхность поршня.

Е) Локомобили. Потребность в передвижных паросиловых установках, возникла еще в тот период, когда паровая машина не была универсальной и имела единственное назначение: подъем воды. Отвечая этой потребности, английский строитель паровых установок Дж. Смитон еше в 1765 г. разработал переносную установку, в которой он вместо кирпичных стен, служивших опорой для балансира, применил деревянный каркас. Машина предназначалась для откачивания воды из котлованов при разного рода строительных работах. Следует отметить, что в машине Смитона приближение оси двигателя к оси насоса превратило балансир в шкив, за которым, однако, сохранилась функция балансира — осуществлять возвратно-качательное движение.

Отдельные конструкции локомобилей с двигателями двойного действия, работавшими паром избыточного давления на выхлоп в атмосферу и установленными вместе с котлом на колесах, сооружались, начиная с 20-х годов XIX в. Однако заметное распространение локомобилей, получивших современные в своей основе конструктивные формы, началось только с середины XIX в. Они строились небольшой мощности (порядка 4—8 л. с.) с давлением пара 3—4 атм. и значительной для машин того времени быстроходностью (125—150 об/мин).

2.5 Начальный период развития теплоэнергетики в России.

Первая после барнаульской  установки И. И. Ползу нова (1766 г.) паровая   установка    была   сооружена 
в России в 1790 г. на Александровском заводе в Петрозаводске и предназначалась для откачивания воды на Воицком золотом прииске. Не признав талантливого строителя паровой машины Ползунова, правительство Екатерины II начало выписывать специалистов из-за границы. Шотландец Гаскойн, работавший по организации чугунолитейного и механического производства на Олонецких заводах, привез с собой несколько английских механиков и мастеров, руководивших сооружением ряда паровых машин. В 1783 г. английское правительство, опасавшееся развития самостоятельного машиностроения в других странах, запретило выезд мастеров из Англии (вывоз машин частично запрещался и ранее), и только после окончания наполеоновских войн (в 1815 г.) эти запреты начали несколько смягчаться, хотя полная их отмена последовала только в 1843 г. До запрета о выезде из Англии в Россию прибыли Вильсон (заменивший на Олонецких заводах Гаскойна) и Берд, основавший около С. Петербурга в 1817 г. судостроительный и машиностроительный завод с широкими привилегиями, предоставленными ему русским правительством.

В этот период в России выросли и воспитались отечественные машиностроители и механики: А. Вяткин, М- Назукин, П. Залесов, М. Лаулин, С. Литвинов, Е. и М. Черепановы и многие другие, обеспечившие развитие в России .новой техники, потребность в которой непрерывно возрастала. К 30-м годам XIX в. рост в России хлопчатобумажной, льняной и шерстяной текстильной промышленности, являясь выражением первой фазы переход к машинному производству, вызвал все обострявшуюся потребность в паровых двигателях.

В 1836 г. на Сноведском заводе (группы Выксунских заводов) была начата постройка паровых машин для текстильных фабрик Владимирской губ. Машины строились балансирные по системе Уатта и не отличаясь высоким качеством, не выдерживали конкуренции с машинами специализированных иностранные заводов. Начался выпуск паровых машин на Александровском заводе, сыгравшем впоследствии значительную роль в развитии отечественного машиностроения. Судовые машины и паровозы строились на основанном в 1849 г. Сормовском заводе. Начался выпуск паровых машин на Костромском заводе Шиповых и на Тульских заводах Мальцева. Людиновский завод одним из первых в России начал постройку локомобилей.

Отечественное машиностроение далеко отставало от быстро возраставшей потребности в паросиловых установках, и в среднем 50% установленной мощности паровых Машин в России обеспечивалось за счет импорта. Причины этого отставания, продолжавшегося вплоть до великой Октябрьской социалистической революции, будут освещены в последующих главах книги.

2.6 Универсальный паровой   двигатель как основа технического перевооружения транспорта.

Универсальный паровой двигатель явился основой технической революции на транспорте, в результате которой на смену гужевому транспорту пришли железные дороги, а на смену пароходы. Новый транспорт, обеспечивший неизмеримо более высокую пропускную способность, явился органическим звеном новой, машинной системы промышленного производства с ее массовым выпуском широчайшего ассортимента товаров, с ее колоссальной потребностью в перевозках сырья, горючего, фабрично-заводской продукции.

Вместе с тем сам процесс возникновения сухопутного и водного парового транспорта сыграл громадную роль в совершенствовании конструктивных форм и достижении высоких экономических показателей парового двигателя. В этих вопросах определяющее значение имел ряд специфических требований к паровому двигателю, работающему в системе транспортной установки. Главными из этих требований были: небольшой удельный вес двигателя, реверсивность и возможность запуска двигателя с любого положения частей его механизма. Первое из этих требований сразу же определило транспортный паровой двигатель как двигатель избыточного давления. Поэтому совершенно не случаен тот факт, что строители первых паровых транспортных агрегатов обратились к пару избыточного давления. Среди них был французский инженер Ж. Кюньо, который в 1769 г., задолго до возникновения острой потребности в универсальном паровом двигателе, спроектировал паровую повозку для перевозки тяжелых артиллерийских орудий. Осуществляя универсальность по техническому применению методом суммирования работы двух цилиндров простого действия (как несколько ранее Ползунов), он объединил их передаточные механизмы, действовавшие поочередно на ведущее колесо повозки. Придя к принципиально правильной конструкции двигателя, Кюньо не нашел способа снизить удельный вес котла, который, будучи самой крупной и тяжелой частью всей повозки, не обеспечивал двигатель достаточным количеством пара.

После прекращения действия патентов Уатта, в 1802 г., англичанин Р. Тревитик запатентовал двигатель избыточного давления для применения в самодвижущихся повозках. Однако Тревитик нашел менее удачное решение, чем Кюньо. Он некритически применил к своему паровому автомобилю (рис. 3-30) одноцилиндровый двигатель двойного действия со всеми присущими ему элементами, не исключая и маховика. Эту же ошибку Тревитик повторил в конструкции своего паровоза, совместив в нем два аккумулятора механической работы: маховик и паровоз в целом. При изменениях скоростного режима машины динамическое равновесие системы нарушалось, вызывая поломку зубьев передаточных шестерен. Изобретая транспортный двигатель, Тревитик позаботился о скорости движения путем введения громадных ведущих колес. В последующих конструкциях ряд изобретателей, названных Марксом «кооперацией современников», вернулся к правильному решению Кюньо, но уже на более высокой ступени развития: они применяли два цилиндра двойного действия, что позволило пускать локомотив в ход при любом положении механизма. Был сделан сдвиг по сравнению с повозкой Кюньо в отношении котла: начиная с Р. Треви-тика, все конструкторы паровозов первой четверти XIX в. Размещали топку внутри жаровой трубы.

Однако до применения наиболее эффективного метода увеличения удельной паропроизводительности котла — устройства в нем большого числа дымогарных труб — паровоз находился в состоянии своего младенчества. Использовав впервые дымогарные трубы в котле своего паровоза «Ракеты», английский инженер Дж. Стефенсон вышел победителем конкурса на лучший паровоз, организованного в 1829 г. Его «Ракета» развила скорость до 21 км/ч при весе поезда 17 г, позднее «Ракета» развивала неслыханную в то время скорость 45 км/ч, считавшуюся некоторыми медиками тех дней чуть ли не смертельной для человека. Стефенсона многие называют изобретателем первого реверсивного механизма, позволявшего на ходу переключать парораспределительный золотник машины с эксцентрика переднего хода на эксцентрик заднего хода. Этот механизм сохранил за собой название «кулиса Стефенсона». В действительности кулиса эта была изобретена работавшим на заводе Стефенсона в Ньюкастле инж. Вильямсом, который построил ее в 1842 г. Название кулисы объясняется тем, что патент на нее получил Стефенсон как владелец предприятия. Необходимость в реверсивном механизме нашла отклик в трудах многих других изобретателей этих механизмов.

В  России   первыми   конструкторами паровозов   были отец и сын Е. А. и М. Е. Черепановы. В 1834 г. они построили паровоз, перевозивший 3,5 т груза со скоростью 15 км/ч. Затем ими был построен второй паровоз, который мог перевозить груз весом 17 т. Паровоз был реверсивным и имел котел с большим числом дымогарных труб.

Таким образом, конструкторы паровозов впервые ввели в паросиловые установки производительные трубчатые котлы, многоцилиндровые двигатели, пар избыточного давления, безбалансирную конструкцию механизма, устройства для реверсирования.

Прогресс судовых двигателей был более медленным, как судовая установка предъявила к своим конструкторам менее жесткие требования, чем сухопутная. Социальный заказ промышленного переворота привлек и к этой области применения парового двигателя значительную группу изобретателей. Здесь также необходимо было преодоление привычных представлений. Если изобретатели первых паровозов не верили в то, что сцепление ведущих колес с гладким рельсом будет достаточным для движения поезда и применяли шестеренчатые рельсы и даже своеобразные «ноги» — толкачи (локомотив Брентона, 1813), то некоторые изобретатели первых пароходов не могли отказаться от весел как движителя. Между тем замена многих слабосильных гребцов одним мощным двигателем диктовала целесообразность устройства одного движителя—колеса или винта.

Многие попытки использования грузового  аккумулятора, имевшие  место  после предложения Дж. Хэлла, описанного ранее, оказались безуспешными из-за применения пароатмосферных двигателей или двигателей с прерывной отдачей работы. Становление универсального двигателя, работавшего с паром избыточного давления, создало все предпосылки к использованию этого двигателя на водном транспорте. Ранние паровые суда О. Эванса, В. Саймингтона, Дж. Фитча, Стевенса и многих других не получили отклика в промышленных сферах, несмотря на то, что их конструкторы нашли, ряд прогрессивных решений. На своем судне с задним колесом Саймингтон первым отказался от балансира, и общее расположение его установки вполне соответствует более поздней практике построения заднеколесных судов включительно до 20-х годов XX в. Наихудшее техническое решение—механический перенос на судно стационарного двигателя с его балансиром и маховиком (рис. 3-35) — принадлежало Фульто-ну, получившему наибольшую известность в истории в силу того, что его пароход «Клермонт» явился первым коммерческим судном.

В России постройка пароходов была начата в 1815 г. Ф. Бердом; в 1820 г. между С. Петербургом и Кронштадт том курсировали уже четыре парохода, называвшиеся тогда «пироскафами». Позднее судовые машины строились на Ижорском заводе, машины для речных судов — на Пожевском заводе (с 1817 г.), на Мальцевских заводах, а позднее—на Сормовском. Ижорскому заводу принадлежит первенство постройки и внедрения безбалансирного судового двигателя на пароходе «Геркулес» в 1832 г.

2.7 Возникновение двигателей внутреннего сгорания.

К 30—50-м годам XIX в. разорение  мелких   ремесленников   и   кустарей в связи с ростом капиталистического фабрично-заводского машинного производства вызвало социальный заказ на новый двигатель. Субъективно этот заказ основывался на неправильном представлении о том, что, будучи снабженным дешевым маломощным двигателем, ремесленник станет конкурентоспособным в борьбе с крупным капиталистическим производством. Объективно такой заказ являлся проявлением Двигательной силы, так как исходил от широких кругов населения. Развитие паровых силовых установок подсказало изобретателям конкретные формы нового дешевого и экономичного двигателя, как «машины без котла», являвшегося наиболее дорогой и громоздкой частью паросиловых установок. Отказ от котла означал сжигание горючего внутри самого двигателя, который еще до своего возникновения получил сохранившееся и поныне название «двигателя внутреннего сгорания». Таким образом, развитие паровой машины подготовило конструктивные формы нового поршневого двигателя. Другими существенными условиями, ускорившими возникновение двигателя внутреннего сгорания, явились: газовое горючее, технология производства которого была разработана в начале XIX в., и индукционная катушка, позволявшая зажигать горючую смесь в полости цилиндра индуктированным током высокого напряжения.

Перечисленные возможности построения нового двигателя были реализованы в конструкции, предложенной в 1860 г. французом Ж. Ленуаром (рис. 3-36). Испытания 188 двигателя Ленуара показали, что экономический к. п. д. его имел значение всего 3,3%, тогда как у паровых двигателей того времени этот к. п. д. достигал 8—10%. Низкая экономичность двигателя Ленуара была следствием нерационального цикла, разработанного изобретателем. При всасывании горючей смеси светильного газа с воздухом до половины хода поршня расширение ограничивалось второй половиной хода поршня и было поэтому всего-навсего двукратным, т. е. срабатывавшим крайне небольшой перепад располагаемого теплосодержания.

Значительно уменьшить расход горючего удалось немецким изобретателям Н. Отто и Е. Лангену, которые умело использовали все возможности совершенно неперспективного газоатмосферного двигателя, предлагавшегося в 1854 г. в крайне недоработанном виде итальянцами Барзанти и Маттеучи. Это было возрождением принципа «пороховой машины» Д. Па-пена с использованием вместо пороха газовой смеси. Так как всасывание рабочей омесиосу-ществлялось только на оси хода поршня, расширение проходило далеко в область вакуума, позволяя срабатывать больший, чем у Ленуара, теплоперепад. 10-кратное расширение позволило получить экономический к. п. д. 14%, явившийся «потолком» для двигателей подобного типа.